城市地下空間探測多參數(shù)并行高密度電法系統(tǒng)研制

丁衛(wèi)忠,孫夫文,李建華,鄭采君,林品榮,齊方帥

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000; 2.自然資源部 地球物理電磁法探測技術(shù)重點實驗室，河北 廊坊 065000)

0 引言

城市地下空間探測主要包括地表到地下200 m之間的空間探測，高密度電法是城市地下空間探測中常用的一種探測方法[1]。常規(guī)高密度電法系統(tǒng)由于發(fā)射功率較小，有效探測深度一般不超過100 m，為有效服務(wù)于城市地下空間探測工作，高密度電法儀器需要做以下改進[2-3]：

1)適當(dāng)提高系統(tǒng)發(fā)射功率，改善系統(tǒng)信噪比、增大勘探深度。電法系統(tǒng)增大勘探深度有兩種途徑：增加發(fā)射功率和提高接收靈敏度。電法儀器發(fā)展到今天，接收靈敏度的提高已接近極限，因此提高系統(tǒng)發(fā)射功率是增加勘探深度的可靠途徑。同時，如果發(fā)射功率增加過大，會造成系統(tǒng)笨重不適合工程探測應(yīng)用。因此提出適當(dāng)增加發(fā)射功率，以增加勘探深度，提高系統(tǒng)信噪比。

2)采用多道并行同步測量和多次覆蓋疊加技術(shù)，提高測量速度和系統(tǒng)抗干擾能力。常規(guī)高密度電法系統(tǒng)一次供電只能完成一個測點的測量，測量速度慢。同時在整個觀測過程中，被測模擬信號需要通過長線傳回主機測量，在模擬信號傳輸過程中，極易受到干擾而影響測量精度和可靠性。因此常規(guī)高密度電法系統(tǒng)的抗干擾能力有限。

若采用類似地震的觀測技術(shù)實現(xiàn)一次供電所有測道并行同步測量，能有效提高測量速度。同時，接收信號由測站盒子實現(xiàn)模擬信號的本地數(shù)字化，省去模擬信號長線傳輸回主機的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的抗干擾能力自然得到提高。

3)開發(fā)多參數(shù)測量功能，一次供電獲取多種測量參數(shù)。城市地下地質(zhì)情況相對復(fù)雜，既有各種金屬管線、非金屬管線、地鐵網(wǎng)、地下河流、建筑生活垃圾填埋場等人為形成的不均勻體，也有含水層、破碎帶、斷裂帶等自然形成的不均勻體，單一電阻率測量參數(shù)，不足以準(zhǔn)確區(qū)分各種目標(biāo)體的類型。采用多方法、多參數(shù)的綜合探測、相互約束，可提高對不同類型目標(biāo)體的識別和分辨能力。因此，需要實現(xiàn)在一次供電測量中獲得各測點的電阻率、極化率、相位、頻散率等多種電法測量參數(shù)，從多個側(cè)面刻畫地下目標(biāo)體，提高系統(tǒng)辨識能力。

4)提高系統(tǒng)輸入阻抗，緩解城市測量的接地問題。城市電法工作的接地問題由來已久，是最難解決的技術(shù)問題之一。接地問題包括供電接地和測量接地。供電接地需要通過增加接地電極的數(shù)量來克服。對于測量接地，接地電阻對測量的影響會隨著系統(tǒng)輸入阻抗提高而減小，因此提高系統(tǒng)輸入阻抗是解決測量接地問題的有效途徑。

5)提高系統(tǒng)集成度，減小系統(tǒng)體積和重量。物探設(shè)備的重量一直是限制物探設(shè)備應(yīng)用的重要因素。降低儀器設(shè)備重量有利于儀器的布設(shè)、搬運，從而提高物探工作效率。因此需要采用先進的大規(guī)模集成電路設(shè)計來簡化電路，達到減小系統(tǒng)體積的目的。同時，隨著系統(tǒng)集成度的提高，儀器設(shè)備的可靠性也會得到相應(yīng)的提高。

基于現(xiàn)有高密度電法儀存在的以上問題，研發(fā)了一種適用于城市地下空間探測領(lǐng)域應(yīng)用的多參數(shù)并行高密度電法系統(tǒng)，提高發(fā)射機功率至10 kW，實現(xiàn)了接收機多道并行測量和多參數(shù)同時測量等功能，場地試驗結(jié)果與已有地質(zhì)資料吻合良好。

1 高密度電法儀現(xiàn)狀

高密度電法是在常規(guī)電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電法勘探手段，近年來該方法先后在重大工程規(guī)劃場地的工程地質(zhì)調(diào)查、壩基及橋墩選址、采空區(qū)及地裂縫探測等眾多工程勘察領(lǐng)域取得了明顯的地質(zhì)效果和顯著的社會經(jīng)濟效益[4-9]。

高密度電法儀器實質(zhì)上是一個多電極電法測量系統(tǒng), 一般由普通的電測儀加上自動或人工電極轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成。按電測儀與電極連接方式的不同，高密度電阻率儀又可分為集中式電極轉(zhuǎn)換方式和分布式電極轉(zhuǎn)換方式[10-11]。

1)集中式儀器，其結(jié)構(gòu)為每個電極都分別通過一條可以發(fā)射、接收分時復(fù)用的導(dǎo)線與集中式電極轉(zhuǎn)換盒連接，電極轉(zhuǎn)換盒的輸出與電測儀相連，集中式高密度電法儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 集中式高密度電法儀結(jié)構(gòu)示意

這類儀器具有以下特征：

① 由于供電線與接收線分時復(fù)用，且連線數(shù)與電極數(shù)相等，電極線線徑不可能太大，因此供電電流不會太大，一般為1～2 A；

② 可以實現(xiàn)一次供電多道接收，但接收道數(shù)取決于電測儀與電極轉(zhuǎn)換開關(guān)連線數(shù)量和電測儀本身的測量通道數(shù)；

③ 測量的信號以模擬信號形式通過長線傳輸?shù)诫姕y儀輸入端，傳輸距離遠，造成抗干擾能力差。

2)分布式儀器，其結(jié)構(gòu)為所有電極都通過一條多芯電纜(一般為6～8芯，供電線2芯、接收線2芯、電源線2芯、控制線2芯，其中電源和控制線可復(fù)用)與系統(tǒng)主機連接，分布式高密度電法儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 分布式高密度電法儀結(jié)構(gòu)示意

這類儀器具有以下特征：

① 供電線與接收線長距離緊密平行鋪設(shè)，極易引起供電信號直接耦合到接收通道中引入干擾；

② 每次測量，只能有一對電極供電，另一對電極接收，不能實現(xiàn)多道同時測量；

③ 測量信號仍以模擬信號形式通過長線傳輸?shù)诫姕y儀輸入端，抗干擾能力差。

綜上所述，無論是采用集中式結(jié)構(gòu)還是分布式結(jié)構(gòu)，它們都有共同的缺點：供電電流較小，限制了勘探深度；模擬信號長距離傳輸造成信號衰減、干擾增大，抗干擾能力差，影響測量精度；一次供電只能測量有限的接收通道，工作效率較低；接收電極與供電電極共用，電極穩(wěn)定性差，影響測量結(jié)果。

2 多參數(shù)并行高密度電法系統(tǒng)[12-16]

2.1 總體設(shè)計

多參數(shù)并行高密度電法系統(tǒng)由上位機、主機、接收單元和專用測控電纜等幾部分組成。上位機采用安卓平板，通過wifi網(wǎng)絡(luò)與主機通信，完成系統(tǒng)控制參數(shù)的下載、測量數(shù)據(jù)的上傳、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及測量結(jié)果的顯示等人機交互功能；主機主要完成系統(tǒng)的控制命令向接收單元的發(fā)送、測量數(shù)據(jù)收集、供電波形產(chǎn)生與發(fā)射等功能；接收單元主要完成控制命令接收、電極切換控制、相鄰兩電極間信號的測量與數(shù)字化、測量數(shù)據(jù)的存儲與回送等功能。主機和接收單元不設(shè)置屏幕、鍵盤等人機交互組件，操控命令由上位機通過wifi傳達到主機，主機通過線纜控制接收單元。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3所示。

圖3 多參數(shù)并行測量高密度電法系統(tǒng)總體設(shè)計框

2.2 主機

主機主要包括通訊模塊、控制模塊和功率模塊3部分，是傳統(tǒng)發(fā)射機的拓展。相比傳統(tǒng)發(fā)射機，增加了發(fā)射電流采樣功能和對接收單元的通訊控制功能。主機設(shè)計如圖4所示。

圖4 主機設(shè)計框

通信模塊實現(xiàn)主機與上位機、主機與接收單元的通信連接，它通過wifi無線方式向上與上位機連接，用以接收上位機發(fā)出的控制命令，并根據(jù)需要向上位機傳送測量數(shù)據(jù)；通過有線方式向下與接收單元連接，向接收單元發(fā)出控制命令和同步采樣時間，獲取接收單元的測量數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。

控制模塊是主機的中控單元，根據(jù)用戶指令控制整個發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài)?？刂颇K以ARM CPU STM32F4XX芯片為核心，CPU的功能強大、外設(shè)豐富。

功率模塊，即大功率發(fā)射電流控制模塊，用以實現(xiàn)1 000 V、10 A電流的波形調(diào)制和輸出。采用TLP520光電隔離驅(qū)動電路驅(qū)動IGBT實現(xiàn)。

2.3 接收單元

接收單元包括供電電極切換控制和電場信號測量兩部分。電極切換部分采用磁飽和式繼電器，用于根據(jù)主機的指令，切換發(fā)射電極和接收電極的連接狀態(tài)；電場信號測量部分的功能和結(jié)構(gòu)與普通激電法接收機相似，用以將MN電極間的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

工作時，接收單元根據(jù)系統(tǒng)主機的指令自動切換工作模式，其中兩個接收單元切換到發(fā)射模式接通發(fā)射電極進行供電，其他接收單元切換到接收模式測量各自指定接收電極間的電場信號。各接收盒子可同步開展測量工作，極大地縮短了數(shù)據(jù)采集時間。

2.4 專用電纜

主機和接收單元及各接收單元之間采用專用電纜連接，用于供電和通信控制。專用線纜為9芯電纜，內(nèi)部包括2條截面積1.5 mm2的耐高壓電線用以傳輸發(fā)射電流、2條12 V電源線用于給接收單元供電、4條通訊線用以通訊及數(shù)據(jù)傳輸、1條測量線用以測量電場信號。

2.5 設(shè)備組件

一套多參數(shù)分布式并行高密度電法系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制主機(發(fā)射機)1臺，接收單元128只，供電電極5根/組×128組，不極化接收電極128個，專用電纜128條×10 m/條。主要設(shè)備見圖5。

圖5 多參數(shù)并行高密度電法系統(tǒng)

2.6 系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)主機：最大發(fā)射電流10 A，最高發(fā)射電壓 1 000 V，發(fā)射頻率10 Hz-DC。

接收單元：輸入阻抗100 MΩ(@DC)，最高采樣率10 KSPS，工作頻帶10 Hz-DC，等效輸入噪聲0.5 μV(@0.1-10Hz)，同步精度優(yōu)于0.1 μs，AD轉(zhuǎn)換分辨率24 Bit，信號放大倍數(shù)1～8倍。工作溫度范圍-25℃～65℃，重量0.6 kg，密封防水。

2.7 設(shè)備創(chuàng)新點

1)采用類似地震的觀測技術(shù)，實現(xiàn)了接收盒子多道并行同步測量的測量方式，有效提高系統(tǒng)工作效率；被測信號就地數(shù)字化，避免模擬信號的長距離傳輸，提高了抗干擾能力。

2)實現(xiàn)多個接收單元的無序接入，自動編號測量功能，提高系統(tǒng)野外施工效率。

3)整個系統(tǒng)的人機交互部分由基于Android系統(tǒng)的上位機完成，主機部分省去了顯示和鍵盤等部件及相應(yīng)的控制程序，從而簡化了主機設(shè)計，提高了主機系統(tǒng)的可靠性。

4)實現(xiàn)發(fā)射電流全波形采樣，在后期數(shù)據(jù)處理過程中，可扣除場源變化對測量結(jié)果的影響，提取測量結(jié)果的相位參數(shù)等。提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。

5)實現(xiàn)了基于時間序列的視電阻率、視極化率和視相位的多參數(shù)提取[15]。提取公式如下：

視電阻率提取公式：

(1)

式中：K是裝置系數(shù)；I是電流值，單位mA；ΔU(T)是場值，單位mV；ρs(T)單位Ω·m。

視相位提取公式，實部：

(2)

虛部：

(3)

視相位：

(4)

式中：Δt是采樣間隔，單位ms；U(iΔt)是時間序列，單位mV；φs單位mrad。

視極化率提取公式：

(5)

式中：V2為二次場場值，單位mV；V1為一次場場值，單位mV；ηs單位%。

3 場地試驗

3.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于雄安新區(qū)外圍，屬永定河沖積平原地貌，試驗區(qū)地層從上往下電阻率特征依次為高—低—高—低—高多層層狀沉積特性，地層電阻率特征如表1所示[17]。在試驗區(qū)布置高密度測深剖面，探測深度200 m范圍內(nèi)的地層分布情況，從而驗證儀器探測效果。

表1 試驗區(qū)電阻率特征

3.2 野外數(shù)據(jù)采集

布設(shè)高密度電法試驗剖面一條,道間距5 m，剖面長度635 m，共128個接收盒子。每組發(fā)射電極采用5根0.4 m長的鋼釬并聯(lián)，接收電極采用Pb-PbCl2接收電極。供電周期T=16 s，占空比1∶1，供電電源采用發(fā)電機+整流源，最高電壓限壓1 000 V，最大電流限流5 A。偶極—偶極裝置，AB=MN=a=5、10、40、100 m這4種極距。

各供電電極點電流強度、典型供電電流曲線及典型接收曲線見圖6。由圖可見，最小供電電流約 1 A，最大供電電流5 A，接收數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，無明顯干擾波形。

圖6 野外工作數(shù)據(jù)曲線

野外工作采用同點位、不同日期、不同接收盒子進行重復(fù)測量評價數(shù)據(jù)質(zhì)量，經(jīng)計算，視電阻率均方相對誤差3.6%，視極化率均方相對誤差2.8%。

3.3 數(shù)據(jù)整理

1)對接收數(shù)據(jù)進行整理，刪除明顯由干擾引起的虛假異常數(shù)據(jù)。

2)選取偶極—偶極裝置數(shù)據(jù)，取隔離系數(shù)n<8且一次場大于10 mV的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。

3)根據(jù)取得的接收機時間序列計算視電阻率、視極化率、視相位、半衰時等多種參數(shù)。

3.4 試驗結(jié)果

選取視電阻率、視極化率、視相位、半衰時參數(shù)繪制擬斷面圖，如圖7所示。視電阻率擬斷面圖和半衰時擬斷面圖呈現(xiàn)明顯層狀特征，反映出層狀砂泥互層的特征；視極化率擬斷面圖、視相位擬斷面圖對砂泥互層指示作用不明顯。試驗結(jié)果驗證了高密度電法儀的探測效果，也充分說明了高密度電法工作中多參數(shù)同時測量的必要性。

圖7 試驗剖面成果

4 結(jié)論

1)場地試驗結(jié)果與地質(zhì)情況對比較好，表明分布式并行高密度電法系統(tǒng)研制成功。

2)分布式并行高密度電法系統(tǒng)同時測量視電阻率、視極化率、視相位、半衰時等多種電性參數(shù)，可從不同側(cè)面刻畫地質(zhì)體特征，有助于提高高密度電法的地質(zhì)解釋精度。

3)本次研發(fā)的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：發(fā)射功率大；接收機多道并行同步測量，一次供電可獲取多種測量裝置條件下視電阻率、視極化率、視相位、半衰時等參數(shù)。操控端采用Android設(shè)備，通過wifi連接控制整套設(shè)備工作，人機交互簡潔方便。

4)本次研制技術(shù)方法和技術(shù)系統(tǒng)成果，特別是取得的基于Android系統(tǒng)的wifi控制技術(shù)成果，對高密度電法儀器的發(fā)展有一定的參考作用。