CN104749640B - 多源多频地空电磁探测发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多源多频地空电磁探测发射方法，通过在发射源区布置2个以上发射源，每个发射源发射电流包含f₁～f_k频率成分，实现在目标区域上空接收系统一次飞行完成所有目标探测中发射频点的同步采集，其中目标区域为实际勘探任务的工作区域，发射源区为电磁探测过程中2个以上发射源集中布置的区域。通过采用多源多频发射模式，实现空中一次飞行采集多个频点，提高了探测效率,降低了空中飞行成本和事故风险,同时也降低了各频点数据之间的相对测量误差。采用多个发射源发射不同频率，多个频点由不同的发射源发出，减小了每个源发射频点负担，使设备更加轻便。减小了发射源之间的相互影响，提高了探测结果的准确度，降低施工成本。

Description

多源多频地空电磁探测发射方法

技术领域：

本发明涉及一种地空电磁探测发射方法，尤其是适用于在地形复杂，气象条件较差，飞行时间窗口较短的情况下采用地面多个发射源发射含有多个频率成分的电流，空中一次飞行同步测量多个频点以实现对目标区域地下电性结构快速探测的多源多频地空电磁探测发射方法。

背景技术：

地空电磁探测方法，或称半航空电磁法，是在地面电磁探测方法和航空电磁探测方法的基础上发展起来的一种新型的地空电磁探测方法。地空电磁探测方法通过在地面布置人工发射源，空中飞行平台搭载接收系统探测目标区域。该方法综合了地面电磁探测方法和航空电磁探测方法优势，具有探测效率高、探测深度大、探测成本低等特点，可以在城区、沿海滩涂、山区密林、丘陵沼泽等复杂地形区域开展工作，在地下中深部范围内(0-2000m)资源勘探和工程勘察领域具有良好的发展前景和应用价值。

现阶段，地空电磁探测方法包括时间域地空电磁探测方法和频率域地空电磁探测方法。时间域地空电磁探测方法通过在发射电流停止期间采集到的二次场信号反演视电阻率，获取目标区域地下信息。由于感应的二次场信号微弱，该方法的探测区域较小，适用于近区探测，测线与发射源的最大距离一般不超过3km。频率域地空电磁探测方法通过发射不同频率的电流波形来获取不同深度的地下电阻率信息，在发射电流期间采集磁场信号，适用于中远区探测，测线与发射源的最小距离一般不低于2km。地空电磁探测系统在20世纪后期开始出现，目前国际上已有澳大利亚的FLIRTEM系统和日本的GREATEM系统，国内吉林大学成功研制首套时间域地空电磁探测系统。然而，对于频率域地空电磁探测方法，国内外未见相关研究成果公布。

地空电磁探测方法采用飞行平台搭载接收系统在空中对目标区域进行探测，飞行平台的作业受气象条件影响较大，当风力大于4级时很难进行野外作业。而气象条件受多种因素影响，具有不可控性和多变性，当在野外进行勘探时，气象条件可能会随时威胁飞行安全，从而终止勘探作业，导致探测任务无法顺利完成，并且浪费大量的人力、物力和财力。同时，飞行平台的有效飞行时间还受飞行器的续航能力影响，特别是对于当前旋翼无人机来说，当搭载探测系统后，其续航时间在几十分钟左右，较长的飞行时间需要多次的起飞降落，增加飞行成本。另外，飞行时间越长，人为操作失误的可能性和飞行平台内部器件的故障率将增加，从而使航空事故的发生率增加。针对以上原因，要求完成探测任务的前提下，尽可能的减小飞行时间，充分利用宝贵的飞行时间窗口。

地空频率域电磁探测方法在地面布置人工场源，通过发射不同频率的电磁场来探测不同深度的地下电阻率信息。针对目标区域具体的探测深度，要求在一定频率范围内采集多个频点的磁场信息。常规地面发射系统通常采用单个发射源发射方波电流，一次飞行探测一个频点，通过变频方案完成整个测区内大深度范围探测。这种方法在完成目标区域探测时需要在不同时间段内多次飞行，效率难以提高，探测成本和探测时间较长，不同时间段内的观测精度难以保证。

CN1325031A公开了一种主动源频率域电法勘探方法，该方法通过向地下发送包含2ⁿ+1(n为≥1的实数)个按2倍等间隔分布的主频点的伪随机波形电流作为激励场源，可实现一次性接收多个频率，在一定程度上提高了探测效率。但是该方法频率覆盖范围有限，频点分布相对固定，灵活性较差，不能满足频率域地空电磁探测需求，在进行宽频带，多种频率，或者加密频点的地空电磁测量时，仍需要多次飞行。因为多次飞行的时间不同，且飞行参数不同，导致在各组频点上测量数据的相对误差较大。同时，当每组主频率成分大于7时，要保证各个频率成分的幅度不明显衰减，发射机发射功率需要提高近4倍，在接地电阻大于20Ω时，将大幅增加发射机的体积和重量，实际应用困难。

CN101369025A公布了一种组合场源人工源频率域电磁测深方法，该方法通过在不同的收发距设置多个发送设备，实现全频段收发距满足“远区”要求。该方法简化了对设备的要求，不需要进行近区校正，同时也提高了探测效率。该方法为保证各频段收发距满足“远区”要求，使得高中低各个频率组收发距不同，发送设备之间相距较远，通常在几百米到几公里之间。对于地空频率域电磁探测而言，采用这种方法发射将增加发送设备布置的难度和成本，而且各发射源之间的区域不适合探测，另外发送的低频电流波形谐波可能对其它组电流波形频率成分重合，从而影响整体探测精度。

航空电磁探测方法采用飞机搭载发射系统和接收系统的方式进行快速探测，探测效率高，覆盖面积大。航空电磁探测发射系统通常采用磁偶极线圈作为发射源，受飞机载重量和机载电源功率限制，发射线圈尺寸较小，发射磁矩受限，同时由于发射线圈与接收线圈的距离较小，从根本上限制了航空电磁探测方法的有效探测深度，目前普遍探测深度不超过500m，无法适用于深部目标体的快速探测。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有方法技术的不足，提供一种多源多频地空电磁探测发射方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多源多频地空电磁探测发射方法，通过在发射源区布置2个以上发射源，每个发射源发射电流包含f₁～f_k(k≥1)频率成分，实现在目标区域上空接收系统一次飞行完成所有目标探测中发射频点的同步采集，其中目标区域为实际勘探任务的工作区域，发射源区为电磁探测过程中2个以上发射源集中布置的区域。

所述的发射源是由发射机、发射导线和接地电极组成，发射导线长度通常为0.5-3km。

多源多频地空电磁探测发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据目标区域内测线方向，确定目标区域中轴线，该中轴线与目标区域内多数测线垂直或者近似垂直，在目标区域交通便利一侧的中轴线上圈定发射源区最近边界，其中发射源区最近边界与目标区域距离大于2km，发射源区沿目标区域中轴线对称布置；

B、在发射源区内沿中轴线对称布置2个以上个发射源，按照单个发射源最佳探测区域覆盖目标区域原则确定发射源与目标区域的相对位置，按照发射源相互独立原则确定任意两个发射源之间的位置，其中每个发射源由发射机、发射导线和接地电极组成，发射导线长度通常为0.5-3km；

C、由目标区域总体地质环境、探测深度范围和探测精度确定探测所需频率范围，由发射源电流波形频点独立原则确定每个发射源的电流波形和频率；

D、设定控制器的电流参数，由控制器控制各个发射源同步发射电流，在发射源工作期间，空中接收系统同步接收信号，其中同步方式以时间信息为基准。

步骤B中所述单个发射源最佳探测区域覆盖目标区域原则为目标区域位于任意发射源的最佳探测区域内，任意一个发射源的最佳探测区域由以下条件确定：

——在最佳探测区域内，接收系统的噪声低于当地的环境噪声；

——在最佳探测区域内，当发射源工作时，接收系统所测量发射频点的磁场信号幅度高于环境噪声的2倍；

——在最佳探测区域内，相对于均匀大地介质，当地下存在异常体时，相对异常响应高于10％。

步骤B中所述发射源相互独立原则为发射源区内任意两个发射源发射导线之间互感引起的尖峰电流幅值低于同频发射电流幅值的十分之一，任意两个接地电极独立接地，接地电极电阻区域互不交叠。

步骤C中所述的由目标区域总体地质环境、探测深度范围和探测精度确定探测所需频率范围，分为以下两种方式：

a、根据已知目标区域地质环境，结合频率域电磁探测深度经验公式估算确定，其中D为探测深度，f为发射频率，ρ为地下电阻率。

b、根据已知目标区域地质环境，建立初始电阻率模型，在仿真软件中通过正演仿真计算确定。

步骤C中所述的发射源电流波形频点独立原则为每个发射源发射的电流波形包含有效频点和无效频点，有效频点为探测时可利用的幅值较大的频点，无效频点为发射电流中未利用幅值较小的谐波频点，任意一台发射源电流波形满足以下要求：

——该发射源电流波形的有效频点分布在探测所需频率范围内，与其它发射源有效频点可以交叉设置，也可以分离设置；

——该发射源电流波形有效频点与其它发射源有效和无效频点不重合，或者当与其它发射源频点重合时，其它发射源频点幅值低于该发射源有效频点幅值的5％。

有益效果：与现有技术相比，(1)本发明通过采用多源多频发射模式，实现空中一次飞行采集多个频点，充分利用有效飞行时间窗口，提高了探测效率,降低了空中飞行成本和事故风险,同时也降低了各频点数据之间的相对测量误差。(2)采用多个发射源发射不同频率，可以使一次飞行采集的频点设置更加灵活丰富，多个频点由不同的发射源发出，减小了每个源发射频点负担，保证了有效发射功率，降低了发射源的设计难度，使设备更加轻便。(3)通过对发射源之间互感、接地点距离以及发射电流频点的限制，减小了发射源之间的相互影响，提高了探测结果的准确度。(4)多个发射源集中布置在一个区域，减小了施工的难度和成本。(5)本发明中发射源的布设方式还可以用于地面电磁探测方法，用于提高野外测量工作效率，降低施工成本。

附图说明：

图1：野外多源多频地空电磁探测示意图

图2：单个发射源一侧的最佳探测区域及允许偏转角度示意图

图3：三源布置方式示意图

图4表1：三源有效频点的幅值及分布

图5表2：三源多频方式与单源多频方式频点幅值对比表

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

多源多频地空电磁探测发射方法，通过在发射源区布置2个以上个发射源，每个发射源发射电流包含f₁～f_k(k≥1)频率成分，实现在目标区域上空接收系统一次飞行完成所有目标探测中发射频点的同步采集，其中目标区域为实际勘探任务的工作区域，发射源区为电磁探测过程中2个以上个发射源集中布置的区域。

所述的发射源是由发射机、发射导线和接地电极组成，发射导线长度通常为0.5-3km。

多源多频地空电磁探测发射方法，具体实施过程中包括A、B、C和D四个步骤：

步骤A：根据目标区域内测线方向，确定目标区域中轴线，该中轴线与目标区域内多数测线垂直或者近似垂直，在目标区域交通便利一侧的中轴线上圈定发射源区最近边界，其中发射源区最近边界与目标区域距离大于2km，发射源区沿目标区域中轴线对称布置。

步骤B：在发射源区内沿中轴线对称布置2个以上发射源，按照单个发射源最佳探测区域覆盖目标区域原则确定发射源与目标区域的相对位置，按照发射源相互独立原则确定任意两个发射源之间的位置，其中每个发射源由发射机、发射导线和接地电极组成，发射导线长度通常为0.5-3km。

单个发射源最佳探测区域覆盖目标区域原则为目标区域位于任意发射源的最佳探测区域内，任意一个发射源的最佳探测区域由以下条件确定：

——在最佳探测区域内，接收系统的噪声低于当地的环境噪声；

——在最佳探测区域内，当发射源工作时，接收系统所测量发射频点的磁场信号幅度高于环境噪声的2倍；

——在最佳探测区域内，相对于均匀大地介质，当地下存在异常体时，相对异常响应高于10％。

图1所示为野外地空多源多频电磁探测示意图，多个发射源集中布置在发射源区内，位于目标区域中轴线上，该中轴线与测区内测线垂直。为了便于发射源的布置，发射源区选在目标区域交通便利一侧，两者之间的最小距离大于2km。其中目标区域为长8km，宽5km共40平方公里的区域，探测该区域内地下200m-1500m的低阻异常分布。该区域内整体电阻率不高，普遍在250Ω·m左右，地形复杂，地面布置采集系统困难，野外坏境噪声较低，总体上随着频率的增高儿减小，当频率小于1000Hz时，环境噪声接近于1×10^-15T/Am。

在本实施例中发射源区布置3个功率相同的发射源，其中每个发射源的接地电阻在20Ω左右，发射电流为20A。空中飞行平台采用飞行性能较好的六旋翼直升机。接收系统采用磁场接收机，该系统采用GPS同步定位，能够同时采集多个频率，系统噪声较低，最高噪声水平低于1×10^-15T/Am。

在目标区域内噪声水平下，当发射电流为20A时，发射导线长度为1km时，通过正演仿真计算后，考虑到实际地形条件，确定发射源单侧最佳探测区域如图2所示，具体为测区两侧边缘连线与发射源中轴线夹角为60°，垂直方向最小距离4km，最大距离10km。在最佳探测区域内，磁场接收系统噪声水平低于当地的环境噪声；当发射源发射电流为20A时，接收系统所测量发射频点的接收信号幅度高于环境噪声的2倍；相对于均匀大地介质，当地下存在低阻异常时，相对异常响应高于10％。为保证目标探测区域分布于任意一个发射源的最佳探测区域内，发射源中心在中轴线附近，沿中轴线对称布置。当目标区域为长8km，宽5km共40平方公里的探测区时，对于沿目标区域中轴线布置的单个发射源，在相距4km的距离上，为保证目标区域在最佳探测区域内，允许其设置的最大偏转角度为15°。

在发射源区内每个发射源由发射机、发射导线和接地电极组成，通常发射导线长度为0.5-3km，任意两条发射源的导线布置包括交叉、平行、倾斜、移位等多种方式，为减小由发射导线互感和接地电极引起的电流波形畸变对探测精度的影响，要求发射源区内任意两个发射源布局时满足发射源相互独立原则，具体为：发射导线之间互感引起的尖峰电流幅值低于同频发射电流幅值的十分之一，任意两个接地电极独立接地，接地电极电阻区域互不交叠，通常要求任意两个接地电极间的距离大于50m。计算表明，在接地电阻为20Ω左右，发射电流20A时，为保证互感引起的尖峰电流幅值低于2A，要求任意两个发射源发射导线互感小于0.5mH。

图3所示为一种三源布置方式示意图，具体为发射源S1与S3平行等间隔布置，长度相等为1km，相隔300m，S1与目标区域相距4km，发射源S2因受地形限制，偏转布置。任意一个发射源包含2个接地电极，其中接地电极S1-A、S2-A和S3-A在一条直线上，S1-A与S2-A间距200m，S2-A与S3-A间距100m；接地电极S1-B、S2-B和S3-B在一条直线上，S1-B与S2-B间距100m，S2-B与S3-B间距200m。规定发射源S1方向为水平方向，则发射源S2相对于水平方向偏转5.71°，小于允许的最大偏转角度15°，因此目标探测区域分布于发射源S1、S2和S3的最佳探测区域内。对于任意两条平行等长度的长直导线，其互感为：

其中M为两条导线之间的互感，单位为μH；l为发射导线长度，单位为cm；d为两条发射导线的间距，单位为cm。当发射导线长度为1000m时，要保证两条导线之间的互感小于0.5mH，要求间距d大于70m。在本实施例中，因为两个接地电极间距不小于100m，保证了接地电极独立接地，接地电极的接地电阻区域互不交叠。因此三个发射源的布置满足探测要求。

步骤C：由目标区域总体地质环境、探测深度范围和探测精度确定探测所需频率范围，由发射源电流波形频点独立原则确定每个发射源的电流波形和频率。

步骤C中所述的由目标区域总体地质环境、探测深度范围和探测精度确定探测所需频率范围，分为以下两种方式：

a、根据已知目标区域地质环境，结合频率域电磁探测深度经验公式估算确定，其中D为探测深度，f为发射频率，ρ为地下电阻率。

b、根据已知目标区域地质环境，建立初始电阻率模型，在仿真软件中通过正演仿真计算确定。

步骤C中所述的发射源电流波形频点独立原则为每个发射源发射的电流波形包含有效频点和无效频点，有效频点为探测时可利用的幅值较大的频点，无效频点为发射电流中未利用幅值较小的谐波频点，任意一台发射源电流波形满足以下要求：

——该发射源电流波形的有效频点分布在探测所需频率范围内，与其它发射源有效频点可以交叉设置，也可以分离设置；

——该发射源电流波形有效频点与其它发射源有效和无效频点不重合，或者当与其它发射源频点重合时，其它发射源频点幅值低于该发射源有效频点幅值的5％。

在本次探测任务中，针对探测目标区域地下200-1500m左右的深度范围，根据相关的地质资料(电阻率在250Ω.m左右)和正演模型仿真计算，确定最佳探测频率范围为10-500Hz，同时在中间频段进行加密测量。在最佳探测频率10-500Hz探测范围内，每个发射源的发射电流可以是方波、三角波、伪随机波以及双频波等包含多个频率成分的波形，每个发射源发射波形的频率成分为探测时可利用的幅值较大的有效频点和不采用的无效谐波频点。在本次探测过程中，发射源波形选用谐波频点近似呈对数等间隔分布的2³序列伪随机波，其各个频点谐波为：

其中，A为电流幅值，k为基频次数，f基波频率。本次三个发射源的电流幅值为20A，基波频率分别为：16Hz，42Hz，128Hz，则探测有效频点为：16Hz、32Hz、42Hz、64Hz、84Hz、128Hz、168Hz、256Hz、512Hz。

表1所示为一种三源有效频点的幅值及分布。发射源1发射有效频点为16Hz、32Hz和64Hz，在其它有效频点幅值为0，发射源,2发射有效频点为42Hz、84Hz和168Hz，在其它有效频点幅值为0，发射源1发射有效频点为128Hz、256Hz和512Hz，在其他有效频点幅值为0，在任意一个有效频点上，只有一个发射源幅值不为零，说明三个发射源的发射频率之间没有重合，保证了发射源的频点之间相互独立，互不影响。

表2所示为一种三源多频方式与单源多频方式频点幅值对比表，其中三源多频方式为三个发射源分别发射以16Hz，42Hz和128Hz为基频的三频伪随机波，幅值为20A，其可用频点为16Hz、32Hz、42Hz、64Hz、84Hz、128Hz、168Hz、256Hz、512Hz；单源单频方式为一个发射源发射16Hz基频9频伪随机波，幅值为20A，其可用频点为16Hz、32Hz、64Hz、128Hz、256Hz、512Hz、1024Hz、2048Hz、4096Hz。由表2可以看出，相比于单源多频方式中频点以16×2^k(k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9)Hz固定倍数分布来讲，多源多频方式频点分布更加灵活丰富，不同发射源可以配置不同需求的频点。采用单元多频发射系统，1024Hz、2048Hz和4096Hz三个频点超出了探测所需频率范围10-500Hz，造成了能量的浪费，如果通过频点加密的方式将频率限制在10-500Hz，则增加了系统的设计难度，另外任然需要多组发射才能满足探测需求，不利于探测效率的提高。同时，对于16Hz、128Hz等相同频点，三源多频的幅度超过单源多频方式幅度的2倍，提高了信号的强度，增加了信噪比。在单源多频方式中，要提高信号强度，则要增加发射电流幅值，电流幅值增加两倍，发射机输出功率需增加增加4倍，将大幅提高发射机的重量和体积，增加运输成本，不利于野外应用，特别是当接地电阻较大时，要求输出电压较高，更增加了系统的设计难度。

步骤D：设定控制器的电流参数，由控制器控制各个发射源同步发射电流，在发射源工作期间，空中接收系统同步接收信号，其中同步方式以时间信息为基准。

在工作之前，设定各个发射源控制器的电流幅值、波形、频率等参数，设定完成后，由控制器控制各个发射源同步发射电流，同时空中接收系统与发射源也保持同步，同步方式以时间为基准，具体为：每个发射源控制器设置各自的频率-时间表，频率-时间表以时间为基准，设定每个发射源在固定的时刻发射特定的频率信号，在接收系统中存储每个发射源的频率-时间表信息。在采集过程中，每个发射源和接收系统以相同的时间为基准，根据实际工作中的时间信息，来获取各个频点的幅度和相位信息，其中工作过程中的基准时间可以由校准过的恒温晶振获取，也可以通过与卫星进行通讯，由GPS模块获取得到。

通过以上方法和步骤，即可完成目标区域内多源多频同时发射，进而实现接收系统在目标区域上空一次飞行完成多个频点的同步采集，最终快速高效地完成目标区域内勘探任务。

Claims (5)

1.一种多源多频地空电磁探测发射方法，是通过在发射源区布置2个以上发射源，每个发射源发射电流包含f₁～f_k频率成分，k≥1，实现在目标区域上空接收系统一次飞行完成所有目标探测中发射频点的同步采集，其中目标区域为实际勘探任务的工作区域，发射源区为电磁探测过程中2个以上发射源集中布置的区域；

所述的发射源是由发射机、发射导线和接地电极组成，发射导线长度通常为0.5-3km；

其特征在于，包括以下步骤：

A、根据目标区域内测线方向，确定目标区域中轴线，该中轴线与目标区域内多数测线垂直或者近似垂直，在目标区域交通便利一侧的中轴线上圈定发射源区最近边界，其中发射源区最近边界与目标区域距离大于2km，发射源区沿目标区域中轴线对称布置；

B、在发射源区内沿中轴线对称布置2个以上发射源，按照单个发射源最佳探测区域覆盖目标区域原则确定发射源与目标区域的相对位置，按照发射源相互独立原则确定任意两个发射源之间的位置；

C、依据目标区域地质环境、探测深度范围和探测精度确定探测所需频率范围，根据发射源电流波形频点独立原则确定每个发射源的电流波形和频率；

D、设定控制器的电流参数，由控制器控制各个发射源同步发射电流，在发射源工作期间，空中接收系统同步接收信号，同步方式以时间信息为基准。

2.按照权利要求1所述的多源多频地空电磁探测发射方法，其特征在于，步骤B中所述单个发射源最佳探测区域覆盖目标区域原则为目标区域位于任意发射源的最佳探测区域内，任意一个发射源的最佳探测区域由以下条件确定：

——在最佳探测区域内，接收系统的噪声低于当地的环境噪声；

——在最佳探测区域内，当发射源工作时，接收系统所测量发射频点的磁场信号幅度高于环境噪声的2倍；

——在最佳探测区域内，相对于均匀大地介质，当地下存在异常体时，相对异常响应高于10％。

3.按照权利要求1所述的多源多频地空电磁探测发射方法，其特征在于，步骤B中所述发射源相互独立原则为发射源区内任意两个发射源发射导线之间互感引起的尖峰电流幅值低于同频发射电流幅值的十分之一，任意两个接地电极独立接地，接地电极电阻区域互不交叠。

4.按照权利要求1所述的多源多频地空电磁探测发射方法，其特征在于，步骤C中所述的由目标区域总体地质环境、探测深度范围和探测精度确定探测所需频率范围，分为以下两种方式：

a、根据已知目标区域地质环境，结合频率域电磁探测深度经验公式估算确定，其中D为探测深度，f为发射频率，ρ为地下电阻率；

b、根据已知目标区域地质环境，建立初始电阻率模型，在仿真软件中通过正演仿真计算确定。

5.按照权利要求1所述的多源多频地空电磁探测发射方法，其特征在于，步骤C中所述的发射源电流波形频点独立原则为每个发射源发射的电流波形包含有效频点和无效频点，有效频点为探测时可利用的幅值较大的频点，无效频点为发射电流中未利用幅值较小的谐波频点，任意一台发射源电流波形满足以下要求：

——该发射源电流波形的有效频点分布在探测所需频率范围内，与其它发射源有效频点可以交叉设置，也可以分离设置；

——该发射源电流波形有效频点与其它发射源有效和无效频点不重合，或者当与其它发射源频点重合时，其它发射源频点幅值低于该发射源有效频点幅值的5％。