CN104035137B - 地下全空间瞬变电磁探测仪及探测方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域：
[0001] 本发明设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：
[0002] 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，中屯、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。
[0003] 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 巧。，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该种情况下并不适用， 为了解决该一问题，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W 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 W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W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W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该种方法消除矿井、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。
[0004] 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。
[0005] 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 统由一个带磁巧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巧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。
[0006] 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，W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：
[0007] 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；
[000引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。
[0009] 本发明的目的是通过W下方式实现的：
[0010] 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和光禪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E 2PR0M5、光禪8和信号调理电路9构成。
[0011] 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。
[001引信号调理电路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。
[0013] 地下全空间瞬变电磁探测仪的探测方法，包括W下步骤：
[0014] 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均为正方形多应回线且接收线圈13与 发射线圈11平行放置；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] t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 ;
[0018] 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；
[0019] 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=维视电阻率模型，用插值法得出 全部视电阻率值；
[0020] K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=维图，判断巷道附近的潜在危害及异常地质体。
[0021] 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 W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W有效的提高接收线圈所采集到的早期信号的精确 度，采用光禪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：
[0022] 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；
[0023] 图2为发射逻辑及控制模块2结构框图；
[0024] 图3为信号调理电路9结构框图；
[0025] 图4测线视电阻率断面图
[0026] 图5测区视电阻率S维图
[0027] 1计算机，2发射逻辑及控制模块，3MCU，4信号采集卡，祀2PROM，6放电保护电路，7 低电压限流电路，8光禪，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，1甜桥驱动电路，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：
[002引下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：
[0029] 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和光禪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E 2PR0M5、光禪83和信号调理电路9构成。
[0030] 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。
[003U 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。
[0032] 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。
[0033] 地下全空间瞬变电磁探测仪的探测方法，包括W下步骤：
[0034] 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均为正方形多应回线且接收线圈13与 发射线圈11平行放置；
[0035] 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；
[0036] 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；
[0037] t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 ;
[003引 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；
[0039] 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=维视电阻率模型，用插值法得出 全部视电阻率值；
[0040] K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=维图，判断巷道附近的潜在危害及异常地质体。
[0041] 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、控制光禪8 W及将数据传给E2PR0M5 ;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；E中ROM5用来存储数据，W便将来使用； 光禪8用来隔离发射电路和接收电路，W免干扰。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 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。
[0045] 实施例1
[0046] 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。
[0047] 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。
[0048] 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。
[0049] 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。
[0化0] 地下全空间瞬变电磁探测仪器及工作方法，按W下步骤工作：
[0化1] a、将探测仪器放置在待测区域，将正方形多应回线发射线圈11和正方形多应回 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 ;
[0化2] 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。
[0053] 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；
[0化4] t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E2PR0M5。
[0化5] 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。
[0060] 其中，erf (u)为误差函数，y。= 4 31 X 10 niT= nis为发射磁矩，n为发射线圈 应数，I为发射电流，S为发射线圈面积，At为接收线圈面积，e为感应电动势，r为收发距， P为全空间视电阻率，D为深度；
[0061] 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=维视电阻率模 型，用插值法得出全部视电阻率值；
[0062] 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=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。
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