CN114578438B - 一种自适应水域电磁探测*** - Google Patents

一种自适应水域电磁探测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应水域电磁探测***，包括：GPS定位***、声呐***、探测***、控制***、浮艇及动力牵引船，通过探测***获取电磁信号，其中电磁信号为时域信号或频域信号，通过声呐***获取深度数据，通过控制***，基于所述深度数据对浮艇位置进行调整，并对电磁信号进行反演成像，能够得到水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况。本发明可以实现对水底地质体裂隙、塌陷等的成像刻画，实现对渗漏等地质问题的准确定位和精细探测，以满足对渗漏等灾害的及时有效测量及治理。

Description

一种自适应水域电磁探测***
技术领域
本发明属于电磁法探测技术领域，特别是涉及一种自适应水域电磁探测***。
背景技术
频域/时域电磁法经过多年的发展，已经成熟的运用于多种领域勘探。在工程勘测、矿产资源、地下水勘探、考古以及环境地质灾害勘查等领域都发挥了重要的作用。逐渐形成航空频域/时域电磁法、地空频域/时域电磁法、海洋频域/时域电磁法、矿井频域/时域电磁法等多种方法。随着勘探领域的不断开拓,频域/时域电磁勘探不断挑战更加复杂的环境，更加复杂的地形地貌，更加复杂的勘探目标。水上勘探也是频域/时域电磁发展的重要领域，浅水区小规模异常体的频域/时域电磁勘探是难点，也是频域/时域电磁发展领域的一个方面。
地球物理电磁探测技术在勘查能力和精度方面都有了极大提高，国际上工程物探已成为解决工程建设地学问题必不可少且最有效的高科技手段。桥梁、大坝、码头、长输管道等大型建筑的建设中，无论是在可行性研究阶段，还是在初勘、详勘阶段，首要任务是基础地质勘察工作。
但是，以上工作大多数在陆地上进行，水电站、水库、河流等出现渗漏等地质问题时，探测往往需要在陆地、水面及水下进行联合探测。与地面勘察工作相比，水域探测工作的困难程度要大很多。目前应用于水下探测的方法国内极少，安徽理工大学做了水下拖曳式直流电探测研究，国际上德国做了浅水直流电和电磁探测研究，以上技术不具备在复杂水下环境和深水探测的作用。同时，现有地球物理电磁法如直流电、瞬变电磁、大地电磁等其采集***都适用于陆地，无法在水电站、航运河流、灌溉工程等库区水面及水下进行作业，且时域电磁和频域电磁探测***是两个装置，无法实现在同一个装置***上进行两种探测共用，大大降低了探测效率和无法适用于水域作业。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应水域电磁探测***，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种自适应水域电磁探测***，包括：声呐***、探测***、控制***、浮艇及动力牵引船；
所述声呐***与所述探测***设置在所述浮艇上，所述控制***设置在所述动力牵引船上，所述浮艇与所述动力牵引船连接，所述控制***分别与所述声呐***及所述探测***连接；
所述探测***，用于获取电磁信号，其中所述电磁信号为时域信号或频域信号；
所述声呐***，用于获取深度数据；
所述控制***，基于所述深度数据对所述浮艇位置进行调整，并对所述电磁信号进行反演成像，得到水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况。
优选地，还包括GPS***，所述GPS***设置在动力牵引船上并与所述控制***连接，所述GPS***用于测量并获取所述探测***的定位数据。
优选地，所述探测***包括发射装置及接收装置，其中，所述发射装置上设置有发射线圈，所述发射装置通过发射线圈发射探测信号，所述接收装置上设置有接收线圈，所述接收装置通过接收线圈接收基于探测信号反射得到的电磁信号，其中所述发射线圈及接收线圈均采用防水式线圈。
优选地，所述探测***包括发射接收装置，其中发射接收装置上设置有自发自收线圈，所述发射接收装置通过自发自收线圈发射探测信号，并接收基于探测信号发射得到的电磁信号，其中自发自收线圈采用防水式线圈。
优选地，所述控制***，包括采集装置和解译装置，所述采集装置用于接收探测数据，其中所述探测数据包括：所述电磁信号、所述深度数据及所述定位数据，所述解译装置，用于对所述电磁信号进行降噪及信号解析处理，得到电阻率，基于所述电阻率进行地质解译，基于深度数据及定位数据，对解译后的数据进行拼接，得到水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况。
优选地，所述浮艇与所述动力牵引船通过电缆连接，所述控制***分别与所述探测***及声呐***通过电缆连接，其中所述电缆采用测井电缆。
优选地，所述浮艇上设置有若干个浮力板和若干个平衡装置，所述浮力板用于根据控制***基于深度数据生成的定距信号对所述浮艇的位置进行调整以实现探测***与水底相对位置不变，所述平衡装置用于对所述浮艇进行平衡以实现电磁信号的垂直发射及电磁信号的垂直接收。
优选地，所述浮艇设置防水外壳，所述防水外壳和所述浮艇采用不磁化材料。
本发明的技术效果为：
本发明通过水域电磁探测***，可以获取经水下介质反射后所产生的电磁信号，结合地质资料，通过GPS定位数据、声呐测深数据可以对上述信号进行分析，以确定水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况。电磁信号通过反演成像，结合对水体影响的降噪处理和对水体、淤泥影响的约束，可以实现对水底地质体裂隙、塌陷等的刻画，实现对渗漏等地质问题的准确定位和精细探测，以满足对渗漏等灾害的及时有效治理。本发明所述技术适用于水电站、天然水库、河堤河床等水利工程的渗漏等不良地质体探测和安全性评价，其整套***和装置实现了水域探测。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的***示意图；
图2为本发明实施例中的控制***流程图；
图3为本发明实施例中的频率域方波信号示意图；
图4为本发明实施例中的时间域阶跃信号示意图；
图5为本发明实施例中的单发单收装置示意图；
图6为本发明实施例中的收发一体装置示意图；
图7为本发明实施例中的电子电路***流程图；
图8为本发明实施例中的GPS定位***流程图；
图9为本发明实施例中的声呐测深流程图；
图10为本发明实施例中的专用电缆示意图；
图11为本发明实施例中的平衡***示意图；
图12为本发明实施例中的反演效果示意图；
图13为本发明实施例中的探测***设计流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本实施例中提供一种自适应水域电磁探测***，包括：声呐***、探测***、控制***、GPS***、浮艇及动力牵引船；声呐***与探测***设置在浮艇上，控制***设置在动力牵引船上，浮艇与动力牵引船连接，控制***分别与声呐***及探测***连接。
本发明***设计重点在水电站、天然库区、灌溉水利工程等水域进行地质探测作业，共涉及四个重要部件和***，组合成为一个多功能水域探测***装置，主要包含有：电磁信号发生装置、电磁信号接收装置，其位于浮艇上，此电磁信号可以是时间域信号也可以是频率域信号，根据工作需要可以切换电磁信号的发射方式和解释方式；GPS定位装置，如图8所示，GPS定位装置包括电源、接收机及载波发生器，定位信息经过频率变换及信号扩散解调，最后通过存储器将定位信息存到CPU上，GPS定位装置位于动力牵引船上，动力牵引船与探测***的载体浮艇通过电缆连接，且相对位置可以变化和固定，以确保GPS实现对探测位置的定位；探测采集解释控制***，如图2所示；探测***的载体浮艇底部装有声呐***，如图9所示，声呐***包括：声呐电子开关、调节/解调、抽样滤波、波束形成、收发转换装置、声呐发射装置及机械控制装置，其中机械控制装置包括：左右方向控制、上下方向控制及倾角准确操控，此声呐***主要用于确定探测***距离水底的深度，在水深变化及水底地形变化的情况下可以实现探测***距离水底的相对距离不变等操作，以确保适应于水下不同地形条件；探测***的载体浮艇与动力***船只通过电缆连接，此电缆采用石油测井所使用电缆，如图10所示，其外部为钢丝内部为数据传输线，中间有绝缘夹层，既确保了承受牵引动力又确保了信号保真传输；作为探测***载体的浮艇以浮力板进行控制上下浮动，其浮力板通过数控装置进行控制，人可以在动力船的操作平台上对其进行直接操作，以根据声呐测深控制其在水域中位置。且低端设置有四个平衡装置，如图11所示，以确保浮艇在水中是保持平衡的，进而确保发射接收电磁信号是垂直向水底发射和接收的，以保障信号的质量；电磁信号产生装置既可以是单发单收，也可以是自发自收，且发射线圈的大小可以调整，如图5-图6所示，以适应不同的探测深度和精度要求。发射线圈可以发射时间域信号，通过改变探头也可以发射频率域信号；探测***总体设置于浮艇内部，浮艇可以位于水面也可以深入水中，在深入水中时其防水外壳自动打开，以保障探测***不受水侵蚀而损坏，其防水外壳和浮艇本身材料均为不磁化材料，以免对电磁发射和接收造成干扰。
如图13所示，探测***的具体过程：启动探测装置控制***，声呐测量测深，再通过浮力板控制探测装置水面上下浮动深度，其中平衡装置控制探测装置的稳定性，同时GPS装置进行定位，启动船舶动力***，探测***开始采集数据，通过电缆将数据传输到接收机，数据采集完成，关闭探测装置控制***及船舶动力***。
如图2所示，控制***的工作流程：启动采集程序，控制***进行参数设置，控制***开始采集数据，采集的数据为解释程序准备数据，退出采集程序，启动解释程序，读取采集程序野外采集的数据，开始处理数据，输出各种成果图片，退出解释程序。
工作中采集站和控制***放置于动力船甲板,如图1所示，水域频域/时域电磁***的发射及接收天线固定在浮艇仓体内,动力船在拖曳过程中,根据GPS定位设定航线走航,数据每秒上传一次,通过多次走航拖曳式数据采集,让尽可能多的测点覆盖测线,最终形成频域/时域电磁测线。
工作中发射线圈向水底发射周期性方波或脉冲电磁信号，如图3-图4所示，发射线圈可以是自发自收线圈也可以是单发单收线圈，也可以双发单收线圈，具体配置以探测工程需要置换该部件。进行频域探测时，接收线圈接收频域信号；进行时域探测时，中断电流，形成阶跃脉冲信号，经电磁感应形成二次场信号，二次场信号包含了水底地质体物性信息，当接收到的信号经过降噪、信号解析等，最后通过电阻率这一参数进行地质解译，对信息进行地球物理反演成像，实现对水底构造和不良地质体的精细探测。如图7所示，电子电路***首先设置电压抽道路径，再进行电压抽道，保存电压抽道曲线，进入回执剖面图，同时根据ATEM电压计算电阻率1及电阻率2，保存计算结果，最后进入绘制电阻率断面图。
水域频域/时域电磁法勘探的装备，如图1所示。要求对收、发线圈(或探头)做防水处理，由动力船拖曳。运输过程和上岸使用水陆两栖转换，以实现方便快速的下水作业和上岸运输。
图12是本专利给出的理论探测效果示意图，模型设置为：第一层水层电阻率50Ω
Figure 860089DEST_PATH_IMAGE001
m，水深100米；第二层淤泥10Ω
Figure 229759DEST_PATH_IMAGE001
m，层厚2米；第三层渗漏层100Ω
Figure 540654DEST_PATH_IMAGE001
m，层厚10米；第四层 电阻率500Ω
Figure 342388DEST_PATH_IMAGE001
m，层厚无穷大。电磁探测装置位于水深95米位置，理论计算获得垂直磁场， 并添加3%噪音为反演数据。水层、淤泥层约束成像结果，如图12所示，图中显示真实模型曲 线与反演曲线在水层（第一层）与淤泥层（第二层）是重合的，而对第三层渗漏层和底层有明 显的识别作用，证明本发明的测量技术是可行的。
本发明通过水域电磁探测***，可以获取经水下介质反射后所产生的电磁信号，结合地质资料，通过GPS定位数据、声呐测深数据可以对上述信号进行分析，以确定水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况。 电磁信号通过反演成像，结合对水体影响的降噪处理和对淤泥影响的约束，可以实现对水底地质体裂隙、塌陷等的刻画，实现对渗漏等地质问题的准确定位和精细探测，以满足对渗漏等灾害的及时有效治理。本发明所述技术适用于水电站、天然水库、河堤河床等水利工程的渗漏等不良地质体探测和安全性评价，其整套***和装置实现了水域探测。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种自适应水域电磁探测***，其特征在于，包括：定位***、声呐***、探测***、控制***、浮艇及动力牵引船；
所述声呐***与所述探测***设置在所述浮艇上，所述控制***与所述定位***设置在所述动力牵引船上，所述浮艇与所述动力牵引船连接，所述控制***分别与所述声呐***及所述探测***连接，所述定位***与所述探测***连接；
所述定位***，用于对所述探测***进行定位，得到定位数据；
所述探测***，用于获取电磁信号，其中所述电磁信号为时域信号或频域信号；
所述声呐***，用于获取深度数据；
所述控制***，基于所述深度数据对所述浮艇位置进行调整，并对所述电磁信号进行反演成像，得到水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况；
所述声呐***包括：声呐电子开关、调节/解调、抽样滤波、波束形成、收发转换装置、声呐发射装置及机械控制装置，其中所述机械控制装置包括：左右方向控制、上下方向控制及倾角准确操控；所述声呐***，用于确定探测***距离水底的深度；
所述控制***，包括采集装置和解译装置，所述采集装置用于接收探测数据，其中所述探测数据包括：所述电磁信号、所述深度数据及所述定位数据，所述解译装置，用于对所述电磁信号进行降噪及信号解析处理，得到电阻率，基于所述电阻率进行地质解译，基于深度数据及定位数据，对解译后的数据进行拼接，得到水底地质体的构造情况及不良地质体的分布情况。
2.根据权利要求1所述的自适应水域电磁探测***，其特征在于，
所述定位***采用GPS***，所述GPS***设置在动力牵引船上并与所述控制***连接，所述GPS***用于测量并获取所述探测***的定位数据。
3.根据权利要求1所述的自适应水域电磁探测***，其特征在于，
所述探测***包括发射装置及接收装置，其中，所述发射装置上设置有发射线圈，所述发射装置通过发射线圈发射探测信号，所述接收装置上设置有接收线圈，所述接收装置通过接收线圈接收基于探测信号反射得到的电磁信号，其中所述发射线圈及接收线圈均采用防水式线圈。
4.根据权利要求1所述的自适应水域电磁探测***，其特征在于，
所述探测***包括发射接收装置，其中发射接收装置上设置有自发自收线圈，所述发射接收装置通过自发自收线圈发射探测信号，并接收基于探测信号发射得到的电磁信号，其中自发自收线圈采用防水式线圈。
5.根据权利要求1所述的自适应水域电磁探测***，其特征在于，
所述浮艇与所述动力牵引船通过电缆连接，所述控制***分别与所述探测***及声呐***通过电缆连接，其中所述电缆采用测井电缆。
6.根据权利要求1所述的自适应水域电磁探测***，其特征在于，
所述浮艇上设置有若干个浮力板和若干个平衡装置，所述浮力板用于根据控制***基于深度数据生成的定距信号对所述浮艇的位置进行调整以实现探测***与水底相对位置不变，所述平衡装置用于对所述浮艇进行平衡以实现电磁信号的垂直发射及电磁信号的垂直接收。
7.根据权利要求1所述的自适应水域电磁探测***，其特征在于，
所述浮艇设置防水外壳，所述防水外壳和所述浮艇采用不磁化材料。
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