一种基于三维时间域激发极化数据采集方法及装置

1.本发明属于数据采集技术领域，尤其涉及一种基于三维时间域激发极化数据采集方法及装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来，激发极化技术逐渐应用于水文地质领域和环境地球物理领域，如确定污染物分布范围、含水层岩性特征、水盐运移路径等。由时间域激发极化法所获取的电阻率和极化率等参数与水文地质参数或污染物含量存在着明确的物性关系，可以有效降低单一高密度电阻率法测量带来的不确定性。但由于电极极化和电磁耦合效应的影响，激发极化的信号质量往往得不到保证。尤其是在高接地电阻或低背景电阻率的场地中，使用传统的数据采集方法几乎无法得到可用的时间域激发极化数据。这对时间域激发极化法得到更广泛的应用带来了极大的阻碍。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于三维时间域激发极化数据采集方法及装置，其能够在三维激发极化数据采集过程中有效降低电极极化和电磁耦合的影响，提高激发极化数据的信噪比，获取更准确的激发极化信号，并通过对二维激发极化数据采集方法的改进简化了激发极化的三维数据采集，提高激发极化数据采集与处理效率。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供了第一方面一种基于三维时间域激发极化数据采集方法，包括：包括如下步骤：
7.基于二维时间域激发极化测量协议进行修改得到适用于三维时间域激发极化测量协议；
8.基于三维时间域激发极化测量协议，将三维时间域激发极化测线中的电极均分为供电电极和测量电极，按照电缆编号的奇偶性将电缆进行分类，得到供电电缆和测量电缆，采用供电电极和供电电缆配合，测量电极和测量电缆配合得到第一次测量结果；
9.互换供电电极和测量电极，供电电缆和测量电缆进行相应的互换，进行镜像测量得到第二次测量结果；
10.基于第一次测量结果和第二次测量结果，得到三维时间域激发极化数据。
11.本发明提供了第二方面提供了一种基于三维时间域激发极化数据采集装置，其特征在于，包括激发极化数据采集系统和电极电缆布置系统；
12.所述激发极化数据采集系统包括电法仪、多个拓展盒子以及装置连接线，所述装置连接线用来连接电法仪和拓展盒子或者拓展盒子和下一个拓展盒子；
13.所述电极电缆布置系统包括多条电缆，每条电缆按顺序依次编号；
14.每条电缆由两个分电缆组成，两个分电缆首尾相连，每条分电缆连接多个电极，电极按顺序编号；所述电法仪和拓展盒子按照电缆的编号分别和对应的电缆相连；
15.所述电法仪用于设置测量参数，根据测量参数和电缆和电极的配合进行测量，得到三维时间域激发极化数据。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明使用修改的二维多梯度阵列进行三维激发极化数据采集工作，将不同电缆功能化，把一部分电缆只用来供电作为供电电缆，另一部分电缆只用来测量作为测量电缆；采用这样的方式将二维测量方法扩展到激发极化的三维测量中，简化了测量协议的设计工作。
18.本发明将第奇数条电缆的电极布置为不锈钢电极作为供电电缆，相邻的第偶数条电缆的电极布置为不极化电极或不锈钢电极作为测量电缆，减小电极极化和电磁耦合对激发极化数据质量造成的不利影响。
19.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1为本发明实施例一的测量工作原理流程图；
22.图2为本发明实施例一的激发极化衰减曲线结果图；
23.图3为本发明实施例二的三维时间域激发极化测量工作示意图；
24.图4为本发明实施例二的测线电极布置示意图。
具体实施方式
25.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.在本发明中，术语如“上”、“下”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
28.本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
29.实施例一
30.如图1所示，本实施例提供了一种基于三维时间域激发极化数据采集方法，包括如下步骤：
31.s101:基于二维时间域激发极化测量协议进行修改得到适用于三维时间域激发极化测量协议；
32.首先需要对测量协议中的电极地址文件和坐标文件进行重新编码，使数据格式可以自动化导出处理。根据实际场地的尺寸，添加合适的电缆数量，并修改每条电缆的编号、电极i d、电极地址编码、电极坐标等。
33.将二维的电极文件及坐标文件三维化，使得测量结束后导出的数据可以直接进行反演。
34.s102:基于三维时间域激发极化测量协议，将三维时间域激发极化测线中的电极均分为供电电极和测量电极，按照电缆编号的奇偶性将电缆进行分类，得到供电电缆和测量电缆，采用供电电极和供电电缆配合，测量电极和测量电缆配合得到第一次测量结果；
35.s103:互换供电电极和测量电极，供电电缆和测量电缆进行相应的互换，进行镜像测量得到第二次测量结果；
36.s104:基于第一次测量结果和第二次测量结果，得到三维时间域激发极化数据。
37.其中，s102中，在一次测量过程中供电和测量两者不能混用，供电电极只作供电使用，测量电极只作测量使用，避免电极在供电时自身和附近地面受到的极化作用影响二次电场衰减信号，造成测量数据质量变差。
38.将三维时间域激发极化测线中的电极均分为供电电极和测量电极，通过供电电极将电法仪传输的电流以点电源的形式注入地下介质中形成一次电场，电流断开后通过测量电极测量二次电场的衰减曲线。
39.s103中，按照电缆编号的奇偶性将电缆进行分类包括：将第奇数条电缆的电极布置为不锈钢电极作为供电电缆，相邻的第偶数条电缆的电极布置为不极化电极或不锈钢电极作为测量电缆。
40.这样的目的是为了减小电极极化和电磁耦合对激发极化数据质量造成的不利影响。
41.将不同电缆功能化，把一部分电缆只用来供电作为供电电缆，另一部分电缆只用来测量作为测量电缆；采用这样的方式将二维测量方法扩展到激发极化的三维测量中，简化了测量协议的设计工作。
42.s103中，第一次测量结束，间隔一定时间，待供电电极与附近地表介质放电结束后，互换供电电极和测量电极，供电电缆和测量电缆相应进行互换，将第奇数个电缆作为测量电极，第偶数个电缆作为供电电极进行第二次测量，并与第一次测量的结果交叉验证。
43.进行第二次测量时可以在最后一条电缆后按照电缆间距布置另一条电缆，此电缆的供测类型与上一条电缆的供测类型相反，将测线整体往后平移一个电缆间距，对第2条之后的电缆进行测量以简化互换电缆的工作流程。
44.s104中，修改激发极化测量协议，将二维协议重新编码；把相邻的两条测线作为一个整体，修改协议中所有测量电极的编号，将其编号整体增加一条测线的电极数，使得重新编码后一对供测电缆上的供电电极编号与测量电极按协议编号互相匹配，实现改进的二维
激发极化测量协议进行三维激发极化测量的目的。
45.选取某石窟窟顶对其地下空间的水盐分布及运移路径进行探测，选取某石窟窟顶对其地下空间的水盐分布及运移路径进行探测；
46.在第一次测量中，使用修改的二维多梯度阵列进行三维激发极化数据采集工作。将不同电缆功能化，把一部分电缆只用来供电作为供电电缆，另一部分电缆只用来测量作为测量电缆；采用这样的方式将二维测量方法扩展到激发极化的三维测量中，简化了测量协议的设计工作。
47.进行镜像测量，以验证激发极化信号的数据质量；第一次测量结束，间隔一定时间，待供电电极与附近地表介质放电结束后，互换供电电极和测量电极，供电电缆和测量电缆相应进行互换，将第奇数个电缆作为测量电极，第偶数个电缆作为供电电极进行第二次测量，并与第一次测量的结果交叉验证。
48.进行第二次测量时可以在最后一条电缆后按照电缆间距布置另一条电缆，此电缆的供测类型与上一条电缆的供测类型相反，将测线整体往后平移一个电缆间距，对第2条之后的电缆进行测量以简化互换电缆的工作流程。
49.图2为本发明实施例的激发极化衰减曲线结果图。如图2所示本公开能够在三维激发极化数据采集过程中有效降低电极极化和电磁耦合的影响，提高激发极化数据的信噪比，获取更准确的激发极化信号，并通过对二维激发极化数据采集方法的改进简化了激发极化的三维数据采集，提高了激发极化数据采集与处理效率，可应用于水文地球物理和环境地球物理勘察中。
50.实施例二
51.如图3-图4所示，本实施例提供一种基于三维时间域激发极化数据采集装置，包括激发极化数据采集系统和电极电缆布置系统；
52.所述激发极化数据采集系统包括电法仪101、拓展盒子102、装置连接线103以及蓄电池104；
53.所述装置连接线103用来连接电法仪101和拓展盒子102或者拓展盒子102和下一个拓展盒子102；
54.所述电极电缆布置系统包括多条电缆202，每条电缆按顺序依次编号；每条电缆由两个分电缆组成，两个分电缆首尾相连，每条分电缆连接多个电极201，电极201按顺序依次编号；
55.所述电法仪101和拓展盒子102按照电缆的编号分别和对应的电缆202相连；
56.所述电法仪101用于设置测量参数，以大地平面为基础，x方向为平行电缆的方向，y方向为垂直电缆的方向，每一个电极的位置用x和y坐标表示，z方向为往地下延伸的方向，根据测量参数、电缆和电极的配合进行测量，得到三维时间域激发极化数据。
57.本实施例中，通过前期对测量协议进行改进后，电法仪得到的数据无需处理即为三维时间域激发极化数据。
58.数据格式为：前几行是测量参数，后面几千行是得到的数据；数据前两列为第一个供电电极的x和y坐标，三四列为第二个供电电极的x和y坐标，五六列为第一个测量电极的x和y坐标；七八列为第二个测量电极的x和y坐标，后面几列为前面坐标对应的电阻率和极化率数据。
59.电缆和电极布置在大地平面上，以大地平面为基础，x方向为平行电缆的方向，y方向为垂直电缆的方向，每一个电极的位置都可以用x和y坐标表示，z方向为往地下延伸的方向，z的深度与电极的间距有关，电极间距越大，z的深度越深。
60.时间域激发极化测量的是地下二维剖面的情况，反映一条测线正下方的x和z方向的信息。三维测量所得到的为几条平行测线下面整个体的情况，反映x、y、z三个方向的信息。
61.作为一种或多种实施例，所述电法仪101上设置第一电缆连接头1011和第二电缆连接头1012，所述第一电缆连接头连接第一条电缆的第一个分电缆，所述第二电缆连接头连接第一条电缆的第二个分电缆，所述每个拓展盒子102上设置第三电缆连接头1021和第四电缆连接头1022，其余条电缆的第一个分电缆和第三电缆连接头1021相连，第二个分电缆和第四电缆连接头1022相连。
62.作为一种或多种实施例，所述电法仪101上拓展盒子连接头1013，所述拓展盒子102上设置第五连接头1023和第六连接头1024；
63.拓展盒子连接头1013和装置连接线103连接，所述装置连接线103和第五连接头1023连接，第五连接头1023通过装置连接线103和第六连接头1024连接，依此类推，直到连接至最后一个拓展盒子。
64.所述电法仪101可进行12通道激发极化数据采集，拓展盒子用于多通道电法仪的电缆接头数无法满足三维调查时，装置连接线用来连接电法仪和拓展盒子或者拓展盒子和下一个拓展盒子；所述第五连接头1023可以作为前一个拓展盒子的连接头也可以作为电法仪连接头。
65.所述电法仪101和拓展盒子102均与蓄电池104相连，所述蓄电池用于提供通入地下和自身工作所需要的电源；本实例使用的蓄电池为12v锂电池。
66.作为一种或多种实施例，所述多条电缆202之间互相平行分布；
67.每条电缆按顺序依次编号，第一条电缆的编号为1号，则其他电缆编号依此为2号、3号、4号
……
，将所有电缆完成编号；
68.所述每条分电缆连接多个电极，电极按顺序编号，例如，每个分电缆均可连接32个电极，1号电缆的第一个分电缆连接的电极编号为1-32号，第二个分电缆连接的电极编号为33-64号，2号电缆的第一个分电缆连接的电极编号为65-96号，第二个分电缆连接的电极编号为97-128号，其他号电缆按此规律完成所有编号。
69.作为一种或多种实施例，所述电缆202分为供电电缆和测量电缆，所述电极201分为供电电极和测量电极，所述供电电缆和测量电缆间隔分布，所述供电电缆上连接供电电极，所述测量电缆上连接测量电极。
70.作为一种或多种实施例，所述供电电极采用不锈钢电极，测量电极采用不极化电极或或不锈钢电极，所述不锈钢电极采用其自带的金属圆环与电缆连接，不极化电极通过外接装置与电缆连接，取决于现场的电极布设条件、接地电阻以及背景电阻率。
71.作为一种或多种实施例，所述每条电缆作为一条测线，相邻的供电电缆和测量电缆测线上的供电电极编号与测量电极按协议编号互相匹配，作为一个测量整体。
72.针对二维激发极化数据采集模式，对测量协议进行修改。在二维激发极化测量协议的基础上，将二维协议重新编码；把相邻的两条测线作为一个整体，修改协议中所有测量
电极的编号，将其编号整体增加一条测线的电极数，使得重新编码后一对供测电缆上的供电电极编号与测量电极按协议编号互相匹配，实现改进的二维激发极化测量协议进行三维激发极化测量的目的，并将其导入可以进行野外探测的多通道电法仪中以便现场测量使用。
73.作为一种或多种实施例，所述电法仪101可用于设置采集协议、电极间隔、采集模式、供电电流以及衰减时间等测量参数。
74.其中，所述采集协议为修改后用于三维激发极化测量的多梯度阵列；
75.电极间隔设为实际现场电极间距；
76.采集模式为激发极化测量的，最大重复测量次数为2-4次以保证数据质量和测量时间的平衡；
77.激发极化衰减时间为1-8秒，将其分为8-14个窗口记录激发极化数据，最大供电电流为100-500ma。
78.作为一种或多种实施例，测量开始之前首先进行电极和电缆的布置工作。布置电极的间距取决于现场的尺寸、预期探测深度和分辨率。
79.本实例中电极间距为两米。
80.电极布置位置应尽量选择空旷且地势起伏不大，且地表没有岩石等坚硬材料处。布置电极前应先确定测线起始点，并在起始点之间布置长度测量装置，电极位置根据长度测量装置读数确定。使用金属圆锤将不锈钢电极插入地表以下10-20厘米处，并浇注盐水润湿而后将其附近紧实处理，保证测量过程中接地电阻在可接受范围之内，一般为小于1千欧姆。
81.不极化电极的布置需先用工兵铲挖出直径10厘米左右的电极填埋体，在其底部浇注盐水并与土混合使之成为泥浆状，而后将不极化电极放入电极填埋体并加土掩埋将其紧实处理，保证测量过程中接地电阻在可接受范围之内，一般为小于1千欧姆。
82.作为一种或多种实施例，所述三维时间域激发极化数据为：地下半空间内(x,y,z)的坐标位置及其对应的一系列平均二次电压与直流电压的比值。
83.本实施例通过对二维时间域激发极化数据采集方法进行修改使之用于三维激发极化测量，简化了激发极化信号的三维数据采集；将三维时间域激发极化测线中的电极均分为供电电极和测量电极，供电电极只作供电使用，测量电极只作测量使用，将不同电缆功能化，编号为奇数的电缆使用不锈钢电极作为供电电缆，编号为偶数的电缆使用不极化电极作为测量电缆完成测量，而后互换供测电极和电缆进行镜像测量；对测量协议中的电极地址文件和坐标文件进行重新编码，使数据格式可以自动化导出处理。提高了三维激发极化测量的数据质量及数据采集与处理效率。
84.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。