本發(fā)明涉及一種基于瞬變電磁法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，具體來(lái)說(shuō)是一種掃描式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隧道工程地質(zhì)災(zāi)害是制約隧道施工的關(guān)鍵因素，往往由于隧道開(kāi)挖前方地質(zhì)情況不明，經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害，如突水、突泥、坍塌等，為隧道施工帶來(lái)了嚴(yán)重的安全問(wèn)題和重大的經(jīng)濟(jì)損失。在井下進(jìn)行煤礦開(kāi)采過(guò)程中，也經(jīng)常會(huì)遇到巷道突水等地質(zhì)災(zāi)害，造成礦區(qū)水源枯竭、水與生態(tài)環(huán)境遭到破壞。所以隧道或坑道突水、透水事故給施工生產(chǎn)帶來(lái)了重大災(zāi)難和經(jīng)濟(jì)損失，已經(jīng)成為制約隧道或坑道等地下工程建設(shè)的瓶頸問(wèn)題。隧道或坑道突、涌水源頭(含水體)的超前探測(cè)是一直以來(lái)備受關(guān)注而未能解決的重大科技工程難題，尤其在含水體遠(yuǎn)距離三維定位與水量預(yù)測(cè)方面缺乏行之有效的技術(shù)與裝備。因此，研制隧道或坑道掘進(jìn)面前方含水體超前探測(cè)系統(tǒng)與裝備具有重要的意義和價(jià)值。

瞬變電磁法(tem)是一種時(shí)間域的電磁探測(cè)方法，介質(zhì)在一次電流脈沖場(chǎng)激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生渦流，在脈沖間斷期間渦流不會(huì)立即消失，在其周?chē)臻g形成隨時(shí)間衰減的二次磁場(chǎng)。二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的規(guī)律主要取決于異常體的導(dǎo)電性、體積規(guī)模和埋深，以及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率。因此，可以通過(guò)接收線圈測(cè)量的二次場(chǎng)空間分布形態(tài)，了解異常體的空間分布。

現(xiàn)有的瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)只能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)，工作效率較低。針對(duì)該問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的掃描式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研發(fā)主要需要克服或解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①供電電流關(guān)斷不徹底普遍存在斷電后電流甩尾巴現(xiàn)象和電流震蕩現(xiàn)象；②信號(hào)影響因素改正不徹底問(wèn)題，主要涉及斜階躍改正、早期一次場(chǎng)改正和二次場(chǎng)中疊加由接收線圈的電感、匹配電阻、電容引起效應(yīng)的改正；③連續(xù)掃描采集數(shù)據(jù)相比于傳統(tǒng)逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)對(duì)儀器的穩(wěn)定性提出了更高的要求。④海量數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、讀取、二、三維的實(shí)時(shí)顯示和分析功能等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種掃描式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)，它是在現(xiàn)有的瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改進(jìn)，結(jié)合了現(xiàn)有瞬變電磁儀器系統(tǒng)的一些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，它準(zhǔn)確性與分辨率高，穩(wěn)定性好，信息量豐富，改善了供電電流關(guān)斷不徹底普遍存在斷電后電流甩尾巴現(xiàn)象和電流震蕩現(xiàn)象，能夠更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前方的不良的地質(zhì)體和含水構(gòu)造。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種掃描式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)，包括一個(gè)主機(jī)；所述的主機(jī)由電源供電，

所述主機(jī)主要由cpu模塊、信號(hào)發(fā)射模塊和信號(hào)接收模塊組成；

所述的信號(hào)發(fā)射模塊包括譯碼邏輯器、波形合成電橋、續(xù)流吸收電路、脈沖輸出端；其中cpu控制譯碼邏輯器、波形合成電橋輸出電路輸出驅(qū)動(dòng)電路；通過(guò)續(xù)流吸收電路加快在關(guān)斷時(shí)泄放掉發(fā)射線圈儲(chǔ)存的能量；

所述的信號(hào)接收模塊包括輸入放大器、陷波器、帶通濾波器和adc轉(zhuǎn)換器；接收信號(hào)依次通過(guò)輸入放大器、陷波器、帶通濾波器和adc轉(zhuǎn)換器傳入主機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)最終處理。

進(jìn)一步的，所述的波形合成電橋由輸出電流調(diào)整電路對(duì)其電流進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)一步的，所述的霍爾電流傳感器通過(guò)比較器與cpu相連。

進(jìn)一步的，信號(hào)發(fā)射模塊還包括輸出電流調(diào)整電路、霍爾電流傳感器、比較器與adc轉(zhuǎn)換器，其中，譯碼邏輯器輸出信號(hào)中有一路輸出驅(qū)動(dòng)續(xù)流吸收電路，有一路控制波形合成電橋產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)輸出雙極性脈沖測(cè)試信號(hào)，波形合成電橋連接霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器采集到輸出脈沖信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)整流，得到整流輸出信號(hào)；整流輸出信號(hào)一路輸出至adc轉(zhuǎn)換器得到電流大??；一路輸出給電壓比較器與設(shè)定的保護(hù)基準(zhǔn)電壓比較，當(dāng)超過(guò)基準(zhǔn)電壓時(shí)過(guò)流狀態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出c_ov信號(hào)，c_ov信號(hào)一路經(jīng)發(fā)射信號(hào)邏輯譯碼器單元處理后關(guān)斷波形合成電橋輸出，另一路狀態(tài)信號(hào)輸送給主機(jī)cpu。

進(jìn)一步的，所述的譯碼邏輯器的控制信號(hào)由主機(jī)cpu產(chǎn)生；在有發(fā)射信號(hào)輸出時(shí)，續(xù)流吸收電路被關(guān)斷不影響發(fā)射；在發(fā)射信號(hào)關(guān)斷停止輸出時(shí)，續(xù)流吸收電路開(kāi)啟接入發(fā)射端a/b，吸收掉發(fā)射線圈中的能量。

進(jìn)一步的，接收線圈感應(yīng)的信號(hào)以差分形式接入輸入放大器，輸入放大器后加入陷波器，再通過(guò)帶通濾波器，濾波器輸出級(jí)后插入可變?cè)鲆娣糯笃?，增益?jí)輸出的單端信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，adc轉(zhuǎn)換器設(shè)定為差分輸入模式，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)由cpu緩沖、處理后輸出給上位機(jī)。

進(jìn)一步的，所述主機(jī)cpu采用高速工業(yè)級(jí)單片機(jī)c8051f120采集發(fā)射級(jí)的輸出電壓和發(fā)射電流；采用128k字節(jié)的sram，多于100k字節(jié)的部分用于cpu數(shù)據(jù)變量的存儲(chǔ)空間。

進(jìn)一步的，所述譯碼邏輯器、波形合成電橋組成的輸出電路變換極性驅(qū)動(dòng)器使用ir2110驅(qū)動(dòng)發(fā)射不同的輸出電壓和發(fā)射電流，輸出電壓分為12v、24v和36v三檔，發(fā)射電流最大值為10a。

進(jìn)一步的，所述續(xù)流吸收電路在發(fā)射輸出接口處加載適當(dāng)?shù)男狗呕芈罚瑴p小輸出級(jí)的關(guān)斷時(shí)間，降低一次場(chǎng)對(duì)二次場(chǎng)的干擾。

進(jìn)一步的，所述輸入放大器輸入前置級(jí)電路形式為差分輸入形式，以適應(yīng)輸入信號(hào)的接入要求，本級(jí)增益為2.7倍。

進(jìn)一步的，所述帶通濾波器與輸入放大器相連，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前置級(jí)放大后，插入50hz陷波器和270khz的低通濾波器。陷波器對(duì)50hz的衰減量大于30db，增益為1倍；低通濾波器為4階巴特沃斯濾波器，保證通帶內(nèi)信號(hào)平坦，降低噪聲和提高信噪比，增益為2.576倍。

進(jìn)一步的，所述可變?cè)鲆娣糯笃饔蓴?shù)字電位器或模擬開(kāi)關(guān)與運(yùn)放組成。增益調(diào)整為0db、6db、12db、18db、24db、30db、36db、42db共7級(jí)，每級(jí)以2的指數(shù)形式遞增。增益調(diào)整輸出時(shí)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)形式輸出，信號(hào)不做1/2衰減，故可以視為差動(dòng)輸出有2倍的增益，其折算到前置級(jí)輸入相當(dāng)于前置級(jí)提供5.4倍增益。

進(jìn)一步的，所述adc轉(zhuǎn)換器ads1610的轉(zhuǎn)換率可以由公式10*(fclk/60mhz)決定。在輸入48mhz時(shí)鐘時(shí)，轉(zhuǎn)換速率為8msps，相當(dāng)于8msps/16bit＝500khz的采樣速率，滿足2μs的采樣時(shí)間要求。

本發(fā)明還提供了一種掃描式瞬變電磁系統(tǒng)的使用方法，采用下述技術(shù)方案：

1>連接主機(jī)、鋰電池組、發(fā)射線圈與接收線圈；

2>啟動(dòng)主機(jī)，打開(kāi)控制軟件，設(shè)置測(cè)線號(hào)。

3>設(shè)置基本參數(shù)：頻率、疊加次數(shù)、發(fā)射面積、發(fā)射匝數(shù)、接收面積等。

4>開(kāi)始系統(tǒng)測(cè)試，進(jìn)行校準(zhǔn)檢查；

5>由信號(hào)發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射，由信號(hào)接收模塊進(jìn)行采樣；

6>保存和打開(kāi)曲線數(shù)據(jù)。

7>退出程序。

本發(fā)明的功能如下：

(1)實(shí)現(xiàn)掃描式瞬變電磁探測(cè)，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集與接收。

(2)儀器系統(tǒng)為一體機(jī)，即發(fā)射模塊和接收模塊集成在一起。此外，一體機(jī)與供電電源分離。供電電源的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足鋰電池和鉛酸蓄電池均通用，但研發(fā)的樣機(jī)或成機(jī)應(yīng)配鋰電池組。

(3)具有過(guò)流和極性保護(hù)裝置，較好的工頻抗干擾性能。

(4)一體機(jī)的接收接口應(yīng)設(shè)計(jì)成既可以用探頭接收，也可以用線圈接收。另外，發(fā)射電流可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。

(5)在工作過(guò)程中，儀器的供電電壓應(yīng)在面板上實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的發(fā)射電流也應(yīng)實(shí)時(shí)顯示。

(6)數(shù)據(jù)采集方式為點(diǎn)測(cè)，采集時(shí)物理點(diǎn)的編號(hào)可以設(shè)置為自動(dòng)遞增或遞減，也可以手動(dòng)編輯點(diǎn)。

(7)數(shù)據(jù)采集可以自動(dòng)保存在指定的目錄或指定的文件中。

(8)采集的數(shù)據(jù)可顯示成三種刻度類(lèi)型的坐標(biāo)曲線圖：對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖和等間距坐標(biāo)圖等。

(9)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)具有回放顯示和初步編輯功能：不同物理點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以作對(duì)比分析，如數(shù)據(jù)表格顯示對(duì)比，數(shù)據(jù)曲線成圖對(duì)比等；可以對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)和采樣點(diǎn)進(jìn)行刪除、修改及刪除、修改后的文件保存。

(10)數(shù)據(jù)的輸出應(yīng)做到可以用u盤(pán)直接拷貝，也可以通過(guò)無(wú)線傳輸。

(11)采集系統(tǒng)軟件應(yīng)該做到穩(wěn)定，不易感染病毒，可手動(dòng)恢復(fù)或修復(fù)，而且有相應(yīng)的備份。

本發(fā)明在相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試中效果良好，成果顯著，具體成果見(jiàn)附圖。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)邏輯圖；

圖2是本發(fā)明的發(fā)射電路信號(hào)合成邏輯圖；

圖3是信號(hào)接收電路邏輯圖；

圖4是本發(fā)明應(yīng)用中某測(cè)線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線圖

圖5是本發(fā)明應(yīng)用中某測(cè)線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖

圖6是本發(fā)明應(yīng)用中某測(cè)線視電阻率等值線剖面圖

其中，1.主機(jī)cpu，2.譯碼邏輯器，3.波形合成電橋，4.輸出電流調(diào)整電路，5.續(xù)流吸收電路，6.霍爾電流傳感器，7.比較器，8.可變?cè)鲆娣糯笃鳎?.輸入放大器，10.adc轉(zhuǎn)換器，11.發(fā)射線圈，12.接收線圈，13.整流，14.基準(zhǔn)電壓，15.陷波器，16.帶通濾波器。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

如圖1所示，一種掃描式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)，包括主機(jī)(發(fā)射與接收模型一體)、發(fā)射電纜和接收電纜、鋰電池組以及配套軟件系統(tǒng)，所述主機(jī)主要由脈沖輸出級(jí)(包括譯碼邏輯器、波形合成電橋、輸出電流調(diào)整電路、續(xù)流吸收電路等)，接收級(jí)(包括輸入放大器、陷波器、帶通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃?、adc轉(zhuǎn)換器等)組成；其中主機(jī)控制譯碼邏輯器、波形合成電橋輸出電路輸出驅(qū)動(dòng)電路；通過(guò)續(xù)流吸收電路加快在關(guān)斷時(shí)泄放掉發(fā)射線圈儲(chǔ)存的能量；接收信號(hào)依次通過(guò)輸入放大器、陷波器、帶通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃骱蚢dc轉(zhuǎn)換器傳入主機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)最終處理。

圖2中，發(fā)射單元主要由譯碼邏輯器2、波形合成電橋3、輸出電流調(diào)整電路4、續(xù)流吸收電路5、霍爾電流傳感器6、比較器7與adc轉(zhuǎn)換器10等組成，其中，譯碼邏輯器2輸出信號(hào)中有一路輸出驅(qū)動(dòng)續(xù)流吸收電路5，有一路控制波形合成電橋產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)輸出雙極性脈沖測(cè)試信號(hào)，霍爾電流傳感器6采集到輸出脈沖信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)整流13，得到整流輸出信號(hào)。整流輸出信號(hào)一路輸出至adc轉(zhuǎn)換器10得到電流大小；一路輸出給電壓比較器7與設(shè)定的保護(hù)基準(zhǔn)電壓14比較，當(dāng)超過(guò)基準(zhǔn)電壓14時(shí)過(guò)流狀態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出c_ov信號(hào)，c_ov信號(hào)一路與發(fā)射信號(hào)邏輯譯碼器2單元邏輯后關(guān)斷波形合成電橋3輸出，另一路狀態(tài)信號(hào)輸送給主機(jī)cpu1。

所述的譯碼邏輯器2的控制信號(hào)si1、si2、pi由主機(jī)cpu1產(chǎn)生；在有發(fā)射信號(hào)輸出時(shí)，續(xù)流吸收電路5被關(guān)斷不影響發(fā)射；在發(fā)射信號(hào)關(guān)斷停止輸出時(shí)，續(xù)流吸收電路5開(kāi)啟接入發(fā)射端a/b，吸收掉發(fā)射線圈12中的能量，吸收電路響應(yīng)時(shí)間小于500ns，等效內(nèi)阻小于0.2歐姆。

譯碼邏輯器2、波形合成電橋3組成的輸出電路變換極性驅(qū)動(dòng)器使用ir2110驅(qū)動(dòng)發(fā)射不同的輸出電壓和發(fā)射電流，輸出電壓分為12v、24v和36v三檔，發(fā)射電流最大值為10a。

所述續(xù)流吸收電路5在發(fā)射輸出接口處加載適當(dāng)?shù)男狗呕芈泛推骷?，并接泄放電阻、瞬態(tài)抑制管tvs、低阻抗泄放器件、火花抑制電路等，減小輸出級(jí)的關(guān)斷時(shí)間，降低一次場(chǎng)對(duì)二次場(chǎng)的干擾。

圖3中，信號(hào)接收單元主要包括輸入放大器9、陷波器15、帶通濾波器16、可變?cè)鲆娣糯笃?與adc轉(zhuǎn)換器10等組成，其中，接收線圈感應(yīng)的信號(hào)以差分形式接入輸入放大器9，輸入放大器9后加入50hz陷波器15，再通過(guò)帶通濾波器16，濾波器16輸出級(jí)后插入可變?cè)鲆娣糯笃?，增益級(jí)輸出的單端信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，adc轉(zhuǎn)換器10設(shè)定為差分輸入模式，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)由cpu緩沖、處理后輸出給上位機(jī)。

所述的輸入放大器9由三只高精密、低噪聲放大器組成差分放大器，對(duì)由接收線圈輸入的響應(yīng)信號(hào)放大，抑制掉由接收線圈輸入的共模干擾信號(hào)，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出。

所述的陷波器15每一級(jí)產(chǎn)生不小于30db(32倍)的衰減，經(jīng)過(guò)兩級(jí)衰減可以達(dá)到60db的衰減。

所述的可變?cè)鲆娣糯笃?增益可在1-128倍(0到42db)之間設(shè)定。

所述的掃描式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)，所述主機(jī)cpu采用高速工業(yè)級(jí)單片機(jī)c8051f120采集發(fā)射級(jí)的輸出電壓和發(fā)射電流；采用128k字節(jié)的sram，多于100k字節(jié)的部分用于cpu數(shù)據(jù)變量的存儲(chǔ)空間。

所述輸入放大器輸入前置級(jí)電路形式為差分輸入形式，以適應(yīng)輸入信號(hào)的接入要求，本級(jí)增益為2.7倍。

所述帶通濾波器與輸入放大器相連，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前置級(jí)放大后，插入50hz陷波器和270khz的低通濾波器。陷波器對(duì)50hz的衰減量大于30db，增益為1倍；低通濾波器為4階巴特沃斯濾波器，保證通帶內(nèi)信號(hào)平坦，降低噪聲和提高信噪比，增益為2.576倍。

所述可變?cè)鲆娣糯笃饔蓴?shù)字電位器或模擬開(kāi)關(guān)與運(yùn)放組成。增益調(diào)整為0db、6db、12db、18db、24db、30db、36db、42db共7級(jí)，每級(jí)以2的指數(shù)形式遞增。增益調(diào)整輸出時(shí)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)形式輸出，信號(hào)不做1/2衰減，故可以視為差動(dòng)輸出有2倍的增益，其折算到前置級(jí)輸入相當(dāng)于前置級(jí)提供5.4倍增益。

所述adc轉(zhuǎn)換器ads1610的轉(zhuǎn)換率可以由公式10*(fclk/60mhz)決定。在輸入48mhz時(shí)鐘時(shí)，轉(zhuǎn)換速率為8msps，相當(dāng)于8msps/16bit＝500khz的采樣速率，滿足2μs的采樣時(shí)間要求。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。