隧道瞬变电磁接收系统的研究

发布时间：2019-11-04 06:01

【摘要】：在经济社会高速发展的今天,对道路交通设施的需求日益强烈,隧道是道路交通的重要组成部分,大量的隧道工程正在建设中,由于地形、地质条件复杂等因素,在隧道的建设中一旦发生突水、涌水等灾害事故,极易造成重大的生命财产损失。同时我国有大量已建成投入使用的隧道工程,也需要定期维护与隐患排查,亟需一种有效的方式能够辅助隧道施工,预防灾害事故的发生。瞬变电磁法具有非接触、使用方便、探测深度深等优势,已经成为物探领域内一种重要的电磁物探法,将其应用到隧道施工建设与隧道隐患排查中,探测是否存在灾害水源,为隧道施工提供决策辅助,对于预防隧道建设中发生突水、涌水事故具有重要的实际意义和价值。为进一步加强瞬变电磁法在隧道施工与隐患排查中发挥的作用,本文对隧道瞬变电磁接收系统展开研究。首先,本文针对隧道特殊的空间环境,通过对重叠回线方式、偶极偶极方式和中心回线方式三种线圈形式进行对比分析,选择具有使用方便灵活,对异常灵敏,与被测目标体耦合相对较好,具有较好穿透能力等优点的重叠回线方式作为系统的接收线圈形式。其次,针对重叠回线方式获取的感应信号幅度高达上百伏,远超出接收系统的量程的问题,采用常规的基于电阻分压式的匹配电路对信号进行衰减会导致二次场信号的损失,本文提出设计基于钳位二极管的新型匹配电路,在不衰减二次场信号的情况下使感应信号满足接收系统量程要求。再次,为满足隧道瞬变电磁接收系统的需求,设计了基于USB的数据采集板卡,采集板卡包括前端保护电路、程控电路、ADC驱动电路、ADC采集电路、FPGA核心控制电路、USB接口电路等部分,在设计板卡的过程中,研究如何发挥器件的性能,保证数据采集板卡的低噪声,并提高系统动态范围。然后,开展隧道瞬变电磁接收系统的软件设计,主要包括控制器软件和系统PC软件。控制器软件主要分为FPGA程序设计和USB开发程序设计;系统PC软件的开发由基于C++的动态链接库与基于Lab VIEW设计的操作软件共同完成,动态链接库内开发完成系统与USB数据板卡通信所需的功能函数,系统操作软件通过Lab VIEW调用动态链接库,实现对数据的读取、处理、保存和显示,以及对数据采集板卡的参数进行设置等功能。最后,进行对比测试和野外实验。自主研制的数据采集板卡与NI公司商品化的数据板卡进行对比,系统噪声幅度在100μV附近,动态范围在130d B,NI公司USB4431采集板卡的噪声幅度在250μV附近,动态范围在120d B,自主研制系统的噪声水平与动态范围指标均优于USB4431采集板卡;通过在标准场地对仪器系统进行验证性测试,实测结果与水文地质资料一致,确定探测数据的有效性,并通过与国外EM67系统的对比测试,确定仪器工作的稳定性;在江西赣江公路隧道进行的掌子面超前探测实际应用,为隧道施工提供决策辅助,验证了系统实际工程应用效果。
【图文】：

瞬变电磁,接收系统

做了大量的对比实验，国内最早从 70 研究工作，吉林大学地学部（原长春地质学院）、西安等研究机构都开始了瞬变电磁系统的研制工作[10]。现状澳大利亚联邦科学工业研究院推出了首台SIROTEM时间，该系统发射接收一体化，历经30多年的深入研究与发司已经研发出了最新款的TerraTEM瞬变电磁仪器系统[机，TerraTEM具备收发一体、叠加次数可选等特点，中A，外置大功率发射机发射电流可高达50A[13]，输出激发[14]，TerraTEM型瞬变电磁的接收机可选择为电缆同步和速度，配备了15英寸的触摸显示屏，国内已使用Terra河南省地矿局地质队曾使用TerraTEM在许昌、沁阳等矿[14]。

瞬变电磁,接收系统,瞬变电磁系统

图 1.2 PROTEM47 瞬变电磁接收系统瞬变电磁系统以 Tsikl-7 系统较为典型，图 1.3 数据采集，记录和存储方式有自动和手动两与加拿大的 PROTEM47 系统相比较，Tsikl-7 点，Tsikl-7 系统中的 GTE-4M 发射机最大激发极性方波[18]，发射电压范围在 12V~3000V，T式为电缆同步与 GPS 同步二者可选，所测信
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U456.3

【相似文献】