專利名稱：基于地球電磁感應(yīng)原理的地下水源探測(cè)方法及探測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到水源探測(cè)領(lǐng)域，特指一種基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)方
法及裝置。
背景技術(shù)：
目前地面物探方法找水首推電法和測(cè)量地層磁分量的甚低頻法，以及核磁共振 法。電法和地層磁分量的甚低頻法共同點(diǎn)是測(cè)量地質(zhì)體物性綜合值，測(cè)量結(jié)果存在多解性， 全憑測(cè)量者的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷，誤差大，找水成功率只有百分之二、三十。核磁共振法探測(cè)方 法成功率高，但探測(cè)深度有限、辨別不出是否為流動(dòng)的水，同時(shí)設(shè)備昂貴、體積大不適合野 外工作。且傳統(tǒng)物探找水的儀器使用復(fù)雜，需要人工記錄每一組測(cè)量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)量 數(shù)據(jù)繪制測(cè)量曲線圖，必須有豐富水文地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)的工程師根據(jù)測(cè)量曲線圖判定是否有水， 人為因素占比重很大，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)比較多時(shí)，數(shù)據(jù)量也是相當(dāng)大，后期人工分析的任務(wù)相當(dāng)繁 重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一
種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、便攜性好、操作方便、快捷、直觀及準(zhǔn)確率高的找水方法及儀器。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
—種基于地球電磁感應(yīng)原理的地下水源探測(cè)方法，其特征在于步驟為 ①、將一個(gè)以上感應(yīng)探針組插入到地表內(nèi)，每個(gè)感應(yīng)探針組由兩個(gè)感應(yīng)探針組成，
兩個(gè)感應(yīng)探針之間保持一定距離L ; ②、分別通過(guò)兩個(gè)感應(yīng)探針實(shí)時(shí)采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)， 將該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后得到兩個(gè)感應(yīng)探針?biāo)谔幟總€(gè)時(shí)刻的電壓差值U及關(guān) 于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖，并將該電壓差值U及關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖 傳送至主控制器，所述電壓差值U為交流值； ③、主控制器給定某一通帶的頻率f對(duì)關(guān)于電壓值差U的時(shí)域信號(hào)示意圖依次進(jìn) 行軟件的帶通濾波和低通濾波，由于兩個(gè)感應(yīng)探針之間區(qū)域的電流值I是恒定的，通過(guò)公 式U = R*I得到與各個(gè)時(shí)刻下電壓差值U對(duì)應(yīng)的電阻率R，然后根據(jù)濾波后的波形示意圖得 到關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖；最后對(duì)關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖進(jìn)行頻譜 分析，得到頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖； ④、在得到的頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖中，如果幅值信號(hào)最大的10個(gè)幅 值信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率均在5Hz以內(nèi)，則在兩個(gè)感應(yīng)探針之間的區(qū)域內(nèi)有地下水源。測(cè)量一條 或若干條剖面(即測(cè)量多個(gè)點(diǎn))時(shí)，能夠得到整個(gè)剖面的水層分布圖，能直觀的體現(xiàn)出剖面 的有水分布情況。 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn) 所述步驟④中，將關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖中數(shù)據(jù)的最大值減去最小值后的差值除以最小值得到能量系數(shù)，當(dāng)能量系數(shù)大于100%時(shí)，計(jì)為100%，所述能量系數(shù)
用來(lái)表示地下水量的大小。 所述步驟④中，將頻域圖中IO個(gè)最大幅值的頻率值各自除以20后與對(duì)應(yīng)的幅值 相乘，再將十個(gè)所得到乘積值相加，將累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用 來(lái)表示地下水的流速。 —種基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，其特征在于包括一個(gè)以上感應(yīng)探針 組、信號(hào)處理單元和主控制器，所述每個(gè)感應(yīng)探針組由兩個(gè)感應(yīng)探針組成，所述感應(yīng)探針用 來(lái)實(shí)時(shí)采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元放 大、濾波后轉(zhuǎn)換成兩個(gè)感應(yīng)探針?biāo)谔幟總€(gè)時(shí)刻的電壓差值U及關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信 號(hào)示意圖并送至主控制器，主控制器由關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖得到關(guān)于電阻率 R值的時(shí)域信號(hào)示意圖以及頻域信號(hào)示意圖，并根據(jù)頻域信號(hào)示意圖做出是否有地下水源 的判斷。 所述信號(hào)處理單元包括依次相連的50Hz工頻陷波單元、差動(dòng)放大單元、一級(jí)放大
單元、低通濾波單元、可調(diào)帶通濾波單元、二級(jí)可調(diào)放大單元以及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。 所述每組中兩個(gè)感應(yīng)探針之間保持一定距離L， L大于等于10米且小于等于20
米，感應(yīng)探針插入地表深度大于等于10厘米小于等于20厘米。 所述主控制器含一存儲(chǔ)單元。 所述主控制器含一顯示單元。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)就在于 1、本發(fā)明的找水準(zhǔn)確率高，該方法找水準(zhǔn)確率在95%以上，而傳統(tǒng)物探找水的準(zhǔn) 確率僅為20% 30%。 2、本發(fā)明的找水深度大，該方法找水的深度可以達(dá)到1000米，而傳統(tǒng)物探找水的 探測(cè)深度有限， 一般在100米以內(nèi)。 3、本發(fā)明的探測(cè)方法找水采用了動(dòng)態(tài)信息的探測(cè)方法，因此可以分清地下是流動(dòng) 的水還是不動(dòng)水，所有找到的水的水質(zhì)相對(duì)比較好。 4、本發(fā)明的探測(cè)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、體積小、重量輕、便攜性好、耗電量很小， 每一組電池充一次電可以連續(xù)工作50個(gè)小時(shí)以上，同時(shí)用戶可以根據(jù)需要攜帶多組電池， 使用時(shí)間更長(zhǎng)，因此攜帶很方便。 5、本發(fā)明探測(cè)儀，采用全電腦控制，軟件自動(dòng)采集，自動(dòng)分析，自動(dòng)判別是否有水， 自動(dòng)繪制地層含水分布圖，采集完成后通過(guò)語(yǔ)音提示用戶，數(shù)據(jù)采集完成后，當(dāng)場(chǎng)便可以得 到測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)生成地下地層含水分布圖，使用非常方便、直觀。


圖1是本發(fā)明中探測(cè)方法的流程示意圖； 圖2是本發(fā)明中探測(cè)儀的框架結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中探測(cè)儀信號(hào)處理單元的電路原理示意圖； 圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例中探測(cè)儀軟件算法單元的電路原理示意圖； 圖5是本發(fā)明探測(cè)儀在應(yīng)用實(shí)例中的示意圖； 圖6是本發(fā)明具體實(shí)施例中探測(cè)儀的工作原理流程示意 圖7是本發(fā)明具體實(shí)施例中第一種情況下關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖； 圖8是本發(fā)明具體實(shí)施例中第一種情況下關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖； 圖9是本發(fā)明具體實(shí)施例中第一種情況下的頻域信號(hào)示意圖； 圖10是本發(fā)明具體實(shí)施例中第二種情況下關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖； 圖11是本發(fā)明具體實(shí)施例中第二種情況下關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖； 圖12是本發(fā)明具體實(shí)施例中第二種情況下的頻域信號(hào)示意圖； 圖13是本發(fā)明具體實(shí)施例測(cè)量剖面的水層分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合具體實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明一種基于地球電磁感應(yīng)原理的地下水源探測(cè)方法，其步驟為
①、將一個(gè)以上感應(yīng)探針組11插入到地表內(nèi)，每個(gè)感應(yīng)探針組11由兩個(gè)感應(yīng)探針 組成，兩個(gè)感應(yīng)探針之間保持一定距離L ; ②、分別通過(guò)兩個(gè)感應(yīng)探針實(shí)時(shí)采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)， 將該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后得到兩個(gè)感應(yīng)探針?biāo)谔幟總€(gè)時(shí)刻的電壓差值U及關(guān) 于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖，并將該電壓差值U及關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖 作為信號(hào)傳送至主控制器12，所述電壓差值U為交流值； ③、主控制器12給定某一通帶的頻率f對(duì)關(guān)于電壓值差U的時(shí)域信號(hào)示意圖依次 進(jìn)行帶通濾波、低通濾波，由于兩個(gè)感應(yīng)探針之間區(qū)域的電流值I是恒定的，通過(guò)公式U = R*I得到與各個(gè)時(shí)刻下電壓差值U對(duì)應(yīng)的電阻率R，電阻率R值即為所測(cè)地區(qū)的巖石電阻 率；然后根據(jù)濾波后的波形示意圖得到關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖；最后對(duì)關(guān)于電 阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖進(jìn)行頻譜分析，得到頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖；
④、在得到的頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖中，如果幅值信號(hào)最大的10個(gè)幅 值信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率均在5Hz以內(nèi)，則在兩個(gè)感應(yīng)探針之間的區(qū)域內(nèi)有地下水源。測(cè)量一條 或若干條剖面(即測(cè)量多個(gè)點(diǎn))時(shí)，能夠得到整個(gè)剖面的水層分布圖，能直觀的體現(xiàn)出剖面 的有水分布情況。 在步驟④中，將關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖中數(shù)據(jù)的最大值減去最小值后 的差值除以最小值得到能量系數(shù)，當(dāng)能量系數(shù)大于100%時(shí)，計(jì)為100%，所述能量系數(shù)用 來(lái)表示地下水量的大小。 在步驟④中，將頻域圖中10個(gè)最大幅值的頻率值各自除以20后與對(duì)應(yīng)的幅值相 乘，再將十個(gè)所得到乘積值相加，將累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用來(lái) 表示地下水的流速。 如圖2所示，本發(fā)明的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，包括一個(gè)以上感應(yīng) 探針組11、信號(hào)處理單元和主控制器12，每個(gè)感應(yīng)探針組11由兩個(gè)感應(yīng)探針組成，如果為 多組感應(yīng)探針組時(shí)，則可采用多路開(kāi)關(guān)對(duì)其進(jìn)行切換控制或并行控制。感應(yīng)探針用來(lái)實(shí)時(shí) 采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元放大、濾波后轉(zhuǎn) 換成兩個(gè)感應(yīng)探針?biāo)谔幟總€(gè)時(shí)刻的電壓差值U及關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖并送 至主控制器12，主控制器12由關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖得到關(guān)于電阻率R值的時(shí) 域信號(hào)示意圖以及頻域信號(hào)示意圖，并根據(jù)頻域信號(hào)示意圖做出是否有地下水源的判斷。含一存儲(chǔ)單元9，用來(lái)記錄所測(cè)量的所有信息，能夠記錄的量根據(jù)硬盤(pán)的大小來(lái)定， 一幀數(shù)據(jù)的大小為2. 7Kbit。主控制器12與一顯示單元IO相連，用來(lái)顯示最后的探測(cè)結(jié)果。 工作原理參見(jiàn)圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，感應(yīng)探針在使用時(shí)插入地表，插入地表 的深度以感應(yīng)探針金屬部分基本不外漏為準(zhǔn)，感應(yīng)探針上金屬部分的長(zhǎng)度大于io厘米小 于25厘米，每個(gè)感應(yīng)探針組11中兩個(gè)感應(yīng)探針之間保持一定距離L， L大于等于10米且小 于等于20米。 通過(guò)感應(yīng)探針采集到的電壓信號(hào)由屏蔽電纜傳入到信號(hào)處理單元的采集端口 INA1、 INB1，再經(jīng)電解電容E1、 E2隔直，為了防止對(duì)內(nèi)部電路的損壞，本實(shí)施例中加入Dl、 D2、D3、D4四個(gè)二極管進(jìn)行限幅，對(duì)上述信號(hào)的正、負(fù)都進(jìn)行限幅。 上述采集到的電壓信號(hào)輸入到50Hz工頻陷波單元1中，該50Hz工頻陷波單元1 用來(lái)防止工頻干擾，該50Hz陷波電路設(shè)計(jì)參數(shù)的品質(zhì)因素Q等于IO，則其帶寬為5Hz。
經(jīng)50Hz工頻陷波單元1處理后的信號(hào)輸入到差動(dòng)放大單元2內(nèi)，差動(dòng)放大單元2 采用芯片IC1(例如AD623)，該芯片可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R12的阻值來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，在此為 使運(yùn)放穩(wěn)定工作，將放大倍數(shù)設(shè)置在ioo倍輸出信號(hào)。 經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大單元2處理后的信號(hào)輸入到一級(jí)放大單元3內(nèi)，因?yàn)檩斎氲男盘?hào)都 是在幾十微伏到幾十毫伏的范圍內(nèi)，所以必須再次放大。因?yàn)樵诓顒?dòng)放大單元2中已經(jīng)將 信號(hào)放大了 100倍，在此再放大50倍，同時(shí)考慮到對(duì)直流分量的放大，通過(guò)C15對(duì)信號(hào)隔 直，再輸入到運(yùn)算放大器芯片IC2-1(例如LM324)放大，反饋電阻R17與R15的比例為50， 使該級(jí)放大的放大倍數(shù)為50。 經(jīng)過(guò)一級(jí)放大單元3處理后的信號(hào)輸入到低通濾波單元4內(nèi)，因?yàn)榇藭r(shí)有用信號(hào) 頻率低于3KHz，因此低通濾波單元4用來(lái)防止出現(xiàn)高頻干擾的情況。低通濾波單元4采用 運(yùn)算放大器芯片IC2-2作為低通濾波器運(yùn)放(例如LM324)，其采用的是"二階壓控電壓源 低通濾波"方式，其截止頻率在3KHz，品質(zhì)因數(shù)Q設(shè)定于l，通帶增益為1.6，這種參數(shù)設(shè)定 能使電路穩(wěn)定工作。 為了得到不同頻率的信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波單元4處理后的信號(hào)輸入到可調(diào)帶通濾 波單元5中，可調(diào)帶通濾波單元5采用芯片IC2-3(例如LM324)進(jìn)行帶通濾波器運(yùn)放。本 實(shí)施例中所采用的二階有源帶通濾波器，品質(zhì)因數(shù)Q設(shè)定在5，通帶增益設(shè)定為1. 4，因深度 要可控變化，在此采用可調(diào)電容，調(diào)節(jié)帶通濾波器的通帶頻率；采用可調(diào)電容CN1、CN2的容 值取決于帶通濾波器要使用的通帶頻率，目前使用的范圍為3KHz到10Hz，理論的分辨率為 lHz，因?yàn)镼為5，所以存在帶寬為帶通濾波器中心頻率的五分之一，實(shí)際分辨率是隨帶通濾 波器中心頻率變化的。由公式"H = A^R/f"s"可知深度與帶通濾波器中心頻率的關(guān)系， 公式中的"H"表示要測(cè)量的深度，"A"為一常數(shù)"969. 5"， "R"為所測(cè)量地區(qū)的巖石電阻率， "f"為通帶頻率(即可調(diào)帶通濾波單元中的帶通濾波器的中心頻率)，由公式可看出，在"R" 一定時(shí)，"H"與"f"的關(guān)系為H2 = (A承A承R)/f，則通過(guò)算法可以從f得到要測(cè)量的深度。
因不同地區(qū)的電阻率是有較大差異的，則感應(yīng)探針采集到的電壓信號(hào)也是有很大 變化，為了獲得較好的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)C22隔直后再到二次可調(diào)放大單元6中進(jìn)行二次放大。
6該二次可調(diào)放大單元6采用芯片IC2-4，在此采用可調(diào)放大得到不同幅度的信號(hào)，調(diào)節(jié)可調(diào) 電阻RT，調(diào)整放大倍數(shù)，在此設(shè)定的放大倍數(shù)為1到20倍連續(xù)可調(diào)，經(jīng)放大后即得到"電壓 差值U"。 得到了"電壓差值U"信號(hào)后，用模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(A/D)7將模擬信號(hào)數(shù)字化。模數(shù)轉(zhuǎn) 換單元采用芯片U6 (例如ADS1225)，該芯片是極低噪聲24bit最高采樣率為30KHz的模數(shù) 轉(zhuǎn)換芯片，芯片的數(shù)字端接口是采用SPI方式，方便與主控制器12中的軟件算法單元8中 的DSP芯片連接。 考慮到復(fù)雜的算法，本實(shí)施例中，軟件算法單元8采用低功耗高速的數(shù)字 信號(hào)處理器(DSP)——TMS320VC5402，為了配合復(fù)雜的算法和存儲(chǔ)程序，外擴(kuò)展了 SRAM(U2IS61LV51216)和FLASH MEM(U3SST39VF160)芯片，DSP、 SRAM、 FLASH MEM構(gòu)成"軟 件算法單元"。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片采集"電壓差值U"信號(hào)，A/D采樣的頻率不低于100Hz，連 續(xù)采集的時(shí)間不少于20秒鐘，DSP通過(guò)SPI接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中的A/D轉(zhuǎn)換芯片連接， 將"電壓差值U"信號(hào)數(shù)字化，如果連續(xù)采集的時(shí)間為20秒鐘，則為20秒離散數(shù)字化的"電 壓差值U"信號(hào)。將20秒離散數(shù)字化的"電壓差值U"信號(hào)通過(guò)軟件算法單元的DSP芯片實(shí) 現(xiàn)軟件的FIR低通濾波，低通的截止頻率為3KHz，去除模擬電路和外界的干擾，再用自適應(yīng) 濾波算法鎖定設(shè)置通帶(即深度)的信號(hào)。通過(guò)公式U = RW，得到20秒離散數(shù)字化的電 阻率R值的時(shí)域信號(hào)，用FFT頻譜分析算法分析電阻率R值的時(shí)域信號(hào)得到頻域信號(hào)，DSP 通過(guò)算法找出幅度最高的十種頻譜，剔除5Hz以上頻率成分的頻譜，DSP分析找出的十種最 高幅度的頻譜是否都在5Hz以內(nèi)，如果都在，表示有水，如果少于十個(gè)表示無(wú)水。如果有水， 將十種頻譜的頻率乘以對(duì)應(yīng)的幅度，再將十個(gè)乘積相加，將累加和除以50得到該幀數(shù)據(jù)的 "有水比例"。如果無(wú)水，則"有水比例"顯示為0%。再利用電阻率R值的時(shí)域信號(hào)算出"能 量系數(shù)"，在20秒離散數(shù)字化的電阻率R值的時(shí)域信號(hào)中，DSP通過(guò)算法找到數(shù)據(jù)的最大值 減去最小值(即最高的波峰減最低的波谷)的值除以最小值得到"能量系數(shù)"，當(dāng)"能量系 數(shù)"大于100%時(shí)，按100%計(jì)算。其中"能量系數(shù)"說(shuō)明水量的大小，"有水比例"說(shuō)明水 的流速，當(dāng)兩者都很大的前提下表示測(cè)量點(diǎn)下的某一深度處有較大流速且水量較大的地下 水。DSP存儲(chǔ)在5Hz以內(nèi)且屬于十種最高幅度頻譜的頻譜，有幾種存幾種，以及對(duì)應(yīng)的時(shí)域 波形、能量系數(shù)、有水比例、采集深度、放大倍數(shù)、測(cè)線、測(cè)點(diǎn)，此代表一幀數(shù)據(jù)。DSP將每幀數(shù) 據(jù)提交到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)顯示單元將所有信息顯示出來(lái)，并將信息通過(guò)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)。 如果測(cè)量的是一個(gè)剖面即多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，繪出水層分布圖，如圖13所示其橫坐標(biāo)表示隨機(jī) 定義坐標(biāo)原點(diǎn)的一條測(cè)線(即地表的某位置)，其坐標(biāo)N米表示到原點(diǎn)的距離為N米?？v坐 標(biāo)表示離地表的深度，其坐標(biāo)N米表示離地表的深度為N米。用"ii"圖標(biāo)表示水量豐富，用
"M"圖標(biāo)表示水量匱乏，為"口"表示對(duì)應(yīng)的地方?jīng)]有測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量完后立即可以生成直 觀的測(cè)量報(bào)告，由"有水比例"乘以"能量系數(shù)"得出水量的大小，如果測(cè)量了多次，將多次 的結(jié)果取平均，如果水量大則含水量豐富圖標(biāo)"匿'越高，表示水量越豐富，含有水量匱乏圖 標(biāo)"隨，的段表示沒(méi)有水。 為了方便處理后的數(shù)據(jù)要提交顯示及方便人機(jī)交換，擴(kuò)展了 USB芯片(U4CH372) 與計(jì)算機(jī)連接。 經(jīng)過(guò)DSP處理完的數(shù)據(jù)提交顯示單元10顯示，并將所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元9。
實(shí)例一、 如圖7所示顯示的是實(shí)際測(cè)量中某一測(cè)點(diǎn)的某一深度的電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示 意圖，圖中"時(shí)域信號(hào)"為20秒離散數(shù)字化的"電壓差值U"信號(hào)，再將20秒離散數(shù)字化的 "電壓差值U"信號(hào)通過(guò)軟件算法單元8的DSP芯片實(shí)現(xiàn)軟件的FIR低通濾波，再用自適應(yīng) 濾波算法鎖定設(shè)置通帶(即深度)的信號(hào)，再通過(guò)公式U二RW，得到20秒離散數(shù)字化的電 阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖，如圖8。用FFT頻譜分析算法分析電阻率R值的時(shí)域信號(hào)得 到頻域信號(hào)，DSP通過(guò)算法找出幅度最高的十種頻譜，剔除5Hz以上頻率成分的頻譜，得到 頻域信號(hào)示意圖，如圖9。由圖9可看出幅值最大的10種頻率，其格式是"數(shù)字l-數(shù)字2"， "數(shù)字l"代表的是幅值在十種最大頻率中的第幾個(gè)大的幅值，"數(shù)字2"代表的是實(shí)際頻率 的20倍。將實(shí)際頻率乘以對(duì)應(yīng)的幅度再累加，將累加的和除以50取平均得到"有水比例"。 十種最高幅度的頻譜都在5Hz以內(nèi)，有水比例按上述算法算出為53.6%，表示有水。對(duì)于 圖8中的時(shí)域信號(hào)，將這20秒離散數(shù)字化電阻率R值的最大值減去最小值(即最高的波峰 減最低的波谷)的值除以最小值得到"能量系數(shù)"，當(dāng)"能量系數(shù)"大于100%時(shí)，按100%計(jì) 算。 實(shí)例二、 如圖IO所示顯示的是實(shí)際測(cè)量中某一測(cè)點(diǎn)的某一深度的電壓差值U的時(shí)域信號(hào) 示意圖，圖中"時(shí)域信號(hào)"為20秒離散數(shù)字化的"電壓差值U"信號(hào)，再將20秒離散數(shù)字化 的"電壓差值U"信號(hào)通過(guò)軟件算法單元8的DSP芯片實(shí)現(xiàn)軟件的FIR低通濾波，再用自適 應(yīng)濾波算法鎖定設(shè)置通帶(即深度)的信號(hào)，再通過(guò)公式U = RW，得到20秒離散數(shù)字化 的電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖，如圖11。用FFT頻譜分析算法分析電阻率R值的時(shí)域信 號(hào)得到頻域信號(hào)，DSP通過(guò)算法找出幅度最高的十種頻譜，剔除5Hz以上頻率成分的頻譜， 得到頻域信號(hào)示意圖，如圖12。由圖12可看出10種最大幅值的頻率只有兩種落在5Hz以 內(nèi)，且通過(guò)有水比例算法算出有水比例為0%，表示無(wú)水。對(duì)于圖11中的時(shí)域信號(hào)，用能量 系數(shù)算法算出能量系數(shù)為25%，說(shuō)明水量基本沒(méi)有。綜合能量系數(shù)和有水比例得出該測(cè)量 點(diǎn)對(duì)應(yīng)地下某一深度沒(méi)有水。
實(shí)例三、 如圖13所示，該圖表示的是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中的某一實(shí)例，測(cè)量一個(gè)剖面，測(cè)量剖面 的長(zhǎng)度為80米，每次測(cè)量感應(yīng)探針組11的距離L長(zhǎng)度為IO米，插入深度為15厘米。先在 第一個(gè)點(diǎn)(即圖中橫坐標(biāo)的0到10米)測(cè)量，要求測(cè)量的深度為7種分別為40米到75 米，75米到110米，110米到145米，145米到180米，180米到225米，225米到260米，260 米到300米。每種深度重復(fù)測(cè)量三幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片采集時(shí)間長(zhǎng)度為 20秒鐘，先測(cè)量40米到75米段的深度，依次由淺入深測(cè)量， 一直到260米到300米段測(cè)完。 然后移動(dòng)感應(yīng)探針組到10米和20米處，再按照上一測(cè)量點(diǎn)的順序依次測(cè)量，直到第二個(gè)測(cè)
量點(diǎn)的260米到300米深度段測(cè)完，......按照以上步驟移動(dòng)感應(yīng)探針組，直到測(cè)完整個(gè)
80米長(zhǎng)的剖面。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的每個(gè)深度都重復(fù)測(cè)量了三次，將三次測(cè)量的能量系數(shù)和有水 比例相乘后，再將三次乘積相加，再將相加的和除以3得到該深度的有水情況。因?yàn)槊繙y(cè)量 一幀數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)都將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)了，根據(jù)每幀里的測(cè)點(diǎn)、深度、有水比例、能量系數(shù)等數(shù)據(jù)，繪 制出水層分布示意圖。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于地球電磁感應(yīng)原理的地下水源探測(cè)方法，其特征在于步驟為①、將一個(gè)以上感應(yīng)探針組插入到地表內(nèi)，每個(gè)感應(yīng)探針組由兩個(gè)感應(yīng)探針組成，兩個(gè)感應(yīng)探針之間保持一定距離L；②、分別通過(guò)兩個(gè)感應(yīng)探針實(shí)時(shí)采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后得到兩個(gè)感應(yīng)探針?biāo)谔幟總€(gè)時(shí)刻的電壓差值U及關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖，并將該電壓差值U及關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示意圖傳送至主控制器，所述電壓差值U為交流值；③、主控制器給定某一通帶的頻率f對(duì)關(guān)于電壓值差U的時(shí)域信號(hào)示意圖依次進(jìn)行帶通濾波、低通濾波，由于兩個(gè)感應(yīng)探針之間區(qū)域的電流值I是恒定的，通過(guò)公式U＝R*I得到與各個(gè)時(shí)刻下電壓差值U對(duì)應(yīng)的電阻率R，然后根據(jù)濾波后的波形示意圖得到關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖；最后對(duì)關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖進(jìn)行頻譜分析，得到頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖；④、在得到的頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖中，如果幅值信號(hào)最大的10個(gè)幅值信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率均在5Hz以內(nèi)，則在兩個(gè)感應(yīng)探針之間的區(qū)域內(nèi)有地下水源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)方法，其特征在于所述 步驟④中，將關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖中數(shù)據(jù)的最大值減去最小值后的差值除以 最小值得到能量系數(shù)，當(dāng)能量系數(shù)大于100%時(shí)，計(jì)為100%，所述能量系數(shù)用來(lái)表示地下 水量的大小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)方法，其特征在于 所述步驟④中，將頻域圖中10個(gè)最大幅值的頻率值各自除以20后與對(duì)應(yīng)的幅值相乘，再將 十個(gè)所得到乘積值相加，將累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用來(lái)表示地下 水的流速。
4. 一種基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，其特征在于包括一個(gè)以上感應(yīng)探針組(11)、信號(hào)處理單元和主控制器(12)，所述每個(gè)感應(yīng)探針組(11)由兩個(gè)感應(yīng)探針組成，所 述感應(yīng)探針用來(lái)實(shí)時(shí)采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào) 處理單元放大、濾波后轉(zhuǎn)換成兩個(gè)感應(yīng)探針?biāo)谔幟總€(gè)時(shí)刻的電壓差值U及關(guān)于電壓差值 U的時(shí)域信號(hào)示意圖并送至主控制器(12)，主控制器(12)由關(guān)于電壓差值U的時(shí)域信號(hào)示 意圖得到關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖以及頻域信號(hào)示意圖，并根據(jù)頻域信號(hào)示意圖 做出是否有地下水源的判斷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，其特征在于所述信 號(hào)處理單元包括依次相連的50Hz工頻陷波單元(1)、差動(dòng)放大單元(2)、一級(jí)放大單元(3)、 低通濾波單元(4)、可調(diào)帶通濾波單元(5)、二級(jí)可調(diào)放大單元(6)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(7)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，其特征在于所 述每組中兩個(gè)感應(yīng)探針之間保持一定距離L， L大于等于10米且小于等于20米，所述感應(yīng) 探針插入地表深度大于等于10厘米小于等于20厘米。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，其特征在于所 述主控制器(12)含存儲(chǔ)單元(9)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于地球電磁感應(yīng)原理的水源探測(cè)儀，其特征在于所 述主控制器(12)含一顯示單元(10)。
全文摘要
一種基于地球電磁感應(yīng)原理的地下水源探測(cè)方法及探測(cè)儀，其步驟為①將感應(yīng)探針組插入到地表內(nèi)，感應(yīng)探針組由兩個(gè)感應(yīng)探針組成；②分別通過(guò)兩個(gè)感應(yīng)探針實(shí)時(shí)采集所在處由地球電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)；③給定某一通帶的頻率f對(duì)關(guān)于電壓值差U的時(shí)域信號(hào)示意圖依次進(jìn)行帶通濾波和低通濾波，得到關(guān)于電阻率R值的時(shí)域信號(hào)示意圖以及頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖；④在得到的頻率在5Hz以內(nèi)的頻域信號(hào)示意圖中，如果幅值信號(hào)最大的10個(gè)幅值信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率均在5Hz以內(nèi)，則在兩個(gè)感應(yīng)探針之間的區(qū)域內(nèi)有地下水源。該水源探測(cè)儀包括一個(gè)以上感應(yīng)探針組、信號(hào)處理單元和主控制器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、便攜性好、操作方便、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01V3/08GK101702034SQ20091020972
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者劉彥, 李新年, 石文明 申請(qǐng)人:湖南金宏源電子科技有限公司