CN106405250B - 适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***，包括主控单元、电极转换单元和全桥电路，所述主控单元通过电极转换单元控制多个电极模块的高压供电与测量状态，全桥电路产生交流信号，并通过电极模块注入电流到大地；主控单元通过电极转换单元控制电极模块的排列方式、极距和测点扫描，对电极模块采集的电流、电压、温度、湿度和经纬度信号进行圆滑等处理，构建符合实际条件的模型，并计算出反演图，得到复杂地形条件的地址情况。本发明适用于复杂地质条件下地电阻率测量。利用GPS可测量出每一个电极的经纬度和高度，并将各电极的相对高度信息融入的反演算法中，可进行复杂地形地电阻率测量反演。

Description

适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***及方法。

背景技术

大地电阻率的测量被广泛用于寻找地下水源，解决人畜用水及工农业用水问题；用于水文工程，环境的地质勘探及高分辨电阻率法工程地质勘探；用于金属与非金属矿产资源勘探，能源勘探，城市物探，铁道及桥梁工程勘探，并用于找地热，确定水库坝基和防洪大堤隐患位置。

目前，现有的高密度地电阻率测量仪基本是多功能直流电法仪配合多路电极转换器的方式。每根电极既做供电电极又做测量电极，供电后极化长时间不稳定，很难达到快速高精度检测；此外，测量场地周围存在空间电磁干扰时会影响测量数据甚至是采集到错误数据，对后期数据反演时带来反演误差，甚至是得到错误结果；除此之外，现在的地电阻率测量仪器在考虑温度、湿度测量影响方面，要么是非高密度仪器具有温度、湿度测量功能，在高密度类型的地电阻率测量仪器中往往未考虑温度、湿度对地电阻率的影响。对此，特别是针对复杂地形而言，这两个环境参数是影响地电阻率的重要影响因素，因此急需一种针对复杂地形条件的地电阻率测量仪器。

发明内容

本发明为了解决现有的高密度地电阻率测量仪不能适应复杂地质条件下的低电阻率测量的问题，提出了一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***及方法，本发明抗电磁干扰能力强，测量快速、灵敏度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***，包括主控单元、电极转换单元和全桥电路，所述主控单元通过电极转换单元控制多个电极模块的高压供电与测量状态，全桥电路产生交流信号，并通过激发电极模块注入电流到大地；

所述主控单元通过电极转换单元控制电极模块的排列方式、极距和测点扫描，对电极模块采集的电流、电压、温度、湿度和经纬度信号进行圆滑处理，构建反演图，得到复杂地形条件的地址情况。

所述主控单元，包括控制模块、通信模块和数据采集模块，所述控制模块通过通信模块与电极转换单元连接并通信，发送电极模块的控制命令，所处数据采集模块包括两条模数转换通道，分别采集电压与电流数据。

所述电极转换单元，包括解码模块、串转并模块、驱动模块、继电器阵列和电缆接口，继电器阵列由多个单刀双掷开关继电器组成，每4个继电器为一组，控制一个电极模块，电缆接口为具有多个插孔的航空插座，每一个插孔通过导线连接到继电器阵列的一组继电器；解码模块接收控制模块发送的信号，将其解码后，利用SPI总线将解码后数据发送给串转并模块，串转并模块对数据进行转化输出，输出信号送入驱动模块以驱动继电器阵列中的继电器打开与关闭，选择各个电极模块的接通与断开。

所述电极模块，包含不锈钢电极、温湿度测量模块和GPS模块，不锈钢电极直接与大地接触，用于向大地注入电流和测量两个电极之间的电压，温湿度模块用于测量当前状态的环境温度与湿度，GPS模块用于记录测量电极的经纬度。

每一次测量过程有4个电极模块处于工作状态，其中两个电极模块向大地注入电流，两个电极模块测量两点之间的电位差。

所述主控单元通过电缆与各个电极模块连接，所述电缆为内含多根导线的电缆和多个针头的航空插头；

所述电缆的导线数量与继电器数量一致，针头数量与插孔数量一致。

基于上述***的工作方法，包括以下步骤：

(1)根据初始测量值计算接地电阻和偏置电压的值，并根据信号大小选择放大倍数与偏置电压；

(2)采集数据，对信号过冲和随机噪声干扰进行抑制和剔除，提取有效信号，转换成相应的二维数据反演格式；

(3)加入地形及不均匀体数据，加入现场温湿度数据修正，利用二维数据反演软件进行二维数据反演，使用最小二乘法等迭代方法计算，直到满足设定值误差停止；

(4)对反演图结合地质情况进行分析，分析各种地质情况。

所述步骤(1)中，电极模块按照等间距间隔***大地，通过电缆连接主控单元和电极模块。

所述步骤(1)中，第一次测量分两步进行，第一步测量接地电阻，第二步测量偏置电压；在第一步测量完成后，根据电压的值大小选择放大倍数，接地电阻值的计算是通过计算测量两点之间的电位差的电极模块的供电电压和供电电流的关系得到，第二步测量完后，根据测得电压的最大值和最小值计算得出信号的偏置电压。

所述步骤(2)中，进行数字平均累加和信号过冲剔除的数据处理。

所述步骤(3)中地形数据，通过室内试验，模拟计算近地表局部电性不均体对视电阻率影响规律，并进行导电纸试验，在对数据进行仔细对比分析后，发现采用温纳装置和偶极装置在不同地形条件下可能出现相差较大的数值，而温纳装置和斯伦贝尔装置所测得的数据趋势则相同。在精度方面，该发明高密度测量***温纳装置的精度最高，且非常稳定，其次是斯伦贝尔装置，偶极装置的精度较差并且不稳定。故在野外复杂地电条件的测量中，建议使用温纳装置进行测量。

所述步骤(3)中温湿度数据，通过仪器自带的温湿度探头测量，针对温湿度数据的反演也进行了室内实验以及野外试验。

温度变化对土壤电阻率的影响研究：由于电阻率的影响因素存在耦合效应，整体研究相对困难，所以，仪器先选择温度这一单一影响因素来观察其对电阻率的影响，通过理论分析与实验室物理模拟，研究温度变化对土壤电阻率的影响规律。使用控制变量法对温度影响因素进行物理模拟试验。针对温度影响因素的特点，选择适当含水率的不同土壤进行试验，改变试验土壤的温度，测量出对应的电阻率随温度的变化曲线，并对曲线加以分析、拟合，得到电阻率受温度的影响规律从而将其应用到实际之中。

湿度变化对土壤电阻率的影响研究：湿度对土壤电阻率的影响研究也是利用控制变量法，保持其他因素不变，仅仅改变土壤的湿度并对其电阻率进行测量。选择适当的方法对测量结果进行拟合，分析湿度变化对土壤电阻率的影响规律。

所述步骤(3)中地形及局部不均匀体对视电阻率的影响研究：地形及不均匀体对视电阻率的影响研究采用的是二维导电纸模拟试验。将导电纸裁剪成不同的地形形状或者在水平地下制作不均匀体，并使用成熟商业仪器进行数据的采集工作，得到不同测量装置对应的高密度剖面，对视电阻率剖面等值线图进行分析研究，得到地形和不均匀体对视电阻率的影响规律。

所述步骤(3)中二维数据反演软件进行二维数据反演，包括直流电法和低频交流电法二维正反演软件设计的原理推导、算法研究、程序设计和模型实验，并对程序的运算能力和程序的计算精度作了检测和评价。通过正演研究，求得地面或地下的电位分布，由于地电条件的复杂性，一般场论中的经典方法难于求得这些问题的解，除了地电条件比较规则简单的少数问题以外，大量的实际电法探测问题目前尚未得出准确的解析解。因此，该发明从电场满足的微分方程出发，用近似方法求其数值解。在电阻率正演计算中，实际的地质构造都是三维的，电流在地下流动的规律也是三维的，三维正演模拟更能反映复杂地质构造的视电阻率分布特征，但需要消耗大量的计算资源。当假设地质体有一个维度是无限延伸的，将具有一定走向的三维稳定电流场转化为2.5D问题，在走向上进行傅里叶变换，使得原来的空间域(x,y,z)问题转化为波数域(kx,y,z)问题，三维问题就可以转化为二维问题求解，计算速度将大幅度提高。本发明反演过程中，要求解的问题通常是病态的，正则化参数的应用能有效改善方程组的病态问题。为提高反演质量，确定比较合理的模型，如何选取合适的正则化因子往往是地球物理反演工作研究的重要内容。利用正则化方法是减少反演的多解性和提高反演过程的稳定性最为有效的手段，正则化因子值的选取直接影响反演结果的精度和反演过程的稳定性。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用低频交流供电技术，针对具体的复杂环境选择不同的激励信号频点，对当前地电阻率进行测量，为在强空间电磁干扰的环境下进行测量提供了一种新型的有效方法。

(2)本发明能根据需要选择不同测量方法，确保测量数据的有效性和可靠性；电极转换装置可根据需要设置多个频点，根据工作需要进行灵活选用，实现电阻率和交流激电功能；

(3)本发明适用于复杂地质条件下地电阻率测量：利用GPS可测量出每一个电极的经纬度和高度，并将各电极的相对高度信息融入的反演算法中，可进行复杂地形地电阻率测量反演；

(4)本发明适用于复杂地质条件下地电阻率测量：利用温湿度数据得到经验公式加入正反演算法中，修正原始数据，并可以根据不同条件反演推断相应的电阻率；

(5)本发明抗干扰能力强：利用H桥产生交流电流注入大地，通过两点大地之间的交流电压信号，利用交流电阻率测量方法计算视电阻率，比直流测量方法具有更强的干扰能力；

(6)本发明精度高：地电阻率的大小与温度、湿度均有较大关系，可记录每一个电极所处位置的环境温度、湿度情况，将这两个参数融入到反演方法中，可得到更为准确的反演结果；除此之外，仪器中利用24位模数转换器进行数据采集，在无干扰条件下测量精度可达到10uV；

(7)本发明具有结构简单、成本低、功耗低等特点，可长时间进行野外工作，同时可靠性好，不受降雨、大雾等天气因素的影响，易于维护。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的主控采集模块示意图；

图3为本发明的电极控制模块示意图；

图4为有限单元法正演程序流程图；

图5阻尼型高斯-牛顿法反演流程。

其中，1、主控模块，2、电极控制模块，3、全桥模块，4、电极模块，5、电缆，6、控制器模块，7、RS422通信模块，8、数据采集模块,9、解码模块，10、串转并模块,11、驱动模块,12、继电器阵列,13、电缆接口。

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。

如图1所示，一种用于复杂地质条件下低电阻率测量的高密度电阻率测量仪，包括主控模块1、电极控制模块2、全桥模块3、电极模块4、电缆5五部分组成，主控模块为核心，控制其它模块协调工作。

所述主控模块1，由控制器模块6、RS422通信模块7、数据采集模块8组成，控制器模块6采用STM32单片机为主控单片机，控制器模块6通过RS422通信模块7与电极控制模块2连接并通信，用于将电极控制命令发送到电极控制模块2，数据采集模块8是由24位模数转换芯片AD7710设计的两路模数转换器通道，分别用于电压、电流采集，控制器模块6通过SPI接口控制数据采集模块8进行数据采集。

所述电极控制模块2，由解码模块9、串转并模块10、驱动模块11、继电器阵列12和电缆接口13构成，串转并模块10由16片74HC595芯片串联而成，驱动模块11由16片ULN2803构成，继电器阵列12由128个单刀双掷开关继电器组成，每4个继电器控制电极模块4中的1个电极，电缆接口13由1个32插孔的航空插座组成，每一个插孔用1根导线连接到继电器阵列12中的4个继电器；解码模块9接收主控模块1发送的信号，将其解码后，利用SPI总线将解码后数据发送给串转并模块10；串转并模块10可将16字节数据转换成128位二进制数据输出，该输出信号送入驱动模块11后，用于驱动继电器阵列12中的继电器打开与关闭，达到选择电极模块4中32个电极的接通与断开的目的。

所述全桥模块3，由2片IR4184芯片和4片NMOS管构成H桥，用于产生交流信号，并通过电极注入电流到大地。

所述电极模块4，一共有32个电极，每个电极包含不锈钢电极、温湿度测量模块、GPS模块，不锈钢电极直接与大地接触，用于向大地注入电流和测量两个电极之间的电压，温湿度模块用于测量当前状态的环境温度与湿度，GPS模块用于记录测量电极的经纬度；每一次测量过程有4个电极处于工作状态，其中两个用于向大地注入电流，两个用于测量两点之间的电位差。

所述电缆5，由一根内含32根导线的电缆和32针的航空插头组成，电缆每隔10米引出1根导线，用于连接电极模块4中的电极。

本发明所提供的适用于复杂地质条件下低电阻率测量的高密度电阻率测量仪测量方法是：

1、将电极模块4中的32个电极按照等间距间隔***大地，

2、将每个电极于电缆5中的32个抽头连接，

3、将电缆5中的航空插头接入电极控制模块2中的电缆接口13，

4、利用8芯电缆连接将主控模块1中的RS422通信模块7和电极控制模块2中的解码模块9连接；

5、在主控模块中设置好仪器工作方式，则仪器可按照预先设定的方式进行工作。

首先根据实际情况要求在上层软件对***进行初始化设置，如：采集参数选择、串口传输数据参数设置、算法设置等。

其次，进行第一次测量。根据此次测量值计算接地电阻和偏置电压的值，并根据信号大小选择放大倍数。接地电阻的值的计算主要是通过计算电极M、N的供电电压和供给电极M、N的供电电流的关系得到。然后可以根据测得信号的最大值和最小值计算得出信号的偏置电压。由上层软件控制单片机将计算得到的偏置电压加到最前端的仪用放大器上以完成校准过程。

在做完以上工作以后，可以开始正常测量。将测得的数据通过串口传到上层软件上进行数据处理和数据存储。在实际测量过程中，待测信号常常会受到工频干扰、信号过冲和随机噪声干扰的影响，导致测量信号无法正常提取，因此对以上干扰的处理就显得十分必要。工频干扰在前端调理电路中已经得到了抑制，所以就需要在上层软件处理中对信号过冲和随机噪声干扰进行抑制和剔除。根据实际情况要求，数据处理模块分为数字平均累加和信号过冲剔除两部分。

将仪器采集的数据通过电法处理软件对数据进行圆滑处理，再转换成相应的二维数据反演格式，并加入地形数据，利用二维数据反演软件进行二维数据反演，使用最小二乘法的迭代方法，记录多次迭代的误差，误差在小于10％的时候为满足要求。最后对反演图结合地质情况进行分析，分析出各种地质情况。

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 (7)

1.一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***，其特征是：包括主控单元、电极转换单元和全桥电路，所述主控单元通过电极转换单元控制多个电极模块的高压供电与测量状态，全桥电路产生交流信号，并通过电极模块注入电流到大地；利用交流电阻率测量方法计算视电阻率；所述全桥电路，由2片IR4184芯片和4片NMOS管构成H桥；该***采用低频电流供电技术，针对具体的复杂环境选择不同的激励信号；电极转换单元可根据需要设置多个频点，根据工作需要进行灵活选用，实现电阻率和交流激电功能；

所述主控单元通过电极转换单元控制电极模块的排列方式、极距和测点扫描，对电极模块采集的电流、电压、温度、湿度和经纬度信号进行圆滑处理，构建反演图，利用正则化方法确定模型，得到复杂地形条件的地质情况；

所述电极模块，包含不锈钢电极、温湿度测量模块和GPS模块，不锈钢电极直接与大地接触，用于向大地注入电流和测量两个电极之间的电压，温湿度测量模块用于测量当前状态的环境温度与湿度，利用温湿度数据得到经验公式加入正反演算法中，修正原始数据，并可以根据不同条件反演推断相应的电阻率；GPS模块用于记录测量电极的经纬度；利用GPS测量出每一个电极的经纬度和高度，并将各电极的相对高度信息融入到反演算法中，进行复杂地形地电阻率测量反演；

所述电极转换单元，包括解码模块、串转并模块、驱动模块、继电器阵列和电缆接口，继电器阵列由多个单刀双掷开关继电器组成，每4个继电器为一组，控制一个电极模块，电缆接口为具有多个插孔的航空插座，每一个插孔通过导线连接到继电器阵列的一组继电器；解码模块接收控制模块发送的信号，将其解码后，利用SPI总线将解码后数据发送给串转并模块，串转并模块对数据进行转化输出，输出信号送入驱动模块以驱动继电器阵列中的继电器打开与关闭，选择各个电极模块的接通与断开；

所述主控单元，包括控制模块、通信模块和数据采集模块，所述控制模块通过通信模块与电极转换单元连接并通信，向其发送电极模块的控制命令，所处数据采集模块包括两条模数转换通道，分别采集电压与电流数据。

2.如权利要求1所述的一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***，其特征是：每一次测量过程有4个电极模块处于工作状态，其中两个电极模块向大地注入电流，两个电极模块测量两点之间的电位差。

3.如权利要求1所述的一种适用于复杂地形条件下的高密度地电阻率测量***，其特征是：所述主控单元通过电缆与各个电极模块连接，所述电缆为内含多根导线的电缆和多个针头的航空插头；所述电缆的导线数量与继电器数量一致，针头数量与插孔数量一致。

4.基于如权利要求1-3中任一项所述的***的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）该***采用低频电流供电技术，针对具体的复杂环境选择不同的激励信号；根据初始测量值计算接地电阻和偏置电压的值，并根据信号大小选择放大倍数与偏置电压；

（2）采集数据，对信号过冲和随机噪声干扰进行抑制和剔除，提取有效信号，转换成相应的二维数据反演格式；

（3）加入地形数据，温湿度数据，以及相关条件，利用二维数据反演软件进行二维数据反演，使用最小二乘法的迭代方法，记录多次迭代的误差，直到满足设定值；利用正则化方法确定模型，得到复杂地形条件的地址情况；

地形及不均匀体对视电阻率的影响研究采用的是二维导电纸模拟试验；将导电纸裁剪成不同的地形形状或者在水平地下制作不均匀体，并使用成熟商业仪器进行数据的采集工作，得到不同测量装置对应的高密度剖面，对视电阻率剖面等值线图进行分析研究，得到地形和不均匀体对视电阻率的影响规律；

（4）对反演图结合地质情况进行分析，分析各种地质情况。

5.如权利要求4 所述的工作方法，其特征是：所述步骤（1）中，根据第一次的测量值计算接地电阻和偏置电压的值，并根据信号大小选择放大倍数，接地电阻的值的计算是通过计算测量两点之间的电位差的电极模块的供电电压和供电电流的关系得到，根据测得接地电阻信号的最大值和最小值计算得出信号的偏置电压。

6.如权利要求4所述的工作方法，其特征是：所述步骤（1）中，电极模块按照等间距间隔***大地，通过电缆连接主控单元和电极模块。

7.如权利要求4所述的工作方法，其特征是：所述步骤（2）中，进行数字平均累加和信号过冲剔除的数据处理。

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