一种瞬变电磁雷达探测系统及探测方法
【专利摘要】本发明涉及一种瞬变电磁雷达探测系统及探测方法，包括雷达电磁发射系统、电磁采集系统和计算机，通过多次电磁脉冲激发，进行多次叠加观测与空间覆盖，并通过数据处理对反射波压制随机干扰，从而提高信噪比，实现对有效波的识别；可满足不同探深、不同探测对象的需要；可根据工程需要选择高速或高精度模式；利用不同规格的重叠回线天线，可实现与不同深度、不同尺寸目标物的良好耦合，具有较大的发射磁矩及接收磁矩；利用瞬变电磁法扫描技术大大提高了瞬变电磁探测的效率，扫描速度最高可达2m/s，便于城市中大规模探测；兼容同点跟踪、同点测线、偶极装置和大定回线源装置四种天线装置，装置构造简单，携带方便，适合各类地面及地下工程探测。
【专利说明】一种瞬变电磁雷达探测系统及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种瞬变电磁类仪器及其探测方法。
【背景技术】
[0002]利用电磁感应原理进行工程物探、找矿勘探的方法统称为电磁法，在地面工程中最常用的是地质雷达、瞬变电磁等技术，二者的区别在于发射脉冲电磁波的中心频率的不同，前者一般从12.5MHZ至1200MHZ，后者一般从OHZ至500HZ。
[0003]地质雷达作为一种广谱的浅层物探技术，已广泛应用于工程场地勘察、工程质量检测、管网探测和考古探察等领域，具有快速、高效、非破坏性等特点。尽管已经取得了商业化的应用，但是地质雷达也有其局限性，表现在:(1)由于使用频率较高，电磁波的能量在地层中衰减很大，探测深度很浅；(2) —般不能确定地下目标体横向尺寸如管径大小、球状体、空洞的直径、管沟的宽度等；(3)获取的探测对象空间信息量太少，其资料解释具有多解性；(4)多次波及其他杂波干扰严重，原始记录的信噪比较低。
[0004]瞬变电磁法在找矿、石油勘察中的应用较多，同时以其独特的优点(经济、无损、快速、精度高、信息丰富等)广泛应用于工程、环境、灾害地质调查等领域中。相比于地质雷达，瞬变电磁技术由于使用频率段较低，其探深能力较强，并有较高的横向分辨率，同时利用多种工作装置，如同点跟踪、偶极装置和大定回线源装置，可获得的探测对象信息量较大。目前瞬变电磁法在理论研究、仪器研制方面还处在初级阶段。一方面理论研究虽己解决了一维正反演问题，但在二、三维的研究还未达到应用程度，仪器大多是在国外仪器基础上的开发和改进，应用推广并不普遍；另一方面，对于地面工程，瞬变电磁探测主要是定点测量，与同属电磁法的地质雷达相比，探测效率较低，不适合在市区内进行大规模的探测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，结合地质雷达与瞬变电磁二者优点，既能克服地面瞬变电磁探测定点测量的问题，实现移动扫描式探测，又可弥补地质雷达探测深度有限、横向定位困难及干扰严重等技术问题，最终实现地表至较大深度内地质体的快捷、便利及无损探测，并提供多种天线组合适应各类环境的工程检测。
[0006]为实现以上目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种瞬变电磁雷达探测系统，其特征在于，包括雷达电磁发射系统、电磁采集系统和计算机；所述雷达电磁发送系统由能够连续发射脉冲式低频电磁信号的波形发射器、驱动器、输出级和电磁感应装置的发射天线组成，所述电磁采集系统由电磁感应的接收天线、信号放大器、滤波器、A/D转换器、FPGA及ARM处理器组成，该电磁采集系统的信号输出端与计算机连接；有一个测量轮利用箱体侧边的卡槽固定，并通过现场可编程门阵列FPGA及ARM处理器与计算机连接；有一根2芯同步电缆或者无线方式连接雷达电磁发送系统的同步电路至电磁采集系统的FPGA ;所述电磁感应装置的发射天线与接收天线位于箱体或框体内，其外壳采用合成树脂材料或PVC管材，内部绕射匝数不等的发射线圈及接收线圈，在线圈上方附有屏蔽罩来屏蔽上方信号，线圈通过面板上的航空插头接口经信号电缆分别与雷达电磁发射系统、电磁采集系统连接，采集系统的通道数不小于16。
[0007]根据探测对象不同，发射天线与接收天线的组合排列形式对应为重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置中的一种或两种及两种以上的组合；根据探测深度不同，对应不同匝数、边长、电阻的发射及接收天线，发射及接收天线由匝数不等的漆包铜线绕射而成，发射电流30-50A ;天线采用框体结构或者箱体结构，其中框体结构为PVC管材，发射及接收线圈通过二芯信号电缆分别连接至二芯航空插头，箱体结构为合成树脂材质，箱内线圈上方附有屏蔽罩，由牵引绳拖拽前进，发射及接收线圈通过二芯信号电缆连接至四芯航空插头。
[0008]雷达电磁发射部分的波型发送器输出回路，米用可控娃与VMOS管结合的方式。
[0009]一种瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，电磁发送机供电时输出方波、半正弦、三角等供电波形的电路至发射天线并产生一次磁场，同时利用同步电缆将信号同步至FPGA控制采集电路，发送机断电后目标体中产生感应电流并产生二次磁场，利用连续脉冲及图像的实时采集，可实现对介质体的快速扫描式探测，即接收天线观测到二次磁场产生感应电流并发送到信号采集器，通过不间断的脉冲发射及实时采集，并利用瞬变电磁处理分析方法进行数据处理及成像，判断电磁波传播通过介质的地质情况。
[0010]该系统有时间方式连续测量、测量轮触发和手动点测方式三种测量方式。
[0011]电磁发送机能发射0.25HZ、2.5HZ、6.25HZ、25HZ、50HZ等以50为周倍频率的电磁信号。
[0012]发射选项可设置占空比、触发延时、发射周期、频率选择参数，采集选项可设置采样点数、采样速率、采样增益、采样位数、叠加次数参数。
[0013]探测系统利用连续脉冲发射及图像的实时采集，可实现对介质体的快速扫描式探测，同时利用系统的重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置，适应各类地面及地下工程探测。
[0014]本发明是基于电磁波的二次场原理，有益效果如下:
1、本发明通过多次电磁脉冲激发，进行多次叠加观测与空间覆盖，并通过数据处理对反射波压制随机干扰，从而提高信噪比，实现对有效波的识别；
2、本发明可发射0.25HZ、2.5HZ、6.25HZ、25HZ、50HZ等以50为周倍频率的电磁信号，可满足不同探深、不同探测对象的需要；
3、本发明可根据工程需要选择高速或高精度模式，前者具有较快的扫描速度，后者可取得较闻的探测精度；
4、本发明可根据场地情况及探测对象，自由设置发射选项:占空比、触发延时、发射周期、频率选择等；设置采集选项:采样点数、采样速率、采样增益、采样位数、叠加次数等，其中采样点数可选 I?30000，采样速率:2000、2500、3750、5000、7500、10000、15000、20000、30000，采样增益:1、2、4、8、16、32、64，采样位数:8、16、24 ；
5、本发明利用不同规格的天线，可实现与不同深度、不同尺寸目标物的良好耦合，具有较大的发射磁矩及接收磁矩；
6、本发明兼容重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置四种天线装置，装置构造简单，携带方便，适合各类地面及地下工程探测，是一种广谱的瞬变电磁探测设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是发明的系统原理框图。
[0016]图2是本发明瞬变电磁雷达探测的软件操作流程图。
【具体实施方式】
[0017]本发明的系统参见图1。一种瞬变电磁雷达探测系统，包括雷达电磁发射系统、电磁采集系统和计算机。所述雷达电磁发送系统由能够连续发射脉冲式低频电磁信号的波形发射器、驱动器、输出级和电磁感应装置的发射天线组成。所述电磁采集系统由电磁感应的接收天线、信号放大器、滤波器、A/D转换器、FPGA及ARM处理器组成。该电磁采集系统的信号输出端与计算机连接。有一根2芯同步电缆连接雷达电磁发送系统的同步电路与电磁采集系统的同步电路。即通过2芯同步电缆或无线方式将雷达电磁发送系统的同步电路与电磁采集系统的FPGA控制采集电路连接。对接收到的波形进行分析时，起跳点的确定非常重要，同步电路的作用是一旦电磁波发射时，采集系统同步进行采集，这样对应波形中，开始采集的时间点到起跳点对应的时间点，这个时段可以真实的反应天线与探测目标体的距离。有一个测量轮利用箱体侧边的卡槽固定，并通过现场可编程门阵列FPGA及ARM处理器与计算机连接，以便于真实记录天线的行程，并反映至计算机。
[0018]所述电磁感应装置的发射天线与接收天线位于箱体或框体内，其外壳采用合成树脂材料或PVC管材，内部绕射匝数不等的发射线圈及接收线圈，在线圈上方附有屏蔽罩来屏蔽上方信号，线圈通过面板上的航空插头接口经信号电缆分别与雷达电磁发射系统、电磁采集系统连接，采集系统的通道数不小于16。
[0019]根据探测对象不同，对应重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置中的一种或两种及两种以上的组合；根据探测深度不同，对应不同匝数、边长、电阻的发射及接收天线，发射及接收天线由阻数不等的漆包铜线绕射而成，发射电流30-50A ;天线采用框体结构或者箱体结构，其中框体结构为PVC管材，发射及接收线圈通过二芯信号电缆分别连接至二芯航空插头，箱体结构为合成树脂材质，箱内线圈上方附有屏蔽罩，由牵引绳拖拽前进，发射及接收线圈通过二芯信号电缆连接至四芯航空插头。
[0020]上述重叠回线装置是指发射线圈与接收线圈为重叠在一起同步移动；中心回线装置是指大线圈发射，小线圈接收，中心点重合，同步移动；偶极装置是指发射接收线圈相距一定的距离，同步移动；大定源回线源装置是指大线圈发射，小线圈接收，其中大线圈固定，小线圈移动接收。以上参见中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/T0187-1997中的地面瞬变电磁法技术规程3.2.1的内容。
[0021]雷达电磁发射部分的波型发送器输出回路，米用可控娃与VMOS管结合的方式。
[0022]本发明的探测方法如下，电磁发送机供电时输出方波、半正弦、三角等供电波形的电路至发射天线并产生一次磁场，同时利用同步电缆将信号同步至FPGA控制采集电路，发送机断电后目标体中产生感应电流并产生二次磁场，利用连续脉冲及图像的实时采集，可实现对介质体的快速扫描式探测，即接收天线观测到二次磁场产生感应电流并发送到信号采集器，通过不间断的脉冲发射及实时采集，并利用瞬变电磁处理分析方法进行数据处理及成像，判断电磁波传播通过介质的地质情况。其中瞬变电磁处理分析方法，属于现有技术。USEP系统可以参见《地质与勘探》隧道综合参数超前地质预报技术研究，2009年7月，叶英。在该出版物的文中，有关于USEP即将USP (地震)与UEP (电磁)二者结合的技术方法。该文章在(3) USEP的瞬变电磁法扫描的部分记载有“瞬变电磁法扫描技术是利用重叠回线排布在隧道掌子面布置几条测线，利用连续采集的方法实现的，由于其频率低属时间域脉冲电磁法，因此较地质雷达(微波段电磁法)探测的深度大，该项功能属USEP系统综合的电阻率采集方法。常见现场布置，USEP系统可同时采集电磁激发系统中的一次场和二次场，一次场和二次场在处理中有不同的用途，L1-L4测线的一次场与二次场感应电压曲线”。
[0023]该系统有时间方式连续测量、测量轮触发和手动点测方式三种测量方式。电磁发送机能发射0.25HZ、2.5HZ、6.25HZ、25HZ、50HZ等以50为周倍频率的电磁信号。发射选项可设置占空比、触发延时、发射周期、频率选择参数，采集选项可设置采样点数、采样速率、采样增益、采样位数、叠加次数参数。
[0024]探测系统利用连续脉冲及图像的实时采集，可实现对介质体的快速扫描式探测，同时利用系统的重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置中的一种或两种及两种以上的组合，适应各类地面及地下工程探测。
[0025]本发明应用上述瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，有以下步骤:
步骤1、根据地下工程现场情况及任务要求，布置网格和测线并选择天线装置；
步骤2、现场资料录入计算机:包括工程概况、发射天线及接收天线的匝数、边长、电流强度及测线的起始与终点位置；
步骤3、按照设计放置发射天线与接收天线并分别连接至电磁发送机、信号采集器，采用测量轮触发模式时将测量轮固定于天线上，并连线至采集器，发送机连接12V外接电源，通过同步电缆连接电磁发送机及信号采集器，最后将采集器与计算机连接；
步骤4、操作计算机，进行参数配置与数据采集:包括触发方式、时窗选择、实时采集和单次采集选择；
步骤5、通过计算机测试系统连接情况，正常后，系统进入准备就绪状态；
步骤6、系统触发，对于时间方式连续测量及测量轮触发方式，测量人员沿设计测线贴地拖动天线，并进行瞬变电磁数据采集工作；对于手动点测方式，每0.5m移动天线进行一次探测，即测点点距0.5m，对探测效果不好区域可进行加密探测。完成电磁数据采集后，系统会形成文件格式为*.Uep的电磁标准数据文件；
步骤7、操作计算机，对电磁标准数据文件进行数据处理分析:包括取二次场、一次场及全场处理，三点自相关、四点空域转换、一阶五点、二阶七点、三阶七点、四阶七点和三阶九点等数学处理，以及分离局部场，衰减度、视时间常数、视电阻率、纵向电导和视深度等专业处理；
步骤8、操作计算机，对电磁标准数据文件进行图像显示:包括一维图形、二维图形、三维图形；
步骤9、根据步骤61的处理及显示，进行电磁资料的解释、判读、分析，对地质情况进行描述。
[0026]本发明的软件控制流程参见图2。
[0027]本发明可应用于各类地面及地下工程的浅层地质探测，能够实现介质体电阻率差异的快速判别，特别是对含水体异常、金属体(管线、钢筋等)能作出较为准确的定位。
【权利要求】
1.一种瞬变电磁雷达探测系统，其特征在于，包括雷达电磁发射系统、电磁采集系统和计算机；所述雷达电磁发送系统由能够连续发射脉冲式低频电磁信号的波形发射器、驱动器、输出级和电磁感应装置的发射天线组成，所述电磁采集系统由电磁感应的接收天线、信号放大器、滤波器、A/D转换器、FPGA及ARM处理器组成，该电磁采集系统的信号输出端与计算机连接；有一个测量轮利用箱体侧边的卡槽固定，并通过现场可编程门阵列FPGA及ARM处理器与计算机连接；有一根2芯同步电缆或者无线方式连接雷达电磁发送系统的同步电路至电磁采集系统的FPGA ;所述电磁感应装置的发射天线与接收天线位于箱体或框体内，其外壳采用合成树脂材料或PVC管材，内部绕射匝数不等的发射线圈及接收线圈，在线圈上方附有屏蔽罩来屏蔽上方信号，线圈通过面板上的航空插头接口经信号电缆分别与雷达电磁发射系统、电磁采集系统连接，采集系统的通道数不小于16。
2.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁雷达探测系统，其特征是，根据探测对象不同，发射天线与接收天线的组合排列形式对应为重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置中的一种或两种及两种以上的组合；根据探测深度不同，对应不同匝数、边长、电阻的发射及接收天线，发射及接收天线由匝数不等的漆包铜线绕射而成，发射电流30-50A;天线采用框体结构或者箱体结构，其中框体结构为PVC管材，发射及接收线圈通过二芯信号电缆分别连接至二芯航空插头，箱体结构为合成树脂材质，箱内线圈上方附有屏蔽罩，由牵引绳拖拽前进，发射及接收线圈通过二芯信号电缆连接至四芯航空插头。
3.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁雷达探测系统，其特征是，雷达电磁发射部分的波型发送器输出回路，采用可控硅与VMOS管结合的方式。
4.一种瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，其特征是，电磁发送机供电时输出方波、半正弦、三角等供电波形的电路至发射天线并产生一次磁场，同时利用同步电缆将信号同步至FPGA控制采集电路，发送机断电后目标体中产生感应电流并产生二次磁场，利用连续脉冲及图像的实时采集，可实现对介质体的快速扫描式探测，即接收天线观测到二次磁场产生感应电流并发送到信号采集器，通过不间断的脉冲发射及实时采集，并利用瞬变电磁处理分析方法进行数据处理及成像，判断电磁波传播通过介质的地质情况。
5.根据权利要求4所述的一种电磁雷达探测系统的探测方法，其特征是，该系统有时间方式连续测量、测量轮触发和手动点测方式三种测量方式。
6.根据权利要求4所述的一种瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，其特征是，电磁发送机能发射0.25HZ、2.5HZ、6.25HZ、25HZ、50HZ等以50为周倍频率的电磁信号。
7.根据权利要求4或6所述的一种瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，其特征是，发射选项可设置占空比、触发延时、发射周期、频率选择参数，采集选项可设置采样点数、采样速率、采样增益、采样位数、叠加次数参数。
8.根据权利要求4所述的一种瞬变电磁雷达探测系统的探测方法，其特征是，探测系统利用连续脉冲发射及图像的实时采集，可实现对介质体的快速扫描式探测，同时利用系统的重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定回线源装置中的一种或两种及两种以上的组合，适应各类地面及地下工程探测。
【文档编号】G01S13/88GK103777247SQ201410054703
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】叶英, 侯伟清, 许 鹏 申请人:北京市市政工程研究院