CN104035137A - 地下全空间瞬变电磁探测仪及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下全空间瞬变电磁探测仪及探测方法，是由计算机经信号采集卡、和信号调理电路与接收线圈连接，12V电池经放电保护电路、发射逻辑及控制模和MCU与信号采集卡连接，放电保护电路经低电压限流电路和光耦8与信号调理电路连接，能量快速消耗电路经发射线圈和低电压限流电路与发射逻辑及控制模块连接，计算机经MCU分别连接E²PROM、光耦和信号调理电路构成。采用偶极-偶极方式进行探测，不仅减小了装置，通过调节两线圈的收发距和夹角，多次测量提高了探测的精度。有效的提高了接收线圈所采集到的早期信号的精度，有效提高接收信号的信噪比，解决了全空间瞬变电磁探测数据不准确的难题。

Description

地下全空间瞬变电磁探测仪及探测方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理探测方法，特别是基于偶极-偶极方式的全空间瞬变电磁探测，能够实现在矿井内快速准确地探测地下视电阻率的装置及工作方法。

背景技术：

针对探测区视电阻率的探测，瞬变电磁法是目前主要的探测方式，瞬变电磁法应用最广泛的是地面半空间的探测，采用分离回线，中心回线或重叠回线方式分析感应二次场，从而得到地下视电阻率分布情况。

将瞬变电磁法引入地下全空间探测能实现在矿井内对地下更深层视电阻率的探测，由于矿井隧道内空间狭小，占地面积极大的地面瞬变电磁装置在这种情况下并不适用，为了解决这一问题，本发明采用偶极-偶极方式进行探测，不仅减小了装置的大小，还可以通过调节两线圈的收发距，多次测量来提高测量的精确度。由于本装置是在地下探测，还可以根据情况，通过两个线圈的正对方向来选择需要探测的方向，不再像以前的仪器只有单一的探测方向。通过能量快速消耗电路和软件计算补偿法减少关断时间，可以有效的提高接收线圈所采集到的早期信号的精确度，为更准确的进行数据反演解释提供保障。同时，与目前已有的矿用瞬变电磁仪器相比，本装置采用软件内部消除矿井、隧道中金属支架和导轨等金属制品的干扰，可有效的提高接收信号的信噪比，解决了全空间瞬变电磁探测数据不准确的难题。目前还没有一台矿用瞬变电磁仪器通过这种方法消除矿井、隧道中金属支架和导轨等金属制品的干扰，提高全空间瞬变电磁反演精确度，本发明将在矿井隧道内的瞬变电磁探测中具有非常广泛的应用前景。

CN202631752U公开了一种“矿井瞬变电磁仪”，采用WINCE操作系统，在数据采集完成后，直接在井下进行数据处理和成图，实时绘制地质分析图，直观地确定出富水区域的赋存深度及位置，该装置虽然功能多，实时性、连续性强的优点，但是发射电压过大，没有放电保护电路，在矿井中危险性极大。

CN103603650A公开了一种“一种瞬变电磁测井仪器”，该仪器所配套的电磁探头系统由一个带磁芯的发射线圈和多个接收线圈组成，用非接触式方法实现了地下视电阻率的有效测量，该装置虽然通过线圈内置铁芯实现了大功率瞬变激发，提高了瞬变电磁场的激发强度，但是没有采取有效措施减小关断时间，使得早期数据不准确，影响了最终地下视电阻率的解释。

CN103091719A公开了一种“一种瞬变电磁井下探测仪”，该仪器的发射机设有隔爆腔和接线腔两个腔体，电源和发射板置于隔爆腔内，将外界易爆环境和大电流的发射装置隔离开来，以保证使用安全，该装置虽然增大了发射电流，且用隔爆腔保证安全，大大提高勘探效率，但是没有采取有效措施消除矿井、隧道中金属支架和导轨等金属制品的干扰，影响了最终地下视电阻率的解释。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于偶极-偶极方式的地下全空间瞬变电磁探测仪；

本发明的目的另一目的是提供一种基于偶极-偶极方式的全空间瞬变电磁探测的探测方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

地下全空间瞬变电磁探测仪，是由计算机1经信号采集卡4和信号调理电路9与接收线圈13连接，12V电池10经放电保护电路6、发射逻辑及控制模块2和MCU3与信号采集卡4连接，放电保护电路6经低电压限流电路7和光耦8与信号调理电路9连接，能量快速消耗电路12经发射线圈11和低电压限流电路7与发射逻辑及控制模块2连接，计算机1经MCU3分别连接E²PROM5、光耦8和信号调理电路9构成。

发射逻辑及控制模块2是由CPLD14经H桥驱动电路15和CMOS桥路16与双向二极管17连接构成。

信号调理电路9是由高压继电器18经保护二极管19、TEM前置放大器20、带通滤波器23和TEM放大器22与程控增益放大器21连接构成。

地下全空间瞬变电磁探测仪的探测方法，包括以下步骤：

a、将探测仪器放置在待测区域，把发射线圈11和接收线圈13分别放置在探测区域平行面上，收发距2m，发射线圈11和接收线圈13均为正方形多匝回线且接收线圈13与发射线圈11平行放置；

b、将发射线圈11连接到发射机，将接收线圈13连接到接收机，接收机再通过网线与计算机1相连，MCU3通过串口转USB口线与计算机1相连；

c、计算机1对仪器各部分进行检测，各部分都正常后打开设置面板对接收系统的信号调理电路9配置放大器参数，再向发射逻辑及控制模块2发出指令，控制产生发射信号；

d、接收线圈13接收到感应二次场后由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4，再传给计算机1和MCU3；

e、应用探测的数据、地下全空间核函数及晚期公式计算地下视电阻率，上位机将探测得到的数据进行反演，得到视电阻率，用已知巷道内金属支架和导轨的铺设位置修正反演结果，通过修正后的反演结果绘制该位置上下空间的视电阻率随深度的变化曲线；

f、改变线圈与探测面的夹角，每次增加两线圈的收发距2m，改变线圈收发距5次，每次顺时针转动线圈与探测面的夹角15度，转动线圈6次，每次改变都重复d-e步骤，探测得到30组不同方位的视电阻率水文地质信息，建立地下三维视电阻率模型，用插值法得出全部视电阻率值；

h、将30组反演得到的结果进行对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率二维图和三维图，判断巷道附近的潜在危害及异常地质体。

有益效果：本发明采用偶极-偶极方式进行探测，不仅减小了装置的大小，还可以通过调节两线圈的收发距和夹角，多次测量来提高探测的精确度。通过能量快速消耗电路和软件计算补偿法减少关断时间，可以有效的提高接收线圈所采集到的早期信号的精确度，采用光耦隔离发射电路和接收电路，为更准确的进行数据反演解释提供保障。同时，本发明采用软件内部消除矿井、隧道中金属支架和导轨等金属制品的干扰，可有效的提高接收信号的信噪比，解决了全空间瞬变电磁探测数据不准确的难题，将在矿井隧道内的瞬变电磁探测中具有非常广泛的应用前景。

附图说明：

图1为一种基于偶极-偶极方式的地下全空间瞬变电磁探测仪器结构框图；

图2为发射逻辑及控制模块2结构框图；

图3为信号调理电路9结构框图；

图4测线视电阻率断面图

图5测区视电阻率三维图

1计算机，2发射逻辑及控制模块，3MCU，4信号采集卡，5E2PROM，6放电保护电路，7低电压限流电路，8光耦，9信号调理电路，1012V电池，11发射线圈，12能量快速消耗电路，13接收线圈，14CPLD，15H桥驱动电路,16CMOS桥路，17双向二极管，18高压继电器，19保护二极管，20TEM前置放大器，21程控增益放大器，22TEM放大器，23带通滤波器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

地下全空间瞬变电磁探测仪，是由计算机1经信号采集卡4、和信号调理电路9与接收线圈13连接，12V电池10经放电保护电路6、发射逻辑及控制模块2和MCU3与信号采集卡4连接，放电保护电路6经低电压限流电路7和光耦8与信号调理电路9连接，能量快速消耗电路12经发射线圈11和低电压限流电路7与发射逻辑及控制模块2连接，计算机1经MCU3分别连接E²PROM5、光耦83和信号调理电路9构成。

发射逻辑及控制模块2是由CPLD14经H桥驱动电路15和CMOS桥路16与双向二极管17连接构成。

信号调理电路9是由高压继电器18经保护二极管19、TEM前置放大器20、带通滤波器23和TEM放大器22与程控增益放大器21连接构成。

地下全空间瞬变电磁探测仪的工作方法，是一种采用偶极-偶极方式在某地下隧道内，实验操作空间有限的条件下，精确探测探测区视电阻率分布的方法，用发射线圈11向地下发射双极性脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，用接收线圈13观测二次感应场随时间变化的衰减特性，通过软件对矿井、隧道中金属支架和导轨等金属制品的干扰进行有效滤除，从而探测该区域的视电阻率分布情况。

地下全空间瞬变电磁探测仪的探测方法，包括以下步骤：

a、将探测仪器放置在待测区域，把发射线圈11和接收线圈13分别放置在探测区域平行面上，收发距2m，发射线圈11和接收线圈13均为正方形多匝回线且接收线圈13与发射线圈11平行放置；

b、将发射线圈11连接到发射机，将接收线圈13连接到接收机，接收机再通过网线与计算机1相连，MCU3通过串口转USB口线与计算机1相连；

c、计算机1对仪器各部分进行检测，各部分都正常后打开设置面板对接收系统的信号调理电路9配置放大器参数，再向发射逻辑及控制模块2发出指令，控制产生发射信号；

d、接收线圈13接收到感应二次场后由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4，再传给计算机1和MCU3；

e、应用探测的数据、地下全空间核函数及晚期公式计算地下视电阻率，上位机将探测得到的数据进行反演，得到视电阻率，用已知巷道内金属支架和导轨的铺设位置修正反演结果，通过修正后的反演结果绘制该位置上下空间的视电阻率随深度的变化曲线；

f、改变线圈与探测面的夹角，每次增加两线圈的收发距2m，改变线圈收发距5次，每次顺时针转动线圈与探测面的夹角15度，转动线圈6次，每次改变都重复d-e步骤，探测得到30组不同方位的视电阻率水文地质信息，建立地下三维视电阻率模型，用插值法得出全部视电阻率值；

h、将30组反演得到的结果进行对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率二维图和三维图，判断巷道附近的潜在危害及异常地质体。

如图1所示，计算机1通过USB转485线与MCU3连接，计算机1用于操作仪器开始、显示、发射、控制、数据存储、数据处理和视电阻率成像；MCU3根据计算机1的命令将发射信号的参数传给发射逻辑及控制模块2、控制信号采集卡4采集信号、设置信号调理电路9的参数、控制光耦8以及将数据传给E²PROM5；发射线圈11根据发射逻辑及控制模块2的指令产生双极性方波，由放电保护电路6和低电压限流电路7保护仪器，确保发射的正常进行，能量快速消耗电路12使得关断时间减小，确保早期信号的采集；接收线圈13用于采集地下感应二次场信号；信号调理电路9把接收线圈13接收到的信号进行放大整形滤波等传递给信号采集卡4；信号采集卡4接收来自信号调理电路9的信号，对信号进行采集预处理后传输给计算机1并显示；发射逻辑及控制模块2根据MCU3的指令和计算机1设置的参数确定在何时发射，发射信号的频率及占空比是多少；E²PROM5用来存储数据，以便将来使用；光耦8用来隔离发射电路和接收电路，以免干扰。

计算机1与信号采集卡4通过网线连接，MCU3与信号采集卡4通过同步信号线连接，信号采集卡4通过信号传输线与信号调理电路9连接，信号调理电路9与接收线圈13连接，信号调理电路9与MCU3连接配置放大器参数，计算机1与发射逻辑及控制模块2连接，MCU3与发射逻辑及控制模块2连接，发射逻辑及控制模块2与放电保护电路6连接，发射逻辑及控制模块2与低电压限流电路7连接，低电压限流电路7与发射线圈11连接，发射线圈11与能量快速消耗电路12连接，12V电池10与放电保护电路6连接。

如图2所示，发射逻辑及控制模块2包括CPLD14、H桥驱动电路15、CMOS桥路16和双向二极管17，MCU3连接CPLD14，CPLD14连接H桥驱动电路15，H桥驱动电路15连接CMOS桥路16，CMOS桥路16连接双向二极管17，双向二极管17连接低电压限流电路7，低电压限流电路7连接发射线圈11，发射线圈11另一端与能量快速消耗电路12连接。

如图3所示，信号调理电路9包括高压继电器18、保护二极管19、TEM前置放大器20、带通滤波器23、TEM放大器22、程控增益放大器21。接收线圈13连接高压继电器18，高压继电器18连接保护二极管19，保护二极管19连接TEM前置放大器20，前置放大器20连接带通滤波器23，带通滤波器23连接TEM放大器22，TEM放大器22连接程控增益放大器21，程控增益放大器21连接信号采集卡4。

实施例1

地下全空间瞬变电磁探测仪的工作方法是一种在矿井巷道内、实验操作空间有限的条件下，精确探测探测区视电阻率分布的方法，该系统利用发射线圈11向地下发射双极性脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用接收线圈13观测二次感应场随时间变化的衰减特性，通过软件算法对矿井、隧道中金属支架和导轨等金属制品的干扰进行有效滤除消除，从而探测该区域的视电阻率分布情况。

计算机1通过USB转485线与MCU3连接，计算机1与信号采集卡4通过网线连接，MCU3与信号采集卡4通过同步信号线连接，信号采集卡4通过信号传输线与信号调理电路9连接，信号调理电路9与接收线圈13连接，信号调理电路9与MCU3连接配置放大器参数，计算机1与发射逻辑及控制模块2连接，MCU3与发射逻辑及控制模块2连接，发射逻辑及控制模块2与放电保护电路6连接，发射逻辑及控制模块2与低电压限流电路7连接，低电压限流电路7与发射线圈11连接，发射线圈11与能量快速消耗电路12连接，12V电池10与放电保护电路6连接。

发射逻辑及控制模块2包括CPLD14、H桥驱动电路15、CMOS桥路16和双向二极管17。MCU3连接CPLD14，CPLD14连接H桥驱动电路15，H桥驱动电路15连接CMOS桥路16，CMOS桥路16连接双向二极管17，双向二极管17连接低电压限流电路7，低电压限流电路7连接发射线圈11，发射线圈11另一端与能量快速消耗电路12连接。

信号调理电路9包括高压继电器18、保护二极管19、TEM前置放大器20、带通滤波器23、TEM放大器22、程控增益放大器21。接收线圈13连接高压继电器18，高压继电器18连接保护二极管19，保护二极管19连接TEM前置放大器20，前置放大器20连接带通滤波器23，带通滤波器23连接TEM放大器22，TEM放大器22连接程控增益放大器21，程控增益放大器21连接信号采集卡4。

地下全空间瞬变电磁探测仪器及工作方法，按以下步骤工作：

a、将探测仪器放置在待测区域，将正方形多匝回线发射线圈11和正方形多匝回线接收线圈13分别平行放置在探测区域平行面上，收发距2m；

b、将发射线圈11连接到发射机，将接收线圈13连接到接收机，接收机再通过网线与计算机1相连，MCU3通过串口转USB口线与计算机1相连。

c、计算机1对仪器各部分进行检测，各部分都正常后打开设置面板对接收系统的信号调理电路9配置放大器参数，再向发射逻辑及控制模块2发出指令，控制产生发射信号；

d、接收线圈13接收到感应二次场后由信号调理电路9预处理后传给信号采集卡4，再传给计算机1和E²PROM5。

e、应用探测的数据、地下全空间核函数及晚期公式计算地下视电阻率，上位机将探测得到的数据进行反演，得到视电阻率，用已知巷道内金属支架和导轨的铺设位置修正反演结果，排除巷道内金属支架和导轨等金属制品的影响，并进行时深转换和解释，绘制该位置上下空间视电阻率随深度变化的断面图。

偶极-偶极方式核函数为 $F_d\left(u\right)=\frac{1}{u^2}[9\mathrm{erf}\left(u\right)-\frac{2u}{\sqrt{\mathrm{\π}}}(9+{6u}^2+{4u}^4)e^{{-u}^2}]---\left(1\right)$

核函数的解与视电阻率的关系为 $\mathrm{\ρ}\left(t_i\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^2}{4t_i{u}^2}---\left(2\right)$

早晚期视电阻率计算公式为

时深转换公式为 $D=\sqrt{\frac{2t}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

其中，erf(u)为误差函数，μ₀＝4π×10^-7，m_T＝nIS为发射磁矩，n为发射线圈匝数，I为发射电流，S为发射线圈面积，A_r为接收线圈面积，ε为感应电动势，r为收发距，ρ为全空间视电阻率，D为深度；

f、保持两线圈面平行，改变线圈与探测面的夹角，每次增加两线圈的收发距2m，改变线圈收发距5次，每次同向转动线圈与探测面的夹角15度，转动线圈6次，每次改变都重复d-e步骤，探测得到30组不同方位的视电阻率水文地质信息，建立地下三维视电阻率模型，用插值法得出全部视电阻率值；

g、将30组反演得到的结果进行对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率二维图和三维图，判断巷道附近的潜在危害及异常地质体。如图4和图5所示。

Claims (4)

1.一种地下全空间瞬变电磁探测仪，其特征在于，是由计算机(1)经信号采集卡(4)和信号调理电路(9)与接收线圈(13)连接，12V电池(10)经放电保护电路(6)、发射逻辑及控制模块(2)和MCU(3)与信号采集卡(4)连接，放电保护电路(6)经低电压限流电路(7)和光耦(8)与信号调理电路(9)连接，能量快速消耗电路(12)经发射线圈(11)和低电压限流电路(7)与发射逻辑及控制模块(2)连接，计算机(1)经MCU(3)分别连接E²PROM(5)、光耦(8)和信号调理电路(9)构成。

2.按照权利要求1所述的地下全空间瞬变电磁探测仪，其特征在于，发射逻辑及控制模块(2)是由CPLD(14)经H桥驱动电路(15)和CMOS桥路(16)与双向二极管(17)连接构成。

3.按照权利要求1所述的地下全空间瞬变电磁探测仪，其特征在于，信号调理电路(9)是由高压继电器(18)经保护二极管(19)、TEM前置放大器(20)、带通滤波器(23)和TEM放大器(22)与程控增益放大器(21)连接构成。

4.一种地下全空间瞬变电磁探测仪的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将探测仪器放置在待测区域，把发射线圈(11)和接收线圈(13)分别放置在探测区域平行面上，收发距2m—10m，发射线圈(11)和接收线圈(13)均为正方形多匝回线且接收线圈(13)与发射线圈(11)平行放置；

b、将发射线圈(11)连接到发射机，将接收线圈(13)连接到接收机，接收机再通过网线与计算机(1)相连，MCU(3)通过串口转USB口线与计算机(1)相连；

c、计算机(1)对仪器各部分进行检测，各部分都正常后打开设置面板对接收系统的信号调理电路(9)配置放大器参数，再向发射逻辑及控制模块(2)发出指令，控制产生发射信号；

d、接收线圈(13)接收到感应二次场后由信号调理电路(9)预处理后传给信号采集卡(4)，再传给计算机(1)和MCU(3)；

e、应用探测的数据、地下全空间核函数及晚期公式计算地下视电阻率，上位机将探测得到的数据进行反演，得到视电阻率，用已知巷道内金属支架和导轨的铺设位置修正反演结果，通过修正后的反演结果绘制该位置上下空间的视电阻率随深度的变化曲线；

f、保持两线圈面平行，改变线圈与探测面的夹角，每次增加两线圈的收发距2m，改变线圈收发距5次，每次同向转动线圈与探测面的夹角15度，转动线圈6次，每次改变都重复d-e步骤，探测得到30组不同方位的视电阻率水文地质信息，建立地下三维视电阻率模型，用插值法得出全部视电阻率值；

g、将30组反演得到的结果进行对比修正，在上位机界面中绘制视电阻率二维图和三维图，判断巷道附近的潜在危害及异常地质体。