[发明专利]一种塔基下采空区电磁检测方法

权利要求书

1.一种塔基下采空区电磁检测方法，其特征在于：所述的检测方法利用金属材质电力杆塔的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中；通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，把地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况；所述的检测方法利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对大地电阻率信息的提取和干扰压制；

所述激励编码信号的自相关函数是一个冲激函数，互相关函数与自相关函数最大值相比是一个极小值，激励编码信号的频率在50Hz以下；

所述检测方法的步骤如下：

1)首先将激励系统与金属材质电力杆塔相连，检测传感器以电力杆塔为中心，呈放射状布置在电力杆塔四周的地面，与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上，检测传感器数量为N，N为正整数，对检测传感器编号，记录检测传感器的编号a，位置s及系统响应函数r(t)，t为激励时间，同时记录检测传感器与电力杆塔之间的距离L，以及以电力杆塔为中心的圆周角度θ，设m，n分别为与电力杆塔距离不等且圆周角度相同的检测传感器的编号，m＝1,2…N，n＝1,2…N，m≠n，根据检测传感器位置和距离信息计算得到与反演计算相关的装置系数K_mn，如下式所示：

式中，L_m为编号m的检测传感器与电力杆塔之间的距离，L_n为编号n的检测传感器与电力杆塔之间的距离，K_mn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数；

2)将激励的编码信号x(t)施加到与大地相连的电力杆塔上，t为激励时间，由电力杆塔注入到大地中，在激励时同时对编码信号进行全波形采集；

3)在激励开通的同时，通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器同步检测地面上的电场分布变化y(t)，进行全波形记录，记录的数据中含有大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)，如下式所示：

y(t)＝x(t)*e(t)*r(t)+NS(t)

式中，NS(t)为外界电力环境中的噪声干扰，t为激励时间；

4)将记录的电场分布变化y(t)与采集的编码信号x(t)进行相关算法计算，依据信号的相关性得到包含编码信号的自相关函数、大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)的卷积结果，滤除外界电磁干扰；

式中，★为相关运算符号，y(t)为电场分布变化，x(t)为编码信号，e(t)为大地系统函数，r(t)为检测传感器系统响应函数，为电场分布变化y(t)与编码信号x(t)的相关计算函数，为编码信号x(t)的自相关函数，t为激励时间；

5)将卷积结果利用时频变换转换到频率域，与频率域的编码信号自相关函数及检测传感器系统响应函数r(ω)相除，扣除装置系数带来的影响，得到检测传感器之间的大地视电阻率函数ρ_e(ω)，计算公式如下：

式中，ω为角频率坐标，ρ_e(ω)为频率域的大地视电阻率函数，K_mn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数，为电场分布变化y(t)与编码信号x(t)的相关计算函数在频率域的表达式，为编码信号x(t)自相关函数在频率域的表达式，r(ω)为检测传感器系统响应函数在频率域的表达式，t为激励时间；

6)利用检测传感器位置和距离信息，将大地视电阻率函数采用最小二乘算法进行迭代反演计算，最终得到大地的地下二维断面结果；

7)利用检测传感器的距离以及圆周角度信息，对二维断面结果进行插值三维拟合，插值结果赋在两个断面之间圆周方向的中点坐标上，最终得到以电力杆塔为底面中心，以最远检测传感器为半径的三维倒圆锥地下结构图像，插值计算方法如下式所示：

式中，h表示地下深度；L表示检测传感器到电力杆塔的水平距离；k表示圆周角度为θ_k的二维断面上一点，该点的坐标为(L,h,θ_k)，电阻率为ρ_k；l表示圆周角度为θ_l的二维断面上一点，该点的坐标为(L,h,θ_l)，电阻率为ρ_l，ρ为插值结果，为插值结果在三维倒圆锥地下结构图像中的坐标；

8)利用地下结构图像查找采空区信息，依据电阻率分布对采空区的位置、范围大小及其赋水情况进行评估，当地下结构图像中出现明显异于周围地层的电阻异常体时，根据异常体的位置和范围信息判断采空区的位置和大小，当电阻异常体的电阻率值高于周围地层时为空洞，当电阻异常体的电阻率值低于周围地层时为采空区赋水。