CN111443396B - 一种基于电法和地震法的检测装置、系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电法和地震法的检测装置、系统及检测方法，该检测装置包括至少一个地电传感器，所述地电传感器包括外壳和外壳内部的检波器芯片；所述外壳为导电材料制成，所述外壳用于电法的供电和电压测量；所述检波器芯片包括压敏部件和放大器，用于地震法的地震信号的检测。本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测装置，通过设置地电传感器可以同时对地质进行电法和地震法的勘探，解决了现有技术中两套设备探测不便的技术问题。同时，设计地电传感器的外壳作为电极，可以增大接触面，提高测量的精度。

Description

一种基于电法和地震法的检测装置、系统及检测方法

技术领域

本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种基于电法和地震法的检测装置、系统及检测方法。

背景技术

电法勘探技术和地震波法这两项技术适用于环保、灾害、城建、交通、水利、电力、铁路、桥梁、矿产及地下水等领域的勘察工作。其中，电法勘探技术是利用地下介质的导电特性进行探测的一种物探技术。传统的电法设备是利用AB电极向地下发送高压电流并测量电流值，利用MN电极测量电压值，利用供电电流数据和采样电压数据计算视电阻率，将这些计算结果拷贝到计算机进行处理与分析，为环保、灾害、城建、交通、水利、电力、铁路、桥梁、矿产及地下水等勘探工作提供数据依据。由于电法对低阻充水破碎带反映灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，因而被广泛应用于煤田、油气田、金属矿、地下水、冻土带、海洋地质、水文等地质勘探及工程检测的研究。地震法是通过检测地质体的地震波，应用地震波的折射、反射原理，确定地质体的断层、陷落柱、地质层厚度等地质构造，从而达到勘测目的。

然而，现有的电法设备不能灵活地选择电极，采集的参数少，不能满足高精度快速测量的要求。同时，由于地震波传播易受干扰，因而地震法对断层、采空区、岩熔发育区、破碎带等地质异常体是否充水的信息捕捉不够灵敏。因此，为了获取准确全面的地质信息，需要分别采用电法和地震波两套仪器进行探测。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于电法和地震法的检测装置、系统及检测方法，以解决现有技术中全面检测地质信息时，需要分别采用电法和地震波两套仪器进行探测的技术问题。

本发明提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种基于电法和地震法的检测装置，该检测装置包括：至少一个地电传感器，所述地电传感器包括外壳和外壳内部的检波器芯片；所述外壳为导电材料制成，所述外壳用于电法的供电和电压测量；所述检波器芯片包括压敏部件和放大器，用于地震法的地震信号的检测。

进一步地，该基于电法和地震法的检测装置包括：多组地电传感器阵列，每组地电传感器阵列包括由电缆连接的多个地电传感器。

本发明实施例第二方面提供一种基于电法和地震法的检测系统，该检测系统包括：仪器控制平台、电法测量控制器、地震测量控制器、信号处理单元及如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的检测装置；所述仪器控制平台分别连接所述电法测量控制器和地震测量控制器，用于向所述电法测量控制器发送第一命令控制所述电法测量控制器进行电法测量，向所述地震测量控制器发送第二命令控制所述地震测量控制器进行地震数据采集；所述电法测量控制器连接所述检测装置，用于根据所述第一命令控制所述检测装置中地电传感器的外壳进行电法的供电和电压测量；所述地震测量控制器连接所述检测装置，所述地震测量控制器根据所述第二命令控制所述检测装置中地电传感器的检波器芯片进行地震法的地震信号的检测；所述信号处理单元分别对接收电法测量的电法数据和地震法测量的地震信号进行处理，监测是否发生地质灾害。

进一步地，该基于电法和地震法的检测系统还包括：供电单元和转换单元，所述供电单元连接所述电法测量控制器和所述检测装置，用于根据所述地电传感器的外壳电极进行供电；所述转换单元连接所述电法测量控制器和所述检测装置，用于当检测装置包括多个地电传感器时，对多个地电传感器进行排列组合。

进一步地，该基于电法和地震法的检测系统还包括：地震信号接收单元，所述地震信号接收单元连接所述地震测量控制器和所述检测装置，用于提取所述检测装置中的地震信号，并输出至所述信号处理单元。

进一步地，所述信号处理单元包括：电法与地震信号切换模块、前放模块、滤波模块、AD转换模块、存储模块。所述电法与地震信号切换模块分别接收电法测量的电压数据和地震法测量的地震信号输出至所述前放模块、滤波模块、AD转换模块进行处理；所述存储模块用于将处理后的信号进行存储。

进一步地，该基于电法和地震法的检测系统还包括：分布电缆和分布式采集器，所述分布式采集器包括多个电极，用于进行电法测量；所述分布电缆连接所述分布式采集器，用于将所述分布式采集器测量的电法信号输出至所述信号处理单元。

进一步地，该基于电法和地震法的检测系统还包括：灾害监测器，所述灾害监测器连接所述分布电缆，用于将监测的灾害信号通过所述分布电缆传输至所述仪器控制平台。

进一步地，该基于电法和地震法的检测系统还包括：无线传输单元，用于将所述信号处理单元处理后的信号输出。

本发明实施例第三方面提供一种基于电法和地震法的检测方法，应用于如本发明实施例第二方面及第二方面任一项所述的基于电法和地震法的检测系统，所述检测方法包括如下步骤：启动仪器控制平台，设置工作参数并输出第一命令和第二命令；根据地震测量控制器控制检测装置进行地震法地震信号的检测；切换多个地电传感器起始与终止位置的排列，再次进行地震法地震信号的检测，直到所有的起始与终止位置的排列完成；将由起始位置依次排列的地电传感器外壳分别作为A电极、M电极、N电极及B电极测量得到第一电法数据；向后移动3个电极的位置继续进行电法测量，直到所有电极测量完成；增加A电极、M电极、N电极及B电极之间的间隔，进行电法测量，直到所有电极测量完成，生成二维剖面图；转移至下一条测线，根据检测装置进行电法测量，直至所有测线测量完成，生成三维剖面图；当所有测线测量完成，等待预设时间，继续进行二维和三维电法测量，生成四维剖面图。

本发明技术方案，具有如下效果：

本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测装置，通过设置地电传感器可以同时对地质进行电法和地震法的勘探，解决了现有技术中两套仪器探测不便的技术问题。同时，设计地电传感器的外壳作为电极，可以增大接触面，提高测量的精度。

本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测系统，通过在检测装置的基础上设置仪器控制平台、电法测量控制器、地震测量控制器、信号处理单元，可以根据仪器控制平台的控制，实现电法和地震波法的综合测量，可以提高该检测系统的准确性和可靠性。此外，通过设置转换单元，对多电极进行自由选取，可以实现多参数的综合测量与分析，可以实现电法的高精度检测。

本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测方法，通过多个地电传感器可以在多条测线上同时测量，实现三维探测；可以在一定时间内，连续测量一定区域内的地质结构和电性随时间的变化规律，实现四维勘探。因此，本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测方法可以精细探测一定区域内的地质结构、电性异常及其变化规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于电法和地震法的检测装置的结构框图；

图2为本发明实施例中基于电法和地震法的检测装置的检波器芯片的原理框图；

图3为本发明实施例中基于电法和地震法的检测装置的分布图；

图4为本发明实施例中基于电法和地震法的检测系统的结构框图；

图5为本发明实施例中基于电法和地震法的检测系统的分布式采集的结构框图；

图6为本发明实施例中基于电法和地震法的检测系统的检测原理图；

图7为本发明实施例中基于电法和地震法的检测方法的流程图；

图8为本发明实施例中基于电法和地震法的检测方法的电法信号检测原理图；

图9为本发明实施例中基于电法和地震法的检测方法的地震信号检测原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种基于电法和地震法的检测装置，如图1所示，该检测装置包括：至少一个地电传感器，该地电传感器包括外壳1和外壳内部的检波器芯片2；外壳1为导电材料制成，外壳1用于电法的供电和电压测量；检波器芯片2包括压敏部件和放大器，用于地震法的地震信号的检测。

在一实施例中，如图1所示，地电传感器外壳可以是金属空心圆形锥体，圆形内腔的检波器芯片可以由陶瓷压敏部件或动圈式芯体和放大器组成，该检波器芯片可以用于接收震动信号，并将震动信号转换为电信号。同时可以在内腔引出两根线用于传输信号。具体地，检波器芯片的电路结构可以如图2所示，可以包括5V电源、放大器OP1、电阻R1、R2和陶瓷压敏部件或动圈式芯体JT等。

本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测装置，通过设置地电传感器可以同时进行电法和地震法对地质的勘探，解决了现有技术中两套设备探测不便的技术问题。同时，设计地电传感器的外壳作为电极，可以增大接触面，提高测量的精度。

在一实施例中，该检测装置可以包括：多组地电传感器阵列，每组地电传感器阵列包括由电缆连接的多个地电传感器。可选地，可以设置10组地电传感器阵列，各组之间并行连接，一组地电传感器阵列可以设计12个地电传感器，构成由120个地电传感器组成的检测装置。该检测装置作为地震检波器可以接收120道地震信号，同时又可以作为120个电极作为电法的供电与测量。本发明实施例对检测装置中传感器的个数不做限定。

具体地，如图3所示，多个地点传感器(例如有120个)的排列方式可以按照折线方案进行布置，也可以按照直线方案进行布置。其中，折线方案中由一根长电缆连接构成，直线方案由四根短电缆连接构成。

具体地，当检测装置中包括120个地电传感器即120个电极时，可以将多个地电传感器进行顺序排列，并依次编号FZ1、FZ2、FZ3----FZ120。在进行电法测量时，第一个电极即FZ1可以作为供电电极，之后每隔三根电极作为供电电极进行供电，供电电极后面的两个电极不供电而作为MN电极测量电压信号，避免了供电电极对测量电极的影响，从而提高了电法测量的精度。

本发明实施例还提供一种基于电法和地震法的检测系统，如图4所示，该检测系统包括：仪器控制平台10、电法测量控制器20、地震测量控制器30、信号处理单元40及上述实施例中的检测装置50；仪器控制平台10分别连接电法测量控制器20和地震测量控制器30，用于向电法测量控制器20发送第一命令控制电法测量控制器20进行电法测量，向地震测量控制器30发送第二命令控制地震测量控制器30进行地震数据采集；电法测量控制器20连接检测装置50，用于根据第一命令控制检测装置50中地电传感器的外壳进行电法的供电和电压测量；地震测量控制器30连接检测装置50，地震测量控制器30根据第二命令控制检测装置50中地电传感器的检波器芯片进行地震法的地震信号的检测；信号处理单元40分别接收电法测量的电压数据和地震法测量的地震信号进行处理，监测是否发生地质灾害。

本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测系统，通过在检测装置的基础上设置仪器控制平台、电法测量控制器、地震测量控制器、信号处理单元，可以根据仪器控制平台的控制，实现电法和地震波法的综合测量，可以提高该检测系统的准确性和可靠性。

在一实施例中，该基于电法和地震法的检测系统还包括：供电单元60和转换单元70；电法测量控制器20连接供电单元60，利用地电传感器的外壳电极进行供电；转换单元70连接电法测量控制器20和检测装置50，用于当检测装置50包括多个地电传感器时，对多个地电传感器进行排列组合。具体地，供电单元60通过地电传感器中的AB电极向地下供电，其供电电压为可以调节输出大小的稳压电压。转换单元70可以用于将多个电极进行组合后实现电压信号的测量。因此，该检测系统通过多电极的自由选取，可以实现多参数的综合测量与分析，可以实现电法的高精度检测。

在一实施例中，该基于电法和地震法的检测系统还包括：地震信号接收单元80。地震信号接收单元80连接地震测量控制器和检测装置，用于提取检测装置中的地震信号，并输出至信号处理单元40。具体地，该地震信号接收单元80可以将地电传感器阵列中电缆传输的信号中的地震信号提取出来。

在一实施例中，信号处理单元40包括：电法与地震信号切换模块41、前放模块42、滤波模块43、AD转换模块44、存储模块45，电法与地震信号切换模块41分别接收电法测量的电压数据和地震法测量的地震信号输出至前放模块42、滤波模块43、AD转换模块44进行处理；存储模块45用于将处理后的信号进行存储。

具体地，在检测装置50进行电法测量和地震法测量后，电法与地震信号切换模块41可以分别接收电法信号和地震信号，并输入至前放模块42进行处理，前放模块42可以将微弱信号放大至一定数量级，从而提高后续分析处理的精度。滤波模块43可以对信号进行模拟滤波，滤除干扰信号；AD转换模块44可以将模拟滤波后的模拟量转换成数字量，并存储在存储模块45中。同时，也可以设置显示模块46对数字量进行显示。

在一实施例中，该基于电法和地震法的检测系统还包括：分布电缆3和分布式采集器4，分布式采集器4包括多个电极，用于进行电法测量；分布电缆3连接分布式采集器，用于将分布式采集器4测量的电法信号输出至信号处理单元40进行处理。具体地，如图5所示，分布电缆和分布式采集器可以分别包括两个。

可选地，如图4所示，该基于电法和地震法的检测系统还可以包括：灾害监测器5，灾害监测器5通过分布式采集器4连接分布电缆3，用于将监测的地质灾害信号通过分布电缆传输至仪器控制平台10，连续监测地质灾害信号。具体地，灾害监测器可以包括多种传感器，用于监测地质中各类信号。

在一实施例中，该基于电法和地震法的检测系统还包括：无线传输单元90，用于将信号处理单元处理后的信号输出。具体地，当该检测系统位于千里之外时，可以利用无线传输单元90在控制中心无线远程控制与数据传输，实现无人值守，远程测量数据。

具体地，该检测系统的检测原理如图6所示，震源激发地震波，地层反射到检波点，检波器芯片将震动信号转换成电信号并由信号处理单元进行处理；AB电极向地下发射电流，MN电极接收电法测量电压并由信号处理单元进行处理。

本发明实施例还提供一种基于电法和地震法的检测方法，该检测方法可以用于上述实施例所述的基于电法和地震法的检测系统中，如图7所示，该检测方法包括如下步骤：

步骤S101：启动仪器控制平台，设置工作参数并输出第一命令和第二命令；其中工作参数包括地震信号采集的道数、起始道号、终止道号、采样率、记录长度、叠加次数；还包括电极总数、起始电极、终止电极、起始层、终止层、供电时间、断电时间、延迟时间、图像显示色标等等。当参数设置完成后，可以向电法测量控制器和地震测量控制器分别输入第一命令和第二命令，由电法测量控制器和地震测量控制器分别控制检测装置进行电法数据和地震数据的采集。

步骤S102：根据地震测量控制器控制检测装置进行地震法地震信号的检测；具体地，在进行地震测量时，地电传感器内部的陶瓷压敏部件和放大器把震动信号转换成电信号，通过电缆把信号送到地震信号接收单元提取地震信号。电法与地震信号切换单元控制地震信号进入公共通道，由前放模块将弱信号放大到一定数量级，进入滤波模块进行模拟滤波，滤除干扰信号，转换模块把模拟量转换成数字量,最后把数据存储到存储单元，由显示器将存储的数据生成地震数据图像进行显示。

步骤S103：切换多个地电传感器起始与终止位置的排列，再次进行地震法地震信号的检测，直到所有的起始与终止位置的排列完成；具体地，可以将地电传感器的所有排列方式预先计算出来，在切换位置时，可以按照预先计算的排列方式一一排列，并记录每次排列后检测到的地震数据，直到所有排列方式切换完成。

步骤S104：将由起始位置依次排列的地电传感器外壳引出电极分别作为A电极、M电极、N电极及B电极测量得到第一个电法数据；具体地，在电法测量控制器根据第一命令控制检测装置进行电法测量时，可以从顺序排列的第一个地电传感器作为供电电极开始进行检测，即将第一电极作为A电极供电，第二电极作为M电极接收数据，第三电极作为N电极接收数据，第四电极作为B电极供电，测量得到第一个电法数据。其中，在供电时测量电流值I和电压数据V，断电时测量电压数据V2。利用V和I的比值计算视电阻率，利用电压数据V2和V比值计算极化率，并把这个视电阻率值用相应的颜色在屏幕上画图。

在进行电法测量时，地电传感器通过集中式电缆连接到转换单元；电法与地震信号切换单元控制电法信号，进入公共通道，由前放模块将弱信号放大到一定数量级，滤波模块进行模拟滤波，滤除干扰信号，转换模块把模拟量转换成数字量并存储到存储单元。

步骤S105：向后移动3个电极的位置继续进行电法测量，直到所有电极测量完成；具体地，当第一个电法数据测量完成后，可以通过控制转换单元向后移动3个电极的位置继续进行另一组地电传感器的电法测量，直到所有电极测量完成。

步骤S106：增加A电极、M电极、N电极及B电极之间的间隔，进行电法测量，直到所有电极测量完成，生成二维剖面图；具体地，当所有电极电法测量完成后，可以将AMNB电极之间加大一个电极的间隔，按照步骤S104和步骤S105继续进行电法测量，直到所有电极测量完成，可以根据所有保存的数据生成二维剖面图。

步骤S107：转移至下一条测线，根据检测装置进行电法测量，直至所有测线测量完成，生成三维剖面图；具体地，当有多条测线需要监测时，可以在一条测线上完成步骤S104至步骤S106后，转移至下一条测线继续进行上述步骤的电法测量，直至所有测线测量完成，生成三维剖面图。

步骤S108：当所有测线测量完成，等待预设时间，继续进行二维和三维电法测量，生成四维剖面图。具体地，当所有测线测量完成后，可以间隔预设时间，继续进行上述步骤的电法测量，得到四维剖面图。

在一实施例中，上述步骤中的二维剖面图、三维剖面图、四维剖面图可以采用无线传输模块将测量的数据传输到基地的控制中心进行处理绘图，也可以在仪器控制平台绘图。

具体地，如图8所示，信号处理单元可以采用对应的电路图包括多个电阻、电容、放大器及相应的芯片实现对电法信号的处理，如信号的放大、滤波、AD转换和存储等。在一实施例中，如图9所示，地震信号的测量过程可以采用地震测量控制器30控制相应的多个模拟开关选择不同道的模拟信号，再通过AD转换器将模拟信号转换成数字量，存储在主控板中。

本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测方法，通过多个地电传感器可以在多条测线上同时测量，实现三维探测；可以在一定时间内，连续测量一定区域内的地质结构和电性随时间的变化规律，实现四维勘探。因此，本发明实施例提供的基于电法和地震法的检测方法可以精细探测一定区域内的地质结构和电性异常及其变化规律。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其它例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、结构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、结构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、结构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于电法和地震法的检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于基于电法和地震法的检测系统，所述检测系统包括仪器控制平台、电法测量控制器、地震测量控制器、信号处理单元及检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

启动仪器控制平台，设置工作参数并输出第一命令和第二命令，所述仪器控制平台分别连接所述电法测量控制器和地震测量控制器，用于向所述电法测量控制器发送第一命令控制所述电法测量控制器进行电法测量，向所述地震测量控制器发送第二命令控制所述地震测量控制器进行地震数据采集；

根据地震测量控制器控制检测装置进行地震法地震信号的检测，所述检测装置包括多个地电传感器，所述地电传感器包括外壳和外壳内部的检波器芯片，所述检波器芯片包括压敏部件和放大器，用于地震法的地震信号的检测，所述外壳为导电材料制成，所述外壳用于电法的供电和电压测量；

切换多个地电传感器起始与终止位置的排列，再次进行地震法地震信号的检测，直到所有的起始与终止位置的排列完成；

根据电法测量控制器控制由起始位置依次排列的地电传感器外壳分别作为A电极、M电极、N电极及B电极测量得到第一电法数据；

向后移动３个电极的位置继续进行电法测量，直到所有电极测量完成；

增加A电极、M电极、N电极及B电极之间的间隔，进行电法测量，直到所有电极测量完成，生成二维剖面图；

转移至下一条测线，根据检测装置进行电法测量，直至所有测线测量完成，生成三维剖面图；

当所有测线测量完成，等待预设时间，继续进行二维和三维电法测量，生成四维剖面图；

根据信号处理单元将电法测量的电法数据和地震法测量的地震信号进行处理，监测是否发生地质灾害。

2.根据权利要求1所述的基于电法和地震法的检测方法，其特征在于，所述多个地电传感器之间通过电缆连接。

3.根据权利要求1所述的基于电法和地震法的检测方法，其特征在于，在将地震法测量的地震信号进行处理之前还包括：提取所述检测装置中的地震信号并输出。

4.根据权利要求1所述的基于电法和地震法的检测方法，其特征在于，将电法测量的电法数据和地震法测量的地震信号进行处理，包括：

将电法测量的电压数据和地震法测量的地震信号进行放大、滤波和AD转换处理，并将处理后的信号进行存储。

5.根据权利要求1所述的基于电法和地震法的检测方法，其特征在于，还包括：

通过灾害监测器进行灾害信号监测。

6.根据权利要求1所述的基于电法和地震法的检测方法，其特征在于，还包括：将处理后的信号输出通过无线传输单元输出。

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