一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统与方法与流程

1.本发明涉及隧洞探测及检测技术领域，具体为一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统与方法。


背景技术：

2.在隧洞施工、运维的全阶段，渗漏水问题是威胁工程安全、降低隧洞使用寿命的关键因素，因此查明隧洞上覆地层富水区的空间位置及含水体量以便及时制定养护维修策略，对保障隧洞运营安全至关重要。瞬变电磁法由于施工效率高、对低阻体敏感，在实际中发射接收同侧的反射装置应用较多。地面大定源瞬变电磁法具有探测深度大、分辨率高的特点，但在西南岩溶大石山区，地表起伏较大的峰丛洼地导致发射线圈形状不规则，后期成果难以解释，并且密集的植被覆盖物对物探人员的现场工作也极具挑战。隧洞小线圈瞬变电磁装置施工效率好高，操作简便，通常是隧洞超前探及仰拱探测的首选，但受限于接收和发射线圈的互感现象，导致探测结果存在一定的浅层盲区。文献《岩溶隧道勘察接地源半航空瞬变电磁三维响应规律研究》提及利半航空瞬变电磁探测方法将长导线发射源布设于地面，发射阶跃脉冲电流激发瞬变电磁信号，使用载重无人机在空中吊载接收线圈来接收瞬变电磁二次场信号的一种半航空瞬变电磁法，目前该方法正反演理论并不成熟，在实际中应用较少。
3.总之，现有瞬变电磁探测面相的装置类型还是发射与接收同侧的反射装置，在特定区域应用时存在一定弊端。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统包括隧洞信号发射系统、地空信号采集系统和数据成像解译系统；所述隧洞信号发射系统包括发射机、发射线圈、控制站；所述地空信号采集系统包括载重无人机、接收线圈、控制站；所述数据成像解译系统安装于控制站内。
6.优选的，所述发射机为可发射大电流的高功率发射机，内置时钟模块。
7.优选的，所述发射线圈为新型零磁通线圈，关断时间短，可承载大磁矩信号。
8.优选的，所述载重无人机内置接收机模块、gps模块和通用分组无线服务(gprs)模块，接收机模块内置时钟模块、采集记录器模。
9.优选的，所述接收线圈由优质铜线制成，可绕制多匝，外部由刚性塑料套管包裹，内部置有姿态测量装置。
10.一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测方法，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测的方法具体步骤流程如下：
11.步骤一、测网布置：
12.根据隧洞工程资料，获取隧洞在地面垂直投影的大地坐标，沿隧洞中轴线方向长度作为测网x方向长度，将中轴线在地面投影的最高点高程hm的两倍作为测网y方向长度，在测网范围内根据勘探要求精度布置发射点及数据采集点，发射测线布置于隧洞中轴线，按间距a依次布置s个发射点，按顺序编号为a1、a2……
as，原则上发射线框中心点距a≤50m；数据采集测线垂直于隧洞中轴线位于发射点地面投影正上方，并沿中轴线方向向两侧扩展n条测线，按顺序编号为l1、l2……
ln，原则上测线线距b≤25m；每条测线布置m个数据采集点，按顺序编号为p1、p2……
pm，原则上点距c≤25m；
13.步骤二、系统布置与数据采集：
14.将发射机与接收机通过时钟模块进行时间同步后，在隧洞中将发射线圈与发射机接口连接，发射一定频率的电磁波信号，将接收线圈悬吊于无人机下方，通过数据线与无人机内置接收机连接；具体数据采集顺序如下：
15.①
针对发射点a1，通过控制站控制载重无人机按录入a1发射点的待测区域l
1-ln测线上所有测点大地坐标m(l,b,h)，按顺序飞行至每个测点正上方一定高度进行数据采集，每个测点数据采集需待接收线圈水平稳定后，接收机接收电磁场信号εz′
，同步记录gps高程和时间以及姿态测量装置的偏航角α和俯仰角β，并通过gprs实时传送至控制站存储；以上过程完成了1个发射点所对应的全部采集点的电磁波数据；
16.②
移动发射点至a2，按
①
数据采集方式采集a2所对应观测区域所有测点的电磁波数据；以此类推，依次采集所有测点的瞬变电磁二次场数据；
17.步骤三、数据处理与成像：
18.通过地形图拾取的测点在地面投影高程及gps定位系统测得载重无人机的高程，获得载重无人机离地距离，进而求取所有测点到接收线圈中心的距离，以确定收发距，消除地形起伏影响，再根据接收线圈姿态信息，对采集数据进行姿态矫正，其矫正公式为：
19.hz＝hz′
/cosαcosβ
20.将姿态矫正后的数据hz，利用数据成像解译系统进行运动噪声去除、数据叠加、数据抽道、以及剖面数据平滑等处理后，通过专业软件转化成视电阻率数据，获取不同层位的视电阻率图像，并分析电磁波响应特征。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明基于现有地面和隧洞瞬变电磁法探测能力的不足，针对我国西南部岩溶山区，提出一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统与方法，旨在降低成本、提升物探工作的效率、提高探测结果的准确性，满足隧洞稳定、安全运行的需求；
23.1)本发明相比于传统瞬变电磁装置，施工效率更高，操作更加简易；
24.2)本发明采用隧洞发射地空接收的“透射”工作模式，针对隧洞上覆岩层形成了电磁场透视观测方式，数据解析成像结果较现有瞬变电磁探测在纵向上有更高的分辨率，尤其是对电性异常区深度的判定更准确；
25.3)本发明中实际探测区域远大于隧洞施工影响区域，可为隧洞施工维护的全阶段提供更全面、丰富的瞬变电磁数据，满足安全生产的需求；
26.4)本发明中利用载重无人机实现了高效、便捷、易操作的地面数据采集工作，具有高密度、全面性的特点，可适应沙漠、沼泽、高海拔山区等工作难以展开的地质地形复杂地
区，增强了采集数据的质量，提高了物探工作的效率。
附图说明
27.图1为本发明观测方法立体示意图；
28.图2为本发明测线、测点平面投影示意图；
29.图3-6为本发明模拟正常模型xz切面瞬变电磁场快照图；
30.图7-11为本发明模拟近区含水模型xz切面瞬变电磁场快照图；
31.图12-16为本发明模拟远区含水模型xz切面瞬变电磁场快照图；
32.图17-18为本发明模拟局部富水模型的瞬变场响应特征曲线图。
33.图中：1测线、2测点、3隧洞、4发射机、5发射线圈、6富水区、7岩层、8接收线圈、9接收机、10载重无人机、11控制站。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.实施例：
37.本发明利用数值模拟技术对瞬变电磁场响应特征研究，针对正常地电模型及不同含水地电条件下的异常模型进行数值模拟，获取小线圈发射源的电磁场分布特征及感应电动势响应规律，同时分析本发明对复杂地电模型中富水异常体的探测能力及空间分辨能力。
38.请参阅图1-18，本发明提供一种技术方案：
39.一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统包括隧洞信号发射系统、地空信号采集系统和数据成像解译系统；所述隧洞信号发射系统包括发射机4、发射线圈5、控制站11；所述地空信号采集系统包括载重无人机10、接收线圈8、控制站11；所述数据成像解译系统安装于控制站11内。
40.所述发射机4为可发射大电流的高功率发射机，内置时钟模块。
41.所述发射线圈5为新型零磁通线圈，关断时间短，可承载大磁矩信号。
42.所述载重无人机10内置接收机模块、gps模块和通用分组无线服务(gprs)模块，接收机模块内置时钟模块、采集记录器模。
43.所述接收线圈8由优质铜线制成，可绕制多匝，外部由刚性塑料套管包裹，内部置有姿态测量装置。
44.一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测方法，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测的方法具体步骤流程如下：
45.步骤一、测网布置：
46.根据隧洞3工程资料，获取隧洞3在地面垂直投影的大地坐标，沿隧洞3中轴线方向长度作为测网x方向长度，将中轴线在地面投影的最高点高程hm的两倍作为测网y方向长度，在测网范围内根据勘探要求精度布置发射点及数据采集点，发射测线1布置于隧洞3中轴线，按间距a依次布置s个发射点，按顺序编号为a1、a2……
as，原则上发射线框中心点距a≤50m；数据采集测线1垂直于隧洞3中轴线位于发射点地面投影正上方，并沿中轴线方向向两侧扩展n条测线1，按顺序编号为l1、l2……
ln，原则上测线1线距b≤25m；每条测线1布置m个数据采集点，按顺序编号为p1、p2……
pm，原则上点距c≤25m；
47.步骤二、系统布置与数据采集：
48.将发射机4与接收机9通过时钟模块进行时间同步后，在隧洞3中将发射线圈5与发射机4接口连接，发射一定频率的电磁波信号，将接收线圈8悬吊于无人机下方，通过数据线与无人机内置接收机9连接；具体数据采集顺序如下：
49.①
针对发射点a1，通过控制站11控制载重无人机10按录入a1发射点的待测区域l
1-ln测线1上所有测点2大地坐标m(l,b,h)，按顺序飞行至每个测点2正上方一定高度进行数据采集，每个测点2数据采集需待接收线圈8水平稳定后，接收机9接收电磁场信号εz′
，同步记录gps高程和时间以及姿态测量装置的偏航角α和俯仰角β，并通过gprs实时传送至控制站11存储；以上过程完成了1个发射点所对应的全部采集点的电磁波数据；
50.②
移动发射点至a2，按
①
数据采集方式采集a2所对应观测区域所有测点2的电磁波数据；以此类推，依次采集所有测点2的瞬变电磁二次场数据；
51.步骤三、数据处理与成像：
52.通过地形图拾取的测点2在地面投影高程及gps定位系统测得载重无人机10的高程，获得载重无人机10离地距离，进而求取所有测点2到接收线圈8中心的距离，以确定收发距，消除地形起伏影响，再根据接收线圈8姿态信息，对采集数据进行姿态矫正，其矫正公式为：
53.hz＝hz′
/cosαcosβ
54.将姿态矫正后的数据hz，利用数据成像解译系统进行运动噪声去除、数据叠加、数据抽道、以及剖面数据平滑等处理后，通过专业软件转化成视电阻率数据，获取不同层位的视电阻率图像，并分析电磁波响应特征。
55.瞬变电磁场特征分析
56.针对图1地球物理模型利用comsol有限元分析软件进行本发明装置数值模拟分析，回线源激励电流为阶跃方波，无关断时间，发射电流为10a，选取a1点发射源做特征分析。采样时间为1
×
10-6
s-1
×
10-1
s，时间步长为0.05进行指数等分；
57.图3-6为xz方向不同时间节点瞬变电磁场快照图，在电磁场扩散到地面前(如图a、b、c)，感应电动势随发射回线所在平面对称分布，随着时间推移，电磁场传播至地表，由于空气为绝缘介质，不产生感应电流，因此电磁场在地表处开始向外扩散衰减，而回线下方电磁场继续向下传播扩散，在整体上表现为电磁场能量上低下高的半环带状特征，且随着观测时间的延时，不对称特征更加明显，层状特征开始凸显。
58.进一步构建近区与远区两个含水异常模型，两个模型分别提取10μs、100μs、1ms、10ms、50ms时间节点x＝1000m时yz竖直切面瞬变电磁数据，绘制如下图7-11和如图12-16。
从图中可见，在10μs时刻，空间中感应电动势的分布范围小，仅限于发射源周围，此时，瞬变场位于早延时范围，幅值高，富水体对电磁场的扰动较小。当扩散至100μs时刻时，如果定义图中感应电动势的正值代表瞬变场的正方向能量，负值代表反方向能量，则可以看出，在富水体内部两侧出现正方向能量聚集，而在富水体内部，感应电动势幅值小，能量小于模型边界处，表明含水体模型开始逐渐吸引瞬变场的能量，富水体内部瞬变场正反方向能量共存；随着延迟时间继续推移至1ms时，明显可见，瞬变场的能量主要聚集在富水体的内部，而此时富水体则成为一个“新瞬变场源”；随着时间的进一步推进，在图10ms时刻，“新瞬变场源”则近似以点状形式向模型外围辐射能量，向模型内部收敛，逐渐减小能量聚集区域，电磁场整体继续扩散衰减，呈现环带状分布；当延迟时间来到50ms时，富水体内部基本已无瞬变电磁场能量，电磁场呈层状特征分布更加明显，与背景模型的电磁场分布特征已无明显差异。
59.图17-18为两个模型对应的地面中心点感应电动势式曲线和异常响应幅值曲线，由图a可见，异常模型与背景模型感应电动势衰减曲线在不同时刻相交，近区富水时，曲线在169.5μs时相交，远区富水时，曲线在177.8μs时相交，在曲线相交前，背景模型感应电动势均高于异常富水模型，在异常响应曲线上显示为此时刻前异常系数η(emf)《0；两个含水模型感应电动势异常响应系数η(emf)曲线均明显存在一个极大值，所对应的时间及幅值依次为：近区富水时异常幅值为46.8％，对应延迟时间为0.79ms，远区富水时异常幅值为19.8％，对应延迟时间为0.63ms，二者在幅值及延迟时间上均存在差异，由此说明利用本发明装置对于上覆不同地层局部富水区6有较好的分辨能力，可用于研究地层富水性探测。
60.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，其特征在于，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统包括隧洞信号发射系统、地空信号采集系统和数据成像解译系统；所述隧洞信号发射系统包括发射机(4)、发射线圈(5)、控制站(11)；所述地空信号采集系统包括载重无人机(10)、接收线圈(8)、控制站(11)；所述数据成像解译系统安装于控制站(11)内。2.根据权利要求1所述的一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，其特征在于：所述发射机(4)为可发射大电流的高功率发射机，内置时钟模块。3.根据权利要求1所述的一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，其特征在于：所述发射线圈(5)为新型零磁通线圈，关断时间短，可承载大磁矩信号。4.根据权利要求1所述的一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，其特征在于：所述载重无人机(10)内置接收机模块、gps模块和通用分组无线服务(gprs)模块，接收机模块内置时钟模块、采集记录器模。5.根据权利要求1所述的一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统，其特征在于：所述接收线圈(8)由优质铜线制成，可绕制多匝，外部由刚性塑料套管包裹，内部置有姿态测量装置。6.一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测方法，其特征在于，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测的方法具体步骤流程如下：步骤一、测网布置：根据隧洞(3)工程资料，获取隧洞(3)在地面垂直投影的大地坐标，沿隧洞(3)中轴线方向长度作为测网x方向长度，将中轴线在地面投影的最高点高程h
m
的两倍作为测网y方向长度，在测网范围内根据勘探要求精度布置发射点及数据采集点，发射测线(1)布置于隧洞(3)中轴线，按间距a依次布置s个发射点，按顺序编号为a1、a2……
as，原则上发射线框中心点距a≤50m；数据采集测线(1)垂直于隧洞(3)中轴线位于发射点地面投影正上方，并沿中轴线方向向两侧扩展n条测线(1)，按顺序编号为l1、l2……
l
n
，原则上测线(1)线距b≤25m；每条测线(1)布置m个数据采集点，按顺序编号为p1、p2……
p
m
，原则上点距c≤25m；步骤二、系统布置与数据采集：将发射机(4)与接收机(9)通过时钟模块进行时间同步后，在隧洞(3)中将发射线圈(5)与发射机(4)接口连接，发射一定频率的电磁波信号，将接收线圈(8)悬吊于无人机下方，通过数据线与无人机内置接收机(9)连接；具体数据采集顺序如下：
①
针对发射点a1，通过控制站(11)控制载重无人机(10)按录入a1发射点的待测区域l
1-l
n
测线(1)上所有测点(2)大地坐标m(l,b,h)，按顺序飞行至每个测点(2)正上方一定高度进行数据采集，每个测点(2)数据采集需待接收线圈(8)水平稳定后，接收机(9)接收电磁场信号ε
z
′
，同步记录gps高程和时间以及姿态测量装置的偏航角α和俯仰角β，并通过gprs实时传送至控制站(11)存储；以上过程完成了1个发射点所对应的全部采集点的电磁波数据；
②
移动发射点至a2，按
①
数据采集方式采集a2所对应观测区域所有测点(2)的电磁波数据；以此类推，依次采集所有测点(2)的瞬变电磁二次场数据；步骤三、数据处理与成像：通过地形图拾取的测点(2)在地面投影高程及gps定位系统测得载重无人机(10)的高程，获得载重无人机(10)离地距离，进而求取所有测点(2)到接收线圈(8)中心的距离，以确定收发距，消除地形起伏影响，再根据接收线圈(8)姿态信息，对采集数据进行姿态矫正，其
矫正公式为：将姿态矫正后的数据h
z
，利用数据成像解译系统进行运动噪声去除、数据叠加、数据抽道、以及剖面数据平滑等处理后，通过专业软件转化成视电阻率数据，获取不同层位的视电阻率图像，并分析电磁波响应特征。

技术总结
本发明属于隧洞探测及检测技术领域，具体为一种隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统与方法，该隧洞发射空中接收的瞬变电磁探测系统包括隧洞信号发射系统、地空信号采集系统和数据成像解译系统，传统瞬变电磁装置，施工效率更高，操作更加简易，对电性异常区深度的判定更准确，可为隧洞施工维护的全阶段提供更全面、丰富的瞬变电磁数据，满足安全生产的需求，实现了高效、便捷、易操作的地面数据采集工作，具有高密度、全面性的特点，可适应沙漠、沼泽、高海拔山区等工作难以展开的地质地形复杂地区，增强了采集数据的质量，提高了物探工作的效率。效率。效率。


技术研发人员：徐虎 仇健 江晓益 胡晓明 熊志福 谭磊 江树海 梁东辉 刘福达 俞炯奇
受保护的技术使用者：浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院）
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/19