CN108227012A - 取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，包括用于向目标区域发送电磁波的发射导线，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度。本发明还涉及一种取得目标区域内设定深度的地底数据的方法。实施本发明的一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法，具有以下有益效果：其能够消除传统瞬变电磁固定装置单条曲线多解性、提高瞬变电磁探测效率和准确度。

Description

取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法

技术领域

本发明涉及地球物理探测设备，更具体地说，涉及一种管理监护设备及监护传感器的方法及装置。

背景技术

广泛的工程勘查需要既快速又行之有效的物探测深手段，“高密度电阻率法”、“探地雷达”、“浅层频域电磁法”等常规方法在接地条件差，施工场地受限等条件下使用受局限。瞬变电磁法也是地球物理勘探领域一种很重要的方法，该方法在发射导线中通入电流，向目标区域发射一次场，然后瞬间关断发射电流，在关断间隙以天线或接地电极观测目标区域介质感应出的二次涡流场，并根据该二次场信息获得目标区域介质的电性参数分布。该方法不受接地条件的影响，收发装置可以根据场地调节尺寸大小。传统瞬变电磁法通过观测分析二次磁场或磁场随时间导数的时间变化曲线实现测深。对于固定装置在固定测点上观测得单条测深曲线，数据解释通常存在多解性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能够在固定测点上观测得多条瞬变电磁测深曲线的半固定装置、并提供测试和分析方法、以消除传统瞬变电磁固定装置单条曲线多解性、提高瞬变电磁探测效率和准确度的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，包括用于向目标区域发送电磁波的发射导线，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置在一起形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度。

更进一步地，所述导线保持单元包括框架，所述框架具有设定形状和大小的、容纳或维持所述导线绕制在其上的绕线区域。

更进一步地，两个所述框架一个侧边分别通过中间件可旋转地连接在一起，使得每个所述框架设置在与所述中间件处于同一平面和垂直于所述中间件之间的任意角度。

更进一步地，所述中间件包括中轴或带有旋转机构的连接件。

更进一步地，所述发射导线在两个所述框架上绕制的线圈的导线材质、绕向和绕制圈数均相同。

更进一步地，发送电磁波时，所述两个框架相对于所述中轴线的垂线形成的角度相同，所述角度的范围包括0-90度，所述角度为0度时，所述两个框架在所述中轴线的垂线位置上重叠，所述角度为90度时，所述两个框架在同一平面内且平行于地面。

更进一步地，还包括用于在发送电磁波并对所述发射导线断电后用于接收所述电磁波在地面产生的二次涡流的接收天线，所述接收天线设置在一个所述线圈的边沿的正下方。

本发明还涉及一种取得目标区域内设定深度的地底数据的方法，于，包括如下步骤：

A)调节探测装置的发射导线中的线圈，使其形成设定角度；其中，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置在一起形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度；其中，所述发射导线在两个所述导线保持单元上绕制的线圈的导线材质、绕向和绕制圈数均相同

B)通过所述发射导线向目标区域发送由一个瞬时电流形成的瞬时电磁波；

C)接收所述瞬时电磁波形成的二次涡流并进行处理，得到设定深度的地底数据。

更进一步地，发送电磁波时，所述两个线圈相对于所述中轴线的垂线形成的角度相同，所述角度包括0-90度，所述角度为0度时，所述两个框架在所述中轴线的垂线位置上重叠，所述角度为90度时，所述两个框架在同一平面内且平行于地面。

更进一步地，还包括如下步骤：

D)调节所述导线保持单元对于所述垂线的角度，重复上述步骤A)-C)，分别取得多个或多批表示不同探测深度的地底数据；

E)对比并处理所述数据，得到指定深度范围内的地底数据。

实施本发明的一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法，具有以下有益效果：由于其发射导线设置在两个导线保持单元上，形成两个线圈，通过并联或串联后连接到发射回来中，得到发射导线；同时，上述两个导线保持单元对于其中轴线的垂线(实际上就是垂直与地面的一条垂直线)之间的夹角可以调节，经过上述角度调节后的两个构成发射导线的线圈投射到底面的场的角度也发生变化，从而使得其探测深度发生变化。多次调节后以不同的角度实施瞬变电磁法探测，得到不同深度的地底数据，对这些数据进行处理，就能够得到设定深度或设定深度段的地底数据。因此，其消除传统瞬变电磁固定装置单条曲线多解性、提高瞬变电磁探测效率和准确度。

附图说明

图1是本发明的一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法实施例中其装置的发射导线的结构示意图；

图2是所述实施例中发射导线的位置示意图；

图3是所述实施例中取得设定深度数据的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置及方法实施例中，构造一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，该装置包括用于向目标区域发送电磁波的发射导线，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联(在图1中给出了两个线圈串联的情况)而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置在一起形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线(即两个线圈的中心轴线)形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度。从本质上来讲，本实施例中该装置是瞬变电磁法探测装置的一种改进装置，其不同之处是发射导线的结构不一样，在本实施例中，将原先被视为一体的发射导线划分为两个部分，即两个线圈，同时，这两个线圈之间的角度可以调节(当调节一个线圈对于上述中心线的垂线的角度时，实际上也调节了两个线圈之间的夹角)，从而使得通过上述两个线圈发出的场的方向也被调节。而调节上述发射导线产生的场的方向，实际上就是改变了该产生的场进入地面的方向，从而带来了测量深度的变化。也就是说，在本实施例的上述结构中，对于实际的探测而言，其发射功率不变的情况下，可以通过实际检测和理论推导结合的方式得到上述两个线圈之间的角度和其探测深度之间的关系，从而能够得到在探测设定的深度时，上述两个线圈需要和上述中心线的垂线形成的夹角，于是可以将上述两个线圈调整到其角度上，通过发送电磁波得到该深度上的地底电阻率数据。多次调节不同的角度并发射电磁波，就能够得到不同探测深度的地底数据，比较并处理这些得到的数据，就能够得到设定深度或设定深度段的地底数据。例如，以20米为例，可以事先得到探测深度为5米、10米、15米、20米分别对应的角度，将上述两个线圈分别调整为已知的不同角度进行4次测量，可以分别得到上述探测距离分别为5米、10米、15米、20米分别对应地底数据，比较并处理上述数据，就能够得到需要的10米到15米之间的地底数据。具体来讲，在本实施例中，上述地底数据是设定深度上的电阻率分布数据。即在本实施例中能够得到目标区域的多深度电阻率分布数据，提高了探测的准确性和效率。例如，在上面的例子中，每次探测得到的数据是该探测深度上的电阻率数据。在探测深度是5米时，得到的是目标区域内0-5米的电阻率，在以不同颜色表示不同电阻率时，如果一个小区域内的电阻率与邻近区域不同，就会得到不同的色块，形象地表明该区域的不同，可能是埋在土里的物体，例如岩石，也可能是含有不同成分的土壤；如果探测深度是10米时，该区域的电阻率变得与邻近区域相同，则能够确认该物体或该成分仅仅存在于0-5米的深度，这样，就能够准确地表示地下的实际情况，且实现图像化显示。

此外，对应于需要探测的地底物体的不同方向，上述两个构成发射导线的线圈的连接方式是可以变换的，如果一个物体的形状接近水平(且需要进一步探测时)，可以选择将上述两个线圈串联以构成发射导线的方式；而如果物体的形状接近垂直(且需要进一步探测时)，则可以选择将两个线圈进行并联以构成发射导线的方式。

在本实施例中，所述导线保持单元包括框架，所述框架具有设定形状和大小的、容纳或维持所述导线绕制在其上的绕线区域。两个所述框架一个侧边分别通过中间件可旋转地连接在一起，使得每个所述框架设置在与所述中间件处于同一平面和垂直于所述中间件之间的任意角度。所述中间件包括中轴或带有旋转机构的连接件。换句话说，在本实施例中，上述两个线圈是绕制在其各自的框架上的，并且这两个框架是连接在一起以便于调节的。连接的方式至少包括两种，一种是分别连接在第三个部件，即中间件上，该中间件具有旋转机构，使得连接在其上的框架能够旋转，从而带动绕制在框架上的线圈旋转，调节该线圈与中心线的垂线之间的角度；而另一种连接方式，则通过中间件(例如，一个轴)利用框架上本身的结构，例如可以使该轴穿过的、设置在其边沿的孔等，将两个框架可旋转地连接在一起，这样也可以实现各个框架与上述中心线的垂线之间的角度调整。

此外，在本实施例中，上述两个线圈的电参数是完全相同的，其对上述中心线的垂线形成的角度也是相同的。也就是说，上述两个线圈对于上述中心线的垂线来讲，是对称的。即所述发射导线在两个所述框架上绕制的线圈的导线材质、绕向和绕制圈数均相同。发送电磁波时，所述两个框架相对于所述中轴线的垂线形成的角度相同，所述角度的范围包括0-90度，所述角度为0度时，所述两个框架在所述中轴线的垂线位置上重叠，所述角度为90度时，所述两个框架在同一平面内且平行于地面。

此外，在本实施例中，该装置还包括用于在发送电磁波并对所述发射导线断电后用于接收所述电磁波在地面产生的二次涡流的接收天线，所述接收天线设置在一个所述线圈的边沿的正下方。请参见图2中的接收点3。在图2中，给出了一种情况下上述线圈或框架的位置关系。图2中，1是框架或线圈，2是中心线的垂线，3是接收点或接收天线的设置位置，4是地面或平行于地面的平面，r是线圈在水平方向上的尺寸，α是线圈是上述垂线的夹角。

在本实施例中，当目标体的形状接近水平，采用该垂直激励组合。发射天线双框线圈串联，双框线圈的尺寸大小、导线类型、绕线方式和匝数均相同，发射线圈大小为1×1m,10匝。当发射机向发射天线接入电流时，发射天线左右两框都产生一次场，由于它们是串联在发射回路中，电流变化同步受到发射机的控制，通过左右两框电流方向相同，中心线上其合成场沿垂直方向。通过改变发射双框间夹角α可以控制一次场分布深度，即改变探测深度。通过取α为不同角度情况下的磁场矢量图，可见随改变双框夹角α，改变了激励场的分布；强度随α角的减小而减弱；但是，双框各自的场存在以与偶极轴的方向角θ＝54°44ˊ为界，一次场方向存在变向的问题。当α＝90°时，即发射双框水平置于地面时，一次垂向场变向轴线与水平面约成35°角，当α角改变时，一次垂向场变向轴线与水平面夹角也随之改变，发射关断后，根据法拉第电磁感应定律及Nabighian提出的瞬变电磁烟圈理论，地下感应电流等效环产生的垂向磁场变向轴与发射天线发射一次场垂向磁场变向轴是一致的。当地下感应等效电流环经过测点正下方时，垂向磁场将跨0，即由负变正。因此观测二次磁场Bz变号时间，即可以通过一系列计算得到对应深度的视电阻率值。

例如，在本实施例中可以采取分析方法如下：

已知参数：收发距r，发射双框与发射天线轴线夹角α，

观测参数：二次垂向磁场Bz变号时间t

间接参数：一次场变向轴与水平面夹角θ，由夹角α校正得到，校正系数k

与线圈几何尺寸相关：θ＝[35°-(90°-α)k]

计算参数：探测深度d，该深度视电阻率ρ

当地下感应等效电流环经过测点正下方时，有

根据以上公式可计算深度d和视电阻率ρ。

此外，在本实施例中，也可以观测磁场分量的时间导数。若观测的是磁场分量时间导数Bz’，其变号时间略延迟，将在时发生变号，τ为瞬变电磁扩散参数，表达式为：

根据

即可以计算深度d和视电阻率ρ。

此外，本发明还涉及一种取得目标区域内设定深度的地底数据的方法，请参见图3，该方法包括如下步骤：

步骤S11将构成发射导线的线圈调整为设定角度：在本步骤中，调节探测装置的发射导线中的线圈，使其形成设定角度；其中，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置在一起形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度；其中，所述发射导线在两个所述导线保持单元上绕制的线圈的导线材质、绕向和绕制圈数均相同。

步骤S12发射瞬时电磁波：在本步骤中，通过所述发射导线向目标区域发送由一个瞬时电流形成的瞬时电磁波。

步骤S13接收并处理数据：在本步骤中，接收所述瞬时电磁波形成的二次涡流并进行处理，得到设定深度的地底数据。

步骤S14采用不同的设定角度，重复上述步骤：在本步骤中，)调节所述导线保持单元对于所述垂线的角度，重复上述步骤，分别得到多个不同深度的探测数据。

步骤S15处理数据，得到设定深度的数据：在本步骤中，对比并处理所述数据，得到指定深度范围内的地底的探测数据。

其中，上述步骤中发送电磁波时，所述两个线圈相对于所述中轴线的垂线形成的角度相同，所述角度包括0-90度，所述角度为0度时，所述两个框架在所述中轴线的垂线位置上重叠，所述角度为90度时，所述两个框架在同一平面内且平行于地面。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，包括用于向目标区域发送电磁波的发射导线，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度。

2.根据权利要求1所述的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，所述导线保持单元包括框架，所述框架具有设定形状和大小的、容纳或维持所述导线绕制在其上的绕线区域。

3.根据权利要求2所述的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，两个所述框架一个侧边分别通过中间件可旋转地连接在一起，使得每个所述框架设置在与所述中间件处于同一平面和垂直于所述中间件之间的任意角度。

4.根据权利要求3所述的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，所述中间件包括中轴或带有旋转机构的连接件。

5.根据权利要求4所述的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，所述发射导线在两个所述框架上绕制的线圈的导线材质、绕向和绕制圈数均相同。

6.根据权利要求5所述的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，发送电磁波时，所述两个框架相对于所述中轴线的垂线形成的角度相同，所述角度的范围包括0-90度，所述角度为0度时，所述两个框架在所述中轴线的垂线位置上重叠，所述角度为90度时，所述两个框架在同一平面内且平行于地面。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的取得目标区域内设定深度的地底数据的装置，其特征在于，还包括用于在发送电磁波并对所述发射导线断电后用于接收所述电磁波在地面产生的二次涡流的接收天线，所述接收天线设置在一个所述线圈的边沿的正下方。

8.一种取得目标区域内设定深度的地底数据的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)调节探测装置的发射导线中的线圈，使其形成设定角度；其中，所述发射导线由两个分别绕制在具有相同的形状和尺寸的导线保持单元上的线圈并联或串联而形成；两个所述导线保持单元的一个侧边分别相邻放置在一起形成两个导线保持单元的中心线，每个导线保持单元对所述中心线的垂线形成一个设定角度，所述设定角度的大小决定所述发射导线对目标区域的在该状态下发送的电磁波的探测深度；其中，所述发射导线在两个所述导线保持单元上绕制的线圈的导线材质、绕向和绕制圈数均相同

B)通过所述发射导线向目标区域发送由一个瞬时电流形成的瞬时电磁波；

C)接收所述瞬时电磁波形成的二次涡流并进行处理，得到设定深度的地底数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发送电磁波时，所述两个线圈相对于所述中轴线的垂线形成的角度相同，所述角度包括0-90度，所述角度为0度时，所述两个框架在所述中轴线的垂线位置上重叠，所述角度为90度时，所述两个框架在同一平面内且平行于地面。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

D)调节所述导线保持单元对于所述垂线的角度，重复上述步骤A)-C)，分别取得多个或多批表示不同探测深度的地底数据；

E)对比并处理所述数据，得到指定深度范围内的地底数据。