城市地下空间探测多参数并行高密度电法系统研制

丁卫忠,孙夫文,李建华,郑采君,林品荣,齐方帅

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000; 2.自然资源部 地球物理电磁法探测技术重点实验室，河北 廊坊 065000)

0 引言

城市地下空间探测主要包括地表到地下200 m之间的空间探测，高密度电法是城市地下空间探测中常用的一种探测方法[1]。常规高密度电法系统由于发射功率较小，有效探测深度一般不超过100 m，为有效服务于城市地下空间探测工作，高密度电法仪器需要做以下改进[2-3]：

1)适当提高系统发射功率，改善系统信噪比、增大勘探深度。电法系统增大勘探深度有两种途径：增加发射功率和提高接收灵敏度。电法仪器发展到今天，接收灵敏度的提高已接近极限，因此提高系统发射功率是增加勘探深度的可靠途径。同时，如果发射功率增加过大，会造成系统笨重不适合工程探测应用。因此提出适当增加发射功率，以增加勘探深度，提高系统信噪比。

2)采用多道并行同步测量和多次覆盖叠加技术，提高测量速度和系统抗干扰能力。常规高密度电法系统一次供电只能完成一个测点的测量，测量速度慢。同时在整个观测过程中，被测模拟信号需要通过长线传回主机测量，在模拟信号传输过程中，极易受到干扰而影响测量精度和可靠性。因此常规高密度电法系统的抗干扰能力有限。

若采用类似地震的观测技术实现一次供电所有测道并行同步测量，能有效提高测量速度。同时，接收信号由测站盒子实现模拟信号的本地数字化，省去模拟信号长线传输回主机的环节，系统的抗干扰能力自然得到提高。

3)开发多参数测量功能，一次供电获取多种测量参数。城市地下地质情况相对复杂，既有各种金属管线、非金属管线、地铁网、地下河流、建筑生活垃圾填埋场等人为形成的不均匀体，也有含水层、破碎带、断裂带等自然形成的不均匀体，单一电阻率测量参数，不足以准确区分各种目标体的类型。采用多方法、多参数的综合探测、相互约束，可提高对不同类型目标体的识别和分辨能力。因此，需要实现在一次供电测量中获得各测点的电阻率、极化率、相位、频散率等多种电法测量参数，从多个侧面刻画地下目标体，提高系统辨识能力。

4)提高系统输入阻抗，缓解城市测量的接地问题。城市电法工作的接地问题由来已久，是最难解决的技术问题之一。接地问题包括供电接地和测量接地。供电接地需要通过增加接地电极的数量来克服。对于测量接地，接地电阻对测量的影响会随着系统输入阻抗提高而减小，因此提高系统输入阻抗是解决测量接地问题的有效途径。

5)提高系统集成度，减小系统体积和重量。物探设备的重量一直是限制物探设备应用的重要因素。降低仪器设备重量有利于仪器的布设、搬运，从而提高物探工作效率。因此需要采用先进的大规模集成电路设计来简化电路，达到减小系统体积的目的。同时，随着系统集成度的提高，仪器设备的可靠性也会得到相应的提高。

基于现有高密度电法仪存在的以上问题，研发了一种适用于城市地下空间探测领域应用的多参数并行高密度电法系统，提高发射机功率至10 kW，实现了接收机多道并行测量和多参数同时测量等功能，场地试验结果与已有地质资料吻合良好。

1 高密度电法仪现状

高密度电法是在常规电法基础上发展起来的电法勘探手段，近年来该方法先后在重大工程规划场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益[4-9]。

高密度电法仪器实质上是一个多电极电法测量系统, 一般由普通的电测仪加上自动或人工电极转换开关构成。按电测仪与电极连接方式的不同，高密度电阻率仪又可分为集中式电极转换方式和分布式电极转换方式[10-11]。

1)集中式仪器，其结构为每个电极都分别通过一条可以发射、接收分时复用的导线与集中式电极转换盒连接，电极转换盒的输出与电测仪相连，集中式高密度电法仪结构示意图如图1所示。

图1 集中式高密度电法仪结构示意

这类仪器具有以下特征：

① 由于供电线与接收线分时复用，且连线数与电极数相等，电极线线径不可能太大，因此供电电流不会太大，一般为1～2 A；

② 可以实现一次供电多道接收，但接收道数取决于电测仪与电极转换开关连线数量和电测仪本身的测量通道数；

③ 测量的信号以模拟信号形式通过长线传输到电测仪输入端，传输距离远，造成抗干扰能力差。

2)分布式仪器，其结构为所有电极都通过一条多芯电缆(一般为6～8芯，供电线2芯、接收线2芯、电源线2芯、控制线2芯，其中电源和控制线可复用)与系统主机连接，分布式高密度电法仪结构示意图如图2所示。

图2 分布式高密度电法仪结构示意

这类仪器具有以下特征：

① 供电线与接收线长距离紧密平行铺设，极易引起供电信号直接耦合到接收通道中引入干扰；

② 每次测量，只能有一对电极供电，另一对电极接收，不能实现多道同时测量；

③ 测量信号仍以模拟信号形式通过长线传输到电测仪输入端，抗干扰能力差。

综上所述，无论是采用集中式结构还是分布式结构，它们都有共同的缺点：供电电流较小，限制了勘探深度；模拟信号长距离传输造成信号衰减、干扰增大，抗干扰能力差，影响测量精度；一次供电只能测量有限的接收通道，工作效率较低；接收电极与供电电极共用，电极稳定性差，影响测量结果。

2 多参数并行高密度电法系统[12-16]

2.1 总体设计

多参数并行高密度电法系统由上位机、主机、接收单元和专用测控电缆等几部分组成。上位机采用安卓平板，通过wifi网络与主机通信，完成系统控制参数的下载、测量数据的上传、数据预处理以及测量结果的显示等人机交互功能；主机主要完成系统的控制命令向接收单元的发送、测量数据收集、供电波形产生与发射等功能；接收单元主要完成控制命令接收、电极切换控制、相邻两电极间信号的测量与数字化、测量数据的存储与回送等功能。主机和接收单元不设置屏幕、键盘等人机交互组件，操控命令由上位机通过wifi传达到主机，主机通过线缆控制接收单元。系统总体设计如图3所示。

图3 多参数并行测量高密度电法系统总体设计框

2.2 主机

主机主要包括通讯模块、控制模块和功率模块3部分，是传统发射机的拓展。相比传统发射机，增加了发射电流采样功能和对接收单元的通讯控制功能。主机设计如图4所示。

图4 主机设计框

通信模块实现主机与上位机、主机与接收单元的通信连接，它通过wifi无线方式向上与上位机连接，用以接收上位机发出的控制命令，并根据需要向上位机传送测量数据；通过有线方式向下与接收单元连接，向接收单元发出控制命令和同步采样时间，获取接收单元的测量数据和工作状态。

控制模块是主机的中控单元，根据用户指令控制整个发射系统的工作状态。控制模块以ARM CPU STM32F4XX芯片为核心，CPU的功能强大、外设丰富。

功率模块，即大功率发射电流控制模块，用以实现1 000 V、10 A电流的波形调制和输出。采用TLP520光电隔离驱动电路驱动IGBT实现。

2.3 接收单元

接收单元包括供电电极切换控制和电场信号测量两部分。电极切换部分采用磁饱和式继电器，用于根据主机的指令，切换发射电极和接收电极的连接状态；电场信号测量部分的功能和结构与普通激电法接收机相似，用以将MN电极间的模拟电信号转换为数字信号。

工作时，接收单元根据系统主机的指令自动切换工作模式，其中两个接收单元切换到发射模式接通发射电极进行供电，其他接收单元切换到接收模式测量各自指定接收电极间的电场信号。各接收盒子可同步开展测量工作，极大地缩短了数据采集时间。

2.4 专用电缆

主机和接收单元及各接收单元之间采用专用电缆连接，用于供电和通信控制。专用线缆为9芯电缆，内部包括2条截面积1.5 mm2的耐高压电线用以传输发射电流、2条12 V电源线用于给接收单元供电、4条通讯线用以通讯及数据传输、1条测量线用以测量电场信号。

2.5 设备组件

一套多参数分布式并行高密度电法系统包括系统控制主机(发射机)1台，接收单元128只，供电电极5根/组×128组，不极化接收电极128个，专用电缆128条×10 m/条。主要设备见图5。

图5 多参数并行高密度电法系统

2.6 系统参数

系统主机：最大发射电流10 A，最高发射电压 1 000 V，发射频率10 Hz-DC。

接收单元：输入阻抗100 MΩ(@DC)，最高采样率10 KSPS，工作频带10 Hz-DC，等效输入噪声0.5 μV(@0.1-10Hz)，同步精度优于0.1 μs，AD转换分辨率24 Bit，信号放大倍数1～8倍。工作温度范围-25℃～65℃，重量0.6 kg，密封防水。

2.7 设备创新点

1)采用类似地震的观测技术，实现了接收盒子多道并行同步测量的测量方式，有效提高系统工作效率；被测信号就地数字化，避免模拟信号的长距离传输，提高了抗干扰能力。

2)实现多个接收单元的无序接入，自动编号测量功能，提高系统野外施工效率。

3)整个系统的人机交互部分由基于Android系统的上位机完成，主机部分省去了显示和键盘等部件及相应的控制程序，从而简化了主机设计，提高了主机系统的可靠性。

4)实现发射电流全波形采样，在后期数据处理过程中，可扣除场源变化对测量结果的影响，提取测量结果的相位参数等。提高了测量结果的准确度和可靠性。

5)实现了基于时间序列的视电阻率、视极化率和视相位的多参数提取[15]。提取公式如下：

视电阻率提取公式：

(1)

式中：K是装置系数；I是电流值，单位mA；ΔU(T)是场值，单位mV；ρs(T)单位Ω·m。

视相位提取公式，实部：

(2)

虚部：

(3)

视相位：

(4)

式中：Δt是采样间隔，单位ms；U(iΔt)是时间序列，单位mV；φs单位mrad。

视极化率提取公式：

(5)

式中：V2为二次场场值，单位mV；V1为一次场场值，单位mV；ηs单位%。

3 场地试验

3.1 试验区概况

试验区位于雄安新区外围，属永定河冲积平原地貌，试验区地层从上往下电阻率特征依次为高—低—高—低—高多层层状沉积特性，地层电阻率特征如表1所示[17]。在试验区布置高密度测深剖面，探测深度200 m范围内的地层分布情况，从而验证仪器探测效果。

表1 试验区电阻率特征

3.2 野外数据采集

布设高密度电法试验剖面一条,道间距5 m，剖面长度635 m，共128个接收盒子。每组发射电极采用5根0.4 m长的钢钎并联，接收电极采用Pb-PbCl2接收电极。供电周期T=16 s，占空比1∶1，供电电源采用发电机+整流源，最高电压限压1 000 V，最大电流限流5 A。偶极—偶极装置，AB=MN=a=5、10、40、100 m这4种极距。

各供电电极点电流强度、典型供电电流曲线及典型接收曲线见图6。由图可见，最小供电电流约 1 A，最大供电电流5 A，接收数据质量较好，无明显干扰波形。

图6 野外工作数据曲线

野外工作采用同点位、不同日期、不同接收盒子进行重复测量评价数据质量，经计算，视电阻率均方相对误差3.6%，视极化率均方相对误差2.8%。

3.3 数据整理

1)对接收数据进行整理，删除明显由干扰引起的虚假异常数据。

2)选取偶极—偶极装置数据，取隔离系数n<8且一次场大于10 mV的数据作为有效数据。

3)根据取得的接收机时间序列计算视电阻率、视极化率、视相位、半衰时等多种参数。

3.4 试验结果

选取视电阻率、视极化率、视相位、半衰时参数绘制拟断面图，如图7所示。视电阻率拟断面图和半衰时拟断面图呈现明显层状特征，反映出层状砂泥互层的特征；视极化率拟断面图、视相位拟断面图对砂泥互层指示作用不明显。试验结果验证了高密度电法仪的探测效果，也充分说明了高密度电法工作中多参数同时测量的必要性。

图7 试验剖面成果

4 结论

1)场地试验结果与地质情况对比较好，表明分布式并行高密度电法系统研制成功。

2)分布式并行高密度电法系统同时测量视电阻率、视极化率、视相位、半衰时等多种电性参数，可从不同侧面刻画地质体特征，有助于提高高密度电法的地质解释精度。

3)本次研发的系统具有以下优点：发射功率大；接收机多道并行同步测量，一次供电可获取多种测量装置条件下视电阻率、视极化率、视相位、半衰时等参数。操控端采用Android设备，通过wifi连接控制整套设备工作，人机交互简洁方便。

4)本次研制技术方法和技术系统成果，特别是取得的基于Android系统的wifi控制技术成果，对高密度电法仪器的发展有一定的参考作用。