CN102096113A - 时间域地空电磁探测系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间域地空电磁探测系统及标定方法。地面记录装置GPS同步单元连接的感应信号记录装置、闭合异常环、数据质量评价系统和时间域地空电磁探测系统的标定方法构成。本发明采用闭合异常环感应信号记录装置，实现感应电流、感应电压同时记录，实现24位200Hz采样率、带宽为0-13KHz、放大器动态范围160dB，而且具有与地面发射机、空中接收机GPS同步，并且在测量时，通过去除大地背景场数据，提取含几何误差的纯闭合异常环电磁信号，输入数据质量评价系统，与计算的闭合异常环理论值进行比较、拟合，确定系统误差、几何参数误差以及时间域地空电磁探测系统的探测分辨率，实现电磁探测系统性能的测试和标定。

Description

时间域地空电磁探测系统及标定方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理仪器勘探仪器及标定，尤其是时间域地空电磁探测系统及标定方法。

背景技术：

地空电磁探测方法具有信噪比高、空间分辨率好，野外施工方便、经济、高效等优势，已经成为新一代时间域航空电磁探测的首选方式，尤其适合在复杂山区地进行快速高分辨率、大深度探测。

澳大利亚847270G01V003116公开了地面铺设回线的过渡过程法进行航空勘查方法，在地面预测定的目标体上面安放一个发射装置，发射过渡电磁脉冲，带接收器的飞行仪器在所测地区飞过用接收装置测定由上述过渡电磁脉冲造成的电磁场，依振幅大小不同形成信号和瞬间可测定的电磁场，经过信号处理就可测定出预测的目标体。

US5610523公开了一种用地面线圈实现发射与飞机探测的电磁探测系统和方法，采用发电机给地面线圈发射瞬变电磁脉冲，探测器放在飞机上，通过飞行探测的地面。探测器由发电机采用晶体振荡器进行同步，探测器测量接收信号，采用磁电阻率分析和磁感应极化技术对接收到的信号进行处理，进行判定地下体状物质的探测方法。CA2109118公开了一种航空地质测量的方法和装置，将通以脉冲电流的大回线天线放置在地表，机载接收机用于检测的电磁场和瞬变电磁信号，采用MMR(磁阻)和MIP(磁感应极化)的分析技术来确定调查结果，接收器可以放置在飞机上，气球，直升机或类似装置。

CN101825665A公开了随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，通过对瞬变信号进行尺度变换，将时域信号转换到频域，在时域信号压缩m倍，在频域中其频谱就扩展m倍。从而将瞬变电磁检测接收的噪声中，大频率弱目标信号的频率降低至小于0.1Hz，输入随机共振系统，产生共振后提取时域压缩后的目标信号，再还原得到目标信号频谱。消除随机共振系统对待检瞬变电磁信号的频率限制，准确检得弱目标信号。CN1932537公开了一种瞬态电磁脉冲场模拟测试系统，包括瞬变电磁场传输室、瞬变脉冲发生装置和控制测试屏蔽室三部分，传输室试验区为一个四周及顶面平直的长方体空间，过渡区从试验区向前收缩延伸至瞬变脉冲发生装置，瞬变脉冲发生装置与控制测试屏蔽室之间通过控制线和控制气管相连，采用了长方体空间和封闭式屏蔽结构，保证了场均匀性，并具有较大的测试设备空间。通过阻抗匹配，产生了50kV/m，上升沿≤5ns的瞬变强电磁脉冲场。

现有的，对于新研制出的航空电磁探测系统，需要进行数据重复性、一致性、最小分辨率等性能测试和实验，通常将测量系统挂载在飞机上，在一些“已知矿区”进行飞行实验，验证航空电磁探测系统的探测效果和分辨率；或者将几家公司生产的航空电磁探测系统运载到同一个“已知矿区”进行飞行实验，进行性能和探测效果的对比、互相验证。这些测试方法，由于无法准确计算出矿体的理论电磁响应，只能根据测量的剖面曲线，定性判断异常，来验证测量系统探测的有效性；并且需要将电磁探测系统、装置频繁运输到“已知矿区”，因而实验费用较高，此外还须防止发生意外危险。这些实验不能模拟其他不同地电模型，因此不具有普遍性。

综合上述，现有技术只是提出了地空电磁探测方式，尚没有对时间域地空电磁探测系统的测试和标定，而且，不同国家和公司研制的时间域电磁探测系统必定在性能上存在差异和特点，各种电磁探测系统在最小分辨率、信噪比等性能不具有可比性，而且仪器的稳定性和重复性也难以保证，多种时间域航空电磁探测系统，在数据质量评价方面，也没有同一标准。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种时间域地空电磁探测系统。

本发明的另一个目的是提供一种时间域地空电磁探测系统的标定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

时间域地空电磁探测系统，地面记录装置GPS同步单元4连接的感应信号记录装置2、闭合异常环1和数据质量评价系统3构成。

闭合异常环1是由多匝线圈14经精密电阻排15、精密电感排16和取样单元13串接构成的闭合环。

感应信号记录装置2是由数字DC/DC电源模块连接PC104工控机，电流传感器经滤波、分放大电路、多级放大电路、双通道采集、24位AD采集电路和大容量FIFO与PC104工控机连接，取样单元经滤波、差分放大电路、程控放大电路、双通道采集、24位AD采集电路、时序产生和控制电路和GPS同步控制电路与PC104工控机连接构成。

数据质量评价系统3包括以下顺序和步骤：

A、将飞行器飞到100米以上的高空，测量电磁系统的背景场，计算电磁测量系统的系统噪声；

B、将飞行器飞降到10-30米飞行高度，测量大地背景场；

C、铺设闭合异常环，调整时间常数值，测量加入闭合异常环电磁数据和大地响应场数据，双极性叠加、滤波处理；

D、C-B-A＝纯闭合异常环电磁数据→对纯闭合异常环电磁数据对数取样积分处理→绘制衰减曲线和剖面曲线→提取时间常数、异常半宽度特征值；

E、输入闭合异常环的电阻、电感测量值→计算时间常数→输入发射电流、发射-接收线圈参数、异常线圈参数→输入线圈飞行参数→计算发射-异常线圈、接收-异常线圈之间互感→计算异常线圈响应；

F、将实测数据提取的时间常数、异常半宽度值和计算异常线圈响应→通过拟合方程进行拟合得拟合数据→计算系统绝对误差、各时间道平均绝对误差、相对误差和剖面曲线峰值偏离度→确定飞行高度、水平偏移误差、垂直偏移误差和放大倍数误差→确定地空电磁探测系统探测分辨率。

闭合异常环响应的计算为：

闭合异常环1用一个等效电感L和等效电阻R进行近似，当发射线圈中产生的交变磁场，在闭合异常环1中产生感应电流，写为

$i_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{TL}}}{L_{\mathrm{AL}}}[L^{-1}\left(\frac{1}{s+{\mathrm{\τ}}_L}\right)*\frac{i_T\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

公式(1)中i_AL为闭合异常环1的感应电流，R_AL为线圈电阻，L_AL为线圈的电感，M_TL为发射线圈与闭合异常环1的互感。公式(1)中τ_L为闭合异常环1的时间常数，与线圈的材料、电气性能有关，其表达式为

${\mathrm{\τ}}_L=n{\mathrm{\μ}}_0{r}_{\mathrm{AL}}[n\ln (8/r_a)-(2n-1.25)]/\left(\frac{2r_{\mathrm{AL}}{\mathrm{\ρ}}_L}{{r_a}^2}\right)---\left(2\right)$

公式(2)中μ₀为磁导率，n为闭合异常环1匝数，r_AL为线圈半径，r_a为导线半径，ρ_L为导线电阻率。

公式(1)中M_TL可通过公式(3)求得，长导线L与半径为r₂的多匝线圈4，相距高度为h时，任意位置的互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_{-L}^L{\mathrm{dx}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(x_1-(x+r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(b-(y+r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(z-h)}^2}}---\left(3\right)$

当发射电流为梯形波时，在闭合异常环1的取样单元13中产生的感应电压信号为

$V_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{RL}}{M}_{\mathrm{TL}}I}{L_{\mathrm{AL}}}{e}^{-T/{\mathrm{\τ}}_L}[\frac{1}{T_1}(e^{T_1/{\mathrm{\τ}}_L}-1)-\frac{1}{T_3-T_2}(e^{T_3/{\mathrm{\τ}}_L}-e^{T_2/{\mathrm{\τ}}_L})]e^{-t/{\mathrm{\τ}}_L}---\left(4\right)$

公式(4)中M_RL为三分量接收线圈8与闭合异常环1的互感。式中I为发射电流幅值，T₁为电流上升时间，T₂为电流下降时间，T₃为发射电流宽度。

公式(4)中M_RL可通过公式(3)求得，即半径为r₁的多匝线圈4和半径为r₂的闭合异常环1，相距高度为h时，任意位置时互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\sin {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}---\left(5\right)$

$+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\cos {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\cos {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}$

采用高斯数值积分，就可以实现闭合异常环1的感应电流和感应电动势的数值计算。

时间域地空电磁探测系统的标定方法，包括以下顺序和步骤：

5.1、选择测试场地；

5.2、飞行器先飞到100米以上高空测量系统的噪声背景场；

5.3、再将飞行器飞降到10-30米飞行高度，测量大地的背景场；

5.4、铺设闭合异常环，调整闭合异常环的时间常数，测量加入闭合异常环电磁数据和大地响应场数据；

5.5、改变不同飞行方向穿越异常环飞行测量闭合异常环响应；

5.6、切换电阻排或电感排，改变时间常数在0.1ms-10ms之间变化，测量异常环响应；

5.7、控制飞行器，改变不同飞行高度测量异常线圈环响应；

5.8、将测量数据输入数据质量评价系统，确定系统误差、飞行几何误差、探测分辨率。

有益效果：本发明采用闭合异常环感应信号记录装置，实现感应电流、感应电压同时记录，实现24位200Hz采样率、带宽为0-13KHz、放大器动态范围160dB，而且具有与地面发射机、空中接收机GPS同步，并且在测量时，通过去除大地背景场数据，提取含几何误差的纯闭合异常环电磁信号，输入数据质量评价系统，与计算的闭合异常环理论值进行比较、拟合，确定系统误差、几何参数误差以及时间域地空电磁探测系统的探测分辨率，实现电磁探测系统性能的测试和标定。

附图说明：

图1：时间域地空电磁探测系统及标定方法结构框图。

图2：是附图1闭合异常环1的结构框图。

图3：是附图1感应信号记录装：2的结构框图。

图4：是附图1数据质量评价系统3的流程图。

图5：是时间域地空电磁探测系统标定流程图。

1闭合异常环，2感应信号记录装置，3数据质量评价系统，4记录装置GPS同步，5地面电性源发射机，6三分量接收机，7地面长导线，8三分量接收线圈，9发射机GPS同步，10主GPS同步单元，11辅助参数测量单元，12飞行器，13取样单元，14多匝线圈，15精密电阻排，16精密电感排。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：

时间域地空电磁探测系统，空中部分是由飞行器12载有的主GPS同步单元10、三分量接收机6、三分量接收线圈8和辅助参数测量单元11组成，地面是由发射机GPS同步9、地面电性源发射机5和地面长导线7，GPS同步记录装置4连接的感应信号记录装置2、闭合异常环1和数据质量评价系统3构成。

闭合异常环1是由多匝线圈14经精密电阻排15、精密电感排16和取样单元13串接构成的闭合环。

感应信号记录装置2是由数字DC/DC电源模块连接PC104工控机，电流传感器经滤波、分放大电路、多级放大电路、双通道采集、24位AD采集电路和大容量FIFO与PC104工控机连接，取样单元经滤波、差分放大电路、程控放大电路、双通道采集、24位AD采集电路、时序产生和控制电路和GPS同步控制电路与PC104工控机连接构成。

数据质量评价系统3包括以下顺序和步骤：

A、将飞行器飞到100米以上的高空，测量系统的背景场，计算电磁测量系统的系统噪声；

B、将飞行器飞降到10-30米飞行高度，测量大地背景场；

C、铺设闭合异常环，调整时间常数值，测量加入闭合异常环电磁数据和大地响应场数据，双极性叠加、滤波处理；

D、C-B-A＝纯闭合异常环电磁数据→对纯闭合异常环电磁数据对数取样积分处理→绘制衰减曲线和剖面曲线→提取时间常数、异常半宽度特征值；

E、输入闭合异常环的电阻、电感测量值→计算时间常数→输入发射电流、发射-接收线圈参数、异常线圈参数→输入线圈飞行参数→计算发射-异常线圈、接收-异常线圈之间互感→计算异常线圈响应；

F、将实测数据提取的时间常数、异常半宽度值和计算异常线圈响应→通过拟合方程进行拟合得拟合数据→计算系统绝对误差、各时间道平均绝对误差、相对误差和剖面曲线峰值偏离度→确定飞行高度、水平偏移误差、垂直偏移误差和放大倍数误差→确定地空电磁探测系统探测分辨率。

闭合异常环响应的计算为：

闭合异常环1用一个等效电感L和等效电阻R进行近似，当发射线圈中产生的交变磁场，在闭合异常环1中产生感应电流，写为

$i_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{TL}}}{L_{\mathrm{AL}}}[L^{-1}\left(\frac{1}{s+{\mathrm{\τ}}_L}\right)*\frac{i_T\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

公式(1)中i_AL为闭合异常环1的感应电流，R_AL为线圈电阻，L_AL为线圈的电感，M_TL为发射线圈与闭合异常环1的互感。公式(1)中τ_L为闭合异常环1的时间常数，与线圈的材料、电气性能有关，其表达式为

${\mathrm{\τ}}_L=n{\mathrm{\μ}}_0{r}_{\mathrm{AL}}[n\ln (8/r_a)-(2n-1.25)]/\left(\frac{2r_{\mathrm{AL}}{\mathrm{\ρ}}_L}{{r_a}^2}\right)---\left(2\right)$

公式(2)中μ₀为磁导率，n为闭合异常环1匝数，r_AL为线圈半径，r_a为导线半径，ρ_L为导线电阻率。

公式(1)中M_TL可通过公式(3)求得，长导线L与半径为r₂的多匝线圈4，相距高度为h时，任意位置的互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_{-L}^L{\mathrm{dx}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(x_1-(x+r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(b-(y+r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(z-h)}^2}}---\left(3\right)$

当发射电流为梯形波时，在闭合异常环1的取样单元13中产生的感应电压信号为

$V_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{RL}}{M}_{\mathrm{TL}}I}{L_{\mathrm{AL}}}{e}^{-T/{\mathrm{\τ}}_L}[\frac{1}{T_1}(e^{T_1/{\mathrm{\τ}}_L}-1)-\frac{1}{T_3-T_2}(e^{T_3/{\mathrm{\τ}}_L}-e^{T_2/{\mathrm{\τ}}_L})]e^{-t/{\mathrm{\τ}}_L}---\left(4\right)$

公式(4)中M_RL为三分量接收线圈8与闭合异常环1的互感。式中I为发射电流幅值，T₁为电流上升时间，T₂为电流下降时间，T₃为发射电流宽度。

公式(4)中M_RL可通过公式(3)求得，即半径为r₁的多匝线圈4和半径为r₂的闭合异常环1，相距高度为h时，任意位置时互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\sin {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}---\left(5\right)$

$+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\cos {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\cos {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}$

采用高斯数值积分，就可以实现闭合异常环1的感应电流和感应电动势的数值计算。

时间域地空电磁探测系统的标定方法，包括以下顺序和步骤：

5.1、选择测试场地；

5.2、飞行器飞到100米以上高空测量系统的噪声背景场；

5.3、再将飞行器飞降到10-30米飞行高度，测量大地的背景场；

5.4、铺设闭合异常环，调整闭合异常环的时间常数，测量加入闭合异常环电磁数据和大地响应场数据；

5.5、改变飞行方向，穿越异常线圈环，飞行测量闭合异常环响应；

5.6、切换电阻排或电感排，改变时间常数在0.1ms-10ms之间变化，测量异常环响应；

5.7、控制飞行器，改变飞行高度，测量不同高度异常线圈环响应；

5.8、将测量数据输入数据质量评价系统，确定系统误差、飞行几何误差、探测分辨率。

一、地空电磁探测系统噪声水平测试

在郊区选择空旷的实验场地，将地面电性源发射机5关闭，飞行器12悬挂着由三分量接收机6、三分量接收线圈8、辅助参数测量系统11组成的吊舱，控制飞行器12飞到距地面100米高度，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4发出同步控制信号，控制飞行器12沿预定测线进行飞行测量大地响应，关闭三分量接收机6；控制飞行器12飞到距地面10米高度，启动三分量接收机6，主GPSGPS同步单元4再发出同步控制信号，再次控制飞行器12沿预定测线进行飞行，沿测线飞行测量大地响应，关闭三分量接收机6，最后将两次测量数据传输到数据质量评价系统3，确定系统噪声水平和背景场噪声水平。

二、时间域地空电磁探测系统的几何参数标定

将地面电性源发射机5与地面长导线7连接，向大地发射占空比为1∶1、双极性、梯形波电流，飞行器12悬挂着由三分量接收机6、三分量接收线圈8、辅助参数测量系统11组成的吊舱，控制飞行器12飞到距地面10米高度，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4向发射机GPS同步12和记录装置GPS同步13发出同步控制信号，控制地面电性源发射机5工作感应信号记录装置2工作，控制飞行器12沿测线飞行测量大地响应，关闭地面电性源发射机5、三分量接收机6和感应信号记录装置。然后在地面铺设闭合异常环1，多匝线圈12选用10mm2铜导线，半径为10米，匝数为4，将多匝线圈14与精密电阻排15、精密电感排16、取样单元13串接，形成闭合异常环1，调整闭合异常环1的时间常数为4ms，将感应信号记录装置2与取样单元13相连，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4向发射机GPS同步12和记录装置GPS同步13发出同步控制信号，控制地面电性源发射机5工作、感应信号记录装置2工作，控制飞行器12穿越地面闭合异常环1进行飞行，同时测量闭合异常环1的感应电流和感应电压信号，获得含有闭合异常环和大地的电磁响应，关闭所有测量装置。最后将测量数据，输入数据质量评价系统3进行处理，确定系统误差和量化几何参数。并通过多次重复测量，进行测点、测道相对误差、绝对误差、均方相对误差、平均误差误差，计算重复绝对误差，分析一致性。

三、时间域地空电磁探测系统分辨率测试

将地面电性源发射机5与地面长导线7连接，向大地发射占空比为1∶1、双极性、梯形波电流，飞行器12悬挂着由三分量接收机6、三分量接收线圈8、辅助参数测量系统11组成的吊舱，控制飞行器12飞到距地面10米高度，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4向发射机GPS同步12和记录装置GPS同步13发出同步控制信号，控制地面电性源发射机5工作、感应信号记录装置2工作，控制飞行器12沿测线飞行测量大地响应。然后在地面铺设闭合异常环1，多匝线圈12选用10mm2铜导线，半径为10米，匝数为4，将多匝线圈14与精密电阻排15、精密电感排16、取样单元13串接，形成闭合异常环1，调整闭合异常环1的时间常数从0.1ms-10ms按0.5ms步长变化，模拟不同导电性的矿体，将感应信号记录装置2与取样单元13相连，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4向发射机GPS同步12和记录装置GPS同步13发出同步控制信号，控制地面电性源发射机5、感应信号记录装置2工作，控制飞行器12由东向西穿越地面闭合异常环1进行飞行，测量闭合异常环1的感应电流和感应电压信号，获得含有闭合异常环和大地的电磁响应，最后将测量含有几何误差的电磁信号，输入数据质量评价系统3进行处理，确定地空电磁探测系统对不同导电的矿体的分辨率。再控制飞行器12飞到距地面10米-30米之间，按步长为5米的高度改变飞行高度，重复上述测量，最后将测量数据，通过USB接口输入数据质量评价系统3进行处理，确定地空电磁探测系统对不同深度的导电矿体的分辨率。时间域地空电磁探测系统的单峰异常峰值、极值半宽度校正

四、时间域地空电磁探测系统的标定方法

将地面电性源发射机5与地面长导线7连接，向大地发射占空比为1∶1、双极性、梯形波电流，飞行器12悬挂着由三分量接收机6、三分量接收线圈8、辅助参数测量系统11组成的吊舱，控制飞行器12飞到距地面10米高度，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4向发射机GPS同步12和记录装置GPS同步13发出同步控制信号，控制地面电性源发射机5工作、感应信号记录装置2工作，控制飞行器12沿测线飞行测量大地响应。然后在地面铺设闭合异常环1，多匝线圈12选用10mm2铜导线，半径为10米，匝数为4，将多匝线圈14与精密电阻排15、精密电感排16、取样单元13串接，形成闭合异常环1，调整闭合异常环1的时间常数为4ms，将感应信号记录装置2与取样单元13相连，启动三分量接收机6，主GPS同步单元4向GPS同步单元12和GPS同步单元同步13发出同步控制信号，控制地面电性源发射机5工作和感应信号记录装置2测量，控制飞行器12由东向西方向穿越地面闭合异常环1进行飞行测量，再控制飞行器12由西向东方向穿越地面闭合异常环1进行飞行测量，获得含有闭合异常环1和大地的电磁响应，最后将测量数据，输入数据质量评价系统3进行处理，确定测量正向飞行和反向飞行剖面曲线单峰正异常的峰值偏离度、异常的极值半宽度的偏差。

五、数据质量评价系统

数据质量评价系统3被安装在便携式笔记本电脑中，具体流程如4所示，通过USB接口进行实测数据传输，具有计算闭合异常环的响应理论值、实测数据进行预处理，再采用拟合方程将理论计算值、实测数据拟合，计算系统误差、几何飞行参数误差、系统探测分辨率、剖面曲线的峰值偏离度等。

计算闭合异常环的响应理论值时，先输入闭合异常环的电阻、电感参数，以及异常线圈的电气参数，根据公式(2)计算时间常数；再输入发射电流、发射线圈、接收线圈、异常线圈的半径和匝数、飞行高度，采用高斯数值积分，根据公式(3)计算发射-异常线圈之间互感，根据公式(5)计算接收-异常线圈之间互感。最后根据公式(1)和公式(4)计算异常线圈的感应电流和感应电压响应。对实测数据进行预处理，主要流程为：通过飞行器在100米高度时测量的电磁数据，计算系统的噪声值，再对飞行器在10米高度时，未加入闭合异常环时测量的数据和加入闭合异常环后测量的数据进行双极性叠加和滤波处理；将加入闭合异常环后测量的数据减去背景场数据和系统噪声值，提取纯闭合异常环的电磁数据，对纯闭合异常环的电磁数据进行对数取样积分处理，再绘制衰减曲线和剖面曲线，提取实测数据的时间常数、异常半宽度特征值，与理论计算的异常线圈的时间常数、异常半宽度值、响应值，通过拟合方程(6)进行拟合，得到满足一定精度的拟合数据，计算系统绝对误差、各时间道平均绝对误差、相对误差和剖面曲线峰值偏离度，确定飞行高度、水平偏移误差、垂直偏移误差和放大倍数误差，确定地空电磁探测系统探测分辨率。

主要功能有计算异常线圈的电磁响应、数据拟合等，下面分别介绍：

计算闭合异常环的电磁响应程序

闭合异常环1用一个等效电感L和等效电阻R进行近似，当发射线圈中产生的交变磁场，在闭合异常环1中产生感应电流，写为

$i_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{TL}}}{L_{\mathrm{AL}}}[L^{-1}\left(\frac{1}{s+{\mathrm{\τ}}_L}\right)*\frac{i_T\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

公式(1)中iAL为闭合异常环1的感应电流，RAL为线圈电阻，LAL为线圈的电感，MTL为发射线圈与闭合异常环1的互感。公式(1)中τL为闭合异常环1的时间常数，与线圈的材料、电气性能有关，其表达式为

${\mathrm{\τ}}_L=n{\mathrm{\μ}}_0{r}_{\mathrm{AL}}[n\ln (8/r_a)-(2n-1.25)]/\left(\frac{2r_{\mathrm{AL}}{\mathrm{\ρ}}_L}{{r_a}^2}\right)---\left(2\right)$

公式(2)中μ0为磁导率，n为闭合异常环1匝数，rAL为线圈半径，ra为导线半径，ρL为导线电阻率。

公式(1)中MTL可通过公式(3)求得，长导线L与半径为r2的多匝线圈4，相距高度为h时，任意位置的互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_{-L}^L{\mathrm{dx}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(x_1-(x+r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(b-(y+r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(z-h)}^2}}---\left(3\right)$

当发射电流为梯形波时，在闭合异常环1的取样单元13中产生的感应电压信号为

$V_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{RL}}{M}_{\mathrm{TL}}I}{L_{\mathrm{AL}}}{e}^{-T/{\mathrm{\τ}}_L}[\frac{1}{T_1}(e^{T_1/{\mathrm{\τ}}_L}-1)-\frac{1}{T_3-T_2}(e^{T_3/{\mathrm{\τ}}_L}-e^{T_2/{\mathrm{\τ}}_L})]e^{-t/{\mathrm{\τ}}_L}---\left(4\right)$

公式(4)中MRL为三分量接收线圈8与闭合异常环1的互感。式中I为发射电流幅值，T1为电流上升时间，T2为电流下降时间，T3为发射电流宽度。

公式(4)中MRL可通过公式(3)求得，即半径为r1的多匝线圈4和半径为r2的闭合异常环1，相距高度为h时，任意位置时互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\sin {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}$

$+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\cos {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\cos {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}---\left(5\right)$

采用高斯数值积分，就可以实现闭合异常环1的感应电流和感应电动势的数值计算。

数据拟合程序

将实测数据与理论计算值进行拟合，确定系统误差和几何参数误差，拟合方程为：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(V_p{(\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy},\mathrm{\Δh},\mathrm{\Δk})}_i-V_i)}^2---\left(6\right)$

公式(6)中Δx为飞行水平偏移误差，Δy为飞行垂直偏移误差，Δh为飞行高度误差，Δk为线圈放大倍数，N为取样道数，Vi为理论计算值，Vp(Δx，Δy，Δh，Δk)为实测数据。

Claims (6)

1.一种时间域地空电磁探测系统，包括空中和地面两部分，空中部分是由飞行器(12)载有的主GPS同步单元(10)、三分量接收机(6)、三分量接收线圈(8)和辅助参数测量单元(11)组成，地面是由发射机GPS同步(9)、地面电性源发射机(5)和地面长导线(7)组成，其特征在于，地面记录装置GPS同步单元(4)连接的感应信号记录装置(2)、闭合异常环(1)和数据质量评价系统(3)。

2.按照权利要求1所述的时间域地空电磁探测系统，其特征在于，闭合异常环(1)是由多匝线圈(14)经精密电阻排(15)、精密电感排(16)和取样单元(13)串接构成的闭合环。

3.按照权利要求1所述的时间域地空电磁探测系统，其特征在于，感应信号记录装置(2)是由数字DC/DC电源模块连接PC104工控机，电流传感器经滤波、分放大电路、多级放大电路、双通道采集、24位AD采集电路和大容量FIFO与PC104工控机连接，取样单元经滤波、差分放大电路、程控放大电路、双通道采集、24位AD采集电路、时序产生和控制电路和GPS同步控制电路与PC104工控机连接构成。

4.按照权利要求1所述的时间域地空电磁探测系统，其特征在于，数据质量评价系统(3)包括以下顺序和步骤：

A、将飞行器(12)飞到100米以上的高空，测量系统的背景场，计算电磁测量系统的系统噪声；

B、将飞行器(12)飞降到10-30米飞行高度，测量大地背景场；

C、铺设闭合异常环，调整时间常数值，测量加入闭合异常环电磁数据和大地响应场数据，双极性叠加、滤波处理；

D、C-B-A＝纯闭合异常环电磁数据→对纯闭合异常环电磁数据对数取样积分处理→绘制衰减曲线和剖面曲线→提取时间常数、异常半宽度特征值；

E、输入闭合异常环的电阻、电感测量值→计算时间常数→输入发射电流、发射-接收线圈参数、异常线圈参数→输入线圈飞行参数→计算发射-异常线圈、接收-异常线圈之间互感→计算异常线圈响应；

F、将实测数据提取的时间常数、异常半宽度值和计算异常线圈响应→通过拟合方程进行拟合得拟合数据→计算系统绝对误差、各时间道平均绝对误差、相对误差和剖面曲线峰值偏离度→确定飞行高度、水平偏移误差、垂直偏移误差和放大倍数误差→确定地空电磁探测系统探测分辨率。

5.按照权利要求4所述的时间域地空电磁探测系统，其特征在于，闭合异常环响应的计算为：

闭合异常环1用一个等效电感L和等效电阻R进行近似，当发射线圈中产生的交变磁场，在闭合异常环1中产生感应电流，写为

$i_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{TL}}}{L_{\mathrm{AL}}}[L^{-1}\left(\frac{1}{s+{\mathrm{\τ}}_L}\right)*\frac{i_T\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

公式(1)中i_AL为闭合异常环1的感应电流，R_AL为线圈电阻，L_AL为线圈的电感，M_TL为发射线圈与闭合异常环1的互感。公式(1)中τ_L为闭合异常环1的时间常数，与线圈的材料、电气性能有关，其表达式为

${\mathrm{\τ}}_L=n{\mathrm{\μ}}_0{r}_{\mathrm{AL}}[n\ln (8/r_a)-(2n-1.25)]/\left(\frac{2r_{\mathrm{AL}}{\mathrm{\ρ}}_L}{{r_a}^2}\right)---\left(2\right)$

公式(2)中μ₀为磁导率，n为闭合异常环1匝数，r_AL为线圈半径，r_a为导线半径，ρ_L为导线电阻率。

公式(1)中M_TL可通过公式(3)求得，长导线L与半径为r₂的多匝线圈4，相距高度为h时，任意位置的互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_{-L}^L{\mathrm{dx}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(x_1-(x+r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(b-(y+r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2))}^2+{(z-h)}^2}}---\left(3\right)$

当发射电流为梯形波时，在闭合异常环1的取样单元13中产生的感应电压信号为

$V_{\mathrm{AL}}\left(t\right)=-\frac{M_{\mathrm{RL}}{M}_{\mathrm{TL}}I}{L_{\mathrm{AL}}}{e}^{-T/{\mathrm{\τ}}_L}[\frac{1}{T_1}(e^{T_1/{\mathrm{\τ}}_L}-1)-\frac{1}{T_3-T_2}(e^{T_3/{\mathrm{\τ}}_L}-e^{T_2/{\mathrm{\τ}}_L})]e^{-t/{\mathrm{\τ}}_L}---\left(4\right)$

公式(4)中M_RL为三分量接收线圈(8)与闭合异常环1的互感。式中I为发射电流幅值，T₁为电流上升时间，T₂为电流下降时间，T₃为发射电流宽度。

公式(4)中M_RL可通过公式(3)求得，即半径为r₁的多匝线圈4和半径为r₂的闭合异常环1，相距高度为h时，任意位置时互感为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\sin {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\sin {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}---\left(5\right)$

$+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}_1\cos {\mathrm{\φ}}_{1}d{\mathrm{\φ}}_1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{r_2\cos {\mathrm{\φ}}_{2}d{\mathrm{\φ}}_2}{\sqrt{{(r_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-r_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(r_1\sin {\mathrm{\φ}}_1-r_2\sin {\mathrm{\φ}}_2)}^2+{(z-h)}^2}}$

采用高斯数值积分，就可以实现闭合异常环1的感应电流和感应电动势的数值计算。

6.按照权利要求1所述的时间域地空电磁探测系统的标定方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：

5.1、选择测试场地；

5.2、飞行器(12)飞到100米以上高空测量系统的噪声背景场；

5.3、再将飞行器(12)飞降到10-30米飞行高度，测量大地的背景场；

5.4、铺设闭合异常环，调整闭合异常环的时间常数，测量加入闭合异常环电磁数据和大地响应场数据；

5.5、改变不同飞行方向穿越异常环飞行测量闭合异常环响应；

5.6、切换电阻排或电感排，改变时间常数在0.1ms-10ms之间变化，测量异常环响应；

5.7、控制飞行器(12)，改变不同飞行高度测量异常线圈环响应；

5.8、将测量数据输入数据质量评价系统，确定系统误差、飞行几何误差、探测分辨率。

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