CN101292176A - 用于实施电磁探测的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于实施对地球表面的电磁探测的方法和装置(10)。至少提供一个初级线圈(12)。给初级线圈通电以产生一次电磁场，并使地球表面暴露于该一次场中。提供接收机，以检测地球由于一次场在其中所产生的电流而产生的二次场。以使得该一次场在接收机周围的三维体积内无效的方式给隔开的无效线圈(14)通电，从而使得该接收机能够通过矢量法检测二次场。

Description

用于实施电磁探测的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于实施电磁探测(即地球物理勘测)的方法和装置。
背景技术
已知在电磁探测系统中使用大功率发射机，其依靠发射机回路产生一次的、随时间变化的电磁场。该一次场在地球中激发电流，反过来产生二次场。例如，接收机所检测到的二次场可用于分析地球成分。可以认识到，系统的灵敏度和动态范围受接收机所检测到的一次场与二次场之间的比的限制。
接收机暴露于一次场会影响精确度，并因此影响检测信号的有效性。因此，可以认识到，为限制干扰，需要使接收机处的一次场无效或反接。例如，公知的AeroTEM系统利用包括扁平的初级线圈或者回路的发射机，给发射机馈入一个方向上的电流以在一个轴向方向上产生一次场。将直径较小的扁平的无效(nulling)或者反接线圈布置在初级线圈的中心，并向其馈入相反方向的电流，以产生与一次磁场轴向相反的无效场，从而在轴上并在轴向方向上无效该一次磁场。
然而，仅仅因为一次场在其他方向上的成分仍然干扰(swamp)该接收机，因而在轴向方向上无效该一次场仅仅使接收机能够检测该方向上的二次场。因此，现有的系统无法在三维中或通过矢量法执行对二次场的准确检测。此外，这表明，该公知系统的精确度对于很多微扰敏感，例如该无效线圈相对于初级线圈的轴向的、径向的或者旋转的位移。反过来，这意味着机械线圈结构必须是鲁棒且坚硬的，由此降低其空气动力学效果。在线圈结构要通过飞机(例如直升机)进行运输的情况下，问题可能尤为突出。
本发明设法提供一种改进的系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于实施对地球表面的电磁探测的方法，该方法包括以下步骤：提供至少一个初级线圈；给线圈通电，以产生一次电磁场；使地球表面暴露于该一次场中；提供接收机，以检测地球由于一次场在其中所产生的电流而产生的二次场；提供隔开的多个无效线圈，并以使得该一次场在该接收机周围的三维体积内无效的方式来给该无效线圈通电。
使一次场在该接收机周围的三维体积内无效，使得接收机能够通过矢量法检测二次场。
通过将无效线圈与初级线圈串联布置，可以通过与初级线圈相同的电流来给无效线圈通电。然而，在本发明的范围内，例如通过适当的电流分路来控制馈送给无效线圈的电流，以便仅通过初级电流(即，馈送给初级线圈)的一部分来驱动特定无效线圈。
在本发明所设想的一个特定结构中，将无效线圈以纵向隔开、堆叠的关系同轴地布置在初级线圈的轴上。可以存在多个以纵向隔开的关系同轴布置的初级线圈。
根据本发明的另一方面，提供了用于实施电磁探测的装置，该装置包括：至少一个初级线圈；用于给该线圈通电以产生一次电磁场并使地球表面暴露于该一次场中的装置；接收机，用于检测地球由于该一次场在其中所产生的电流而产生的二次场；隔开的多个无效线圈；以及用于以使得该一次场在接收机周围的三维体积内无效的方式给无效线圈通电以使得接收机能够通过矢量法检测二次场的装置。
根据本发明，还提供了一种无效线圈装置，其包括：多个无效线圈，以相对于接收机和一个或更多个产生一次场的初级线圈的预定配置布置；以及用于给无效线圈通电的装置，该多个无效线圈组合起来，产生用于使一次场在接收机周围的体积内无效的场，从而使得接收机通过矢量法检测由地球响应于其暴露于该一次场而产生的二次场。
本发明的其他特征将根据下面给出的描述和所附权利要求来说明。
附图说明
现在将参考附图，仅作为示例更为详细地描述本发明。
图1概略地示出了本发明的第一实施例；以及
图2概略地示出了本发明的第二实施例。
具体实施方式
从图1可以看出，装置10包括：单个扁平的初级线圈12；以及多个(这里为两个)扁平的无效或者反接线圈14，它们以纵向隔开、堆叠的关系与初级线圈同轴布置。以箭头16指示的方向的电流给初级线圈通电，以箭头18指示的反方向的电流来给无效线圈14通电。初级线圈12产生的一次场由箭头20指示。无效线圈产生的无效场由箭头22指示。如下面更详细描述的，线圈的几何形状及其通电方式使得场20在线圈的公共轴的体积中至少近似地抵消场22。
无效线圈可以具有单匝或者多匝。此外，可以通过改变它们的纵向间隔和半径来控制由无效线圈所产生的无效场的场曲率。在实际中，针对无效线圈中的给定数目的匝数，将为了提供在无效体积上对一次场20的最佳的无效而选择线圈半径和纵向线圈间隔。
在实际布置中，使用具有10m标称直径的8匝初级线圈12。下表给出了数学推导出的无效线圈的最佳布置。
  反接匝数号   反接线圈的直径(mm)   反接线圈的间隔(mm)  注释
  2×12×2   18133806   8861700  Z反接有效超过±100mm，径向非常窄Z反接很好地匹配超过±150mm，径
2×3 6280 2226 向误差＜10nT，超过15mm半径Z反接很好地匹配超过±250mm，径向误差＜10nT，超过30mm半径
从这个表可以看出，无效线圈布置包括两个直径1.813m且纵向间隔0.886m的单匝无效线圈14，Z反接或者无效，即在纵向，轴向上非常有效，但是无效体积具有有限的径向延伸。在该范围的另一个端，利用直径为6.28m的、纵向间隔2.226m的三匝无效线圈，在轴向方向上也具有良好的无效，但在这种情况下该无效体积具有更大的径向延伸。
根据该表布置的堆叠的无效线圈经过了微扰分析，其中研究径向的、旋转的和轴向微扰对于单匝和多匝无效线圈的配置所施加的影响。这些分析同样说明，对于每种方案，轴向无效体积的直径相当大，并且径向微扰(例如位移)比上面所提及的公知的AeroTEM系统具有较小的显著有害影响。尽管该系统也能够容忍旋转微扰，但其对于轴向微扰极为敏感。
图2示出了一实施例，其包括一对堆叠的初级线圈12，并且还有一对堆叠的无效线圈14。将该初级线圈布置为Helmholtz对，其中沿着线圈的公共轴的联合磁场是恒定的。利用这种初级线圈的配置，可以通过将无效线圈布置为Helmholtz对(即匝数与初级线圈与无效线圈的半径比成比例地缩放，并且在无效线圈中流动的电流的方向与其在初级线圈中的流动的方向相反)来有效地执行对一次场的纵向无效。
为了进行比较，选择初级线圈的直径为7.07m，每个初级线圈具有八匝，以提供与图1中的具有10mm直径的单个初级线圈布置类似的偶极矩。对于这种初级线圈配置，下表给出了无效线圈的最佳配置和几何形状。
  反接匝数号   反接线圈的直径(mm)   反接线圈的间隔(mm)   注释
  2×12×22×32×4   884176825623526   44288413261768   Z反接有效超过±25mm，R反接无效R＜75mm，Z反接＜10nT，R＜75mm，R反接＜±10nTR＜150mm，Z反接＜10nT，R＜100mm，R反接＜±10nTR＜180mm，Z反接＜10nT，R＜125mm，R反接＜±10nT
该表示出了Z反接或者无效(即，在纵向或者轴向方向上的无效)对于单匝、两匝、三匝和四匝无效线圈同样有效，并且R反接或者无效(即在径向方向上的无效)对于多匝无效线圈的配置有效。具有多匝的配置显示了无效体积的径向延伸随着匝数的增加而增加。
然而，值得注意的是，在这些方案中，无效线圈所具有的直径比上面参考图1中的实施例所描述的相应方案中的无效线圈的直径小。此外，尽管系统同样允许径向和转动的微扰，但与图1中的实施例相比，更容易适应轴向微扰或者位移。
如上所述，多个无效线圈的使用(尤其是最优配置的)能够提供在纵向或者径向方向上的有效的无效，从而使得两个实施例都特别适用于带有轴向定位、纵向安装的接收机/检测器。该分析同样指出，利用这两个实施例，可以提供具有受控的径向场梯度的非常大的径向延伸的无效体积。尽管图2中的实施例比图1中的实施例更能容忍轴向微扰，但这两个实施例都能够适度地容忍径向和转动的微扰。
可以认识到，图1的实施例在纵向更为紧凑的情况下将更适于空中运输，而图2中的实施例由于纵向体积较大并且由此更难合并到空气动力学结构，因而更适于陆地，例如地面运输。
如上所述，两个实施例中的无效线圈可以与初级线圈串联地通电。备选地，可以使用适当的电流分流或者其他控制器来将初级电流的一部分馈送给单个无效线圈

Claims (18)

1.一种用于实施对地球表面的电磁探测的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个初级线圈，给所述线圈通电以产生一次电磁场，使地球表面暴露于所述一次场中，提供接收机以检测地球因所述一次场在其中所产生的电流而产生的二次场，提供多个隔开的无效线圈，并以使得所述一次场在所述接收机周围的三维体积分内无效的方式来给所述无效线圈通电。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述无效线圈与所述初级线圈串联地布置。
3.如权利要求1所述的方法，其中，控制馈送给所述无效线圈的电流，以便仅通过提供给所述初级线圈的电流的一部分给一个或更多个特定无效线圈通电。
4.如权利要求3所述的方法，其中，通过适当的电流分流来控制馈送给所述无效线圈的电流。
5.如前述任一权利要求所述的方法，其中，将所述无效线圈以纵向隔开的关系同轴地布置在所述初级线圈的轴上。
6.如权利要求5所述的方法，其中，将两个无效线圈同轴地布置在所述初级线圈的轴上。
7.如权利要求6所述的方法，其中，将两个初级线圈以纵向隔开、同轴的关系布置。
8.如权利要求7所述的方法，其中，将所述初级线圈布置为Helmholtz线圈对，并将所述无效线圈布置为反向的Helmholtz线圈对。
9.如前述任一权利要求所述的方法，其中，每个无效线圈都具有多匝。
10.一种用于实施对地球表面的电磁探测的装置，所述装置包括：
至少一个初级线圈；
用于给所述线圈通电以产生一次电磁场并使地球表面暴露于所述一次场中的装置；
接收机，用于检测地球由于所述一次场在其中所产生的电流而产生的二次场；
隔开的多个无效线圈；以及
用于以使得所述一次场在所述接收机周围的三维体积内无效的方式给所述无效线圈通电的装置。
11.如权利要求10所述的装置，其中，将所述无效线圈与所述初级线圈串联地布置。
12.如权利要求10所述的装置，包括：用于控制馈送给所述无效线圈的电流以便仅通过提供给所述初级线圈的电流的一部分给一个或更多个特定无效线圈通电的装置。
13.如权利要求10至12中任一项所述的装置，包括以纵向隔开的关系同轴地布置在所述初级线圈的轴上的无效线圈。
14.如权利要求13所述的装置，包括两个同轴地布置在所述初级线圈的轴上的无效线圈。
15.如权利要求14所述的装置，包括两个以纵向隔开、同轴的关系布置的初级线圈。
16.如权利要求15所述的装置，其中，将所述初级线圈布置为Helmholtz线圈对，并将所述无效线圈布置为反向的Helmholtz线圈对。
17.如权利要求10至16中任一项所述的装置，其中，每个无效线圈都具有多匝。
18.一种用于地球表面电磁探测的无效线圈装置，所述装置包括：
多个无效线圈，以相对于接收机和产生一次场的一个或更多个初级线圈的预定配置进行布置；以及用于给无效线圈通电的装置，所述多个无效线圈组合起来，产生用于使所述一次场在所述接收机周围的体积内无效的场，从而使得接收机通过矢量法检测由地球响应于其暴露于所述一次场而产生的二次场。
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