本發(fā)明涉及地礦勘察設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)的地礦勘察工作信息化概念是20世紀(jì)80年代中期提出來(lái)的，地質(zhì)礦產(chǎn)部曾作為全國(guó)性工程加以推動(dòng)。自從國(guó)外提出“數(shù)字地球”(core，1998)以來(lái)，我國(guó)的地礦勘察工作信息化工程便因被納入“數(shù)字中國(guó)”(徐冠華等，1999)和“數(shù)字國(guó)土”(張洪濤，2001)工程而加速進(jìn)行了，但至今沒(méi)有明確的定義。

地礦勘察工作信息化不是地質(zhì)信息技術(shù)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，而是涉及更為深刻的領(lǐng)域。根據(jù)國(guó)內(nèi)外地礦工作領(lǐng)域信息技術(shù)的應(yīng)用狀況及其所帶來(lái)的影響，地礦勘察工作信息化是指：采用信息系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的地礦勘察工作主流程進(jìn)行充分改造，實(shí)現(xiàn)了全程計(jì)算機(jī)輔助化，數(shù)據(jù)在各道工序問(wèn)流轉(zhuǎn)順暢、充分共享。

時(shí)間域電磁法(timedomainelectromagneticmethods)或稱瞬變電磁法(transientelectromagneticmethods)，都縮寫為tem，是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法。它利用不接地回線(磁源)或接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)(通常稱為一次場(chǎng))，在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)(通常稱為二次場(chǎng))。由于二次場(chǎng)包含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次場(chǎng)(或稱響應(yīng)場(chǎng))，通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)信息的提取和分析，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的目的。顯然，所研究的是響應(yīng)場(chǎng)與時(shí)間的關(guān)系，故稱之為時(shí)間域電磁法。根據(jù)它的衰減特征，主要用于研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)，可以分析判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

納米瞬變電磁法原理上與瞬變電磁法原理一樣，只是由于具有發(fā)射快速關(guān)斷功能，而可以探測(cè)從0-100米的地下地質(zhì)體。且具有儀器輕便，便于攜帶，施工方便的特點(diǎn)。

目前現(xiàn)有的技術(shù)中，針對(duì)道路災(zāi)害和塌陷的檢測(cè)，手段都比較簡(jiǎn)易，主要存在的問(wèn)題集中在工作過(guò)于艱苦和工作的危險(xiǎn)，通常需要需要野外地質(zhì)人員的人力查勘和頻頻犯險(xiǎn)，現(xiàn)有工作方法是直接在路面打鉆，然后根據(jù)打鉆資料來(lái)判斷路面下是否有空洞或者松軟土層，工作效率較低，而目前現(xiàn)有技術(shù)中通常采用的比較好的技術(shù)，如頻譜電磁法及直流電法，穿透和分辨低阻覆蓋能力非常有限，且經(jīng)常產(chǎn)生高阻屏蔽現(xiàn)象，不能有效的對(duì)道路上的空洞或者松軟地層進(jìn)行勘探。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置及使用方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題，使用地球物理方法中的電磁法原理，來(lái)對(duì)路面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在確定的地方再打鉆，有效的提高了打鉆的準(zhǔn)確度和工作效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置及使用方法，由發(fā)射部分，接收部分，采集裝置，處理系統(tǒng)四大部分組成，其中發(fā)射部分和接收部分之間進(jìn)行g(shù)ps授時(shí)同步，處理系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析兩部分，安裝在電腦端、平板電腦和或手機(jī)電子設(shè)備中；

采集裝置的整體呈矩形體，中心設(shè)置有中心板，中心板為矩形且水平放置，中心板上設(shè)有兩個(gè)三分量磁通門傳感器，且兩個(gè)傳感器的方向一致，兩個(gè)傳感器分別到多匝發(fā)射線圈中部的距離相等，中心板的四個(gè)直角向外放射的設(shè)有四個(gè)延長(zhǎng)支架，每個(gè)延長(zhǎng)支架末端均設(shè)有一個(gè)垂直的無(wú)磁輔助支架，輔助支架外部纏繞有多匝發(fā)射線圈。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述發(fā)射部分和接收部分之間還通過(guò)穩(wěn)流源模塊相連，其中，發(fā)射部分為adc數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)有cpld、dsp、usb控制器、存儲(chǔ)ram和電源模塊；接收部分為信號(hào)處理模塊，其cpu分別與gps、顯示屏、fpga模塊相連，fpga模塊的接口分別連接至穩(wěn)流源模塊的驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)射部分的接口。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：當(dāng)裝置應(yīng)用于垂直梯度采集信息時(shí)，所述中心板的中心沿垂直方向設(shè)有兩個(gè)三分量磁通門傳感器，且兩個(gè)三分量磁通門傳感器的距離大于等于50cm，方向一致；當(dāng)裝置應(yīng)用于水平梯度采集信息時(shí)，所述中心板上水平放置兩個(gè)三分量磁通門傳感器，且兩個(gè)三分量磁通門傳感器的距離大于等于50cm，方向一致。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述發(fā)射線圈，工作時(shí)可通過(guò)電流1a-20a；頻率可調(diào)范圍為0.25hz-256hz，占空比為50％，匝數(shù)10-20匝，線圈構(gòu)成的矩形框架整體大小為1米*1米到5米*5米范圍。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述無(wú)磁輔助支架上設(shè)有為固定線圈的凹槽，且底部安裝有滑輪，且無(wú)磁輔助支架的材質(zhì)為pc、pvc或木質(zhì)。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述用于數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析兩部分的處理系統(tǒng)的具體使用步驟為：

q1：接收部分和發(fā)射部分之間采用gps授時(shí)同步或線同步兩種方式，發(fā)射部分根據(jù)時(shí)間域電磁法，對(duì)需探測(cè)地表發(fā)射出信號(hào)，由接收部分接收信號(hào)；

q2：接收部分同時(shí)采集x，y，z三個(gè)方向上的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集；

q3：處理系統(tǒng)接收來(lái)自接收部分的數(shù)據(jù)，作為原始數(shù)據(jù)；

q4：處理系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪后根據(jù)時(shí)間域電磁法進(jìn)行定性解釋，繪制測(cè)道圖、曲線類型圖，進(jìn)行時(shí)頻分析；

q5：通過(guò)對(duì)地形數(shù)據(jù)的初步矯正，對(duì)q4步驟的數(shù)據(jù)進(jìn)行半定量解釋，測(cè)算全域電阻率和博斯蒂克反饋；

q6：通過(guò)比值法或空間濾波法對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步矯正，對(duì)q5步驟的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量解釋，采用廣義擬矩陣進(jìn)行一維空間的反饋，采用基于fdtd的二維反演，進(jìn)行時(shí)-頻密度的二維空間反饋；

q7：對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，產(chǎn)生視電阻率的深度剖面圖、視電阻率異常平面圖。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述q2步驟對(duì)三維數(shù)據(jù)采集，具體為：接收部分為磁通門傳感器時(shí)，進(jìn)行水平梯度和垂直梯度的磁信號(hào)采集；接收部分為感應(yīng)線圈時(shí)，可進(jìn)行水平梯度和垂直梯度的感性電動(dòng)勢(shì)采集。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在野外工作時(shí)就可以實(shí)時(shí)成像；在現(xiàn)場(chǎng)利用平板電腦等電子設(shè)備對(duì)采集的資料進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)時(shí)的反饋施工質(zhì)量信息，以便為后續(xù)室內(nèi)資料處理打下良好的基礎(chǔ)；相對(duì)于傳統(tǒng)的頻譜電磁法及直流電法，本發(fā)明實(shí)施例的穿透和分辨低阻覆蓋能力強(qiáng)，無(wú)高阻屏蔽現(xiàn)象，可以有效的對(duì)道路上的空洞或者松軟地層進(jìn)行勘探，進(jìn)行三分量的梯度采集，有效減少了來(lái)自外界的天電和人文電磁場(chǎng)的干擾，并且有效的消除了發(fā)射及接收線圈之間的電磁耦合效應(yīng)，有效提高了數(shù)據(jù)在橫向及縱向上的勘探分辨率；使用了高精度的磁通門傳感器直接測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)，在早期通道的響應(yīng)上效果更好，對(duì)于淺部勘探的效果提高有很大好處，且使設(shè)備的裝置變小，重量也更加輕便，更加適合于在城市及高速路上使用。

附圖說(shuō)明

圖1為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置的水平梯度采集信號(hào)時(shí)的采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置的垂直梯度采集信號(hào)時(shí)的采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置的發(fā)射部分和接收部分的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置的處理系統(tǒng)的步驟流程示意圖。

圖5為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置的處理系統(tǒng)的測(cè)量典型剖面的一段地質(zhì)解釋示意圖。

圖6為一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置的處理系統(tǒng)的測(cè)量典型剖面的另一段地質(zhì)解釋圖示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。

某某高速公路k1033+300～k1136+700段有多處屬高填路段。據(jù)養(yǎng)護(hù)單位反映，自2012年通車以來(lái)，該段路基多處出現(xiàn)沉降變形現(xiàn)象，多次采取補(bǔ)救措施，但至今變形仍未見(jiàn)明顯好轉(zhuǎn)。

請(qǐng)參閱圖1-4，為查明該段路基沉降影響范圍內(nèi)是否存在空洞，申請(qǐng)人利用本發(fā)明實(shí)施例1所提供的技術(shù)，對(duì)該段路基進(jìn)行了地球物理勘查。

如圖1，2所示，采集裝置的整體呈矩形體，中心設(shè)置有中心板1，中心板為矩形且水平放置，中心板上設(shè)有兩個(gè)三分量磁通門傳感器，且兩個(gè)傳感器的方向一致，兩個(gè)傳感器分別到多匝發(fā)射線圈2中部的距離相等，中心板的四個(gè)直角向外放射的設(shè)有四個(gè)延長(zhǎng)支架3，每個(gè)延長(zhǎng)支架3末端均設(shè)有一個(gè)垂直的無(wú)磁輔助支架31，輔助支架31外部纏繞有多匝發(fā)射線圈2。

如圖1所示，當(dāng)裝置應(yīng)用于水平梯度采集信息時(shí)，所述中心板1上水平放置兩個(gè)三分量磁通門傳感器41，且兩個(gè)三分量磁通門傳感器41的距離大于等于50cm，方向一致。如圖2所示，當(dāng)裝置應(yīng)用于垂直梯度采集信息時(shí)，所述中心板1的中心沿垂直方向設(shè)有兩個(gè)三分量磁通門傳感器42，且兩個(gè)三分量磁通門傳感器42的距離大于等于50cm，方向一致。

如圖3所示，發(fā)射部分和接收部分之間還通過(guò)穩(wěn)流源模塊相連，其中，發(fā)射部分為adc數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)有cpld、dsp、usb控制器、存儲(chǔ)ram和電源模塊；接收部分為信號(hào)處理模塊，其cpu分別與gps、顯示屏、fpga模塊相連，fpga模塊的接口分別連接至穩(wěn)流源模塊的驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)射部分的接口。

勘察區(qū)位于黃土丘陵區(qū)，溝梁相間。

路基填土以下巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土，硬塑～堅(jiān)硬，溝底分布有第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土。根據(jù)鉆孔資料，鉆探深度范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水，但雨季期間，地表水沿地面裂縫、沖坑等下滲，侵泡沖蝕路基，降低路基強(qiáng)度，影響路基穩(wěn)定。

完成情況

項(xiàng)目組共有技術(shù)人員4人，配有一輛越野車，本發(fā)明實(shí)施例所建一種應(yīng)用于道路災(zāi)害和塌陷檢測(cè)的三維電磁成像裝置一套。截至野外施工結(jié)束，共完成納米瞬變電磁法剖面108條，總長(zhǎng)度4680m，物理點(diǎn)2446個(gè)，測(cè)線完成情況見(jiàn)下表：勘探工作量統(tǒng)計(jì)表

測(cè)線命名原則：測(cè)線編號(hào)由6位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，前四位代表測(cè)線所在公里數(shù)；第五位代表百米數(shù)；第六位代表所在車道(1-6分別表示下行應(yīng)急車道、下行行車道、下行超車道、上行超車道、上行行車道、上行應(yīng)急車道)。如103335線代表的是k1033+300米處，上行行車道；104492線代表k1044+900米處，下行行車道。

主要技術(shù)指標(biāo)

本次工作的各項(xiàng)操作嚴(yán)格按下列規(guī)范和《某某高速公路k1033+300～k1136+700段路基病害物探勘查設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(dz/t0187-1997)

《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(jtgc20—2011)

方法選擇

根據(jù)前期地形地貌和地質(zhì)資料，結(jié)合溶(空)洞探查經(jīng)驗(yàn)，本次工作擬采用納米瞬變電磁勘探方法，即使用較高的工作頻率，本次使用8.33赫茲，取樣時(shí)間窗口分別為毫秒(ms)＝0.087,0.109,0.135,0.167,0.208,0.258,0.320,0.398,0.494,0.613,0.761,0.945,1.173,1.456,1.808,2.244,2.786,3.459,4.294,5.331,6.618,8.217,10.201,12.664,15.722,19.519。

本次綜合物探工作瞬變電磁法野外數(shù)據(jù)采集發(fā)射使用1m×1m的多匝方形發(fā)送回線、接收采用采用1m×1m線框，具體的測(cè)量參數(shù)根據(jù)前期普查工作情況確定。

資料處理總體流程

處理流程見(jiàn)圖4。為了確保施工質(zhì)量與工期進(jìn)度，我們可在現(xiàn)場(chǎng)利用微機(jī)對(duì)采集的資料進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)處理，或?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)傳回單位進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并及時(shí)反饋施工質(zhì)量信息，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)補(bǔ)救，以便為后續(xù)室內(nèi)資料處理打下良好的基礎(chǔ)。

1、數(shù)據(jù)預(yù)處理

tem的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，第一步，把不同時(shí)間和不同日期采集的同一測(cè)線數(shù)據(jù)匯集到一起編輯成單個(gè)文件。第二步，瀏覽數(shù)據(jù)和刪除掉錯(cuò)誤數(shù)據(jù)塊。

2、數(shù)據(jù)處理

第一步，將儀器記錄的和輸出原始raw數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成dat數(shù)據(jù)文件。第二步，將新生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，在處理過(guò)程需要進(jìn)行發(fā)射后延(延遲時(shí)間)改正。第三步，將濾波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)反演過(guò)程需要的文件，包括修正或植入各項(xiàng)裝置參數(shù)等。

資料解析方法

一、人工解釋與計(jì)算機(jī)解釋相結(jié)合

以人工解釋為基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)人機(jī)聯(lián)作解釋為工具，由粗到細(xì)逐步進(jìn)行。人工解釋通過(guò)對(duì)主干剖面的解釋，確定所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)層位，勾繪地層總體賦存形態(tài)以及構(gòu)造格局，為后期人機(jī)聯(lián)作精細(xì)解釋打下基礎(chǔ)；而人機(jī)操作交互解釋系統(tǒng)對(duì)于電法資料的解釋具有特殊的優(yōu)越性，是精細(xì)解釋必不可少的工具。它能充分地利用人機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行精細(xì)解釋，具有保持追蹤和彩顯功能，從而大大提高對(duì)各種地質(zhì)現(xiàn)象的分辨率。

數(shù)據(jù)反演和數(shù)據(jù)解析

a、數(shù)據(jù)反演使用sw-ictemdi多算法數(shù)據(jù)反演軟件包的多層解析程序進(jìn)行反演；

b、反演結(jié)果使用surfer或autocad繪制電阻率剖面；

c、根據(jù)電阻率異常特征，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)解析；

d、根據(jù)地質(zhì)解析圈定的采空區(qū)和富水程度勾繪采空區(qū)平面分布圖和采空區(qū)富水程度圖；

e、使用全區(qū)所有測(cè)線全部測(cè)點(diǎn)相同深度的電阻率值及其點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格繪制電阻率等值線平面圖。

二、垂直剖面與水平切面解釋相結(jié)合

視電阻率—深度剖面圖是基礎(chǔ)，視電阻率異常平面圖作為剖面圖的結(jié)果。兩者應(yīng)相互驗(yàn)證、相互一致。

三、電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合

在本發(fā)明實(shí)施例的電法資料解釋的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)中所獲取的鉆探、巷探揭露的各種地質(zhì)資料信息，采用多種方法(如數(shù)理統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)模擬等)進(jìn)行綜合、集成分析和處理，結(jié)合解釋成果，運(yùn)用地質(zhì)理論進(jìn)行綜合地質(zhì)分析，去粗取精，去偽存真，從中提取有用的地質(zhì)信息，并通過(guò)建立特定的數(shù)學(xué)地質(zhì)模型，反過(guò)來(lái)對(duì)瞬變電磁勘探成果進(jìn)行分析對(duì)比，進(jìn)一步細(xì)化資料解釋，得出符合地質(zhì)規(guī)律的電磁勘探結(jié)果，以提高成果的精度和可靠性。

測(cè)量典型剖面推斷解釋成果

如圖5所示，附圖5為k1045+700段地質(zhì)解釋圖，由圖可知，k1045+700路段，從測(cè)線起點(diǎn)到778點(diǎn)，電阻率普遍較低，推斷此處為松軟土層，松軟圖層向大號(hào)點(diǎn)有變薄現(xiàn)象。104575線的780點(diǎn)到783點(diǎn)-5米處、790點(diǎn)到794點(diǎn)-5米處出現(xiàn)局部圓形高阻，解釋為地下空洞引起。104576線的780點(diǎn)到785點(diǎn)-5米處、790點(diǎn)到794點(diǎn)-5米處出現(xiàn)局部圓形高阻，解釋為地下空洞引起。

如圖6所示，附圖6為k1081+100段地質(zhì)解釋圖，由圖可知，108112線除175點(diǎn)至195點(diǎn)槽形區(qū)域地表低阻較深外，其他地段表層低電阻深度一般在3米左右，推斷為松軟地層，在167點(diǎn)及199點(diǎn)出現(xiàn)高阻閉合異常，推斷為空洞引起。108113線在175點(diǎn)至190點(diǎn)出現(xiàn)槽形低阻區(qū)，深度-8米，推斷-8米以淺為松軟地層，其他地段淺部低阻厚度一般在-3米左右，推斷低阻為松軟地層。108113線在164點(diǎn)、170點(diǎn)及222點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯高阻異常，推斷為地下空洞引起。

結(jié)論

通過(guò)某某高速公路k1033+300～k1136+700段部分地段的路基進(jìn)行的電磁法勘探的實(shí)際結(jié)果說(shuō)明，本發(fā)明實(shí)施例在高速公路路基檢測(cè)中能起到較好的作用。它不僅可以獲得路基結(jié)構(gòu)、覆土厚度、土質(zhì)，也可提供土中大小不一的空洞存在的部位和基巖起伏等信息，為指導(dǎo)道路災(zāi)害治理提供依據(jù)。

上面對(duì)本專利的較佳實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本專利并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下做出各種變化。