地下管线磁异常三层分量联合反演成像探测新方法研究

In order to ensure the safety of construction and prevent breaking pipelines, it is necessary to detect and navigate the pipelines accurately in terms of the depth, direction, and caliber in construction field. Thus, it has a very important theoretical and practical significance to study this application project. This project intends to demonstrate the rationality of space magnetic induction intensity calculating of magnet using point magnetic moment theoretically, and then builds the discretization model of distribution of materials with various magnetic susceptibilities within the detecting zone, based on which, we could produce the forward analysis on magnetic anomaly caused by underground pipelines. At last, we could reveal the intrinsic relationship of magnetic anomaly characteristics and buried depth, direction, caliber size, susceptibility of the pipelines. Combining the advantages of both magnetic up-down continuation method and joint inversion method, we could propose the inversion detecting method that can locate the accurate position of pipelines within the detecting zone by building the joint inversion objective function using the magnetic field components of three detection layers. With the inversion of the susceptibility caused by each discrete element block underground, we could get the distribution image of susceptibility within the detecting zone. Besides, quantitative analysis and qualitative evaluation of buried depth, direction, caliber size and other information of underground pipelines would be achieved. The research results will lay the theoretical foundation for independently researching and developing the high precision underground pipeline detection equipment based on the magnetic anomaly, moreover, they can also provide theoretical basis for the actual instrument calibration, the instrument response simulation and the detection performance evaluation, etc.

为预防地下管线打漏事故发生，确保各种施工作业安全，有必要对工区内各种地下管线埋深、走向、管径大小进行准确探测与定位，因此所申请课题具有重要的理论与现实意义。本课题拟从理论上论证点磁矩计算磁化磁体空间磁感应强度的合理性，据此构建被探测区域内不同磁化率物质分布的离散化模型；在此基础上，对地下管线所致磁异常进行正演分析，逐步揭示管线埋深、走向、管径大小及管材磁化率与磁异常特征之间的内在关联；结合磁场上下延拓方法及联合反演方法各自特点，提出采用三层探测面磁场分量构建联合反演目标函数，进而对探测区域内管线进行准确定位的探测方法；通过反演地下各离散单元块在各自空间位置处的磁化率，得到探测区域内磁化率分布图像，并依此对地下管线埋深、走向、管径大小等信息进行定量分析与定性评价。课题研究成果将为自主研发高精度磁异常地下管线探测设备奠定理论基础，同时为实际仪器的标定、仪器响应模拟及探测特性评价等提供理论依据。

地下空间磁异常探测具有识别能力强、定位精度高的特点，已成为浅表地层地球物理探测领域的研究热点。本课题以地下管道为研究对象，基于磁异常探测原理，对埋地管道的地下空间分布形态与地表磁异常变化之间的相互关联进行了研究，提出了分块级、分环级和自适应管道划分策略，针对地下管道模型发展了新的正、反演方法，为自主知识产权高精度磁异常探测仪器研发和资料评价奠定了理论基础。. 依据计划安排，首先在理论上论证了点磁矩计算磁化磁体空间磁感应强度的有效性，提出了磁偶极子构造法并实现了地下管道的快速正演，依此对空间各位置点磁异常三分量及梯度张量进行了准确计算，对不同管道模型磁异常分布规律进行了综合比对分析，逐步揭示了管线埋深、走向、管径大小及管材磁化率与磁异常特征之间的内在关联；研究了不同模型的管道分割方法，建立了各方法中磁单元磁矢矩的计算公式；在此基础上，基于数值模拟方法，对管线水平定位问题进行了深入研究；依据管道磁异常分布特征，提出了基于峰值连线法的管道方位角计算方法；通过研究不同管道方位角对管道中心定位的影响，提出了基于磁异常垂直分量的管道中心位置定位法，并依此设计了磁异常管道定位仪器的传感器布局模式；为提高管道边缘定位精度，研究了磁梯度张量和边界识别函数在管道边界识别方面的应用效果；在获取管道水平分布信息的基础上，发展了基于遗传算法和粒子群算法的深度反演非线性优化方法，根据磁异常分布特征提出采用三层探测面磁场分量构建联合反演目标函数，并通过实验确定了目标函数的具体形式；依托地下管线磁张量计算方法，建立了管道模型磁异常的欧拉反褶积表达式，并结合实测数据，研究了探测距离、磁倾角和磁偏角对反演解的影响。. 研究表明，基于磁偶极子构造法的地下管道磁异常探测法可以有效解决地下铁质管道定位问题，利用该方法不仅能够得到地下各离散单元块在各自空间位置处的磁化率，还能间接获取地下管线埋深、走向、管径大小等有效信息。