CN107065019A - 应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，由发射部分，接收部分，采集装置，处理系统组成，发射部分和接收部分之间进行GPS授时同步，处理系统安装在电子设备中；采集装置呈矩形体，设有中心板，板上设有传感器，中心板向外有四个延长支架，末端均设有辅助支架，外部缠绕有多匝发射线圈，可在现场利用电子设备实时成像、进行简单实时处理、反馈施工质量信息，且穿透和分辨低阻覆盖能力强，无高阻屏蔽现象，可以有效的对道路上的空洞或者松软地层进行勘探，减少来自外界的天电和人文电磁场的干扰，并且有效的消除发射及接收线圈之间的电磁耦合效应，且设备小、重量轻，更适合于在城市及高速路上使用。
Description
技术领域
本发明涉及地矿勘察设备技术领域，具体是一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法。
背景技术
我国的地矿勘察工作信息化概念是20世纪80年代中期提出来的，地质矿产部曾作为全国性工程加以推动。自从国外提出“数字地球”(Core，1998)以来，我国的地矿勘察工作信息化工程便因被纳入“数字中国”(徐冠华等，1999)和“数字国土”(张洪涛，2001)工程而加速进行了，但至今没有明确的定义。
地矿勘察工作信息化不是地质信息技术的简单应用，而是涉及更为深刻的领域。根据国内外地矿工作领域信息技术的应用状况及其所带来的影响，地矿勘察工作信息化是指：采用信息系统对传统的地矿勘察工作主流程进行充分改造，实现了全程计算机辅助化，数据在各道工序问流转顺畅、充分共享。
时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)或称瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)，都缩写为TEM，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它利用不接地回线(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(通常称为一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(通常称为二次场)。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场(或称响应场)，通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。显然，所研究的是响应场与时间的关系，故称之为时间域电磁法。根据它的衰减特征，主要用于研究浅层至中深层的地电结构，可以分析判断地下地质体的电性、规模、产状等。
纳米瞬变电磁法原理上与瞬变电磁法原理一样，只是由于具有发射快速关断功能，而可以探测从0-100米的地下地质体。且具有仪器轻便，便于携带，施工方便的特点。
目前现有的技术中，针对道路灾害和塌陷的检测，手段都比较简易，主要存在的问题 集中在工作过于艰苦和工作的危险，通常需要需要野外地质人员的人力查勘和频频犯险，现有工作方法是直接在路面打钻，然后根据打钻资料来判断路面下是否有空洞或者松软土层，工作效率较低，而目前现有技术中通常采用的比较好的技术，如频谱电磁法及直流电法，穿透和分辨低阻覆盖能力非常有限，且经常产生高阻屏蔽现象，不能有效的对道路上的空洞或者松软地层进行勘探。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题，使用地球物理方法中的电磁法原理，来对路面进行无损检测，然后根据检测结果，在确定的地方再打钻，有效的提高了打钻的准确度和工作效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，由发射部分，接收部分，采集装置，处理系统四大部分组成，其中发射部分和接收部分之间进行GPS授时同步，处理系统用于数据预处理和数据解析两部分，安装在电脑端、平板电脑和或手机电子设备中；
采集装置的整体呈矩形体，中心设置有中心板，中心板为矩形且水平放置，中心板上设有两个三分量磁通门传感器，且两个传感器的方向一致，两个传感器分别到多匝发射线圈中部的距离相等，中心板的四个直角向外放射的设有四个延长支架，每个延长支架末端均设有一个垂直的无磁辅助支架，辅助支架外部缠绕有多匝发射线圈。
作为上述技术方案的优选，所述发射部分和接收部分之间还通过稳流源模块相连，其中，发射部分为ADC数据采集模块，设有CPLD、DSP、USB控制器、存储RAM和电源模块；接收部分为信号处理模块，其CPU分别与GPS、显示屏、FPGA模块相连，FPGA模块的接口分别连接至稳流源模块的驱动电路和发射部分的接口。
作为本发明进一步的方案：当装置应用于垂直梯度采集信息时，所述中心板的中心沿垂直方向设有两个三分量磁通门传感器，且两个三分量磁通门传感器的距离大于等于50cm，方向一致；当装置应用于水平梯度采集信息时，所述中心板上水平放置两个三分量磁通门传感器，且两个三分量磁通门传感器的距离大于等于50cm，方向一致。
作为上述技术方案的优选，所述发射线圈，工作时可通过电流1A-20A；频率可调范围为0.25Hz-256Hz，占空比为50％，匝数10-20匝，线圈构成的矩形框架整体大小为1米*1米到5米*5米范围。
作为上述技术方案的优选，所述无磁辅助支架上设有为固定线圈的凹槽，且底部安装有滑轮，且无磁辅助支架的材质为PC、PVC或木质。
作为本发明再进一步的方案：所述用于数据预处理和数据解析两部分的处理系统的具体使用步骤为：
Q1：接收部分和发射部分之间采用GPS授时同步或线同步两种方式，发射部分根据时间域电磁法，对需探测地表发射出信号，由接收部分接收信号；
Q2：接收部分同时采集x，y，z三个方向上的数据，进行三维数据采集；
Q3：处理系统接收来自接收部分的数据，作为原始数据；
Q4：处理系统对原始数据进行去噪后根据时间域电磁法进行定性解释，绘制测道图、曲线类型图，进行时频分析；
Q5：通过对地形数据的初步矫正，对Q4步骤的数据进行半定量解释，测算全域电阻率和博斯蒂克反馈；
Q6：通过比值法或空间滤波法对地形数据进行进一步矫正，对Q5步骤的数据进行定量解释，采用广义拟矩阵进行一维空间的反馈，采用基于FDTD的二维反演，进行时-频密度的二维空间反馈；
Q7：对所有数据进行综合，产生视电阻率的深度剖面图、视电阻率异常平面图。
作为本发明进一步的方案：所述Q2步骤对三维数据采集，具体为：接收部分为磁通门传感器时，进行水平梯度和垂直梯度的磁信号采集；接收部分为感应线圈时，可进行水平梯度和垂直梯度的感性电动势采集。
与现有技术相比，本发明在野外工作时就可以实时成像；在现场利用平板电脑等电 子设备对采集的资料进行简单实时处理，可以实时的反馈施工质量信息，以便为后续室内资料处理打下良好的基础；相对于传统的频谱电磁法及直流电法，本发明实施例的穿透和分辨低阻覆盖能力强，无高阻屏蔽现象，可以有效的对道路上的空洞或者松软地层进行勘探，进行三分量的梯度采集，有效减少了来自外界的天电和人文电磁场的干扰，并且有效的消除了发射及接收线圈之间的电磁耦合效应，有效提高了数据在横向及纵向上的勘探分辨率；使用了高精度的磁通门传感器直接测量磁场信号，在早期通道的响应上效果更好，对于浅部勘探的效果提高有很大好处，且使设备的装置变小，重量也更加轻便，更加适合于在城市及高速路上使用。
附图说明
图1为一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置的水平梯度采集信号时的采集装置的结构示意图。
图2为一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置的垂直梯度采集信号时的采集装置的结构示意图。
图3为一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置的发射部分和接收部分的电路结构示意图。
图4为一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置的处理系统的步骤流程示意图。
图5为一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置的处理系统的测量典型剖面的一段地质解释示意图。
图6为一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置的处理系统的测量典型剖面的另一段地质解释图示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
某某高速公路K1033+300～K1136+700段有多处属高填路段。据养护单位反映，自2012年通车以来，该段路基多处出现沉降变形现象，多次采取补救措施，但至今变形仍未见明显好转。
请参阅图1-4，为查明该段路基沉降影响范围内是否存在空洞，申请人利用本发明实施例1所提供的技术，对该段路基进行了地球物理勘查。
如图1，2所示，采集装置的整体呈矩形体，中心设置有中心板1，中心板为矩形且水平放置，中心板上设有两个三分量磁通门传感器，且两个传感器的方向一致，两个传感器分别到多匝发射线圈2中部的距离相等，中心板的四个直角向外放射的设有四个延长支架3，每个延长支架3末端均设有一个垂直的无磁辅助支架31，辅助支架31外部缠绕有多匝发射线圈2。
如图1所示，当装置应用于水平梯度采集信息时，所述中心板1上水平放置两个三分量磁通门传感器41，且两个三分量磁通门传感器41的距离大于等于50cm，方向一致。如图2所示，当装置应用于垂直梯度采集信息时，所述中心板1的中心沿垂直方向设有两个三分量磁通门传感器42，且两个三分量磁通门传感器42的距离大于等于50cm，方向一致。
如图3所示，发射部分和接收部分之间还通过稳流源模块相连，其中，发射部分为ADC数据采集模块，设有CPLD、DSP、USB控制器、存储RAM和电源模块；接收部分为信号处理模块，其CPU分别与GPS、显示屏、FPGA模块相连，FPGA模块的接口分别连接至稳流源模块的驱动电路和发射部分的接口。
勘察区位于黄土丘陵区，沟梁相间。
路基填土以下岩性主要为第四系中更新统粉质粘土，硬塑～坚硬，沟底分布有第四系全新统冲洪积粉土。根据钻孔资料，钻探深度范围内未见地下水，但雨季期间，地表水沿地面裂缝、冲坑等下渗，侵泡冲蚀路基，降低路基强度，影响路基稳定。
完成情况
项目组共有技术人员4人，配有一辆越野车，本发明实施例所建一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置一套。截至野外施工结束，共完成纳米瞬变电磁法剖面108条，总长度4680m，物理点2446个，测线完成情况见下表：勘探工作量统计表
测线命名原则：测线编号由6位阿拉伯数字组成，前四位代表测线所在公里数；第五位代表百米数；第六位代表所在车道(1-6分别表示下行应急车道、下行行车道、下行超车道、上行超车道、上行行车道、上行应急车道)。如103335线代表的是K1033+300米处，上行行车道；104492线代表K1044+900米处，下行行车道。
主要技术指标
本次工作的各项操作严格按下列规范和《某某高速公路K1033+300～K1136+700段路基病害物探勘查设计》标准执行。
《地面瞬变电磁法技术规程》 (DZ/T 0187-1997)
《公路工程地质勘察规范》 (JTG C20—2011)
方法选择
根据前期地形地貌和地质资料，结合溶(空)洞探查经验，本次工作拟采用纳米瞬变电磁勘探方法，即使用较高的工作频率，本次使用8.33赫兹，取样时间窗口分别为毫秒(ms)＝0.087,0.109,0.135,0.167,0.208,0.258,0.320,0.398,0.494,0.613,0.761,0.945, 1.173,1.456,1.808,2.244,2.786,3.459,4.294,5.331,6.618,8.217,10.201,12.664,15.722,19.519。
本次综合物探工作瞬变电磁法野外数据采集发射使用1m×1m的多匝方形发送回线、接收采用采用1m×1m线框，具体的测量参数根据前期普查工作情况确定。
资料处理总体流程
处理流程见图4。为了确保施工质量与工期进度，我们可在现场利用微机对采集的资料进行简单实时处理，或将采集的数据传回单位进行实时处理，并及时反馈施工质量信息，发现问题及时补救，以便为后续室内资料处理打下良好的基础。
1、数据预处理
TEM的数据处理过程，第一步，把不同时间和不同日期采集的同一测线数据汇集到一起编辑成单个文件。第二步，浏览数据和删除掉错误数据块。
2、数据处理
第一步，将仪器记录的和输出原始RAW数据转换成DAT数据文件。第二步，将新生成的数据进行滤波处理，在处理过程需要进行发射后延(延迟时间)改正。第三步，将滤波数据转换成数据反演过程需要的文件，包括修正或植入各项装置参数等。
资料解析方法
一、人工解释与计算机解释相结合
以人工解释为基础、计算机人机联作解释为工具，由粗到细逐步进行。人工解释通过对主干剖面的解释，确定所对应的地质层位，勾绘地层总体赋存形态以及构造格局，为后期人机联作精细解释打下基础；而人机操作交互解释系统对于电法资料的解释具有特殊的优越性，是精细解释必不可少的工具。它能充分地利用人机界面对数据体进行精细解释，具有保持追踪和彩显功能，从而大大提高对各种地质现象的分辨率。
数据反演和数据解析
A、数据反演使用SW-ICTEMDI多算法数据反演软件包的多层解析程序进行反演；
B、反演结果使用Surfer或AutoCAD绘制电阻率剖面；
C、根据电阻率异常特征，结合地质资料进行地质解析；
D、根据地质解析圈定的采空区和富水程度勾绘采空区平面分布图和采空区富水程度图；
E、使用全区所有测线全部测点相同深度的电阻率值及其点位坐标进行网格绘制电阻率等值线平面图。
二、垂直剖面与水平切面解释相结合
视电阻率—深度剖面图是基础，视电阻率异常平面图作为剖面图的结果。两者应相互验证、相互一致。
三、电性解释与综合地质分析相结合
在本发明实施例的电法资料解释的基础上，对生产中所获取的钻探、巷探揭露的各种地质资料信息，采用多种方法(如数理统计、地质统计、数学模拟等)进行综合、集成分析和处理，结合解释成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，并通过建立特定的数学地质模型，反过来对瞬变电磁勘探成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的电磁勘探结果，以提高成果的精度和可靠性。
测量典型剖面推断解释成果
如图5所示，附图5为K1045+700段地质解释图，由图可知，K1045+700路段，从测线起点到778点，电阻率普遍较低，推断此处为松软土层，松软图层向大号点有变薄现象。104575线的780点到783点-5米处、790点到794点-5米处出现局部圆形高阻，解释为地下空洞引起。104576线的780点到785点-5米处、790点到794点-5米处出现局部圆形高阻，解释为地下空洞引起。
如图6所示，附图6为K1081+100段地质解释图，由图可知，108112线除175点至195点槽形区域地表低阻较深外，其他地段表层低电阻深度一般在3米左右，推断为松软地层，在167点及199点出现高阻闭合异常，推断为空洞引起。108113线在175点至190点出现槽形低阻区，深度-8米，推断-8米以浅为松软地层，其他地段浅部低阻厚度一般 在-3米左右，推断低阻为松软地层。108113线在164点、170点及222点附近出现明显高阻异常，推断为地下空洞引起。
结论
通过某某高速公路K1033+300～K1136+700段部分地段的路基进行的电磁法勘探的实际结果说明，本发明实施例在高速公路路基检测中能起到较好的作用。它不仅可以获得路基结构、覆土厚度、土质，也可提供土中大小不一的空洞存在的部位和基岩起伏等信息，为指导道路灾害治理提供依据。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，装置由发射部分，接收部分，采集装置，处理系统四大部分组成，其中发射部分和接收部分之间进行GPS授时同步，处理系统用于数据预处理和数据解析两部分，安装在电脑端、平板电脑和或手机电子设备中；
采集装置的整体呈矩形体，中心设置有中心板，中心板为矩形且水平放置，中心板上设有两个三分量磁通门传感器，且两个传感器的方向一致，两个传感器分别到多匝发射线圈中部的距离相等，中心板的四个直角向外放射的设有四个延长支架，每个延长支架末端均设有一个垂直的无磁辅助支架，辅助支架外部缠绕有多匝发射线圈。
2.根据权利要求1所述的一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，所述发射部分和接收部分之间还通过稳流源模块相连，其中，发射部分为ADC数据采集模块，设有CPLD、DSP、USB控制器、存储RAM和电源模块；接收部分为信号处理模块，其CPU分别与GPS、显示屏、FPGA模块相连，FPGA模块的接口分别连接至稳流源模块的驱动电路和发射部分的接口。
3.根据权利要求1所述的一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，当装置应用于垂直梯度采集信息时，所述中心板的中心沿垂直方向设有两个三分量磁通门传感器，且两个三分量磁通门传感器的距离大于等于50cm，方向一致；当装置应用于水平梯度采集信息时，所述中心板上水平放置两个三分量磁通门传感器，且两个三分量磁通门传感器的距离大于等于50cm，方向一致。
4.根据权利要求1所述的一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，所述发射线圈，工作时可通过电流1A-20A；频率可调范围为0.25Hz-256Hz，占空比为50％，匝数10-20匝，线圈构成的矩形框架整体大小为1米*1米到5米*5米范围。
5.根据权利要求1所述的一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，所述无磁辅助支架上设有为固定线圈的凹槽，且底部安装有滑轮，且无磁辅助支架的材质为PC、PVC或木质。
6.根据权利要求1所述的一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，所述用于数据预处理和数据解析两部分的处理系统的具体使用步骤为：
Q1：接收部分和发射部分之间采用GPS授时同步或线同步两种方式，发射部分根据时间域电磁法，对需探测地表发射出信号，由接收部分接收信号；
Q2：接收部分同时采集x，y，z三个方向上的数据，进行三维数据采集；
Q3：处理系统接收来自接收部分的数据，作为原始数据；
Q4：处理系统对原始数据进行去噪后根据时间域电磁法进行定性解释，绘制测道图、曲线类型图，进行时频分析；
Q5：通过对地形数据的初步矫正，对Q4步骤的数据进行半定量解释，测算全域电阻率和博斯蒂克反馈；
Q6：通过比值法或空间滤波法对地形数据进行进一步矫正，对Q5步骤的数据进行定量解释，采用广义拟矩阵进行一维空间的反馈，采用基于FDTD的二维反演，进行时-频密度的二维空间反馈；
Q7：对所有数据进行综合，产生视电阻率的深度剖面图、视电阻率异常平面图。
7.根据权利要求6所述的一种应用于道路灾害和塌陷检测的三维电磁成像装置及使用方法，其特征在于，所述Q2步骤对三维数据采集，具体为：接收部分为磁通门传感器时，进行水平梯度和垂直梯度的磁信号采集；接收部分为感应线圈时，可进行水平梯度和垂直梯度的感性电动势采集。
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