一种地表多源电磁震协同智能化超前地质预报设备的制作方法

1.本发明涉及地球物理勘探技术领域，具体涉及一种地表多源电磁震协同智能化超前地质预报设备。


背景技术：

2.隧道超前地质预报技术，主要包括：超前钻探类(超前导坑、探洞、超前钻探等)，地震反射类(隧道负视速度法、隧道地震预报(tunnel seismic prediction，tsp)、隧道反射成像(tunnel reflection tomography，trt)、极小偏移距地震波法等)，电磁类(地质雷达、隧道瞬变电磁等)，直流电法类(激发极化法、电阻率法等)以及其他方法(核磁共振法、红外探水法、温度探测法等)。
3.超前钻探类方法在地质条件比较简单的地区可准确推断前方地质情况，但是这类方法作业时间较长，施工成本高，在破碎带或节理裂隙密集带的钻探易造成卡钻。此外，超前钻探类方法往往因为“一孔之见”的问题导致不良地质体的漏报漏探。
4.如图1所示，地震反射类方法一般适用于隧道围岩类别预报，对断层破碎带、岩性接触带等规则不良地质体预报效果较好。但是这种探测方式需占用掌子面和两侧边墙，耗时较长。地震反射类方法震源激发通常采用雷管或乳化炸药，存在安全性问题。
5.如图2、图3所示，电磁类法对于探测裂隙发育程度、地下水发育情况等围岩特性以及断层破碎带、溶洞、富水区、软弱夹层、破碎岩体等不良地质体效果较好，特别适合对水体的探测。但是电磁法容易受到掌子面的不平或隧道内其他电磁场的干扰影响。
6.如图4所示，直流电法类利用岩体本身及其含水率的不同导致电性和极化特征的变化来对隧道大规模水体进行探测。直流电法类难以屏蔽测线附近的旁侧异常干扰(如低阻含水体、金属构件等)，在较复杂环境下很难从背景干扰数据中提取出掘进面前方的有用信息，容易导致预报精度降低甚至误报。
7.综上所述，传统超前地质预报技术利用的物理参数单一，各方法相互独立，使用的仪器设备也比较笨重，方法集成度低。而且，这些超前地质预报技术大多在隧道掌子面附近进行操作，一方面影响隧道开挖施工进度，另一方面隧道掌子面的不稳定性增加了现场操作人员的环境风险。
8.当前国外多参数采集设备很少，且大多数为电法多功能仪器设备，但没有地震+电法的产品，国内有些论文也发表地震+电法的多参数产品的设想，但没有看到有成熟的商业化产品。


技术实现要素：

9.本发明提供一种地表多源电磁震协同智能化超前地质预报设备，能够同时记录电场、电磁场、震动信息，一次布极采集多种地球物理参数，提高野外工作效率、降低施工成本。
10.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
11.一种地表多源电磁震协同智能化超前地质预报设备，包括相互连接的张量传感器、a/d转换、fpga芯片、单片机，传感器信号通过a/d转换后发送到fpga进行处理，最终通过单片机的运算，得到所要测量的物性参数。
12.作为上述方案的优选，还包括姿态传感器，与fpga芯片连接，用于判断姿态；gps/北斗定位系统，与单片机连接，用于为整个设备授时和定位；sd卡，与单片机连接，用于实时本地存储；网口，与单片机连接，用于连接通讯站并进行组网及数据云平台管理；led指示灯，与单片机连接，用于判断设备状态。
13.作为上述方案的优选，还包括dsp芯片，所述dsp芯片分别与fpga芯片、单片机、sram及usbmcu连接，采集后的大量数据通过fpga直接传入dsp进行处理，处理好的数据存入储存sram备用，需要时经由dsp与usbmcu模块传至上位机。
14.作为上述方案的优选，还包括内置或外置可充电电源。
15.作为上述方案的优选，所述a/d转换通过两级放大电路及sma接头与张量传感器连接，两级放大电路包括一级单端放大器和差分放大器，一级单端放大器与sma接头连接，差分放大器与a/d转换连接，信号由sma接头进入，经由一级单端放大后通过差分运放将单端信号转化为差分信号提供给由fpga主控的a/d转换进行采集。
16.作为上述方案的优选，所述张量传感器包括电法传感器、地震传感器及电磁传感器。
17.作为上述方案的优选，所述a/d转换采用32位高精度转换芯片。
18.由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
19.1.本发明首次实现电、磁、震多参数采集，实现一种设备能够进行多种物性参数的测量，协同进行超前地质预报，降低解译的多解性，且能够有效识别随机干扰，降低随机干扰带来的解释难度。
20.2.本发明采用节点式设计，体积小巧，方便野外施工；采用低功耗设计，支持长时间连续采集，能够大大提高工作效率，减少人员支出、降低经济成本，满足复杂施工环境。
21.3.本发明地面多参数协同施工，应用场景广泛，比隧道内施工安全性高。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
23.图1为现有技术中地震反射法工作原理及布置示意图；
24.图2、图3为现有技术中电磁法类现场布设示意图；
25.图4为现有技术中直流电法类现场布设示意图；
26.图5为本发明的结构框图；
27.图6为本发明的工作原理图；
28.图7为本发明的多参数多物理量智能节点综合采集系统框架图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。
30.如图5至图7所示，本实施例提供一种地表多源电磁震协同智能化超前地质预报设备，包括相互连接的张量传感器、a/d转换、fpga芯片、单片机，传感器信号通过a/d转换后发送到fpga进行处理，最终通过单片机的运算，得到所要测量的物性参数。
31.在本实施例中，还包括与fpga芯片连接的姿态传感器，与单片机连接的gps/北斗定位系统、sd卡、网口、led指示灯等。
32.在本实施例中，还包括dsp芯片，所述dsp芯片分别与fpga芯片、单片机、sram及usbmcu连接。
33.在本实施例中，还包括内置或外置可充电电源，为整个设备提供。
34.在本实施例中，所述a/d转换通过两级放大电路及sma接头与张量传感器连接，两级放大电路包括一级单端放大器和差分放大器，一级单端放大器与sma接头连接，差分放大器与a/d转换连接。
35.在本实施例中，所述张量传感器包括但不限于电法传感器、地震传感器及电磁传感器。
36.在本实施例中，所述a/d转换采用32位高精度转换芯片，它能提高设备的精度。
37.上述结构的工作原理：
38.该设备的整机设计思路为通过三通道采集站，通过更换电，震，磁三种地球物理传感器来实现不同地球物理参数的采集。每个采集站之间通过gps/北斗系统进行授时同步，且可以通过外扩单元进行4g/5g云平台管理，实时监测，远程数据下载等。具体的，电法传感器、地震传感器及电磁传感器等张量传感器采集的传感器信号由sma接头进入，经由一级单端放大后通过差分运放将单端信号转化为差分信号提供给由fpga主控的高精度差分运放(adc)进行采集。采集后的大量数据通过fpga直接传入dsp进行处理，处理好的数据存入储存sram备用，需要时经由dsp与usbmcu模块传至上位机。单片机内的主控cpu负责协调fpga及dsp的工作及读取gps数据和gui实现。在此过程中，gps/北斗为整个系统授时和定位，姿态传感器能够判断姿态，sd卡能够实时本地存储，设备还配备网口来进行组网及数据云平台管理，并通过led提示灯来判断系统状态，通过内置或外接电源为整个系统供电。
39.该设备能够实现多参数同时采集的关键在于模拟前端调试电路可以兼容电、磁、震等多种不同类型传感器信号输入，保证这些信号不失真。此外，在地面实现电磁震多参数的协同测量，达到对隧道掘进方向不良地质现象进行精准预报的目的，可以替代隧道掌子面附近危险低效的预报方法。
40.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。