本發(fā)明涉及地礦勘察設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

我國的地礦勘察工作信息化概念是20世紀(jì)80年代中期提出來的，地質(zhì)礦產(chǎn)部曾作為全國性工程加以推動。自從國外提出“數(shù)字地球”(core，1998)以來，我國的地礦勘察工作信息化工程便因被納入“數(shù)字中國”(徐冠華等，1999)和“數(shù)字國土”(張洪濤，2001)工程而加速進(jìn)行了，但至今沒有明確的定義。

地礦勘察工作信息化不是地質(zhì)信息技術(shù)的簡單應(yīng)用，而是涉及更為深刻的領(lǐng)域。根據(jù)國內(nèi)外地礦工作領(lǐng)域信息技術(shù)的應(yīng)用狀況及其所帶來的影響，地礦勘察工作信息化是指：采用信息系統(tǒng)對傳統(tǒng)的地礦勘察工作主流程進(jìn)行充分改造，實現(xiàn)了全程計算機(jī)輔助化，數(shù)據(jù)在各道工序問流轉(zhuǎn)順暢、充分共享。

時間域電磁法(timedomainelectromagneticmethods)或稱瞬變電磁法(transientelectromagneticmethods)，都縮寫為tem，是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時間域人工源電磁探測方法。它利用不接地回線(磁源)或接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(通常稱為一次場)，在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電磁場(通常稱為二次場)。由于二次場包含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次場(或稱響應(yīng)場)，通過對這些響應(yīng)信息的提取和分析，從而達(dá)到探測地下地質(zhì)體的目的。顯然，所研究的是響應(yīng)場與時間的關(guān)系，故稱之為時間域電磁法。根據(jù)它的衰減特征，主要用于研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)，可以分析判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

納米瞬變電磁法原理上與瞬變電磁法原理一樣，只是由于具有發(fā)射快速關(guān)斷功能，而可以探測從0-100米的地下地質(zhì)體。且具有儀器輕便，便于攜帶，施工方便的特點(diǎn)。

目前現(xiàn)有的技術(shù)中，針對道路災(zāi)害和塌陷的檢測，手段都比較簡易，主要存在的問題集中在工作過于艱苦和工作的危險，通常需要需要野外地質(zhì)人員的人力查勘和頻頻犯險，現(xiàn)有工作方法是直接在路面打鉆，然后根據(jù)打鉆資料來判斷路面下是否有空洞或者松軟土層，工作效率較低，而目前現(xiàn)有技術(shù)中通常采用的比較好的技術(shù)，如頻譜電磁法及直流電法，穿透和分辨低阻覆蓋能力非常有限，且經(jīng)常產(chǎn)生高阻屏蔽現(xiàn)象，不能有效的對道路上的空洞或者松軟地層進(jìn)行勘探。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置及使用方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題，使用地球物理方法中的電磁法原理，來對路面進(jìn)行無損檢測，然后根據(jù)檢測結(jié)果，在確定的地方再打鉆，有效的提高了打鉆的準(zhǔn)確度和工作效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置及使用方法，由發(fā)射部分，接收部分，采集裝置，處理系統(tǒng)四大部分組成，其中發(fā)射部分和接收部分之間進(jìn)行g(shù)ps授時同步，處理系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析兩部分，安裝在電腦端、平板電腦和或手機(jī)電子設(shè)備中；

采集裝置的整體呈矩形體，中心設(shè)置有中心板，中心板為矩形且水平放置，中心板上設(shè)有兩個三分量磁通門傳感器，且兩個傳感器的方向一致，兩個傳感器分別到多匝發(fā)射線圈中部的距離相等，中心板的四個直角向外放射的設(shè)有四個延長支架，每個延長支架末端均設(shè)有一個垂直的無磁輔助支架，輔助支架外部纏繞有多匝發(fā)射線圈。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述發(fā)射部分和接收部分之間還通過穩(wěn)流源模塊相連，其中，發(fā)射部分為adc數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)有cpld、dsp、usb控制器、存儲ram和電源模塊；接收部分為信號處理模塊，其cpu分別與gps、顯示屏、fpga模塊相連，fpga模塊的接口分別連接至穩(wěn)流源模塊的驅(qū)動電路和發(fā)射部分的接口。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：當(dāng)裝置應(yīng)用于垂直梯度采集信息時，所述中心板的中心沿垂直方向設(shè)有兩個三分量磁通門傳感器，且兩個三分量磁通門傳感器的距離大于等于50cm，方向一致；當(dāng)裝置應(yīng)用于水平梯度采集信息時，所述中心板上水平放置兩個三分量磁通門傳感器，且兩個三分量磁通門傳感器的距離大于等于50cm，方向一致。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述發(fā)射線圈，工作時可通過電流1a-20a；頻率可調(diào)范圍為0.25hz-256hz，占空比為50％，匝數(shù)10-20匝，線圈構(gòu)成的矩形框架整體大小為1米*1米到5米*5米范圍。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述無磁輔助支架上設(shè)有為固定線圈的凹槽，且底部安裝有滑輪，且無磁輔助支架的材質(zhì)為pc、pvc或木質(zhì)。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述用于數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析兩部分的處理系統(tǒng)的具體使用步驟為：

q1：接收部分和發(fā)射部分之間采用gps授時同步或線同步兩種方式，發(fā)射部分根據(jù)時間域電磁法，對需探測地表發(fā)射出信號，由接收部分接收信號；

q2：接收部分同時采集x，y，z三個方向上的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集；

q3：處理系統(tǒng)接收來自接收部分的數(shù)據(jù)，作為原始數(shù)據(jù)；

q4：處理系統(tǒng)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪后根據(jù)時間域電磁法進(jìn)行定性解釋，繪制測道圖、曲線類型圖，進(jìn)行時頻分析；

q5：通過對地形數(shù)據(jù)的初步矯正，對q4步驟的數(shù)據(jù)進(jìn)行半定量解釋，測算全域電阻率和博斯蒂克反饋；

q6：通過比值法或空間濾波法對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步矯正，對q5步驟的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量解釋，采用廣義擬矩陣進(jìn)行一維空間的反饋，采用基于fdtd的二維反演，進(jìn)行時-頻密度的二維空間反饋；

q7：對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，產(chǎn)生視電阻率的深度剖面圖、視電阻率異常平面圖。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述q2步驟對三維數(shù)據(jù)采集，具體為：接收部分為磁通門傳感器時，進(jìn)行水平梯度和垂直梯度的磁信號采集；接收部分為感應(yīng)線圈時，可進(jìn)行水平梯度和垂直梯度的感性電動勢采集。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在野外工作時就可以實時成像；在現(xiàn)場利用平板電腦等電子設(shè)備對采集的資料進(jìn)行簡單實時處理，可以實時的反饋施工質(zhì)量信息，以便為后續(xù)室內(nèi)資料處理打下良好的基礎(chǔ)；相對于傳統(tǒng)的頻譜電磁法及直流電法，本發(fā)明實施例的穿透和分辨低阻覆蓋能力強(qiáng)，無高阻屏蔽現(xiàn)象，可以有效的對道路上的空洞或者松軟地層進(jìn)行勘探，進(jìn)行三分量的梯度采集，有效減少了來自外界的天電和人文電磁場的干擾，并且有效的消除了發(fā)射及接收線圈之間的電磁耦合效應(yīng)，有效提高了數(shù)據(jù)在橫向及縱向上的勘探分辨率；使用了高精度的磁通門傳感器直接測量磁場信號，在早期通道的響應(yīng)上效果更好，對于淺部勘探的效果提高有很大好處，且使設(shè)備的裝置變小，重量也更加輕便，更加適合于在城市及高速路上使用。

附圖說明

圖1為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置的水平梯度采集信號時的采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置的垂直梯度采集信號時的采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置的發(fā)射部分和接收部分的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置的處理系統(tǒng)的步驟流程示意圖。

圖5為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置的處理系統(tǒng)的測量典型剖面的一段地質(zhì)解釋示意圖。

圖6為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置的處理系統(tǒng)的測量典型剖面的另一段地質(zhì)解釋圖示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

某某高速公路k1033+300～k1136+700段有多處屬高填路段。據(jù)養(yǎng)護(hù)單位反映，自2012年通車以來，該段路基多處出現(xiàn)沉降變形現(xiàn)象，多次采取補(bǔ)救措施，但至今變形仍未見明顯好轉(zhuǎn)。

請參閱圖1-4，為查明該段路基沉降影響范圍內(nèi)是否存在空洞，申請人利用本發(fā)明實施例1所提供的技術(shù)，對該段路基進(jìn)行了地球物理勘查。

如圖1，2所示，采集裝置的整體呈矩形體，中心設(shè)置有中心板1，中心板為矩形且水平放置，中心板上設(shè)有兩個三分量磁通門傳感器，且兩個傳感器的方向一致，兩個傳感器分別到多匝發(fā)射線圈2中部的距離相等，中心板的四個直角向外放射的設(shè)有四個延長支架3，每個延長支架3末端均設(shè)有一個垂直的無磁輔助支架31，輔助支架31外部纏繞有多匝發(fā)射線圈2。

如圖1所示，當(dāng)裝置應(yīng)用于水平梯度采集信息時，所述中心板1上水平放置兩個三分量磁通門傳感器41，且兩個三分量磁通門傳感器41的距離大于等于50cm，方向一致。如圖2所示，當(dāng)裝置應(yīng)用于垂直梯度采集信息時，所述中心板1的中心沿垂直方向設(shè)有兩個三分量磁通門傳感器42，且兩個三分量磁通門傳感器42的距離大于等于50cm，方向一致。

如圖3所示，發(fā)射部分和接收部分之間還通過穩(wěn)流源模塊相連，其中，發(fā)射部分為adc數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)有cpld、dsp、usb控制器、存儲ram和電源模塊；接收部分為信號處理模塊，其cpu分別與gps、顯示屏、fpga模塊相連，fpga模塊的接口分別連接至穩(wěn)流源模塊的驅(qū)動電路和發(fā)射部分的接口。

勘察區(qū)位于黃土丘陵區(qū)，溝梁相間。

路基填土以下巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土，硬塑～堅硬，溝底分布有第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土。根據(jù)鉆孔資料，鉆探深度范圍內(nèi)未見地下水，但雨季期間，地表水沿地面裂縫、沖坑等下滲，侵泡沖蝕路基，降低路基強(qiáng)度，影響路基穩(wěn)定。

完成情況

項目組共有技術(shù)人員4人，配有一輛越野車，本發(fā)明實施例所建一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測的三維電磁成像裝置一套。截至野外施工結(jié)束，共完成納米瞬變電磁法剖面108條，總長度4680m，物理點(diǎn)2446個，測線完成情況見下表：勘探工作量統(tǒng)計表

測線命名原則：測線編號由6位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，前四位代表測線所在公里數(shù)；第五位代表百米數(shù)；第六位代表所在車道(1-6分別表示下行應(yīng)急車道、下行行車道、下行超車道、上行超車道、上行行車道、上行應(yīng)急車道)。如103335線代表的是k1033+300米處，上行行車道；104492線代表k1044+900米處，下行行車道。

主要技術(shù)指標(biāo)

本次工作的各項操作嚴(yán)格按下列規(guī)范和《某某高速公路k1033+300～k1136+700段路基病害物探勘查設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(dz/t0187-1997)

《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(jtgc20—2011)

方法選擇

根據(jù)前期地形地貌和地質(zhì)資料，結(jié)合溶(空)洞探查經(jīng)驗，本次工作擬采用納米瞬變電磁勘探方法，即使用較高的工作頻率，本次使用8.33赫茲，取樣時間窗口分別為毫秒(ms)＝0.087,0.109,0.135,0.167,0.208,0.258,0.320,0.398,0.494,0.613,0.761,0.945,1.173,1.456,1.808,2.244,2.786,3.459,4.294,5.331,6.618,8.217,10.201,12.664,15.722,19.519。

本次綜合物探工作瞬變電磁法野外數(shù)據(jù)采集發(fā)射使用1m×1m的多匝方形發(fā)送回線、接收采用采用1m×1m線框，具體的測量參數(shù)根據(jù)前期普查工作情況確定。

資料處理總體流程

處理流程見圖4。為了確保施工質(zhì)量與工期進(jìn)度，我們可在現(xiàn)場利用微機(jī)對采集的資料進(jìn)行簡單實時處理，或?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)傳回單位進(jìn)行實時處理，并及時反饋施工質(zhì)量信息，發(fā)現(xiàn)問題及時補(bǔ)救，以便為后續(xù)室內(nèi)資料處理打下良好的基礎(chǔ)。

1、數(shù)據(jù)預(yù)處理

tem的數(shù)據(jù)處理過程，第一步，把不同時間和不同日期采集的同一測線數(shù)據(jù)匯集到一起編輯成單個文件。第二步，瀏覽數(shù)據(jù)和刪除掉錯誤數(shù)據(jù)塊。

2、數(shù)據(jù)處理

第一步，將儀器記錄的和輸出原始raw數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成dat數(shù)據(jù)文件。第二步，將新生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，在處理過程需要進(jìn)行發(fā)射后延(延遲時間)改正。第三步，將濾波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)反演過程需要的文件，包括修正或植入各項裝置參數(shù)等。

資料解析方法

一、人工解釋與計算機(jī)解釋相結(jié)合

以人工解釋為基礎(chǔ)、計算機(jī)人機(jī)聯(lián)作解釋為工具，由粗到細(xì)逐步進(jìn)行。人工解釋通過對主干剖面的解釋，確定所對應(yīng)的地質(zhì)層位，勾繪地層總體賦存形態(tài)以及構(gòu)造格局，為后期人機(jī)聯(lián)作精細(xì)解釋打下基礎(chǔ)；而人機(jī)操作交互解釋系統(tǒng)對于電法資料的解釋具有特殊的優(yōu)越性，是精細(xì)解釋必不可少的工具。它能充分地利用人機(jī)界面對數(shù)據(jù)體進(jìn)行精細(xì)解釋，具有保持追蹤和彩顯功能，從而大大提高對各種地質(zhì)現(xiàn)象的分辨率。

數(shù)據(jù)反演和數(shù)據(jù)解析

a、數(shù)據(jù)反演使用sw-ictemdi多算法數(shù)據(jù)反演軟件包的多層解析程序進(jìn)行反演；

b、反演結(jié)果使用surfer或autocad繪制電阻率剖面；

c、根據(jù)電阻率異常特征，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)解析；

d、根據(jù)地質(zhì)解析圈定的采空區(qū)和富水程度勾繪采空區(qū)平面分布圖和采空區(qū)富水程度圖；

e、使用全區(qū)所有測線全部測點(diǎn)相同深度的電阻率值及其點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格繪制電阻率等值線平面圖。

二、垂直剖面與水平切面解釋相結(jié)合

視電阻率—深度剖面圖是基礎(chǔ)，視電阻率異常平面圖作為剖面圖的結(jié)果。兩者應(yīng)相互驗證、相互一致。

三、電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合

在本發(fā)明實施例的電法資料解釋的基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)中所獲取的鉆探、巷探揭露的各種地質(zhì)資料信息，采用多種方法(如數(shù)理統(tǒng)計、地質(zhì)統(tǒng)計、數(shù)學(xué)模擬等)進(jìn)行綜合、集成分析和處理，結(jié)合解釋成果，運(yùn)用地質(zhì)理論進(jìn)行綜合地質(zhì)分析，去粗取精，去偽存真，從中提取有用的地質(zhì)信息，并通過建立特定的數(shù)學(xué)地質(zhì)模型，反過來對瞬變電磁勘探成果進(jìn)行分析對比，進(jìn)一步細(xì)化資料解釋，得出符合地質(zhì)規(guī)律的電磁勘探結(jié)果，以提高成果的精度和可靠性。

測量典型剖面推斷解釋成果

如圖5所示，附圖5為k1045+700段地質(zhì)解釋圖，由圖可知，k1045+700路段，從測線起點(diǎn)到778點(diǎn)，電阻率普遍較低，推斷此處為松軟土層，松軟圖層向大號點(diǎn)有變薄現(xiàn)象。104575線的780點(diǎn)到783點(diǎn)-5米處、790點(diǎn)到794點(diǎn)-5米處出現(xiàn)局部圓形高阻，解釋為地下空洞引起。104576線的780點(diǎn)到785點(diǎn)-5米處、790點(diǎn)到794點(diǎn)-5米處出現(xiàn)局部圓形高阻，解釋為地下空洞引起。

如圖6所示，附圖6為k1081+100段地質(zhì)解釋圖，由圖可知，108112線除175點(diǎn)至195點(diǎn)槽形區(qū)域地表低阻較深外，其他地段表層低電阻深度一般在3米左右，推斷為松軟地層，在167點(diǎn)及199點(diǎn)出現(xiàn)高阻閉合異常，推斷為空洞引起。108113線在175點(diǎn)至190點(diǎn)出現(xiàn)槽形低阻區(qū)，深度-8米，推斷-8米以淺為松軟地層，其他地段淺部低阻厚度一般在-3米左右，推斷低阻為松軟地層。108113線在164點(diǎn)、170點(diǎn)及222點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯高阻異常，推斷為地下空洞引起。

結(jié)論

通過某某高速公路k1033+300～k1136+700段部分地段的路基進(jìn)行的電磁法勘探的實際結(jié)果說明，本發(fā)明實施例在高速公路路基檢測中能起到較好的作用。它不僅可以獲得路基結(jié)構(gòu)、覆土厚度、土質(zhì)，也可提供土中大小不一的空洞存在的部位和基巖起伏等信息，為指導(dǎo)道路災(zāi)害治理提供依據(jù)。

上面對本專利的較佳實施方式作了詳細(xì)說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下做出各種變化。