龔大利， 張 嵩， 李 輝， 劉得軍

( 1. 中國石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249; 2. 中國石油昆侖合燃壓縮氣有限公司，安徽 合肥 230075 )

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷加快，密布于城市各個角落的地下管線錯綜復(fù)雜，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)打漏管線現(xiàn)象，進而造成漏水、漏氣、停電等事故.因此，開展地下管線的相關(guān)探測理論研究具有重要的現(xiàn)實意義.

人們對地表天然磁場的理論和應(yīng)用研究不斷深入.自20世紀(jì)60年代起，Labson V F等進行關(guān)于音頻范圍內(nèi)天然地磁場理論研究；隨后Romashets E, Montelli R等發(fā)表有關(guān)研究成果和應(yīng)用專利[1-3].近年來，我國高校和科研院所也相繼開展相關(guān)理論及實際應(yīng)用研究，其中基于地磁異常的埋地管線探測方法就是在這種背景下提出的.傳統(tǒng)的埋地管線探測包括磁力法、電磁感應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法、磁通門法、磁光效應(yīng)法、磁阻效應(yīng)法等[4-15].這些方法在特定環(huán)境下具有一定的探測效果，但存在探測深度有限，容易受到現(xiàn)場其他電磁信號干擾，探測信號處理困難等問題，也不便于對探測結(jié)果進行可視化成像顯示，進而直觀反映管線的位置及其走向.

通常情況下，在均勻土壤介質(zhì)中地磁場強度是一定的.當(dāng)土壤中存在金屬管線和其他磁性物質(zhì)時，將改變地磁場的均勻分布，產(chǎn)生磁異常信號.通過掃描、采集、處理、分析地下管線磁異常信號，可以得到反映地下管線性質(zhì)的數(shù)據(jù).筆者提出基于磁異常信號的地下管線探測系統(tǒng).該系統(tǒng)通過采集天然磁場信號，經(jīng)過處理得到反映磁異常的數(shù)據(jù)，由顯示系統(tǒng)進行三維數(shù)據(jù)成像顯示，具有操作簡便、精度高、抗干擾能力強等特點.

1 磁異常信號探測原理

地球在空間產(chǎn)生的磁場即地磁場.地磁場強度很弱，平均約為0.5 Gs，可以分為內(nèi)源場和外源場部分.內(nèi)源場起源于地表以下的磁性物質(zhì)和電流，可以分為地核場和地殼場.地核場又被稱為主磁場，是由地核磁流體發(fā)電過程產(chǎn)生的[16]；地殼場又被稱為局部異常磁場，是由地殼磁性巖石產(chǎn)生的.除此之外，內(nèi)源場還包括外部變化磁場在地球內(nèi)部的感應(yīng)場.外源場起源于地表以上的空間電流體系，它們主要分布在電離層、磁層和行星際空間，隨時間變化較快，所以外源磁場通常被稱為變化磁場.

地核主磁場部分占總磁場的95%以上，局部異常場占4%，外源變化磁場占1%.地磁探測需要的是地球磁場的變化分量，即局部異常場[4].

1.1 地球磁場模型

人們提出多種地球磁場模型，其中高斯球諧模型最被認可.假設(shè)存在1個標(biāo)量U，使得

ΔT=HXcos(x,t0)+HYcos(y,t0)+Zαcos(z,t0).

(1)

根據(jù)地球磁場的屬性，標(biāo)量U定義為磁勢，滿足拉普拉斯方程:

2U=0.

(2)

假設(shè)地球是半徑為a的球體，在以球心O為原點的球坐標(biāo)系中，極軸取為地球自轉(zhuǎn)軸并指向北極，r為球心O至測點P的距離，θ為余緯度，λ為經(jīng)度，則式(2)的球坐標(biāo)形式為

(3)

式(3)的通解為

(4)

(5)

式(5)可以改寫為

(6)

(7)

1.2 磁異常信號探測方法

含有鐵磁性物質(zhì)的物體受到地磁場影響而產(chǎn)生局部磁感應(yīng)場，磁感應(yīng)場的存在改變周圍的地磁場分布，從而使得所在位置的磁場信號不同于周圍磁場，即產(chǎn)生磁異常信號.通過探測、處理和分析磁異常信號，可以得到反映磁性目標(biāo)的探測信息，這是基于磁異常信號目標(biāo)探測技術(shù)的原理.

2 磁異常信號探測系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計

基于磁異常信號的地下管線探測系統(tǒng)主要由天線子系統(tǒng)、主控子系統(tǒng)及上位計算機組成(見圖1).天線子系統(tǒng)為磁異常信號探測傳感器電路部分，主要探測地球磁場的梯度變化；主控子系統(tǒng)主要對天線所采集的數(shù)據(jù)進行存儲、計算，并將處理結(jié)果傳送上位機.主控制器上的算法實現(xiàn)和上位機顯控界面的設(shè)計主要包括對采集數(shù)據(jù)的處理、運算、解釋和成像算法實現(xiàn)，以及操作簡單、顯示直觀、界面友好的顯控軟件設(shè)計等.

圖1 管線探測系統(tǒng)組成

磁異常地下管線探測系統(tǒng)核心參數(shù)：天線子系統(tǒng)具有8個傳感器，測量范圍為±100 μT，掃描頻率為1 200 次/s；主控子系統(tǒng)控制單元工作電流為250 mA，工作電壓為12～38 VDC，工作溫度為-20～ 60 ℃；上位計算機子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率為100 MB/s.

2.2 軟件設(shè)計

顯控軟件處理流程見圖2.

在獲得地磁數(shù)據(jù)庫過程中，通常一些附加噪聲迭加在地磁數(shù)據(jù)真實信號上，主要噪聲源包括地磁傳感器的測量噪聲、載體磁場干擾、周圍環(huán)境磁性干擾及其他各種誤差和失真因素影響等.噪聲使地磁測量信號產(chǎn)生不同程度畸變.因此，利用信號處理技術(shù)提升信噪比，將淹沒在噪聲中的地磁信號提取出來十分必要.利用標(biāo)準(zhǔn)正交基算法(OBF)對探測信號進行處理，降低干擾噪聲對測量信號的影響，使探測信號更加準(zhǔn)確.標(biāo)準(zhǔn)正交基算法以磁偶極子的經(jīng)典數(shù)學(xué)表達式為基礎(chǔ)，對磁異常探測信號進行變換可以得到1組正交基函數(shù).作正交基與原信號乘積的積分，得到磁異常信號的能量信號E，以有效提高原始信號的信噪比和探測特性.同時，能量信號獨立于磁偶極子方向，可用統(tǒng)一的正交基函數(shù)和信號處理過程處理不同磁偶極子信號.此外，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)正交基算法，可以對原始信號作近似實時處理，減少探測延遲時間(見圖3).

圖2 顯控軟件處理流程

圖3 基于OBF算法的信號降噪過程

探測信號經(jīng)過OBF處理后，可以建立地磁數(shù)據(jù)庫；再結(jié)合OpenGL圖形處理軟件，可以建立探測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，即顯控系統(tǒng).顯控系統(tǒng)程序啟動后，先初始化各界面元素組件及顯示三維圖像所需的光源對象；然后，從地磁數(shù)據(jù)庫讀取經(jīng)過處理后的有效數(shù)據(jù)，或從外部接收經(jīng)過OBF處理后的實時探測數(shù)據(jù)，并將其儲存至一個指定數(shù)組中；最后，利用該指定數(shù)組中的數(shù)據(jù)生成三維網(wǎng)格模型及繪圖畫刷，并用繪圖畫刷繪制三維網(wǎng)格模型表面，將地下管線分布直觀顯示出來.

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 地下金屬管線探測

選取長度為1.0 m，內(nèi)徑為30 cm，外徑為40 cm的柱狀管線作為探測對象，將其埋藏于地下2.0 m.地磁管線探測儀在距離土壤表面10 cm左右進行掃描，掃描路徑由南到北與管線走向成90°，掃描數(shù)據(jù)的三維成像見圖4.由圖4可以看出，突起處為地下金屬管線，其磁場脈沖信號強度明顯高于周圍介質(zhì).

圖4 地下金屬管線探測結(jié)果

3.2 掃描時間對檢測結(jié)果的影響

對同一根地下管線進行探測，對儀器設(shè)定不同掃描時間(分別為5，10，15，20 s)的探測結(jié)果見圖5.在探測時勻速前進，掃描時間越長所掃描的區(qū)域越廣，采集數(shù)據(jù)越多;隨著掃描時間的增加，管線信息在圖像上的成像越細小、越直觀和清晰.在探測過程中，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)膾呙钑r間，以得到更好的成像結(jié)果及圖像數(shù)據(jù).在通常情況下，掃描時間應(yīng)該能夠使儀器完成對7倍左右管線直徑的距離進行連續(xù)掃描為最佳.

圖5 不同掃描時間對成像的影響

3.3 測試角度對測試結(jié)果的影響

某公路埋深3.8 m地下管道現(xiàn)場探測結(jié)果見圖6.該探測圖像成像清晰，管線位置明確.由圖6(d)可以看出，管線數(shù)據(jù)成像發(fā)生傾斜，可以判斷埋地管線的大致方位和走向.

圖6 不同角度探測成像示意圖

4 結(jié)論

(1)對埋地管線位置的地表天然磁異常信號進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)利用標(biāo)準(zhǔn)正交基算法進行磁異常信號能量提升，最終生成直觀反映地下埋藏物信息的三維磁異常數(shù)據(jù)圖像，從而使操作人員通過人機界面對埋地管線進行直觀探測與分析.

(2)基于磁異常信號的地下管線探測系統(tǒng)適用于探測不同地質(zhì)條件下的管線、空洞等磁異常物質(zhì)，探測深度為3.0～5.0 m，其測量原理簡單，儀器體積小，質(zhì)量輕，操作方便，顯示直觀，具廣泛應(yīng)用前景.