CN108776355B - 隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道聚焦测深型激发极化超前探测仪器系统，包括直流恒流源、激发极化主机、工控机和电极阵列。利用多路电流可调的直流恒流源，实现了激发极化探测多路电流的高精度输出，采用的电感智能补偿方式能够有效减小电流的纹波干扰，同时设计了电流快速关断装置，提高了激发极化超前探测数据质量。本发明实现了隧道聚焦测深型激发极化超前探测仪器的硬件系统，可以完成视电阻率、半衰时、视极化率等数据的综合采集，可有效压制掌子面后方干扰，提高了激发极化探测数据采集质量，可实现隧道掌子面前方含水构造等突水突泥灾害源的有效探测。

Description

隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统

技术领域

本发明涉及三维激发极化超前探测领域，尤其涉及一种基于聚焦测深型装置型式的隧道三维激发极化超前探测仪器系统。

背景技术

在交通、水利水电、地下工程等基础设施建设中出现了大量的深长隧道，隧道在复杂地质条件下施工经常遭遇突水突泥等不良地质灾害，往往导致隧道被埋甚至人员伤亡，带来严重的安全问题和重大的经济损失，已成为制约隧道安全施工的关键因素。激发极化法对含水体反应敏感，可以提前探明突涌水灾害源的空间位置和规模，因此，开展隧道掌子面前方突水突泥灾害源的激发极化超前探测显得极为重要。

聚焦测深激发极化法可以较好的压制隧道掌子面后方干扰，提高超前探测能力。由于需要输出多路大小相同的电流进行探测，传统激发极化发射机大多通过调节电压的形式来控制电流的恒定输出，但是在探测过程中电流会发生变化，导致多路输出的聚焦电流不相等，且各路输出存在一定的纹波干扰和差异，从而不能达到很好的聚焦效果。同时激发极化二次场衰减信号较弱，由于二次场的衰减，测量时在一次场断电后尽可能越早测量，要求恒流源具有快速关断的能力。

激发极化接收机测量过程中一次场电压一般较大，而二次场衰减信号一般较小，现有仪器由于采样位数一定，所测信号采用同样的量程，则精度就会降低，需要量程切换系统进行切换保证精度。但现有的量程切换大部分直接采用分压电阻的形式，可切换路数较少，另外一次场断电后测量信号从一次场快速变化到二次场测量，需要设计一种具有多量程、切换速度灵敏的智能量程切换系统。

同时，为了提高激发极化测量效率，一般采用多通道的接收机。传统的方法是采用线性或者分段方式来实现接收机不同通道的测量信号标定，即对多路通道按照同一个标准进行处理，但是实际探测过程中接收机各通道硬件差异导致采集的数据之间存在一定的差异，影响多通道接收机的数据测量精度。

综上所述，一种适用于隧道突水突泥灾害源激发极化超前探测仪器面临以下难题：

1、传统发射机根据所测介质的电阻值进行调整电压来实现恒流输出，由于岩土介质的不同，难以输出多路相等的电流，同时多路输出有纹波影响，信号存在一定的差异，需要设计一种具有负载、功率自适应的高精度恒流源。

2、为了实现发射机在较短时间内关断电流输出，避免一次场电压信号对二次场的干扰，需设计一种发射机电流的快速关断装置。

3、实测过程中由于接收机各通道不同，各通道之间采集的数据存在一定的误差，为实现接收机多通道的高精度采集，需设计一种激发极化高精度的多通道测量模块。

4、激发极化测量中由于一次场电压较高，而二次场信号较小，为提高测量信号的精度，需设计一种具有多量程、高灵敏度的智能量程切换系统。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道聚焦测深型激发极化超前探测仪器系统，基于激发极化聚焦测深观测模式，可屏蔽掌子面后方干扰并具有测深功能；通过设计自适应高精度恒流源实现对电流的自适应调节，实现了多路电流高精度输出，并极大缩短一次场关断时间；采用组合细分智能量程切换的装置实现了激发极化一次场大信号、激发极化二次场小信号的精确测量；通过采用量程自适应的智能标定方式，实现接收机多通道的高精度采集，减小各通道之间的数据差异，满足隧道复杂探测环境激发极化的测量需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：包括工控机、直流恒流源、激发极化主机和电极阵列，其中：

所述电极阵列包括测量电极阵列和供电电极阵列，供电电极阵列包括掌子面中心位置设置的供电电极A0，以及在隧道轮廓线上布设的多组供电环数的供电电极。

布设在隧道轮廓线上的供电电极形成屏蔽电场，布设在掌子面中心位置的供电电极产生电流，通过屏蔽电场作用与掌子面中心位置电流产生的电场聚焦聚束作用的相结合，形成聚焦效应。同时，由于隧道轮廓线上布设的多组供电环数的供电电极，可以使得供电测量电极距不断增大，从而实现系统具有测深功能。

所述直流恒流源外接市电交流供电，将交流电压转为直流电压，采用线性电流负反馈原理，调节输出电流值，实现电流输出不随负载变化，保持恒定，为工控机、激发极化主机和电极阵列供电；

所述激发极化主机按照所述工控机发送的控制指令，以相应的采集模式接收电极阵列采集的数据，利用观测数据集映射出目标函数，得到连续的输出值，对信号的整个时间序列进行滤波，根据滤波后的数据计算视电阻率、视极化率和半衰时，实现三维激发极化超前探测。

进一步的，所述直流恒流源外接隧道内部220V交流电，为工控机与激发极化主机供电，具体包括功率自适应调节模块、负载自适应调节模块、电流快速关断模块、状态指示模块和辅助供电模块，功率自适应调节模块主要是通过调节控制信号和设置的精密电阻组共同实现电流的恒定输出和功率的自适应调节，负载自适应调节模块通过反馈调节加载在负载上的电压来稳定电流的输出，同时在负载自适应调节模块中包含电感智能补偿模块，用于消除输出电流的纹波干扰；电流快速关断模块能够控制电流信号在较短时间内快速关断，状态指示模块用于指示仪器的工作状态，另外，辅助供电模块用于为内部各电路模块提供稳定的工作电源。

更进一步的，所述功率自适应调节模块包括信号控制模块、预处理模块和恒流输出调控模块；所述信号控制模块控制恒流源电流的输出，激发极化主机通过向恒流源输入0～2V的电压控制信号，控制恒流源输出相应的电流；所述预处理模块接收控制信号，并对其进行斜坡函数滤波和瞬态电压抑制，再利用电压跟随器提高输入阻抗；所述恒流输出调控模块实现恒流控制并能够确保所加载的功率在一个比较小的范围内，从而保障其安全可靠工作。

更进一步的，所述负载自适应调节模块包括220V交流电供电模块、可控交直流转换模块、低功耗反馈电路模块、电感智能补偿模块和电流输出端；所述负载自适应调节模块可根据负载变化来反馈调节可控交直流转换模块输出合适的电压，根据反馈的电压信号控制交直流转换模块的输出，从而实现电流输出随负载变化而恒定，并保持系统最小功耗的工作状态；所述电感智能补偿模块用于消除恒流源输出电流的纹波干扰，所述电流输出端输出调节后的电流。

由于恒流源内部器件的影响，致使每路输出都存在一定程度的纹波影响，采用电感智能补偿模块对每一路输出信号进行补偿来减弱纹波干扰。

更进一步的，所述电流快速关断模块包括全桥整流模块和场效应管，通过高低电平控制场效应管的通断来实现电流信号的关断，由于场效应管的关断时间极短，故而整个系统的关断也会在极短的时间内完成。

更进一步的，所述激发极化主机包括组合细分智能量程切换模块、多通道高精度采集模块、采集卡模块、继电器阵列模块、滤波与隔离模块和恒流源控制模块等，所述激发极化主机包括组合细分智能量程切换模块、多通道高精度采集模块、采集卡模块、继电器阵列模块、滤波与隔离模块、恒流源控制模块和锁存与驱动模块，所述采集卡模块与锁存与驱动模块连接，锁存与驱动模块控制继电器阵列模块的通断，采集卡与继电器阵列模块之间连接有组合细分智能量程切换模块，采集卡模块和滤波与隔离模块连接，采集卡通过多通道高精度采集模块和恒流源控制模块相连，激发极化主机通过通信线缆与工控机相连接。

更进一步的，所述激发极化主机中采集卡与继电器阵列模块之间连接有组合细分智能量程切换模块，采用5路并行采集，各路档位依次为1000V、800V、500V、200V、20V，对于每个档位再分别按照1/100、1/80、1/50、1/20、1/2的分压比使电压在10V的范围输入到程控增益放大器，同时每路采用稳压管进行钳位到10V保证程控增益放大器的安全；最后，组合细分以后的信号输入至滤波和隔离模块，滤波与隔离模块主要对经过组合细分智能量程切换模块以后的信号利用隔离器件对每路信号进行隔离，并对隔离以后的信号利用工频陷波器和8阶巴特沃斯低通滤波器进行后续处理。

组合细分智能量程切换模块中对于激发极化一次场大信号或者激发极化二次场小信号的处理，主要采用并行同步采集的方式实现，无论大信号还是小信号均能同步被不同量程的并行通道采集；首先从小量程判断所采信号是否超出量程，如果超出量程则切换至比它大的上一个档位，直至匹配到合适的档位进行采集；依据此种思想对档位匹配的信号再次进行量程细划分等处理，实现对激发极化一次场大信号和激发极化二次场小信号的精确测量。

更进一步的，所述多通道高精度采集模块主要是通过在激发极化主机内部施加一个高精准的基准源实现智能标定，各路输入信号的校准均由继电器对高精确基准源信号进行选择；根据基准源输出基准信号的大小，通过最小二乘法拟合出标定系数，进而实现对各路信号的精确标定。

进一步的，所述激发极化主机中的恒流源控制模块通过采集卡的D/A通道控制5路电压信号，用0～2V的电压信号控制恒流源的电流输出；该模块采用了高精度电压跟随器与隔离模块，从而保证了后续高压信号不会影响采集卡的安全工作。

进一步的，所述激发极化主机中的采集卡模块，在测量模式下能够同步采集多路供电电极输出的电流及多路测量电极电压，所述采集卡模块接收工控机的控制指令，根据指令实现对供电电极和测量电极的选择；同时控制恒流源控制信号的输出，确保各路恒流源输出相互隔离互不干扰并且稳定输出；采集测量电极测量到的电压信号并将其通过A/D转换之后得到数字信号，交由工控机处理。

进一步的，所述工控机与激发极化主机中的采集卡进行通信，工控机通过采集卡发送相应的指令到主控板实现采集控制，所述工控机上配置有滤波模块，采用低通滤波、最小二乘回归和中值滤波三种方法相组合的方式，对采集的数据分段运用低通滤波和最小二乘回归分别进行处理，最后采用中值滤波对整个数据进行处理，从而压制隧道复杂环境干扰，获取较准确的采集信号。

进一步的，所述电极阵列包括测量电极阵列和供电电极阵列，按照聚焦测深型观测模式进行布置：即测量电极M布置于掌子面，测量电极N布置在隧道后方；供电电极阵列中供电电极A0布置于掌子面中心区域，其余多个同性供电电极组成供电电极环A，供电电极B布置在隧道后方。

进一步的，所述继电器阵列模块，具体包括供电控制继电器阵列和采集控制继电器阵列，其中，继电器阵列受控于锁存器与驱动模块，按照不同的工控机命令切换不同的继电器，实现对供电电极和测量电极的选择；在供电模式下，供电控制继电器阵列将多路恒流源分别与各个供电电极相连接；接通后控制供电电流，并按照指令分别调整每一路供电电流的大小和供电电流方向；在采集模式下，采集控制继电器阵列将采集电路分别与设置在掌子面上的各测量电极接通，采集各测量电极与隧道尾洞处设置的测量电极N之间的电压。

所述滤波与隔离模块对测量电极采集到的电压信号进行优化调整，利用隔离器件对每路信号进行隔离，使之完全隔离，对隔离后的信号利用工频陷波器和8阶巴特沃斯滤波器进行滤波处理；

基于上述系统的工作方法，工控机控制直流恒流源向待测电极供入电流，同时切换继电器阵列使得电极电压通过选定通道经过采集卡进入工控机中，工控机对该电压进行运算得到待测电极的接地电阻；根据预设阈值电阻值对接地电阻值进行判断得知待测电极的接触状态，及时地进行调整；通过继电器阵列的控制切换，配合上位机信号切换检测各个测量电极的接地状态和各个供电电极的接地状态；

根据采集的模式和采集的数据参数进行视电阻率、半衰时以及视极化率的测量及计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用高精度智能恒流源，通过负载自适应调节和功率自适应调节模块能够实现电流的稳定输出，同时具有电感智能补偿功能能够有效减小电流的纹波干扰，实现了激发极化探测多路电流的高精度输出。

2、本发明设计了组合细分智能量程切换模块，可以对一次场大信号的有效采集，同时又满足了二次场小信号的测量精度需求，实现了整个测量系统的量程切换更加细致合理、切换速度更为灵敏。

3、本发明采用的多通道高精度采集方式能够根据各通道组合细分量程切换方式所划分的量程，同时设计了各通道量程自适应的智能标定，减小了各通道测量数据的差异，提高了激发极化探测仪器的精度和准确度。

4、本发明设计了电流快速关断装置，能够在较短时间内对电流信号有效关断，减小一次场信号对二次场的干扰，获得较大的二次场信息，从而提高激发极化超前探测测量数据质量。

5、本发明实现了隧道聚焦测深型激发极化超前探测仪器的硬件系统，可以完成视电阻率、半衰时、视极化率等数据的综合采集，可有效压制掌子面后方干扰，提高了激发极化探测数据采集质量，实现了隧道掌子面前方含水构造等突水突泥灾害源的有效探测，满足隧道施工对经济效益和安全性的需要。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的总体架构图；

图2是直流恒流源原理图；

图3是隧道激发极化主机原理图；

其中，1、隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器；2、工控机、3、直流恒流源；4、隧道激发极化主机；5、电极阵列；6、测量电极中的不极化电极；7、测量电极；8、供电电极A0；9、供电电极阵列中的供电电极；10、N电极；11、B电极；12、220V交流市电；13、EMC滤波器；14、变压与滤波电路；15、内部供电电源；16、可控交直流转换模块；17、电感智能补偿模块；18、电流快速关断模块；19、电流输出端；20、低功耗反馈模块；21、斜坡函数滤波模块；22、控制信号0～2V；23、瞬态电压抑制模块；24、高精度电压跟随器；25、电压比较器；26、大功率MOS管；27、精密电阻组；28、电压放大电路；29、状态指示单元；30、采集卡；31、锁存与驱动模块；32、组合细分智能量程切换模块；33、滤波与隔离模块；34、多通道高精度采集模块；35、恒流源控制模块；36、继电器阵列模块；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，作为一种实施方式，它包括若干直流恒流源(以两个为例进行说明，但不仅限于两个)、一个隧道激发极化主机4、一个工控机2和电极阵列5。

上述中的数量都可以改变，并不仅限于该实施例给出的数量。

探测仪器系统直接采用220V交流市电进行供电，为适应隧道探测需求，不再采用蓄电池供电，减轻了系统的整体重量。

聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器，具有多路恒流电流输出，本实施例中设计两个直流恒流源，每个直流恒流源包含2路恒流源输出，另一路放置于主机内，具有4通道采集功能。采集的数据经过工控机2进行数据处理，主要计算视电阻率、视极化率和半衰时等，并具备检测接地电阻的功能，能够快速高效的实现激发极化探测。

工控机2发送测量命令到采集卡，采集卡通过控制锁存与驱动芯片实现控制继电器阵列的切换，在工控机2的命令下调整连接输出电流的供电电极，同时采集卡发送命令到多路D/A输出模块控制恒流源输出的电流大小。

恒流源输出的电流经由插入岩层中的供电电极供入围岩；隧道掌子面的测量电极进行电压与电流信号的采集，信号经过隔离、滤波、量程切换、智能标定处理后与采集卡模块相连，处理过的数据经USB传输至工控机2，进行进一步的滤波处理和显示，并存储到工控机2中。

提到的直流恒流源，主要由功率自适应调节模块、负载自适应调节模块、电流快速关断模块、状态指示模块和辅助供电模块组成。恒流源采用外接市电220V交流供电，将220V交流电压转为1000V直流电压，采用线性电流负反馈原理，调节输出电流值。在本实施例中，当工控机2设定某一大小的电流后，发出5路数字控制信号(每个恒流源各包含2路，主机包含1路共计5路)。5路控制信号经过隔离，转换为5路相互隔离的数字信号，数字信号经过D/A转换后，转换为恒流源可识别的模拟信号，控制恒流源输出5路稳定的电流。

功率自适应调节模块包括信号控制模块、预处理模块、恒流输出调控模块；所述信号控制模块控制恒流源电流的输出，通过控制输入0～2V电压作为恒流源输出电流的控制信号；预处理模块接收控制信号，并对其进行斜坡函数滤波和瞬态电压抑制，进而利用电压跟随器提高电路输入阻抗；恒流输出调控模块能够实现电流的恒流控制，同时能够确保功率自适应模块中的大功率MOS管的工作功率在一个安全可靠的范围内。

功率自适应模块中的预处理模块包括斜坡函数滤波模块、瞬态电压抑制模块和高精度电压跟随器，斜坡函数滤波电路能有效抑制尖峰脉冲，使电压平缓的增加到控制信号设定值，并去除信号传输过程的噪声干扰；瞬态电压抑制单元是一个高效能电路保护单元，可有效地保护电子线路中的精密元器件；高精度电压跟随器作为阻抗转换电路，利用电压跟随器提高电路输入阻抗，减小控制信号的损失。

功率自适应模块中的恒流输出调控模块包括电压比较器、大功率MOS管和精密电阻组，控制信号经过电压跟随器后进入电压比较器的正向端，根据虚短原则，反向端电压即为Vi，经过精准Ri电阻到地，流经该电阻的电流I＝Vi/Ri，在Ri欧姆电阻另一端串联大功率MOS管和负载，那么经过负载的电流与该电阻电流相等，从而实现恒流控制。

当控制信号到达电压比较器时，输出高电平，大功率MOS管导通。当负载发生变化时，为了使电路功耗最小，从大功率MOS管的D极引出电压信号到达反馈电路，经过电压跟随器和隔离芯片进行积分反馈，输出信号控制开关电源，开关电源的输出功率随之调整，维持电流恒定。

负载自适应模块包括220V交流电供电模块、可控交直流转换模块、低功耗反馈电路模块、电感智能补偿模块和电流输出端,自适应调节模块可根据负载变化来反馈调节可控交直流转换模块，从而输出合适的电压，为保障大功率MOS管的安全稳定工作，需确保大功率MOS管的D极的输入电压为5V也就是使得低功耗反馈电路输入信号保持在5V；

负载自适应调节模块中的可控交直流转换模块，恒流源利用功率可调的可控交直流转换模块为负载供电，该模块具有良好的抗干扰性能和较宽的输入电压范围，其输入信号0～5V对应该模块的直流0～1KV输出；

负载自适应调节模块中的电感智能补偿模块，由于每路输出电流收到电流中电感的影响，所以采用电感补偿的方式减小恒流源输出电流的纹波干扰。

恒流源状态指示模块包括电压放大电路和LED指示灯，当恒流源有恒定电流输出时，精密电阻组上有一个对应的电压，将该电压经过运算放大器后，连接电压比较器，比较器的输出经过电阻接三极管，通过三极管的导通从而指示恒流源的工作状态。

辅助供电模块包括EMC滤波器模块、变压与滤波模块和供电电源输出模块，恒流源外接220V交流电进行供电；EMC滤波器用于降低模拟电路中的噪声干扰，可以有效的抑制交流电源浪涌，实现输入的保护，减少电源带来的干扰；变压与滤波电路包含的高精度AC/DC稳压模块能高效的输出低纹波电压，具备输出短路、过流与过压保护，从而为电路中各模块提供稳定的电压。

电流快速关断模块包括全桥整流模块和场效应管；通过高低电平控制场效应管的通断来实现电流信号的关断，由于场效应管的关断时间极短，故而整个系统的关断也会在极短的时间内完成，从而测得较大的激发极化二次场信号。

一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统的主机主要由采集卡模块、锁存与驱动模块、继电器阵列模块、组合细分智能量程切换模块、滤波电路模块、多通道高精度采集模块、恒流源控制模块和1路直流恒流源组成，采用市电220V交流供电，在测量模式下能够同步采集4路测量电极的电流和电压信号。

采集卡模块主要功能是接收工控机2的控制指令，根据指令实现对供电电极和测量电极的选择；同时控制恒流源的输出，确保5路恒流源输出相互隔离、互不干扰；采集测量电极的电压信号并将其通过A/D转换之后得到数字信号，交由工控机2处理。锁存与驱动模块通过接收采集卡的指令信号，完成对继电器阵列的通断控制，从而实现供电电极与测量电极的切换。

继电器阵列模块包括供电控制继电器阵列和采集控制继电器阵列。继电器阵列受控于锁存器与驱动模块，可以按照不同的工控机2命令切换继电器，实现对供电电极和测量电极的选择；激发极化探测时，供电控制继电器阵列将5路恒流源分别与供电电极相连接；接通后控制供电电流，并按照指令分别调整每一路供电电流的大小和供电电流方向；采集控制继电器阵列将4路采集电路分别与测量电极通，采集测量电极之间的电压。整个阵列能够准确快速地连通所需要的电极，提高激发极化测量效率。

组合细分智能量程切换模块采用5路并行采集，各路档位依次为1000V、800V、500V、200V、20V，每路档位再分别按照1/100、1/80、1/50、1/20、1/2的分压比使电压在10V的范围输入到程控增益放大器，同时每路采用稳压管进行钳位到10V保证程控增益放大器的安全，最后经过组合细分处理以后的信号输入至滤波和隔离模块；组合细分智能量程切换模块中对于激发极化一次场大信号或者激发极化二次场小信号的处理，主要采用并行同步采集的方式实现，无论大信号还是小信号均能同步被不同量程的并行通道采集；首先从小量程判断所采信号是否超出量程，如果超出量程则切换至比它大的上一个档位，直至匹配到合适的档位进行采集；依据此种思想对档位匹配的信号再次进行量程细划分等处理，实现对激发极化一次场大信号和激发极化二次场小信号的精确测量。

滤波与隔离模块对组合细分智能量程切换模块后的信号的各路信号进行隔离，每一路也需要单独的隔离电源供电，使之完全隔离，隔离的目的是为了能够让信号相互之间不会受到干扰，得到高精度的采样结果；并对隔离以后的信号利用工频陷波器和8阶巴特沃斯低通滤波器进行后续处理，进一步提高采样精度，滤波处理之后的信号最终经由多通道高精度采集模块进入采集卡。

多通道高精度采集模块中主要是通过在仪器内部施加一个高精准的基准源实现智能标定，各路输入信号的校准均由继电器对高精确基准源信号进行选择；其中，高精度基准源能够输出三种及以上的基准信号，软件通过最小二乘法拟合出标定系数，进而实现对各路信号的精确标定。

恒流源控制模块通过采集卡的D/A通道控制5路电压信号，用0～2V的电压信号控制恒流源的电流输出；该模块采用了高精度电压跟随器与隔离模块，从而保证了后续高压信号不会有影响采集卡的危险电压。

一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统的电极阵列5包括测量电极阵列和供电电极阵列，按照聚焦测深型装置型式进行布置；测量电极阵列中测量电极M可在掌子面布置14～20个，其中包含不极化电极，测量电极N布置在隧道后方距离掌子面一定距离处；供电电极阵列中供电电极A0布置于掌子面中心位置，其余多个同性供电电极组成供电电极环，供电电极环数目应为10-15环，供电电极B布置于距离电极N后方一定距离的隧道边墙上。

一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统的工控机2安装控制软件与采集卡驱动后即可与采集卡进行通信，工控机2通过采集卡发送相应的指令到主控板；同时，采集卡接收来自组合细分智能量程切换模块32、滤波与隔离模块33和多通道高精度采集模块34处理后的的信号，将采集到的原始数据发送到工控机2进行数据处理，工控机2的编程软件上实现软件滤波、接地电阻检测、视电阻率法的测量以及激发极化参数测量。

软件滤波是对主机采集到的信号进行的软件滤波处理，主要包括低通滤波、最小二乘回归以及中值滤波；由于从激发极化仪主机采集并传输到工控机2的信号不仅包含有效信号，也包含由人工干扰、环境噪声等诸多因素引起的噪声信号，因此首先要采用频率滤波的方式即低通滤波器进行对杂波的滤除；同时由于仪器系统供电关断至断电延时期间存在的吉布斯效应的影响，信号的时间序列存在比较大的畸变，故对此信号需采用最小二乘回归的方法，利用观测数据集映射出目标函数，得到连续的输出值；完成上述步骤之后，采用中值滤波方法对信号的整个时间序列进行滤波，能够获取准确的半衰时等信息。

一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统在实际探测过程中，首先，将供电电极、测量电极等布置在隧道掌子面和墙轮廓线上；其次，将主机、恒流源和工控机2用线缆相连接；然后，工控机2软件设置供电电流大小、供电和放电时长、供电电极和测量电极等，主机根据工控机2软件的设定控制恒流源输出恒定电流，同时经由继电器阵列模块控制供电电极的切换；供电电流供入围岩的同时，工控机2发送一个继电器切换序列指令，通过采集卡的数字输出接口达到主控板，主控板上的继电器阵列根据指令自动切换并自动采集和处理测量数据；最后，主机采集的数据经由PC通信线缆传输至工控机2，工控机2接收测量电极采集的电压和电流信息，工控机2软件自动计算视电阻率、视极化率以及半衰时等信息。

由于探测环境的恶劣性，实际探测过程中完成电极布置以后首先需要对电极阵列的接地良好性进行检测；工控机2设定对测量电极或者供电电极的接地电阻测试命令，并设置电阻的阈值，由此判断电极阵列中供电电极或者测量电极与围岩的接触性；若所测电阻超过阈值，则需对该电极重新调整。

本发明的实际应用过程中操作简单，具体操作流程如下：

1、布置电极。作为一个或多个实施例，在掌子面上中心布置一个供电电极A0，测量电极M均布置于掌子面可布置14～20个，包含不极化电极，其余供电电极A布置于隧道边墙上，按照每4-8个为一圈，可布置10-15圈，最后一圈距离掌子面约为80-100m，测量电极N布置在隧道后方距离掌子面200-300m处，供电电极B可布置于隧道后方距离掌子面400-500m，且B、N电极间距不小于200m。2、连接仪器。将供电线缆和测量线缆连接到激发极化主机上，通过电缆将恒流源和激发极化主机相连接，利用USB传输线将工控机2与主机相连接。

3、启动仪器。连接电源，打开恒流源、激发极化主机开关，打开工控机2控制软件并配置端口。

4、仪器检测。检测供电电极与围岩的接触情况、检测采集电极与围岩的接触情况，检测恒流源、激发极化主机和工控机2的连接情况。

5、设置参数。视电阻率法测量时设置工程名称、保存路径，测量参数设置供电方式、供电电极选择、采集路数、测量电极选择、供电电流方向、供电电流大小和供电时长；激发极化法测量时还需要设置放电时长、自定义极化率、采样宽度等。

6、仪器测量。工控机设定完参数以后，恒流源在激发极化主机控制下输出电流，电流经供电电极供入围岩；测量电极采集电信信号，经由线缆输入至主机，在主机的智能组合细分模块、滤波隔离模块、多通道高精度采集模块内进行处理。

7、数据处理。经过处理以后的信号通过PC通信线缆传入工控机，工控机软件通过测量的一次场的电压电流计算视电阻率，通过激发极化二次场衰减曲线计算视极化率和半衰时；最后，进行数据的结果显示和数据存储。

8、退出程序。点击“退出”按钮，退出程序。

更为详细的具体实施过程，如图1所示，一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器1，它包括工控机2、直流恒流源3、隧道激发极化主机4和电极阵列5；电极阵列5包括测量电极阵列和供电电极阵列，测量电极阵列中M测量电极7布置于掌子面，其中包含不极化电极6，N电极布置在隧道后方距离掌子面200-300m处；供电电极阵列中A0布置于掌子面中心位置，B电极布置于隧道后方距离掌子面400-500m，且B、N电极间距不小于200m，其余供电电极布置于隧道轮廓线按照每4-8个为1圈，可布置10-15圈。

隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统采用220V交流市电供电，工控机2控制隧道激发极化主机4，由直流恒流源3向隧道激发极化主机4供电，激发极化主机通过继电器阵列模块32向供电电极A0供入电流，并向供电电极阵列中的供电电极9供入同性电流；利用测量电极M进行数据的采集，通过隧道激发极化主机4反馈至工控机2；测完此次循环后，由工控机2控制隧道激发极化主机4更换供电电极，进行下一次测量。

通过测量的一次场的电压电流计算视电阻率，通过激发极化二次场衰减曲线计算视极化率和半衰时，实现对掌子面前方的含水体的探测。

如图2所示，直流恒流源3主要由220V交流市电12、EMC滤波器13、变压与滤波电路14、内部供电电源15、可控交直流转换模块16、电流输出端19、电感智能补偿模块45、电流快速关断模块46、低功耗反馈模块20、控制信号0～2V、斜坡函数滤波模块21、瞬态电压抑制模块23、高精度电压跟随器24、电压比较器25、大功率MOS管26、精密电阻组27、电压放大电路28和状态指示单元29组成。

在功率自适应调节中，控制信号0～2V经过由斜坡函数滤波模块21和瞬态电压抑制模块23相连组成的预处理模块处理后，与高精度电压跟随器24相连接，通过由电压比较器25、大功率MOS管26和精密电阻组27相连组成的恒流输出调控模块将控制信号0～2V转化为对应电流。在精密电阻组27的另一端串联大功率MOS管26和负载，实现恒流控制。

在负载自适应调节中，为使MOS管D极上有5V的电压，经过低功耗反馈模块20与可控交直流转换模块15相连，根据负载的阻值自动调节可控交直流转换模块输出的电压，进而通过电感智能补偿模块45去除纹波干扰，利用电流快速关断模块46实现电流的关断控制，最终通过电流输出端19输出恒流信号；电压放大电路28分别与高精度电压跟随器24和精密电阻组27相连，随后与状态指示单元29连接，从而指示恒流源的工作状态。

如图3所示，隧道激发极化主机4主要由采集卡30、锁存与驱动模块31、组合细分智能量程切换模块32、滤波与隔离模块33、多通道高精度采集模块47、恒流源控制模块35和继电器阵列模块36组成。采集卡30与工控机2相连接收控制指令，通过和锁存与驱动模块31相连实现对继电器阵列模块36的通断控制，继电器阵列33模块与电极阵列5相连实现供电电极和测量电极的切换；采集卡30通过恒流源控制模块35与直流恒流源3连接，直流恒流源3与继电器阵列模块36连接供电；测量电极采集到的数据通过继电器阵列模块36与组合细分智能量程切换模块32相连，根据信号大小选用合适的量程进行处理，随后通过滤波与隔离模块33对信号进行调理，最终经过多通道高精度采集模块34与采集卡30相连，反馈给工控机2，实现采集数据并将数据进行滤波处理和显示后存储到相关文件的功能。

工控机的软件模块主要包括软件滤波模块、接地电阻检测模块、视电阻率法测量模块、激发极化法参数测量模块，对所采信号通过软件滤波模块进行滤波处理。接地电阻检测模块被配置为对供电电极A、B接地电阻的检测以及测量电极M、N接地电阻的检测；视电阻率法测量模块被配置为具有视电阻率法供电模式和视电阻率法测量模式；激发极化法参数测量模块被配置为具有激发极化法供电模式和激发极化法测量模式，激发极化参数测量模块包括视电阻率、视极化率和半衰时等的测量及计算。

具体的视电阻率、视极化率和半衰时等的测量及计算过程，利用现有的计算方案即可，在此不再赘述。

综上，隧道聚焦测深型激发极化超前探测仪器具有的组合细分智能量程切换功能，能够在复杂隧道环境下实现对激发极化一次场大信号和激发极化二次场小信号的精确、快速处理；本发明采用的多通道的高精度采集方式能够有效提高仪器的精度；本发明提出的高精度智能恒流源既能够实现电流的稳定输出又能够保证恒流源的安全可靠工作，具有的电感智能补偿方式能够减小输出电流的纹波干扰，同时能够对电流信号实现快速的关断；本发明研发的隧道聚焦测深型激发极化超前探测仪器，从结构上进行了优化和改进，使整个系统的体积得以减小、重量得以减少、操作得以简便，满足了实际探测的需求。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：包括工控机、直流恒流源、激发极化主机和电极阵列，其中：

所述电极阵列包括测量电极阵列和供电电极阵列，供电电极阵列包括掌子面中心位置设置的供电电极A0，以及在隧道轮廓线上布设的多组供电环数的供电电极；

所述直流恒流源输出的电流值不随负载变化,为工控机、激发极化主机和电极阵列供电；

所述激发极化主机按照所述工控机发送的控制指令，以相应的采集模式接收电极阵列采集的数据，利用观测数据集映射出目标函数，得到连续的输出值，对信号的整个时间序列进行滤波，根据滤波后的数据计算视电阻率、视极化率和半衰时，实现三维激发极化超前探测；所述直流恒流源包括功率自适应调节模块、负载自适应调节模块、电流快速关断模块、状态指示模块和辅助供电模块，所述功率自适应调节模块与负载自适应调节模块连接，电流快速关断模块与负载自适应调节模块连接，辅助供电模块连接功率自适应调节模块和负载自适应调节模块，所述状态指示模块显示负载自适应调节模块的输出电流状态。

2.如权利要求1所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述功率自适应调节模块包括依次连接的信号控制模块、预处理模块和恒流输出调控模块，所述信号控制模块控制恒流源电流的输出，通过控制输入0～2V电压作为恒流源输出电流的控制信号；所述预处理模块接收控制信号，并对其进行斜坡函数滤波和瞬态电压抑制；所述恒流输出调控模块被配置为实现恒流控制并能够确保所加载的功率在设置范围内。

3.如权利要求1所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述负载自适应调节模块包括依次连接的220V交流电供电模块、可控交直流转换模块、低功耗反馈电路模块、电感智能补偿模块和电流输出端；所述负载自适应调节模块根据负载变化来反馈调节可控交直流转换模块的输出，并使得低功耗反馈电路输入信号保持在设置值；所述电感智能补偿模块用于消除恒流源输出电流的纹波干扰，所述电流输出端输出调节后的电流。

4.如权利要求1所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述激发极化主机包括组合细分智能量程切换模块、多通道高精度采集模块、采集卡模块、继电器阵列模块、滤波与隔离模块、恒流源控制模块和锁存与驱动模块，所述采集卡模块与锁存与驱动模块连接，锁存与驱动模块控制继电器阵列模块的通断，采集卡与继电器阵列模块之间连接有组合细分智能量程切换模块，采集卡模块和滤波与隔离模块连接，采集卡通过多通道高精度采集模块和恒流源控制模块相连，激发极化主机通过通信线缆与工控机相连接。

5.如权利要求4所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述采集卡模块，在测量模式下能够同步采集多路供电电极输出的电流及多路测量电极电压；所述采集卡模块接收工控机的控制指令，根据指令实现对供电电极和测量电极的选择；同时控制恒流源控制信号的输出，确保各路恒流源输出相互隔离互不干扰并且稳定输出；采集测量电极测量到的电压信号并将其通过A/D转换之后得到数字信号，交由工控机处理。

6.如权利要求4所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述组合细分智能量程切换模块，采用5路并行采集，各路档位依次为1000V、800V、500V、200V、20V，分别按照1/100、1/80、1/50、1/20、1/2的分压比使电压在10V的范围输入到程控增益放大器，同时每路采用稳压管进行钳位到10V保证程控增益放大器的安全，每路增益放大器按照1、5、10、50、100倍的增益按照信号大小进行调节，最后输入到多通道高精度采集模块。

7.如权利要求4所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述多通道高精度采集模块是通过在仪器内部施加一个高精准的基准源实现智能标定，各路输入信号的校准均由继电器对高精确基准源信号进行选择；根据基准源输出基准信号的大小，通过最小二乘法拟合出标定系数，进而实现对各路信号的精确标定。

8.如权利要求4所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述继电器阵列模块，包括供电控制继电器阵列和采集控制继电器阵列；继电器阵列受控于锁存与驱动模块，按照不同的工控机命令切换不同的继电器，实现对供电电极和测量电极的选择；在供电模式下，供电控制继电器阵列将多路恒流源分别与各个供电电极相连接；接通后控制供电电流，并按照指令分别调整每一路供电电流的大小和供电电流方向；在采集模式下，采集控制继电器阵列将采集电路分别与各个测量电极接通，采集各测量电极与设置于隧道尾洞处的电极之间的电压。

9.如权利要求4所述的一种隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统，其特征是：所述滤波与隔离模块对测量电极采集到的电压信号进行优化调整，利用隔离器件对每路信号进行隔离，使之完全隔离，对隔离后的信号利用8阶巴特沃斯滤波器进行滤波处理。

10.基于如权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：工控机控制直流恒流源向待测电极供入电流，同时切换继电器阵列使得电极电压通过选定通道经过采集卡进入工控机中，工控机对该电压进行运算得到待测电极的接地电阻；根据预设阈值电阻值对接地电阻值进行判断即可得知待测电极的接触状态，及时地进行调整；通过继电器阵列的控制切换，配合上位机信号切换检测各个测量电极的接地状态和各个供电电极的接地状态；

根据采集的模式和采集的数据参数进行视电阻率、半衰时以及视极化率的测量及计算。