一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置
阅读说明：本技术 一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置 (Underground space detection device based on three-dimensional focusing magnetic field ) 是由 徐立军 孙江涛 索鹏 孙世杰 谢跃东 白旭 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置,属于地下空间探测领域。该电磁探测系统包括发射机、三分量磁场传感器、密集台阵接收机和上位机；发射机输出三路正弦电流激励信号分别输入到三分量磁场传感器中,基于电磁感应原理,三分量磁场传感器产生交变磁场激励信号,并作用于被测地下空间。密集台阵接收机包括多个接收装置,在GPS同步信号的作用下,每个接收装置同步采集被测地下空间的磁场三分量数据,最终通过传输接口汇总到上位机中,由上位机完成数据的处理及成像。本发明克服了传统单分量磁场传感器只能进行单一位置单向激励的不足,为后续数据采集和精细成像提供更加丰富的信息量,提高了三维成像的分辨率。(The invention discloses an underground space detection device based on a three-dimensional focusing magnetic field, and belongs to the field of underground space detection. The electromagnetic detection system comprises a transmitter, a three-component magnetic field sensor, a dense array receiver and an upper computer; the transmitter outputs three paths of sinusoidal current excitation signals which are respectively input into the three-component magnetic field sensor, and the three-component magnetic field sensor generates alternating magnetic field excitation signals based on the electromagnetic induction principle and acts on the underground space to be measured. The intensive array receiver comprises a plurality of receiving devices, under the action of GPS synchronous signals, each receiving device synchronously acquires three-component data of a magnetic field of a tested underground space, and finally the three-component data are collected into an upper computer through a transmission interface, and the upper computer completes data processing and imaging. The invention overcomes the defect that the traditional single-component magnetic field sensor can only carry out single-position unidirectional excitation, provides richer information quantity for subsequent data acquisition and fine imaging, and improves the resolution of three-dimensional imaging.)
技术领域
本发明属于地下空间探测领域，具体是一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置，用于对浅层地下空间进行精确测量及成像。
背景技术
近年来，地下空间的综合开发利用已经成为我国城市发展面临的新课题，而精确的地下空间探测结果是保障城市可持续发展的关键。
地下空间的综合开发利用涉及了地下交通设施、地下商业设施、地下车库、综合防灾建设、军事工程以及仓储设施等多个领域，因此地下空间的精确探测对其综合开发利用具有重要的意义。
目前，对于地下空间的精确探测面临着以下问题：
一是地下空间本身具有地质结构多样、施工条件复杂、地下目标精细和环境干扰严重等特点，极大地增加了地下空间精确探测的难度；
二是现有的浅层地下空间探测类仪器存在探测深度小、分辨率低和抗干扰性差的不足，无法较好地满足地下空间综合开发利用的需求；
三是现有的成像技术仍以二维断面成像为主，在同一被测空间内，多为单向激励，采集的数据量相对较少，导致地下空间信息获取不完整。
因此，针对上述问题，需要设计一种能够对浅层地下空间进行精确测量及成像的一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置，有效地解决了传统探测仪器存在的探测范围小，地下信息获取不完全，空间成像分辨率低等问题，通过三维聚焦磁场激励和密集接收的方式实现对地下空间的精确测量及成像。
所述的电磁探测系统包括发射机、三分量磁场传感器、密集台阵接收机和上位机；
其工作原理如下：发射机输出三路正弦电流激励信号分别输入到三分量磁场传感器中，基于电磁感应原理，三分量磁场传感器将产生具有一定频率和幅度的交变磁场激励信号，并作用于被测地下空间。
密集台阵接收机包括多个接收装置，采用密集二维台阵布站，在GPS同步信号的作用下，每个接收装置将同步采集被测地下空间的磁场三分量数据，最终多个接收装置中的测量数据通过传输接口汇总到上位机中，由上位机完成数据的处理及成像。
发射机包括控制电路、三路信号发生电路、三路程控放大电路、三路电压-电流转换电路、GPS同步电路和人机交互装置；
控制电路同时连接GPS同步电路，人机交互装置，三路信号发生电路以及三路程控放大电路，三路信号发生电路分别各自连接一路程控放大电路，每路程控放大电路分别各自连接一路电压-电流转换电路，三路电压-电流转换电路分别各自连接一个输出端口。
首先，通过人机交互装置输入三路激励信号所需的频率、幅度和相位；控制电路控制三路信号发生电路按照所需的频率和幅度，产生三路正弦电压激励信号，并分别输入到三路程控放大电路进行放大，然后传输到电压-电流转换电路中转换成正弦电流激励信号，并输出到三分量磁场传感器；
三分量磁场传感器由三个半径相同且相互垂直的圆形线圈组成，输入的三路正弦电流激励信号分别接入三个圆形线圈中，基于电磁感应原理，三个圆形线圈将分别产生感应磁场，通过矢量叠加生成一路交变磁场激励信号，作用于被测地下空间。
密集台阵接收机中的单个接收装置包括三维接收线圈、三路差分放大电路、三路滤波电路、三路程控放大电路、三路A/D转换电路、控制电路、GPS同步电路及数据传输接口。
在交变磁场激励下，地下空间的导电物质、导磁物质与激励磁场发生电磁感应，感应之后的信号被单个接收装置的三维接收线圈接收，三维接收线圈由三个半径相同且相互垂直的圆形线圈组成，每个圆形线圈都有两个输出端，两输出端输出的信号为差分式电压信号。
三路差分放大电路连接分别对接三个输入端口，同时连接三路滤波电路，每路滤波电路分别连接一路程控放大电路，每路程控放大电路分别连接一路A/D转换电路，同时，三路程控放大电路以及三路A/D转换电路共同连接控制电路，控制电路同时连接GPS同步电路和数据传输接口，数据传输接口对接输出端口。
每路差分放大电路将单个圆形线圈输出的差分式电压信号转换成单路电压信号，并进行放大，同时滤除共模干扰信号后传输给滤波电路；滤波电路对单路电压信号中的噪声及高频干扰进行滤除后传输给程控放大电路；程控放大电路在控制电路的作用下，根据不同时刻、不同测量位置被测信号幅度的不同，对滤波电路输出的电压信号进行不同增益的放大后传输给A/D转换电路；A/D转换电路模拟电压量转化成数字量传输给控制电路；
控制电路根据三维接收线圈输出的被测信号幅度大小及A/D转换电路的输入量程配置程控放大电路的增益；同时控制电路控制A/D转换电路的模数转换过程以及读取转换后的数字量，将数字量通过数据传输接口输出。
GPS同步电路为整个电磁探测系统提供同步控制信号，协调发射机与密集台阵接收机的同步工作，实现磁场激励与数据采集的同步；
本发明的优点在于：
1)、一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置，利用向控发射机和三分量磁场传感器实现聚焦磁场扫描，完成对被测地下空间的多角度定向激励，克服了传统单分量磁场传感器只能进行单一位置单向激励的不足，为后续数据采集和精细成像提供更加丰富的信息量。
2)、一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置，融合了聚焦磁场扫描、密集台阵同步接收等多项技术，有效地克服了传统浅层地下空间探测类仪器存在探测深度小、分辨率低以及抗干扰性差的不足，其探测结果为城市浅层地下空间的有效综合利用提供了立体化解决方案。
3)、一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置，利用密集台阵接收机进行被测空间的多角度数据采集，多个接收装置同步采集极大提高了被测空间内有效测量信号的信噪比，同时便于后续数据处理，提高了三维成像的分辨率，为后续地下空间的精细成像奠定数据基础。
附图说明
图1为本发明一种基于三维聚焦磁场的地下空间探测装置的整体结构框图；
图2为本发明所述的发射机的结构框图；
图3为本发明所述的单个接收装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。
所述的电磁探测装置如图1所示，包括发射机、三分量磁场传感器、密集台阵接收机和上位机；
其工作原理如下：向控发射机输出三路正弦电流激励信号分别输入到三分量磁场传感器中，基于电磁感应原理，三分量磁场传感器将产生具有一定频率和幅度的交变磁场激励信号，并作用于被测地下空间。
密集台阵接收机包括多个接收装置，采用密集二维台阵布站，在GPS同步信号的作用下，每个接收装置将同步采集被测地下空间的磁场三分量数据，最终多个接收装置中的测量数据通过数据传输接口汇总到上位机中，由上位机完成数据的处理及成像。
发射机如图2所示，包括控制电路、三路信号发生电路、三路程控放大电路、三路电压-电流转换电路、GPS同步电路和人机交互装置；
控制电路主要为信号发生电路和程控放大电路提供所需的控制信号；
人机交互装置实现并输入三分量磁场传感器所需频率、幅度和相位等参数的配置；同时监测发射机与密集台阵接收机的GPS同步情况。信号发生电路主要在控制信号的作用下产生一定频率和幅度的正弦电压信号，为三分量磁场传感器提供原始的激励信号；
程控放大电路将前端信号发生电路输出的正弦电压激励信号进行适当增益的放大，克服了信号发生电路输出信号幅度小、带载能力差的不足；
电压-电流转换电路主要将前端程控放大电路输出的正弦电压激励信号转换成正弦电流激励信号，其输出将直接作用于三分量磁场传感器；
GPS同步电路的时间信息为整个电磁探测系统提供同步控制信号，协调发射机与密集台阵接收机的同步工作，实现磁场激励与数据采集的同步；
如图2所示，控制电路同时连接GPS同步电路，人机交互装置，三路信号发生电路以及三路程控放大电路，三路信号发生电路分别各自连接一路程控放大电路，每路程控放大电路分别各自连接一路电压-电流转换电路，三路电压-电流转换电路分别各自连接一个输出端口。
首先，通过人机交互装置输入三路激励信号所需激励信号的频率、幅度和相位等参数；控制电路控制三路信号发生电路按照所需的频率和幅度，产生三路正弦电压激励信号，并分别输入到三路程控放大电路进行放大，然后传输到电压-电流转换电路中转换成正弦电流激励信号，并输出到三分量磁场传感器；
三分量磁场传感器由三个半径相同且相互垂直的圆形线圈组成，同时采用高导磁材料、低噪声放大与抗干扰屏蔽等技术，因此具有较高的灵敏度。
其工作原理如下：发射机输出的三路正弦电流激励信号分别接入三个圆形线圈中，基于电磁感应原理，三个圆形线圈将分别产生感应磁场，通过矢量叠加生成具有一定频率和幅度的一路交变磁场激励信号，作用于被测地下空间。传统的单分量磁场传感器只能进行单一位置单向发射激励，无法保证地下空间的定向激励，三分量磁场传感器在此基础上进行优化改进，弥补了上述不足，实现了对地下空间多方位定向激励扫描的过程。
如图3所示，密集台阵接收机中的单个接收装置包括三维接收线圈、三路差分放大电路、三路滤波电路、三路程控放大电路、三路A/D转换电路、控制电路、GPS同步电路及数据传输接口。
在交变磁场激励下，地下空间的导电物质、导磁物质与激励磁场发生电磁感应，感应之后的信号被单个接收装置的三维接收线圈接收，三维接收线圈由三个半径相同且相互垂直的圆形线圈组成，每个圆形线圈都有两个输出端，两输出端输出的信号为差分式电压信号。
三路差分放大电路分别对接三个输入端口，同时连接三路滤波电路，每路滤波电路分别连接一路程控放大电路，每路程控放大电路分别连接一路A/D转换电路，同时，三路程控放大电路以及三路A/D转换电路共同连接控制电路，控制电路同时连接GPS同步电路和数据传输接口，数据传输接口对接输出端口。
每路差分放大电路将三维接收线圈中单个圆形线圈输出的差分式电压信号转换成单路电压信号，并进行一定增益的放大，同时利用差分式电路高共模抑制比的特点对共模干扰信号进行滤除，提高有效测量信号的信噪比；滤波电路将差分放大电路输出的单路电压信号进行滤波处理，滤除环境中的噪声及高频干扰，进一步提高有效测量信号的信噪比；程控放大电路在控制电路的作用下，根据不同时刻、不同测量位置被测信号幅度的不同，对滤波电路输出的电压信号进行不同增益的放大后传输给A/D转换电路；程控放大电路确保了三维接收线圈输出的被测信号能够满足后端模数转换电路对输入信号在量程和精度等方面的要求；A/D转换电路将程控放大电路输出的模拟电压量转化成数字量，便于后续数据的存储和处理，A/D转换电路的位数、量程及采样率取决于被测信号的频率、幅度及精度要求；
控制电路与程控放大电路相连，将根据三维接收线圈输出的被测信号幅度大小及A/D转换电路的输入量程配置程控放大电路的增益；同时控制电路与A/D转换电路相连，控制A/D转换电路的模数转换过程以及读取转换后的数字量，将数字量通过数据传输接口输出。
GPS同步电路为各接收装置提供时间基准，配合发射机同步工作，实现多个接收装置数据同步采集过程；
数据传输接口连接控制电路与上位机，实现被测数据的传输，便于后续数据分析及处理。
上位机一方面用来读取并汇总多个接收装置采集的测量数据，另一方面利用层析成像、合成孔径等多种算法进行数据处理，实现对地下空间的精细成像。
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