適用于復雜地形條件下的高密度地電阻率測量系統及方法與流程

本發明涉及一種適用于復雜地形條件下的高密度地電阻率測量系統及方法。

背景技術：

大地電阻率的測量被廣泛用于尋找地下水源，解決人畜用水及工農業用水問題；用于水文工程，環境的地質勘探及高分辨電阻率法工程地質勘探；用于金屬與非金屬礦產資源勘探，能源勘探，城市物探，鐵道及橋梁工程勘探，并用于找地熱，確定水庫壩基和防洪大堤隱患位置。

目前，現有的高密度地電阻率測量儀基本是多功能直流電法儀配合多路電極轉換器的方式。每根電極既做供電電極又做測量電極，供電后極化長時間不穩定，很難達到快速高精度檢測；此外，測量場地周圍存在空間電磁干擾時會影響測量數據甚至是采集到錯誤數據，對后期數據反演時帶來反演誤差，甚至是得到錯誤結果；除此之外，現在的地電阻率測量儀器在考慮溫度、濕度測量影響方面，要么是非高密度儀器具有溫度、濕度測量功能，在高密度類型的地電阻率測量儀器中往往未考慮溫度、濕度對地電阻率的影響。對此，特別是針對復雜地形而言，這兩個環境參數是影響地電阻率的重要影響因素，因此急需一種針對復雜地形條件的地電阻率測量儀器。

技術實現要素：

本發明為了解決現有的高密度地電阻率測量儀不能適應復雜地質條件下的低電阻率測量的問題，提出了一種適用于復雜地形條件下的高密度地電阻率測量系統及方法，本發明抗電磁干擾能力強，測量快速、靈敏度高。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種適用于復雜地形條件下的高密度地電阻率測量系統，包括主控單元、電極轉換單元和全橋電路，所述主控單元通過電極轉換單元控制多個電極模塊的高壓供電與測量狀態，全橋電路產生交流信號，并通過激發電極模塊注入電流到大地；

所述主控單元通過電極轉換單元控制電極模塊的排列方式、極距和測點掃描，對電極模塊采集的電流、電壓、溫度、濕度和經緯度信號進行圓滑處理，構建反演圖，得到復雜地形條件的地址情況。

所述主控單元，包括控制模塊、通信模塊和數據采集模塊，所述控制模塊通過通信模塊與電極轉換單元連接并通信，發送電極模塊的控制命令，所處數據采集模塊包括兩條模數轉換通道，分別采集電壓與電流數據。

所述電極轉換單元，包括解碼模塊、串轉并模塊、驅動模塊、繼電器陣列和電纜接口，繼電器陣列由多個單刀雙擲開關繼電器組成，每4個繼電器為一組，控制一個電極模塊，電纜接口為具有多個插孔的航空插座，每一個插孔通過導線連接到繼電器陣列的一組繼電器；解碼模塊接收控制模塊發送的信號，將其解碼后，利用SPI總線將解碼后數據發送給串轉并模塊，串轉并模塊對數據進行轉化輸出，輸出信號送入驅動模塊以驅動繼電器陣列中的繼電器打開與關閉，選擇各個電極模塊的接通與斷開。

所述電極模塊，包含不銹鋼電極、溫濕度測量模塊和GPS模塊，不銹鋼電極直接與大地接觸，用于向大地注入電流和測量兩個電極之間的電壓，溫濕度模塊用于測量當前狀態的環境溫度與濕度，GPS模塊用于記錄測量電極的經緯度。

每一次測量過程有4個電極模塊處于工作狀態，其中兩個電極模塊向大地注入電流，兩個電極模塊測量兩點之間的電位差。

所述主控單元通過電纜與各個電極模塊連接，所述電纜為內含多根導線的電纜和多個針頭的航空插頭；

所述電纜的導線數量與繼電器數量一致，針頭數量與插孔數量一致。

基于上述系統的工作方法，包括以下步驟：

(1)根據初始測量值計算接地電阻和偏置電壓的值，并根據信號大小選擇放大倍數與偏置電壓；

(2)采集數據，對信號過沖和隨機噪聲干擾進行抑制和剔除，提取有效信號，轉換成相應的二維數據反演格式；

(3)加入地形及不均勻體數據，加入現場溫濕度數據修正，利用二維數據反演軟件進行二維數據反演，使用最小二乘法等迭代方法計算，直到滿足設定值誤差停止；

(4)對反演圖結合地質情況進行分析，分析各種地質情況。

所述步驟(1)中，電極模塊按照等間距間隔插入大地，通過電纜連接主控單元和電極模塊。

所述步驟(1)中，第一次測量分兩步進行，第一步測量接地電阻，第二步測量偏置電壓；在第一步測量完成后，根據電壓的值大小選擇放大倍數，接地電阻值的計算是通過計算測量兩點之間的電位差的電極模塊的供電電壓和供電電流的關系得到，第二步測量完后，根據測得電壓的最大值和最小值計算得出信號的偏置電壓。

所述步驟(2)中，進行數字平均累加和信號過沖剔除的數據處理。

所述步驟(3)中地形數據，通過室內試驗，模擬計算近地表局部電性不均體對視電阻率影響規律，并進行導電紙試驗，在對數據進行仔細對比分析后，發現采用溫納裝置和偶極裝置在不同地形條件下可能出現相差較大的數值，而溫納裝置和斯倫貝爾裝置所測得的數據趨勢則相同。在精度方面，該發明高密度測量系統溫納裝置的精度最高，且非常穩定，其次是斯倫貝爾裝置，偶極裝置的精度較差并且不穩定。故在野外復雜地電條件的測量中，建議使用溫納裝置進行測量。

所述步驟(3)中溫濕度數據，通過儀器自帶的溫濕度探頭測量，針對溫濕度數據的反演也進行了室內實驗以及野外試驗。

溫度變化對土壤電阻率的影響研究：由于電阻率的影響因素存在耦合效應，整體研究相對困難，所以，儀器先選擇溫度這一單一影響因素來觀察其對電阻率的影響，通過理論分析與實驗室物理模擬，研究溫度變化對土壤電阻率的影響規律。使用控制變量法對溫度影響因素進行物理模擬試驗。針對溫度影響因素的特點，選擇適當含水率的不同土壤進行試驗，改變試驗土壤的溫度，測量出對應的電阻率隨溫度的變化曲線，并對曲線加以分析、擬合，得到電阻率受溫度的影響規律從而將其應用到實際之中。

濕度變化對土壤電阻率的影響研究：濕度對土壤電阻率的影響研究也是利用控制變量法，保持其他因素不變，僅僅改變土壤的濕度并對其電阻率進行測量。選擇適當的方法對測量結果進行擬合，分析濕度變化對土壤電阻率的影響規律。

所述步驟(3)中地形及局部不均勻體對視電阻率的影響研究：地形及不均勻體對視電阻率的影響研究采用的是二維導電紙模擬試驗。將導電紙裁剪成不同的地形形狀或者在水平地下制作不均勻體，并使用成熟商業儀器進行數據的采集工作，得到不同測量裝置對應的高密度剖面，對視電阻率剖面等值線圖進行分析研究，得到地形和不均勻體對視電阻率的影響規律。

所述步驟(3)中二維數據反演軟件進行二維數據反演，包括直流電法和低頻交流電法二維正反演軟件設計的原理推導、算法研究、程序設計和模型實驗，并對程序的運算能力和程序的計算精度作了檢測和評價。通過正演研究，求得地面或地下的電位分布，由于地電條件的復雜性，一般場論中的經典方法難于求得這些問題的解，除了地電條件比較規則簡單的少數問題以外，大量的實際電法探測問題目前尚未得出準確的解析解。因此，該發明從電場滿足的微分方程出發，用近似方法求其數值解。在電阻率正演計算中，實際的地質構造都是三維的，電流在地下流動的規律也是三維的，三維正演模擬更能反映復雜地質構造的視電阻率分布特征，但需要消耗大量的計算資源。當假設地質體有一個維度是無限延伸的，將具有一定走向的三維穩定電流場轉化為2.5D問題，在走向上進行傅里葉變換，使得原來的空間域(x,y,z)問題轉化為波數域(kx,y,z)問題，三維問題就可以轉化為二維問題求解，計算速度將大幅度提高。本發明反演過程中，要求解的問題通常是病態的，正則化參數的應用能有效改善方程組的病態問題。為提高反演質量，確定比較合理的模型，如何選取合適的正則化因子往往是地球物理反演工作研究的重要內容。利用正則化方法是減少反演的多解性和提高反演過程的穩定性最為有效的手段，正則化因子值的選取直接影響反演結果的精度和反演過程的穩定性。

本發明的有益效果為：

(1)本發明利用低頻交流供電技術，針對具體的復雜環境選擇不同的激勵信號頻點，對當前地電阻率進行測量，為在強空間電磁干擾的環境下進行測量提供了一種新型的有效方法。

(2)本發明能根據需要選擇不同測量方法，確保測量數據的有效性和可靠性；電極轉換裝置可根據需要設置多個頻點，根據工作需要進行靈活選用，實現電阻率和交流激電功能；

(3)本發明適用于復雜地質條件下地電阻率測量：利用GPS可測量出每一個電極的經緯度和高度，并將各電極的相對高度信息融入的反演算法中，可進行復雜地形地電阻率測量反演；

(4)本發明適用于復雜地質條件下地電阻率測量：利用溫濕度數據得到經驗公式加入正反演算法中，修正原始數據，并可以根據不同條件反演推斷相應的電阻率；

(5)本發明抗干擾能力強：利用H橋產生交流電流注入大地，通過兩點大地之間的交流電壓信號，利用交流電阻率測量方法計算視電阻率，比直流測量方法具有更強的干擾能力；

(6)本發明精度高：地電阻率的大小與溫度、濕度均有較大關系，可記錄每一個電極所處位置的環境溫度、濕度情況，將這兩個參數融入到反演方法中，可得到更為準確的反演結果；除此之外，儀器中利用24位模數轉換器進行數據采集，在無干擾條件下測量精度可達到10uV；

(7)本發明具有結構簡單、成本低、功耗低等特點，可長時間進行野外工作，同時可靠性好，不受降雨、大霧等天氣因素的影響，易于維護。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明的主控采集模塊示意圖；

圖3為本發明的電極控制模塊示意圖；

圖4為有限單元法正演程序流程圖；

圖5阻尼型高斯-牛頓法反演流程。

其中，1、主控模塊，2、電極控制模塊，3、全橋模塊，4、電極模塊，5、電纜，6、控制器模塊，7、RS422通信模塊，8、數據采集模塊,9、解碼模塊，10、串轉并模塊,11、驅動模塊,12、繼電器陣列,13、電纜接口。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，一種用于復雜地質條件下低電阻率測量的高密度電阻率測量儀，包括主控模塊1、電極控制模塊2、全橋模塊3、電極模塊4、電纜5五部分組成，主控模塊為核心，控制其它模塊協調工作。

所述主控模塊1，由控制器模塊6、RS422通信模塊7、數據采集模塊8組成，控制器模塊6采用STM32單片機為主控單片機，控制器模塊6通過RS422通信模塊7與電極控制模塊2連接并通信，用于將電極控制命令發送到電極控制模塊2，數據采集模塊8是由24位模數轉換芯片AD7710設計的兩路模數轉換器通道，分別用于電壓、電流采集，控制器模塊6通過SPI接口控制數據采集模塊8進行數據采集。

所述電極控制模塊2，由解碼模塊9、串轉并模塊10、驅動模塊11、繼電器陣列12和電纜接口13構成，串轉并模塊10由16片74HC595芯片串聯而成，驅動模塊11由16片ULN2803構成，繼電器陣列12由128個單刀雙擲開關繼電器組成，每4個繼電器控制電極模塊4中的1個電極，電纜接口13由1個32插孔的航空插座組成，每一個插孔用1根導線連接到繼電器陣列12中的4個繼電器；解碼模塊9接收主控模塊1發送的信號，將其解碼后，利用SPI總線將解碼后數據發送給串轉并模塊10；串轉并模塊10可將16字節數據轉換成128位二進制數據輸出，該輸出信號送入驅動模塊11后，用于驅動繼電器陣列12中的繼電器打開與關閉，達到選擇電極模塊4中32個電極的接通與斷開的目的。

所述全橋模塊3，由2片IR4184芯片和4片NMOS管構成H橋，用于產生交流信號，并通過電極注入電流到大地。

所述電極模塊4，一共有32個電極，每個電極包含不銹鋼電極、溫濕度測量模塊、GPS模塊，不銹鋼電極直接與大地接觸，用于向大地注入電流和測量兩個電極之間的電壓，溫濕度模塊用于測量當前狀態的環境溫度與濕度，GPS模塊用于記錄測量電極的經緯度；每一次測量過程有4個電極處于工作狀態，其中兩個用于向大地注入電流，兩個用于測量兩點之間的電位差。

所述電纜5，由一根內含32根導線的電纜和32針的航空插頭組成，電纜每隔10米引出1根導線，用于連接電極模塊4中的電極。

本發明所提供的適用于復雜地質條件下低電阻率測量的高密度電阻率測量儀測量方法是：

1、將電極模塊4中的32個電極按照等間距間隔插入大地，

2、將每個電極于電纜5中的32個抽頭連接，

3、將電纜5中的航空插頭接入電極控制模塊2中的電纜接口13，

4、利用8芯電纜連接將主控模塊1中的RS422通信模塊7和電極控制模塊2中的解碼模塊9連接；

5、在主控模塊中設置好儀器工作方式，則儀器可按照預先設定的方式進行工作。

首先根據實際情況要求在上層軟件對系統進行初始化設置，如：采集參數選擇、串口傳輸數據參數設置、算法設置等。

其次，進行第一次測量。根據此次測量值計算接地電阻和偏置電壓的值，并根據信號大小選擇放大倍數。接地電阻的值的計算主要是通過計算電極M、N的供電電壓和供給電極M、N的供電電流的關系得到。然后可以根據測得信號的最大值和最小值計算得出信號的偏置電壓。由上層軟件控制單片機將計算得到的偏置電壓加到最前端的儀用放大器上以完成校準過程。

在做完以上工作以后，可以開始正常測量。將測得的數據通過串口傳到上層軟件上進行數據處理和數據存儲。在實際測量過程中，待測信號常常會受到工頻干擾、信號過沖和隨機噪聲干擾的影響，導致測量信號無法正常提取，因此對以上干擾的處理就顯得十分必要。工頻干擾在前端調理電路中已經得到了抑制，所以就需要在上層軟件處理中對信號過沖和隨機噪聲干擾進行抑制和剔除。根據實際情況要求，數據處理模塊分為數字平均累加和信號過沖剔除兩部分。

將儀器采集的數據通過電法處理軟件對數據進行圓滑處理，再轉換成相應的二維數據反演格式，并加入地形數據，利用二維數據反演軟件進行二維數據反演，使用最小二乘法的迭代方法，記錄多次迭代的誤差，誤差在小于10％的時候為滿足要求。最后對反演圖結合地質情況進行分析，分析出各種地質情況。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。