CN101702034B - 基于地球电磁感应原理的地下水源探测方法及探测仪 - Google Patents

Abstract

一种基于地球电磁感应原理的地下水源探测方法及探测仪，其步骤为：①将感应探针组插入到地表内，感应探针组由两个感应探针组成；②分别通过两个感应探针实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号；③给定某一通带的频率f对关于电压值差U的时域信号示意图依次进行带通滤波和低通滤波，得到关于电阻R值的时域信号示意图以及频率在5Hz以内的频域信号示意图；④在得到的频率在5Hz以内的频域信号示意图中，如果幅值信号最大的10个幅值信号对应的频率均在5Hz以内，则在两个感应探针之间的区域内有地下水源。该水源探测仪包括一个以上感应探针组、信号处理单元和主控制器。本发明具有结构简单紧凑、便携性好、操作方便、准确率高等优点。

Description

基于地球电磁感应原理的地下水源探测方法及探测仪

技术领域

本发明主要涉及到水源探测领域，特指一种基于地球电磁感应原理的水源探测方法及装置。

背景技术

目前地面物探方法找水首推电法和测量地层磁分量的甚低频法，以及核磁共振法。电法和地层磁分量的甚低频法共同点是测量地质体物性综合值，测量结果存在多解性，全凭测量者的主观经验判断，误差大，找水成功率只有百分之二、三十。核磁共振法探测方法成功率高，但探测深度有限、辨别不出是否为流动的水，同时设备昂贵、体积大不适合野外工作。且传统物探找水的仪器使用复杂，需要人工记录每一组测量数据，然后根据测量数据绘制测量曲线图，必须有丰富水文地质经验的工程师根据测量曲线图判定是否有水，人为因素占比重很大，当测量点比较多时，数据量也是相当大，后期人工分析的任务相当繁重。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、便携性好、操作方便、快捷、直观及准确率高的找水方法及仪器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于地球电磁感应原理的地下水源探测方法，其特征在于步骤为：

①、将一个以上感应探针组插入到地表内，每个感应探针组由两个感应探针组成，两个感应探针之间保持一定距离L；

②、分别通过两个感应探针实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号，将该电压信号经过放大、滤波处理后得到两个感应探针所在处每个时刻的电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图，并将该电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图传送至主控制器，所述电压差值U为交流值；

③、主控制器给定某一通带的频率f对关于电压值差U的时域信号示意图依次进行软件的带通滤波和低通滤波，由于两个感应探针之间区域的电流值I是恒定的，通过公式U＝R*I得到与各个时刻下电压差值U对应的电阻R，然后根据滤波后的波形示意图得到关于电阻R值的时域信号示意图；最后对关于电阻R值的时域信号示意图进行频谱分析，得到频率在5Hz以内的频域信号示意图；

④、在得到的频率在5Hz以内的频域信号示意图中，如果幅值信号最大的10个幅值信号对应的频率均在5Hz以内，则在两个感应探针之间的区域内有地下水源。测量一条或若干条剖面(即测量多个点)时，能够得到整个剖面的水层分布图，能直观的体现出剖面的有水分布情况。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤③中，将关于电阻R值的时域信号示意图中数据的最大值减去最小值后的差值除以最小值得到能量系数，当能量系数大于100％时，计为100％，所述能量系数用来表示地下水量的大小。

所述步骤④中，将频域图中10个最大幅值的频率值各自除以20后与对应的幅值相乘，再将十个所得到乘积值相加，将累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用来表示地下水的流速。

一种基于地球电磁感应原理的水源探测仪，其特征在于：包括一个以上感应探针组、信号处理单元和主控制器，所述每个感应探针组由两个感应探针组成，所述感应探针用来实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号，所述电压信号经信号处理单元放大、滤波后转换成两个感应探针所在处每个时刻的电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图并送至主控制器，主控制器由关于电压差值U的时域信号示意图得到关于电阻R值的时域信号示意图以及频域信号示意图，并根据频域信号示意图做出是否有地下水源的判断。

所述信号处理单元包括依次相连的50Hz工频陷波单元、差动放大单元、一级放大单元、低通滤波单元、可调带通滤波单元、二级可调放大单元以及模数转换单元。

所述每组中两个感应探针之间保持一定距离L，L大于等于10米且小于等于20米，感应探针插入地表深度大于等于10厘米小于等于20厘米。

所述主控制器含一存储单元。

所述主控制器含一显示单元。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的找水准确率高，该方法找水准确率在95％以上，而传统物探找水的准确率仅为20％～30％。

2、本发明的找水深度大，该方法找水的深度可以达到1000米，而传统物探找水的探测深度有限，一般在100米以内。

3、本发明的探测方法找水采用了动态信息的探测方法，因此可以分清地下是流动的水还是不动水，所有找到的水的水质相对比较好。

4、本发明的探测仪结构简单、成本低廉、体积小、重量轻、便携性好、耗电量很小，每一组电池充一次电可以连续工作50个小时以上，同时用户可以根据需要携带多组电池，使用时间更长，因此携带很方便。

5、本发明探测仪，采用全电脑控制，软件自动采集，自动分析，自动判别是否有水，自动绘制地层含水分布图，采集完成后通过语音提示用户，数据采集完成后，当场便可以得到测量结果，系统自动生成地下地层含水分布图，使用非常方便、直观。

附图说明

图1是本发明中探测方法的流程示意图；

图2是本发明中探测仪的框架结构示意图；

图3是本发明具体实施例中探测仪信号处理单元的电路原理示意图；

图4是本发明具体实施例中探测仪软件算法单元的电路原理示意图；

图5是本发明探测仪在应用实例中的示意图；

图6是本发明具体实施例中探测仪的工作原理流程示意图；

图7是本发明具体实施例中第一种情况下关于电压差值U的时域信号示意图；

图8是本发明具体实施例中第一种情况下关于电阻R值的时域信号示意图；

图9是本发明具体实施例中第一种情况下的频域信号示意图；

图10是本发明具体实施例中第二种情况下关于电压差值U的时域信号示意图；

图11是本发明具体实施例中第二种情况下关于电阻R值的时域信号示意图；

图12是本发明具体实施例中第二种情况下的频域信号示意图；

图13是本发明具体实施例测量剖面的水层分布示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于地球电磁感应原理的地下水源探测方法，其步骤为：

①、将一个以上感应探针组11插入到地表内，每个感应探针组11由两个感应探针组成，两个感应探针之间保持一定距离L；

②、分别通过两个感应探针实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号，将该电压信号经过放大、滤波处理后得到两个感应探针所在处每个时刻的电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图，并将该电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图作为信号传送至主控制器12，所述电压差值U为交流值；

③、主控制器12给定某一通带的频率f对关于电压值差U的时域信号示意图依次进行带通滤波、低通滤波，由于两个感应探针之间区域的电流值I是恒定的，通过公式U＝R*I得到与各个时刻下电压差值U对应的电阻R，电阻R值即为所测地区的岩石电阻；然后根据滤波后的波形示意图得到关于电阻R值的时域信号示意图；最后对关于电阻R值的时域信号示意图进行频谱分析，得到频率在5Hz以内的频域信号示意图；

④、在得到的频率在5Hz以内的频域信号示意图中，如果幅值信号最大的10个幅值信号对应的频率均在5Hz以内，则在两个感应探针之间的区域内有地下水源。测量一条或若干条剖面(即测量多个点)时，能够得到整个剖面的水层分布图，能直观的体现出剖面的有水分布情况。

在步骤③中，将关于电阻R值的时域信号示意图中数据的最大值减去最小值后的差值除以最小值得到能量系数，当能量系数大于100％时，计为100％，所述能量系数用来表示地下水量的大小。

在步骤④中，将频域图中10个最大幅值的频率值各自除以20后与对应的幅值相乘，再将十个所得到乘积值相加，将累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用来表示地下水的流速。

如图2所示，本发明的基于地球电磁感应原理的水源探测仪，包括一个以上感应探针组11、信号处理单元和主控制器12，每个感应探针组11由两个感应探针组成，如果为多组感应探针组时，则可采用多路开关对其进行切换控制或并行控制。感应探针用来实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号，电压信号经信号处理单元放大、滤波后转换成两个感应探针所在处每个时刻的电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图并送至主控制器12，主控制器12由关于电压差值U的时域信号示意图得到关于电阻R值的时域信号示意图以及频域信号示意图，并根据频域信号示意图做出是否有地下水源的判断。

信号处理单元包括依次相连的50Hz工频陷波单元1、差动放大单元2、一级放大单元3、低通滤波单元4、可调带通滤波单元5、二级可调放大单元6以及模数转换单元7，主控制器12含一存储单元9，用来记录所测量的所有信息，能够记录的量根据硬盘的大小来定，一帧数据的大小为2.7Kbit。主控制器12与一显示单元10相连，用来显示最后的探测结果。

工作原理：参见图2、图3、图4、图5和图6，感应探针在使用时插入地表，插入地表的深度以感应探针金属部分基本不外漏为准，感应探针上金属部分的长度大于10厘米小于25厘米，每个感应探针组11中两个感应探针之间保持一定距离L，L大于等于10米且小于等于20米。

通过感应探针采集到的电压信号由屏蔽电缆传入到信号处理单元的采集端口INA1、INB1，再经电解电容E1、E2隔直，为了防止对内部电路的损坏，本实施例中加入D1、D2、D3、D4四个二极管进行限幅，对上述信号的正、负都进行限幅。

上述采集到的电压信号输入到50Hz工频陷波单元1中，该50Hz工频陷波单元1用来防止工频干扰，该50Hz陷波电路设计参数的品质因素Q等于10，则其带宽为5Hz。

经50Hz工频陷波单元1处理后的信号输入到差动放大单元2内，差动放大单元2采用芯片IC1(例如：AD623)，该芯片可以通过调节电阻R12的阻值来调节放大倍数，在此为使运放稳定工作，将放大倍数设置在100倍输出信号。

经过差动放大单元2处理后的信号输入到一级放大单元3内，因为输入的信号都是在几十微伏到几十毫伏的范围内，所以必须再次放大。因为在差动放大单元2中已经将信号放大了100倍，在此再放大50倍，同时考虑到对直流分量的放大，通过C15对信号隔直，再输入到运算放大器芯片IC2-1(例如：LM324)放大，反馈电阻R17与R15的比例为50，使该级放大的放大倍数为50。

经过一级放大单元3处理后的信号输入到低通滤波单元4内，因为此时有用信号频率低于3KHz，因此低通滤波单元4用来防止出现高频干扰的情况。低通滤波单元4采用运算放大器芯片IC2-2作为低通滤波器运放(例如：LM324)，其采用的是“二阶压控电压源低通滤波”方式，其截止频率在3KHz，品质因数Q设定于1，通带增益为1.6，这种参数设定能使电路稳定工作。

为了得到不同频率的信号，经过低通滤波单元4处理后的信号输入到可调带通滤波单元5中，可调带通滤波单元5采用芯片IC2-3(例如：LM324)进行带通滤波器运放。本实施例中所采用的二阶有源带通滤波器，品质因数Q设定在5，通带增益设定为1.4，因深度要可控变化，在此采用可调电容，调节带通滤波器的通带频率；采用可调电容CN1、CN2的容值取决于带通滤波器要使用的通带频率，目前使用的范围为3KHz到10Hz，理论的分辨率为1Hz，因为Q为5，所以存在带宽为带通滤波器中心频率的五分之一，实际分辨率是随带通滤波器中心频率变化的。由公式“H＝A*(R/f)^0.5”可知深度与带通滤波器中心频率的关系，公式中的“H”表示要测量的深度，“A”为一常数“969.5”，“R”为所测量地区的岩石电阻，“f”为通带频率(即可调带通滤波单元中的带通滤波器的中心频率)，由公式可看出，在“R”一定时，“H”与“f”的关系为H²＝(A*A*R)/f，则通过算法可以从f得到要测量的深度。

因不同地区的电阻是有较大差异的，则感应探针采集到的电压信号也是有很大变化，为了获得较好的信号，信号经C22隔直后再到二次可调放大单元6中进行二次放大。该二次可调放大单元6采用芯片IC2-4，在此采用可调放大得到不同幅度的信号，调节可调电阻RT，调整放大倍数，在此设定的放大倍数为1到20倍连续可调，经放大后即得到“电压差值U”。

得到了“电压差值U”信号后，用模数转换单元(A/D)7将模拟信号数字化。模数转换单元采用芯片U6(例如：ADS1225)，该芯片是极低噪声24bit最高采样率为30KHz的模数转换芯片，芯片的数字端接口是采用SPI方式，方便与主控制器12中的软件算法单元8中的DSP芯片连接。

考虑到复杂的算法，本实施例中，软件算法单元8采用低功耗高速的数字信号处理器(DSP)——TMS320VC5402，为了配合复杂的算法和存储程序，外扩展了SRAM(U2IS61LV51216)和FLASH MEM(U3SST39VF160)芯片，DSP、SRAM、FLASH MEM构成“软件算法单元”。通过A/D转换芯片采集“电压差值U”信号，A/D采样的频率不低于100Hz，连续采集的时间不少于20秒钟，DSP通过SPI接口与模数转换单元中的A/D转换芯片连接，将“电压差值U”信号数字化，如果连续采集的时间为20秒钟，则为20秒离散数字化的“电压差值U”信号。将20秒离散数字化的“电压差值U”信号通过软件算法单元的DSP芯片实现软件的FIR低通滤波，低通的截止频率为3KHz，去除模拟电路和外界的干扰，再用自适应滤波算法锁定设置通带(即深度)的信号。通过公式U＝R*I，得到20秒离散数字化的电阻R值的时域信号，用FFT频谱分析算法分析电阻R值的时域信号得到频域信号，DSP通过算法找出幅度最高的十种频谱，剔除5Hz以上频率成分的频谱，DSP分析找出的十种最高幅度的频谱是否都在5Hz以内，如果都在，表示有水，如果少于十个表示无水。如果有水，将十种频谱的频率乘以对应的幅度，再将十个乘积相加，将累加和除以50得到该帧数据的“有水比例”。如果无水，则“有水比例”显示为0％。再利用电阻R值的时域信号算出“能量系数”，在20秒离散数字化的电阻R值的时域信号中，DSP通过算法找到数据的最大值减去最小值(即最高的波峰减最低的波谷)的值除以最小值得到“能量系数”，当“能量系数”大于100％时，按100％计算。其中“能量系数”说明水量的大小，“有水比例”说明水的流速，当两者都很大的前提下表示测量点下的某一深度处有较大流速且水量较大的地下水。DSP存储在5Hz以内且属于十种最高幅度频谱的频谱，有几种存几种，以及对应的时域波形、能量系数、有水比例、采集深度、放大倍数、测线、测点，此代表一帧数据。DSP将每帧数据提交到计算机，计算机通过显示单元将所有信息显示出来，并将信息通过存储单元存储。如果测量的是一个剖面即多个测量点，绘出水层分布图，如图13所示：其横坐标表示随机定义坐标原点的一条测线(即地表的某位置)，其坐标N米表示到原点的距离为N米。纵坐标表示离地表的深度，其坐标N米表示离地表的深度为N米。用

图标表示水量丰富，用

图标表示水量匮乏，为

表示对应的地方没有测量数据。测量完后立即可以生成直观的测量报告，由“有水比例”乘以“能量系数”得出水量的大小，如果测量了多次，将多次的结果取平均，如果水量大则含水量丰富图标

越高，表示水量越丰富，含有水量匮乏图标

的段表示没有水。

为了方便处理后的数据要提交显示及方便人机交换，扩展了USB芯片(U4CH372)与计算机连接。

经过DSP处理完的数据提交显示单元10显示，并将所有数据都存储到存储单元9。

实例一、

如图7所示显示的是实际测量中某一测点的某一深度的电压差值U的时域信号示意图，图中“时域信号”为20秒离散数字化的“电压差值U”信号，再将20秒离散数字化的“电压差值U”信号通过软件算法单元8的DSP芯片实现软件的FIR低通滤波，再用自适应滤波算法锁定设置通带(即深度)的信号，再通过公式U＝R*I，得到20秒离散数字化的电阻R值的时域信号示意图，如图8。用FFT频谱分析算法分析电阻R值的时域信号得到频域信号，DSP通过算法找出幅度最高的十种频谱，剔除5Hz以上频率成分的频谱，得到频域信号示意图，如图9。由图9可看出幅值最大的10种频率，其格式是“数字1-数字2”，“数字1”代表的是幅值在十种最大频率中的第几个大的幅值，“数字2”代表的是实际频率的20倍。将实际频率乘以对应的幅度再累加，将累加的和除以50取平均得到“有水比例”。十种最高幅度的频谱都在5Hz以内，有水比例按上述算法算出为53.6％，表示有水。对于图8中的时域信号，将这20秒离散数字化电阻R值的最大值减去最小值(即最高的波峰减最低的波谷)的值除以最小值得到“能量系数”，当“能量系数”大于100％时，按100％计算。

实例二、

如图10所示显示的是实际测量中某一测点的某一深度的电压差值U的时域信号示意图，图中“时域信号”为20秒离散数字化的“电压差值U”信号，再将20秒离散数字化的“电压差值U”信号通过软件算法单元8的DSP芯片实现软件的FIR低通滤波，再用自适应滤波算法锁定设置通带(即深度)的信号，再通过公式U＝R*I，得到20秒离散数字化的电阻R值的时域信号示意图，如图11。用FFT频谱分析算法分析电阻R值的时域信号得到频域信号，DSP通过算法找出幅度最高的十种频谱，剔除5Hz以上频率成分的频谱，得到频域信号示意图，如图12。由图12可看出10种最大幅值的频率只有两种落在5Hz以内，且通过有水比例算法算出有水比例为0％，表示无水。对于图11中的时域信号，用能量系数算法算出能量系数为25％，说明水量基本没有。综合能量系数和有水比例得出该测量点对应地下某一深度没有水。

实例三、

如图13所示，该图表示的是在现场测量中的某一实例，测量一个剖面，测量剖面的长度为80米，每次测量感应探针组11的距离L长度为10米，插入深度为15厘米。先在第一个点(即图中横坐标的0到10米)测量，要求测量的深度为7种分别为：40米到75米，75米到110米，110米到145米，145米到180米，180米到225米，225米到260米，260米到300米。每种深度重复测量三帧数据，每帧数据对应的A/D转换芯片采集时间长度为20秒钟，先测量40米到75米段的深度，依次由浅入深测量，一直到260米到300米段测完。然后移动感应探针组到10米和20米处，再按照上一测量点的顺序依次测量，直到第二个测量点的260米到300米深度段测完，......按照以上步骤移动感应探针组，直到测完整个80米长的剖面。每个测量点的每个深度都重复测量了三次，将三次测量的能量系数和有水比例相乘后，再将三次乘积相加，再将相加的和除以3得到该深度的有水情况。因为每测量一帧数据计算机都将数据存储了，根据每帧里的测点、深度、有水比例、能量系数等数据，绘制出水层分布示意图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于地球电磁感应原理的地下水源探测方法，其特征在于步骤为：

①、将一个以上感应探针组插入到地表内，每个感应探针组由两个感应探针组成，两个感应探针之间保持一定距离L；

②、分别通过两个感应探针实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号，将该电压信号经过放大、滤波处理后得到两个感应探针所在处每个时刻的电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图，并将该电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图传送至主控制器，所述电压差值U为交流值；

③、主控制器给定某一通带的频率f对关于电压值差U的时域信号示意图依次进行带通滤波、低通滤波，由于两个感应探针之间区域的电流值I是恒定的，通过公式U＝R*I得到与各个时刻下电压差值U对应的电阻R，然后根据滤波后的波形示意图得到关于电阻R值的时域信号示意图；最后对关于电阻R值的时域信号示意图进行频谱分析，得到频率在5Hz以内的频域信号示意图；

④、在得到的频率在5Hz以内的频域信号示意图中，如果幅值信号最大的10个幅值信号对应的频率均在5Hz以内，则在两个感应探针之间的区域内有地下水源。

2.根据权利要求1所述的基于地球电磁感应原理的水源探测方法，其特征在于：所述步骤③中，将关于电阻R值的时域信号示意图中数据的最大值减去最小值后的差值除以最小值得到能量系数，当能量系数大于100％时，计为100％，所述能量系数用来表示地下水量的大小。

3.根据权利要求1或2所述的基于地球电磁感应原理的水源探测方法，其特征在于：所述步骤④中，将频域图中10个最大幅值的频率值各自除以20后与对应的幅值相乘，再将十个所得到乘积值相加，将累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用来表示地下水的流速。

4.一种基于地球电磁感应原理的水源探测仪，其特征在于：包括一个以上感应探针组(11)、信号处理单元和主控制器(12)，所述每个感应探针组(11)由两个感应探针组成，所述感应探针用来实时采集所在处由地球电磁感应所产生的电压信号，所述电压信号经信号处理单元放大、滤波后转换成两个感应探针所在处每个时刻的电压差值U及关于电压差值U的时域信号示意图并送至主控制器(12)，主控制器(12)由关于电压差值U的时域信号示意图得到关于电阻R值的时域信号示意图以及频域信号示意图，并根据频域信号示意图做出是否有地下水源的判断。

5.根据权利要求4所述的基于地球电磁感应原理的水源探测仪，其特征在于：所述信号处理单元包括依次相连的50Hz工频陷波单元(1)、差动放大单元(2)、一级放大单元(3)、低通滤波单元(4)、可调带通滤波单元(5)、二级可调放大单元(6)以及模数转换单元(7)。

6.根据权利要求4或5所述的基于地球电磁感应原理的水源探测仪，其特征在于：所述每组中两个感应探针之间保持一定距离L，L大于等于10米且小于等于20米，所述感应探针插入地表深度大于等于10厘米小于等于20厘米。

7.根据权利要求4或5所述的基于地球电磁感应原理的水源探测仪，其特征在于：所述主控制器(12)含存储单元(9)。

8.根据权利要求4或5所述的基于地球电磁感应原理的水源探测仪，其特征在于：所述主控制器(12)含一显示单元(10)。

Images