地下全空間瞬變電磁探測儀及探測方法

2023-05-10 14:24:31 1

地下全空間瞬變電磁探測儀及探測方法
【專利摘要】本發明涉及一種地下全空間瞬變電磁探測儀及探測方法，是由計算機經信號採集卡、和信號調理電路與接收線圈連接，12V電池經放電保護電路、發射邏輯及控制模和MCU與信號採集卡連接，放電保護電路經低電壓限流電路和光耦8與信號調理電路連接，能量快速消耗電路經發射線圈和低電壓限流電路與發射邏輯及控制模塊連接，計算機經MCU分別連接E2PROM、光耦和信號調理電路構成。採用偶極-偶極方式進行探測，不僅減小了裝置，通過調節兩線圈的收發距和夾角，多次測量提高了探測的精度。有效的提高了接收線圈所採集到的早期信號的精度，有效提高接收信號的信噪比，解決了全空間瞬變電磁探測數據不準確的難題。
【專利說明】地下全空間瞬變電磁探測儀及探測方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種地球物理探測方法，特別是基於偶極-偶極方式的全空間瞬變電磁探測，能夠實現在礦井內快速準確地探測地下視電阻率的裝置及工作方法。
【背景技術】:
[0002]針對探測區視電阻率的探測，瞬變電磁法是目前主要的探測方式，瞬變電磁法應用最廣泛的是地面半空間的探測，採用分離回線，中心回線或重疊回線方式分析感應二次場，從而得到地下視電阻率分布情況。
[0003]將瞬變電磁法引入地下全空間探測能實現在礦井內對地下更深層視電阻率的探測，由於礦井隧道內空間狹小，佔地面積極大的地面瞬變電磁裝置在這種情況下並不適用，為了解決這一問題，本發明採用偶極-偶極方式進行探測，不僅減小了裝置的大小，還可以通過調節兩線圈的收發距，多次測量來提高測量的精確度。由於本裝置是在地下探測，還可以根據情況，通過兩個線圈的正對方向來選擇需要探測的方向，不再像以前的儀器只有單一的探測方向。通過能量快速消耗電路和軟體計算補償法減少關斷時間，可以有效的提高接收線圈所採集到的早期信號的精確度，為更準確的進行數據反演解釋提供保障。同時，與目前已有的礦用瞬變電磁儀器相比，本裝置採用軟體內部消除礦井、隧道中金屬支架和導軌等金屬製品的幹擾，可有效的提高接收信號的信噪比，解決了全空間瞬變電磁探測數據不準確的難題。目前還沒有一臺礦用瞬變電磁儀器通過這種方法消除礦井、隧道中金屬支架和導軌等金屬製品的幹擾，提高全空間瞬變電磁反演精確度，本發明將在礦井隧道內的瞬變電磁探測中具有非常廣泛的應用前景。
[0004]CN202631752U公開了一種「礦井瞬變電磁儀」，採用WINCE作業系統，在數據採集完成後，直接在井下進行數據處理和成圖，實時繪製地質分析圖，直觀地確定出富水區域的賦存深度及位置，該裝置雖然功能多，實時性、連續性強的優點，但是發射電壓過大，沒有放電保護電路，在礦井中危險性極大。
[0005]CN103603650A公開了一種「一種瞬變電磁測井儀器」，該儀器所配套的電磁探頭系統由一個帶磁芯的發射線圈和多個接收線圈組成，用非接觸式方法實現了地下視電阻率的有效測量，該裝置雖然通過線圈內置鐵芯實現了大功率瞬變激發，提高了瞬變電磁場的激發強度，但是沒有採取有效措施減小關斷時間，使得早期數據不準確，影響了最終地下視電阻率的解釋。
[0006]CN103091719A公開了一種「一種瞬變電磁井下探測儀」，該儀器的發射機設有隔爆腔和接線腔兩個腔體，電源和發射板置於隔爆腔內，將外界易爆環境和大電流的發射裝置隔離開來，以保證使用安全，該裝置雖然增大了發射電流，且用隔爆腔保證安全，大大提高勘探效率，但是沒有採取有效措施消除礦井、隧道中金屬支架和導軌等金屬製品的幹擾，影響了最終地下視電阻率的解釋。

【發明內容】
:[0007]本發明的目的就在於針對上述現有技術的不足，提供一種基於偶極-偶極方式的地下全空間瞬變電磁探測儀；
[0008]本發明的目的另一目的是提供一種基於偶極-偶極方式的全空間瞬變電磁探測的探測方法。
[0009]本發明的目的是通過以下方式實現的:
[0010]地下全空間瞬變電磁探測儀，是由計算機I經信號採集卡4和信號調理電路9與接收線圈13連接，12V電池10經放電保護電路6、發射邏輯及控制模塊2和MCU3與信號採集卡4連接，放電保護電路6經低電壓限流電路7和光耦8與信號調理電路9連接，能量快速消耗電路12經發射線圈11和低電壓限流電路7與發射邏輯及控制模塊2連接，計算機I經MCU3分別連接E2PR0M5、光耦8和信號調理電路9構成。
[0011]發射邏輯及控制模塊2是由CPLD14經H橋驅動電路15和CMOS橋路16與雙向二極體17連接構成。
[0012]信號調理電路9是由高壓繼電器18經保護二極體19、TEM前置放大器20、帶通濾波器23和TEM放大器22與程控增益放大器21連接構成。
[0013]地下全空間瞬變電磁探測儀的探測方法，包括以下步驟:
[0014]a、將探測儀器放置在待測區域，把發射線圈11和接收線圈13分別放置在探測區域平行面上，收發距2m，發射線圈11和接收線圈13均為正方形多匝回線且接收線圈13與發射線圈11平行放置；
[0015]b、將發射線圈11連接到發射機，將接收線圈13連接到接收機，接收機再通過網線與計算機I相連，MCU3通過串口轉USB 口線與計算機I相連；
[0016]C、計算機I對儀器各部分進行檢測，各部分都正常後打開設置面板對接收系統的信號調理電路9配置放大器參數，再向發射邏輯及控制模塊2發出指令，控制產生發射信號;
[0017]d、接收線圈13接收到感應二次場後由信號調理電路9預處理後傳給信號採集卡4，再傳給計算機I和MCU3 ；
[0018]e、應用探測的數據、地下全空間核函數及晚期公式計算地下視電阻率，上位機將探測得到的數據進行反演，得到視電阻率，用已知巷道內金屬支架和導軌的鋪設位置修正反演結果，通過修正後的反演結果繪製該位置上下空間的視電阻率隨深度的變化曲線；
[0019]f、改變線圈與探測面的夾角，每次增加兩線圈的收發距2m，改變線圈收發距5次，每次順時針轉動線圈與探測面的夾角15度，轉動線圈6次，每次改變都重複d-e步驟，探測得到30組不同方位的視電阻率水文地質信息，建立地下三維視電阻率模型，用插值法得出全部視電阻率值；
[0020]h、將30組反演得到的結果進行對比修正，在上位機界面中繪製視電阻率二維圖和三維圖，判斷巷道附近的潛在危害及異常地質體。
[0021]有益效果:本發明採用偶極-偶極方式進行探測，不僅減小了裝置的大小，還可以通過調節兩線圈的收發距和夾角，多次測量來提高探測的精確度。通過能量快速消耗電路和軟體計算補償法減少關斷時間，可以有效的提高接收線圈所採集到的早期信號的精確度，採用光耦隔離發射電路和接收電路，為更準確的進行數據反演解釋提供保障。同時，本發明採用軟體內部消除礦井、隧道中金屬支架和導軌等金屬製品的幹擾，可有效的提高接收信號的信噪比，解決了全空間瞬變電磁探測數據不準確的難題，將在礦井隧道內的瞬變電磁探測中具有非常廣泛的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0022]圖1為一種基於偶極-偶極方式的地下全空間瞬變電磁探測儀器結構框圖；
[0023]圖2為發射邏輯及控制模塊2結構框圖；
[0024]圖3為信號調理電路9結構框圖；
[0025]圖4測線視電阻率斷面圖
[0026]圖5測區視電阻率三維圖
[0027]I計算機，2發射邏輯及控制模塊，3MCU，4信號採集卡，5E2PR0M, 6放電保護電路，7低電壓限流電路，8光耦，9信號調理電路，1012V電池，11發射線圈，12能量快速消耗電路，13接收線圈，14CPLD，15H橋驅動電路，16CM0S橋路，17雙向二極體，18高壓繼電器，19保護二極體，20TEM前置放大器，21程控增益放大器，22TEM放大器，23帶通濾波器。
【具體實施方式】:
[0028]下面結合附圖和實施例作進一步的詳細說明:
[0029]地下全空間瞬變電磁探測儀，是由計算機I經信號採集卡4、和信號調理電路9與接收線圈13連接，12V電池10經放電保護電路6、發射邏輯及控制模塊2和MCU3與信號採集卡4連接，放電保護電路6經低電壓限流電路7和光耦8與信號調理電路9連接，能量快速消耗電路12經發射線圈11和低電壓限流電路7與發射邏輯及控制模塊2連接，計算機I經MCU3分別連接E2PR0M5、光耦83和信號調理電路9構成。
[0030]發射邏輯及控制模塊2是由CPLD14經H橋驅動電路15和CMOS橋路16與雙向二極體17連接構成。
[0031]信號調理電路9是由高壓繼電器18經保護二極體19、TEM前置放大器20、帶通濾波器23和TEM放大器22與程控增益放大器21連接構成。
[0032]地下全空間瞬變電磁探測儀的工作方法，是一種採用偶極-偶極方式在某地下隧道內，實驗操作空間有限的條件下，精確探測探測區視電阻率分布的方法，用發射線圈11向地下發射雙極性脈衝磁場，在一次脈衝磁場間歇期間，用接收線圈13觀測二次感應場隨時間變化的衰減特性，通過軟體對礦井、隧道中金屬支架和導軌等金屬製品的幹擾進行有效濾除，從而探測該區域的視電阻率分布情況。
[0033]地下全空間瞬變電磁探測儀的探測方法，包括以下步驟:
[0034]a、將探測儀器放置在待測區域，把發射線圈11和接收線圈13分別放置在探測區域平行面上，收發距2m，發射線圈11和接收線圈13均為正方形多匝回線且接收線圈13與發射線圈11平行放置；
[0035]b、將發射線圈11連接到發射機，將接收線圈13連接到接收機，接收機再通過網線與計算機I相連，MCU3通過串口轉USB 口線與計算機I相連；
[0036]C、計算機I對儀器各部分進行檢測，各部分都正常後打開設置面板對接收系統的信號調理電路9配置放大器參數，再向發射邏輯及控制模塊2發出指令，控制產生發射信號；[0037]d、接收線圈13接收到感應二次場後由信號調理電路9預處理後傳給信號採集卡4，再傳給計算機I和MCU3 ；
[0038]e、應用探測的數據、地下全空間核函數及晚期公式計算地下視電阻率，上位機將探測得到的數據進行反演，得到視電阻率，用已知巷道內金屬支架和導軌的鋪設位置修正反演結果，通過修正後的反演結果繪製該位置上下空間的視電阻率隨深度的變化曲線；
[0039]f、改變線圈與探測面的夾角，每次增加兩線圈的收發距2m，改變線圈收發距5次，每次順時針轉動線圈與探測面的夾角15度，轉動線圈6次，每次改變都重複d-e步驟，探測得到30組不同方位的視電阻率水文地質信息，建立地下三維視電阻率模型，用插值法得出全部視電阻率值；
[0040]h、將30組反演得到的結果進行對比修正，在上位機界面中繪製視電阻率二維圖和三維圖，判斷巷道附近的潛在危害及異常地質體。
[0041]如圖1所示，計算機I通過USB轉485線與MCU3連接，計算機I用於操作儀器開始、顯示、發射、控制、數據存儲、數據處理和視電阻率成像；MCU3根據計算機I的命令將發射信號的參數傳給發射邏輯及控制模塊2、控制信號採集卡4採集信號、設置信號調理電路9的參數、控制光耦8以及將數據傳給E2PR0M5 ;發射線圈11根據發射邏輯及控制模塊2的指令產生雙極性方波，由放電保護電路6和低電壓限流電路7保護儀器，確保發射的正常進行，能量快速消耗電路12使得關斷時間減小，確保早期信號的採集；接收線圈13用於採集地下感應二次場信號；信號調理電路9把接收線圈13接收到的信號進行放大整形濾波等傳遞給信號採集卡4 ;信號採集卡4接收來自信號調理電路9的信號，對信號進行採集預處理後傳輸給計算機I並顯示；發射邏輯及控制模塊2根據MCU3的指令和計算機I設置的參數確定在何時發射，發射信號的頻率及佔空比是多少；E2PR0M5用來存儲數據，以便將來使用；光耦8用來隔離發射電路和接收電路，以免幹擾。
[0042]計算機I與信號採集卡4通過網線連接，MCU3與信號採集卡4通過同步信號線連接，信號採集卡4通過信號傳輸線與信號調理電路9連接，信號調理電路9與接收線圈13連接，信號調理電路9與MCU3連接配置放大器參數，計算機I與發射邏輯及控制模塊2連接，MCU3與發射邏輯及控制模塊2連接，發射邏輯及控制模塊2與放電保護電路6連接，發射邏輯及控制模塊2與低電壓限流電路7連接，低電壓限流電路7與發射線圈11連接，發射線圈11與能量快速消耗電路12連接，12V電池10與放電保護電路6連接。
[0043]如圖2所示，發射邏輯及控制模塊2包括CPLD14、H橋驅動電路15、CMOS橋路16和雙向二極體17，MCU3連接CPLD14，CPLD14連接H橋驅動電路15，H橋驅動電路15連接CMOS橋路16，CMOS橋路16連接雙向二極體17，雙向二極體17連接低電壓限流電路7，低電壓限流電路7連接發射線圈11，發射線圈11另一端與能量快速消耗電路12連接。
[0044]如圖3所示，信號調理電路9包括高壓繼電器18、保護二極體19、TEM前置放大器20、帶通濾波器23、TEM放大器22、程控增益放大器21。接收線圈13連接高壓繼電器18，高壓繼電器18連接保護二極體19，保護二極體19連接TEM前置放大器20，前置放大器20連接帶通濾波器23，帶通濾波器23連接TEM放大器22，TEM放大器22連接程控增益放大器21，程控增益放大器21連接信號採集卡4。
[0045]實施例1
[0046]地下全空間瞬變電磁探測儀的工作方法是一種在礦井巷道內、實驗操作空間有限的條件下，精確探測探測區視電阻率分布的方法，該系統利用發射線圈11向地下發射雙極性脈衝磁場，在一次脈衝磁場間歇期間，利用接收線圈13觀測二次感應場隨時間變化的衰減特性，通過軟體算法對礦井、隧道中金屬支架和導軌等金屬製品的幹擾進行有效濾除消除，從而探測該區域的視電阻率分布情況。
[0047]計算機I通過USB轉485線與MCU3連接，計算機I與信號採集卡4通過網線連接，MCU3與信號採集卡4通過同步信號線連接，信號採集卡4通過信號傳輸線與信號調理電路9連接，信號調理電路9與接收線圈13連接，信號調理電路9與MCU3連接配置放大器參數，計算機I與發射邏輯及控制模塊2連接，MCU3與發射邏輯及控制模塊2連接，發射邏輯及控制模塊2與放電保護電路6連接，發射邏輯及控制模塊2與低電壓限流電路7連接，低電壓限流電路7與發射線圈11連接，發射線圈11與能量快速消耗電路12連接，12V電池10與放電保護電路6連接。
[0048]發射邏輯及控制模塊2包括CPLD14、H橋驅動電路15、CM0S橋路16和雙向二極體17。MCU3連接CPLD14，CPLD14連接H橋驅動電路15，H橋驅動電路15連接CMOS橋路16，CMOS橋路16連接雙向二極體17，雙向二極體17連接低電壓限流電路7，低電壓限流電路7連接發射線圈11，發射線圈11另一端與能量快速消耗電路12連接。
[0049]信號調理電路9包括高壓繼電器18、保護二極體19、TEM前置放大器20、帶通濾波器23、TEM放大器22、程控增益放大器21。接收線圈13連接高壓繼電器18，高壓繼電器18連接保護二極體19，保護二極體19連接TEM前置放大器20，前置放大器20連接帶通濾波器23，帶通濾波器23連接TEM放大器22，TEM放大器22連接程控增益放大器21，程控增益放大器21連接信號採集卡4。
[0050]地下全空間瞬變電磁探測儀器及工作方法，按以下步驟工作:
[0051]a、將探測儀器放置在待測區域，將正方形多匝回線發射線圈11和正方形多匝回線接收線圈13分別平行放置在探測區域平行面上，收發距2m ；
[0052]b、將發射線圈11連接到發射機，將接收線圈13連接到接收機，接收機再通過網線與計算機I相連，MCU3通過串口轉USB 口線與計算機I相連。
[0053]C、計算機I對儀器各部分進行檢測，各部分都正常後打開設置面板對接收系統的信號調理電路9配置放大器參數，再向發射邏輯及控制模塊2發出指令，控制產生發射信號;
[0054]d、接收線圈13接收到感應二次場後由信號調理電路9預處理後傳給信號採集卡4，再傳給計算機I和E2PR0M5。
[0055]e、應用探測的數據、地下全空間核函數及晚期公式計算地下視電阻率，上位機將探測得到的數據進行反演，得到視電阻率，用已知巷道內金屬支架和導軌的鋪設位置修正反演結果，排除巷道內金屬支架和導軌等金屬製品的影響，並進行時深轉換和解釋，繪製該位置上下空間視電阻率隨深度變化的斷面圖。
[0056]偶極-偶極方式核函數為
【權利要求】
1.一種地下全空間瞬變電磁探測儀，其特徵在於，是由計算機(I)經信號採集卡(4)和信號調理電路(9)與接收線圈(13)連接，12V電池(10)經放電保護電路(6)、發射邏輯及控制模塊⑵和MCU(3)與信號採集卡⑷連接，放電保護電路(6)經低電壓限流電路(7)和光耦(8)與信號調理電路(9)連接，能量快速消耗電路(12)經發射線圈(11)和低電壓限流電路(7)與發射邏輯及控制模塊⑵連接，計算機(I)經MCU (3)分別連接E2PROM(5)、光率禹⑶和信號調理電路(9)構成。
2.按照權利要求1所述的地下全空間瞬變電磁探測儀，其特徵在於，發射邏輯及控制模塊⑵是由CPLD(H)經H橋驅動電路(15)和CMOS橋路(16)與雙向二極體(17)連接構成。
3.按照權利要求1所述的地下全空間瞬變電磁探測儀，其特徵在於，信號調理電路(9)是由高壓繼電器(18)經保護二極體(19)、TEM前置放大器(20)、帶通濾波器(23)和TEM放大器(22)與程控增益放大器(21)連接構成。
4.一種地下全空間瞬變電磁探測儀的探測方法，其特徵在於，包括以下步驟: a、將探測儀器放置在待測區域，把發射線圈(11)和接收線圈(13)分別放置在探測區域平行面上，收發距2m — 10m，發射線圈(11)和接收線圈(13)均為正方形多匝回線且接收線圈(13)與發射線圈(11)平行放置； b、將發射線圈(11)連接到發射機，將接收線圈(13)連接到接收機，接收機再通過網線與計算機⑴相連，MCU(3)通過串口轉USB 口線與計算機⑴相連； C、計算機(I)對儀器各部分進行檢測，各部分都正常後打開設置面板對接收系統的信號調理電路(9)配置放大器參數，再向發射邏輯及控制模塊(2)發出指令，控制產生發射信號; d、接收線圈(13)接收到感應二次場後由信號調理電路(9)預處理後傳給信號採集卡(4)，再傳給計算機⑴和MCU (3); e、應用探測的數據、地下全空間核函數及晚期公式計算地下視電阻率，上位機將探測得到的數據進行反演，得到視電阻率，用已知巷道內金屬支架和導軌的鋪設位置修正反演結果，通過修正後的反演結果繪製該位置上下空間的視電阻率隨深度的變化曲線； f、保持兩線圈面平行，改變線圈與探測面的夾角，每次增加兩線圈的收發距2m，改變線圈收發距5次，每次同向轉動線圈與探測面的夾角15度，轉動線圈6次，每次改變都重複d-e步驟，探測得到30組不同方位的視電阻率水文地質信息，建立地下三維視電阻率模型，用插值法得出全部視電阻率值； g、將30組反演得到的結果進行對比修正，在上位機界面中繪製視電阻率二維圖和三維圖，判斷巷道附近的潛在危害及異常地質體。
【文檔編號】G01V3/28GK104035137SQ201410243059
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】林婷婷, 王穎, 萬玲, 林君, 陳武強, 曲永星, 張思遠, 杜官峰 申請人:吉林大學