一种地下金属探测系统及其探测方法与流程

本发明属于地下金属探测领域，涉及一种利用硬件解耦解决地下金属探测过程中发射线圈对接收信号干扰的方法，更具体地，涉及一种地下金属探测系统及其探测方法。

背景技术：

地下金属探测在军事防御，通讯工程，能量传输和地质勘测等许多领域发挥重要的作用。为了高效确定地下金属的位置信息和分布形态以及保证地下金属结构在探测过程中不被损坏，通常需要采用非开挖的探测技术。基于瞬变电磁法(tem)的地下金属探测系统，具有无损无需开挖的特点，是一种常见的时间域电磁勘测工具。

瞬变电磁法探测的基本原理是通过地下金属导体与电磁场的相互作用进行地层地质分析。在瞬变电磁探测过程中，通过向发射线圈施加激励信号，产生一次感应电磁场并向周围空间传播。在一次感应电磁场的作用下，地下金属导体会因涡流效应在接收线圈上产生二次感应电动势。地下金属导体的形状、大小、介质参数、地下分布形态包括埋深等因素的变化均会引起二次感应电动势的变化，因此通过采集和分析接收线圈上由地下金属导体涡流效应产生的二次感应电压响应波形，即可获得地下金属导体的信息。

在实际应用中，由于发射和接收线圈之间的电磁耦合及发射电路存在过渡过程，接收线圈两端的采集信号不仅有二次感应电压，还混叠发射线圈与接收线圈之间互感作用产生的一次感应电压，且一次感应电压幅值通常远大于二次感应电压，不能直接作为目标导体的反馈信号，需要通过复杂的反演算法对反馈信号进一步的分析和处理，导致最终探测误差较大。因此，解决瞬变探测过程中发射线圈对接收信号干扰的方法，对实现地下金属精确定位具有重要意义。

技术实现要素：

本发明为解决以下技术问题，在传统地下金属探测过程中，由于发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合作用以及电路过渡过程的存在，接收线圈两端的采集信号受到来自发射线圈与接收线圈之间互感作用产生的一次感应电压的电磁干扰，导致检测困难。因此本发明提供一种提高的地下金属探测精度的装置和方法，实现高效探测。

具体的技术方案为：

一种地下金属探测系统，主要包括：发射线圈、接收线圈、去耦线圈、精密电位器、信号采集和数据分析终端；发射线圈连接发射电路；接收线圈连接有接收电路，同时还与信号采集、数据分析终端连接；所述的去耦线圈和精密电位器用于实现发射线圈和接收线圈之间的硬件解耦。

所述的去耦线圈与发射线圈同轴嵌套绕制，相互独立；所述的去耦线圈和精密电位器连于接收电路中，并通过精密电位器微调，使去耦电路的输出电压和发射线圈与接收线圈之间因互感产生的一次感应电压等值反向，完全抵消，使得接收线圈上检测到的感应电压完全由地下金属导体产生。

该地下金属探测系统的探测方法，包括以下步骤：

(1)发射电路向发射线圈施加激励电流，当脉冲电流关断瞬间，发射回线周围会产生一次脉冲磁场，并向周围空间扩散；在一次脉冲磁场的作用下，地下金属中会产生感应涡流，随着金属的热损耗，感应涡流逐渐减小，激发新的瞬变磁场，称为二次场；

(2)二次磁场的衰减在接收线圈上产生二次感应电压，由于二次场主要是由地下导体中的感应电流产生，其中包含着地下金属导体的相关信息；地下金属的形状、大小、介质参数以及地下分布形态包括埋深因素变化会引起二次场的变化，接收到的感应电动势也会不同，通过研究接收到的感应电动势时空特性，数据分析终端分析出地下金属导体的信息。

本发明利用耦线圈和精密电位器实现发射线圈和接收线圈之间的硬件解耦；在物理结构上，去耦线圈与发射线圈同轴嵌套绕制，相互独立；在电气结构上，去耦线圈和精密电位器连于接收电路中，通过精密电位器微调，使去耦电路的输出电压和发射线圈与接收线圈之间因互感产生的一次感应电压等值反向，完全抵消，以消除一次感应电压的影响，使得接收线圈上检测到的感应电压完全由地下金属导体产生，便于直接获取和分析地下金属的反馈波形，以得到其准确的位置信息。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2传统瞬变电磁探测中电磁场时域波形图；

图3本发明的地下金属探测系统等效模型；

图4本发明的接收电路等效模型；

图5本发明的发射电路等效模型；

图6本发明的发射线圈和去耦线圈相对位置；

图7本发明的发射线圈和去耦线圈xy俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明的瞬变电磁法电磁测量结构示意图。如图1所示，一种地下金属探测系统，主要包括：发射线圈1、接收线圈2、去耦线圈7、精密电位器、信号采集4和数据分析终端6；发射线圈1连接发射电路3；接收线圈2连接有接收电路5，同时还与信号采集4、数据分析终端6连接；

所述的去耦线圈7和精密电位器用于实现发射线圈1和接收线圈2之间的硬件解耦；所述的去耦线圈7与发射线圈1同轴嵌套绕制，相互独立；所述的去耦线圈7和精密电位器连于接收电路5中，并通过精密电位器微调，使去耦电路的输出电压和发射线圈1与接收线圈2之间因互感产生的一次感应电压等值反向，完全抵消，使得接收线圈2上检测到的感应电压完全由地下金属导体产生。

该地下金属探测系统的探测方法，在探测过程中，首先向发射线圈1施加激励电流，根据电磁感应原理，当脉冲电流关断瞬间，发射回线周围会产生一次脉冲磁场，并向周围空间扩散。在一次脉冲磁场的作用下，地下金属中会产生感应涡流，随着金属的热损耗，感应涡流逐渐减小，激发新的瞬变磁场，称为二次场。二次磁场的衰减在接收线圈2上会产生二次感应电压，由于二次场主要是由地下导体中的感应电流产生，其中包含着地下金属导体的相关信息。地下金属的形状、大小、介质参数以及地下分布形态包括埋深等因素变化会引起二次场的变化，接收到的感应电动势也会不同，因此通过研究接收到的感应电动势时空特性，可以分析出地下金属导体的信息。

图2为传统瞬变电磁探测中电磁场时域波形图。一次感应电动势是发射线圈1和接收线圈2之间的互感产生的，与地下金属导体没有关系，不包含目标信息，所以需要通过复杂的反演算法对反馈信号进一步的分析和处理，导致最终探测误差较大，才能用来研究地下金属的位置信息。

图3和图4分别为采用本发明的去耦线圈7和精密电位器提高探测精度的地下金属探测系统等效模型及其接收电路5等效模型。本发明的系统可以用经典电路理论来解释，核心部分简化为四个线圈，即发射线圈1、导电体等效线圈、接收线圈2和去耦线圈7，如图3所示。d1和d2分别为去耦线圈两引出线的接头，r1和r2分别为接收线圈两引出线的接头，p1为精密电位器的滑动接头，如图5所示。本发明的系统可以用经典电路理论来解释，核心部分简化为四个线圈，即发射线圈1、导电体等效线圈、接收线圈2和去耦线圈7，如图2所示。m01为发射线圈1和地下金属导体之间的等效互感，m02为接收线圈2和地下金属导体之间的等效互感，m12为发射线圈1和接收线圈2之间的等效互感，m12为去耦线圈7和发射线圈1之间的等效互感。i1(t)和i2(t)分别为发射线圈1中施加的激励电流和地下金属导体因涡流效应产生的感应电流。v1(t)和v2(t)分别为接收线圈2两端由发射线圈1产生的一次感应电动势和二次感应电动势，v3(t)为去耦线圈7两端由发射线圈1产生的感应电动势。根据电磁感应定律，可得：

其中i′1(t)为发射线圈1上的关断电流，τ＝lc/rc为待检测金属导体等效时间常数。i3(t)为去耦线圈7中的感应电流。根据1-2式可知，地下金属导体中的感应涡流随时间按指数衰减，在周围空间产生二次场，接收线圈2上的二次感应电动势与二次场随时间的变化率成正比，即：

其中，δ(t)是与激励电流i1(t)相对应的单位脉冲函数。根据前述原理可知，v2(t)包含待测导体的信息是需要采集的信号。不考虑去耦线圈7时，通过采集接收线圈2上的感应电动势实测值v(t)为：

其中，为穿过接收线圈2的磁通量，包括一次场与二次场的磁通量，s为单匝接收线圈2的有效面积，n为接收线圈2的匝数。图3为接收电路5等效模型，设接收装置中的接收线圈2等效为电阻r2，电感l2。当存在去耦线圈7时，接收线圈2两端实测电压为v0(t),满足：

v0(t)＝v1(t)+v2(t)+v3(t)1-6

将1-5和1-6带入上式中可得等式1-7如下：

在本设计中，去耦线圈7和接收线圈2连在同一电路中，满足m13＝-m12。通过调节精密电位器rt,在接收电路5中实现分压作用，使得:

因此有：v0＝v2(t)，即：观测到的值v(t)即为纯净的二次感应电动势，可由此计算出磁感应强度值，并得到地下金属导体的相关信息。

图5为发射电路3等效模型。在发射电路3中220v交流市电通过调压器、整流电路向储能电容充电，通过调整绝缘栅双极型晶体管的开关状态，控制激励波形的上升沿、下降沿以及平顶的持续时间。

图6为发射线圈和去耦线圈相对位置以及实物简要结构图。左图为线圈同轴结构几何示意图，右图为实物简要结构图。d1和d2分别为去耦线圈两引出线的接头，t1和t2分别为发射线圈两引出线的接头。去耦线圈和发射线圈同轴固定放置在支架上，支撑1和支撑2分别用来确定去耦线圈和发射线圈的位置，控制两线圈的相对距离。

图7为发射线圈和去耦线圈的xy平面俯视图。本文以传统螺线管线圈为例，需要强调的是，本探测系统中的具体线圈结构包括但不限于本申请中的结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。