一种边坡磁流体探测系统及方法与流程

本发明涉及地下水勘探技术领域，尤其涉及一种边坡磁流体探测系统及方法。

背景技术：

边坡工程是山区高速公路建设的主要工程之一，边坡监测及分析是边坡勘察、评价边坡稳定性、调整施工、保证施工安全的重要手段。

目前，在我国的边坡建设过程中，边坡中会设置一些监测仪器，用来监测边坡的状态。对于已经建设完成的边坡，会有人为设置的地下水出口用来将边坡以内区域的地下水排放到外部，避免因为地下水的堆积造成边坡水害。边坡完成以后地下水的流动方向和汇集将不以人的意愿而改变，在地形多变的环境下，处于边坡中的监测仪器并不能准确的反应出边坡中地下水的流向和流量。因此对于一些出现地下水渗漏的边坡的监测需要一种更加有效、准确、操作简便的探测方法。

技术实现要素：

本发明提供一种边坡磁流体探测系统及方法，用于实现快速有效的探测地下水聚集情况。

本发明第一个方面提供一种边坡磁流体探测系统，包括：至少一组探测通道、数据采集设备、数据处理设备；

其中，每组所述探测通道包含至少两个探测仪器，所述探测仪器包括电极传感器和磁传感器；每两个所述探测仪器之间的距离小于或等于第一距离阈值；

所述探测仪器，用于获取所处位置点的电场数据和磁场数据；

所述数据采集设备，用于收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；

所述数据处理设备，用于根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；计算张量阻抗和倾子；获得每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息；根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据。

较佳地，所述探测仪器包含：四个电极、三个所述磁传感器和探测设备，三个所述磁传感器通过电缆与所述探测设备连接，四个所述电极通过电缆与所述探测设备连接，三个所述磁传感器两两正交设置于所处位置点的岩土中，每两个所述磁传感器之间的距离大于或等于第二距离阈值；其中，三个所述磁传感器中的第一磁传感器指向正北方向；三个所述磁传感器中的第二磁传感器指向正东方向；三个所述磁传感器中的第三磁传感器指向地心；

所述四个电极中的第一电极和第二电极沿东西方向设置，所述第一电极和所述第二电极用于东西方向的电场分量；所述四个电极中的第三电极和第四电极沿南北方向设置，所述第三电极和所述第四电极用于南北方向的电场分量。

较佳地，所述探测仪器包含：所述探测仪器包含：四个电极、两个所述磁传感器和探测设备，两个所述磁传感器通过电缆与所述探测设备连接，四个所述电极通过电缆与所述探测设备连接，两个所述磁传感器中的第一磁传感器指向正北方向，两个所述磁传感器中的第二磁传感器指向正东方向；所述第一磁传感器和所述第二磁传感器之间的距离大于或等于第二距离阈值；

所述四个电极中的第一电极和第二电极沿东西方向设置，所述第一电极和所述第二电极用于东西方向的电场分量；所述四个电极中的第三电极和第四电极沿南北方向设置，所述第三电极和所述第四电极用于南北方向的电场分量。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极的间隔为50m；所述第三电极和所述第四电极的间隔为100m。

较佳地，所述第二距离阈值为5m。

较佳地，所述第一距离阈值20m。

本发明第二个方面提供一种边坡磁流体探测方法，包括：

获取所处位置点的电场数据和磁场数据；

收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；

根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；

计算张量阻抗和倾子；

获得每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息；

根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据。

较佳地，在所述获取所处位置点的电场数据和磁场数据之前，还包括：

周期性对每组所述探测通道进行噪声监测，当噪声数据超过阈值时，提示更新参数配置。

较佳地，在所述获取所处位置点的电场数据和磁场数据之前，还包括：

设置探测任务的起始时间与结束时间、探测周期和使用的探测通道个数。

本发明实施例提供的边坡磁流体探测系统及系统，通过所述探测仪器获取所处位置点的电场数据和磁场数据；所述数据采集设备收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；所述数据处理设备根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；计算张量阻抗和倾子；获得每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息；根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据，实现快速有效的探测地下水聚集情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种边坡磁流体探测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种单条侧线式探测仪器划分方式的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多条侧线式探测仪器划分方式的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种覆盖式探测仪器划分方式的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种标准5道mt野外布线方式的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种标准4道mt野外布线方式的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种边坡磁流体探测方法的流程示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的一种边坡磁流体探测系统的结构示意图，参照图1，该系统包括：至少一组探测通道、数据采集设备、数据处理设备；

其中，每组所述探测通道包含至少两个探测仪器，所述探测仪器包括电极传感器和磁传感器；每两个所述探测仪器之间的距离小于或等于第一距离阈值；

所述探测仪器，用于获取所处位置点的电场数据和磁场数据；

具体的，每个探测仪器对应设置在一个测点上。

所述数据采集设备，用于收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；

所述数据处理设备，用于根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；获得每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息；根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据。

本发明实施例提供的边坡磁流体探测系统，通过所述探测仪器获取所处位置点的电场数据和磁场数据；所述数据采集设备收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；所述数据处理设备根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据，实现快速有效的探测地下水聚集情况。

下面通过具体实施例对探测仪器的分布方式进行说明。

图2为本发明实施例提供的一种单条侧线式探测仪器划分方式的示意图，图3为本发明实施例提供的一种多条侧线式探测仪器划分方式的示意图，图4为本发明实施例提供的一种覆盖式探测仪器划分方式的示意图，参照图3至4，所述的边坡探测仪器划分方法，划分的探测仪器能够将整个被测边坡的内部情况反映出来，本实施例采用单点探测的方式，被测边坡内的测点(探测仪器)不但要能够有效地代表整个区域，而且划分测点的位置要有规则；根据边坡情况确定测点的个数，一般对于普查来说，在整个被测区域内测点数量不要求太多，即测点与测点之间的距离比较大，一般控制在50m-100m之间，而对于详查来说，测点之间的距离比较小，被测区域内测点的数量比较多，对于边坡内部的情况能够做到详细的反映，一般测点与测点之间的距离控制在20米之内；根据现场作业情况，尽可能地让测点形成有规则的图形，测点形成一条测线是最常用的方法，而对于面积较大的边坡可以布置多条测线；测点的坐标或是经纬度需要在测量的过程中记录，而在不考虑gps定位所带来的误差的情况下，所有的测点坐标或是经纬度的大小存在连贯性，这也为后期的数据反演奠定了基础。

对于一个探测仪器的实现方式，本发明给出两种可能的实现方式：

方式1：标准5道mt野外布线方式；

方式二2：4道mt野外布线方式；

图5为本发明实施例提供的一种标准5道mt野外布线方式的示意图，参照图5，当采用标准5道mt野外布线方式时，所述探测仪器包含：四个电极、三个所述磁传感器和探测设备，三个所述磁传感器通过电缆与所述探测设备连接，四个所述电极通过电缆与所述探测设备连接，三个所述磁传感器两两正交设置于所处位置点的岩土中，每两个所述磁传感器之间的距离大于或等于第二距离阈值；其中，三个所述磁传感器中的第一磁传感器指向正北方向；三个所述磁传感器中的第二磁传感器指向正东方向；三个所述磁传感器中的第三磁传感器指向地心；

所述四个电极中的第一电极和第二电极沿东西方向设置，所述第一电极和所述第二电极用于东西方向的电场分量；所述四个电极中的第三电极和第四电极沿南北方向设置，所述第三电极和所述第四电极用于南北方向的电场分量。

图6为本发明实施例提供的一种标准4道mt野外布线方式的示意图，参照图6，当采用标准4道mt野外布线方式时，所述探测仪器包含：所述探测仪器包含：四个电极、两个所述磁传感器和探测设备，两个所述磁传感器通过电缆与所述探测设备连接，四个所述电极通过电缆与所述探测设备连接，两个所述磁传感器中的第一磁传感器指向正北方向，两个所述磁传感器中的第二磁传感器指向正东方向；所述第一磁传感器和所述第二磁传感器之间的距离大于或等于第二距离阈值；

所述四个电极中的第一电极和第二电极沿东西方向设置，所述第一电极和所述第二电极用于东西方向的电场分量；所述四个电极中的第三电极和第四电极沿南北方向设置，所述第三电极和所述第四电极用于南北方向的电场分量。

优选地，所述第一电极和所述第二电极的间隔为50m；所述第三电极和所述第四电极的间隔为100m。

优选地，所述第二距离阈值为5m。

具体的，对于标准5道mt野外布线方式，三个磁传感器两两正交埋入土中，为了避免相互干扰，两个磁传感器之间的距离应保持在5m以上，磁传感器与探测仪的距离也要大于5m；在把磁传感器埋进土壤之前，必须将其与电缆连接好，必须精准放置磁传感器，传感器外壳的底部(即为没有接电缆的那一端)必须精确的指向对应的方向：x-磁传感器hx-指向正北，y-磁传感器hy-指向正东，z-磁传感器hz-垂直向下指向地心；应用罗盘和两根标杆确定磁传感器的正确方向：第一个人先把第一根标杆插入土中，然后用罗盘指挥第二个人把第二个标杆沿南北向插入土中，这样就确定了正北方向，正东方向可用同样的方法确定；用水平尺来确定传感器的水平和垂直，放置磁传感器时必须仔细，避免其在微震下移动，因此水平放置的磁传感器需要埋入土中来固定，一般埋深在30cm左右，而垂直放置的传感器需要埋入土中超过一半的长度；另外需要注意的是，磁传感器电缆必须进行人工固定，避免自重和风吹造成不必要的干扰；

对于所述的标准5道mt野外布线方式，要测量互相垂直的电场分量ex分量和ey分量，测量每个电场分量需要用到两个电极，要将他们埋入或是插入土中(具体方式要根据选用的电极类型确定)，电极间隔约100m；应用罗盘或经纬仪定出各电极的精确位置，记下南北和东西电极的距离，此距离在设置仪器参数时需要使用，将电极埋入土中20-30cm，确保电极能够很好的与土壤接触，在土壤干燥的情况下需要向土中加水；典型的接地电阻在几百欧姆到10k欧姆之间，然而在高阻区，例如沙漠地区，接地电阻可能更高，在这种情况下，推荐使用缓冲电缆，而需要注意的是电极电缆的铺设不要太靠近磁传感器(>1m)；

而对于4道mt野外布线方式，是在5道mt野外布线方式上进行缩减，只是使用了两个磁传感器(hx和hy)，其他的和5道mt野外布线方式应保持一致。

所述的探测参数设置，在对参数设置之前，电极和磁传感器必须严格按照上述布线方式进行野外安装，在进行测量任务设置之前还应该知道测量区域适用的增益范围和滤波器类型，在此，我们对5道标准mt野外作业进行设置，测量0.001到10khz的频率范围；为了获得最好的数据结果，必须对测区的噪声水平进行检测，这对合理选择增益值(特别是电道增益值)非常重要，一般来说主要是要设置增益1的值，只有当使用了低通滤波器或直流偏移补偿的时候才增大增益2的值；首先需要探测仪进行自检，在自检结果里检查所有测到的错误提示信息提示行是否为0，如果出现错误提示需要根据详细信息进行改正，对于出现的警告信息，说明警告项不能使用但仍然可以进行测量；为了在野外测试噪声，可以对所有测道用较低的采样率做一次一分钟左右的记录，增益1和2都设置为1，选择开启低频滤波器关闭低通4hz滤波器等；执行测量任务后应该检查所有的测量道，通常情况下数据质量主要受输电线控制，但也有一部分直流偏移，电道的电压输入范围是±1.25v，磁道输入电压范围是±10v，此时应该认真检查电道数据的偏移电压幅值，通过这个测量赢得出增益设置和偏移校正；在设置时要确保留出足够的幅度上升空间避免一天中电磁场剧烈变化时数据溢出，建议电道在模数转换器上放大的信号不要超过250mv；磁道一般不需要设置增益放大器，因为磁棒本身有一个前置放大器，电道增益值可以设置为8，通常过高的增益值对信号质量提高的作用并不明显，只有当信号非常弱或几乎没有电场漂移时才使用大增益值；关于低频滤波器的选择，要根据实地作业现场的接地电阻情况，一般选择rf4，只有当接地电阻非常大(>10kω)时才选择rf2或rf1；选择了合适的参数之后就可以设置不同采样率的工作任务，需要注意的是，两个相邻任务之间至少预留1分钟的时间间隔，保证后一个测量任务能顺利进行，如果利用的是高频采样可能需要预留更长的时间确保前一个测量任务留在缓存中的数据全部写入存储器中。

进一步地，所述第一距离阈值20m。

图7为本发明实施例提供的一种边坡磁流体探测方法的流程示意图，该方法被上述边坡磁流体探测系统执行，参照图7，该方法包括：

步骤100、获取所处位置点的电场数据和磁场数据；

步骤101、收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；

步骤102、根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；计算张量阻抗和倾子；获得每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息；

具体的，其中张量阻抗和倾子用于进行数据分析。探测仪器设置与相应的测点上。

步骤103、根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据。

本发明实施例提供的边坡磁流体探测方法，通过获取所处位置点的电场数据和磁场数据；

收集全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据，并根据全部所述探测仪器获取的所述所处位置点的电场数据和磁场数据生成时间序列数据；根据所述时间序列数据计算获得每个所述探测通道的谱分析序列；计算每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱；计算张量阻抗和倾子；获得每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息；根据所述谱分析序列，每个所述探测通道的谱分析序列的谱标定、自功率谱和互功率谱，所述张量阻抗、所述倾子以及每个所述探测仪器的卡尼亚电阻率和相位信息，生成边坡测试区域的地下数据。实现实现快速有效的探测地下水聚集情况。

可选的，在所述获取所处位置点的电场数据和磁场数据之前，还包括：

周期性对每组所述探测通道进行噪声监测，当噪声数据超过阈值时，提示更新参数配置。

可选的，在所述获取所处位置点的电场数据和磁场数据之前，还包括：

设置探测任务的起始时间与结束时间、探测周期和使用的探测通道个数。

具体的，在数据处理之前需要对软件进行更进一步的设置，选择标定文件，新建侧线，配置工程信息(配置工程信息会自动保存在系统内，而不局限于某个工程，因此如果采集数据所用的磁棒不变，方向也不变，只需要设置一次就可以，若是更换新的磁棒需要再次进行添加)，设置传感器(电道的传感器类型只需要选择一个，而磁道传感器要添加多个对应的类型及名字)，通道的选择及添加(软件对单点进行处理，需要添加通道，标准5道mt野外布置方式需要5个通道，标准4道mt野外布置方式需要4个通道)，编辑测道(对添加的通道进行编辑，对应到每一个电道或是磁道)，创建mt点，创建测点，最后导入“.ats”格式数据；使用探测仪采集到的数据需要拷贝到pc中由人工借助软件来反演，采集到的数据是“.ats”格式数据，它们属于时间序列文件，

将这些时间序列文件导入数据处理软件中，进行如下处理：

s1、首先进行fft运算计算每个通道的谱分析序列；

s2、然后计算所得到的每个谱分析序列的谱标定和自功率谱与互功率谱；

s3、进而计算张量阻抗和倾子等参数，最终进一步计算其它参数，如视电阻率和相位等。

具体的，得到“.edi”文件，这些文件携带着测点处的卡尼亚电阻率和相位信息；

s4、对这些频率域文件进行综合数据处理反演，得到整条侧线或是整个测区的各种地下信息(包括侧线或是测区的平面点位与标量，平面矢量，视电阻率，相位，倾子，不变量，电场和磁场，模型，等值线图)；

处理程序如下：在对每个测点进行处理之前应检查时间序列、功率谱等，剔除有干扰的时间序列)；

处理过程中要反复进行参数设置保证处理出最好的观测结果；根据工作设计要求处理到所需最低频率，或低于要求频率三到四个频点；

同时应分析、对比所测大地电磁测深曲线，确定每条曲线的极化方式(te和tm)，调整极化方式选择有错的数据点；

一条曲线上删掉的频点不能超过该曲线总频点数的20％，不能连续删掉三个以上的频点。保留的频点应保持在整条曲线上分布均匀曲线不能出现无规律的扭曲畸变；曲线首支与尾支应按设计规定，保证有足够的数据点；数据点连续性差，标准偏差大的点，应参照相邻曲线反复进行平滑，作到客观合理，使平滑曲线形态符合测区内曲线变化的一般规律；数据反演，经过反复反演最终选择和实际地质模型最为接近的反演结果用于推断地下地质体存在的情况。

另外，对采集到的电道信息进行zfft频谱细化，对动态信息、裂隙信息、低值异常进行识别，进而对地下径流、地下空区、断裂构造进行定性、定量分析；结合随时间变化的特征参数(动态信息，裂隙信息，低值异常)与反演得到等值线图两方面对边坡磁流体进行分析，能够大大提高准确率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。