本發(fā)明屬于地下管線探測領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁異常垂直分量解析信號探測的埋地鐵質(zhì)管線探測與精確定位方法及裝置。

背景技術(shù)：

由于歷史、人文及地質(zhì)變動等原因，使得地下管線分布信息不明，從而引起管線加密鋪設(shè)、道路施工挖掘、工程勘察，及建設(shè)打樁過程中打漏或挖斷地下管線的現(xiàn)象時常發(fā)生，造成油氣泄露、水電中斷等安全事故，嚴重影響工農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ?。因此，工程施工前，探明施工區(qū)域地下管線的分布信息極其重要。

地下管線管材種類繁多，埋設(shè)情況多種多樣，針對不同管線進行探測的方式千差萬別。在科學(xué)研究及工程應(yīng)用過程中形成的管線探測方法可分為：直接法、電法、磁法、地震波法及其他特殊方法等。直接法有直接觀測法和插釬判斷法兩種，直接觀測適用于管道有開挖露頭或有閥門露頭且管道分布較單一，從露頭可以估計管道埋深及走向的情況；插釬判斷法適用于管道埋設(shè)較淺且土壤覆蓋層容易扦插的情況。電法，主要有交流電法（也稱電磁法）和直流電法兩大類，交流電法因場源不同可分為被動源法和主動源法兩種。被動源法的電磁場激勵源來源于工頻信號及其諧波，而不需人工提供電磁源激勵管道產(chǎn)生電磁場，相對主動源而言是一種簡便的金屬管線探測方法，但由于工頻信號不夠穩(wěn)定，該方法不能精確的確定管道分布信息。交流主動源法分為直接連接法、夾鉗耦合法、感應(yīng)法、示蹤探頭法和地質(zhì)雷達法。直接連接法能夠人為的輸入較強的信號，可以單獨連接被探測管線，因此該方法探測管道分布定位較準確，但應(yīng)用該方法時必須有管道露頭用于導(dǎo)線連接，因此實用性受到較大程度的限制。夾鉗耦合法僅適用于探測電纜以及直徑較小的金屬管線，且必須有露頭管線。感應(yīng)法通過磁偶極源向被探測管道發(fā)射激勵電磁波，金屬管道在激勵電磁波的激發(fā)下會產(chǎn)生感應(yīng)電磁波，通過地面檢測感應(yīng)電磁場來判斷地下金屬管道的埋設(shè)分布，由于感應(yīng)電磁波信號較弱且易受環(huán)境電磁場干擾，其精度易受影響。示蹤探頭法通過不斷改變示蹤器在管道中的位置，檢測其發(fā)射的電磁脈沖，探測到管道的位置和深度，該方法探測效果較好，但需要不斷移動示蹤器位置操作起來較為復(fù)雜。探地雷達法是應(yīng)用最廣泛的一種交流主動源探測法，但其管道埋深探測能力與管道外徑分辨率相互制約，接收到高頻電磁波的衰減特性受管道環(huán)境物質(zhì)的耗損特性影響。直流探測法利用地下管線與埋設(shè)環(huán)境之間導(dǎo)電性差異進行探測，常用的直流電測法又可分為：高密度電阻率法、充電法和自然電場法等。高密度電阻率法，需要專業(yè)的電法勘測儀器，電極排布及檢測數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，對于大口徑埋設(shè)較淺的管道效果很好，探測深度一般較其他管線探測方法的深度高，對于口徑較小的管道則適用性很差。充電法必須有金屬管道露頭用于電源連接。自然電場管線探測方法探測準確性易受工業(yè)漏電流影響，且對于未腐蝕管道不適用，因此其應(yīng)用面較窄。

鑄鐵管、鍍鋅鐵管、不銹鋼管、不銹鋼復(fù)合管及由鋼鐵及其他管道材料構(gòu)成的PCCP管等，這些類型的管道可以統(tǒng)稱為鐵質(zhì)管道。目前，幾乎全部的油氣集輸管道、絕大部分的供水供暖管線及部分共同溝、雨污排水管線為鐵質(zhì)管道，特別是鋪設(shè)較老的地下管線絕大部分是鑄鐵管材。由于地下鐵質(zhì)管線的磁化率特性與周圍土壤的磁化率差異較大，在地磁場的磁化下會產(chǎn)生非常明顯的磁異常，因此，可以通過探測地面磁異常分布來探測地下鐵質(zhì)管線的分布。

地震波映像法主要是用于深層地質(zhì)勘探的一種物探方法，管線勘探時，地震源一般由人工震源車或炸藥爆炸提供，因此，勘測難度較大，且勘測成本極高。其他管線探測方法還有管道機械人示蹤法和紅外熱成像法等。管道機械人示蹤法基于初始起點三維坐標和機械人前進過程中記錄的各點距離及變化角度計算管道的軌跡，此方法計算精度易受影響，需要有出漏的管道口，對細管道及管徑變化的管道此方法不適用。紅外熱成像法適用前提是存在管道與周圍介質(zhì)之間的溫差，因此對夏天環(huán)境溫度較高時此方法適用性易受影響。

目前，地下鐵質(zhì)管線磁異常探測主要以探測總磁異常為主，在探測時需要同時測量三個磁場分量，這樣不僅會提高探測儀器的成本，而且會影響磁異常探測準確性。而磁異常垂直分量（以下簡稱垂直磁場）僅涉及垂直方向磁場測量，其磁異常分布仍然能夠判斷地下鐵質(zhì)管線的有無及大致分布情況。同時，磁異常垂直分量也能夠進行解析信號處理，以提高地下鐵質(zhì)管線水平定位精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的主要是針對總磁異常管線探測存在的問題，提供了一種基于磁異常垂直分量解析信號探測的埋地鐵質(zhì)管線探測與精確定位方法及裝置。

一種基于磁異常垂直分量解析信號探測的埋地鐵質(zhì)管線探測與精確定位裝置，為十字型解析信號探測裝置，包括四個微型高精度單軸磁場傳感器、下位機嵌入式系統(tǒng)和運行于上位機的數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件；

其中，所述微型高精度單軸磁場傳感器分別對應(yīng)相應(yīng)的磁場監(jiān)測點，用于采集對應(yīng)監(jiān)測點的垂直磁場信號；下位機嵌入式系統(tǒng)基于磁場傳感器采集到的垂直磁場信號計算得到解析信號；上位機的數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件將解析信號繪制成解析信號強度分布曲面圖。

對上述內(nèi)容的進一步補充，四個微型高精度單軸磁場傳感器呈上下左右十字型分布，所對應(yīng)的四個磁場監(jiān)測點處在同一個平面上。

對上述內(nèi)容的進一步補充，四個微型高精度單軸磁場傳感器所對應(yīng)的上下磁場監(jiān)測點以十字交叉中心上下對稱，左右磁場監(jiān)測點以十字交叉中心左右對稱。

對上述內(nèi)容的進一步補充，四個微型高精度單軸磁場傳感器將實時采集到的垂直磁場信號經(jīng)下位機嵌入式系統(tǒng)計算得到十字中心點處解析信號；考慮到磁場測量的方向性，解析信號值計算公式如下：

上式中，為上側(cè)微型高精度單軸磁場傳感器所檢測的垂直向下磁場信號，為下側(cè)微型高精度單軸磁場傳感器所檢測的垂直向上磁場信號，為左側(cè)微型高精度單軸磁場傳感器所檢測的垂直向下磁場信號，為右側(cè)微型高精度單軸磁場傳感器所檢測的垂直向上磁場信號，垂直向下測量磁場方向為正；為上磁場監(jiān)測點或下磁場監(jiān)測點到十字中心點的距離，為左磁場監(jiān)測點或右磁場監(jiān)測點到十字中心點的距離。

其中，上磁場監(jiān)測點或下磁場監(jiān)測點到十字中心點的距離相同，左磁場監(jiān)測點或右磁場監(jiān)測點到十字中心點的距離相同，在應(yīng)用中根據(jù)工作需要進行確定。

對上述內(nèi)容的進一步補充，下位機嵌入式系統(tǒng)將計算得到的十字中心點處解析信號上傳至上位機，運行于上位機的數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件實時繪制插值平滑處理后的解析信號強度分布曲面圖。

一種基于磁異常垂直分量解析信號探測的埋地鐵質(zhì)管線探測與精確定位方法，包括以下步驟：

步驟一，探測裝置的安裝，將多個十字型解析信號探測裝置安裝在探測器支架上組成直線型探測陣列；

步驟二，地下鐵質(zhì)管線的初步定位，在被探測區(qū)域隨機選定數(shù)條長不短于15m的直線探測路徑，使用探測陣列垂直于探測路徑近地表平面進行探測，得到垂直磁場的初次解析信號強度分布曲面圖，如果對應(yīng)的初次解析信號強度分布曲面存在明顯的脊背，則根據(jù)脊背分布確定地下鐵質(zhì)管線大致走向與管線分布類型，管線分布類型包括單直管線、多條平行管線和多條交叉管線；

步驟三，根據(jù)不同管線分布類型再次確定探測路徑或探測區(qū)間，對于單直管線，在垂直于管線走向的地表平面上，每隔一定距離劃定一條長15m至20m的探測路徑，探測路徑中點大致位于垂直磁場的初次解析信號強度分布曲面脊背及其延長線上；對于多條平行管線，在垂直于平行管線的中間平行線方向的地表平面上，每隔一定距離劃定一條長15m至20m的探測路徑，探測路徑中點大致位于多條平行管線的中間平行線上；對于多條交叉管線，以垂直磁場的初次解析信號強度分布曲面極值點為中心，在對應(yīng)的地表平面上劃定一個長寬均為20m左右的區(qū)間作為探測區(qū)間；

步驟四，精確定位，沿著上述劃定的探測路徑或探測區(qū)間，使用探測陣列在近地表平面上探測計算垂直磁場解析信號，并得到垂直磁場的二次解析信號強度分布曲面圖，如果對應(yīng)的二次解析信號強度分布曲面存在明顯的條狀脊背，則可確定該探測路徑對應(yīng)的地下埋設(shè)有鐵質(zhì)管線，并根據(jù)脊背中間線對應(yīng)的探測面坐標對地下鐵質(zhì)管線進行水平位置與走向定位。

其中所述每隔一定距離的距離根據(jù)實際需要具體確定。

本發(fā)明中所述中間平行線，是指以多個初次解析信號強度分布曲面脊背形成的多條平行線為基礎(chǔ)，在多條平行線中間位置與這些平行線相平行的平行線。

本發(fā)明中利用由多個十字型解析信號探測裝置在探測區(qū)域進行初步定位，得到地下鐵質(zhì)管線大致走向與管線分布類型，再根據(jù)不同的管線分布類型確定相應(yīng)的探測路徑和探測區(qū)間，然后再次利用探測裝置進行精確定位。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明以地下鐵質(zhì)管線受地磁磁化后產(chǎn)生的磁異常為探測源，不需要人為提供激勵源；

（2）本探測裝置使用單軸磁場傳感器制作檢測設(shè)備探測垂直磁場，相比于三軸磁場傳感器探測總磁異常而言，儀器結(jié)構(gòu)更簡單，探測儀裝置制作成本更低；

（3）采用垂直磁場解析信號探測定位地下鐵質(zhì)管線，相比于總磁異常探測定位管線水平位置準確性更高，且受地磁場方向、管線剩磁及管線埋深的影響極?。?/p>

（4）采用十字型排布磁場傳感器，以中心差分方式實現(xiàn)十字交叉點處解析信號計算誤差更小，提高了埋地鐵質(zhì)管線檢測和定位的準確度；

（5）相比于總磁異常管線探測而言，垂直磁場解析信號對相鄰管線定位區(qū)分能力更強。

附圖說明

圖1本發(fā)明提供的垂直磁場解析信號探測裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2本發(fā)明提供的垂直磁場解析信號地下鐵質(zhì)管線探測與精確定位工作示意圖；

圖3單管道垂直磁場解析信號探測定位實例模擬圖；

圖4兩條交叉管道垂直磁場解析信號探測定位實例模擬圖。

其中，1-微型高精度單軸磁場傳感器，2-圓形電路板，3-鐵質(zhì)管線，4-管線埋設(shè)物(土壤水泥等)，5-探測裝置陣列，6-上位機，7-探測路徑。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合模擬結(jié)果，對本發(fā)明具體實施方式做進一步詳細說明；應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例

如圖1、2所示，四個磁場測量精度為1nT的微型高精度單軸磁場傳感器1呈上下左右四個方向安裝在圓形電路板2同一側(cè)，上下兩個傳感器磁場測量方向相反，左右兩個傳感器磁場測量方向相反。

四個微型高精度單軸磁場傳感器1的磁場檢測點位于同一平面上，左右磁場檢測點連線垂直于上下磁場檢測點連線；上端和左端傳感器磁場檢測方向垂直向下，下端和右端傳感器檢測方向垂直向上；上下兩個磁場檢測點距離和左右兩個磁場檢測點之間的距離均為10mm。

圓形電路板2另一側(cè)焊接數(shù)據(jù)采集芯片，數(shù)據(jù)采集芯片的電路組件包括單片機、電源接口和數(shù)據(jù)傳輸總線接口。

微型高精度單軸磁場傳感器1、圓形電路板2及其電路組件組成一個檢測單元，將9個檢測單元每隔20cm安裝在直條狀探測器支架上組成探測裝置陣列5，探測陣列所探測信號經(jīng)下位機嵌入式系統(tǒng)計算所得解析信號，通過數(shù)據(jù)總線傳輸檢測數(shù)據(jù)到上位機6。

如圖2所示，地下鐵質(zhì)管線3埋設(shè)在管線埋設(shè)物(土壤水泥等) 4中，在被探測區(qū)地面隨機選取2條垂直的橫穿探測區(qū)域的直線路徑，使用探測裝置陣列5垂直于探測路徑探測并繪制該路徑上的垂直磁場解析信號分布曲面，如果曲面存在明顯的脊背特征，則可初步判斷地下存在鐵質(zhì)管線3，并初步判斷管線為單直管線、多條平行管線，或者是多條交叉管線；如果曲面不存在明顯的脊背特征，則地下可能不存在鐵質(zhì)管線3，或者是鐵質(zhì)管線太細（直徑小于25mm）且埋深太深（頂部埋深大于5m）。

對于單直管線，以垂直管線走向方向每隔2m劃定一條長15m至20m探測路徑7，探測路徑中點大致位于垂直磁場解析信號曲面脊背及其延長線上；對于多條平行管線，以垂直于平行管線的中間平行線方向每隔2m劃定一條長15m探測路徑7，探測路徑7中點大致位于中間平行線上；對于多條交叉管線，以垂直磁場解析信號曲面極值點為中心劃定一個長寬為20m左右的區(qū)間作為探測區(qū)間。

沿著劃定的探測路徑7，保持同一水平高度勻速移動探測裝置陣列5，邊探測邊實時繪制垂直磁場解析信號曲面，以曲面脊背中心線對應(yīng)的地面位置作為管線的水平分布定位位置。如圖3所示為單根管道垂直磁場解析信號探測數(shù)據(jù)分布模擬曲面，圖4所示為兩條交叉管道垂直磁場解析信號探測數(shù)據(jù)分布模擬曲面，曲面下方直線為曲面脊背中心線確定的管道水平位置。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。