一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统的制作方法

本实用新型涉及超前地质预报技术领域，具体是一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统。

背景技术：

目前国内外常用的超前地质预报依据原理可分为地质分析预测法和地球物理物探法。地质分析预测法主要有超前导洞法和超前钻孔法；地球物理物探法依据仪器工作原理又可分为：以反射波变化为测量原理的微振波反射法(TSP)和电磁波反射法(GPR)；以电阻率变化为测量原理的直流电法(DEM)、高密度电阻率法和瞬变电磁法(TEM)。地质雷达由于使用频率较高，电磁波的能量在地层中衰减很大，探测深度很浅，而瞬变电磁探测主要是定点测量，探测效率较低，不适合进行大规模的探测。

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式，为了预防隧道突水灾害的发生，通常使用超前地质预报技术进行探测隧道掌子面前方地质地层含水情况。但是，传统的隧道掌子面探水设备往往只能单一方向探测掌子面前方地质地层含水情况，导致探测精度不高，同时无法快速判别掌子面前方岩土体电阻率的异常，不利于施工期间有效进行水灾害监测。因此，需要设计一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统，以解决上述背景技术中提出的问题，通过结合地质雷达和瞬变电磁仪两者优点，将地质法、物探法和钻探法相结合，采用正反向方波采集叠加实现快速移动扫描式探测，同时弥补地质雷达探测深度有线及干扰严重等问题，可实现地表至较大深度内地质体的快捷、便利及无损探测，有利于施工期间水灾害监测。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统，包括接收系统、与接收系统的信号输出端连接的计算机以及发射系统；所述接收系统包括电磁感应装置的接收天线、传感器及A/D转换器；所述接收天线通过信号电缆与接收系统连接；所述接收天线通过传感器连接至放大器；所述放大器与A/D转换器通过滤波器连接；所述A/D转换器通过现场可编程门阵列FPGA 及ARM处理器与计算机连接；所述发射系统包括波形发射器、驱动器、输出保护电路、输出级、电磁感应装置的发射天线以及用于对波形发射器、驱动器和输出级供电的电源；所述波形发射器的输出与驱动器的输入相连；所述驱动器的输出通过输出保护电路连接至输出级，通过输出保护电路保护驱动器与输出级的电流稳定，有利于提高探测精确度；所述电源分别与波形发射器、驱动器和输出级连接；所述发射天线通过信号电缆与发射系统连接；所述波形发射器用于连续发射脉冲式低频电磁信号；所述传感器用于将电磁感应装置的磁信号转变为电信号；所述放大器用于将传感器转变的电信号进行放大；所述滤波器用于将放大器放大的电信号进行过滤掉高频干扰信号并形成模拟信号传输至A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟信号转化成数字信号；所述FPGA用于将数字信号进行数据采集并存储；所述ARM处理器用于将FPGA采集的数据传输到计算机；

所述数据采集选用FPGA，是充分考虑了FPGA的并行性和实时性，在FPGA中可用硬件描述语言构建多个完全并行的ADC控制器，从而并行同步控制各通道ADC进行数据采集，这是ARM所不能实现的。

作为本实用新型进一步的方案：所述输出级依次通过同步隔离电路、同步信号电路与现场可编程门阵列FPGA连接；所述同步信号电路与现场可编程门阵列FPGA通过同步电缆连接；所述发射天线与接收天线的组合排列形式对应为重叠回线布置。

作为本实用新型再进一步的方案：所述A/D转换器为ADS1255；所述驱动器包括用于提供驱动能力以提高电流输出的IR2110S驱动芯片。

作为本实用新型再进一步的方案：所述接收系统设有不少于16个通道；且所述接收系统中的每个通道均采用单独的AD转换器；通过并行控制进行同步数据采集，实现各通道同步数据采集；所述接收系统采用统一的时钟源和触发信号；所述时钟源和触发信号经驱动后同步分发到接收系统的各个通道，从而实现各通道同步。

作为本实用新型再进一步的方案：所述FPGA上集成有SDRAM存储器；SDRAM存储器与SRAM存储器相比，有存储容量大、体积小、功耗低、成本低等优点，但是由于SDRAM在使用过程中需要初始化和刷新，控制过程比SRAM要复杂许多，接收系统将ALTERA公司提供的标准SDRAM控制器集成到FPGA中，从而减少了设计工作量；所述发射系统与接收系统之间设有一个异步串行接口RS232和两路由接收系统传送到发射系统的控制信号，通过两路控制信号产生发射电路IGBT的驱动时序来决定发射系统的供电、停电时刻以及供电方向。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型具有良好的探测精度，可用于多向探测掌子面前方地质含水构造，本实用新型结合地质雷达和瞬变电磁仪两者优点，将地质法、物探法和钻探法相结合，通过采用正反向波采集叠加实现快速移动扫描式探测，弥补了地质雷达在探测深度上的不足及干扰严重的问题；

2)本实用新型可实现多向探测掌子面前方地质含水构造，提高了探测精度，可快速判别掌子面前方岩土体电阻率的异常，降低了掌子面周围地质岩体、设备等对线圈磁场的影响；

3)本实用新型可实现地表至较大深度内地质体的快捷、便利及无损探测，有利于施工期间水灾害监测，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护苑围。

实施例1

请参阅图1。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统，包括发射系统、接收系统以及与接收系统的信号输出端连接的计算机；

所述发射系统包括波形发射器、驱动器、输出保护电路、输出级、电磁感应装置的发射天线以及用于对波形发射器、驱动器和输出级供电的电源；所述波形发射器用于连续发射脉冲式低频电磁信号；所述波形发射器的输出与驱动器的输入相连；所述驱动器的输出通过输出保护电路连接至输出级，通过输出保护电路可以有效保护驱动器与输出级的电流稳定，有利于提高探测精确度；所述电源分别与波形发射器、驱动器和输出级连接；所述发射天线通过信号电缆与发射系统连接；所述驱动器包括用于提供驱动能力以提高电流输出的IR2110S驱动芯片；

所述接收系统包括电磁感应装置的接收天线、传感器、放大器、A/D转换器、FPGA及 ARM处理器；所述接收天线通过信号电缆与接收系统连接；所述接收天线通过传感器连接至放大器；所述放大器与A/D转换器通过滤波器连接；所述A/D转换器通过现场可编程门阵列FPGA及ARM处理器与计算机连接；所述输出级依次通过同步隔离电路、同步信号电路与现场可编程门阵列FPGA连接；所述传感器用于将电磁感应装置的磁信号转变为电信号；所述放大器用于将传感器转变的电信号进行放大；所述滤波器用于将放大器放大的电信号进行过滤掉高频干扰信号并形成模拟信号传输至A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟信号转化成数字信号；所述FPGA用于将数字信号进行数据采集并存储；所述ARM处理器用于将FPGA采集的数据传输到计算机；

所述数据采集选用FPGA，是充分考虑了FPGA的并行性和实时性，在FPGA中可用硬件描述语言构建多个完全并行的ADC控制器，从而并行同步控制各通道ADC进行数据采集，这是ARM所不能实现的；

所述ARM处理器是沟通计算机和FPGA的桥梁，进行上下层通信协议的转换，之所以选用ARM，是为了充分利用ARM丰富的通信接口，虽然这些通信接口也可以用FPGA实现，但是用FPGA实现的难度和成本却要比ARM高得多；

A/D转换器是接收系统中最重要的器件，本实施例中，A/D转换器选用精度高、功耗低、体积小、外围电路简单的ADS1255，通过A/D转换器能集成程控增益放大器和数字滤波器，可以尽量减少模拟电路，从而减少模拟信号中可能引入噪声的环节，有利于提高数据精度，也有利于减小系统体积和降低成本；

所述接收系统设有16个通道；为了实现各通道同步数据采集，接收系统中的每个通道都采用单独的A/D转换器，通过并行控制进行同步数据采集；所述接收系统采用统一的时钟源和触发信号；所述时钟源和触发信号经驱动后同步分发到接收系统的各个通道，从而实现各通道同步；

所述FPGA上集成有SDRAM存储器，本实施例中，选用16MB的SDRAM，满足1MB/通道的设计要求，SDRAM存储器与SRAM存储器相比，有存储容量大、体积小、功耗低、成本低等优点，但是由于SDRAM在使用过程中需要初始化和刷新，控制过程比SRAM要复杂许多，接收系统将ALTERA公司提供的标准SDRAM控制器集成到FPGA中，从而减少了设计工作量；

所述同步信号电路与现场可编程门阵列FPGA通过同步电缆连接；所述发射天线与接收天线的组合排列形式对应为重叠回线布置，就是将两条线圈(一条用作发射，一条用作接收)铺在同一位置，进而在隧道掌子面进行瞬变电磁雷达扫描；

所述发射系统与接收系统之间设有一个异步串行接口RS232和两路由接收系统传送到发射系统的控制信号，通过两路控制信号产生发射电路IGBT的驱动时序来决定发射系统的供电、停电时刻以及供电方向；

所述RS232用于接收系统传送信号的频率、发射系统上传发射电流、关断延迟时间和实时工作时间数据；所述发射天线与接收天线由匝数不等的漆包铜线绕射而成；通过基于瞬变电磁法雷达技术，可同时采集系统中的一次场和二次场，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，从而有利于提高信噪比，实现对有效波的识别；其中，瞬变电磁处理分析方法、一次场和二次场的数据采集可以参见《2014年中国地球科学联合学术年会》瞬变电磁雷达在城市地下管线探测中的应用，2014年，侯伟清，叶英。

实施例2

请参阅图1。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

一种隧道掌子面瞬变电磁雷达探水系统，包括发射系统、接收系统以及与接收系统的信号输出端连接的计算机；

所述发射系统包括波形发射器、驱动器、输出保护电路、输出级、电磁感应装置的发射天线以及用于对波形发射器、驱动器和输出级供电的电源；所述波形发射器用于连续发射脉冲式低频电磁信号；所述波形发射器的输出与驱动器的输入相连；所述驱动器的输出通过输出保护电路连接至输出级，通过输出保护电路可以有效保护驱动器与输出级的电流稳定，有利于提高探测精确度；所述电源分别与波形发射器、驱动器和输出级连接；所述发射天线通过信号电缆与发射系统连接；所述驱动器为IR2110S驱动芯片；

所述接收系统包括电磁感应装置的接收天线、传感器、放大器、A/D转换器、FPGA及 ARM处理器；所述接收天线通过信号电缆与接收系统连接；所述接收天线通过传感器连接至放大器；所述放大器与A/D转换器通过滤波器连接；所述A/D转换器通过现场可编程门阵列FPGA及ARM处理器与计算机连接；所述输出级依次通过同步隔离电路、同步信号电路与现场可编程门阵列FPGA连接；

所述传感器用于将电磁感应装置的磁信号转变为电信号；所述放大器用于将传感器转变的电信号进行放大；所述滤波器用于将放大器放大的电信号进行过滤掉高频干扰信号并形成模拟信号传输至A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟信号转化成数字信号；通过A/D转换器能集成程控增益放大器和数字滤波器，可以尽量减少模拟电路，从而减少模拟信号中可能引入噪声的环节，有利于提高数据精度，也有利于减小系统体积和降低成本；

所述FPGA用于将数字信号进行数据采集并存储；所述ARM处理器用于将FPGA采集的数据传输到计算机；所述数据采集选用FPGA，是充分考虑了FPGA的并行性和实时性，在 FPGA中可用硬件描述语言构建多个完全并行的ADC控制器，从而并行同步控制各通道ADC 进行数据采集，这是ARM所不能实现的；

所述ARM处理器是沟通计算机和FPGA的桥梁，进行上下层通信协议的转换，之所以选用ARM，是为了充分利用ARM丰富的通信接口，虽然这些通信接口也可以用FPGA实现，但是用FPGA实现的难度和成本却要比ARM高得多；

所述接收系统设有16个通道；为了实现各通道同步数据采集，接收系统中的每个通道都采用单独的AD转换器，通过并行控制进行同步数据采集；

所述接收系统采用统一的时钟源和触发信号；所述时钟源和触发信号经驱动后同步分发到接收系统的各个通道，从而实现各通道同步；

所述FPGA上集成有SDRAM存储器，本实施例中，选用16MB的SDRAM，满足1MB/通道的设计要求，SDRAM存储器与SRAM存储器相比，有存储容量大、体积小、功耗低、成本低等优点，但是由于SDRAM在使用过程中需要初始化和刷新，控制过程比SRAM要复杂许多，接收系统将ALTERA公司提供的标准SDRAM控制器集成到FPGA中，从而减少了设计工作量；

所述同步信号电路与现场可编程门阵列FPGA通过同步电缆连接；所述发射天线与接收天线的组合排列形式对应为重叠回线布置，就是将两条线圈(一条用作发射，一条用作接收)铺在同一位置，进而在隧道掌子面进行瞬变电磁雷达扫描；所述发射天线与接收天线由匝数不等的漆包铜线绕射而成；通过基于瞬变电磁法雷达技术，可同时采集系统中的一次场和二次场，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，从而有利于提高信噪比，实现对有效波的识别；其中，瞬变电磁处理分析方法、一次场和二次场的数据采集可以参见《2014年中国地球科学联合学术年会》瞬变电磁雷达在城市地下管线探测中的应用，2014年，侯伟清，叶英。

本实用新型的工作原理是：通过两路控制信号产生发射电路IGBT的驱动时序来决定发射系统的供电、停电时刻以及供电方向，波形发射器通过电源供电输出矩形、半正弦或三角供电波形的电路至发射天线并产生一次场，同时利用信号电缆将信号同步至FPGA，发射系统断电后目标体中产生感应电流并产生二次场，基于瞬变电磁法雷达技术，可同时采集系统中的一次场和二次场，发射天线与接收天线的组合排列形式对应为重叠回线布置，就是将两条线圈(一条用作发射，一条用作接收)铺在同一位置，进而在隧道掌子面进行瞬变电磁雷达扫描，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。

本实用新型有益效果是，本实用新型具有良好的探测精度，可用于多向探测掌子面前方地质含水构造，本实用新型结合地质雷达和瞬变电磁仪两者优点，将地质法、物探法和钻探法相结合，通过采用正反向波采集叠加实现快速移动扫描式探测，弥补了地质雷达在探测深度上的不足及干扰严重的问题；本实用新型可实现地表至较大深度内地质体的快捷、便利及无损探测，有利于施工期间水灾害监测；本实用新型可实现多向探测掌子面前方地质含水构造，提高了探测精度，可快速判别掌子面前方岩土体电阻率的异常，降低了掌子面周围地质岩体、设备等对线圈磁场的影响，具有广阔的市场前景。

上面对本实用新型的较佳实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。