CN116931102B - 一种多水平错频激励充电探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理电磁勘探技术领域，提供了一种多水平错频激励充电探测方法及系统，本发明借助钻孔，使用一组由布置在不同标高水平的并联电极构成的供电电极组，向地下同时错频激励多组含有不同主频的高阶伪随机信号，在地表使用不极化电极进行接收，实现一次发射即可获取不同标高水平、不同发射频率对应的大量电磁响应信息，极大地提高了充电法的应用效率和解译准确性。

Description

一种多水平错频激励充电探测方法及系统

技术领域

本发明属于地球物理电磁勘探技术领域，涉及一种多水平错频激励充电探测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

充电法是借助钻孔向目标良导体直接充电，通过观测地表电位场分布和变化特征来推断良导体大小、形状、空间位置等信息的物探方法，被广泛应用于地下水体的勘探，在水体已被钻孔等手段揭露时，其通常是最为经济有效的勘探手段。

目前，充电法通常只能在钻孔中的某一标高水平进行，若要对不同层位的地下水体勘探则需要改动充电电极位置，需要重新发射并观测，同时，充电发射一般为直流电信号或频率单一的交流电信号，所获取的电磁响应信息有限，这使得充电法的勘探效率不高，效果不佳。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种多水平错频激励充电探测方法及系统，本发明借助钻孔，使用一组由布置在不同标高水平的并联电极构成的供电电极组，向地下同时错频激励多组含有不同主频的高阶伪随机信号，在地表使用不极化电极进行接收，实现一次发射即可获取不同标高水平、不同发射频率对应的大量电磁响应信息，极大地提高了充电法的应用效率和解译准确性。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种多水平错频激励充电探测方法，包括以下步骤：

在地下的不同标高水平，分别发射含有不同主频的高阶伪随机信号，进行充电，各组信号频率成分互不重叠；

在地表接收反馈的信号。

作为可选择的实施方式，各组高阶伪随机信号的主频不同，且各主频的幅值相对一致，多组信号频率成分互不重叠。

作为可选择的实施方式，按先验信息和装置布设要求，在钻孔周边的地表布设供电装置和测量装置，测量装置包括布设在多个测线上的多个测量电极，以及无穷远处的电极；

在钻孔内，沿着不同层位，布设用于发射信号的电极。

作为可选择的实施方式，还包括以下步骤：

获取无穷远处电极和各测量电极间的电位差，获取背景场数据；

向目标层位的标高水平，注入属性强化溶液，对地下水体进行属性强化；

每隔设定时间，记录测量装置读数和对应时刻，重复该步骤，直至满足设定条件；

对获取到的所有电位差数据，根据测量次数、按时间顺序分为多组，每组对应不同的时刻；

将分组后的电位差数据，依据接收频率，按照不同标高水平电极所对应的发射频率再次分组，获取不同时刻下不同标高所对应的不同频率的电位差数据；

对获取的每组电位差数据，依据电极的空间位置叠加后获得电极电位分布，经插值后获取电极布置范围内电位分布数据，依据电位分布数据作不同时刻、不同层位，不同频率下的电位和视幅频率等值线图；

根据电位分布数据，确定溶液扩散方向。

作为可选择的实施方式，所述设定条件为溶液已经随水流运移至测量范围以外或测量次数达到测量需求次数。

作为可选择的实施方式，对获取到的所有电位差数据，根据测量次数t按时间顺序分为t+1组，对应t+1个不同的时刻。

作为可选择的实施方式，依据电极的空间位置叠加后获得电极电位分布时，无穷远处的电极B处认为是0电位。

作为可选择的实施方式，根据电位分布数据，确定溶液扩散方向的具体过程包括：前后时刻等电位线中心连线与对应时刻视幅频率极大值分布位置重合的情况下，该方向即为溶液扩散方向，即为水体流动方向。

一种多水平错频激励充电探测系统，包括：

供电装置，包括可控电源和供电电极组，所述供电电极组内包括多个供电电极和无穷远极，各供电电极并联后置于钻孔中，各供电电极位于的标高不同，发射含有不同主频的高阶伪随机信号，进行充电，各组信号频率成分互不重叠；

测量装置，包括多个测量电极和无穷远极，各个测量电极以测线形式布设在钻孔周围地表。

还包括：电位差测量装置，沿所述测线布置在邻对不极化电极之间，采集连续时间电场数据，进行电位差数据与发射信号端时间同步，且该电位差数据存在正负号。

作为可选择的实施方式，所述供电装置的无穷远极置于距离钻孔大于含水层深度15~20倍处接地。

作为可选择的实施方式，所述测量装置的无穷远极置于距钻孔距离大于含水层深度15~20倍处接地。

作为可选择的实施方式，各供电电极位于的标高，属于不同水平层位的含水层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在n个标高水平上，采用n组含有互不重叠的多主频fni的高阶伪随机信号充电，实现对多水平层位的含水层充电观测，一次发射可以获取多频大量的响应信息，极大地提升数据丰富程度和勘探效率，有效地提升方法的抗干扰能力，保障了数据的采集质量。

本发明使用充电法，获取地下水体的电位、视幅频率双电性参数，二者彼此约束提高数据解译的可靠性。

本发明使用高导、高极化溶液对地下水体进行属性强化，使水体、地层间的电性差异更加明显，利于充电法采集到可靠的高质量数据。

本发明的装置一经布设，探测完成之前无需再进行电极的移动，解决了受场地限制难以布设更多测点的问题，同时提高了工作效率，降低人力成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

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

图1为本发明一个或多个实施例中充电法的供电装置布置形式；

图2为本发明一个或多个实施例中充电法的测量装置的示意图；

图3为本发明一个或多个实施例中主频为1，4，16Hz的伪随机波形示意图和频谱示意图，其中（a）为伪随机波形示意图；（b）为频谱示意图；

图4为本发明一个或多个实施例中主频为1.2，4.8，19.2Hz的伪随机波形示意图和频谱示意图，其中（a）为伪随机波形示意图；（b）为频谱示意图；

图5为本发明一个或多个实施例中主频为1.5，7.5，22.5Hz的伪随机波形示意图和频谱示意图，其中（a）为伪随机波形示意图；（b）为频谱示意图；

图6为本发明一个或多个实施例中视幅频率参数计算示意图；

图7为本发明一个或多个实施例中一种基于高阶伪随机信号的多水平-错频激励的充电法的工作流程图。

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，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种基于高阶伪随机信号的多水平-错频激励的充电法，在开展对地下水体的充电法勘探时，借助钻孔，使用一组由布置在不同标高水平的并联电极构成的供电电极组，向地下水体同时错频激励多组含有不同主频的高阶伪随机信号，通过布设在钻孔周围的地表不极化电极接收电场分量，对采集到的多水平、多主频的大量电磁响应信息进行有效地噪声压制后，获取电性参数并综合分析，实现对地下不同层位水体的有效勘探，如图7所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1：按照前文提及的位置关系、间距要求等布设发射-接收装置，考虑现场情况，可依照现场条件对装置的部分布设参数（如电极极距，电极、测线数量等）进行合理范围内的调整，若调整过大则可能导致装置及方法无法实现预期目的。

步骤2：开始供电，待电流稳定后测量电位差数据， 对发射电流和电位差数据进行连续时间序列采集和时间准确记录。

使用供电装置，同时向地下不同层位错频激励，多组含有不同主频的高阶伪随机信号，分布在不同标高的n个电极A1~An，分别对应发射第n组含有不同主频的信号，进行充电，多组信号频率成分互不重叠。

待发射稳定后，记录测量装置读数，得到无穷远极N和测量电极M1、以及测量电极间Mn和Mn+1的电位差，获取背景场数据。

步骤3：向目标层位的水体注入高导、高极化溶液，对地下水体进行属性强化。注入后测量电位差数据，并每隔一段时间Δt测量一次电位差数据，直至相邻两次电位差数据不再变化，或测量次数达到测量需求次数。

步骤4：对采集到的电位差数据进行处理，具体包括：

步骤4.1：对所有可用电位差数据（投入溶液前的最后一次测量所得数据及投入溶液后的所有测量所得数据）进行分组，分为t+1组，对应t+1个不同的时刻。

步骤4.2：对t+1组按时间顺序分组的电位差数据，依据不同标高水平电极所对应的发射频率再次分组，获取不同时刻下，不同标高h₁，h₂，…，h_n所对应的频率f _ni电位差数据。

例如图1所示，有h₁、h₂、h₃的3个标高，分别为不同标高水平的含水层，每个标高分别发射3组含有f₁₁、f₁₂、f₁₃3个主频，f₂₁、f₂₂、f₂₃3个主频和f₃₁、f₃₂、f₃₃3个主频的伪随机信号，且满足三组信号中的所有主频和谐波成分均相互不重叠，即一组信号中的任意频率成分在另外两组波形中均不存在，则可获取某一时刻下，3个标高，9个频率的9组主频数据，记为ΔV_ni，n为标高序号，i为每组信号含有的频率序号，例如ΔV₃₃是某一时刻下，标高h₃的第3个主频f₃₃对应的电位差数据，则全部数据应分为（t+1）*n*i组，其中，f₁₁~f₃₃分别对应主频为1，4，16；1.2，4.8，19.2；1.5，7.5，22.5Hz，即供电电极An在不同标高h_n，同时激发n组含有i个互补重叠主频f _ni的高阶伪随机信号进行充电。如图3的（a）-图5的（b）所示。

步骤4.3：对获取的每组电位差数据ΔV_ni，依据电极空间位置分布，经叠加后获取电极电位分布V_ni，无穷远极B处认为是0电位，经数学方法插值后获取钻孔周围电极分布区域内的电位分布U _ni。

步骤5：利用步骤4处理后获取的电位数据U _ni，计算视幅频率参数，绘制不同时刻、不同标高、不同频率的地表电位分布图和等电位线以及视幅频率分布图。

步骤5.1：视幅频率参数计算公式：

其中，F _s为视幅频率，ΔU(f _L)、ΔU(f _H) 分别为某一标高发射信号中含有主频的相对低频和高频经叠加、插值后得到的电位差数据。

步骤5.2：幅频率参数计算方法，以充电钻孔为中心，沿半径方向计算低频、高频的电位差ΔU，计算距离M_nM_n+1为单位距离，如图4的（a）和图4的（b）所示。

步骤6：依据不同时刻、不同层位、不同频率下等电位线及幅频率率等位线的变化情况，对获取的大量数据综合分析，获得地下水体的分布特征、实现对地下水体的流动进行动态监测的目的。

实施例二

一种基于高阶伪随机信号的多水平错频激励的充电探测装置，包括：供电装置与测量装置，如图2、图6所示。

供电装置包括：能发射n组多主频高阶伪随机信号、功率满足充电法工作需求的可控电源、供电电极（包括供电电极组A（包括电极A1，A2，…，An）和无穷远极B），以及若干导线组成。供电电极组A是电极A1~An并联后置于钻孔中，使得电极An分别位于钻孔不同标高水平，供电电极B（无穷远极）则置于距离钻孔大于含水层深度15~20倍处接地。

所述的一组多主频高阶伪随机信号，是具有一定的信号频带宽度，以某些特定频率为主频的高阶伪随机信号，基于专利CN111505722B（专利名称：一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统）所提供的方法，结合实际地质情况生成，信号各主频的幅值相对一致，多组信号频率成分互不重叠。

测量装置包括：若干不极化电极Mn，一处无穷远极N，电位差测量装置及若干导线组成。不极化电极以测线形式布设在钻孔周围地表，采集过程中固定不移动，无穷远极N置于距钻孔距离大于含水层深度15~20倍处接地，根据实际情况调整测线和电极的布置形式、数目。

电位差测量装置沿测线布置在邻对电极之间，采集连续时间电场数据，采集设备需进行电位差数据与发射信号端时间严格同步，且该电位差数据存在正负号。

上述装置的工作方法，包括：

1.按先验信息和装置布设要求，在钻孔周边的地表布设供电装置和接收装置。

2.使用供电装置，同时向地下不同层位错频激励，多组含有不同主频的高阶伪随机信号，分布在不同标高的n个电极A1~An，分别对应发射第n组含有不同主频的信号，进行充电，多组信号频率成分互不重叠。

3.待发射稳定后，记录测量装置读数，得到无穷远极N和测量电极M1、以及测量电极间Mn和Mn+1的电位差，获取背景场数据。

4.向目标层位的标高水平，直接注入高电导、高极化的属性强化溶液，对地下水体进行属性强化。

5.每隔一段时间Δt，记录测量装置读数和对应时刻，重复该步骤，直至估计溶液已经随水流运移至测量范围以外（含水层深度的1倍），或测量次数达到测量需求次数。

6.对获取到的所有电位差数据（投入溶液前的最后一次测量及之后所有的测量数据），根据测量次数t按时间顺序分为t+1组，对应t+1个不同的时刻。

7.对t+1组按时间顺序分组的电位差数据，依据接收频率，按照不同标高水平电极所对应的发射频率再次分组，获取不同时刻下不同标高h1，h2，…，hn所对应的不同频率的电位差数据。

8.对获取的每组电位差数据，依据电极的空间位置叠加后获得电极电位分布，无穷远极B处认为是0电位，经插值后获取电极布置范围内电位分布数据，依据电位分布数据作不同时刻、不同层位，不同频率下的电位和视幅频率等值线图。

9.前后时刻等电位线中心连线与对应时刻视幅频率极大值分布位置重合的情况下，该方向即为溶液扩散方向，即为水体流动方向。

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 (8)

1.一种多水平错频激励充电探测方法，其特征是，包括以下步骤：

在地下的不同标高水平，分别同时发射含有不同主频的高阶伪随机信号，进行充电，各组信号频率成分互不重叠；

在地表接收反馈的信号；

其中，所述方法按先验信息和装置布设要求，在钻孔周边的地表布设供电装置和测量装置，测量装置包括布设在多个测线上的多个测量电极，以及无穷远处的电极；

在钻孔内，沿着不同层位，布设用于发射信号的电极；

其中，所述方法还包括以下步骤：

获取无穷远处电极和各测量电极间的电位差，获取背景场数据；

向目标层位的标高水平，注入属性强化溶液，对地下水体进行属性强化；

每隔设定时间，记录测量装置读数和对应时刻，重复该步骤，直至满足设定条件；

对获取到的所有电位差数据，根据测量次数、按时间顺序分为多组，每组对应不同的时刻；

将分组后的电位差数据，依据接收频率，按照不同标高水平电极所对应的发射频率再次分组，获取不同时刻下不同标高所对应的不同频率的电位差数据；

对获取的每组电位差数据，依据电极的空间位置叠加后获得电极电位分布，经插值后获取电极布置范围内电位分布数据，依据电位分布数据作不同时刻、不同层位，不同频率下的电位和视幅频率等值线图；

根据电位分布数据，确定溶液扩散方向。

2.如权利要求1所述的一种多水平错频激励充电探测方法，其特征是，各组高阶伪随机信号的主频不同，且各主频的幅值相对一致，多组信号频率成分互不重叠。

3.如权利要求1所述的一种多水平错频激励充电探测方法，其特征是，对获取到的所有电位差数据，根据测量次数t按时间顺序分为t+1组，对应t+1个不同的时刻；

依据电极的空间位置叠加后获得电极电位分布时，无穷远处的电极B处认为是0电位。

4.如权利要求1所述的一种多水平错频激励充电探测方法，其特征是，根据电位分布数据，确定溶液扩散方向的具体过程包括：前后时刻等电位线中心连线与对应时刻视幅频率极大值分布位置重合的情况下，该方向即为溶液扩散方向，即为水体流动方向。

5.一种实现权利要求1所述的多水平错频激励充电探测方法的多水平错频激励充电探测系统，其特征是，包括：

供电装置，包括可控电源和供电电极组，所述供电电极组内包括多个供电电极和无穷远极，各供电电极并联后置于钻孔中，各供电电极位于的标高不同，分别同时发射含有不同主频的高阶伪随机信号，进行充电，各组信号频率成分互不重叠；

测量装置，包括多个测量电极和无穷远极，各个测量电极以测线形式布设在钻孔周围地表。

6.如权利要求5所述的一种多水平错频激励充电探测系统，其特征是，还包括：电位差测量装置，沿所述测线布置在邻对不极化电极之间，采集连续时间电场数据，将电位差数据与发射信号端时间同步，且该电位差数据存在正负号。

7.如权利要求5所述的一种多水平错频激励充电探测系统，其特征是，所述供电装置的无穷远极置于距离钻孔大于含水层深度15倍处接地；

或，所述测量装置的无穷远极置于距钻孔距离大于含水层深度15倍处接地。

8.如权利要求5所述的一种多水平错频激励充电探测系统，其特征是，各供电电极位于的标高，属于不同水平层位的含水层。