一种隧道超前地质探测系统

1.本实用新型属于地质探测设备技术领域，具体为一种隧道超前地质探测系统。


背景技术：

2.隧道施工时常发生塌方、突水等地质灾害事故，这其中由于地质信息掌握不充分而造成的施工事故占据了大多数，所以需要有效的隧道超前探测手段来对掌子面后方的地质构造，岩性变化等进行预报，以减少生命和财产的损失。tsp是非破坏性长期超前地质预报的主要方法之一，tsp超前地质预报技术的基本原理是在围岩中通过震源激发产生地震波，利用地震波反射法对波阻抗界面进行判定的，由于不同的岩层具有不同的弹性特征，当激发的地震波遇到岩性突变界面时，一部分能量信号（地震波）以折射、透射方式继续向前发散，另一部分能量信号则以反射（或绕射）的方式向后传播，这些向后传播的能量信号被布置在隧道两侧的三分量检波器接收，对接收到的反射波进行偏移成像，分析解释地震记录从而预测包括断层、松散介质等不良地质结构。
3.地震勘探中目前常用的比较成熟的tsp隧道地质超前探测系统有tsp203，是由瑞士安伯格公司在二十世纪90年代开发研制的1996年进入中国隧道施工工程建筑市场，在公路、铁路隧道施工中得到较为广泛的应用的设备。但是目前国内的隧道施工地质超前探测大多是引进该设备，其价格昂贵且后期维修不便。并且该tsp系统只能实现多炮单道进行数据采集，即多点震源激发，只有一个采集点接收，精确度有限并且有一定的施工风险。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种隧道超前地质探测系统，用于解决现有设备只能实现单个或两个采集点接收信息进行数据采集，有一定的施工风险的问题。
5.本实用新型是这样实现的，
6.一种隧道超前地质探测系统，用于探测数据采集，包括多个由采集器和三分量检波器组成的采集单元、一适配器以及上位机，各个采集单元之间级联，将距离适配器最近的一个采集单元与适配器连接，所述适配器与上位机连接。
7.进一步地：所述采集单元包括一个三分量检波器和一个采集器，三分量检波器的输出端与采集器的输入端连接，其中，三分量地震检波器内装有三个互相垂直的传感器，以采集三个分量的地震波。
8.进一步地：所述三分量检波器采用三分量压电式加速度型传感器 ay1000i-3f。
9.进一步地：所述采集器包括：数据采集模块、主控模块和电源模块；所述数据采集模块以及电源模块均与主控模块连接，通过数据采集模块与三分量检波器连接，数据采集模块包括连接的信号调理模块和数模转换模块，并通过数模转换模块连接一fpga模块与主控模块连接。
10.进一步地：所述主控模块，采用处理器与fpga模块连接，还包括有与处理器连接存储单元和以太网单元，所述处理器通过数据线或者以太网单元连接适配器，完成数据的采
集。
11.进一步地：所述存储单元与处理器和fpga模块连接，存储处理器和fpga模块的数据。
12.进一步地：所述适配器包括触发控制单元、差分输出模块、交互机和锂电池。所述触发控制单元与差分输出模块相连接，差分输出模块与fpga模块连接；交换机和主控模块的处理器的触发端口相连接，用于跟主控模块的以太网单元连接，交互机作为数据传输中转，再将数据传输给上位机。锂电池与电源模块相连接，为系统供电。
13.进一步地：所述电池模块还与主控模块连接，为主控模块供电。
14.本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型作为采集系统，通过震源激发地震波产生地震信号，多个三分量检波器接收地震信号，与此同时适配器启动采集器进行数据采集，各个采集器之间相互连接，将数据最终汇总传输给适配器，适配器通过以太网与上位机进行数据传输，最后上位机进行数据分析记录显示，该系统可以通过少炮多道（检波器接收的道集，一个检波器接收地震数据就是一个道集）的方式，进行分布式信息采集，各个采集器接力式相连之后和适配器联级，从而可以降低成本，减少施工风险。
附图说明
15.图1为本实用新型一种隧道超前地质探测系统的总体框图；
16.图2为本实用新型一种隧道超前地质探测系统的采集单元的电路框图；
17.图3为本实用新型使用时的布局图；
18.图4为本实用新型提供的适配器的结构框图；
19.图5为本实用新型提供的电源模块的电路原理框图。
具体实施方式
20.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
21.本实用新型提供一种隧道超前地质探测系统，参见图1结合图2，该系统包括：多组采集器和三分量检波器组成的采集单元，各个采集单元之间级联，将距离适配器最近的一个采集单元与适配器连接，适配器与上位机连接。各个采集单元接力式相连接。
22.每个采集单元中包括一个三分量检波器和一个采集器，三分量检波器的输出端与采集器的输入端连接，其中，每个三分量地震检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录x、y、z三个分量的地震波，地震波包括纵波、横波、转换波。三分量检波器采用的是三分量压电式加速度型传感器 ay1000i-3f，采取不锈钢金属外壳，有效防止电磁干扰，降低信号噪声。
23.采集器包括：数据采集模块、主控模块和电源模块；通过数据采集模块与三分量检波器连接，数据采集模块包括连接的信号调理模块和数模转换模块（ad47768-4），并通过数模转换模块连接fpga模块（max1010m085c），与主控模块连接。各个采集单元通过采集器的主控模块的以太网单元形成级联。
24.主控模块，采用处理器（stm32f429处理器）与fpga模块连接，还包括有与处理器连
接的存储单元（sdramm48lc16m16）和以太网单元（ksz8463），处理器通过数据线或者以太网单元无线连接适配器，完成数据的采集。存储单元与处理器和fpga模块连接，存储处理器和fpga模块的数据。
25.参见图5，电源模块，包括模拟电路和数字电路，采用低压差线性电源和dc-dcbuck开关电源，用于执行实现电压转换，将24v锂电池提供的电压转换成系统各个模块正常运行所需的电压；选用ltc3630 作为dc-dc buck降压稳压器的电源芯片，通过并联两个相互独立的 ltc3630 芯片，使电路的模拟电源和数字电源有效隔离开来，并且保证系统对电源稳定性和纹波的要求。dc-dc buck作为降压器，将 24 v 锂电池电压转换为+5 v电压，为a/d电路中的 ad7768-4 芯片供电。 之后采用了低输出电压纹波的 lp5907芯片作为ldo 低压差线性稳压器，将+5 v转换为+3.3 v电压，为包括stm32f429、fpga、以太网芯片ksz8463、存储单元及其外围电路供电。
26.参见图4，适配器，包括触发控制单元（stm32），与触发控制单元连接得到差分输出模块（tia-422-b），差分输出模块与fpga模块连接。适配器还包括交换机与控制单元连接，用于跟主控模块的以太网单元连接。在适配器中设置锂电池，锂电池与电池模块连接后为系统供电。
27.数据采集模块采用fpga模块进行数据采集，再与基于stm32的主控模块进行连接来控制整个采集器，数据采集模块包括信号调理、数模转换电路、和fpga接口电路，信号调理电路主要对存在高频干扰的地震波信号进行滤波降噪，同时对信号进行放大，以提高数据精度，将单端信号转换为差分信号后再接入模数转换器中从而提高信号抗干扰能力、消除共摸信号的干扰。fpga接口电路负责驱动采集电路进行数据采集，将a/d输出的24位串行数据转换为并行数据并提供fifo缓存，同时与主控模块的stm32f429和sdram通过fmc接口进行连接；
28.适配器中的锂电池。为系统提供24v电压，通过触发主控模块开始工作，并且各个采集器的接力式相连接，之后与适配器相连，将数据传输到适配器，适配器的输出端连接一上位机。
29.本实用新型的工作过程：
30.参见图3采用不少于八个三分量检波器2采集地震信号，在施工隧道1左边墙壁或右边墙壁依次布设不少于八个接收钻孔，接收钻孔与洞室底板平行与洞室走向垂直，用适量耦合剂填充接收钻孔内部，作为三分量检波器2的耦合剂使三分量检波器2分别固定在接收钻孔中。
31.在施工隧道内布设炮孔，与所施工隧道的掌子面之间的距离不大于2m，布设高度与接收钻孔相同，操作人员在炮孔处激发震源3，产生人工地震波4，产生的人工地震波在掌子面前方传播，在遇到不同的岩层时，人工地震波在地质界面产生反射，形成反射波，三分量检波器接收反射波的数据信号。
32.各个采集器和各个三分量检波器互相连接，对三分量检波器接收到的数据进行采集，各采集器之间也接力式相连，最后将数据传输到适配器。
33.适配器中包括24v锂电池，为系统供电，电源模块包括了 ldo 和 dc/dc 这两种降压方式，将24v的电压转换成系统各个模块正常运行所需的电压；
34.启动采集器进行数据采集，并将采集器采集到的数据传输给远端的上位机。适配
器触发控制单元给出一个触发信号后，采集器开始工作，fpga 驱动 a/d 采集数据，将数据存储到存储单元。适配器作为数据传输中转，与离它最近的采集器级联，各个互相级联的采集器的数据传输给适配器。
35.该实用新型在使用时，通过震源激发地震波产生地震信号，通过三分量检波器接收地震信号，与此同时适配器启动采集器进行数据采集，各个采集器之间相互连接，将数据最终传输给适配器，适配器通过以太网与上位机进行数据传输，最后上位机进行数据分析记录显示。
36.本新型采用处理器stm32与fpga模块组合的方式通过 fpga 模块驱动 a/d 电路进行数据采集，将采集到的数据存储到存储单元中，处理器stm32将数据调取出来。作为系统核心，既能有效地控制系统，又能做到高速并行数据采集，具有较强的微弱信号采集和抗电磁干扰能力。
37.同时，多个采集器和三分量检波器可以实现在掌子面附近安放震源，在隧道震源一侧按放多个三分量检波器，可以实现少炮激发和多点采集的数据采集，能有效地降低成本，降低施工风险，能有效地提高工作效率。
38.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。