CN117492099B - 城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地球物理勘探电磁法勘探领域，特别是涉及一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统及方法，通过拖曳车与移动平台通过连接杆互相连接，将时频联合探测系统的仪器部分置于拖曳车上，传感线圈部分置于移动平台上，时频联合探测系统完成时间域电磁法电流发射与采集，以及频率域电磁法电流发射与采集，实现了时间域和频率域波形的联合发射，有效解决了传统电磁探测装置工作模式单一，探测方式局限的问题。能够高效的对城市地下空间进行全域勘探，从而快速获得大深度范围的准确地质信息。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探电磁法勘探领域，特别是涉及一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统及方法。
背景技术
随着城市人口的增加，城市空间资源越发紧张，地下空间的开发及运营已逐渐成为趋势。然而，开发城市地下空间的过程中可能会出现地面塌陷、沉降、突水等危险情况。因此，利用地球物理方法先行对地下空间结构进行探测，描绘地质体分布情况，可以提升地下空间开发的安全性。
电磁法作为一种无损的探测方法，具有探测成本低、工作效率高、对电性异常敏感等优点。电磁法可分为时间域电磁法和频率域电磁法，时间域电磁法发射方波电流，瞬间关断的电流具有极其丰富的频率成分，依据趋肤深度原理，不同频率对应着不同的探测深度，因此，时间域电磁法单次测量可以探测多个深度，具有较高的效率。然而，由于城市区域的空间限制等因素，只能采用小型的线圈装置进行探测，这导致有效的发射磁矩受到限制。另一方面，时间域电磁法的接收信号受噪声影响严重，晚期信号甚至完全淹没在城市环境的电磁噪声中，这使得探测深度难以保证。此外，由于时间域电磁法频谱是连续的，来自深部地层的响应（对应晚期信号）易受到浅部地层响应（对应早期信号）的影响，造成时间域电磁法探测难以准确刻画地层细节。不同于时间域电磁法，频率域电磁法的波形在时域上呈周期性的稳态波形，波形能量稳定，能够进行大深度探测。从频谱看，多频发射波形具有多个频点，每个频点互不影响，因此适合对特定的深度进行探测。对于频率域电磁法，发射伪随机码形式的电流一次可以发射多个频点，但是其频点间隔是固定，难以对特定深度进行精细探测。
时间域电磁法和频率域电磁法在探测深度和探测分辨率方面各具优势，利用两种方法联合探测能够实现地下空间的全方位调查。然而，常规的电磁探测装置存在盲区大、施工效率低等问题，并且大规模的线圈装置无法在城市中大面积快速探测。因此，面向城市区域的环境复杂性，研制能够在城市中快速移动且兼顾探测和分辨率的时频联合电磁探测装置具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统，解决常规的电磁探测装置存在盲区大、施工效率低等问题，并且大规模的线圈装置无法在城市中大面积快速探测的问题。
本发明另一方面还提供一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测方法，
本发明是这样实现的，
一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统，包括拖曳车与移动平台，拖曳车与移动平台通过连接杆互相连接；包括：
时频联合探测系统的仪器部分置于拖曳车上，传感线圈部分置于移动平台上，
传感线圈部分包括发射线圈，用于发射时间域及频率域信号，产生激励磁场；补偿线圈，与发射线圈通过双绞线方式串连，二者通以相同电流，绕向相反，用于补偿发射线圈产生的一次场，在分析线圈阻抗时将二者视作串联的同一线圈；接收线圈，用于接收地下产生的涡流；
所述时频联合探测系统的仪器部分包括上位机，GPS模块、主控模块、蓄电池、DC-DC变换器、桥路驱动模块、保护二极管、H桥发射模块、第一程控开关、高压钳位电源、吸收模块、电流驱动模块、调谐电路、第二程控开关、第三程控开关以及信号调理模块，
其中，上位机，用于人机交互，将系统运行所需参数传入主控模块，以及接收从主控模块传回的数据；
主控模块，用于系统整体时序控制及数据传输中转；
GPS模块，用于记录系统当前位置状态，并将位置信息传入主控模块；
蓄电池，用于为系统整体供电；
DC-DC变换器，用于进行电平转换，将蓄电池电压转换为适宜于主控模块及其它模块使用的电压；
保护二极管，与H桥发射模块及蓄电池相连，用于保护后级电路，防止反接；
桥路驱动模块，与主控模块及H桥发射模块相连，用于接收主控模块的时序控制，完成电平转换，驱动H桥发射模块产生相应电流波形；
H桥发射模块，包括串联的IGBT模块Q1与IGBT模块Q3，串联的IGBT模块Q2与IGBT模块Q4，IGBT模块Q1与IGBT模块Q3之间连接第二程控开关与第三程控开关，IGBT模块Q2与IGBT模块Q4之间连接发射线圈的一端，IGBT模块Q1与IGBT模块Q2连接在保护二极管与第一程控开关的一端，IGBT模块Q3与IGBT模块Q4连接在高压钳位电源负极与蓄电池负极，形成H桥；
第一程控开关，包括一个IGBT模块Q7，与H桥发射模块及第一程控开关连接，用于控制高压钳位电源接入时间；
高压钳位电源，用于在时间域电磁法的电流波形关断期间进行钳位；
吸收模块，包括MOS管Q5、MOS管Q6及一个吸收电阻串联组成，吸收模块并联在发射及补偿线圈两侧，用于时间域电磁法的电流波形关断晚期产生的欠阻尼振荡，提升二次场信号质量；
第二程控开关，与发射及补偿线圈串连，用于在产生时间域电磁法的电流波形时屏蔽调谐电路影响；
第三程控开关以及调谐电路串联后与第二程控开关并联，第三程控开关用于在发射频率域电磁法电流波形时控制调谐电路接入系统的时间；
信号调理模块与接收线圈及主控模块相连，用于调理接收线圈的感应电压。
进一步地，所述调谐电路包括基于频点选取的磁芯电感及电容，一个频点与一组磁芯电感与电容对应，磁芯电感初级侧与电流驱动模块连接，磁芯电感次级侧与电容并联，多组磁芯电感、电容间呈并联关系，根据频率域电磁法发射的频点个数及范围选取不同参数进行定通频带的调谐，增大频率域电磁法的电流幅值。
进一步地，所述电流驱动模块与主控模块及调谐电路连接，用于接收主控模块的控制并转化为相应的电流信号，该电流信号将流经调谐电路中磁芯电感的初级侧，进而控制次级侧的电感值，实现不同频点切换，达到调谐目的，所述电流驱动模块包括多组电流驱动电路，调谐电路中每一组磁芯电感与电容对应着一组电流驱动电路，每组电流驱动电路包括一块锂电池和一个MOS管和一个电阻形成的串联结构，串联在磁芯电感的初级侧，MOS管工作在线性区时， 输出电流与控制电压成正比例关系，通过不同电流大小来控制磁芯电感的电感值。
一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测探测方法，该方法包括：
步骤A：根据调查目标区域深度范围确定时间域电磁法的有效采集时间；确立时间域电磁法的整体发射时间；根据线圈参数确立吸收模块参数；
步骤B：根据探测精度要求和趋肤深度公式计算频率域电磁法发射的有效主频点；采用SPWM方法发射多频正弦波，确立多频正弦波激励信号时序；根据主频点，确立调谐电路相关参数；
步骤C：根据发射时序，在一个周期内，进行一次时频联合电磁法电流发射，利用拖曳车及移动平台为载体，进行多次重复发射，直至探测完成目标区域即可结束。
进一步地，步骤A具体包括：
步骤A01：确定调查目标区域的深度范围，利用扩散深度公式确定时间域信号的扩散时间t T：，其中，d T 为探测深度，σ为电阻率，μ为磁导率；为采集时间留出30%的裕量，实际时间域的采集时间为：/>；
步骤A02：确立时间域电磁法的整体发射时间，时间域电磁法采用的发射电流波形为双极性梯形波，在关断发射电流前建立一个平顶段，设稳态场建立时间为，包括电流上升时间t rise 和平顶段时间t steady ，发射电流关断时间为t off ，实际的时间域电磁法一个完整的周期时间为：/>；
步骤A03：根据发射及补偿线圈参数确立吸收模块电阻幅值，计算理想情况下时间域电磁法的电流波形信号为：,
其中U c 表示高压钳位电源电压幅值，U 0 表示蓄电池电压幅值，为负载线圈等效电感，/>为发射线圈等效电阻，/>为补偿线圈等效电阻，/>为稳定状态电流，t为每个阶段的时间，通过假设电路此时处于临界阻尼状态，得到电路表达式为：
,
其中L Coil 、C Coil 和R Coil 分别为发射及补偿线圈的等效电感、电容及电阻，为吸收电阻，解得吸收电阻参数：/>。
进一步地，步骤B具体包括：
步骤B01：根据趋肤深度公式计算频率域电磁法发射的有效主频点范围为：，其中，d F 为探测深度，σ为电阻率，μ为磁导率，/>为发射频率；设探测范围要求为浅地层d Q 到深地层d S ，对应的发射频率为/>和/>，根据趋肤深度公式，深度与频率呈负相关，/> >/>；
步骤B02：根据探测精度确定主频点个数N FD ，依据探测深度范围与探测分辨率η FD 关系计算出主频点个数：；
步骤B03：根据主频点数及频点值确立主控模块SPWM方法产生的多频正弦波时序控制信号，所述SPWM即正弦脉冲宽度调制，将幅值相同的三角波与所需正弦波进行比较，当三角波幅值大于正弦波时数字信号值为1，表示导通，否则为0，表示关断，根据导通时间不同模拟出不同幅值信号，将不同幅值信号等效为多频正弦波信号，
使用主控模块中的数字DDS产生固定基频的三角波及多频正弦波信号，二者比较后输出的数字控制信号输给桥路驱动模块，正弦波信号的时域表达式为，其中/>表示第/>个主频的正弦波的振幅大小，/>表示第/>个主频的频率，N表示主频总数，通过将一个完整的多频正弦波重复m次，对地下介质建立稳态场，使幅值和相位响应达到稳定；
步骤B04：根据主频点数及频点值确立调谐电路参数，调谐电路与发射及补偿线圈的总电抗计算为:，
其中，表示线圈的等效阻抗，/>表示调谐电路的等效阻抗，“//”表示并联，/>表示线圈的，/>和/>分别表示调谐电路中的第k个电容、电感的值，n表示调谐电路总的电容、电感组数，/>，在谐振公式中，整体阻抗最小时即电抗为0只留下电阻，此时感抗与容抗大小相同，在此条件下将上式进行化简得到：，即谐振频率与电容、电感的关系为：/>，通过频点确定调谐所需电容与电阻参数。
进一步地，步骤C具体包括：
步骤C01：启动拖曳式时频联合电磁探测系统，将时间域电磁法所需的发射周期、频率域电磁法所需的调谐参数、发射频点数据输入上位机；
步骤C02：将上位机中的参数传入主控模块，由主控模块进行单个周期时频电流的发射；
步骤C03：查询是否完成目标区域测量，若未完成，重复步骤C02；否则完成数据采集工作，结束探测。
进一步地，
步骤C02中单个周期时频电流的发射，包括：
时间域电磁法电流发射：
第二程控开关闭合，第三程控开关断开，电流波形为双极性梯形波，包含电流上升、电流平稳、电流关断和接收信号采集四个阶段，设IGBT模块Q1、IGBT模块Q4导通方向产生电流为正方向，
在正半周期的发射电流上升阶段，第一程控开关导通，H桥发射模块中IGBT模块Q1、IGBT模块Q4导通，IGBT模块Q2、IGBT模块Q3断开，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、发射及补偿线圈、第二程控开关、第一程控开关及高压钳位电源组成回路，发射电流上升至平稳，平稳电流幅值为蓄电池电压除以系统整体电阻；
在正半周期的电流平稳阶段，第一程控开关断开，蓄电池、保护二极管、IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、发射及补偿线圈和第二程控开关组成回路，平稳段时间通过上位机中进行数值设定；
在正半周期的电流关断阶段，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、MOS管Q5断开，MOS管Q6导通，吸收电阻切入电路，一部分电流在吸收电阻中被消耗，另一部分经由第一程控开关的续流二极管由高压钳位电源吸收；
在正半周期的接收信号采集阶段，信号经由接收线圈至信号调理模块，传入主控模块，最后传入上位机，采集时间经由所述步骤A01计算得到，至此时间域电磁法探测的正半周期发射结束；
在负半周期过程中，发射电流上升及平稳阶段变为IGBT模块Q2、IGBT模块Q3导通，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4断开，在发射关断阶段变为IGBT模块Q2、IGBT模块Q3、MOS管Q6断开，MOS管Q5导通，其余均与正半周期相同，至此完成时间域电磁法电流发射，一个完整的时间域电磁法的电流发射周期时间为；
频率域电磁法电流发射：
第二程控开关断开，第三程控开关闭合，电流波形为多频正弦波，采用SPWM形式发射，通过双极性三角波与多频正弦波输出控制信号进行比较输出，其中一个多频正弦波包含M个三角波，控制H桥发射模块的通断，通过脉冲持续时间长短，来调整输出电压的幅值，形成正弦波，
在一个完整的多频正弦波周期里保证M≥10;
将多频正弦波重复发射P个周期使地下信号达到稳态，重复发射次数P由上位机输入传入主控模块，在此过程中接收线圈需要持续采集地下信号至信号调理模块，传入主控模块，最后传入上位机，在重复发射P次多频正弦波后，完成频率域电磁法电流发射，一个完整的频率域电磁法的电流发射周期时间为；
至此完成一个周期的时频联合电流发射周期。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
（1）本发明的装置，能够在城市区域快速探测，有效解决了传统地面电磁法仪器施工效率低的问题。
（2）本发的装置，实现了时间域和频率域波形的联合发射，有效解决了传统电磁探测装置工作模式单一，探测方式局限的问题。
（3）本发明方法考虑了时间域电磁和频率域电磁的优势和局限性，实现了对地下结构的精细联合探测，有效解决了传统电磁探测装置难以兼顾探测深度和分辨能力的问题。
附图说明
图1示出了本发明的一种拖曳式时频联合电磁探测系统的结构框图；
图2示出了本发明的一个实施例的城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统使用时的示意图；
图3示出了本发明的城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测方法的发射脉冲总体流程图；
图4示出了本发明的城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测方法的单个脉冲发射时序图；
图5示出了本发明实施例提供的方法中SPWM方法产生多频正弦电流的具体原理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
见图1结合图2所示，一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统包括拖曳车与移动平台，拖曳车与移动平台通过连接杆互相连接；其特征在于，包括：时频联合探测系统的仪器部分置于拖曳车上，传感线圈部分置于移动平台上，
图1出了本发明的中拖曳式时频联合电磁探测系统仪器部分的系统结构框图，该系统包括：上位机1，GPS模块2，主控模块3，蓄电池4，DC-DC变换器5，桥路驱动模块6，保护二极管7，H桥发射模块8，第一程控开关9，高压钳位电源10，吸收模块12，电流驱动模块13，调谐电路14，第二程控开关15，第三程控开关16，信号调理模块18，
含有拖曳式时频联合电磁探测系统传感线圈部分，具体包括：接收线圈17，补偿线圈18，发射线圈19，移动平台20，拖曳车21，在探测时，由拖曳车连接移动平台进行移动扫描式探测，发射线圈、补偿线圈及接收线圈排布方式为共面Bucking补偿式结构，发射线圈19用于发射时间域及频率域信号，产生激励磁场；补偿线圈18与发射线圈19通过双绞线方式串连，二者通以相同电流，绕向相反，用于补偿发射线圈19产生的一次场，在分析线圈阻抗时将二者视作发射及补偿线圈11；接收线圈17用于接收地下产生的涡流，
其中，上位机1用于人机交互，将系统运行所需参数传入主控模块3，以及接收从主控模块3传回的数据；
主控模块3用于系统整体时序控制及数据传输中转；
GPS模块2用于记录系统当前位置状态，将位置信息传入主控模块3；
蓄电池4用于为系统整体供电；
DC-DC变换器5用于进行电平转换，将蓄电池4的电压转换为适宜于其它模块使用的电压；
保护二极管7与H桥发射模块8及蓄电池4相连，用于保护后级电路，防止反接；
桥路驱动模块6与主控模块3及H桥发射模块8相连，用于接收主控模块3的时序控制，完成电平转换，驱动H桥发射模块8产生相应电流波形；
H桥发射模块8包括串联的IGBT模块Q1与IGBT模块Q3，串联的IGBT模块Q2与IGBT模块Q4，IGBT模块Q1与IGBT模块Q3之间连接第二程控开关15与第三程控开关16，IGBT模块Q2与IGBT模块Q4之间连接发射线圈11的一端，IGBT模块Q1、IGBT模块Q2连接在保护二极管7与第一程控开关9，IGBT模块Q3、IGBT模块Q4连接在高压钳位电源10的负极与蓄电池4的负极，形成H桥；
第一程控开关9包括一个IGBT模块Q7，与H桥发射模块8及高压钳位电源10连接，用于控制高压钳位电源10接入时间；
高压钳位电源10用于在时间域电磁法的电流波形关断期间进行钳位，加快发射电流的关断，产生更强的电磁激励；
吸收模块12由MOS管Q5、MOS管Q6及一个吸收电阻R串联组成，吸收模块12并联在发射及补偿线圈11两侧，用于时间域电磁法的电流波形关断晚期产生的欠阻尼振荡，提升二次场信号质量；
第二程控开关15含有一个开关KT，与发射及补偿线圈11串连，用于在产生时间域电磁法的电流波形时屏蔽调谐电路影响；
第三程控开关16含有一个开关KF，与调谐电路14串联，与第二程控开关15并联，用于在发射频率域电磁法电流波形时控制调谐电路接入系统的时间；
调谐电路14包括基于频点选取的磁芯电感L1~Ln及电容C1~Cn，一个频点与一组磁芯电感Ln与电容Cn对应，Ln磁芯电感初级侧与电流驱动模块13连接，Ln磁芯电感次级侧与电容Cn并联，多组磁芯电感、电容间呈并联关系，根据频率域电磁法发射的频点个数及范围选取不同参数进行通频带的调谐，增大频率域电磁法的电流幅值；
电流驱动模块13与主控模块3及调谐电路14连接用于接收主控模块3的控制并转化为相应的电流信号，该电流信号将流经调谐电路中磁芯电感的初级侧，进而控制次级侧的电感值，实现不同频点切换，达到调谐目的；电流驱动模块包括多组电流驱动电路，调谐电路中每一组磁芯电感与电容对应着一组电流驱动电路，多组电流驱动电路包括锂电池、MOS管P1-Pn，电阻R1-Rn，每组电流驱动电路包括一块锂电池和一个MOS管和一个电阻形成的串联结构，串联在磁芯电感的初级侧，MOS管工作在线性区时， 输出电流与控制电压成正比例关系，通过不同电流大小来控制磁芯电感的电感值，这里的控制电压指的是MOS管的控制端接收到的来自主控模块3的控制电压。
信号调理模块18与接收线圈17及主控模块3相连，用于调理接收线圈17的感应电压，包括低通滤波、电压放大等。
本发明另一实施例提供了一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测方法，图3示出了该方法的发射脉冲总体流程图，图4示出了该方法的发射多频正弦波时序原理图，该方法包括：
步骤A：根据调查目标区域深度范围确定时间域电磁法的有效采集时间；随后确立时间域电磁法的整体发射时间；根据线圈参数确立吸收模块参数，提升时间域电磁法发射电流波形质量；
步骤B：根据探测精度要求和趋肤深度公式计算频率域电磁法发射的有效主频点；采用SPWM方法发射多频正弦波，确立多频正弦波激励信号时序；根据主频点，确立调谐电路相关参数，提升频率域电磁法发射电流幅值；
步骤C：根据发射时序，在一个周期内，进行一次时频联合电磁法电流发射，利用拖曳车及移动平台为载体，进行多次重复发射，直至探测完成目标区域即可结束。
其中，步骤A具体包括：
步骤A01：确定调查目标区域的深度范围，利用扩散深度公式确定时间域信号的扩散时间t T：，其中，d T 为探测深度，σ为电阻率，μ为磁导率；为了确定接收到全部信号，且时间域电磁法发射的信号不会对后续频率域电磁法的接收信号产生影响，综合实际经验，为采集时间留出30%的裕量，实际时间域的采集时间为：/>；
步骤A02：确立时间域电磁法的整体发射时间，时间域电磁法采用的发射电流波形为双极性梯形波，在关断发射电流前需要建立一个平顶段，设稳态场建立时间为，包括电流上升时间t rise 和平顶段时间t steady ，发射电流关断时间为t off ，因此实际的时间域电磁法一个完整的周期时间为：/>；
步骤A03：根据发射及补偿线圈参数确立吸收模块电阻幅值，理想情况下时间域电磁法的电流波形信号表达式为：,
其中U c 表示高压钳位电源电压幅值，U 0 表示蓄电池电压幅值，为负载线圈等效电感，/>为发射线圈等效电阻，/>为补偿线圈等效电阻，/>为稳定状态电流，t为每个阶段的时间，通过假设电路此时处于临界阻尼状态，得到电路表达式为：,
其中L Coil 、C Coil 和R Coil 分别为发射及补偿线圈的等效电感、电容及电阻，为吸收电阻，吸收电阻参数可以解得：/>。
进一步地，步骤B具体包括：
步骤B01：根据趋肤深度公式计算频率域电磁法发射的有效主频点范围为：，其中，d F 为探测深度，σ为电阻率，μ为磁导率，/>为发射频率；设探测范围要求为浅地层d Q 到深地层d S ，对应的发射频率为/>和/>，根据趋肤深度公式，深度与频率呈负相关，因此/> >/>；
步骤B02：根据探测精度确定主频点个数N FD ，依据探测深度范围与探测分辨率η FD 关系可计算出主频点个数：；
步骤B03：根据主频点数及频点值确立主控模块SPWM方法产生的多频正弦波时序控制信号，SPWM即正弦脉冲宽度调制，将幅值相同的三角波与所需正弦波进行比较，当三角波幅值大于正弦波时数字信号值为1（导通），否则为0（关断），根据导通时间不同可模拟出不同幅值信号，通过近似原理可以还原出多频正弦波信号，即将不同幅值信号等效为多频正弦波信号。
使用主控模块中的数字DDS产生固定基频的三角波及多频正弦波信号，二者比较后输出的数字控制信号输给桥路驱动模块，正弦波信号的时域表达式为，其中/>表示第/>个主频的正弦波的振幅大小，/>表示第/>个主频的频率，N表示主频总数，实际的频率域电磁法通常将一个完整的多频正弦波重复m次，对地下介质建立稳态场，使幅值和相位响应达到稳定；
步骤B04：根据主频点数及频点值确立调谐电路参数，调谐电路与发射线圈补偿线圈的总电抗可确定为:，
其中表示线圈的等效阻抗，/>表示调谐电路的等效阻抗，“//”表示并联，/>表示线圈的，/>和/>分别表示调谐电路中的第k个电容、电感的值，n表示调谐电路总的电容、电感组数，/>，在谐振公式中，整体阻抗最小时即电抗为0只留下阻抗，此时感抗与容抗大小相同，在此条件下将上式进行化简得到：，即谐振频率与电容、电感的关系为：/>，通过频点确定调谐所需电容与电阻参数。
步骤C具体包括：
步骤C01：启动拖曳式时频联合电磁探测系统，在测量中由于采用移动探测方式，为了提升信噪比，通常将一段距离内的数据进行叠加，将这一段距离等效为一个测点，将时间域电磁法所需的发射周期、频率域电磁法所需的调谐参数、发射频点等数据输入上位机；
步骤C02：将上位机中的参数传入主控模块，由主控模块进行单个周期时频电流的发射；
步骤C03：查询是否完成目标区域测量，若未完成，重复步骤C02；否则完成数据采集工作，结束探测。
时间域电磁法电流发射时，第二程控开关15闭合，第三程控开关16断开，电流波形为双极性梯形波，包含电流上升、电流平稳、电流关断和接收信号采集四个阶段，假设IGBT模块Q1、IGBT模块Q4导通方向产生电流为正方向，
在正半周期的发射电流上升阶段，第一程控开关9导通，H桥发射模块中IGBT模块Q1、IGBT模块Q4导通，IGBT模块Q2、IGBT模块Q3断开，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、发射及补偿线圈、第二程控开关15、第一程控开关及高压钳位电源10组成回路，发射电流上升至平稳，平稳电流幅值为蓄电池电压除以系统整体电阻，
在正半周期的电流平稳阶段，第一程控开关断开，蓄电池、保护二极管、IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、发射及补偿线圈和第二程控开关组成回路，平稳段时间可以通过上位机中进行数值设定，
在正半周期的电流关断阶段，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、MOS管Q5断开，MOS管Q6导通，吸收电阻RAbs切入电路，一部分电流在吸收电阻中被消耗，另一部分经由第一程控开关的续流二极管由高压钳位电源吸收，
在正半周期的接收信号采集阶段，信号经由接收线圈至信号调理模块，传入主控模块，最后传入上位机，采集时间经由所述步骤A01计算得到，至此时间域电磁法探测的正半周期发射结束，
在负半周期过程中，发射电流上升及平稳阶段变为IGBT模块Q2、IGBT模块Q3导通，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4断开，在发射关断阶段变为IGBT模块Q2、IGBT模块Q3、MOS管Q6断开，MOS管Q5导通，其余均与正半周期相同，至此完成时间域电磁法电流发射，一个完整的时间域电磁法的电流发射周期时间为；
频率域电磁法电流发射，第二程控开关15断开，第三程控开关16闭合，电流波形为多频正弦波，采用SPWM形式发射，通过双极性三角波与多频正弦波输出控制信号进行比较输出，其中一个多频正弦波包含M个三角波，控制H桥发射模块的通断，通过脉冲持续时间长短，来调整输出电压的幅值，形成正弦波，图5示出了SPWM方法产生多频正弦波的具体驱动原理。
为了保证多频正弦电流波形不失真，根据奈奎斯特采样定理，在一个完整的多频正弦波周期里需要保证M≥10，用于比较的三角波数量越多，对于多频正弦波的还原效果越好，
由于频率域电磁法采集的是稳态信号，因此需要将多频正弦波重复发射P个周期使地下信号达到稳态，重复发射次数P可由上位机输入传入主控模块，再次过程中接收线圈需要持续采集地下信号至信号调理模块，传入主控模块，最后传入上位机，在重复发射P次多频正弦波后，完成频率域电磁法电流发射，一个完整的频率域电磁法的电流发射周期时间为；
至此完成一个周期的时频联合电流发射周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测方法，其特征在于，采用城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统，所述探测系统包括拖曳车与移动平台，拖曳车与移动平台通过连接杆互相连接；还包括：
时频联合探测系统的仪器部分置于拖曳车上，传感线圈部分置于移动平台上，
传感线圈部分包括发射线圈，用于发射时间域及频率域信号，产生激励磁场；补偿线圈，与发射线圈通过双绞线方式串连，二者通以相同电流，绕向相反，用于补偿发射线圈产生的一次场，在分析线圈阻抗时将二者视作串联的同一线圈；接收线圈，用于接收地下产生的涡流；
所述时频联合探测系统的仪器部分包括上位机，GPS模块、主控模块、蓄电池、DC-DC变换器、桥路驱动模块、保护二极管、H桥发射模块、第一程控开关、高压钳位电源、吸收模块、电流驱动模块、调谐电路、第二程控开关、第三程控开关以及信号调理模块，
其中，上位机，用于人机交互，将系统运行所需参数传入主控模块，以及接收主控模块传回的数据；
主控模块，用于系统整体时序控制及数据传输中转；
GPS模块，用于记录系统当前位置状态，并将位置信息传入主控模块；
蓄电池，用于为系统整体供电；
DC-DC变换器，用于进行电平转换，将蓄电池电压转换为适宜于主控模块及其它模块使用的电压；
保护二极管，与H桥发射模块及蓄电池相连，用于保护后级电路，防止反接；
桥路驱动模块，与主控模块及H桥发射模块相连，用于接收主控模块的时序控制，完成电平转换，驱动H桥发射模块产生相应电流波形；
H桥发射模块，包括串联的IGBT模块Q1与IGBT模块Q3，串联的IGBT模块Q2与IGBT模块Q4，IGBT模块Q1与IGBT模块Q3之间连接第二程控开关与第三程控开关，IGBT模块Q2与IGBT模块Q4之间连接发射线圈的一端，IGBT模块Q1与IGBT模块Q2连接在保护二极管与第一程控开关的一端，IGBT模块Q3与IGBT模块Q4连接在高压钳位电源负极与蓄电池负极，形成H桥；
第一程控开关，包括一个IGBT模块Q7，与H桥发射模块及第一程控开关连接，用于控制高压钳位电源接入时间；
高压钳位电源，用于在时间域电磁法的电流波形关断期间进行钳位；
吸收模块，包括MOS管Q5、MOS管Q6及一个吸收电阻串联组成，吸收模块并联在发射及补偿线圈两侧，用于时间域电磁法的电流波形关断晚期产生的欠阻尼振荡，提升二次场信号质量；
第二程控开关，与发射及补偿线圈串连，用于在产生时间域电磁法的电流波形时屏蔽调谐电路影响；
第三程控开关以及调谐电路串联后与第二程控开关并联，第三程控开关用于在发射频率域电磁法电流波形时控制调谐电路接入系统的时间；
信号调理模块与接收线圈及主控模块相连，用于调理接收线圈的感应电压；
所述调谐电路包括基于频点选取的磁芯电感及电容，一个频点与一组磁芯电感与电容对应，磁芯电感初级侧与电流驱动模块连接，磁芯电感次级侧与电容并联，多组磁芯电感、电容间呈并联关系，根据频率域电磁法发射的频点个数及范围选取不同参数进行通频带的调谐，增大频率域电磁法的电流幅值；
所述电流驱动模块与主控模块及调谐电路连接，用于接收主控模块的控制并转化为相应的电流信号，该电流信号将流经调谐电路中磁芯电感的初级侧，进而控制次级侧的电感值，实现不同频点切换，所述电流驱动模块包括多组电流驱动电路，调谐电路中每一组磁芯电感与电容对应着一组电流驱动电路，每组电流驱动电路包括一块锂电池和一个MOS管和一个电阻形成的串联结构，串联在磁芯电感的初级侧，MOS管工作在线性区时， 输出电流与控制电压成正比例关系，通过不同电流大小来控制磁芯电感的电感值；
所述探测方法包括：
步骤A：根据调查目标区域深度范围确定时间域电磁法的有效采集时间；确立时间域电磁法的整体发射时间；根据线圈参数确立吸收模块参数；
步骤B：根据探测精度要求和趋肤深度公式计算频率域电磁法发射的有效主频点；采用SPWM方法发射多频正弦波，确立多频正弦波激励信号时序；根据主频点，确立调谐电路相关参数；
步骤C：根据发射时序，在一个周期内，进行一次时频联合电磁法电流发射，利用拖曳车及移动平台为载体，进行多次重复发射，直至探测完成目标区域即可结束；
步骤A具体包括：
步骤A01：确定调查目标区域的深度范围，利用扩散深度公式确定时间域信号的扩散时间t T：，其中，d T 为探测深度，σ为电阻率，μ为磁导率；为采集时间留出30%的裕量，实际时间域的采集时间为：/>；
步骤A02：确立时间域电磁法的整体发射时间，时间域电磁法采用的发射电流波形为双极性梯形波，在关断发射电流前建立一个平顶段，设稳态场建立时间为，包括电流上升时间t rise 和平顶段时间t steady ，发射电流关断时间为t off ，实际的时间域电磁法一个完整的周期时间为：/>；
步骤A03：根据发射及补偿线圈参数确立吸收模块电阻幅值，计算理想情况下时间域电磁法的电流波形信号为：；
其中U c 表示高压钳位电源电压幅值，U 0 表示蓄电池电压幅值， 为负载线圈等效电感，为发射线圈等效电阻，/>为补偿线圈等效电阻，/>为稳定状态电流，t为每个阶段的时间，通过假设电路此时处于临界阻尼状态，得到电路表达式为：
;
其中L Coil 、C Coil 和R Coil 分别为发射及补偿线圈的等效电感、电容及电阻，为吸收电阻，解得吸收电阻参数：/>是；
步骤B具体包括：
步骤B01：根据趋肤深度公式计算频率域电磁法发射的有效主频点范围为：，其中，d F 为探测深度，σ为电阻率，μ为磁导率，/>为发射频率；设探测范围要求为浅地层d Q 到深地层d S ，对应的发射频率为/>和/>，根据趋肤深度公式，深度与频率呈负相关，/> >/>；
步骤B02：根据探测精度确定主频点个数N FD ，依据探测深度范围与探测分辨率η FD 关系计算出主频点个数：；
步骤B03：根据主频点数及频点值确立主控模块SPWM方法产生的多频正弦波时序控制信号，所述SPWM即正弦脉冲宽度调制，将幅值相同的三角波与所需正弦波进行比较，当三角波幅值大于正弦波时数字信号值为1，表示导通，否则为0，表示关断，根据导通时间不同模拟出不同幅值信号，将不同幅值信号等效为多频正弦波信号，
使用主控模块中的数字DDS产生固定基频的三角波及多频正弦波信号，二者比较后输出的数字控制信号输给桥路驱动模块，正弦波信号的时域表达式为，其中/>表示第/>个主频的正弦波的振幅大小，/>表示第个主频的频率，N表示主频总数，通过将一个完整的多频正弦波重复m次，对地下介质建立稳态场，使幅值和相位响应达到稳定；
步骤B04：根据主频点数及频点值确立调谐电路参数，调谐电路与发射及补偿线圈的总电抗计算为:，
其中，表示线圈的等效阻抗，/>表示调谐电路的等效阻抗，“//”表示并联，/>表示线圈的，/>和/>分别表示调谐电路中的第k个电容、电感的值，n表示调谐电路总的电容、电感组数，/>，在谐振公式中，整体阻抗最小时即电抗为0只留下阻抗，此时感抗与容抗大小相同，在此条件下将上式进行化简得到：，即谐振频率与电容、电感的关系为：/>，通过频点确定调谐所需电容与电阻参数；
步骤C具体包括：
步骤C01：启动拖曳式时频联合电磁探测系统，将时间域电磁法所需的发射周期、频率域电磁法所需的调谐参数、发射频点数据输入上位机；
步骤C02：将上位机中的参数传入主控模块，由主控模块进行单个周期时频电流的发射；
步骤C03：查询是否完成目标区域测量，若未完成，重复步骤C02；否则完成数据采集工作，结束探测是；
步骤C02中单个周期时频电流的发射，包括：
时间域电磁法电流发射：
第二程控开关闭合，第三程控开关断开，电流波形为双极性梯形波，包含电流上升、电流平稳、电流关断和接收信号采集四个阶段，设IGBT模块Q1、IGBT模块Q4导通方向产生电流为正方向，
在正半周期的发射电流上升阶段，第一程控开关导通，H桥发射模块中IGBT模块Q1、IGBT模块Q4导通，IGBT模块Q2、IGBT模块Q3断开，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、发射及补偿线圈、第二程控开关、第一程控开关及高压钳位电源组成回路，发射电流上升至平稳，平稳电流幅值为蓄电池电压除以系统整体电阻；
在正半周期的电流平稳阶段，第一程控开关断开，蓄电池、保护二极管、IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、发射及补偿线圈和第二程控开关组成回路，平稳段时间通过上位机中进行数值设定；
在正半周期的电流关断阶段，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4、MOS管Q5断开，MOS管Q6导通，吸收电阻切入电路，一部分电流在吸收电阻中被消耗，另一部分经由第一程控开关的续流二极管由高压钳位电源吸收；
在正半周期的接收信号采集阶段，信号经由接收线圈至信号调理模块，传入主控模块，最后传入上位机，采集时间经由所述步骤A01计算得到，至此时间域电磁法探测的正半周期发射结束；
在负半周期过程中，发射电流上升及平稳阶段变为IGBT模块Q2、IGBT模块Q3导通，IGBT模块Q1、IGBT模块Q4断开，在发射关断阶段变为IGBT模块Q2、IGBT模块Q3、MOS管Q6断开，MOS管Q5导通，其余均与正半周期相同，至此完成时间域电磁法电流发射，一个完整的时间域电磁法的电流发射周期时间为；
频率域电磁法电流发射：
第二程控开关断开，第三程控开关闭合，电流波形为多频正弦波，采用SPWM形式发射，通过双极性三角波与多频正弦波输出控制信号进行比较输出，其中一个多频正弦波包含M个三角波，控制H桥发射模块的通断，通过脉冲持续时间长短，来调整输出电压的幅值，形成正弦波，
在一个完整的多频正弦波周期里保证M≥10;
将多频正弦波重复发射P个周期使地下信号达到稳态，重复发射次数P由上位机输入传入主控模块，在此过程中接收线圈需要持续采集地下信号至信号调理模块，传入主控模块，最后传入上位机，在重复发射P次多频正弦波后，完成频率域电磁法电流发射，一个完整的频率域电磁法的电流发射周期时间为；
至此完成一个周期的时频联合电流发射周期。
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