CN109001839A - 一种城市车载综合地球物理探测系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市车载综合地球物理探测系统及工作方法，本发明综合了地震波、电阻率和雷达探测，且能够避免不同探测系统之间的相互干扰，使各系统之间能够协同高效工作，最大程度地发挥各探测系统的特点和优势，实现对城市地下目标体的精细探查。本发明采用几种物探方法技术组合，互相映证、互相补充，这样既能够提高物探成果的分析质量和地质解释精度，又能满足城市勘察的要求。

Description

一种城市车载综合地球物理探测系统及工作方法

技术领域

本发明属于应用地球物理领域，尤其涉及一种城市车载综合地球物理探测系统及工作方法。

背景技术

城市开发为突破发展瓶颈、破解发展困境、增强经济增长动力，其开发思路转变为向地下要空间，构架立体化智慧新城。当前我国城市开发正在向地下空间发展，城市开发模式由地表为主的平开发转向地表地下并举的立体式开发。在城市地下空间的开发过程中，地下空间施工在遭遇富水软弱土层、地下松散层、风化破碎岩体以及地裂缝等不良地质时极易诱发地质灾害，威胁施工安全，甚至造成地表塌陷，地基失稳，进而波及城市地表人与设施安全。同时，在老城区改造的规划与施工之前，需要了解已有老旧地下管线和在建地下设施的实际埋藏位置与周边岩土体的性状，以便合理施工。同时，城市地表可通行区域以道路为主，城区地球物理探测探测应充分发挥汽车载具成本低廉、通行性好、安全可靠的优势。

解决上述问题的关键是对城市地下不良地质的准确感知，采用地球物理方法对地下不良地质目标进行探测，并对不良地质进行处理。目前，电阻率法、浅层地震以及地质雷达在野外工程物探中应用广泛。这些地球物理勘探方法作为工程勘察的重要手段，凭借着高效、高密度、低成本的特点，在场地基础勘察中发挥着重要的作用。但单一的物探方法会受到地质及地球物理条件的限制，从而使物探精度受到影响。

电阻率勘探具有观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、生产效率高等特点，但电阻率勘探方法的测线铺设受地形影响较大，要求接地条件较高；

地震勘探被广泛的应用于底层划分、探测隐伏断层构造等，对于地层密度差异较大的地区效果明显，但是勘探深度受震源强度制约较大、对地形条件要求较高；

地质雷达是地球物理勘探中的一项高科技方法，其探测深度较浅，具有较高的垂直和水平分辨能力，但传统地质雷达在探测时无法克服各种噪声和杂波的干扰，信噪比较低。

这些方法的综合应用能够克服单一探测方式存在的问题，克服多解性问题，压制假异常。几种物探方法技术组合，互相映证、互相补充，这样既能够提高物探成果的分析质量和地质解释精度，又能满足城市勘察的要求。

此外，在城市环境中，传统的观测模式与工作方法面临新的挑战，主要包括三个方面——“无损问题、非规则测网问题、强干扰问题”。具体如下：

其一，地震勘探大都采用人工单点定位钻井，安装炸药并插入检波器进行探测，电阻率勘探也往往会对城市中的已有路面造成一定程度上的破坏，并且需要消耗大量人力物力，效率较低。

其二，在电阻率探勘中测线的布置和地震勘探中测网的布置除地形限制特殊情况下往往必须是规则的，而城市环境较为复杂，建筑群往往比较密集，想要规则地布置测测线或网难度较大，无法做到因地制宜。

其三，由于城市环境复杂，传统地质雷达在探测时无法克服各种噪声和杂波的干扰，比如：发射和接收天线之间的耦合、多次波干扰、电台、雷电放电、太阳活动等外部电磁干扰，在电阻率勘探过程中也会经常遇到大地电流、工业游散电流等外部干扰，这些干扰对最后的探测结果会造成许多不利影响。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种城市车载综合地球物理探测系统及工作方法，本发明能够避免不同探测系统之间的相互干扰，使各系统之间能够协同高效工作，最大程度地发挥各探测系统的特点和优势，实现对城市地下目标体的精细探查。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种城市车载综合地球物理探测系统，包括第一车体和第二车体，以及搭载于第一车体上的发射子系统和搭载于第二车体上的观测子系统，其中：

所述发射子系统包括可任一或组合投入的雷达阵列式发射系统、雷达阵列式观测系统、电阻率探测系统和车载震源系统，所述雷达阵列式发射系统对不同方向、不同区域的地下目标体发射频率、探测深度、相位或/和分辨能力可调的电磁波，所述雷达阵列式观测系统接收电磁波探测数据；

所述电阻率探测系统通过电极阵列对不同方向、不同区域的地下目标体发射交变电流，记录当前电极的阵列形式、数目及其对应位置；

所述车载震源系统对不同方向、不同区域的地下目标体发射地震波，并记录激发地震波频谱和波形曲线；

所述观测子系统，记录地震波探测数据；

所述第一车体或第二车体上设置有处理器，所述处理器接收电磁波、交变电流或地震波探测数据，根据数据的类型和情况进行反演，得到成像结果。

进一步的，所述雷达阵列式发射系统，包括多个发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块和同步模块，所述选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度以及多深度探测；所述相位控制模块调整每个发射单元的相位，改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测，记录存储模块记录发射单元的数据，并通过同步模块与观测子系统通讯。

进一步的，所述雷达阵列式观测系统，包括观测采集单元、观测控制模块、存储模块和通讯模块，所述观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射单元的阵列对应的接收阵列，所述存储模块存储采集到的观测数据，所述通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。

进一步的，所述电阻率探测系统，包括：

探测模块，包括偶极子发射天线、选频控制模块、多个电极和电极转换模块，所述偶极子天线向地下发射交变电流，所述电极转换模块控制每个电极的接收或者发射；选频控制模块控制交变电流的发射频率，并将发射频率数据和指令数据向通信模块输出；

测量与定位模块，搭载倾斜摄影测量部件，对运载车辆定位，并记录第一车体的行进速度以及所经过的路线和沿途地形；

通信模块，被配置为提供上位机与探测模块，以及探测模块内部各模块的通讯与数据交互；

上位机，被配置为内置电子地图或网络地图，以实现城市地面测网的实时显示和探测系统实时位置的显示，存储并显示采集的视电阻率、当前探测电极的阵列形式、发射和接收电极的数目及其对应位置。

更进一步的，所述电极为电容耦合式电极，其耦合电容值可调节，以保证偶极子发射天线和大地耦合。

进一步的，所述探测模块还包括阻容调谐模块，根据所设置的交变电流频率配置协调所述电容耦合式电极的耦合电容。

更进一步的，所述电极处于发射状态时，所述选频控制模块根据已设定好的交变电流频率向偶极子天线传输发射指令，同时将指令数据输入阻容调谐模块；阻容调谐模块根据得到的交变电流发射频率对电容耦合式电极进行调整，使其能够和偶极子天线以及地面进行耦合，进而向地面激起感应电流。

更进一步的，所述电极处于接收状态时，所述选频控制模块依据已设定好的交变电流频率向阻容调谐模块传输数据，阻容调谐模块依据发射频率对电容耦合式电极进行配谐，确保和偶极子天线以及地面进行耦合，从而使得偶极子天线接收到来自发射电极的感应电流。

进一步的，所述车载震源系统，包括震源、震源控制模块、激震记录模块、定位与同步控制模块，所述震源控制模块控制震源震击地面激发地震波，激震记录模块实时记录激发地震波频谱和波形曲线；定位模块检测所属车体的位置，同步控制模块根据采集的位置信息，进行第一车体与第二车体的协同行进。

进一步的，所述观测子系统包括观测数据采集模块、观测控制模块、记录存储模块、定位与同步控制模块，所述观测控制模块控制观测数据采集模块采集震波信号，所述记录存储模块对采集数据进行存储；定位模块检测所属车体的位置，同步控制模块根据采集的位置信息，进行第一车体与第二车体的协同行进。

进一步的，所述第一车体上设置有支架，所述支架包括主支架，以及设置于主支架上若干个三角支架，所述电阻率探测系统的电极设置于三角支架上，所述三角支架上具有电极箱的承载空间。

进一步的，所述第二车体上设置有支架，所述支架包括主支架，以及设置于主支架上若干个三角支架，所述观测数据采集模块设置于三角支架上，观测数据采集模块之间通过电缆连接。

优选的，所述观测数据采集模块为检波器。

本发明的第二目的是提供基于上述综合地球物理探测系统的工作方法，具体包括：

根据不同的工况选择不同的雷达阵列式发射系统、电阻率探测系统或/和车载震源系统进行综合探测；

电阻率探测系统根据不同的探测深度、探测精度、探测范围和测区地表附近电阻率情况设定交变电流频率、确定探测区域测网的布置；

雷达探测系统根据不同的探测深度、探测精度、探测范围确定主频电磁脉冲的频率范围和发射单元的相位；

车载震源系统根据震源的形式，对震源进行相应的设置，采集震源数据；

第一车体和第二车体进行运动，同时记录各个测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线；

采集视电阻率，勘探区域地面测网和探测系统的位置、雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号，地震波信号或者地震波遇到介质分界面时弹性波产生反射波信号，以及地形数据与实时速度；

建立观测区域的三维模型，并综合地形的三维模型和车辆的行进路线构建三维测网，对数据进行反演处理并成像解释，给出最后的成像结果。

进一步的，电阻率探测时，电极排列方式有三种选择，一种是保持发射和接收电极距离不变，运载车辆沿着测网测量从而获得整个测区的等深度电阻率率等值线图；一种是改变发射—接收电极距离，运载车辆沿着一条测线行进测量，获得电阻率随深度变化的测深曲线；另一种是综合上述两种方式采用多收发距和多线测线进行探测获得综合数据。

进一步的，测量时，发射电极和接收电极的选择有两种形式，一种是单发射电极—单接收电极，一种是单发射电极—多接收电极；采用单发射电极—单接收电极时，探测深度不变，运载车辆沿测线移动实现单一深度的剖面探测，采用单发射电极—多接收电极时，多个接收电极构成电极阵列，形成多个不同的收发距，运载车辆沿测线移动实现不同深度剖面的探测。

进一步的，车载震源系统根据不同城市勘探任务工况选择不同的工作模式：当探测区域为城区道路，选择被动源观测模式；当探测区域为城郊路面，选择主动源激发观测模式，被动源观测模式是指利用掘进机掘进震动或者地铁运行过程中的非人工主动激发的震源作为勘探震源，在地面接收地下传来的地震波；

主动源观测模式的工作原理是浅层地震反射波法，即利用地震波在弹性介质传播的理论,通过人工在地面激发地震波向地下传播,遇到介质分界面时弹性波产生反射；利用接收其反射波信号,通过浅层地震仪进行时频特征分析和振幅特征分析,获得地下地质体的特征信息。

进一步的，雷达探测系统投入工作时，具体包括以下步骤：

(1)发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力；

(2)通过调整发射单元的相位获得不同角度以及不同方向的探测范围；

(3)观测控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列；

(4)主控上位实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据与实时速度，实现对初始数据的矫正；

(5)对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速；

(6)对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；

(7)对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明综合了地震波、电阻率和雷达探测，且能够避免不同探测系统之间的相互干扰，使各系统之间能够协同高效工作，最大程度地发挥各探测系统的特点和优势，实现对城市地下目标体的精细探查。

(2)本发明采用多种物探方法的综合应用能够克服单一探测方式存在的问题，克服多解性问题，压制假异常。

(3)本发明采用几种物探方法技术组合，互相映证、互相补充，这样既能够提高物探成果的分析质量和地质解释精度，又能满足城市勘察的要求

(4)本发明采用车载拖曳式探测方式，可实行地表非规则测网探测，同时在探测过程中对探测区域进行地形记录进而构建出地表模型，结合最后的电阻率反演成像能够形成对整个探测区域的地表地下综合地理模型；

(5)本发明的电阻率探测系统采用非接触式电极，可以实施快速、无损城市已有道路面的电阻率探测。并且由于不用向地下供入电流，减小了探测所需的发射机功率，因此发射机的体积和制造成本也降低了。

(6)本发明的电阻率探测系统在探测过程中可以实现多种电极排列组合，可利用多个接收电极同时采集数据，并且单条测线可以观测多次，采集数据量大，因此提高了反演成像的可靠性。

(7)本发明的电阻率探测系统通过调谐阻容可以抑制探测过程中的工业噪声与杂散人文噪声，有助于提高城市环境电阻率探测结果的准确性。

(8)本发明采用的移动式车载勘探系统与方法不会对城区已有道路路面构成破坏，不对城市居民的正常出行产生影响。

(9)本发明采用的移动式车载勘探系统与方法在面对复杂的城市环境时可以因地制宜，灵活布置测线网，克服了地震勘探固有的“非规则测网”问题；

(10)本发明雷达探测系统的发射单元和观测采集单元采用阵列发射与阵列接收，选频控制模块控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，可对地下不同深度、不同尺度的目标体精细化探测成像。

(11)本发明雷达探测系统的相位控制模块控制每个发射单元的相位，从而改变辐射方向，增大探测范围，实现对不同方向的区域进行探测。

(12)本发明在雷达探测数据处理时，对不同频率的雷达信号成像结果进行相关叠加，从而可以结合不同频率信号的优势，获得更加清晰的地下介质成像结果。

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是本发明的雷达探测系统的系统框图；

图2是本发明的雷达探测系统的发射系统框图；

图3是本发明的雷达探测系统的观测系统框图；

图4是本发明的地震探测系统框图；

图5是本发明的电阻率探测系统框图；

图6(a)(b)(c)是本发明的系统工作流程图；

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。

如图1所示，一种城市车载综合地球物理探测系统，包括移动式车载发射子系统、移动式车载观测子系统、第一车体和第二车体，移动式车载发射子系统，包括搭载于第一车体的移动式车载雷达阵列式发射系统、移动式车载雷达阵列式观测系统、移动式车载电阻率探测系统、移动式车载震源系统。

移动式车载观测子系统，包括搭载于第二车体的移动式车载地震观测系统。

如图2所示，移动式车载雷达阵列式发射系统，包括搭载于第一车体的多个发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块和同步模块，选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度以及多深度探测；所述相位控制模块调整每个发射单元的相位，改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测，记录存储模块记录发射单元的数据，并通过同步模块与移动式车载阵列式观测子系统通讯。

如图3所示，移动式车载雷达阵列式观测系统，包括搭载于第一车体的观测采集单元、观测控制模块、存储模块和通讯模块，所述观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射单元的阵列对应的接受阵列，所述存储模块存储采集到的观测数据，所述通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。

作为一种具体实施方式，雷达探测系统，包括移动式车载阵列式发射系统、移动式车载阵列式观测系统、车载阵列支架，移动式车载阵列式发射系统包括发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块、收发同步、定位与通讯模块、自检模块，移动式车载阵列式观测系统包括观测采集单元、观测控制模块、记录存储模块、收发同步、定位与通讯模块、自检模块，车载阵列支架包括支架主体、电源模块、速度记录模块、速度记录模块、主控上位机。

选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，意在调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度、多深度探测。

相位控制模块调整每个发射单元的相位，从而改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测。

观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射阵列对应的接受阵列。

所述收发同步、定位与通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。

移动式车载阵列式发射系统中的记录存储模块记录发射主频的数目、主频大小、频带宽度、发射阵列数目和各频率发射相位；移动式车载阵列式观测系统中的记录存储模块记录各频率原始接收信号。

支架主体负责搭载收发天线。

电源模块实现对收发两个模块的供电。

速度记录模块负责获取、记录雷达移动速度，以供后续处理使用。

主控上位机负责控制整个系统的运行、存储记录，并与下位机通讯，内置电子地图或网络地图，显示当前发射主频的数目和主频大小和频带宽度、各频率辐射方向、当前道路电子地图、当前收发阵列数目、各频率原始接收信号和相关叠加后的信号。

如图5所示，移动式车载电阻率探测系统，包括搭载于第一车体的探测模块、测量与定位模块、上位机、通信模块、自检模块、电源模块和车载电极支架及其铰链部件。

电源模块为系统提供可靠稳定的电源。自检模块可实现系统的开机自检，并将自检的结果上传到上位机。通信模块可实现上位机和各模块之间的通讯、指令与数据交互。

测量与定位模块可实现车载系统的定位，并记录汽车的行进速度以及所经过的路线和沿途地形；

上位机负责控制整个系统的运行、存储记录，并与下位机通讯，内置电子地图或网络地图实现城市地面测网的实时显示和探测系统实时位置的显示，同时显示当前采集的视电阻率、当前探测电极的阵列形式、发射和接收电极的数目及其对应位置。

车载电极支架及其铰链部件负责搭载探测模块，并保证探测过程中支架能够灵活适应地形。

其中探测模块包括偶极子发射天线、选频控制模块、电容耦合式电极、阻容调谐模块和电极转换模块。偶极子天线可以实现向地下发射交变电流或者接收感应电流；选频控制模块可以实现控制交变电流的发射频率；电容耦合式电极可以调整耦合电容，确保偶极子发射天线和大地耦合；阻容调谐模块可以根据所设置的交变电流频率配置协调耦合电容；电极转换模块可以控制每个电极的接收和发射。

如图4所示，移动式车载震源系统，包括搭载于第一车体上的震源、震源控制模块、激震记录模块、定位与同步控制模块，所述震源控制模块控制震源震击地面激发地震波，激震记录模块实时记录激发地震波频谱和波形曲线。

移动式车载地震观测系统，包括搭载于第一车体上和第二车体上的观测数据采集模块、观测控制模块、记录存储模块、定位与同步控制模块，所述观测控制模块控制观测数据采集模块采集震波信号，所述记录存储模块对采集数据进行存储；

定位模块检测所属车体的位置，同步控制模块根据采集的位置信息，进行第一车体与第二车体的协同行进。

观测数据采集模块包括三角支架车，所述三角支架车上分布有多个检波器，所述检波器之间通过电缆连接。

具体的，观测数据采集模块外部轮廓为多个呈等边三角形状的支架车拼接而成，单个三角形支架车中固定有两根支杆用以支撑固定检波器和电缆。三角形支架由聚乙烯塑料热塑而成的支架杆和连接头组装而成，支架的底端装有2个导向轮。

第一车体和第二车体上均设置有电源模块，分别为对应车体上搭载的其他模块供电。

震源控制模块与激震记录模块、击锤震源定位与同步控制模块连接。

同步模块通过无线信号保证第一车体的激震和第二车体的观测同步进行，并且实现两辆车之间的实时通讯及定位。

移动式车载震源子系统和移动式车载观测子系统，都具有被配置为进行系统自我开机检查的自检模块。

移动式车载震源子系统和移动式车载观测子系统，都具有显示模块，所述显示模块分别显示地震波的产生或采集过程中的波频和波形。

震源为击锤震源，利用落锤震击地面激发地震波，为地震勘探提供震源。

当选择的探测方式中含车载雷达探测系统时，主控上位机负责控制整个系统的运行和存储记录，内置电子地图或网络地图，显示当前发射主频的数目和主频大小和频带宽度、各频率辐射方向、当前道路电子地图、当前收发阵列数目、各频率原始接收信号和相关叠加后的信号。

当选择的探测方式中含车载地震探测系统时，所述主控上位机负责控制整个系统的运行和存储记录，内置电子地图或网络地图，根据不同城市勘探任务工况选择不同的工作模式：当探测区域为城区道路，选择被动源观测模式；当探测区域为城郊路面，选择主动源激发观测模式；

当选择的探测方式中含车载电阻率探测系统时，所述上位机负责控制整个系统的运行、存储记录，并与下位机通讯，内置电子地图或网络地图实现城市地面测网的实时显示和探测系统实时位置的显示，同时显示当前采集的视电阻率、当前探测电极的阵列形式、发射和接收电极的数目及其对应位置。

移动式车载震源系统的特殊之处，在其他实施例中，可以将震源所在的第一车体作为震源车，将观测子系统所在的第二车体作为观测车，震源车和观测车的数量和列队方式有以下几种方式：

一辆震源车搭配一辆观测车，列队方式为震源车在前，观测车在后；

一辆震源车搭配一辆观测车，列队方式为震源车和观测车并排行驶；

一辆震源车搭配多辆观测车，列队方式为震源车在中间，观测车均分在震源车两侧并排行驶；

一辆震源车搭配多辆观测车，列队方式为震源车在前行驶，观测车跟在震源车后并排行驶。

基于上述系统的工作方法，根据不同的工况选择不同的探测系统进行综合探测。

可以选择投入雷达探测、电阻率探测和地震波探测中的任何一个，或某两个，或都投入。

当选择的探测方式中含车载雷达探测系统时，所述主控上位机负责控制整个系统的运行和存储记录，内置电子地图或网络地图，显示当前发射主频的数目和主频大小和频带宽度、各频率辐射方向、当前道路电子地图、当前收发阵列数目、各频率原始接收信号和相关叠加后的信号。

当选择的探测方式中含车载地震探测系统时，所述主控上位机负责控制整个系统的运行和存储记录，内置电子地图或网络地图，根据不同城市勘探任务工况选择不同的工作模式：当探测区域为城区道路，选择被动源观测模式；当探测区域为城郊路面，选择主动源激发观测模式；

当选择的探测方式中含车载电阻率探测系统时，所述上位机负责控制整个系统的运行、存储记录，并与下位机通讯，内置电子地图或网络地图实现城市地面测网的实时显示和探测系统实时位置的显示，同时显示当前采集的视电阻率、当前探测电极的阵列形式、发射和接收电极的数目及其对应位置。

当雷达探测投入时，具体的工作方法，包括：

(1)发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力。

(2)通过调整发射单元的相位获得不同角度、不同方向的探测范围，从而也避免各个频段的干扰。

(3)观测控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列。

(4)主控上位实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据、实时速度等，并可以实现对初始数据的矫正。

(5)对不同频率响应信号进行相关叠加，从而提高信噪比，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速。

(6)对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果。

(7)最后对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果。

步骤(1)中，上位机通过选频控制模块控制发射单元输出不同频率的电磁脉冲，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。

步骤(2)中，上位机通过相位控制模块调整每个发射单元的相位、改变辐射方向，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。

步骤(3)中，上位机通过对观测控制模块发射指令，发射控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列，并将采集到的数据存储到记录存储模块中，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。

当电阻率探测投入时，包括以下步骤：

(1)系统打开电源开始自检。

(2)根据探测深度和测区地表附近电阻率情况设定交变电流频率，确定探测区域测网的布置。

(3)汽车行进，系统进行工作，测量并采集数据，同时记录测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线。

(4)上位机实时显示系统采集到的视电阻率、勘探区域地面测网和探测系统的位置。

(5)对原始数据进行速度矫正，降低汽车行进过程中由于人为操作导致的车速变化对探测数据结果的影响。

(6)通过倾斜摄影测量数据考虑地形因素的三维建模，建立观测区域的三维模型。

(7)综合地形的三维模型和车辆的行进路线构建车载电阻率探测的测网。

(8)三维电阻率反演解释与成像。

步骤(2)中，探测深度与交变电流发射频率、发射天线与接受天线的距离、耦合电容大小和地下电阻率有关。

步骤(2)中，探测深度的近似值可由公式计算得到，其中δ为探测深度或“趋肤深度”，ω为交变电流频率，σ为测区平均电导率，μ为磁导率。

步骤(3)中，系统进行测量时的电极排列方式有三种选择，一种是保持发射—接收电极距离不变，汽车行进拉动支架车沿着测网测量从而获得整个测区的等深度电阻率率等值线图；一种是改变发射—接收电极距离，汽车行进拉动支架车沿着一条测线测量，从而获得电阻率随深度变化的测深曲线；一种是综合上述两种方式采用多收发距和多线测线进行探测获得综合数据。

步骤(3)中，系统进行测量时的发射电极和接收电极的选择有两种形式，一种是单发射电极—单接收电极，一种是单发射电极—多接收电极。采用单发射电极—单接收电极时，探测深度不变，汽车拖动支架车沿测线移动实现单一深度的剖面探测，采用单发射电极—多接收电极时，多个接收电极构成电极阵列，形成多个不同的收发距，车拖动支架车沿测线移动实现不同深度剖面的探测。

步骤(3)中，电极的接收和发射功能转换由电极转换模块实现。

步骤(3)中，测量与定位模块放置的倾斜摄影测量部件可实现记录测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线。

当地震波探测投入时，包括以下步骤：

(1)根据不同城市勘探任务工况选择不同的工作模式：当探测区域为城区道路，选择被动源观测模式；当探测区域为城郊路面，选择主动源激发观测模式。

(2)在选择被动源观测模式情况下，震源系统和观测系统打开电源，进行系统自检。

(3)根据工况选择合适的被动震源作为勘探作业震源。

(4)震源系统开始工作，对被动震源进行测量，并和观测系统同步将采集到的震源数据传输到观测系统中。

(5)观测系统同步采集观测数据，并和同步接收到的震源数据一同存储以便后续的数据处理。

(6)对数据进行反演处理并成像解释，给出最后的成像结果。

(7)在选择主动源观测模式情况下，根据工况确定震源车和观测车的数量及工作列队方式。

(8)震源系统和观测系统打开电源，进行系统自检。

(9)震源系统开始激震采集震源数据，并和观测系统同步将采集到的震源数据传输到观测系统中。

(10)观测系统和震源系统保持同步采集观测数据，并和同步接收到的震源数据一同存储以便后续的数据处理。

(11)对数据进行反演处理并成像解释，给出最后的成像结果。

更为具体的分工况进行介绍：

工况1：当探测工况为富水软弱层时，主控上位机选择移动式车载电阻率探测系统和移动式车载雷达探测系统对目标体进行综合探测，包括以下步骤：；

(1)车载电阻率探测系统和车载雷达探测系统分别进行系统自检，

(2)车载电阻率探测系统根据不同的探测深度、探测精度、探测范围和测区地表附近电阻率情况设定交变电流频率、确定探测区域测网的布置。车载雷达探测系统通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力，同时，通过调整发射单元的相位获得不同角度以及不同方向的探测范围；

(3)汽车系统进行工作，测量并采集数据，同时记录测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线。

(4)上位机实时显示电阻率探测系统采集到的视电阻率、勘探区域地面测网和探测系统的位置。雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号，地形数据与实时速度等。

(5)对原始数据进行矫正，对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，同时，降低汽车行进过程中由于人为操作导致的车速变化对探测数据结果的影响。

(6)车载电阻率探测系统通过倾斜摄影测量数据考虑地形因素的三维建模，建立观测区域的三维模型，并综合地形的三维模型和车辆的行进路线构建车载电阻率探测的测网。车载雷达系统对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果，对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加。

(7)三维反演成像与解释。

工况2：当探测工况为地下松散层、风化破碎岩体时，主控上位机选择移动式车载雷达探测系统和移动式车载地震探测系统对目标体进行综合探测；

(1)车载雷达探测系统和车载地震探测系统分别进行系统自检，

(2)车载雷达探测系统发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力，同时，通过调整发射单元的相位获得不同角度以及不同方向的探测范围；车载地震探测系统对震源进行测量，采集震源数据，同步采集观测数据，并和震源数据一同存储；

(3)汽车系统进行工作，测量并采集数据，同时记录测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线。

(4)上位机实时显示雷达探测系统采集到的雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号，地震探测系统接收到的地震波、反射波信号，勘探区域地面测网和探测系统的位置。

(5)雷达探测系统对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速，对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；

(6)雷达探测系统对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果；地震探测系统对数据进行反演处理并成像解释，给出最后的成像结果。

工况3：当探测工况为地裂缝时，主控上位机选择移动式车载电阻率探测系统和移动式车载地震探测系统对目标体进行综合探测；

(1)车载电阻率探测系统和车载地震探测系统分别进行系统自检。

(2)车载电阻率探测系统根据不同的探测深度、探测精度、探测范围和测区地表附近电阻率情况设定交变电流频率。车载地震探测系统对震源进行测量，采集震源数据，同步采集观测数据，并和震源数据一同存储；

(3)汽车系统进行工作，测量并采集数据，同时记录测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线。

(4)上位机实时显示电阻率探测系统采集到的视电阻率、勘探区域地面测网和探测系统的位置和地震探测系统接收到的地震波信号或者地震波遇到介质分界面时弹性波产生反射波信号。

(5)电阻率探测系统对原始数据进行速度矫正，降低汽车行进过程中由于人为操作导致的车速变化对探测数据结果的影响，同时通过倾斜摄影测量数据考虑地形因素的三维建模，建立观测区域的三维模型。

(6)对数据进行反演处理并成像解释，给出最后的成像结果。

被动源观测模式是指利用掘进机掘进震动或者地铁运行过程中的非人工主动激发的震源作为勘探震源，在地面接收地下传来的地震波,只需利用第一车体进行探测；

主动源观测模式的工作原理是浅层地震反射波法，即利用地震波在弹性介质传播的理论,通过人工在地面激发地震波向地下传播,遇到介质分界面时弹性波产生反射；利用接收其反射波信号,通过浅层地震仪进行时频特征分析和振幅特征分析,获得地下地质体的特征信息。在选择主动源观测模式情况下，根据工况确定第一车体和第二车体的数量及工作列队方式。

电阻率探测系统中的探测深度与交变电流发射频率、发射天线与接受天线的距离、耦合电容大小和地下电阻率有关。探测深度的近似值可由公式计算得到，其中δ为探测深度或“趋肤深度”，ω为交变电流频率，σ为测区平均电导率，μ为磁导率。

电阻率探测系统进行测量时的电极排列方式有三种选择，一种是保持发射—接收电极距离不变，汽车行进拉动支架车沿着测网测量从而获得整个测区的等深度电阻率率等值线图；一种是改变发射—接收电极距离，汽车行进拉动支架车沿着一条测线测量，从而获得电阻率随深度变化的测深曲线；一种是综合上述两种方式采用多收发距和多线测线进行探测获得综合数据。

电阻率探测系统进行测量时的发射电极和接收电极的选择有两种形式，一种是单发射电极—单接收电极，一种是单发射电极—多接收电极。采用单发射电极—单接收电极时，探测深度不变，汽车拖动支架车沿测线移动实现单一深度的剖面探测，采用单发射电极—多接收电极时，多个接收电极构成电极阵列，形成多个不同的收发距，车拖动支架车沿测线移动实现不同深度剖面的探测。

雷达探测系统中的上位机通过选频控制模块控制发射机单元输出不同频率的电磁脉冲，通过相位控制模块调整每个发射单元的相位、改变辐射方向，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。

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 (15)

1.一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：包括第一车体和第二车体，以及搭载于第一车体上的发射子系统和搭载于第二车体上的观测子系统，其中：

所述发射子系统包括可任一或组合投入的雷达阵列式发射系统、雷达阵列式观测系统、电阻率探测系统和车载震源系统，所述雷达阵列式发射系统对不同方向、不同区域的地下目标体发射频率、探测深度、相位或/和分辨能力可调的电磁波，所述雷达阵列式观测系统接收电磁波探测数据；

所述电阻率探测系统通过电极阵列对不同方向、不同区域的地下目标体发射交变电流，记录当前电极的阵列形式、数目及其对应位置；

所述车载震源系统对不同方向、不同区域的地下目标体发射地震波，并记录激发地震波频谱和波形曲线；

所述观测子系统，记录地震波探测数据；

所述第一车体或第二车体上设置有处理器，所述处理器接收电磁波、交变电流或地震波探测数据，根据数据的类型和情况进行反演，得到成像结果。

2.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述雷达阵列式发射系统，包括多个发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块和同步模块，所述选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度以及多深度探测；所述相位控制模块调整每个发射单元的相位，改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测，记录存储模块记录发射单元的数据，并通过同步模块与观测子系统通讯。

3.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述雷达阵列式观测系统，包括观测采集单元、观测控制模块、存储模块和通讯模块，所述观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射单元的阵列对应的接收阵列，所述存储模块存储采集到的观测数据，所述通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。

4.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述电阻率探测系统，包括：

探测模块，包括偶极子发射天线、选频控制模块、多个电极和电极转换模块，所述偶极子天线向地下发射交变电流，所述电极转换模块控制每个电极的接收或者发射；选频控制模块控制交变电流的发射频率，并将发射频率数据和指令数据向通信模块输出；

测量与定位模块，搭载倾斜摄影测量部件，对运载车辆定位，并记录第一车体的行进速度以及所经过的路线和沿途地形；

通信模块，被配置为提供上位机与探测模块，以及探测模块内部各模块的通讯与数据交互；

上位机，被配置为内置电子地图或网络地图，以实现城市地面测网的实时显示和探测系统实时位置的显示，存储并显示采集的视电阻率、当前探测电极的阵列形式、发射和接收电极的数目及其对应位置。

5.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述电极为电容耦合式电极，其耦合电容值可调节，以保证偶极子发射天线和大地耦合；

所述探测模块还包括阻容调谐模块，根据所设置的交变电流频率配置协调所述电容耦合式电极的耦合电容。

6.如权利要求5所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述电极处于发射状态时，所述选频控制模块根据已设定好的交变电流频率向偶极子天线传输发射指令，同时将指令数据输入阻容调谐模块；阻容调谐模块根据得到的交变电流发射频率对电容耦合式电极进行调整，使其能够和偶极子天线以及地面进行耦合，进而向地面激起感应电流。

7.如权利要求5所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述电极处于接收状态时，所述选频控制模块依据已设定好的交变电流频率向阻容调谐模块传输数据，阻容调谐模块依据发射频率对电容耦合式电极进行配谐，确保和偶极子天线以及地面进行耦合，从而使得偶极子天线接收到来自发射电极的感应电流。

8.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述车载震源系统，包括震源、震源控制模块、激震记录模块、定位与同步控制模块，所述震源控制模块控制震源震击地面激发地震波，激震记录模块实时记录激发地震波频谱和波形曲线；定位模块检测所属车体的位置，同步控制模块根据采集的位置信息，进行第一车体与第二车体的协同行进。

9.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述观测子系统包括观测数据采集模块、观测控制模块、记录存储模块、定位与同步控制模块，所述观测控制模块控制观测数据采集模块采集震波信号，所述记录存储模块对采集数据进行存储；定位模块检测所属车体的位置，同步控制模块根据采集的位置信息，进行第一车体与第二车体的协同行进。

10.如权利要求1所述的一种城市车载综合地球物理探测系统，其特征是：所述第一车体上设置有支架，所述支架包括主支架，以及设置于主支架上若干个三角支架，所述电阻率探测系统的电极设置于三角支架上，所述三角支架上具有电极箱的承载空间；

或，所述第二车体上设置有支架，所述支架包括主支架，以及设置于主支架上若干个三角支架，所述观测数据采集模块设置于三角支架上，观测数据采集模块之间通过电缆连接。

11.基于如权利要求1-10中任一项所述的综合地球物理探测系统的工作方法，其特征是：包括：

根据不同的工况选择不同的雷达阵列式发射系统、电阻率探测系统或/和车载震源系统进行综合探测；

电阻率探测系统根据不同的探测深度、探测精度、探测范围和测区地表附近电阻率情况设定交变电流频率、确定探测区域测网的布置；

雷达探测系统根据不同的探测深度、探测精度、探测范围确定主频电磁脉冲的频率范围和发射单元的相位；

车载震源系统根据震源的形式，对震源进行相应的设置，采集震源数据；

第一车体和第二车体进行运动，同时记录各个测点的坐标、车辆行进速度以及行进路线；

采集视电阻率，勘探区域地面测网和探测系统的位置、雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号，地震波信号或者地震波遇到介质分界面时弹性波产生反射波信号，以及地形数据与实时速度；

建立观测区域的三维模型，并综合地形的三维模型和车辆的行进路线构建三维测网，对数据进行反演处理并成像解释，给出最后的成像结果。

12.如权利要求11所述的工作方法，其特征是：电阻率探测时，电极排列方式有三种选择，一种是保持发射和接收电极距离不变，运载车辆沿着测网测量从而获得整个测区的等深度电阻率率等值线图；一种是改变发射—接收电极距离，运载车辆沿着一条测线行进测量，获得电阻率随深度变化的测深曲线；另一种是综合上述两种方式采用多收发距和多线测线进行探测获得综合数据。

13.如权利要求11所述的工作方法，其特征是：测量时，发射电极和接收电极的选择有两种形式，一种是单发射电极—单接收电极，一种是单发射电极—多接收电极；采用单发射电极—单接收电极时，探测深度不变，运载车辆沿测线移动实现单一深度的剖面探测，采用单发射电极—多接收电极时，多个接收电极构成电极阵列，形成多个不同的收发距，运载车辆沿测线移动实现不同深度剖面的探测。

14.如权利要求11所述的工作方法，其特征是：车载震源系统根据不同城市勘探任务工况选择不同的工作模式：当探测区域为城区道路，选择被动源观测模式；当探测区域为城郊路面，选择主动源激发观测模式，被动源观测模式是指利用掘进机掘进震动或者地铁运行过程中的非人工主动激发的震源作为勘探震源，在地面接收地下传来的地震波；

主动源观测模式的工作原理是浅层地震反射波法，即利用地震波在弹性介质传播的理论,通过人工在地面激发地震波向地下传播,遇到介质分界面时弹性波产生反射；利用接收其反射波信号,通过浅层地震仪进行时频特征分析和振幅特征分析,获得地下地质体的特征信息。

15.如权利要求11所述的工作方法，其特征是：雷达探测系统投入工作时，具体包括以下步骤：

(1)发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力；

(2)通过调整发射单元的相位获得不同角度以及不同方向的探测范围；

(3)观测控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列；

(4)主控上位实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据与实时速度，实现对初始数据的矫正；

(5)对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速；

(6)对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；

(7)对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果。