CN113655526B - 基于动态瞬变电磁的实时成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井勘探技术领域，具体涉及基于动态瞬变电磁的实时成像方法及系统，该方法包括：设置步骤，在控制模块中进行探测参数设置，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间；一次场形成步骤，通过控制模块按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场；二次场采集步骤，在电流关闭时，通过接收模块接收当前的二次场数据并发送给处理模块；数据处理步骤，通过处理模块对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值；即时成像步骤，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图。本申请可以边探测边成像，保证探测的时效性和准确性。

Description

基于动态瞬变电磁的实时成像方法及系统

技术领域

本发明属于矿井勘探技术领域，具体涉及基于动态瞬变电磁的实时成像方法及系统。

背景技术

瞬变电磁法(Transient electromagnetic method，TEM)被广泛应用于煤田水患、矿产资源和地下资源探测中，是一种重要的地球物理勘探方法。其主要利用不接地回线会接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场。通过瞬变电磁法可以对地下工程的致水害体进行探测。

目前，瞬变电磁的探测系统，大都是先探测后处理的模式，即，先在地下采集数据，再回到地上后对数据进行分析处理。这样的方式时效性差，无法实现瞬变电磁现场边探测边成像的动态探测，并且，这种先采集后处理的方式，后续分析出存在异常区域时，将其与实际探测点进行匹配时也比较麻烦，准确性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于动态瞬变电磁的实时成像方法，能够实现边探测边成像，保证探测的时效性和准确性。

本发明提供的基础方案为：

基于动态瞬变电磁的实时成像方法，包括：

设置步骤，在控制模块中进行探测参数设置，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间；

一次场形成步骤，通过控制模块按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场；

二次场采集步骤，在电流关闭时，通过接收模块接收当前的二次场数据并发送给处理模块；

数据处理步骤，通过处理模块对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值；

即时成像步骤，通过处理模块以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图，再通过视电阻率值的分布范围，按照预设比例的色谱图例对草图进行对等值线填充，得到探测剖面图，并通过显示模块进行显示。

基础方案工作原理及有意效果：

使用本方法，在设置好探测参数后，控制模块会自动按照设置的探测参数，控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场。之后，接收模块会在电流关闭时接收当前的二次场数据并发送给处理模块，由处理模块进行处理得到对应的视深度及视电阻率值。

再然后，处理模块会以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，并对视电阻率值进行数据网格化处理及插值处理形成剖面的草图，即探测剖面的示意图。为了工作人员直接的了解探测情况，处理模块会在得到草图后通过视电阻率的分布范围，按照预设比例的色谱图例进行对等值线填充，得到探测剖面图，并通过显示模块进行显示。工作人员可通过显示的探测剖面图，直接的体现了当前的探测情况。

综上，使用本方法，工作人员只需要根据探测的需求设置好探测参数后，可通过显示模块即时了解当前的探测剖面图，保证探测的时效性和准确性。

进一步，二次场采集步骤中，接收模块包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的第一采集通道和第二采集通道；第一采集通道包括第一输入保护电路、第一放大器及第一ADC，第二采集通道包括第二输入保护电路第二放大器及第二ADC；第一放大器的增益率为X，第二通道增益为Y；其中，X小于1，Y大于80；

微控制器控制第一采集通道及第二采集通道同时工作，并同时读取第一采集通道及第二采集通道的数字信号；微控制器用递推式平均算法对获取的第一采集通道的数据进行叠加，每次获取数据后利用加权的方式对上次获取数据进行加权，并用递推式平均算法对获取的第二采集通道的数据进行叠加，还在最后一次获取数据后，将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接得到二次场数据。

有益效果：对获取的第一采集通道及第二采集通道的数据进行处理时，由于递推平均算法公式是由平均计算公式推导而来，其计算结果与所有数据采集完成后叠加是一样的，可以保证数据的有效性，再结合数据获取完成后的拼接，可以将接收模块的动态范围扩大Y/X倍。

接收模块采用这样的结构及采集处理方式，与常规的采集方式相比，采集的动态范围增大了许多倍，收集到的信号更大，可以保证采集到的二次场数据的完整性和准确性，进而保证后续成像的准确性。

进一步，二次场采集步骤中，微控制器用局部拟合法将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接。

有益效果：在保证数据准确性的同时，可保证拼接的效率，探测成像的整体效率有保证。

进一步，即时成像步骤中，对彩图进行对等值线填充时，根据预设的阈值及色谱填充，对不同视电阻率值的等级进行划分，进行富水程度的预测。

有益效果：这样的方式，可以快速让工作人员了解当前探测位置富水情况。

进一步，即时成像步骤中，当前测点信息为当前测点的距离或角度。

有益效果：操作方便，便于快速成像。

进一步，还包括异常判断步骤，当某测点的相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值时，通过处理单元将该测点标记为疑似异常测点，并在预设时间后重新在该测点处形成一次场并采集对应的二次场数据后进行处理形成探测剖面图；若新的探测剖面图中，不存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则更新该测点的数据，并删除该测点的标记。

有益效果：如果某测点的相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值，说明该测点处可能存在异常体，但也可能是由于现场的干扰造成了采集数据的突变。因此，本方法将该测点标记为疑似异常测点，并在预设时间后重新采集该测点的瞬变电磁数据并进行处理形成探测剖面图，并分析是否仍存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，如果不存在，则说明之前的确是由于现场干扰造成了异常。因此，更新该测点的数据，删除存在干扰时的数据，防止干扰数据对后续的处理造成干扰。

进一步，异常判断步骤中，若重新形成探测剖面图中，仍存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则处理单元分析变化幅度超过预设值是否为同一地方，若是，则将该测点更新为异常测点；若不是，则处理单元生成干扰排查信号。

有益效果：对疑似异常测点重新检测后，如果仍然存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，且变化幅度超过预设值的地方相同，则说明该异常的确存在，不是干扰形成；如果变化幅度超过预设值的地方不相同，则说明现场的干扰不仅存在，而且频繁出现，必须要进行清理，否则会对后续的检测造成很大的影响，因此，处理单元生成干扰排查信号，让工作人员对现场的干扰排查后，再进行后续的采集。

本发明的另一目的在于，提供一种基于动态瞬变电磁的实时成像系统，应用于上述基于动态瞬变电磁的实时成像方法，包括接收模块、发射模块、控制模块、处理模块和显示模块；

控制模块用于设置探测参数，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间；控制模块还用于按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场；控制模块还用于控制接收模块在电流关闭时接收当前的二次场数据并发送给处理模块；

处理模块用于对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值；处理模块还用于以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图，再通过视电阻率值的分布范围，按照预设比例的色谱图例对草图进行对等值线填充，得到探测剖面图；显示模块用于显示探测剖面图。

有益效果：使用本系统，工作人员只需要根据探测的需求设置好探测参数后，可通过显示模块即时了解当前的探测剖面图，保证探测的时效性和准确性。

进一步，接收模块包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的第一采集通道和第二采集通道；第一采集通道包括第一输入保护电路、第一放大器及第一ADC，第二采集通道包括第二输入保护电路第二放大器及第二ADC；第一放大器的增益率为X，第二通道增益为Y；其中，X小于1，Y大于80；微控制器控制第一采集通道及第二采集通道同时工作，并同时读取第一采集通道及第二采集通道的数字信号；微控制器用递推式平均算法对获取的第一采集通道的数据进行叠加，每次获取数据后利用加权的方式对上次获取数据进行加权，并用递推式平均算法对获取的第二采集通道的数据进行叠加，还在最后一次获取数据后，将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接得到二次场数据。

有益效果：接收模块采用这样的结构及采集处理方式，与常规的采集方式相比，采集的动态范围增大了许多倍，收集到的信号更大，可以保证采集到的二次场数据的完整性和准确性，进而保证后续成像的准确性。

进一步，微控制器用局部拟合法将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接。

有益效果：在保证数据准确性的同时，可保证拼接的效率，探测成像的整体效率有保证。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程图；

图2为本发明实施例一中接收模块的逻辑框图；

图3为本发明实施例一的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例一

如图1所示，基于动态瞬变电磁的实时成像方法，包括：

设置步骤，在控制模块中进行探测参数设置，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间。探测参数的具体数值，本领域技术人员可依据探测地的具体情况具体设置。

一次场形成步骤，通过控制模块按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场。本实施例中，利用正方形重叠回线形成一次场。

二次场采集步骤，在电流关闭时，通过接收模块接收当前的二次场数据并发送给处理模块。其中，如图2所示，接收模块包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的第一采集通道和第二采集通道；第一采集通道包括第一输入保护电路、第一放大器及第一ADC，第二采集通道包括第二输入保护电路第二放大器及第二ADC；第一放大器的增益率为X，第二通道增益为Y；其中，X小于1，Y大于80。本实施例中，X为0.5，Y为128。微控制器控制第一采集通道及第二采集通道同时工作，并同时读取第一采集通道及第二采集通道的数字信号；微控制器用递推式平均算法对获取的第一采集通道的数据进行叠加，每次获取数据后利用加权的方式对上次获取数据进行加权，并用递推式平均算法对获取的第二采集通道的数据进行叠加，还在最后一次获取数据后，将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接得到二次场数据。具体的，微控制器用局部拟合法将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接。本实施例中，第一放大器和二放大器的型号均为ADA4245，第一ADC和第二ADC的型号均为LTC2380-24，微控制器为STM32单片机。第一输入保护电路和第二出入保护电路采用现有的ADC输入保护电路即可。

数据处理步骤，通过处理模块对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值。视深度及视电阻率值的具体计算方法，采用现有的计算方法即可，此处的计算方法并非本申请的创新点，在此不再赘述。

即时成像步骤，通过处理模块以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图；再通过视电阻率值的分布范围，按照预设比例的色谱图例对草图进行对等值线填充，得到探测剖面图，并通过显示模块进行显示。对彩图进行对等值线填充时，还根据预设的阈值及色谱填充，对不同视电阻率值的等级进行划分，进行富水程度的预测。其中，当前测点信息为当前测点的距离或角度，本实施例中当前测点信息为当前测点的角度。这样操作方便，便于快速成像。

如图3所示，本申请还提供一种基于动态瞬变电磁的实时成像系统，应用于上述基于动态瞬变电磁的实时成像方法，包括接收模块、发射模块、控制模块、处理模块和显示模块。本实施例中，接收模块、发射模块、控制模块、处理模块和显示模块集成在同一台瞬变电磁仪上，在其他实施例中，也可以将处理模块和显示模块集成在一起，其他模块分开设置，且接收模块与处理模块通过无线，如5G或未来更高级别的无线通信方式，进行通信。集成在一起的好处是工作人员在探测的过程中可直接了解探测情况，分开设置的好处则是可以进行合理分工，且负责观察探测结果的工作人员可直接在地上进行观测。

控制模块用于设置探测参数，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间；控制模块还用于按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场；控制模块还用于控制接收模块在电流关闭时接收当前的二次场数据并发送给处理模块；

处理模块用于对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值；处理模块还用于以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图，再通过视电阻率值的分布范围，按照预设比例的色谱图例对草图进行对等值线填充，得到探测剖面图；显示模块用于显示探测剖面图。

其中，接收模块包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的第一采集通道和第二采集通道；第一采集通道包括第一输入保护电路、第一放大器及第一ADC，第二采集通道包括第二输入保护电路第二放大器及第二ADC；第一放大器的增益率为X，第二通道增益为Y；其中，X小于1，Y大于80；本实施例中，X为0.5，Y为128。微控制器控制第一采集通道及第二采集通道同时工作，并同时读取第一采集通道及第二采集通道的数字信号；微控制器用递推式平均算法对获取的第一采集通道的数据进行叠加，每次获取数据后利用加权的方式对上次获取数据进行加权，并用递推式平均算法对获取的第二采集通道的数据进行叠加，还在最后一次获取数据后，用局部拟合法将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接得到二次场数据。

接收模块给处理模块传输数据时，每次传送的最大数据包为200KB，若二次场数据大于200KB则分为多个数据包传输，每个数据包之间传输时间间隔为100ms。

具体实施过程如下：

在设置好探测参数后，控制模块会自动按照设置的探测参数，控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场。之后，接收模块会在电流关闭时接收当前的二次场数据并发送给处理模块，由处理模块进行处理得到对应的视深度及视电阻率值。

接受模块工作时，微处理器会对获取的第一采集通道及第二采集通道的数据进行处理时，并且，由于递推平均算法公式是由平均计算公式推导而来，其计算结果与所有数据采集完成后叠加是一样的，可以保证数据的有效性，再结合数据获取完成后的拼接，可以将接收模块的动态范围扩大Y/X倍。采用本方案中接收模块的结构及采集处理方式，与常规的采集方式相比，采集的动态范围增大了许多倍，收集到的信号更大，可以保证采集到的二次场数据的完整性和准确性，进而保证后续成像的准确性。

再然后，处理模块会以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，并对视电阻率值进行数据网格化处理及插值处理形成剖面的草图，即探测剖面的示意图。为了工作人员直接的了解探测情况，处理模块会在得到草图后通过视电阻率的分布范围，按照预设比例的色谱图例进行对等值线填充，得到探测剖面图，并通过显示模块进行显示。工作人员可通过显示的探测剖面图，直接的体现了当前的探测情况。除此，由于对彩图进行对等值线填充时，本方案会根据预设的阈值及色谱填充，对不同视电阻率值的等级进行划分，进行富水程度的预测。可以快速让工作人员了解当前探测位置富水情况。

本方案在实践中的探测结果现场动态成像时间在2.5s以内，能够实现边探测边成像，保证探测的时效性和准确性。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例的基于动态瞬变电磁的实时成像方法中，还包括异常判断步骤，当某测点的相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值时，通过处理单元将该测点标记为疑似异常测点，并在预设时间后重新在该测点处形成一次场并采集对应的二次场数据后进行处理形成探测剖面图；若新的探测剖面图中，不存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则更新该测点的数据，并删除该测点的标记；

若重新形成探测剖面图中，仍存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则处理单元分析变化幅度超过预设值是否为同一地方，若是，则将该测点更新为异常测点；若不是，则处理单元生成干扰排查信号。

具体实施过程如下：

如果某测点的相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值，说明该测点处可能存在异常体，但也可能是由于现场的干扰造成了采集数据的突变。因此，本方法将该测点标记为疑似异常测点，并在预设时间后重新采集该测点的瞬变电磁数据并进行处理形成探测剖面图，并分析是否仍存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，如果不存在，则说明之前的确是由于现场干扰造成了异常。因此，更新该测点的数据，删除存在干扰时的数据，防止干扰数据对后续的处理造成干扰。

对疑似异常测点重新检测后，如果仍然存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，且变化幅度超过预设值的地方相同，则说明该异常的确存在，不是干扰形成；如果变化幅度超过预设值的地方不相同，则说明现场的干扰不仅存在，而且频繁出现，必须要进行清理，否则会对后续的检测造成很大的影响，因此，处理单元生成干扰排查信号，让工作人员对现场的干扰排查后，再进行后续的采集。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.基于动态瞬变电磁的实时成像方法，其特征在于，包括：

设置步骤，根据探测地的情况在控制模块中设置对应的探测参数，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间；

一次场形成步骤，通过控制模块按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场；

二次场采集步骤，在电流关闭时，通过接收模块接收当前的二次场数据并发送给处理模块；

数据处理步骤，通过处理模块对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值；

即时成像步骤，通过处理模块以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图，再通过视电阻率值的分布范围，按照预设比例的色谱图例对草图进行等值线填充，得到探测剖面图，现场动态成像时间在2.5s以内，并通过显示模块进行显示；

其中，在即时成像步骤中，对彩图进行等值线填充时，根据预设的阈值及色谱填充，对不同视电阻率值的等级进行划分，进行富水程度的预测；

异常判断步骤，当某测点的相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值时，通过处理单元将该测点标记为疑似异常测点，并在预设时间后重新在该测点处形成一次场并采集对应的二次场数据后进行处理形成探测剖面图；若新的探测剖面图中，不存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则更新该测点的数据，并删除该测点的标记；

若重新形成探测剖面图中，仍存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则处理单元分析变化幅度超过预设值是否为同一地方，若是，则将该测点更新为异常测点；若不是，则处理单元生成干扰排查信号。

2.根据权利要求1所述的基于动态瞬变电磁的实时成像方法，其特征在于：二次场采集步骤中，接收模块包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的第一采集通道和第二采集通道；第一采集通道包括第一输入保护电路、第一放大器及第一ADC，第二采集通道包括第二输入保护电路第二放大器及第二ADC；第一放大器的增益率为X，第二通道增益为Y；其中，X小于1，Y大于80；

微控制器控制第一采集通道及第二采集通道同时工作，并同时读取第一采集通道及第二采集通道的数字信号；微控制器用递推式平均算法对获取的第一采集通道的数据进行叠加，每次获取数据后利用加权的方式对上次获取数据进行加权，并用递推式平均算法对获取的第二采集通道的数据进行叠加，在最后一次获取数据后，将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接得到二次场数据。

3.根据权利要求2所述的基于动态瞬变电磁的实时成像方法，其特征在于：二次场采集步骤中，微控制器用局部拟合法将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接。

4.根据权利要求1所述的基于动态瞬变电磁的实时成像方法，其特征在于：即时成像步骤中，当前测点信息为当前测点的距离或角度。

5.基于动态瞬变电磁的实时成像系统，其特征在于：应用于上述权利要求1-4中任一所述的基于动态瞬变电磁的实时成像方法，包括接收模块、发射模块、控制模块、处理模块、异常判断模块和显示模块；

控制模块用于设置探测参数，探测参数包括测点、测线、发射周期及发射时间；控制模块用于按照设置的发射周期和发射时间控制发射模块依次在各测点处发射电流形成一次场；控制模块用于控制接收模块在电流关闭时接收当前的二次场数据并发送给处理模块；

处理模块用于对接收到的数据进行处理，得到对应的视深度及视电阻率值；处理模块用于以当前测点信息为横坐标、视深度为纵坐标建立直角坐标系，对电阻率值进行数据网格化处理及插值处理得到草图，再通过视电阻率值的分布范围，按照预设比例的色谱图例对草图进行等值线填充，得到探测剖面图；

异常判断模块，当某测点的相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值时，通过处理单元将该测点标记为疑似异常测点，并在预设时间后重新在该测点处形成一次场并采集对应的二次场数据后进行处理形成探测剖面图；若新的探测剖面图中，不存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则更新该测点的数据，并删除该测点的标记；

若重新形成探测剖面图中，仍存在相邻探测剖面图上的视电阻率等值线的变化幅度超过预设值的情况，则处理单元分析变化幅度超过预设值是否为同一地方，若是，则将该测点更新为异常测点；若不是，则处理单元生成干扰排查信号；

显示模块用于显示探测剖面图。

6.根据权利要求5所述的基于动态瞬变电磁的实时成像系统，其特征在于：接收模块包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的第一采集通道和第二采集通道；第一采集通道包括第一输入保护电路、第一放大器及第一ADC，第二采集通道包括第二输入保护电路第二放大器及第二ADC；第一放大器的增益率为X，第二通道增益为Y；其中，X小于1，Y大于80；微控制器控制第一采集通道及第二采集通道同时工作，并同时读取第一采集通道及第二采集通道的数字信号；微控制器用递推式平均算法对获取的第一采集通道的数据进行叠加，每次获取数据后利用加权的方式对上次获取数据进行加权，并用递推式平均算法对获取的第二采集通道的数据进行叠加，在最后一次获取数据后，将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接得到二次场数据。

7.根据权利要求6所述的基于动态瞬变电磁的实时成像系统，其特征在于：微控制器用局部拟合法将第一采集通道及第二采集通道的数据进行拼接。