信號處理輔助地下管線測深方法研究

李育強(qiáng) 孫士輝 朱能發(fā) 陳堅(jiān)

【摘 要】本文通過實(shí)驗(yàn)得出增益常數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式，將讀數(shù)信號處理轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌龇至空鎸?shí)值。利用軟件繪制正演曲線輔助推斷管線埋深，得到了良好的擬合精度，并進(jìn)一步利用特征點(diǎn)法與軟件擬合法對比，用事實(shí)說明采用軟件擬合法的先進(jìn)性和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】地下管線；信號增益；測深

1、引言

隨著地下管線探測工作精細(xì)化，由平面定位向三維定位過程就需要精確測量深度，現(xiàn)有的特征點(diǎn)定深法是利用在某一種探測模式下峰值點(diǎn)與對應(yīng)百分比旁側(cè)點(diǎn)的相對平面距離近似等價于管線中心點(diǎn)埋深。這種方法的缺點(diǎn)是：各種特征點(diǎn)法計(jì)算出的埋深無法對比，利用單獨(dú)探測值計(jì)算會無法消除偶然誤差，探測過程受干擾影響較大。如果能夠通過觀測完整的異常曲線，以及摸清在各種探測模式下電磁場曲線變化規(guī)律，將對于整體分析得出管線埋深有很大幫助。獲得電磁場異常曲線的前提條件是需要準(zhǔn)確得到接收機(jī)探測的電磁場真值。

2、原理

目前流行的管道探測儀，是利用頻率域電磁法的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。管線儀器的探測模式分為3種：雙天線測梯度值ΔHx，單天線測磁場分量Hx、Hz。公式如下：

式中，μ為磁導(dǎo)率；I為電流強(qiáng)度；h為觀測剖面線至管線中心的距離，當(dāng)觀測線布在地面上時，該距離即為管線的埋深，x為觀測點(diǎn)至管線在地面的投影的距離。RD系列探測儀器的接收機(jī)測量梯度是對上線圈磁場水平分量乘以常數(shù)再做差值計(jì)算。RD系列管線儀D=40cm，比例系數(shù)α=0.775。由上述公式繪制的曲線，又稱為管線橫剖面異常曲線，如圖1。

圖1 水平無限長單管線電流電磁異常Hx、Hz、ΔHx

由上式可以看出，觀測異常值的大小主要取決于管線中流過的電流強(qiáng)度。為了表明電流在管線中衰減規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)測得管線中兩種頻率下的電流強(qiáng)度與收發(fā)距之間的關(guān)系見表1。通過數(shù)據(jù)繪制管線電流衰減曲線見圖2。

收發(fā)距 直連法 感應(yīng)法

8kHz 33kHz 8kHz 33kHz

15 0.35 0.21 0.21 0.37

20 0.23 0.12 0.1 0.2

25 0.17 0.08 0.08 0.14

30 0.15 0.06 0.05 0.09

35 0.13 0.04 0.05 0.07

40 0.11 0.03 0.04 0.05

45 0.09 0.02 0.03 0.03

50 0.08 0.02 0.02 0.02

表1 管線電流衰減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖2 管線電流衰減曲線

分析該圖可以看出：①無論采取單端直連還是感應(yīng)激發(fā)，管線電流均隨著收發(fā)距增大而衰減。激發(fā)頻率越高，管線電流衰減越快。②當(dāng)場源頻率不變時，感應(yīng)激發(fā)使管線電流衰減比直連法快一些。③由回歸方程可以看出隨著收發(fā)距增大，電流呈指數(shù)衰減。管線儀接收機(jī)所接收的異常數(shù)值也必然呈指數(shù)衰減。

3、研究

管線的感應(yīng)電流呈指數(shù)衰減，我們所接收的異常數(shù)值隨著收發(fā)距的增大也必然呈指數(shù)衰減。為了便于對變化幅度較大的電磁異常信號讀數(shù)，管線儀接收機(jī)含有增益按鈕。

在探測過程中追蹤管線信號時，遠(yuǎn)離發(fā)射場源前進(jìn)一段距離，電流衰減、信號衰減，我們需要放大信號以便于區(qū)分判斷管線位置，通過調(diào)節(jié)接收機(jī)施加以指數(shù)的增益，對異常數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，使讀數(shù)能夠穩(wěn)定在便于觀察的范圍內(nèi)。這一過程即為異常數(shù)值補(bǔ)償。RD8000接收機(jī)增益調(diào)節(jié)范圍0～140，讀數(shù)范圍0～99.9。

那么增益調(diào)節(jié)的指數(shù)是否有規(guī)律呢？通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)的增益和讀數(shù)是滿足曲線關(guān)系。通過增益和讀數(shù)來能夠計(jì)算出電磁場數(shù)值。

（1）實(shí)驗(yàn)工區(qū)選擇

在保持發(fā)射功率不變，收發(fā)距不變，接收機(jī)位置不變，周圍環(huán)境不變的前提下進(jìn)行增益實(shí)驗(yàn)。工區(qū)位于東麗湖經(jīng)濟(jì)區(qū)南北路一，瀝青路面，該路剛剛施工沒有其他金屬管線干擾，道路寬闊，周邊沒有其他電磁干擾。

（2）計(jì)算磁場分量數(shù)值

在探測過程中記錄增益值，在同一點(diǎn)改變增益值大小記錄讀數(shù)并繪制曲線。在探測過程中同一個點(diǎn)的磁場分量值不受增益影響，在圖（3-1）中回歸曲線中可以看到讀數(shù)成指數(shù)增長。其近似公式為，其中a、b都是固定值。可以設(shè)定a為磁場值，b為增益常數(shù)。則近似磁場水平分量數(shù)值為，這里的n變量為增益大小。

表（3-1）中第四列的數(shù)值為計(jì)算所得，這里選擇常數(shù)項(xiàng)b=11.54，通過給出的常數(shù)項(xiàng)計(jì)算得到這列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1501，平均值為5.9400，變異系數(shù)為2.5264%?？梢园l(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的離散度還是比較小的。因?yàn)槲覀冞x取的是一個點(diǎn)，改變增益是不會改變場值，所以數(shù)據(jù)應(yīng)該是趨近于平均值。

（3）驗(yàn)證數(shù)值合理性

為了更直觀的反映數(shù)據(jù)的整體一致性。將這列數(shù)分為9組，最小值5.5，最大值6.5，組間距0.125，統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)在每個組中出現(xiàn)的頻率。如圖（3-2）中所示，用excel繪制柱狀圖。同時繪制關(guān)于平均值的正態(tài)分布曲線。兩個能夠基本吻合說明這組數(shù)據(jù)的一致性較好，即常數(shù)項(xiàng)選擇合理。

（4）驗(yàn)證常數(shù)項(xiàng)穩(wěn)定性

為了驗(yàn)證常數(shù)項(xiàng)的穩(wěn)定性，在同一場地的不同收發(fā)距，進(jìn)行增益讀數(shù)實(shí)驗(yàn)。見表（3-3）。

常數(shù)項(xiàng)的范圍在11.5～11.6之間。雙線圈的數(shù)值不穩(wěn)定，是由于雙線圈讀數(shù)時不穩(wěn)定造成的。取平均值，b=11.55。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將利用該公式（3-1）計(jì)算場數(shù)值。

式1

4、效果

以港清三線大管徑管線探測為例，說明外業(yè)測量到繪圖的流程：

天津市靜?？h的港清三線輸氣工程，實(shí)地測量出露位置管道中心埋深為2.61米，管徑DN1000較大，開挖溝槽水平，覆土地面平整，周圍無其他管線，利于測線布設(shè)。在收發(fā)距27米處布設(shè)10米的剖面，利用RD8000管線儀觀測磁場水平分量Hx、水平分量梯度ΔHx，記錄接收機(jī)讀數(shù)及增益值。利用式1計(jì)算真實(shí)磁場值Hx和ΔHx。

圖4-1中顯示沒有增益還原，即直讀數(shù)歸一法擬合曲線。曲線最大值部分與理論曲線吻合度較好，但在中間部分尤其是ΔHx曲線60～70%數(shù)值部分?jǐn)M合度不好。

圖4-2中顯示經(jīng)過增益還原，即利用直讀數(shù)與增益計(jì)算磁場分量數(shù)值。繪制曲線與理論曲線吻合較好。雖然頂部曲線吻合不夠好，但是中部數(shù)據(jù)吻合，且Hx及ΔHx數(shù)據(jù)之間有相關(guān)性，

有助于深度反演計(jì)算。計(jì)算出埋深與實(shí)際較為一致。如果通過調(diào)整參數(shù)能夠使理論曲線和實(shí)測曲線吻合，在一部分區(qū)域采樣點(diǎn)的方差足夠小，說明曲線相互一致。則埋深即為該點(diǎn)的實(shí)際埋深。

通過人為設(shè)定電流大小，調(diào)整深度直至曲線基本吻合，可以說這個深度就是管線的真實(shí)埋深。

Hx曲線的82%法和55%法計(jì)算深度有較小的誤差，理論特征點(diǎn)80%和50%選取特征點(diǎn)可以滿足限差（±0.15h）。ΔHx曲線70%法和65%法計(jì)算數(shù)值超限。而74%法計(jì)算深度則有較小的誤差。經(jīng)過分析可見，Hx80%法、Hx50%法、ΔHx70%法對應(yīng)特征點(diǎn)誤差較大，而較小誤差對應(yīng)的特征點(diǎn)取值對應(yīng)百分?jǐn)?shù)在理論值的附近。如果期望找到RD8000管線儀準(zhǔn)確的特征點(diǎn)取值，需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析。

5、結(jié)論

準(zhǔn)確測定管線深度是復(fù)雜的，受多種因素影響，具體干擾因素還需要具體分析。本文主要提出通過增益反算真實(shí)值的經(jīng)驗(yàn)公式，通過公式計(jì)算真實(shí)值并繪制曲線整體分析圖像。優(yōu)點(diǎn)是通過計(jì)算磁場真實(shí)值能夠有效解決單一特征點(diǎn)誤差問題，利用曲線整理分析判斷得出埋深更具有說服力。當(dāng)然這樣操作無意增加了外業(yè)工作量。但我們覺得可以在工區(qū)內(nèi)已知管線埋深點(diǎn)做一兩個斷面，幫助判斷該工區(qū)環(huán)境內(nèi)儀器測深特征點(diǎn)取值范圍。希望這種工作模式能夠被廣大測繪同行認(rèn)可。

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