一种城市道路地质缺陷快速探测方法及装置

1.本发明涉及频率域电磁感应法探测地下介质电性分布技术领域，具体为一种城市道路地质缺陷快速探测方法及装置，用于城市道路地质缺陷及地下管线病害快速探测。


背景技术：

2.道路及地下管网系统是城市的血脉，维系着城市的发展与未来。但早期的掩埋式管网维护不便，随着给水、排水等地下管网基础设施老化，各种城市道路及地下管网病害日益突出。
3.为及时发现城市道路地质缺陷及地下管线病害，一系列无损检测、快速勘察技术体系得到应用，如地质雷达探测法、瞬变电磁雷达探测法、高密度电阻率法、瞬态面波法、微动勘探法、地震映像法以及瞬变电磁法等。
4.现有技术中，探地雷达具有现场实施方便、抗外部环境干扰、作业快速便捷、探测效率高、实施成本低等优势，已在城市道路及地下管网探测中得到广泛应用。但其缺点是高频电磁波在地层中衰减快，探测深度偏浅，常规仪器有效探测深度在地表下3-5m以内。
5.现有技术中，高密度电阻率法在城市道路硬化条件下，无法布设电极而难以开展。
6.现有技术中，微动探测法为了获得面波频散曲线需要较长时间采集天然源震动信号，但受道路通行条件限制。
7.现有技术中，时间域瞬变电磁法探测深度较大，但在市区易受环境电磁干扰，探测效率低。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种城市道路地质缺陷快速探测方法及装置，利用编码多频信号电流激发竖立线圈形成的水平磁偶极子产生交变电磁场，通过接收磁场水平分量hy进行频率域电磁测深的探测方法。结合编码信号互相关法系统辨识技术，用同步记录的磁场水平分量hy响应时间序列与编码电流时间序列循环互相关法获得磁场hy频率响应，并计算全区视电阻率谱，以及通过水平磁场hy的水平向和垂直向梯度变化辨识地下地质缺陷的位置，实现城市道路地质缺陷及地下管线病害快速探测。
9.为解决上述技术问题，本发明一种城市道路地质缺陷快速探测方法包括有水平磁偶极子源编码信号电磁发射系统、采集磁场水平分量hy的数据记录系统、手机客户端和云端数据处理系统。
10.进一步的，所述的水平磁偶极子源编码信号电磁发射系统包括有发射控制器和竖立线圈发射天线。
11.进一步的，所述采集磁场水平分量hy的数据记录系统包括有多个空心线圈制成的接收天线、接收机、多通道信号调理模块、多通道高速a/d转换器、fpga及arm处理器和北斗/gps定位系统，空心线圈制成的接收天线至少设有4个。
12.进一步的，所述的手机客户端无线连接电磁发射系统的发射控制器和采集磁场水
平分量hy的数据记录系统的接收机，手机客户端控制并设置电磁发射系统的波形及频率及电流和磁场采集的采样率，手机客户端读取电流记录器记录的电流时间序列和磁场数据记录系统采集的多通道磁场水平分量hy时间序列并发送至云端数据处理系统进行实时计算；所述的云端数据处理系统实时计算各通道磁场频率响应及其全区视电阻率，并计算水平向和垂直向幅度谱或电阻率谱的梯度变化，计算结果传回手机客户端实时显示。
13.进一步的，所述的电磁发射系统的发射电流由锂电池直流电源提供；所述发射天线与接收天线水平间距1.6m以上，垂直共面排列，采用合成树脂材料或pvc管材封装。
14.进一步的，所述的发射控制器与发射线圈通过面板上的航空插头接口经电缆连接，接收数据记录系统接收机与多个接收线圈也通过面板上的航空插头接口经电缆连接，数据采集系统接收机的通道数不小于4；至少3个接收线圈间距0.5m呈直角三角形垂直共面排列，组成一组水平向和一组垂直向梯度测量。
15.一种城市道路地质缺陷快速探测方法，包括有如下步骤：s1.接收到的电流文件和多通道磁场数据文件整理为矩阵，利用循环互相关子程序计算出每道磁场与电流的循环互相关序列，以及电流的循环自相关序列，将相关序列经快速傅立叶变换fft算法变换为幅度谱，抽取频率相同的磁场电流互功率谱与电流自功率谱相除，可得到各通道磁场经地层的频率响应；s2. 云端数据处理系统完成电流时间序列与各通道磁场数据的循环互相关，辨识出各通道磁场的频率响应，并根据公式计算全区视电阻率，公式为： ；式中，为频率，r为发射线圈与接收线圈的中心距离，为发射磁矩，i为电流强度，s为发射线圈面积，n为线圈匝数；hy是估计的磁场强度，为空气的磁导率，是介质电阻率为的均匀半空间水平磁场响应；的技术公式如下：；式中，，，为bessel函数；s3.根据步骤s1得到的各通道幅度谱计算hy2与hy1的平向梯度变化量，hy3与hy2的平向梯度变化量，hy3与hy1的水平向梯度变化量，以及hy2与hy4的垂直向梯度变化量；或根据步骤s2得到的各通道全区视电阻率谱计算出hy2与hy1的水平向梯度变化量，hy3与hy的水平向梯度变化量2，hy3与hy1的水平向梯度变化量，以及hy2与hy4的垂直向梯度变化量；s4.将计算结果传回手机客户端实时显示。
16.进一步的，发射编码电流包括有3阶、4阶5阶或6阶逆m序列、126位长度的伪随机序
列调制产生，用一个25.2mhz恒温晶振分频出12.6 khz、25.2khz、31.5khz、50.4khz或63khz时钟频率激励126位长度的伪随机序列时序输出，产生编码信号周期0.004s，产生电磁场信号频率范围250hz至87.25khz。
17.进一步的，所述发射线圈的发射的频带为10hz至100khz；所述接收磁场水平分量hy的传感器为线圈或超导量子磁强计，频带宽度为10hz至150khz。
18.本发明的有益效果是：1、本发明采用竖立线圈形成的水平磁偶极子建立电磁场，接收水平磁场分量hy并计算全区视电阻率，及其水平向和垂直向梯度变化进行探测。
19.2、本发明采用编码源信号多周期连续激发电磁场，可获得很宽频带的电阻率响应，频率丰富，对地层有较高的纵向分辨力。
20.3、本发明采用相关辨识技术，通过记录的发射电流信号和各通道接收的磁场信号循环互相关法获得频率响应，对各种类型随机噪声有较强的压制干扰能力。
21.4、本发明采用多个磁场传感器同步采集磁场水平分量hy，可获得磁场水平分量hy关于水平方向和垂直方向的梯度变化（幅度或电阻率），为异常辨识提供更多信息。
22.5、本发明有多种组合观测方式：可将发射线圈与接收系统保持固定间距同步移动观测，也可将发射线圈固定作定点发射，接收系统沿剖面移动探测。
23.6、本发明观测系统可搭载在非金属轮式平台上，方便移动式观测。
附图说明
24.图1为本发明原理图；图2为本发明云端数据处理流程示意图。
具体实施方式
25.如图1、图2所示，本发明一种城市道路地质缺陷快速探测方法包括有水平磁偶极子源编码信号电磁发射系统、采集磁场水平分量hy的数据记录系统、手机客户端和云端数据处理系统。
26.进一步的，所述的水平磁偶极子源编码信号电磁发射系统包括有发射控制器和竖立线圈发射天线。
27.进一步的，所述采集磁场水平分量hy的数据记录系统包括有多个空心线圈制成的接收天线、接收机、多通道信号调理模块、多通道高速a/d转换器、fpga及arm处理器和北斗/gps定位系统，空心线圈制成的接收天线至少设有4个。
28.进一步的，所述的手机客户端无线连接电磁发射系统的发射控制器和采集磁场水平分量hy的数据记录系统的接收机，手机客户端控制并设置电磁发射系统的波形及频率及电流和磁场采集的采样率，手机客户端读取电流记录器记录的电流时间序列和磁场数据记录系统采集的多通道磁场水平分量hy时间序列并发送至云端数据处理系统进行实时计算；所述的云端数据处理系统实时计算各通道磁场频率响应及其全区视电阻率，并计算水平向和垂直向幅度谱或电阻率谱的梯度变化，计算结果传回手机客户端实时显示。
29.进一步的，所述的电磁发射系统的发射电流由锂电池直流电源提供；所述发射天线与接收天线水平间距1.6m以上，垂直共面排列，采用合成树脂材料或pvc管材封装。
30.进一步的，所述的发射控制器与发射线圈通过面板上的航空插头接口经电缆连接，接收数据记录系统接收机与多个接收线圈也通过面板上的航空插头接口经电缆连接，数据采集系统接收机的通道数不小于4；至少3个接收线圈间距0.5m呈直角三角形垂直共面排列，组成一组水平向和一组垂直向梯度测量。
31.一种城市道路地质缺陷快速探测方法，包括有如下步骤：s1.接收到的电流文件和多通道磁场数据文件整理为矩阵，利用循环互相关子程序计算出每道磁场与电流的循环互相关序列，以及电流的循环自相关序列，将相关序列经快速傅立叶变换fft算法变换为幅度谱，抽取频率相同的磁场电流互功率谱与电流自功率谱相除，可得到各通道磁场经地层的频率响应；s2. 云端数据处理系统完成电流时间序列与各通道磁场数据的循环互相关，辨识出各通道磁场的频率响应，并根据公式计算全区视电阻率，公式为： ；式中，为频率，r为发射线圈与接收线圈的中心距离，为发射磁矩，i为电流强度，s为发射线圈面积，n为线圈匝数；hy是估计的磁场强度，为空气的磁导率，是介质电阻率为的均匀半空间水平磁场响应；的技术公式如下：；式中，，，为bessel函数；s3.根据步骤s1得到的各通道幅度谱计算hy2与hy1的平向梯度变化量，hy3与hy2的平向梯度变化量，hy3与hy1的水平向梯度变化量，以及hy2与hy4的垂直向梯度变化量；或根据步骤s2得到的各通道全区视电阻率谱计算出hy2与hy1的水平向梯度变化量，hy3与hy的水平向梯度变化量2，hy3与hy1的水平向梯度变化量，以及hy2与hy4的垂直向梯度变化量。
32.s4.将计算结果传回手机客户端实时显示；进一步的，发射编码电流包括有3阶、4阶5阶或6阶逆m序列、126位长度的伪随机序列调制产生，用一个25.2mhz恒温晶振分频出12.6 khz、25.2khz、31.5khz、50.4khz或63khz时钟频率激励126位长度的伪随机序列时序输出，产生编码信号周期0.004s，产生电磁场信号频率范围250hz至87.25khz。
33.进一步的，所述发射线圈的发射的频带为10hz至100khz；所述接收磁场水平分量hy的传感器为线圈或超导量子磁强计，频带宽度为10hz至150khz。
34.本发明一次激发可获得几十个频率的磁场水平分量hy全区视电阻率响应，以及其垂向或水平向梯度变化，探测效率及纵向分辨率高。由于采用系统辨识技术，可压制工频及
随机电磁噪声干扰，抗干扰能力强。
35.发射系统和接收系统可安置在非金属轮式移动车上，可组合为一体式同步移动探测，也可相互分离，发射系统固定位置不动，定点发射，接收系统移动式沿剖面探测。
36.发射电流采用高精度电流传感器取样并记录为时间序列，采样率与接收系统采样率相同。
37.多个线圈接收的水平磁场分量hy采用多通道a/d转换器取样并记录为时间序列；发射信号类型选择，激发频率选择，采样率选择可通过手机客户端进行控制操作。接收系统的通道选择，采样率选择可通过手机客户端进行控制操作。手机客户端可接收电流和多通道磁场数据，并实时显示，可发送至云端数据处理系统。
38.云端数据处理结果可传输到手机客户端实时显示计算结果，操作人员可根据显示结果判断异常位置。
39.如图1所示，坐标系为纸面自左向右为x方向，垂直向上为z方向，垂直纸面为y方向。发射线圈可以是圆形，也可以是方形，在x-z平面内，线圈中心点产生的磁场方向垂直纸面沿y方向变化；四个磁场接收器可以是空心线圈，在x-z平面内，也可以是磁棒或超导量子磁强计，沿y方向测量hy分量，发射线圈与四个磁场接收器在同一x-z平面内，一体式探测时，发射线圈与接收线圈1沿x方向水平间距为3 m以上，接收线圈1、接收线圈2和接收线圈3沿x方向等间距排列，间距0.5 m，接收线圈4在接收线圈2的垂直上方，间距0.5 m。
40.发射控制器按6阶逆m序列波形将直流电源逆变，通过发射线圈输出，产生编码电磁信号，并用电流传感器将输出电流记录为时间序列；接收机至少有4个采样通道，同步采集磁场信号并记录为时间序列。并将北斗/gps位置信息与采集数据记录为文件。
41.手机端可以设置发射控制器和接收机的工作参数。并将采集的数据文件上传至云端数据处理系统。显示云端处理结果。
42.所述采集磁场水平分量hy的数据记录系统由至少4个，空心线圈或超导量子磁力仪制成的接收天线阵列、多通道信号调理模块、多通道高速a/d转换器、fpga及arm处理器、北斗/gps定位系统组成；在程序控制下，将磁场水平分量hy采样为时间序列，与北斗/gps定位系统接收的位置信息一同记录为文件并存贮。
43.所述手机客户端可无线连接电磁发射系统控制器和磁场水平分量hy的数据记录系统接收机，可控制并设置发射系统的波形及频率，以及电流和磁场采集的采样率，并读取电流记录器记录的电流时间序列和磁场数据记录系统采集的多通道磁场水平分量hy时间序列文件并发送至云端数据处理系统进行实时计算，云端数据处理计算结果可通过手机客户端实时显示。
44.所述发射编码电流由6阶逆m序列126位长度的伪随机序列调制产生，用一个25.2mhz恒温晶振分频出63khz时钟激励126位长度的伪随机序列时序输出，产生编码信号周期0.004s，产生电磁场信号频率范围250hz至87.25khz。可选的，逆m序列的阶数还可设置为3、4、5阶可选，时钟频率还可以为12.6 khz、25.2khz、31.5khz和50.4khz可选。
45.所述发射线圈的大小和绕制匝数能够发射的频带为10hz至100khz。
46.所述接收磁场水平分量hy的传感器可以是线圈或超导量子磁强计，频带宽度为10hz至150khz。
47.发射电流由多块锂电池提供；所述发射天线与接收天线水平间距1.6m以上，垂直
共面排列，发射天线采用合成树脂材料或pvc管材封装；磁场接收天线通过非金属支架安装，接收线圈1、接收线圈2和接收线圈3沿水平x方向等间距排列，间距0.5m，接收线圈4在接收线圈2正上方，间距0.5m。这4个磁场接收器的磁场响应信号由接收机多通道采样器同步记录为时间序列并存贮。
48.手机客户端读取发射控制器的电流文件和接收机记录的多通道磁场响应文件并发送至云端数据处理系统。
49.本发明采用竖立线圈形成的水平磁偶极子建立电磁场，接收水平磁场分量hy并计算全区视电阻率，及其水平向和垂直向梯度变化进行探测。采用编码源信号多周期连续激发电磁场，可获得很宽频带的电阻率响应，频率丰富，对地层有较高的纵向分辨力。采用相关辨识技术，通过记录的发射电流信号和各通道接收的磁场信号循环互相关法获得频率响应，对各种类型随机噪声有较强的压制干扰能力。采用多个磁场传感器同步采集磁场水平分量hy，可获得磁场水平分量hy关于水平方向和垂直方向的梯度变化（幅度或电阻率），为异常辨识提供更多信息。有多种组合观测方式，可将发射线圈与接收系统保持固定间距同步移动观测，也可将发射线圈固定作定点发射，接收系统沿剖面移动探测。可搭载在非金属轮式平台上，方便移动式观测。