8字形补偿式瞬变电磁矢量天线及地下管线方向探测方法与流程

1.本发明涉及天线及地下管线探测领域，特别涉及8字形补偿式瞬变电磁矢量天线及地下管线方向探测方法。


背景技术：

2.国内现有大电流小线圈工作方式的瞬变电磁，普遍采用方形重叠回线方式。重叠位线因为方便现场施工，横向分辨率高的原因也确实在现场得到广泛的运用。但是随着地面工勘市场的深入，城市内浅部勘探条件复杂，各种工频干扰严重，管线勘察受地下管线和电缆的复杂条件影响，在这种情况下，方形重叠回线的抗干扰能力相对较弱，遇到较强的工频干扰情况下，波形通常容易失真，探测精度下降；同时由于重叠回线的发射和接收线圈在一起，互感效应明显，尤其是早期一次场信号和二次场信号很难分离，造成早期浅部有效低阻信息的反应被互感后一次场信号覆盖，导致浅部信息丢失，探测盲区客观存在。
3.在城市勘探中，管线探测除了要找管线的具体地下位置，同时要对管线的走向做出精确的判断。城市勘探中由于地下条件复杂，很难布置有效的测线和测网，以便精准确定管线的走向，目前采用方形回线无法对探测的地下管线进行有效的异常方向和走向分析，目前雷达和探管仪对地下管线的探测深度有限，一般都在5米以内。20米以内的金属管道的有效探测，目前看瞬变电磁方法可以有效的进行探测，但是通用方形重叠回线方法一方面缺乏超浅层探测的分辨能力，同时抗干扰能力也有待提高，更重要的是缺乏对地下管道等低阻体的方向做出判断。
4.因此在目前的浅层管线勘探领域，急需一种抗干扰能力强，浅层分辨能力高，具有对地下管线进行方向矢量进行判读的有效探测方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在提供8字形补偿式瞬变电磁矢量天线及地下管线方向探测方法，能够通过8字形补偿式瞬变电磁矢量天线进行旋转磁变量场强强度进行探测，进而可以增强瞬变电磁探测的抗干扰能力和提高探测结果的准确度。
6.本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：一方面，本发明提供了8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，用于地下管线方向探测，包括第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈，所述第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈均呈8字形，且三个线圈分别形成的8字形平面重合，所述第二发射线圈、接收线圈和第一发射线圈由内向外依次设置；所述第一发射线圈，用于连接发射机，并通过发射机向第一发射线圈分配电流方向为正向的第一发射电流；所述第二发射线圈，用于连接发射机，并通过发射机向第二发射线圈分配电流方向为反向的第二发射电流；接收线圈，用于连接接收机；
当所述第二发射线圈中流入第二发射电流且第一线圈中流入第一发射电流时，利用第二发射线圈产生的电场对第一发射线圈的浅部电场进行反向补偿，使第一发射线圈和第二发射线圈在接收线圈内产生的总磁通量为零；首先将线圈保持正北方向，通过横向测线的无线电波信号强度来确定管道的地下位置，获取的横向测线上感应最强的位置即为地下管线的中心位置，将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取横向感应最强的位置，然后基于此位置采用8字形线圈进行原地旋转进行磁变量场强强度探测，获取场强最强的地下管线方位角，即可获取地下管线的走向和方向信息。
7.作为进一步优化，所述发射机用于设置第一发射线圈中正向的第一发射电流的大小以及设置第二发射线圈中反向的第二发射电流的大小。
8.作为进一步优化，所述将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，测量信号为纯二次场信号。
9.作为进一步优化，当地下管线与8字形线圈呈垂直方位时，8字形线圈磁场对地下管线的切割效应最强，获得的二次场感应信号最强，当地下管线与8字形线圈呈平行方位时，8字形线圈磁场对地下管线的切割效应最弱，获得的二次场感应信号最弱。
10.作为进一步优化，所述接收机中设置有多角度测量显示界面，通过所述有多角度测量显示界面显示地下管线方向探测结果。
11.作为进一步优化，将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，对8字形线圈的防止位置进行标定。
12.另一方面，本发明还提供了地下管线方向探测方法，应用于所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，包括如下步骤：首先将线圈保持正北方向，通过横向测线的无线电波信号强度来确定管道的地下位置，将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取的横向测线上感应最强的位置即为地下管线的中心位置；然后基于横向测线上感应最强的位置的8字形线圈进行原地旋转进行磁变量场强强度探测，获取场强最强的地下管线方位角，即可获取地下管线的走向和方向信息。
13.作为进一步优化，所述将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位之前，使8字形线圈保持在正北方向，并通过横向测线的信号强度来确定管道的横向位置，确保管道是在横向测线的信号最强的位置正下方。
14.作为进一步优化，在确定管道横向位置后，从正北方向开始探测，原地以8字形线圈的中心位置顺时针每隔15
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水平旋转8字形线圈，每次旋转后测量一次8字形线圈的感应电动势，最终通过13个角度的探测，确定信号最强的方位对于8字形线圈的旋转方向，即为地下管线的走向方位。
15.本发明的有益效果是：通过上述8字形补偿式瞬变电磁矢量天线及地下管线方向探测方法，由于可以通过对比8字形发射线圈和方形发射线圈在不同大小电流情况下产生的磁场分布方向，且8字形发射线圈在近距离位置能产生明显大于方形线圈的磁通密度，因此，8字形回线比同一回线有更好的信噪比，最终，本技术可以利用8字形补偿式瞬变电磁矢量天线进行旋转磁变量场强强度的探测，从而获取地下管线的位置和方向，所以利用本申
请中的8字形发射线圈增强了瞬变电磁探测的抗干扰能力和提高了探测结果的准确度。
附图说明
16.图1为本实施例1中8字形补偿式瞬变电磁矢量天线示意图；图2为本实施例1中地下管线和8字形线圈垂直分布示意图；图3为本实施例1中地下管线和8字形线圈平行分布示意图；图4为本实施例2中8字形线圈正向朝北放置示意图；图5为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转15
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示意图；图6为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转30
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示意图；图7为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转45
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示意图；图8为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转60
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示意图；图9为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转75
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示意图；图10为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转90
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示意图；图11为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转105
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示意图；图12为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转120
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示意图；图13为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转135
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示意图；图14为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转150
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示意图；图15为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转165
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示意图；图16为本实施例2中8字形线圈原地顺时针旋转180
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示意图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
18.实施例1本实施例提供的是8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，用于地下管线方向探测，包括第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈，所述第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈均呈8字形，且三个线圈分别形成的8字形平面重合，所述第二发射线圈、接收线圈和第一发射线圈由内向外依次设置；所述第一发射线圈，用于连接发射机，并通过发射机向第一发射线圈分配电流方向为正向的第一发射电流；所述第二发射线圈，用于连接发射机，并通过发射机向第二发射线圈分配电流方向为反向的第二发射电流；接收线圈，用于连接接收机；当所述第二发射线圈中流入第二发射电流且第一线圈中流入第一发射电流时，利用第二发射线圈产生的电场对第一发射线圈的浅部电场进行反向补偿，使第一发射线圈和第二发射线圈在接收线圈内产生的总磁通量为零；将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，首先将线圈保持正
北方向，通过横向测线的无线电波信号强度来确定管道的地下位置，将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取的横向测线上感应最强的位置即为地下管线的中心位置，然后基于此位置采用8字形线圈进行原地旋转进行磁变量场强强度探测，获取场强最强的地下管线方位角，即可获取地下管线的走向和方向信息。
19.经过验证，在整个延时中8字形回线的实测曲线更加光滑，同一回线实测曲线有更大的跳跃，特别是在晚延时段，同一回线装置所得数据更加跳跃，而8字形回线则更加平滑。这是因为晚期信号微弱，从而导致的信号不稳定，这说明在晚期信号微弱的情况下，8字形回线具有更加好的分辨能力和抗干扰能力。
20.为了减小互感，提高浅层分辨率，参见图1，本实施例设计了内外两个8字形发射线圈，其中外部发射线圈电流方向为正向发射，内部的发射线圈的电流方向为反向发射，利用内部反向发射线圈产生的电场对外部发射线圈的浅部电场进行反向补偿，使得内外发射线圈在接收线圈内产生的总磁通量接近为零，可以有效减小互感影响，从而使得测量信号接近纯二次场信号，消除瞬变电磁探测中的探测盲区。
21.通过实验表明，参见图2，地下管线在跟8字线圈成垂直方位时，此时线圈磁场对管线的切割效应最强，获得的二次场感应信号也最强，参见图3，当地下管线跟8字线圈平行时，此时线圈磁场对管线的切割效应最弱，获得的二次场感应信号也最弱，因此可以在接收机上做一个多角度测试显示界面，通过所述有多角度测量显示界面显示地下管线方向探测结果，可以对横向感应最强的位置进行180度原地旋转测量，获取场强最强的方位角，在测量开始对线圈的放置方位进行有效标定的条件下，就可以获取地下管线的走向和方向信息，该天线也就具有有效识别异常体的矢量方向信息。
22.需要指出的是，本实施例中的发射机可以设置两个发射线圈的发射电流的大小，达到最大程度的消除互感对接收线圈的影响的功能。因此，所述发射机用于设置第一发射线圈中正向的第一发射电流的大小以及设置第二发射线圈中反向的第二发射电流的大小。
23.相比较传统的方形重叠回线方式，本实施例的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，可以测得：同一回线在微弱信号的识别和抗干扰能力不如8字形回线，特别是在晚延时的信号， 8字形回线有更好的识别能力和稳定性，因此在复杂城市勘探环境下，8字形回线方式有更好的抗干扰能力和稳定性。
24.另外，本实施例提出的内外双8字形发射线圈，能最大程度的消除互感对接收线圈的影响，提高浅层有效信息的分辨率，消除盲区，确保浅地表0-20米的低阻异常的分层能力，最大程度的确定地下低阻目标体的深度信息，提高纵向分辨率。
25.需要补充的是，通过本实施例的8字形线圈内部磁场分布不均匀的特性，尤其是对低阻异常体的切割效应因为方向的差异而导致感应二次场的明显强弱区分，通过有效的探测手段和连续方位角的探测进行分辨，从而确定管线的走向，这是传统方形重叠回线不具有的功能，也是8字形线圈特有的特性，即在同一地点不同方位测量可以分辨地下管线由于跟线圈的相对位置的变化而产生的场强的变化的，最终达到快速有效的判断管线走向，该功能在城市勘探时的实时性，快速性显得尤为重要。
26.实施例2本实施例基于实施例1，提供的是地下管线方向探测方法，包括如下步骤：
s1.将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取横向感应最强的位置；s2. 基于横向测线上感应最强的位置的8字形线圈进行原地旋转进行磁变量场强强度探测，获取场强最强的地下管线方位角，即可获取地下管线的走向和方向信息。
27.本实施例中，在将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位之前，使8字形线圈保持在正北方向，并通过横向测线的信号强度来确定管道的横向位置，确保管道是在横向测线的信号最强的位置正下方，在确定管道横向位置后，从正北方向开始探测，原地以8字形线圈的中心位置顺时针每隔15
°
水平旋转8字形线圈，每次旋转后测量一次8字形线圈的感应电动势，最终通过13个角度的探测，确定信号最强的方位对于8字形线圈的旋转方向，即为地下管线的走向方位。
28.以下通过举例说明该天线如果提供方位旋转来确定管道方向：步骤一：首先线圈保持正北方向，通过横向测线的信号强度来确定管道的地下位置，确保管道是在横向测线的信号最强的位置正下方；步骤二：管道可能处于任何走向方位，在确定管道横向位置后，从正北方向开始探测，原地以线圈的中心位置顺时针每隔15
°
水平旋转线圈，具体方位如附图4-16所示，每次旋转后测量一次线圈的感应电动势，最终通过13个角度的探测，确定信号最强的方位对于线圈的旋转方向，就是地下管线的走向方位，判断依据如表1；步骤三：沿着管道可能的走向在管道附近两侧继续步骤一和步骤二的操作，就可以确定管道的整体走向。
29.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
30.表1

技术特征：
1.8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，用于地下管线方向探测，其特征在于，包括第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈，所述第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈均呈8字形，且三个线圈分别形成的8字形平面重合，所述第二发射线圈、接收线圈和第一发射线圈由内向外依次设置；所述第一发射线圈，用于连接发射机，并通过发射机向第一发射线圈分配电流方向为正向的第一发射电流；所述第二发射线圈，用于连接发射机，并通过发射机向第二发射线圈分配电流方向为反向的第二发射电流；接收线圈，用于连接接收机；当所述第二发射线圈中流入第二发射电流且第一线圈中流入第一发射电流时，利用第二发射线圈产生的电场对第一发射线圈的浅部电场进行反向补偿，使第一发射线圈和第二发射线圈在接收线圈内产生的总磁通量为零；将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，首先将线圈保持正北方向，通过横向测线的无线电波信号强度来确定管道的地下位置，将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取的横向测线上感应最强的位置即为地下管线的中心位置，然后基于此位置采用8字形线圈进行原地旋转进行磁变量场强强度探测，获取场强最强的地下管线方位角，即可获取地下管线的走向和方向信息。2.根据权利要求1所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，其特征在于，所述发射机用于设置第一发射线圈中正向的第一发射电流的大小以及设置第二发射线圈中反向的第二发射电流的大小。3.根据权利要求1所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，其特征在于，所述将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，测量信号为纯二次场信号。4.根据权利要求1所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，其特征在于，当地下管线与8字形线圈呈垂直方位时，8字形线圈磁场对地下管线的切割效应最强，获得的二次场感应信号最强，当地下管线与8字形线圈呈平行方位时，8字形线圈磁场对地下管线的切割效应最弱，获得的二次场感应信号最弱。5.根据权利要求1所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，其特征在于，所述接收机中设置有多角度测量显示界面，通过所述有多角度测量显示界面显示地下管线方向探测结果。6.根据权利要求1-5任意一项所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，其特征在于，将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，对8字形线圈的放置位置进行标定。7.地下管线方向探测方法，应用于如权利要求1-6任意一项所述的8字形补偿式瞬变电磁矢量天线，其特征在于，包括如下步骤：首先将线圈保持正北方向，通过横向测线的无线电波信号强度来确定管道的地下位置，将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取的横向测线上感应最强的位置即为地下管线的中心位置；然后基于横向测线上感应最强的位置的8字形线圈进行原地旋转进行磁变量场强强度探测，获取场强最强的地下管线方位角，即可获取地下管线的走向和方向信息。
8.根据权利要求7所述的地下管线方向探测方法，其特征在于，所述将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位之前，使8字形线圈保持在正北方向，并通过横向测线的信号强度来确定管道的横向位置，确保管道是在横向测线的信号最强的位置正下方。9.根据权利要求8所述的地下管线方向探测方法，其特征在于，在确定管道横向位置后，从正北方向开始探测，原地以8字形线圈的中心位置顺时针每隔15
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水平旋转8字形线圈，每次旋转后测量一次8字形线圈的感应电动势，最终通过13个角度的探测，确定信号最强的方位对于8字形线圈的旋转方向，即为地下管线的走向方位。

技术总结
本发明属于天线及金属管线探测领域，提出了8字形补偿式瞬变电磁矢量天线及地下管线方向探测方法：包括第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈，第一发射线圈、第二发射线圈和接收线圈均呈8字形；将8字形补偿式瞬变电磁矢量天线用于地下管线方向探测时，先将线圈保持正北方向，通过横向测线的信号强度来确定管道的地下位置，将地下管线的管径中心线与8字形平面平行，且将地下管线与8字形线圈呈垂直方位，获取的横向测线上感应最强的位置即为地下管线的中心位置，然后基于此位置采用8字形线圈进行原地旋转探测，获取场强最强的地下管线方位角，即获取地下管线的走向和方向信息。本发明可增强瞬变电磁探测的抗干扰能力和提高探测结果的准确度。测结果的准确度。测结果的准确度。


技术研发人员：胡清龙 雷英成 唐尚 何刚 李杨 郑广科 宋鑫磊 蓝小飞
受保护的技术使用者：四川中水成勘院工程物探检测有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/7/12