地下水平管道重力异常和磁异常反演探测研究方法

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1、中图分类号：P318.6+2单位代码：11414学号：2014315003题目地下水平管道重力异常和磁异常反反反演探测研究方法学科专业控制理论与控制工程研究方向复杂系统检测、控制与优化博士生潘琦指导教师刘得军教授二○一七年十月GravityanomalyandmagneticanomalyinversiondetectionmethodsoveranundergroundhorizontalpipelineDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum，Beijinginpartialfulfillmentoftherequiremen

2、tsforthedegreeofDoctorofEngineeringByPanQi（ControlTheoryandControlEngineering）DissertationSupervisorProf.Dejun-LiuOctober，2017摘要摘要在建筑施工过程中，未被探测的地下管道可能会面临被损毁的危险，从而造成经济损失和人员伤亡。因此探测地下管道的水平定位和埋深坐标有着重要的研究意义。众所周知，正演建模为实际反演和数据处理提供了基础，当正演模型所形成的合成数据与反演模型计算的仿真数据匹配时，反演算法的适用性和精确度获得了验证。本文以有限长地下铁质管道为实验研究对象，分别从

3、重力异常和磁异常角度，提出不同的管道正演算法，通过对比验证正演算法的正确性。并分别通过遗传算法和欧拉反褶积算法对管道进行反演探测定位研究，分析两种反演算法的快速性和准确度。第一章绪论对课题的研究背景和意义进行了综述。以管线探测技术的发展历程和国内外研究现状为主题，对管线重力异常和磁异常的正演建模和反演探测定位的多种方法进行阐述介绍。第二章本文首先对有限长单直水平管道而言，提出了两种管道重力异常及其梯度张量的正演算法。一种是从理论上通过水平圆柱体公式推导出有限长水平管道的重力表达式；另一种是通过球体单元公式叠加计算出整个水平管道的重力数据，并与前者对比验证了该算法的正确性。第三章本文提出了

4、两种边界识别函数—HGA和Vzz-HDR来研究水平管道的边界识别效果。当管道方位角从90°减小到45°时，重力梯度张量和边界识别函数对管道轮廓的识别有效性逐渐降低。当管道的探测径距比变化时，重力梯度张量解析信号和边界识别函数在管道长度和半径的识别呈现出不同效果。第四章本文分别将重力梯度张量及其解析信号应用到欧拉反褶积，对地下水平管线进行反演定位研究。在考虑噪声因素的影响下，分析管道方位角和测距变化对源定位精度的影响。第五章本文针对有限长单直水平铁质管道，首先基于磁偶极子构造法分别提出分块级和分环级两种管道划分策略，进行正演对比。结果表明在不同高度、磁倾角和磁偏角的情况下，两种方法计算的管

5、道磁异常几乎相等。之后通过水平管道磁梯度张量的推导公式，分析探测距离d、磁倾角Ic和磁偏角D三个参数对管道中心定位和边界识别的影响。-III-摘要第六章在使用水平管道总磁异常的遗传算法进行优化反演时，分别使用分块级和分节级管道单元分割法代入反演运算，结果表明分环级分割法保持着较高精确度的同时运算效率明显提高，其中管道埋深的反演精度较高。之后将磁梯度张量理论公式代入欧拉反褶积进行反演定位，分析探测距离d、地磁倾角Ic和地磁偏角D对管道中心定位的影响。在此基础上提出一种观测磁梯度张量的表达式，通过磁力梯度仪完成实际测量，并对反演结果进行管道边界识别和中心定位分析。关键词：水平管道；重磁异常；

6、磁偶极子构造法；遗传算法；欧拉反褶积-IV-ABSTRACTGravityAnomalyandMagneticAnomalyInversionDetectionMethodsoverAnUndergroundHorizontalPipelineABSTRACTDuringtheexcavationconstruction，unknownundergroundpipelinescouldbeattheriskofbeingdamaged，whichmightcauseeconomiclossesandevencasualties.Therefore，itisextremelyimporta

7、nttodetecttheburieddepthandhorizontallocationoftheundergroundpipeline.Forwardmodelingisfundamentaltodataprocessingandpracticalinversion.Thesyntheticdataobtainedbyforwardmodelingissupposedtomatchwiththesimulationdataint