基于双通道调幅波的隧道超前探测系统及探测方法与流程

本发明属于地质超前探测技术领域，更具体地，涉及一种采用双通道调幅波，同时对全断面隧道掘进机的护盾和刀盘电流进行测量的地质超前探测系统及探测方法。

背景技术：

电法探测是一种应用较广的地质勘测方法，该方法通过在地质体内施加强度一定，频率可调的电流，根据不同的地质体在电场下呈现的不同特征(电阻率和激发极化率)，来判断地质体的含水量或其他信息。

2002年，德国geo公司将该方法应用在隧道掘进机(tunnelboringmachine，tbm)上，以tbm的刀盘和护盾，作为探测电极向地质体内输送电流，用于预报掘进方向上的地质状况，该方法在提高工程安全系数方面帮助较大。

在实际工程中，人们往往更关心掘进方向上的地质状况，因此需要对刀盘电流的强度进行测量，但tbm的刀盘和护盾是通过主驱动轴承连接在一起，常规手段无法对刀盘和护盾之间进行绝缘并直接测量出刀盘电流。为此设计了光纤电流屏蔽隧道超前探测系统，测量时将光纤缠绕在主驱动轴承上，缠绕在主驱动轴承上的光纤形成传感光纤环，那么穿过传感光纤环的电流即可被测量出来，测量结果以测量电压u的形式表示u＝ki，其正比于穿过主驱动轴承的电流i，比例系数为k。

但在应用中，光纤电流传感器的测量比例系数k并不是一成不变的，其受温度、光纤状态、环境振动等多种因素共同影响，随时间发生变化，使得通过u和k计算出的i误差增大，影响对地质状况的准确判断。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双通道调幅波的隧道超前探测系统及探测方法，由此解决用于测量探测电流强度的光纤电流传感器测量系数随时间变化而导致的测量误差增大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于双通道调幅波的隧道超前探测系统，包括：信号发生模块、双路恒流源模块、光纤电流传感器及信号处理模块；

所述信号发生模块，用于产生调制信号频率相同，载波频率不同的两路调幅波信号；

所述双路恒流源模块，用于生成正比于所述两路调幅波信号电压的两路驱动电流信号，其中，第一路驱动电流信号连接到护盾上，第二路驱动电流信号逆向穿过传感光纤环后连接到护盾上；这两路驱动电流信号各自有一部分电流将穿过传感光纤环，并在其中产生不同载波频率的光信号；

所述光纤电流传感器，用于将经过所述传感光纤环的输出光信号经过光电转换，得到包含两个载波频率的探测电信号；

所述信号处理模块，用于将所述包含两个载波频率探测信号经过带通滤波分开，然后分别经过包络检波及a/d采样后得到两路测量电压信号，其中，所述两路测量电压信号中的第一路测量电压信号反映了刀盘电流的大小，所述两路测量电压信号中的第二路测量电压信号反映了护盾电流的大小。

优选地，所述双路恒流源模块的两路恒流源输出信号的电流幅值相等均为i0，接在护盾的同一个连接点上。

优选地，所述第一路测量电压信号为u1＝ki1，所述第二路测量电压信号为u2＝k(i0-i1)＝ki2，其中，i1为经过主轴承流向刀盘的电流，其反映了tbm前方地质体的地质信息，i2为从护盾流向岩石体的电流，其反映了侧方地质体的地质信息，k为比例系数。

优选地，流向刀盘的电流i1为流向护盾的电流i2为

按照本发明的另一方面，提供了一种基于双通道调幅波的隧道超前探测方法，包括：

产生调制信号频率相同，载波频率不同的两路调幅波信号；

由所述两路调幅波信号经过所述恒流源模块生成正比于所述两路调幅波信号电压的两路驱动电流信号，其中，第一路驱动电流信号连接到护盾上，第二路驱动电流信号逆向穿过传感光纤环后连接到护盾上；

将经过所述传感光纤环的输出信号经过光电转换，得到包含两个载波频率的探测电信号；

将所述包含两个载波频率的探测电信号经过带通滤波分离，然后分别经过包络检波及a/d采样后得到两路测量电压信号，其中，所述两路测量电压信号中的第一路测量信号反映了刀盘电流的大小，所述两路测量电压信号中的第二路测量电压信号反映了护盾电流的大小。

优选地，所述两路恒流源输出信号的电流幅值相等均为i0，接在护盾的同一个连接点上。

优选地，所述第一路测量电压信号为u1＝ki1，所述第二路测量电压信号为u2＝k(i0-i1)＝ki2，其中，i1为经过主轴承流向刀盘的电流，其反映了tbm前方地质体的地质信息，i2为从护盾流向岩石体的电流，其反映了侧方地质体的地质信息，k为比例系数。

优选地，流向刀盘的电流i1为流向护盾的电流i2为

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)采用调幅波法，能够抑制施工现场的强振动对光纤电流传感器的干扰，提高测量系统的稳定性。

(2)采用双路电流源供电法，消除了光纤电流传感器测量比例系数k时变对测量结果的影响，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于双通道调幅波的隧道超前探测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明设计了一种采用双通道调幅波，同时测量护盾和刀盘电流的全断面硬岩隧道掘进机(tunnelboringmachine，tbm)地质超前探测系统及探测方法，采用两路不同载波频率的调幅信号作为恒流源模块的输入信号，恒流源模块的输出分别输入到刀盘和护盾上，同时测量出刀盘和护盾的电流信号，来消除光纤电流传感器的测量比例系统随时间变化的影响，提高探测的可靠性。

如图1所示是本发明实施例提供的一种基于双通道调幅波的隧道超前探测系统的结构示意图，包括：信号发生模块、双路恒流源模块、光纤电流传感器及信号处理模块；

信号发生模块，用于产生调制信号频率相同，载波频率不同的两路调幅波信号；

双路恒流源模块，用于生成正比于所述两路调幅波信号电压的两路驱动电流信号，其中，第一路驱动电流信号连接到护盾上，第二路驱动电流信号逆向穿过传感光纤环后连接到护盾上；这两路驱动电流信号各自有一部分电流将穿过传感光纤环，并在其中产生不同载波频率的光信号；

具体地，由信号发生模块产生调制信号频率为f0，载波频率分别为f1和f2的两路调幅波信号，载波频率为f1调幅波信号输入到第一路恒流源模块中，第一路恒流源模块的输出电流连接到护盾上；载波频率为f2调幅波信号输入到第二恒流源模块中，第二路恒流源模块的输出电流逆向穿过传感光纤环后连接到护盾上，并且双路恒流源模块的地端接在隧道后方一定距离的锚杆上。具体连接方式如附图说明中的图1所示。

在本发明实施例中，双路恒流源模块的两路恒流源输出信号的电流幅值相等均为i0，接在护盾的同一个连接点上。

光纤电流传感器，用于将传感光纤环的输出光信号经过光电转换，得到包含两个载波频率的探测电信号；

其中，传感光纤环缠绕在主驱动轴承上。

信号处理模块，用于将包含两个载波频率的探测电信号经过带通滤波分离，然后分别经过包络检波及a/d采样后得到两路测量电压信号，其中，两路测量电压信号中的第一路测量电压信号反映了刀盘电流的大小，两路测量电压信号中的第二路测量电压信号反映了护盾电流的大小。

具体地，包含两个载波频率的探测电信号经过中心频率为f1带通滤波、包络检波及a/d采样，得到第一路测量电压信号；同时该探测电信号经过中心频率为f2带通滤波、包络检波及a/d采样得到第二路测量电压信号。

在本发明实施例中，第一路测量电压信号为u1＝ki1，第二测量电压信号为u2＝k(i0-i1)＝ki2，其中，i0＝i1+i2，i1为经过主轴承流向刀盘的电流即通往地质体的前探电流，其反映了tbm前方地质体的地质信息，i2为从护盾流向岩石体的电流，其反映了侧方地质体的地质信息，k为比例系数。

在本发明实施例中，由第一路测量电压信号和第二路测量电压信号可以得到流向刀盘的电流i1为流向护盾的电流i2为

由于电压值u1和u2是同时测量得到的，相比于交替供电法假设光纤电流传感器测量比例系数k在很短时间内不变，通过本发明能够真正实现刀盘电流和护盾电流的测量与随时间变化的光纤电流传感器比例系数k无关。

本发明还提供了一种基于双通道调幅波的隧道超前探测方法，包括：

产生调制信号频率相同，载波频率不同的两路调幅波信号；

在本发明实施例中，在硬件实现上可以通过信号发生模块产生调制信号频率相同，载波频率不同的两路调幅波信号。

由两路调幅波信号生成正比于两路调幅波信号电压的两路驱动电流信号，其中，第一路驱动电流信号连接到护盾上，第二路驱动电流信号逆向穿过传感光纤环后连接到护盾上；

在本发明实施例中，在硬件实现上可以通过双路恒流源模块由两路调幅波电压信号生成正比于该电压信号的两路驱动电流信号。

将经过传感光纤环的输出光信号经过光电转换，得到两路探测信号；

在本发明实施例中，在硬件实现上可以通过光纤电流传感器将经过传感光纤环的输出信号经过光电转换，得到包含两个载波频率的探测电信号。

将包含两个载波频率的探测电信号经过带通滤波分离，然后分别经过包络检波及a/d采样后得到两路测量电压信号，其中，两路测量电压信号中的第一路测量信号反映了刀盘电流的大小，两路测量电压信号中的第二路测量电压信号反映了护盾电流的大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。