一种时域双波形组合的城市地下空间电磁探测方法

本发明涉及一种时域双波形组合的城市地下空间电磁探测方法，适用于电磁法地球物理勘探或地质结构探测领域，尤其是为城市地下空间时域电磁精细化探测提供解决方案。

背景技术：

1、磁性源瞬变电磁法(tem)具有探测深度覆盖范围广且对工作环境适应能力强的优点，在金属矿产勘探、水资源调查、城市地下空间结构探测和隧道地质勘察等方面得到了广泛应用。近年来，随着城市建设质量的快速提高，对城市地下空间探测的投入越来越大，要求实现浅层地质结构的高精度探测；主要包括地铁轨道线路规划、道路下方空洞探测和排水管道维护等。小回线tem系统因其占地面积小、工作效率高、探测深度范围大的优点，在城市地下空间地质结构探测中起到了重要作用。

2、小回线tem系统通常由一个发射机、一个多通道采集装置、一个发射线圈和一个感应线圈组成。小回线tem系统一般选择中心回线工作方式，为了满足接收系统的量程，设置bucking补偿线圈减小接收线圈的一次感应电压。发射线圈的双极性电流激励产生变化的一次场，当发射电流关断后，地下导体中的涡流会产生变化的二次场；感应线圈作为一次场和二次场的传感器，输出感应电压并通过采集装置进行记录。通过数据解释方法对采集装置获取的电磁响应数据进行处理，得到地下介质的电阻率分布情况，从而获取探测区域的地质结构信息。

3、传统的小回线时域电磁法由于在数值模拟精度、探测仪器和数据解释方法等方面存在诸多问题，对城市地下空间等浅层目标体的探测精度较低。在数值模拟方面，传统方法通过初始场方式加载激励源，浅层信息被覆盖，且小回线电磁响应数值模拟精度低，无法对不同电流波形的浅层探测效果进行有效数值模拟。在探测仪器方面，传统发射系统的输出波形为单一梯形波，电磁波传播速度过快，对近地表目标体的分辨率较低，存在探测盲区；传统接收系统存在采样率较低、噪声水平较大和采集时间长度有限的问题，无法对发射电流和电磁响应进行同时采集，也无法进行全波形采集，获取的数据质量较低，不利于后期的数据解释。在数据解释方面，传统数据解释方法主要针对梯形波关断后响应进行数据解释，对全波形响应进行数据解释存在困难，更无法对组合波形响应进行联合数据解释。小回线数值模拟方法精度低、电磁探测仪器系统性能低下和数据解释方法固化严重限制了瞬变电磁法在城市地下空间的进一步发展和应用。

4、为了对小回线的探测能力进行高精度数值模拟，采用cn-fdtd方法对电磁波动方程进行离散，增大迭代时间步长和数值模拟稳定性；将发射电流波形转化为电流密度进行含源计算，实现不同发射电流波形的数值模拟；同时加载cfs-pml边界条件，进一步减小数值模拟误差，最终实现了不同波形激励下小回线发射线圈对城市地下空间探测能力的高精度数值模拟。此外，提出感应电动势“累积灵敏度”概念对多种电流波形的探测能力进行定量分析，通过累积灵敏度为90％的曲线分布特征确定不同波形对不同深度目标体的分辨率，从而选择最优的发射参数组合策略，实现对城市地下空间的高分辨率探测。

5、为满足城市地下空间的大范围高精度探测需求，传统的单一梯形波无法满足要求，而半正弦波脉冲宽度大，半正弦波下降沿的电磁波在近地表长时间分布，能够有效获取小于5m的浅层目标体信息；而梯形波发射电流关断后，电磁波传播速度较快，能够对大于5m的较深层目标体进行有效识别；梯形-半正弦波组合发射电流可以提高城市地下空间地下结构的探测范围和探测精度，减小探测盲区。

6、双通道双采样率低噪声连续采集系统是城市地下空间探测的关键组成部分，为了完全去除一次场，需要对电流波形和电磁响应进行同步记录，因此要求采集系统能够实现双通道同时采集；此外，为了尽可能早的获取第一个有效信号，要求采集系统的采样率足够高，然而高采样率采集时噪声水平较高，因此晚期响应需要用低采样率采集，高、低双采样率搭配能够提高有效信号长度；为了提高城市地下空间数据解释精度，需要采用全波形响应进行数据解释，因此要求采集系统具有连续采集的功能，对发射电流波形及电磁响应进行全波形记录。

7、双波形组合发射系统和双通道连续采集接收系统为城市地下空间双波形组合探测方法提供了硬件支撑，并获取了实测电流波形和全波形电磁响应信息。然而传统的数据解释方法无法对全波形响应进行视电阻率参数提取；此外，无法对梯形波和半正弦波的视电阻率参数进行联合数据解释。神经网络算法近年来在电磁数据解释方面发挥了重要作用，对样本集进行训练之后能够对各个阶段电磁响应的参数进行提取，因此采用bp神经网络算法对全波形响应进行视电阻率参数提取，并根据视电阻率权重系数进行组合波形联合电阻率成像，实现对城市地下空间的大范围高精度数据解释。

8、中国专利cn117492099b公开了城市地下空间拖曳式时频联合电磁探测系统及方法，通过时频联合探测系统完成时间域和频率域电磁法电流发射与采集，实现了时间域和频率域波形的联合发射,有效解决了传统电磁探测装置工作模式单一,探测方式局限的问题。通过两种方式或两种波形联合探测能够在一定程度上提高城市地下空间的探测分辨率。

9、中国专利cn113866835b公开了一种时域三波形组合的电磁发射系统及控制方法，由主控电路、发射桥路、rlc串联谐振电路、无源钳位电路、发射线圈等构成发射系统，能够产生不同关断时间的梯形波、三角波，不同脉宽的半正弦波及其组合波形发射电流，通过改进激励源提高了瞬变电磁法整体的勘探精度。通过改进发射电路拓扑结构可以实现组合波形的发射。

10、以上所述方法公布了采用时间域和频率域组合发射、时域多边形组合发射提高地下目标体探测精度的策略，均是通过改进发射源来提高探测精度。然而对于城市地下空间地质结构的精细化电磁探测，对小回线数值模拟方法、发射系统、采集装置和数据解释方法均提出了新的要求，仅通过改进发射系统对探测精度的提高作用是有限的，已有电磁探测系统几乎都无法实现城市地下空间的大范围、高精度探测；且采集装置的采样率和噪声水平基本上决定了电磁法对城市地下空间近地表目标体探测的有效性。如何输出高质量的组合电流波形、获取长时窗的全波形电磁响应，采用智能算法进行双波形联合数据解释并实现城市地下空间的精细化探测是本领域技术人员迫切解决的一个技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种时域双波形组合的城市地下空间电磁探测方法，目的在于通过进行小回线发射电流波形探测效果分析、双波形组合发射系统研制、双通道连续采集装置研制和双波形联合数据解释等步骤，实现城市地下空间的精细化探测。

2、本发明包括如下步骤，一种时域双波形组合的城市地下空间电磁探测方法：

3、1)、采用cn-fdtd方法对电磁波动方程进行离散，将发射电流波形转化为电流密度进行含源计算，同时加载cfs-pml边界条件，实现不同波形激励下小回线发射线圈对城市地下空间探测能力的高精度数值模拟；

4、2)、基于感应电动势“累积灵敏度”概念对不同发射电流波形探测能力进行定量分析，通过观测累计灵敏度为90％的分布曲线特征，确定不同波形对不同深度目标体的分辨率，提出了半正弦波下降沿测量近地表目标体，梯形波关断后测量较深层目标体的组合策略，通过梯形-半正弦组合波提高城市地下空间的探测范围和探测精度；

5、3)、采用h桥逆变技术、无源钳位技术、rlc串联谐振技术和电流隔离技术设计梯形-半正弦波组合发射电路拓扑结构，实现半正弦波和梯形波的组合发射，且发射参数可以调节，两种波形之间互不干扰，显著提高对城市地下空间的激励能力和纵向探测分辨率；

6、4)、基于多通道变采样率adc模块设计双通道双采样率低噪声连续采集系统，实现对组合发射电流波形和电磁响应的同步记录；通过双采样率采集方式，延长有效信号的观测时间，提高探测范围；通过连续采集方式，获取全波形响应，为接下来的全波形数据解释提供技术支撑；

7、5)、采用bp神经网络算法对梯形-半正弦波组合发射电流的全波形响应进行视电阻率参数提取，并根据累积灵敏度数值模拟结果确定两种波形的视电阻率权重系数，进行组合波形联合电阻率成像，实现城市地下空间的大范围、高精度数据解释。

8、其中步骤2)中，为了对小回线条件下半正弦波和梯形波的探测能力进行分析，首先基于感应电动势“累积灵敏度”概念对两种电流波形的探测能力进行定量分析，具体表示为从地面至某一深度各节点的感应电动势之和hp与计算区域所有节点感应电动势之和ha的比值，感应电动势“累积灵敏度”在数学上的表达式为：

9、

10、式(1)中u、v、w分别为x，y，z方向的网格剖分节点总数，w为当前深度所在的z方向网格剖分节点数，tn为当前迭代次数n的时刻；

11、基于感应电动势“累计灵敏度”的城市地下空间小回线探测能力数值模拟定量分析结果，明确了采用梯形-半正弦波组合发射电流作为电磁激励源能够显著提高城市地下空间的探测范围和探测精度。

12、步骤3)中，所述梯形-半正弦波组合发射电路拓扑结构主要包括h桥逆变电路、无源钳位电路、吸收电路、rlc串联谐振电路和电流隔离电路；其中无源钳位电路包括总开关电路k7、k8和两组基于tvs构成的高压钳位电路k9～k12、tvs-a、tvs-b，用于控制梯形波发射电流的线性度和关断时间，实现梯形波的快速关断；吸收电路由功率电阻r0和开关模块k5、k6构成，在梯形波发射电流关断晚期与发射线圈串联，使发射线圈工作在临界阻尼或过阻尼状态，抑制梯形波发射电流的尾部震荡；rlc串联谐振电路由h桥路的双极性供电电源、谐振电容c1、谐振电感(等效为r1和l2)、发射线圈(等效为r和l1)和开关模块k13、k14组成，为了减小发射电路的复杂性并提高稳定性，谐振电路直接由供电电源供电，产生双极性半正弦波，且半正弦波发射电流的幅值和脉冲宽度等参数均可调节；电流隔离电路由两部分组成，一是将h桥路的四个开关模块k1、k2、k3、k4与四个功率二极管d1、d2、d3、d4串联，间接构成四个晶闸管，能够严格限制半正弦波发射电流的方向，此外，能够抑制半正弦波发射电流的尾部震荡；二是在发射电路中设置梯形波发射支路k15、k16，在rlc串联谐振电路两端串联两个开关模块k13、k14，实现梯形波和半正弦波的电流隔离，两种波形互不干扰，从而实现梯形-半正弦波的高质量组合发射，为城市地下空间探测提供稳定性高、性能优异的激励源；

13、步骤4)中，所述双通道双采样率低噪声连续采集系统包括传感器模块、信号调理电路、模数转换电路、模数隔离电路、主控电路、同步电路、存储电路、人机交互模块和电源模块九个部分；传感器模块包括磁通门电流传感器和接收线圈，磁通门电流传感器将电流信号转换为电压信号，感应线圈将变化的磁场转换为感应电压，通过前置放大器对信号进行一级放大后输入到信号调理电路；信号调理电路负责将传感器输出的电压信号进行衰减、滤波和电平抬升，使调理后的信号能够满足adc的输入范围要求；模数转换电路包括多通道变采样率adc及其外围电路，对调理后的两路模拟电压信号进行同时采样；模数隔离电路主要包括模数隔离器及其外围电路，将模拟电路部分和数字电路部分进行隔离，降低电路之间的串扰；主控电路用于产生系统时钟和控制信号，对系统的双采样率采集、收发同步、数据的传输和存储等进行控制；存储电路包括数据传输和数据存储两个部分，模数转换器输出的数字信号首先通过dma传输到外部sram中缓存，然后mcu将缓存数据传输到sd卡中进行保存，通过乒乓双缓存结构实现了双通道数据的连续采集和存储，获取了全波形电磁响应和电流波形；人机交互电路主要包括按键和显示屏，用于输入采集指令；采集系统实现了发射电流波形和电磁响应的高精度全波形同步记录，获取的数据质量显著提高，从根本上提高了数据解释精度；

14、其中步骤5)中，所述对梯形-半正弦波组合发射电流全波形响应进行视电阻率参数提取的bp神经网络算法主要包括七个步骤；步骤一是通过采集装置记录梯形-半正弦波组合发射电流，保证发射电流波形参数与实际探测的发射参数一致；步骤二是样本集准备，实测梯形波发射电流与均匀半空间阶跃响应卷积构成样本集1，同时实测半正弦波发射电流与均匀半空间阶跃响应卷积构成样本集2；其中电导率从0.0001s/m到1s/m等间隔设置2000个值，为了与电磁响应采集参数匹配，时间范围从10.4μs至20ms等间隔设置1920个值；最后可得到大小为2000×1920的电磁响应输入样本集和2000×1920的电导率输出样本集；步骤三是对样本集进行预处理，由于早期电磁响应与电导率存在非线性关系，因此将训练样本中的电磁响应和电导率皆归一化到0.1至0.9之间；步骤四是神经网络的建立，采用matlab工具箱中的“神经网络拟合”应用程序来建立神经网络，将归一化后的电磁响应数据和电导率数据导入，分别作为神经网络的输入和输出；将神经网络隐含层层数设置为2，神经元数量分别设置为8和5，采用newff函数建立网络；步骤五是神经网络的训练，采用levenberg-marquardt算法作为训练函数，同时，为保证bp神经网络的泛化能力，选择总样本的70％作为训练样本，15％作为验证样本，15％作为测试样本；训练结束后，记录每个时间道的均方误差，当1、2号样本集的训练误差皆小于10-8时才能停止训练；步骤六是进行视电阻率参数提取，将实测全波形电磁响应代入训练集，获取视电阻率参数，同时计算对应的视深度参数；步骤七是基于累积灵敏度数值模拟结果确定视电阻率权重系数，视深度小于等于6米时，半正弦波和梯形波的视电阻率权重系数为0.8和0.2；视深度大于6米时，半正弦波和梯形波的视电阻率权重系数为0.2和0.8；通过视电阻率权重系数实现了双波形电磁响应的联合数据解释。