CN102565862A - 一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法及观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法及观测装置。以发射线圈中心为原点O，线圈平面为XOY坐标平面，在X、Y或Z方向同轴平行布置两个相同规格接收装置；两个接收装置共四个信号输出端分成两组，通过两个独立集成运算放大器进行减法运算后输出两路信号，输出信号再经过一个集成运算放大器进行减法运算，获得两接收装置感应电场信号之间的相减模拟信号，模拟信号再经过信号调理和A/D转换电路形成数字信号，数字信号除以两接收装置之间的距离Δx，形成瞬变电磁响应信号的平均梯度。本发明是一种观测信号的信噪比和异常分辨能力得到大幅提高，为目标异常的精细解释提供了可靠的数据的瞬变电磁响应信号梯度测量方法和观测装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法及观测装置。适合航空、海洋、地面、井中和巷道等瞬变电磁勘探领域中使用。
技术背景
瞬变电磁法作为一种地球物理勘探方法，实施时发射机通过发射线圈发射一次电磁场，在一次场关断瞬间或前后一定时刻为参考，给接收仪器送出同步信号，接收仪器通过接收线圈或磁棒采集一次场激励下周围介质的电磁感应信号；通常测量磁场垂直分量的变化值，用公式dBZ/dt表示，其中B为磁场，该电磁感应信号被称为二次场，随时间不断衰减，最后归于一次场激励前的背景或零值。当周围介质中存在低阻介质体时，由于低阻介质体中感应涡流的存在，二次场信号衰减变慢，由此特征可以推断低阻异常体的有无或进行定量计算解释。
现有的瞬变电磁法通常采用一发一收或一发多收模式，采用二次场绝对测量方式，由于二次场信号中叠加了发射线圈和接收线圈的互感信号，使得早时段二次场有效信号识别和提取存在困难。
瞬变电磁激励下，隐患目标的响应信号或二次场信号，有其自身的梯度变化规律，越靠近异常目标体，则其变化梯度越大，反之变化越小。因此瞬变电磁响应的二次场梯度大小直接反映了隐患目标相对于观测线圈的距离远近。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种观测信号的信噪比和异常分辨能力得到大幅提高，为目标异常的精细解释提供了可靠的数据的瞬变电磁响应信号梯度测量方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种实现瞬变电磁响应信号平均梯度测量方法的观察装置。
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法，以发射线圈中心为原点O，发射线圈平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于发射线圈平面构建坐标系；在X、Y或Z方向平行布置两个相同规格接收装置，按接收装置的感生电动势方向，两个接收装置共四个信号输出端分成两组，通过两个独立集成运算放大器进行减法运算后输出两路信号，输出信号再经过一个集成运算放大器进行减法运算，形成两接收装置感应电场信号之间的差值模拟信号，模拟信号再经过信号调理和A/D转换电路形成数字信号，数字信号除以两接收装置之间的距离Δx，形成瞬变电磁响应信号的平均梯度。
接收装置为线圈，第一接收线圈和第二接收线圈在发射线圈激励下两个接收线圈端线信号电位为：U1 +和U1 -以及U2 +和U2 -，Δx为两个接收线圈之间的距离，两接收线圈之间的平均梯度为：
ΔU/Δx＝[(U2 +-U2 -)-(U1 +-U1 -)]/Δx
根据上式，在同一源激励下，两个线圈回路感生电动势输出，进入集成运算放大器进行相减运算；相减运算后的信号输出到下一级集成运算放大器的输入端口。
接收装置为线圈，第一接收线圈和第二接收线圈在发射线圈4激励下两个接收线圈端线信号电位为：U1 +和U1 -以及U2 +和U2 -，Δx为两个接收线圈之间的距离，两接收线圈之间的平均梯度为：
ΔU/Δx＝[(U2 +-U1 +)-(U2 --U1 -)]/Δx
根据上式，两个接收线圈四个输出信号分成两组，一次场激励电场方向相同的信号为一组，进入集成运算放大器进行相减运算，输出到下一级集成运算放大器的输入端口。
所述的相同规格接收装置是指线圈支架、磁棒、绕线材料、绕制方式和形状、线圈匝数完全相同。
进行相减运算的三个集成运算放大器由一个综合了和、差运算功能的一个或多个集成运算放大器完成。
所述的两个接收装置各以平行于X、Y或Z轴的轴线为对称轴，并垂直于对称轴互相平行放置，距离为Δx；作为一种接收线圈布置特例，所述的两个接收装置相对于所述的发射线圈对称放置，以Z轴为对称轴，即距离发射线圈各为Δx/2。
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的另一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法，直接将两个接收线圈的四个输出信号端以一次场激励感生电动势方向为参照，异向两端并联形成两路信号，两路信号分别接入瞬变电磁仪的两个输入端，进行瞬变电磁梯度信号采集。
为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的实现瞬变电磁响应信号梯度测量方法的测量装置，瞬变电磁发射系统电连接有发射线圈，以所述的发射线圈的中心为原点O，所述的发射线圈平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于所述的发射线圈平面构建坐标系；在X、Y或Z方向平行布置两个相同规格的第一接收装置和第二接收装置，所述的第一接收装置和第二接收装置与瞬变电磁仪的瞬变电磁仪输入端口电连接，所述的发射线圈与所述的瞬变电磁仪的瞬变电磁仪输出端口电连接，所述的瞬变电磁仪内设有第一集成运算放大器、第二集成运算放大器、第三集成运算放大器、模拟信号调理电路和A/D转换电路，所述的第一接收装置电连接所述的第一集成运算放大器，所述的第二接收装置电连接所述的第二集成运算放大器，所述的第一集成运算放大器和所述的第二集成运算放大器电连接所述的第三集成运算放大器，所述的第三集成运算放大器电连接所述的模拟信号调理电路，所述的模拟信号调理电路电连接有所述的A/D转换电路。
所述的接收装置为接收线圈或磁棒。
采用上述技术方案的瞬变电磁响应信号梯度测量方法及观测装置，由于平均梯度测量系统测量信号接收装置规格相同并且感应信号来自同一发射源激励，由源引起的互感信号类型相同、幅度相近，经过减法运算，可以在压制互感信号的同时，突出两接收点感应二次场信号的变化特征，具有更高的信噪比和异常分辨率；集成运算放大器内置入瞬变电磁仪可以形成一体化瞬变电磁梯度测量仪器。本发明实现的瞬变电磁响应的平均梯度，科学合理利用了瞬变电磁场空间变化分布规律：即迫近隐患目标的坐标点上，其瞬变电磁响应二次场变化梯度大，远离目标隐患的坐标点上，其瞬变电磁响应二次场变化梯度小，以此作为探测目标定性或半定量解释的依据。针对相应的异常隐患模型还可以进行更为精细的定量解释。
使用上述技术方案实现的瞬变电磁响应的平均梯度测量，使用两个完全相同的接收线圈进行信号差分，具有和差运算功能的集成运算放大器或仪表放大器工作的阻抗匹配条件和共摸抑制条件非常理想，观测信号的信噪比和异常分辨能力得到大幅提高，为目标异常的精细解释提供了可靠的数据。
由于瞬变电磁法采用不接地回线方式，梯度测量时能够保证具有和差运算功能的集成运算放大器或仪表放大器的理想应用条件，实现信号接收的两个线圈可以做到规格相同。
综上所述，本发明是一种观测信号的信噪比和异常分辨能力得到大幅提高，为目标异常的精细解释提供了可靠的数据的瞬变电磁响应信号梯度测量方法和观察装置。是一种既能够在隧道和钻孔中进行超前预报，同时也能广泛适用于航空、海洋、地面、井中和巷道等瞬变电磁勘探领域中新方法。
附图说明
图1是本发明的第一种接入方式的示意图。
图2是本发明第二种接入方式的示意图。
图3是本发明的一种精细梯度测量接入方法示意图。
图4是本发明原理基于现有瞬变电磁仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图1和图4，瞬变电磁发射系统10电连接有发射线圈4，以发射线圈4的中心3为原点O，发射线圈4平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于发射线圈4平面构建坐标系；在X、Y或Z方向平行布置两个相同规格的第一接收线圈1和第二接收线圈2，第一接收线圈1和第二接收线圈2与瞬变电磁仪12的瞬变电磁仪输入端口11电连接，发射线圈4与瞬变电磁仪12的瞬变电磁仪输出端口13电连接，瞬变电磁仪12内设有第一集成运算放大器7、第二集成运算放大器8、第三集成运算放大器9、模拟信号调理电路5和A/D转换电路6，第一接收线圈1电连接第一集成运算放大器7，第二接收线圈2电连接第二集成运算放大器8，第一集成运算放大器7和第二集成运算放大器8电连接第三集成运算放大器9，第三集成运算放大器9电连接模拟信号调理电路5，模拟信号调理电路5电连接有A/D转换电路6。相同规格的第一接收线圈1和第二接收线圈2是指指线圈支架、绕线材料、绕制方式和形状、线圈匝数完全相同。
第一接收线圈1和第二接收线圈2也可以采用两个相同规格的磁棒代替。
参见图1，以发射线圈4的中心3为原点O，线圈平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于发射线圈4平面构建坐标系；在Z方向共Z轴平行布置两个相同规格第一接收线圈1和第二接收线圈2，第一接收线圈1和第二接收线圈2之间距离为Δx；按第一接收线圈1和第二接收线圈2的环绕方向，第一接收线圈1和第二接收线圈2共四个信号输出端分成两组，方向相同的两个输出端形成一组，分别接入具有减法计算功能的具有和差运算功能的第一集成运算放大器7和第二集成运算放大器8的输入端口；相减计算后的两路输出信号接入具有和差运算功能的第三集成运算放大器9的两个输入端口，第三集成运算放大器9的输出信号经过模拟信号调理电路5和A/D转换电路6形成瞬变电磁响应的数字输出响应信号，数字响应信号除以Δx，即为两个接收线圈之间的电磁感应梯度。
如图1所示，第一接收线圈1和第二接收线圈2在发射线圈4激励下两个接收线圈端线信号电位为：U1 +和U1 -以及U2 +和U2 -，Δx为第一接收线圈1和第二接收线圈2之间的距离。第一接收线圈1和第二接收线圈2之间的平均梯度为：
ΔU/Δx＝[(U2 +-U1 +)-(U2 --U1 -)]/Δx
根据上式，在同一源激励下，两个线圈回路感生电动势输出，进入集成运算放大器进行相减运算；相减运算后的信号输出到下一级集成运算放大器的输入端口。
参见图2，展示了另一种梯度观测时的信号采集方法。线圈平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于线圈平面构建坐标系；在Z方向共Z轴平行布置两个相同规格接收线圈，线圈之间距离为Δx；每个接收线圈的两个输出信号分别接入具有和差运算功能的集成运算放大器，放大器输出的两个相减信号输入到第三个具有和差运算功能的集成运算放大器，第三个集成运算放大器输出信号经过信号调理和模数转换形成瞬变电磁响应的数字输出响应信号，数字响应信号除以Δx，即为两个接收线圈之间的电磁感应梯度。
如图2所示，接收装置为线圈，第一接收线圈1和第二接收线圈2在发射线圈4激励下两个接收线圈端线信号电位为：U1 +和U1 -以及U2 +和U2 -，Δx为第一接收线圈1和第二接收线圈2之间的距离。第一接收线圈1和第二接收线圈2之间的平均梯度为：
ΔU/Δx＝[(U2 +-U2 -)-(U1 +-U1 -)]/Δx
根据上式，在同一源激励下，两个线圈回路感生电动势输出，进入集成运算放大器进行相减运算；相减运算后的信号输出到下一级集成运算放大器的输入端口。
参见图3，展示了一种精细梯度测量装置，其典型特征是第一接收线圈1和第二接收线圈2不仅完全相同，而且第一接收线圈1和第二接收线圈2相对于发射线圈4对称放置，即距离发射线圈4各为Δx/2。梯度信号采集方式可以选择图1和图2当中的任意一种。采用这种线圈放置方式，理论上，一次场的耦合信号在两个线圈上完全相同，通过具有和差运算功能的集成运算放大器进行相减运算后可以完全抵消，差分信号是两线圈之间的净平均梯度，在瞬变电磁信号采集测量上具有明显的优势。
参见图4，列出了在Z轴方向上放置两个距离为Δx的第一接收线圈1和第二接收线圈2时，一种利用现有瞬变电磁仪的简易信号接入方法，使用该简易接入方法时，直接将第一接收线圈1和第二接收线圈2的四个输出信号端以一次场激励感应耦合方向为参照，异向两端并联形成两路信号，两路信号分别接入瞬变电磁仪的两个输入端，开启瞬变电磁仪器，进行正常瞬变电磁信号采集，采集信号除以Δx的结果即为两线圈之间的电磁感应信号梯度。
Claims (9)
1.一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：以发射线圈中心为原点O，发射线圈平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于发射线圈平面构建坐标系；在X、Y或Z方向平行布置两个相同规格接收装置，按接收装置的感生电动势方向，两个接收装置共四个信号输出端分成两组，通过两个独立集成运算放大器进行减法运算后输出两路信号，输出信号再经过一个集成运算放大器进行减法运算，形成两接收装置感应电场信号之间的差值模拟信号，模拟信号再经过信号调理和A/D转换电路形成数字信号，数字信号除以两接收装置之间的距离Δx，形成瞬变电磁响应信号的平均梯度。
2.根据权利要求1所述的瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：接收装置为线圈，第一接收线圈和第二接收线圈在发射线圈激励下两个接收线圈端线信号电位为：U1 +和U1 -以及U2 +和U2 -，Δx为两个接收线圈之间的距离，两接收线圈之间的平均梯度为：
ΔU/Δx＝[(U2 +-U2 -)-(U1 +-U1 -)]/Δx
根据上式，在同一源激励下，两个线圈回路感生电动势输出，进入集成运算放大器进行相减运算；相减运算后的信号输出到下一级集成运算放大器的输入端口。
3.根据权利要求1所述的瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：接收装置为线圈，第一接收线圈和第二接收线圈在发射线圈4激励下两个接收线圈端线信号电位为：U1 +和U1 -以及U2 +和U2 -，Δx为两个接收线圈之间的距离，两接收线圈之间的平均梯度为：
ΔU/Δx＝[(U2 +-U1 +)-(U2 --U1 -)]/Δx
根据上式，两个接收线圈四个输出信号分成两组，一次场激励电场方向相同的信号为一组，进入集成运算放大器进行相减运算，输出到下一级集成运算放大器的输入端口。
4.根据权利要求1、2或3所述的瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：所述的相同规格接收装置是指线圈支架、磁棒、绕线材料、绕制方式和形状、线圈匝数完全相同。
5.根据权利要求1、2或3所述的瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：进行相减运算的三个集成运算放大器由一个综合了和、差运算功能的一个或多个集成运算放大器完成。
6.根据权利要求1、2或3所述的瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：所述的两个接收装置以Z轴为对称轴相对于所述的发射线圈对称放置，即距离发射线圈各为Δx/2。
7.一种瞬变电磁响应信号梯度测量方法，其特征是：直接将两个接收线圈的四个输出信号端以一次场激励感生电动势方向为参照，异向两端并联形成两路信号，两路信号分别接入瞬变电磁仪的两个输入端，进行瞬变电磁梯度信号采集。
8.实现权利要求1所述的瞬变电磁响应信号梯度测量方法的测量装置，其特征是：瞬变电磁发射系统10电连接有发射线圈4，以所述的发射线圈4的中心3为原点O，所述的发射线圈4平面为XOY坐标平面，Z轴垂直于所述的发射线圈4平面构建坐标系；在X、Y或Z方向平行布置两个相同规格的第一接收装置和第二接收装置，所述的第一接收装置和第二接收装置与瞬变电磁仪12的瞬变电磁仪输入端口11电连接，所述的发射线圈4与所述的瞬变电磁仪12的瞬变电磁仪输出端口13电连接，所述的瞬变电磁仪12内设有第一集成运算放大器7、第二集成运算放大器8、第三集成运算放大器9、模拟信号调理电路5和A/D转换电路6，所述的第一接收装置电连接所述的第一集成运算放大器7，所述的第二接收装置电连接所述的第二集成运算放大器8，所述的第一集成运算放大器7和所述的第二集成运算放大器8电连接所述的第三集成运算放大器9，所述的第三集成运算放大器9电连接所述的模拟信号调理电路5，所述的模拟信号调理电路5电连接有所述的A/D转换电路6。
9.根据权利要求8所述的实现瞬变电磁响应信号梯度测量方法的测量装置，其特征是：所述的接收装置为接收线圈或磁棒。
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