本发明具体涉及一种新型高密度电法或超高密度电法勘探装置及勘探方法。
背景技术：
高密度电法是一种常见的地球物理勘探方法，它以岩矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立稳定电场的分布规律来解决水文、环境和工程地质问题。高密度电法采用电极阵列进行布极与观测，能够以多通道的方式获取丰富的地质勘探数据，使勘探的适用性、可靠性和准确性大大提高。
然而传统的高密度电法存在着以下问题：(1)通过埋设电极的方式测量电阻率，测量效率低下；(2)在工程勘探中，存着着很多不允许埋设电极的场合；(3)在地表高电阻的情况下，高密度电法的测量效果较差、勘探深度较浅。
因此，目前传统的高密度电法勘探装置及勘探方法的局限性较大，在特定场合时应用效果较差。
技术实现要素：
本发明的目的之一在于提供一种无需埋设电极，且勘探效率高的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置。
本发明的目的之二在于提供一种所述新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的勘探方法。
本发明提供的这种新型高密度电法或超高密度电法勘探装置，包括总控制器、电流发生器、信号检测器和非接地电极阵列；电流发生器、信号检测器和非接地电极阵列均与总控制器连接，电流发生器和信号检测器也与非接地电极阵列连接；总控制器用于控制电流发生器产生电流信号，也用于控制非接地电极阵列工作，同时还用于接收信号检测器检测的非接地电极阵列的信号；电流发生器用于接收控制器发出的控制信号，产生电流信号并加载到非接地电极阵列上；信号检测器用于检测非接地电极阵列上的电信号并上传总控制器；非接地电极阵列用于接收电流发生器产生的电流信号并耦合进入大地，或者接收从大地耦合的电信号。
所述的总控制器为工业控制器、plc、dsp、单片机、arm或上位机。
所述的电流发生器包括电源模块、功率转换模块、主控制器模块、fpga模块、电流检测模块、定时器电路和通信模块；电源模块给所述电流发生器供电；功率转换模块与电源模块连接并将电源模块的输出电能转换为高频电流并输出到非接地电极阵列；电流检测模块与功率转换模块连接并采样功率转换模块的输出电信号并传给fpga模块；通信模块与主控制器模块连接，用于给所述电流发生器提供通信接口；主控制器模块用于通过通信模块接收总控制器的控制指令，用于通过通信模块上传电流发生器的工作数据，用于控制电流发生器工作，还用于输出控制信号通过fpga模块输出到功率转换模块并控制功率转换模块工作；fpga模块用于传递主控制器模块的控制信号给功率转换模块，或者用于接收电流检测模块上传的检测信号并上传主控制器模块；定时器电路与fpga模块连接，用于为主控制器模块提供时钟信号。
所述的电流发生器还包括存储器模块；存储器与主控制器模块连接并存储所述电流发生器的工作数据。
所述的电流发生器还包括触摸屏；触摸屏与主控制器模块连接，用于显示所述电流发生器的工作参数，也可用于对所述电流发生器进行参数设置。
所述的信号检测器包括电源电路、滤波放大电路、ad转换电路、fpga电路、控制电路和通信模块；滤波放大电路、ad转换电路、fpga电路和控制电路依次串接，存储器和通信模块均与控制电路连接；电源电路给所述信号检测器供电；滤波放大电路用于将检测信号进行滤波和放大后，通过ad转换电路转换为数字信号并上传fpga电路；fpga电路将数据上传给控制电路；通信模块用于给所述信号检测器提供通信接口；控制电路用于接收数据并进行数据的检测，用于控制所述信号检测器工作，用于通过通信模块接收总控制器的控制指令，还用于通过通信模块上传信号检测器的工作数据。
所述的信号检测器还包括存储器；存储器与控制电路连接，用于存储所述信号检测器的工作数据。
所述的信号检测器还包括触摸屏；触摸屏与控制电路连接，用于显示所述信号检测器的工作参数，也用于对所述信号检测器进行参数设置。
所述的滤波放大电路包括依次串接的初级滤波电路、初级放大电路、陷波器、二级放大电路和二级滤波电路。
所述的非接地电极阵列由n个非接地电极组成，且各个非接地电极均与总控制器连接；n为自然数。
所述的非接地电极包括电源电路、控制器电路、通信电路、电极转换开关电路和电容板；通信电路和电极转换开关电路均与控制器电路连接；电容板与电极转换开关电路连接；电源电路给所述非接地电极供电；通信电路用于给所述非接地电极提供通信接口；控制器电路用于通过通信模块接收总控制器的控制指令，用于通过通信模块上传信号检测器的工作数据，用于控制所述非接地电极工作，还用于发出控制信号通过电极转换开关电路控制电容板的上电或不上电，从而实现非接地电极作为发射电极或接收电极。
所述的非接地电极还包括定位模块，定位模块与控制器电路连接；定位模块用于获取所述非接地电极的位置信息，并将位置信息上传控制器电路。
本发明还提供给所述新型高密度电法勘探装置的勘探方法，包括如下步骤：
s1.勘探装置初始化；
s2.设置电法勘探装置的参数；
s3.根据步骤s2设置的参数选择发射电极和接收电极；
s4.向步骤s3选定的发射电极发射高频电流信号，并通过发射电极向地面耦合发射信号；
s5.通过步骤s3选定的接收电极接收由大地耦合的电信号，并通过信号检测器进行检测；
s6.总控制器接收信号检测器上传的检测信号，并根据步骤s3选定的发射电极和接收电极，计算测量区域的视电阻率。
所述的勘探方法还包括如下步骤：
s7.判断是否需要转换电极；若需要，则重复步骤s3～s6进行测量。
所述的计算测量区域的视电阻率，具体为采用如下算式计算视电阻率：
式中ρa为视电阻率，a和b为发射电极所在位置，m和n为接收电极所在位置，am为发射电极a和接收电极m之间的距离，bm为发射电极b和接收电极m之间的距离，an为发射电极a和接收电极n之间的距离，bn为发射电极b和接收电极n之间的距离；δu为接收电极间的电压差，i为注入电流。
本发明提供的这种新型高密度电法勘探装置及勘探方法，采用非接触式电极进行测量，因此无需埋设电极，可以在传统直流电法测量无法施工的环境下进行测量，同时不破坏被测目标体，而且能够非常方便地实现大极距测量，测量深度远远高于传统高密度电法，还能够快速地改变电极的部署位置，实现多装置多维度测量，获得丰富的勘探数据，为后期的资料解释提供良好的基础；最后，传统阵列勘探的电极选择通过总控制器端的多路转换器实现，需要与电极数目相同的供电线缆和测量线缆，而本发明的电极选择通过控制总线控制电极端的电极转换开关实现，仅需4根线缆(2根测量电缆和2根供电电缆)就可连接所有的电极，能够极大地精简装置。
附图说明
图1为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的功能模块图。
图2为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的电流发生器的功能模块图。
图3为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的信号检测器的功能模块图。
图4为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的非接触式电极的功能模块图。
图5为本发明的勘探方法的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的功能模块图：本发明提供的这种新型高密度电法勘探装置，包括总控制器、电流发生器、信号检测器和非接地电极阵列；电流发生器、信号检测器和非接地电极阵列均与总控制器连接，电流发生器和信号检测器也与非接地电极阵列连接；总控制器用于控制电流发生器产生电流信号，也用于控制非接地电极阵列工作，同时还用于接收信号检测器检测的非接地电极阵列的信号；电流发生器用于接收控制器发出的控制信号，产生电流信号并加载到非接地电极阵列上；信号检测器用于检测非接地电极阵列上的电信号并上传总控制器；非接地电极阵列用于接收电流发生器产生的电流信号并耦合进入大地，或者接收从大地耦合的电信号。在具体实施时，总控制器可以采用工业控制器、plc、dsp、单片机、arm或上位机等类似功能的设备。
如图2所示为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的电流发生器的功能模块图：电流发生器包括电源模块、功率转换模块、主控制器模块、fpga模块、电流检测模块、存储器、定时器电路、通信模块和触摸屏；电源模块给所述电流发生器供电；功率转换模块与电源模块连接并将电源模块的输出电能转换为高频电流并输出到非接地电极阵列；电流检测模块与功率转换模块连接并采样功率转换模块的输出电信号并传给fpga模块；存储器与控制器模块连接并存储所述电流发生器的工作数据；通信模块与主控制器模块连接，用于给所述电流发生器提供通信接口；主控制器模块用于通过通信模块接收总控制器的控制指令，用于通过通信模块上传电流发生器的工作数据，用于控制电流发生器工作，还用于输出控制信号通过fpga模块输出到功率转换模块并控制功率转换模块工作；fpga模块用于传递主控制器模块的控制信号给功率转换模块，或者用于接收电流检测模块上传的检测信号并上传主控制器模块；定时器电路与fpga模块连接，用于为主控制器模块提供时钟信号；触摸屏与主控制器模块连接，用于显示所述电流发生器的工作参数，也可用于对所述电流发生器进行参数设置。
在具体实施时，主控制器模块采用arm控制器；定时器电路采用gps定时器电路；存储器采用flash存储器；电源模块则包括电池和dc/dc转换电路，电池作为核心电能供给部件，则用于将电池输出的电能转换为其他电压水平的电能并供电；具体的，dc-dc转换电路包括输入滤波、功率开关、高频变压器和输出整流滤波：其中输入滤波、功率开关、高频变压器和输出整流滤波依次相连；dc-dc转换电路主要是结合pwm控制信号和高频变压器完成升压变换，把电池的12v电压转换为发射信息所需的高压，其中输入滤波实现对输入电流的平滑，功率开关采用推挽式功率放大器结合高频变压器将12v直流电压转变为高频高压的交流电压，输出整流滤波则负责把高频变压器输出的高频交流电压进行桥式整流和电容滤波，以得到平滑的直流电压；pwm控制信号由fpga产生，用于调节输出电压和形成负反馈；功率转换模块包括驱动电路和发射桥路。其中驱动电路和发射桥路依次相连。功率转换模块主要用于实现发射机的功率变换及输出。其中驱动电路用于将fpga产生的pwm控制信号转化为可以驱动mosfet或igbt开关管的高电压，发射桥路采用基于mosfet管或igbt管的桥式电路实现。电流检测模块包括霍尔电流传感器、信号调理和ad转换器。其中霍尔电流传感器、信号调理和ad转换器依次相连。电流检测模块主要用于记录发射的电流值，并通过fpga产生的pwm信号形成负反馈，实现输出电流的稳流功能。其中霍尔电流传感器用于获取输出电流，信号调理负责对信号进行放大、检波，把信号调整到后级ad转换器的量程范围之内，提高电流检测的动态范围和检测精度ad转换器用于对调理后的信号进行a/d转换，并将转换后的信息发送至fpga。基于fpga和arm架构的主控模块构成了主从式控制结构，其中arm核心板作为从控制模块，主要负责与总控制器的通信、友好的人机界面交互以及数据的存储，并通过数据总线、地址总线和中断信号与fpga模块进行数据通信。fpga核心板是发射机的主控制模块，需要完成的工作包括：与gps模块授时同步，生成若干个fifo存储器并实现采集信号在fifo中的读写控制，产生对ad转换器的控制信号和对dc-dc转换模块和功率转换模块的pwm控制信号，最后还需要通过ram控制器与arm模块进行数据通信。
如图3所示为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的信号检测器的功能模块图：信号检测器包括电源电路、滤波放大电路、ad转换电路、fpga电路、控制电路、存储器、通信模块和触摸屏；滤波放大电路、ad转换电路、fpga电路和控制电路依次串接，存储器和通信模块均与控制电路连接；电源电路给所述信号检测器供电；滤波放大电路用于将检测信号进行滤波和放大后，通过ad转换电路转换为数字信号并上传fpga电路；fpga电路将数据上传给控制电路；通信模块用于给所述信号检测器提供通信接口；控制电路用于接收数据并进行数据的检测，用于控制所述信号检测器工作，用于通过通信模块接收总控制器的控制指令，还用于通过通信模块上传信号检测器的工作数据；存储器用于存储所述信号检测器的工作数据；滤波放大电路包括依次串接的初级滤波电路、初级放大电路、陷波器、二级放大电路和二级滤波电路；触摸屏与控制电路连接，用于显示所述信号检测器的工作参数，也用于对所述信号检测器进行参数设置。
在具体实施时，初级滤波电路采用初级带通滤波器；初级放大电路采用串接的低噪声放大器和额前置放大器；二级放大电路采用高功率放大器；二级滤波电路采用二级带通滤波器；控制电路采用arm控制电路；存储器采用flash存储器；在arm控制电路上还可以连接触摸屏。
初级带通滤波器用于滤除强烈的空间电磁干扰和噪声，提取出有用的信号。低噪声放大器和前置放大器用于降低电路的噪声系数，改善接收机的灵敏度，提高输出信噪比。陷波器位于前置放大器和高功率放大器之间，用于去除电源的工频干扰。高功率放大器为主放大器，二级带通滤波器用于进一步压缩信号带宽，以提高信号的信噪比和品质因数。最后通过ad转换器将电压模拟信号转化为数字信号送入fpga中。在信号检测器中，arm和fpga为主控模块。
在上述的基于fpga和arm架构的体系中，基于fpga和arm架构的主控模块构成了主从式控制结构，其中arm核心板作为从控制模块，主要负责与总控制器的通信、友好的人机界面交互以及数据的存储，并通过数据总线、地址总线和中断信号与fpga模块进行数据通信。fpga核心板是发射机的主控制模块，需要完成的工作包括：产生对ad转换器的控制信号，生成若干个fifo存储器并实现采集信号在fifo中的读写，最后还需要通过ram控制器与arm模块进行数据通信。当ad转换完成后，先将高速数据分成对应的若干路低速数据写入fifo中暂存，在fifo存满了之后，再将数据一次性读入arm。在这种模式下ad转换和转换数据的存储可在无arm干预的情况下正常工作，因而提高了arm的工作效率，适合采样率较高的非接触式超高密度电法的数据采集情况。
如图4所示为本发明的新型高密度电法或超高密度电法勘探装置的非接触式电极的功能模块图：接地电极包括电源电路、控制器电路、通信电路、电极转换开关电路、电容板和定位模块；通信电路和电极转换开关电路均与控制器电路连接；电容板与电极转换开关电路连接；电源电路给所述非接地电极供电；通信电路用于给所述非接地电极提供通信接口；控制器电路用于通过通信模块接收总控制器的控制指令，用于通过通信模块上传信号检测器的工作数据，用于控制所述非接地电极工作，还用于发出控制信号通过电极转换开关电路控制电容板的上电或不上电，从而实现非接地电极作为发射电极或接收电极；定位模块与控制器电路连接，定位模块用于获取所述非接地电极的位置信息，并将位置信息上传控制器电路。
电容板通过电极转换开关连接供电电缆和测量电缆；电极转换开关用于接收控制器电路的命令，并将电容板与供电电缆连接或者将电容板与测量电缆连接；所述供电电缆连接电流发生器，供电电缆用于将电流发生器产生的高频电流加载到电容板上，此时该电容板及相应的非接触电极则作为发射电极；所述测量电缆连接信号检测器，测量电缆用于电容板耦合的电信号上传给信号检测器，此时该电容板及相应的非接触电极则作为接收电极。
控制器电路采用单片机电路；单片机为非接地电极的主控单元，通过总线通信模块接收总控制器的电极指令，并根据电极指令控制电极转换开关来实现电容板与供电电缆和测量电缆的通断。电极指令包括了电极测量的顺序和电极的类型，由总控制器根据具体的勘探目标事先设定；由于在实际应用时，非接触电极之间往往相距数十米甚至更远，因此为了方便使用，定位模块可以准确的将各个非接触电极的具体位置进行定位并上传；定位模块可以采用gps模块、北斗模块或其他类似的具有定位功能的模块。
如图5所示为本发明的勘探方法的方法流程图：所述新型高密度电法勘探装置的勘探方法，包括如下步骤：
s1.勘探装置初始化；
s2.设置电法勘探装置的参数；
s3.根据步骤s2设置的参数选择发射电极和接收电极；
s4.向步骤s3选定的发射电极发射高频电流信号，并通过发射电极向地面耦合发射信号；
s5.通过步骤s3选定的接收电极接收由大地耦合的电信号，并通过信号检测器进行检测；
s6.总控制器接收信号检测器上传的检测信号，并根据步骤s3选定的发射电极和接收电极，采用如下算式计算视电阻率：
式中ρa为视电阻率，a和b为发射电极所在位置，m和n为接收电极所在位置，am为发射电极a和接收电极m之间的距离，bm为发射电极b和接收电极m之间的距离，an为发射电极a和接收电极n之间的距离，bn为发射电极b和接收电极n之间的距离；δu为接收电极间的电压差，i为注入电流；
s7.判断是否需要转换电极；若需要，则重复步骤s3～s6进行测量。
上述勘探方法中，电极的选择、视电阻率的计算公式中参数的获取以及后续的分析等内容，均可以参照论文《基于主成分-正则化极限学习机的超高密度电法非线性反演》(地球物理学报，2015年9月，第58卷第9期)中的论述进行选择和获取。