1.本发明涉及水上勘查技术领域，尤其涉及一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置和方法。
背景技术：2.随着我国国民经济高速发展，工程建设不再局限于陆地而是延伸到近海以及江河湖泊边，如近海码头、跨江大桥、穿江隧道、油气管线、大型水上公园等。这些工程的建设需要在水覆盖区开展工程地质调查工作以了解水覆盖区下的工程地质情况，由于水体的特殊性，传统钻探施工难度大、成本高，如何才能快速且低成本的获取水下工程地质结构是我们需要解决的难题。
3.目前，地球物理勘探方法是通过测量地下介质地球物理场来推断地下地质结构的一类方法，相对于钻探来说成本低、效率高，但现在还没有专门的地球物理仪器设备和方法技术可以直接应用于城市周边水域的地质构造探测，难以满足水上勘查工作的需求。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明提供了一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置和方法，主要目的在于满足水上精确定位和连续测量的要求，提升水上勘查的能力，节约水上勘查成本。
5.为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
6.本技术第一方面提供了一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置，该装置包括：
7.悬浮于水面的拖曳部件和瞬变电磁信号接发部件以及连接部件；
8.所述拖曳部件上设置瞬变电磁系统和定位功能模块，所述瞬变电磁系统包括瞬变电磁信号发射机和接收机；
9.通过所述连接部件，所述拖曳部件尾部与所述瞬变电磁信号接发部件连接，使得所述拖曳部件向所述瞬变电磁信号接发部件提供拖曳动力，拖曳所述瞬变电磁信号接发部件沿着设计路线前进；
10.所述发射机通过所述瞬变电磁信号接发部件向水下发射瞬变电磁信号，以及所述接收机通过所述瞬变电磁信号接发部件采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
11.在本技术第一方面的一些变更实施方式中，所述瞬变电磁信号接发部件包括了两套独立的共中心正方形多匝线圈，所述线圈绕制在两个共中心的正方形工程树脂材料支架之上，所述支架底部带有支撑浮漂；
12.所述两套独立的共中心正方形多匝线圈构成了中心回线框，所述中心回线框包括内线框和外线框，所述内线框作为信号接收线框，所述外线框作为信号发射线框。
13.在本技术第一方面的一些变更实施方式中，所述发射机通过所述瞬变电磁信号接发部件向水下发射瞬变电磁信号，以及所述接收机通过所述瞬变电磁信号接发部件采集从水下反馈的瞬变电磁信号，包括：
14.将所述发射机与所述信号发射线框相连，形成信号发射端，以利用所述信号发射
端向水下发射瞬变电磁信号；
15.将所述接收机与所述信号接收线框相连，形成信号接收端，以利用所述信号接收端采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
16.在本技术第一方面的一些变更实施方式中，所述连接部件包括了拖曳绳，所述通过所述连接部件，所述拖曳部件尾部与所述瞬变电磁信号接发部件连接，包括：
17.利用所述拖曳绳，将所述拖曳部件尾部与所述瞬变电磁信号接发部件连接，用于拖曳所述瞬变电磁信号接发部件沿着设计路线前进。
18.在本技术第一方面的一些变更实施方式中，所述连接部件包括了硬支杆，所述通过所述连接部件，所述拖曳部件尾部与所述瞬变电磁信号接发部件连接，包括：
19.利用所述硬支杆，在拖曳所述瞬变电磁信号接发部件前进的同时，固定所述拖曳部件和所述瞬变电磁信号接发部件之间的相对位置。
20.在本技术第一方面的一些变更实施方式中，所述拖曳部件为动力小艇。
21.本技术第二方面提供了一种水上拖曳式瞬变电磁测量方法，应用于如上所述的水上拖曳式瞬变电磁测量装置，所述方法包括：
22.在目标测量水域内，利用拖曳部件拖曳瞬变电磁信号接发部件按设计路线行进，所述拖曳部件上设置瞬变电磁系统和定位功能模块，所述瞬变电磁系统包括瞬变电磁信号发射机和接收机；
23.在行进过程中，控制所述发射机通过所述瞬变电磁信号接发部件向水下发射瞬变电磁信号，以及控制所述接收机通过所述瞬变电磁信号接发部件采集从水下反馈的瞬变电磁信号；
24.在采集从水下反馈的瞬变电磁信号的过程中，在行进路线中利用所述定位功能模块实时采集定位数据；
25.根据采集到的所述瞬变电磁信号和采集到的所述定位数据，组成所述行进路线对应的测量数据。
26.在本技术第二方面的一些变更实施方式中，
27.所述瞬变电磁信号接发部件包括了两套独立的共中心正方形多匝线圈，所述两套独立的共中心正方形多匝线圈构成了中心回线框，所述中心回线框包括内线框和外线框，所述内线框作为信号接收线框，所述外线框作为信号发射线框；
28.所述控制所述发射机通过所述瞬变电磁信号接发部件向水下发射瞬变电磁信号，包括：
29.将所述发射机与所述信号发射线框连接，使得所述发射机通过所述信号发射线框向水下发射瞬变电磁信号；
30.所述控制所述接收机通过所述瞬变电磁信号接发部件采集从水下反馈的瞬变电磁信号，包括：
31.将所述接收机与所述信号接收线框连接，使得所述接收机通过所述信号接收线框采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
32.在本技术第二方面的一些变更实施方式中，根据采集到的所述瞬变电磁信号和采集到的所述定位数据，组成所述行进路线对应的测量数据，包括：
33.在行进过程中，设计所述接收机采集从水下反馈的瞬变电磁信号对应的信号采集
周期；
34.根据所述信号采集周期，设定叠加周期；
35.在每完成一次所述叠加周期的采集操作时，累计采集到的瞬变电磁信号，形成测点数据块，同时实时利用定位功能模块采集定位数据并添加到所述测点数据块内；
36.根据多个所述测点数据块，组成所述行进路线对应的测量数据。
37.在本技术第二方面的一些变更实施方式中，所述方法还包括：
38.利用显示界面实时展示所述测量数据，进一步包括：实时显示感应电动势剖面曲线和测点的衰减曲线。
39.借由上述技术方案，本发明提供的技术方案至少具有下列优点：
40.本发明提供了一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置和方法，本发明提供的装置包括：悬浮于水面的拖曳部件和瞬变电磁信号接发部件以及连接部件；拖曳部件上设置瞬变电磁系统和定位功能模块，瞬变电磁系统包括瞬变电磁发射机和接收机；通过连接部件，拖曳部件尾部与瞬变电磁信号接发部件连接。进而在装置基础之上本发明实现了相应的测量方法为：使得拖曳部件拖曳瞬变电磁信号接发部件沿着设计路线前进，发射机和接收机通过瞬变电磁信号接发部件向水下发射和接收瞬变电磁信号，同时定位功能模块实时采集定位数据，从而利用采集到的从水下反馈的瞬变电磁信号和采集到的实时定位数据，作为行进过程中对水上勘查的测量数据。相较于现有技术，解决了使用目前地球物理勘探方法难以满足水上勘查需求的技术问题，本发明能够满足水上非规则勘查线路精确定位和连续测量的要求，拓展了地球物理勘探方法应用领域，提升了地球物理勘探方法的水上勘查能力，节约水上地质勘查成本。
41.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
42.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
43.图1为本发明实施例提供的一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置的组成框图；
44.图2为本发明实施例例举的置于动力小艇中的瞬变电磁发射机和接收机的示意图；
45.图3为本发明实施例提供的一种水上拖曳式瞬变电磁测量方法流程图；
46.图4为本发明实施例例举的叠加采集次数记录和定位数据记录之间的关系示意图；
47.图5为本发明实施例例举的接收机采集显示界面；
48.图6为本发明实施例例举的府河段水上拖曳式瞬变电磁测量方法的工作场景图；
49.图7为本发明实施例举的在拖曳式前进过程中连续记录实时位置和瞬变电磁响应信号的示意图；
50.图8为本发明实施例例举的反演电阻率剖面图。
具体实施方式
51.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
52.本发明实施例提供了一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置，如图1所示，该装置包括：悬浮于水面的拖曳部件1和瞬变电磁信号接发部件2以及连接部件3；拖曳部件1上设置瞬变电磁系统和定位功能模块，瞬变电磁系统包括瞬变电磁信号发射机11和接收机12；通过连接部件3，拖曳部件1尾部与瞬变电磁信号接发部件2连接，使得拖曳部件1向瞬变电磁信号接发部件2提供拖曳动力，拖曳瞬变电磁信号接发部件2沿着设计路线前进；发射机11通过瞬变电磁信号接发部件2向水下发射瞬变电磁信号，以及接收机12通过瞬变电磁信号接发部件2采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
53.在本发明实施例中，在拖曳部件1拖曳瞬变电磁信号接发部件2行进的过程中，可以利用发射机11不断地向水下发射瞬变电磁信号，相应的，利用接收12不断地采集从水下反馈的瞬变电磁信号，以满足实现连续测量的需求。以及由于拖曳部件11上还设置定位功能模块，那么还可以在执行连续测量操作的过程中相应的进行定位操作，以同时满足水上精准定位的需求。
54.其中，拖曳部件1的作用向瞬变电磁信号接发部件2提供拖曳动力，拖曳瞬变电磁信号接发部件2沿着设计路线前进，该设计路线可以是非规则路线，从而实现了在目标测量水域范围内的灵活勘测操作。对于水上勘探工作，优选的，拖曳部件1可以是动力小艇，示例性的，动力小艇上设置的瞬变电磁系统包括的瞬变电磁发射机11和接收机12，如图2所示。
55.进一步的，瞬变电磁信号接发部件2包括了两套独立的共中心正方形多匝线圈，线圈绕制在两个共中心的正方形工程树脂材料支架之上，该工程树脂材料可以为abs材料，这种材料所制支架轻便且具有刚性，绕制在支架上的线圈在拖曳过程中产生形变较小，能够很好保证瞬变电磁信号接发部件2的稳定性；支架底部带有支撑浮漂21，支撑浮漂21的作用为支持瞬变电磁信号接发部件2悬浮于水面上。
56.对于这两套独立的共中心正方形多匝线圈，可以为构成了中心回线框，该中心回线框包括内线框和外线框，该内线框作为信号接收线框22，该外线框作为信号发射线框23。
57.那么进一步的，在本发明实施例中，发射机11通过瞬变电磁信号接发部件2向水下发射瞬变电磁信号，以及接收机12通过瞬变电磁信号接发部件2采集从水下反馈的瞬变电磁信号，可以进一步细化解释说明为：
58.将发射机11与信号发射线框23相连，形成信号发射端，以利用信号发射端向水下发射瞬变电磁信号；将接收机12与信号接收线框22相连，形成信号接收端，以利用信号接收端采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
59.进一步的，对于连接部件3进行细化解释说明：这个连接部件3可以包括拖曳绳31和/或硬支杆32，那么通过连接部件3，拖曳部件1尾部与瞬变电磁信号接发部件2连接，可以进一步细化解释说明为：
60.利用拖曳绳31，将拖曳部件1尾部与瞬变电磁信号接发部件2连接，从而在拖曳绳31提供拖曳动力的同时，能够利用这个拖曳绳31牵引拉着瞬变电磁信号接发部件2沿着设
计路线前进。
61.以及，利用硬支杆32，在拖曳瞬变电磁信号接发部件2前进的同时，能够固定拖曳部件1和瞬变电磁信号接发部件2之间的相对位置，避免由于行进转弯或水面波动导致的瞬变电磁信号接发部件2侧翻或者行进不稳。
62.在本发明实施例中，根据拖曳部件1、瞬变电磁信号接发部件2、连接部件3，使得拖曳部件1拖曳瞬变电磁信号接发部件2沿着设计路线前进，在行进过程中，发射机11和接收机12通过瞬变电磁信号接发部件2向水下发射和接收瞬变电磁信号，从而使得接收机12不断地采集到从水下反馈的瞬变电磁信号。除此之外，本发明实施例提供的拖曳部件1还包括定位功能模块，该定位功能模块的作用主要是：在行进过程中不只是采集到从水下反馈的瞬变电磁信号，与此同时，还能够实时地采集定位数据，以便本发明实施例能够整合采集到的信号数据和定位数据以作为水上勘探所得的测量数据。
63.下面，基于本发明实施例提供的水上拖曳式瞬变电磁测量装置，本发明实施例还提供了相应的测量方法，即水上拖曳式瞬变电磁测量方法，如图3所示，该方法提供以下具体步骤：
64.101、在目标测量水域内，利用拖曳部件拖曳瞬变电磁信号接发部件按设计路线行进。
65.其中，拖曳部件上设置瞬变电磁系统和定位功能模块。瞬变电磁系统包括瞬变电磁信号发射机和接收机，发射机是用于向水下发射瞬变电磁信号的，相应的，接收机用于采集水下反馈的瞬变电磁信号。定位功能模块的作用主要是采集拖曳部件所在位置的定位数据。
66.在本发明实施例中，拖曳部件的作用是提供拖曳动力，从而牵引拉着它所连接的瞬变电磁信号接发部件移动前进。
67.102、在按设计路线行进过程中，控制发射机通过瞬变电磁信号接发部件向水下发射瞬变电磁信号，以及控制接收机通过瞬变电磁信号接发部件采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
68.在本发明实施例中，拖曳部件的作用是提供拖曳动力，例如拖曳部件可以是动力小艇，从而牵引拉着它所连接的瞬变电磁信号接发部件在目标测量水域内沿着既定路线行进，在行进过程中，发射机和接收机可以利用该瞬变电磁信号接发部件向水下发射或采集接收瞬变电磁信号。
69.示例性的，在实际操作应用场景中，在行进过程中，利用发射机不断向水下发射瞬变电磁信号，相应的，利用接收机不断采集水下反馈的瞬变电磁信号，与此同时，还可以利用定位功能模块根据实际测量需求而实际定位测量位置，从而满足水上非规则勘查线路精确定位和连续测量的要求。
70.进一步的，该瞬变电磁信号接发部件包括了两套独立的共中心正方形多匝线圈，两套独立的共中心正方形多匝线圈构成了中心回线框，示例性的，例如中心回线框包括内线框和外线框，该内线框作为信号接收线框，该外线框作为信号发射线框，那么可以将发射机与信号发射线框连接，使得发射机通过信号发射线框向水下发射瞬变电磁信号，以及可以将接收机与信号接收线框连接，使得接收机通过信号接收线框采集从水下反馈的瞬变电磁信号。
71.需要说明的是，磁性源瞬变电磁法是一种时间域电磁勘探方法，采用不接地导线作为激发源向地下发送规则的关、断方波信号，通过测量关断期间地下介质的感应信号来推断地下介质的电阻率结构特征，具有分辨率高，穿透深度大的特点。由此，本发明实施例使用向水下发射瞬变电磁信号和采集从水下反馈的瞬变电磁信号去完成获取水上勘查工作所需的测量数据，便于水上勘查工作开展，简单高效，节省水上勘查成本。
72.103、在采集从水下反馈的瞬变电磁信号的过程中，在行进路线中利用定位功能模块实时采集定位数据。
73.在本发明实施例中，拖曳部件牵引拉着瞬变电磁信号接发部件在目标测量水域内行进的过程中，不只可以通过瞬变电磁信号接发部件向水下发射瞬变电磁信号以及采集从水下反馈的瞬变电磁信号，同时还可以利用定位功能模块实时地获取拖曳部件达到各个测点位置的定位数据。
74.104、根据采集到的瞬变电磁信号和采集到的定位数据，组成行进路线对应的测量数据。
75.在本发明实施例中，对于目标测量水域，利用本发明实施例提供的水上拖曳式瞬变电磁测量装置所采集到的瞬变电磁信号和定位数据，可以作为该目标测量水域的测量数据。
76.进一步的，为了避免得到测量数据冗余，提高最终得到测量数据的质量，本发明实施例给出更优地获取测量数据的具体实施方法，可以包括如下：
77.首先是，在按设计路线行进过程中，根据接收机采集从水下反馈的瞬变电磁信号，预先设计一个信号采集周期，以及根据这样的信号采集周期来进一步设计一个叠加周期；其次是，在每完成一次叠加周期的采集操作时，累计采集到的瞬变电磁信号，形成测点数据块，同时实时利用定位功能模块采集定位数据并添加到测点数据块内。从而根据多个测点数据块，组成行进路线对应的测量数据。
78.在本发明实施例中，在按设计路线行进过程中，行驶速度可根据叠加周期和测量点距获得，如下公式(1)：
[0079][0080]
其中，vs为行船速度，d为两相邻测点间距离，t0为一个发射波形的周期，c为叠加周期次数。
[0081]
示例性的，如图4所例举的叠加采集次数记录和定位数据记录之间的关系示意图，本发明实施例给出了：不是在采集到从水下反馈的瞬变电磁信号的同时就实时采集定位数据，而是根据设计采集的叠加周期，在完成若干个采集瞬变电磁信号的周期(即叠加周期)之后，才去执行一次实时定位数据采集，建立一个叠加周期所采集到的信号数据和一个定位数据之间的映射关系，组成一个测点数据块，再由多个测点数据块组成本发明实施例所需的测量数据。由于该测量数据中定位数据采集由叠加周期控制，在完成叠加周期后才进行一次定位数据采集，避免了测点数据块中包含冗余定位数据，提高了测量数据的质量。
[0082]
进一步的，本发明实施例还可以利用显示界面实时展示测量数据，该显示界面至少显示三部分数据，包括：测点的基础信息、当前测点衰减曲线和电压剖面图；其中，对于电压剖面图，可以预先设计显示的测点数量是固定的，当显示满屏后会自动挤掉之前所显示
的测点。
[0083]
示例性的，如图5所例举的接收机采集显示界面，在连续采集的过程中，实时监测测量数据，采集界面可以实时显示感应电动势剖面曲线和测点的衰减曲线。
[0084]
例如，在显示界面中可以划分多个显示区域，包括：测点基础信息显示区域，衰减曲线显示区域、剖面曲线显示区域。其中，测点基础信息显示区域示出了：测点号、测量次数、测点实时采集的经纬度坐标等基础信息。衰减曲线显示区域示出了：衰减曲线显示相邻的四个测点，以直角坐标对数等间隔系绘制，其中横坐标为采样延时，单位为微秒(μs)，纵坐标为测量响应值，单位为纳特/秒(nt/s)。剖面曲线显示区域示出了：剖面曲线显示相邻的60个测点的测量结果，并且会实时刷新，以直角坐标系绘制，其中横坐标为测量次数，单位为次，纵坐标为测量响应值(对数等间隔绘制)，单位为纳特/秒(nt/s)。当测量经过水下电阻率异常区域时，衰减曲线形态和幅值明显发生变化，相应的在剖面曲线上幅值也会变化(如图5的剖面显示区域内矩形框部分)，从而通过衰减曲线和剖面曲线的组合，对实测数据进行实时监控，快速发现异常区域。
[0085]
本发明实施例是通过实时定位、连续采集瞬变电磁信号去实现了水域非规则线路下的地球物理测量，能够获取水体及其下地质体电性结构特征。
[0086]
综上，本发明实施例提供了一种水上拖曳式瞬变电磁测量装置和方法，本发明实施例提供的装置包括：悬浮于水面的拖曳部件和瞬变电磁信号接发部件以及连接部件；拖曳部件上设置瞬变电磁系统和定位功能模块，瞬变电磁系统包括瞬变电磁发射机和接收机；通过连接部件，拖曳部件尾部与瞬变电磁信号接发部件连接。进而在装置基础之上本发明实现了相应的测量方法为：使得拖曳部件拖曳瞬变电磁信号接发部件沿着设计路线前进，发射机和接收机通过瞬变电磁信号接发部件向水下发射和接收瞬变电磁信号，同时定位功能模块实时采集定位数据，从而利用采集到的从水下反馈的瞬变电磁信号和采集到的实时定位数据，作为行进过程中对水上勘查的测量数据。相较于现有技术，解决了使用目前地球物理勘探方法难以满足水上勘查需求的技术问题，本发明能够满足水上非规则勘查线路精确定位和连续测量的要求，拓展了地球物理勘探方法应用领域，提升了地球物理勘探方法的水上勘查能力，节约水上地质勘查成本。
[0087]
下面，本发明实施例以选择河北省雄安新区白洋淀上游府河段为例，采用本发明实施例提供的水上拖曳式瞬变电磁测量装置和方法，具体实施了以下步骤：
[0088]
s1、在动力小艇(即拖曳部件)上设置瞬变电磁系统和定位功能模块，该系统包括瞬变电磁信号发射机和接收机，小艇为前进测量提供拖曳动力。
[0089]
s2、在动力小艇船尾连接设置瞬变电磁信号接发部件，该部件包括了中心回线框，进一步中心回线框包括了内线框和外线框，内线框作为信号接收线框，外线框作为信号发射线框，利用中心回线框向水下发射和接收瞬变电磁信号。示例性的，如图6所示，府河段水上拖曳式瞬变电磁测量方法的工作场景图，瞬变电磁信号接发部件通过拖曳绳与小艇相连。
[0090]
s3、在目标测量水域内小艇搭载发射机和接收机拖曳瞬变电磁信号接发部件在府河内顺流行进，在拖曳式前进过程中连续记录实时位置和瞬变电磁响应信号，实时监控采集数据，作为测量数据。示例性的，利用实时定位数据展示测量轨迹(如图7所示)，从测量数据块中提取每个测量点的经纬度坐标，转化到平面坐标系，其中地理北为纵坐标，单位为米
(m)，地理东为横坐标，单位为米(m)，绘制出的测点轨迹能够准确显示非规则的实际测量路线。
[0091]
s4、通过对实测数据处理，结合实时定位数据，可以得到府河段与实际行进路线一致的电阻率剖面图，如图8所示，电阻率剖面图采用三维直角坐标系绘制，需要四组数据(x，y，z，u)，其中x、y、z为三维空间坐标，其中x、y坐标由实际测量的经纬度坐标转换到平面坐标获得，单位为米(m)，u为属性值，表示经过数据处理后获取的电阻率值，单位为欧姆.米，z为与电阻率值相对应的深度，以水面为参考零点，向下为负，表示水深方向，单位为(m)，这样就可以得到与图7实际行进路线一致的三维电阻率剖面图，能更好展示勘查成果。
[0092]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同插入、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。
[0093]
本领域技术人员应明白，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。