一种多通道拖曳式地震波探测装置及探测方法与流程

本发明属于探测方法领域，特别涉及该领域中的一种多通道拖曳式地震波探测装置及探测方法，可利用地震波进行浅地表的地下勘探。

背景技术：

1、当前对于城市地下空间探测，采用的主要技术手段为探地雷达，探地雷达主体由天线、电磁波生成器、信号拾取器、信号解译器及其它数据合成器构成。探地雷达的天线可以发射高频电磁波，当电磁波遇到介质后会发生反射，利用电磁波的传播和反射规律可进行地质勘探。反射波在传播的过程中由于地质电性参数的变化，接收器处的电磁波带有丰富的道路结构信息，通过拾取电磁波信号，解译分析电磁波信息，获取地下介质内部特征及分布规律。探地雷达信号分辨率高、施工时效快，已经广泛应用于道路检测、矿产勘查、岩土工程勘察、地质灾害调查等领域。但是随着城市地下空间目标日趋复杂(城市地下电缆和金属管道等排布错综复杂)，为电磁波数据采集带来极大的干扰；高频电磁波信号穿入地层深度较浅，并且在水中衰减特别快，当遇到路面积水、地层含水层或者含水溶洞、管道或箱涵时，含水目标体以下部分很难被探测。

2、浅层地震波探测作为一种高精度探测方法，在城市地下空间探测中应用广泛，长期以来为城市规划、管理和工程建设等提供了重要支撑信息。近年来，针对城市地下空间探测的实际需求，城市浅层地震勘探领域利用现代信息技术优势，在地震数据采集仪器设备、采集方法、数据处理和解释应用方面取得了重要进展。但是应用传统检波器对于长距离滚动测量剖面效率极低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种多通道拖曳式地震波探测装置及探测方法。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种多通道拖曳式地震波探测装置，其改进之处在于：包括激发地震波的震源系统、接收地震波信号并将其转换为电信号的检波器系统和数据采集系统，所述的数据采集系统包括主控模块、触发模块、数据采集模块和工控机，触发模块接收震源系统发出的触发信号后传给主控模块，主控模块根据触发信号控制数据采集模块从检波器系统采集电信号，并将采集的电信号上传给工控机。

4、进一步的，震源系统为冲击震源。

5、进一步的，检波器系统包括若干检波器单元，各检波器单元之间通过电缆进行供电与数据传输；每16个检波器单元通过拖缆编为一组，检波器系统最多挂接三组共48个检波器单元，三组检波器单元一字形拖曳或平行拖曳。

6、进一步的，震源系统发出的触发信号为短路信号。

7、进一步的，数据采集模块包括依次电连接在一起的前置放大单元，增益控制单元、滤波单元和a/d转换单元，其中前置放大单元从检波器系统采集电信号，主控模块与a/d转换单元电连接并根据触发信号控制a/d转换单元是否对输入信号进行a/d转换。

8、进一步的，工控机具有与外部通信的接口，并向主控模块发送用户指令。

9、进一步的，震源系统与数据采集系统均采用直流电池供电。

10、一种探测方法，使用上述的探测装置，其改进之处在于，包括如下步骤：

11、步骤1，探测装置安装就位后，控制震源系统开炮，触发模块接收到震源系统发出的触发信号后传给主控模块；

12、步骤2，检波器系统接收到地震波信号后将其转换为电信号传送给数据采集模块；

13、步骤3，数据采集模块对电信号进行前置放大、增益调整与滤波处理后，由a/d转换单元按照触发信号进行a/d转换，得到地震波原始波形r(t)并输送给主控模块；

14、步骤4，主控模块将地震波原始波形r(t)输送给工控机，由工控机进行脉冲压缩后得到脉冲压缩波形h(t)，脉冲压缩通过匹配滤波使信噪比最大化，匹配滤波的脉冲响应函数表示如下：

15、h(t)＝k·s(τd-t)

16、上式中，k为增益因子，τd为激励信号的持续时间，其传递函数为发射信号频谱的复共轭，工控机获取脉冲压缩波形h(t)后对波形数据进行储存。

17、进一步的，震源系统按时间编码序列p(t)控制震源信号s(t)重复发射，产生地震波输出；

18、时间编码序列p(t)是线性时间编码序列，是时间离散的单位脉冲序列，满足自相关δ函数、与干扰噪音的互相关为零，表达如下：

19、p(t)＝δ(t-ti)

20、

21、线性时间编码序列的自相关函数acf(p)具有δ函数的性质，满足下列条件：

22、

23、

24、上式中，m为编码长度，当线性时间编码序列作用于震源系统时，震源系统就会按其控制产生时间序列输出振动z(t)：

25、

26、此时要求最小冲击时间间隔大于地震波的周期，也就是最高冲击频度小于地震波的频率，编码冲击震源系统的地震记录d(t)写成：

27、d(t)＝p(t)*s(t)+n(t)

28、上式中，n(t)为噪声信号，*为褶积算子；

29、按相关算法合成的地震记录u(t)由冲击记录与冲击时间序列的互相关获得：

30、

31、由于时间编码序列满足伪随机性，解编后的地震记录是单次激发地震波的m倍：

32、

33、本发明的有益效果是：

34、本发明所公开的探测装置，检波器系统可最多挂接48路检波器单元，采用拖曳式挂接方式，可一次性对一片区域内的地下空间进行勘探，提高了探测效率；震源系统与数据采集系统均采用直流电池供电，可避免交流电源所引入的干扰，同时适合在野外等无电源场所进行长时间工作；内置工控机具有usb、wifi等与外部通信的接口，施工人员可现场观察到接收波形，方便现场判断此探测质量，避免数据遗漏。

35、本发明所公开的探测方法，采用相位编码调制与脉冲压缩信号接收技术提高观测波形的信噪比，避免传统激励方式中震源系统发射的地震波无法与自然界中的地震波进行区分的情况，减少自然界中地震波的干扰，提高探测精度。

技术特征：

1.一种多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：包括激发地震波的震源系统、接收地震波信号并将其转换为电信号的检波器系统和数据采集系统，所述的数据采集系统包括主控模块、触发模块、数据采集模块和工控机，触发模块接收震源系统发出的触发信号后传给主控模块，主控模块根据触发信号控制数据采集模块从检波器系统采集电信号，并将采集的电信号上传给工控机。

2.根据权利要求1所述多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：震源系统为冲击震源。

3.根据权利要求1所述多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：检波器系统包括若干检波器单元，各检波器单元之间通过电缆进行供电与数据传输；每16个检波器单元通过拖缆编为一组，检波器系统最多挂接三组共48个检波器单元，三组检波器单元一字形拖曳或平行拖曳。

4.根据权利要求1所述多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：震源系统发出的触发信号为短路信号。

5.根据权利要求1所述多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：数据采集模块包括依次电连接在一起的前置放大单元，增益控制单元、滤波单元和a/d转换单元，其中前置放大单元从检波器系统采集电信号，主控模块与a/d转换单元电连接并根据触发信号控制a/d转换单元是否对输入信号进行a/d转换。

6.根据权利要求1所述多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：工控机具有与外部通信的接口，并向主控模块发送用户指令。

7.根据权利要求1所述多通道拖曳式地震波探测装置，其特征在于：震源系统与数据采集系统均采用直流电池供电。

8.一种探测方法，使用权利要求1所述的探测装置，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，震源系统按时间编码序列p(t)控制震源信号s(t)重复发射，产生地震波输出；

技术总结
本发明公开了一种多通道拖曳式地震波探测装置及探测方法，包括激发地震波的震源系统、接收地震波信号并将其转换为电信号的检波器系统和数据采集系统，所述的数据采集系统包括主控模块、触发模块、数据采集模块和工控机，触发模块接收震源系统发出的触发信号后传给主控模块，主控模块根据触发信号控制数据采集模块从检波器系统采集电信号，并将采集的电信号上传给工控机。本发明所公开的探测装置，检波器系统可最多挂接48路检波器单元，采用拖曳式挂接方式，可一次性对一片区域内的地下空间进行勘探，提高了探测效率。

技术研发人员：柳杨,李智强,董兴蒙,殷艳利,茹聪,李维,翟宇文,姜景涛,张增旺,成兴丽
受保护的技术使用者：中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13