CN105452905B - 用于取消磁场的抵消电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于借助于多个抵消回路抵消已知几何结构及时间变化的磁场的方法及设备。所述方法及设备利用多个回路，每一回路是由形成所述已知时间变化的磁场的电流来激励。多回路场形成抵消磁场，所述抵消磁场在一体积内能比来自单回路的磁场更佳地抵抗所述已知磁场的空间变化。本发明在电磁测量中有用，其中必须在磁场传感器处取消受控源发射器的磁场。本发明对其中所述磁传感器可相对于所述发射器移动的情形尤其有用，例如在特定航空电磁测量中。

Description

用于取消磁场的抵消电路

技术领域

本发明的各方面大体来说涉及抵消系统且涉及在体积内的点处实质上消除磁场的方法。更特定来说，本发明的各方面可用于电磁勘探中以在不显著修改大发射场与地面的交互作用的情况下消除所述发射场对磁场传感器的影响。当前发明在所述传感器相对于发射器位移时促进此消除。

背景技术

电磁探测方法构成用于在探查石油、天然气与矿床、蓄水层及其它地质特征中测绘地球的地球物理方法的重要部分。EM方法可概括地分类成两类：无源方法，其中使用电磁勘测设备来测绘地球表面范围内的电磁场的自然发生的时间变化；及有源方法，其中电磁场是从发射器(其为勘测设备的整体部分)射出。

有源EM系统包括数个部分：用以形成电磁场的发射器及天线、用以检测来自发射器的信号的传感器与及接收器以及相关电子器件、机械元件、数据记录器和电源。尽管EM系统也包括其中在不存在发射器的条件下测量电磁场的自然发生的无源系统，但在以下论述中，除非另有说明，否则EM系统应视为仅包括那些具有发射器的系统。

有源EM系统通过将随时间变化的电流波形供应到发射器线圈或回路而操作，此形成对应的“初级”随时间变化的磁场。初级场的时间变化接着在地球中感应涡电流，从而导致“分散”磁场。分散场连同初级场通常通过采用线圈、回路或磁强计传感器借助接收器来测量。分散场的特性可接着用于确定地面的电性质。这些性质可接着用作地质判读(例如推断地质特征的存在)的基础。举例来说，分散场与初级场同相的特性对检测高度导电矿石有意义。改进分散磁场的特性致使经改进的地质推断且因此致使采用有源系统的任何勘探企业的成功。

在下文中，“线圈”及“回路”可用于意指借以发射初级场且可包括一或多个绕组(匝)电导体的天线。接着用包含一或多个磁场传感器的接收器检测所得磁场。磁场传感器可为其中根据法拉第定律(Faraday’s Law)检测磁通量密度的改变的线圈、回路或电路元件，或其可为磁强计。磁强计的实例包含采用磁通门、反馈线圈、霍尔效应和光泵浦 原子蒸汽原理来检测磁场的装置以及相关仪器。

回路及线圈可包括圆形、椭圆形、卵形、螺旋形或其它类似圆形形状或其区段，且可包括一起形成封闭形状的线段(通常具有小于180度的内角)，其实例为矩形、六边形、八边形、十二变形等等。回路包括通常由导电物质(例如铜或铝)构成的至少一个导电绕组，但可包括超导体。经塑成为具有多个边的凸面对称多边形状的回路可视为是实质上圆形的，如同圆形回路一般。

当在空中部署EM系统时，通常采用两个配置中的一者。在第一配置中，发射器及接收器可位于相同平台、结构或“载体”上，而在第二配置中，接收器可被拖曳在发射器后面一定距离处。在第一配置中，发射器及接收器可安装在飞机“载体”上，所述飞机“载体”的实例包含曾由芬兰地质勘探局操作的系统及由Geotech股份有限公司建造的霍克(Hawk)系统。还可能将发射器及接收器安装在从飞机拖曳的平台或底架“载体”上。此些载体通常拖曳在直升机下面，且通常称作为“吊舱”、“探空仪”或“炸弹”。在此些情形中，吊舱可通常拖曳在直升机下面30到60米，在高于地面大约30到60米的高度处。在此些系统中，由于发射器及接收器经定位紧靠近，因此接收器处的初级场可为大于分散场的数量级。

当初级场比分散场大得多时，需要初级分散场分开的手段以准许对小得多的分散场进行准确检测。完成上述情形的一种常见方法是通过时间分开，借此初级场作为具有交替极性的一系列整形脉冲来广播，其中每一脉冲由关断时间(在其期间无电流在发射器回路中流动)分开。如果在此关断时间期间测量到分散场，那么将不存在初级场且对分散场的高度敏感测量是可能的。将测量限制于关断时间的缺点是信息的丢失。特定来说，可不良呈现分散响应的同相分量，因此可不能够检测到一些高度导电矿石。由于高度导电矿石经常成为航空电磁(“AEM”)勘测的目标，因此准确的接通时间测量可对AEM企业的成功相当重要。因此获取优质同相AEM数据是有利的。

大量AEM系统已使用关断时间测量值作为将分散场与初级场分开的手段。这些系统中最显著的是巴林杰(Barringer)输入系统及从其衍生的系统，例如Geotem系统、Megatem系统及Questem系统。

抵消提供初级-分散场分开的替代手段。当初级场的同相分量是大的时，例如当发射器及接收器经定位紧靠近时，可使用抵消回路来通过有源抵消直接消除接收器处的初级场，或通过无源抵消来消除初级场对接收器的影响。有源抵消涉及形成将实质上消除由EM系统的磁场传感器经历的初级场的抵消磁场。通常抵消磁场是通过传递用于通过在磁场传感器附近的第二较小回路来激励发射器回路或天线的随时间变化的电流波形而 形成。在无源抵消中，使用额外磁场传感器来检测与单个磁场传感器所经历的初级与分散场组合不同的初级与分散场组合。接着以取消组合信号中的初级场的方式组合来自两个传感器的信号。因此，在存在大初级场的情况下，可有利地使用抵消来获取优质同相AEM数据。

由于在存在接收器的情况下抑制初级场而产生抵消的额外优点。当将初级场抵消时，接收器可以比未经抵消的场高的敏感度操作。因此可检测到更精细分散场异常现象，因此准许在无需使接收器饱和的情况下以较弱物理性质差异检测较小地质特征。

使用抵消的系统的实例是采用无源抵消的Dighem直升机频域系统，如同惠顿(Whitton)所推荐的系统(美国专利申请案2003169045A1)一般；及VTEM(美国专利申请案2011/0148421 A1)及采用有源抵消的Aerotem直升机时域系统。

在采用有源抵消的系统中，目标是在不明显影响地球中由发射器引起的涡电流感应的情况下取消接收器处的初级场。因此，抵消回路经挑选为在几何形状上小于发射器回路但较接近于传感器。因此，可在其范围内抵消场的接收器位置的范围通常也为小的。由于上述情形，磁场传感器相对于那些回路的任何相对位移可强烈影响在传感器处消除初级场的程度。因此，在目前现有技术中，抵消的质量随系统变得日益刚性而改进。

有源抵消的优点为接收器附近的初级场被抑制，而不管场在所有附近位置处未被完全消除的事实。如此一来，由于接收器及其底架的任何金属组件内的初级场的改变所致的涡电流感应强烈减少。

在目前现有技术中，在发射器回路、磁场传感器及抵消回路的相对几何结构为几乎刚性固定时抵消为最有效。每当回路几何结构相对于彼此改变形状或位置时，初级场的未经抵消残余部分将作为信号出现在接收器中。所述残余部分通常不能与同相分散场区分，且因此可使所测量分散响应的质量降级。AEROTEM及Dighem系统采用几乎刚性几何结构，且因此使由回路运动引起的未经抵消初级场残余部分的变化最小化。然而，一些未经抵消的残余部分可甚至发生在具有标称几乎刚性几何结构的系统中。这些残余部分可由回路几何结构的小改变引起，通常归因于热膨胀，从而产生称作“漂移”的现象。

尽管刚性几何结构有利于准确抵消，且因此有利于准确地测量分散场的同相分量，但准许发射器回路、磁场传感器及抵消回路的相对几何结构的一些变化可为必需或有利的。VTEM系统图解说明在EM获取波段中为实质上刚性的但具有柔性几何结构的AEM系统。其发射器底架的轻量准许比在系统为几乎刚性的情况下将可能的发射器回路及矩大的发射器回路及因此矩。由于发射器回路可变形，因此其可在每一飞行的起飞及降落 期间以更大容易性处置。分段构造回路底架促进运输且断裂较容易修复：碰撞并不涉及单个刚性底架及其高价值组件的灾难损失。由于增加的柔性引起的折衷为抵消的保真度小于由可比几乎刚性系统可提供的保真度。

波尔策(Polzer)等人(国际专利申请案WO 2011/085462 A1)已注明允许发射器回路、磁场传感器及抵消回路的几何结构中的一些柔性的第二优点.波尔策(Polzer)注明EM传感器在地球的背景磁场中(尤其在1到25Hz低频范围中)旋转形成先前已呈现获取所述波段中的高精度航空电磁数据的噪声。通过将稳定化系统用于运动隔离(其中磁场传感器相对于装纳于其中的吊舱移动)，可获取1到25Hz波段中的高精度航空电磁数据。如此一来，AEM系统的几何结构必须为柔性。

因此，在AEM勘测的目前现有技术中，使用单回路来抵消初级场。几乎刚性系统提供相对稳定抵消且准许对分散场的精确同相测量，牺牲发射器矩、轻量及特定物流优点。柔性系统准许较大发射器矩及物流优点，但具有较不完美抵消，且因此对分散场的同相分量的较不准确测量。较不准确同相测量可导致高导电地质特征的较差分辨率，所述地质特征中的许多者为受委托进行矿业勘探的EM勘测的目标。较不完美抵消还可意指与经良好抵消系统的情形相比可遭受较大磁场振幅变化，且意指因此可以较低分辨率获取EM数据。

为了取消发射器的场，未必适用抵消线圈。举例来说，霍尔(Hall)等人的美国专利申请案2011227578 A1描述感应测井工具，其使用多个抵消线圈来以从测井工具的旋转轴任何角度重新引导由发射器产生的场。

迈尔斯(Miles)等人在美国专利7,646,201 B2中揭示具有与内部接收器回路及外部接收器回路同轴的刚性发射器回路的AEM系统。通过将接收器回路零耦合到发射器，可使接收器回路主要对由接收器回路界定的环形域内产生的地球分散场敏感。

库兹明(Kuzmin)等人(专利申请案US 2010/0052685)揭示用于具有柔性几何结构的VTEM AEM系统的有源抵消系统。所述系统由外部发射器回路及内部共面及共轴抵消回路组成，所述外部发射器回路及所述内部共面及共轴抵消回路两者均居中于接收器回路上。抵消回路及发射器回路经串联连接，使得将接收器处的初级场大约取消。然而，回路几何结构的挠曲导致由传感器处的初级场的未经抵消残余部分所致的测量场的移位。在例如库兹明(Kuzmin)的其中发射器及抵消回路大致围绕磁场传感器居中的系统的情形中，可从下式极近似地计算穿过每一回路的中心的轴向磁场HZ：

H_Z(Z)＝i/{2*a*(1+(z/a)²)^3/2)

其中i为回路中的电流，a为回路的半径且z为穿过回路的轴上的偏移。

在AEM系统的情形中，如果抵消设备可经设计以便适应发射器回路、磁场传感器及抵消回路的相对运动以便保留如在VTEM系统的情形中的系统柔性的优点同时改进由磁场传感器相对于发射器及抵消回路的运动界定的体积内的抵消，这将是有利的。此抵消设备在柔性EM系统中将是有利的，且将改进采用运动隔离的AEM系统中的抵消，如在波尔策(Polzer)系统的情形中。此抵消设备的第一优点将在于产生经改进同相EM数据，且因此对高度导电矿石的经改进敏感度。第二优点将在于产生可以经改进分辨率获取的数据，从而导致对分散电磁场中的精细特征的更大敏感度。

发明内容

本发明改进经抵消初级场优于目前现有技术单回路抵消的质量，其中磁场传感器可在相对于发射器回路定位的经界定体积内使其位置变化。本发明还可改进经抵消初级场的质量，其中发射器回路或其部分的位置可相对于抵消回路变化。

本发明使用多个线圈或回路，所述多个线圈或回路是借助用以形成实质上抵抗磁场传感器上的初级场的“抵消场”的电流来激励。通过采用多个回路，可在比用单回路可完成的更大的体积范围内实现对初级场的实质消除。如此一来，经抵消场与在使用单个抵消线圈时相比对系统几何结构的改变较不敏感。

通过在“抵消回路布置”中使用多个回路，传感器处的初级场的几何变化可在比在单回路情况下可能的更大的体积范围内大约匹配(且相反)。由于用于抵消初级场的回路在几何形状上不与发射器回路相同，因此在其范围内抵消场的体积范围及消除初级场的程度将取决于本发明应用于的特定应用。本发明的目的并非以完全相同方式消除所关注体积中所有点处的初级场，而是与用单个抵消回路可完成的情况相比，在特定体积范围内实质上抵抗磁场传感器上的初级场。

根据定义，词语“消除”及“调零”及“取消”及其变体是指在所关注体积范围内实质上减少发射器回路的初级磁场的效应。消除的特定量及待在其范围内发生消除的体积视为由可利用本发明的特定方法或设备的要求确定。

应注意，在其中抵消回路实质上沿着轴消除磁场的情形中，消除在磁场并不具有极高频率的情况下由于所述磁场的无散度性质而从所述轴径向扩展。因此，在沿着此调零轴发生实质消除的情况下，此“调零轴”的存在意味着在包括所述调零轴的体积内的实际消除。根据定义，包括调零轴的此体积经定义为“抵消体积”。

在本发明中，一组多个回路形成抵消场，所述抵消场在实质上固定体积范围内在相对发射器天线的空间中以相反方式匹配初级场的形状(即，其振幅、极性、时间及空间变化)。当初级场在抵消体积范围内的变化较小时，抵消将对给定数目个回路更有效。

通过如此沿着调零轴使抵消回路的效应匹配发射器的效应而非如在单回路情形中在一点处，可在磁场传感器在实质上居中于此调零轴上的抵消体积内相对于发射器移动时获得实质消除。

发射器回路几何结构的小改变可在由抵消体积占据的空间中引起消移位。假定发射器回路的几何结构为实质上刚性的，使得这些移位是小的，具有有限运动范围的磁场传感器将保持在抵消体积内。在航空电磁勘测中，举例来说，实质刚性可由支撑回路的复合结构部件或由此些结构部件及缆索的组合(其中的任一者在目前现有技术中可用作支撑框架)来供应，而几乎刚性的结构通常由复合材料构成外壳。

几乎刚性结构具有比实质上刚性结构小的柔性，且本文中对实质上刚性结构的提及应视为包含为几乎刚性的结构。

因此，与可使用单个抵消回路获得的质量相比，本发明可用于在其中磁场传感器或发射器回路的几何结构相对于抵消回路的位置变化的情形中改进经抵消初级场的质量。

消除程度及可在其范围内实现抵消的抵消体积的大小取决于用于抵抗初级场的回路的数目。举例来，抵消回路可经配置以匹配初级场中的梯度，及/或匹配初级场中的曲率，等等类似于泰勒级数。取决于初级场消除的所期望量及待在其范围内消除场的体积，抵消回路可采取上文所提及回路组的叠加的形式。回路可经聚合以具有与上文所提及泰勒级数相同的效应而无需经配置以模拟所述级数的个别项。

为在抵消体积范围内实现满意抵消，对有效抵消回路参数的选择必须仔细挑选以便提供其中初级场将经适合消除的满意结果。每一抵消回路将具有匝数、有效半径及电流，其在聚合时将形成具有特定几何变化的抵消磁场。通过仔细选择匝数、半径及电流参数，抵消电路布置可经设计以在特定体积范围内实质上取消初级磁场。在抵消及发射器回路串联布置的情况下，电流在抵消设计中并非自由参数且匝数及半径的适合组合必须仔细选择。

多个抵消回路安装在抵消回路支架上。随着抵消回路支架变得较刚性且通过确保此支架相对于初级场的几何方面稳定定位来实现较佳消除。发射器回路及抵消回路可几乎或实质上刚性接合在一起，同时准许磁场传感器在抵消体积内移动。

本发明可通过采用数个配置来在抵消体积范围内实现有效消除。举例来说，抵消回路可经配置从而以数个方式抵消初级场，包含：

a.与发射器电路直接串联连接，

b.与发射器电路(诸如与变压器)感应连接，

c.作为电独立于任一发射器电路的电路，除数位或模拟控制信号外，所述数位或模拟控制信号可链接所述电路及所述发射器电路

在其中抵消回路与发射器回路串联连接的情形中，忽略电容效应，抵消回路的每一匝中的电流将与发射器回路的匝中的电流实质上相同。在回路是以串联连接的方式连接的情况下，电容可致使一些抵消回路中的电流的高频(或快速改变)分量不同于发射器回路电流中的分量，从而影响初级场可被有效取消的程度。

在航空电磁勘测领域中，AEM系统通常包括大实质上圆形发射器回路，所述大实质上圆形发射器回路具有定位于所述回路的平面中的磁场传感器。在此等情形中，在传感器的标称位置周围的整个体积内取消初级场可係有利的。在其中磁场传感器定位于发射器回路的中心中的系统中，抵消回路布置可包括两个实质上圆形抵消回路，其中抵消回路同轴地布置在发射器回路的平面中，本文中称作为“共面”配置。在此两个抵消回路共面配置中，内部抵消回路的半径比外部抵消回路的半径小且外部抵消回路的半径比发射器回路的半径小。此外，对内部回路的磁矩的指向将平行于发射器回路的磁矩，而内部抵消回路及外部抵消回路的磁矩将相反。

在抵消电路布置的第二实例(本文中称作为“伪亥姆霍兹(pseudo Helmholtz)”配置)中，多个回路可包括与实质上圆形发射器回路同轴布置但在从反射器回路的平面沿相反方向偏移的平面中的至少一个实质上圆形抵消回路组，且使得抵消回路的半径比发射器回路的半径小。在同轴配置中，抵消回路的磁矩的指向将与发射器回路的磁矩相反。

在上文两种情形中，标称接收器位置位于发射器回路的中心处，且发射器回路在回路轴上产生具有逐渐消失的强度轴向梯度的场。因此抵消回路对经配置以在回路中心附近消除发射器回路的轴向场及轴向曲率两者。在情况并非这样的情况下，第二抵消回路可经配置有第一抵消回路以消除场及其梯度，或可采用三个抵消线圈来消除场及其梯度及其曲率。

本发明应用到航空电磁勘测的领域，其中在存在大初级场的情况下测量从地球分散的小型场。在目前现有技术中，采用单个抵消回路来取消接收器处的初级场。然而，随着较大发射器矩及更精确且更低频率分散场测量变得可行，需要适应变化的发射器-接收器几何结构的在存在大型场的情况下测量分散场的经改进构件。特定来说，在子25-Hz频率下获取分散场测量的重要方面在于准许柔性发射器-接收器几何结构，如在波尔策(Polzer)的专利WO 2011/085462 A1中说明。

本发明还可有利地改进分散场测量，其中通过增加可在其范围内取消初级场的有效体积来存在柔性发射器-接收器几何结构，且存在可将本发明有利地用于此效应的若干种 方式。作为一个实例，在采用运动隔离系统来准许获取子25Hz电磁数据的情况下，发射器回路及多个抵消回路可接合在一起，其中抵消回路连接到含有磁场传感器安装于其中的运动隔离系统的壳体。本发明的此方面具有准许接收器独立于其底架移动(但在初级场的经抵消区内)的优点，且因此适于供在例如专利WO 2011/085462 A1中所揭示的运动隔离装置的运动隔离装置中使用。

本发明的另一优点为：与单个抵消回路的涡电流感应相比，由于接收器周围的体积中的初级场所致的涡电流感应得到抑制，因此减少系统噪声。本发明还可有利地用于柔性-几何结构EM系统(例如可由VTEM系统例示)中，其中接收器及其抵消回路可安装在实质上圆形、柔性发射器回路的中心处，借此额外抵消回路将减少由于回路中的相对运动及挠曲所致的经抵制场的变化性，且多个抵消回路可位于与发射器回路相同的平面中。在此柔性系统中，可通过将一或多个额外抵消回路添加到发射器的平面来减少经抵制场的变化。

上述实例已图解说明具有柔性几何结构的本发明系统的各种可能用途。然而，本发明也可有利地用于所谓刚性几何结构AEM系统中，其中发射器、抵消及接收器回路的几何结构相对于彼此几乎刚性安装，其实例为Aerotem系统。此系统可经历漂移，其分量可归因于(举例来说)由刚性支架的小尺寸改变引起的小的几何变化。可通过准许抵消体积的大小增加且因此减少所需要刚性程度来用本发明减少此些改变的效应。由于航空系统中的刚性要求归因于刚性支架的重量而限制系统的大小，因此本发明可通过以下步骤而有利地用于此些刚性系统中：通过准许系统以较少刚性减轻，因此减少操作成本，或通过扩展系统的尺寸，因此改进EM数据的质量。

当前发明的方面

本发明的第一方面涉及抵消发射器，即，使其磁场在抵消体积范围内被实质上取消的发射器。抵消是借助由属于抵消回路布置的多个抵消回路形成的场进行，因此可以比用单个抵消回路可完成的程度大的程度在体积范围内将场取消。

抵消发射器包括抵消回路布置及发射器，所述发射器将已知电流波形发送到安装在实质上刚性框架上的发射器回路。抵消回路布置包括安装在抵消回路支架上的多个单独的导电抵消回路，使得抵消回路相对于彼此固持在适当位置中，且实质上相对于发射器回路在适当位置中。在抵消回路中借助具有实质上类似于发射器波形的波形的电流控制器激励的电流形成在抵消体积范围内实质上取消初级磁场的抵消磁场。在一个变体中，此电流控制器可是指发射器，其中发射器与抵消回路串联，而在其它变体中，每一回路可由单独的电流控制器驱动。在任何变体中，抵消磁场在抵消体积内实质上在与初级磁 场相反的方向上且在量值上与所述初级磁场实质上相等，使得抵消磁场在比用单个回路可进行的更大的体积范围内实质上取消所述初级磁场。发射器电流及抵消电流可用电流监测器感测，其中电流使用例如数据获取计算机的数据记录构件来记录。实质上刚性发射器回路框架可准许发射器回路从其标称位置进行小运动，但所述实质上刚性发射器回路框架是足够刚性使得并未使抵消体积位移显著距离(与其尺寸相比)。

在与电磁勘测领域相关的本发明的第二方面中，电磁测量设备包括抵消发射器、磁场传感器以及适于控制所述磁场传感器以便准许测量并记录所述传感器的输出的接收器。磁场传感器位于抵消体积中，且安装在传感器支撑架上，所述传感器支撑架包括适于支撑传感器并将其运动限制在抵消体积内的机械支撑设备。传感器支撑架及抵消回路支架连接到实质上刚性发射器回路框架。抵消体积内的磁场(包括初级磁场及抵消磁场)还可包括由于地球中的感应由初级场分散的分量。在磁场传感器在其中初级场由次级场抵消的体积中操作时，所述磁场传感器可以比原本可能的分辨率更精细的分辨率操作，且因此可适于测量可从地球分散的磁场的分量。

在本发明的第三方面中，移动电磁测量设备包括电磁测量设备及用以运输其的载体。移动电磁测量设备还可包括：运输载体的构件、用以检测载体的位置及定向的传感器(例如，全球定位系统)及记录数据的构件(例如，数据获取计算机)。举例来说，本发明的此方面的变体可包括电磁勘探系统。

在当前发明的第四方面中，本发明可包括有源航空电磁系统的部分，其中发射器回路可适于激励地球内的涡电流，磁场传感器可适于测量那些涡电流，且抵消回路可适于消除磁场感测器上的发射器回路的初级场而不明显地影响地球中的涡电流分配或磁场传感器对地球中的涡电流分配的敏感性。

在本发明的第五方面中，所提及移动电磁测量设备可适于拖曳在直升机下面以构成航空电磁勘探系统的部分。

在当前发明的另一方面(其中其用于AEM系统中)中，抵消回路可具有与发射器回路相同定向，且与其同轴放置，但具有较小半径。每一回路可位于不同平面中，彼此轴向偏移，如由伪亥姆霍兹抵消电路布置例示，或在相同平面内，如由共面抵消电路布置所例示。

在当前发明的另一方面中，通过在比单个抵消回路可能的更大体积范围内抵消发射器回路的初级场，本发明因此减少抵消对回路几何结构的一些偏差的敏感度，且因此提供用以抵消几何结构可变化的发射器天线的初级磁场的更稳健解决方案。此些变化可在其中采用柔性发射器回路的AEM系统中常见。假定发射器回路为实质上刚性的，当前 发明的方面准许在更大体积范围内取消初级磁场且因此可比由目前现有技术提供的发射器回路更佳地适应发射器回路几何结构的变化。

在当前发明的另一态样中，抵消回路之间及抵消回路与发射器回路之间的电连接在有源抵消的情形中可借助于同轴或同轴或绞合双股电缆制成，使得这些连接线中的电流的磁场实质上彼此消除。

在本发明的另一方面中，可使用多个感测器来检测回路中的电流及回路相对于彼此的相对位置两者，准许回路的几何结构在其中回路并非几乎刚性或并非几乎刚性附加到彼此的情形中为已知的，以便准许计算不存在抵消的磁场。此些传感器可由用于检测电流的霍尔(Hall)效应电流监测器或等效检测器及例如以下各项的装置组成：相机、AHRS(姿态航向参考系统)、差分定位系统、激光测距器、雷达、应变仪及具有可用于检测回路几何结构的相对改变的等效功能的传感器。因此可实时计算初级及抵消磁场且可记录所记录的结果或上文所提及的感测器数据，以便准许在稍后时间计算磁场。

在当前发明的所有上述方面中，可精确地测量及记录发射回路及抵消回路几何结构及相应电流以便产生初级场与分散场的经改进分离。

附图说明

图1图解说明三回路共面抵消配置的各方面。

图2图解说明在发射器轴上的0.15米范围内由三回路共面抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图3图解说明在0.25米的范围内由三回路共面抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图4图解说明在较大回路情况下在0.35米的范围内由三回路共面抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图5图解说明在较小回路情况下在0.15米的范围内由三回路共面抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图6图解说明在0.25米的范围内由三回路共面抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图7图解说明在较大回路情况下在0.35米的范围内由三回路共面抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图8以平面图解说明伪亥姆霍兹配置的各方面。

图9以截面图解说明伪亥姆霍兹配置的各方面。

图10图解说明安装在球体上的抵消回路的各方面。

图11图解说明在0.25米的范围内由三回路伪亥姆霍兹抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图12图解说明在较大回路的情况下在0.25米的范围内由三回路伪亥姆霍兹抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较图。

图13图解说明在0.4米的范围内由三回路伪亥姆霍兹抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较。

图14图解说明在较小回路的情况下在0.15米的范围内由三回路伪亥姆霍兹抵消配置及双回路共面抵消配置实现的抵消之间的比较图。

图15图解说明用于驱动3回路抵消配置的电路的各方面。

图16图解说明用于驱动3回路抵消配置的另一回路的各方面。

具体实施方式

在本发明的优选实施例中，本发明包括安装在实质上刚性框架上的抵消发射器，其中发射电路包括由所述实质上刚性框架支撑的实质上圆形发射器回路，发射器适于用具有已知波形的发射电流激励所述发射电路以便形成初级磁场；及抵消回路组合件，其包括抵消回路附接到其的抵消回路支架，且所述抵消回路支架相对于初级磁场的几何方面稳定定位。抵消回路组合件适于传导形成实际上取消抵消体积内的初级磁场的抵消磁场的电流。初级磁场具有实质上类似于发射电流的时间变化的时间变化，其中初级磁场的几何方面是由发射器回路的几何结构提供。抵消回路组合件的导电回路是用形成具有已知几何及时间变化的抵消磁场的电流来激励，其中抵消磁场实质上在与抵消体积内的初级磁场相反的方向上，且在量值上与其实质上相等。因此，在抵消体积内，所述抵消磁场实质上取消初级磁场。

优选实施例包括实质上平面发射器回路，其中抵消回路组合件安装成共面配置。抵消回路组合件中的每一回路实质上与发射器回路同轴，使得抵消回路轴与发射器回路的轴实质上对准，其中每一抵消回路比发射器回路小。抵消回路经安装以禁止相对于发射器回路及抵消体积运动。抵消发射器经配置有包括成串联配置的发射器及抵消回路的一个电路。发射器与抵消回路之间的连接使用同轴或绞合双股导体形成以抑制连接回路的导体中的电流的磁场。

在优选实施例中，上文所提及经抵消电磁发射器构成直升机载电磁勘测系统的部分。经抵消电磁发射器安装在拖曳在直升机下面的载体上，发射器回路实质上水平，且定位在抵消体积中的高精度磁强计用于在140,000Hz获取波段内对磁场进行取样。磁强计安装在传感器支撑架上，所述传感器支撑架包括适于支持并限制磁场传感器到抵消发射器的抵消体积的运动的机械支撑设备，使得传感器支撑架附加到抵消发射器的发射器回路框架。在拖曳系统的直升机遍历地球时，数据获取系统记录发射器电流、所感测磁场、传感器的姿态及系统地理位置。数据获取系统还可记录发射器回路、抵消回路及传感器的相对几何结构的变化。地理位置系统可包括用以记录载体相对于地球地理坐标系统(例如，全球定位系统(GPS)及姿态航向参考系统(AHRS))的位置及姿态的构件。

其中磁场传感器可移动的抵消体积是由大约位于其中场经取消的发射器回路的轴上的零点轨迹界定。此轨迹从发射器回路的平面双向延伸到其中抵消场无法实质上取消初级场的调零距离。抵消体积具有标尺长度，所述标尺长度大约由调零轴的长度管控，且大约以发射器回路的轴与发射器的平面相交的点为中心。

图1图解说明优选实施例的抵消发射器的平面图，其中使用三回路共面配置。在此实施例中，实质上圆形的外部导电回路1(包括NO匝导线，其中NO可为10)以半径RO(其可为12.5米)绕中心点以实质上圆形方式卷绕。第二实质上圆形导线回路2(包括N1匝，其中N1可为4)以半径R1(其可为3.0373米)沿与外部回路1相反的指向卷绕。实质上圆形内部回路3(包括N2匝，其可为1匝)以半径R2(其可为1.9344米)沿与外部回路1相同的方向卷绕。在图1中，由椭圆形环绕的箭头图解说明卷绕方向的可能选择，且暗示地图解说明电流流动的方向。然而，所属领域的技术人员将理解，所有绕组可通过使电流的方向反转而在与经展示由相等效应的绕组相反的指向上，且将理解抵消回路的匝数及半径可经调适以适应发射器回路的不同匝数及半径。

在图1中，区4界定其中发射器回路1的初级场由抵消回路2及3实质上取消的位置。区4的中心点界定本发明的参考点，且位于发射器回路的平面中的发射器及抵消回路的轴上。可使用能够在区4内移动的磁场传感器来获取高敏感度磁测量值，同时避免来自大初级磁场的饱和且同时还减少由抵消体积中的初级磁场的大改变所致的所记录磁场的变化。

再次参考图1，初级场是由用作发射器回路的外部回路1中的电流形成。外部回路1以尽可能刚性方式相对于抵消回路及调零区固持在适当位置中，但由于其大半径，因此与回路2及3的位置中的偏差相比，回路1的位置中的小偏差对本发明的性能较不重要。

电连接5准许回路1与抵消回路2的串联连接，且第二电连接6准许抵消回路2与抵消回路3的串联连接。电连接5及6经安置以使其传导的电流的磁场最小化，且可由 其中来自反向流动电流的外部磁场相互消除的绞合双股、同轴或其它等效结构形成。所属领域的技术人员将理解，上文所提及串联电路中的回路的次序可变更而不影响本发明，其中发射器电流具有低时间变化使得电路电容较不重要。

图2图解说明沿着穿过优选实施例的回路的中心的旋转对称z轴的磁场的z分量的比较。针对回路的匝数中的288Amp电流将标准2回路共面调零与优选实施例的上文所提及的3回路情形相比较。在优选实施例中，磁场经补偿以在+/-0.15米范围内优于1/10,000。发射器矩的分数减少(经指示为FrMr)为微不足道。在此实例中，R0＝12.5米，R1＝3.0733米，R2＝1.9344米，N0＝10，N1＝4且N2＝1。

图3图解说明三回路共面配置的另一实施例中的磁场的z分量的比较。在此实施例中，14匝发射器回路的初级场在+/-0.25米范围内经调零成2/10,000，R0＝12.5米、R1＝2.1526米、R2＝1.3545米，N1＝4且N2＝1。

图4图解说明三回路共面配置的另一实施例中的磁场的z分量的比较。在此实施例中，10匝发射器回路的初级场在+/-0.25米范围内经调零成2/10,000，R0＝12.5米，R1＝4.1572米，R2＝2.483米，N1＝5且N2＝1。在此实施例中，使用较大直径补偿回路。

图5图解说明三回路共面配置的另一实施例中的磁场的z分量的比较。在此实施例中，14匝发射器回路的初级场在+/-0.15米范围内经调零，RO＝12.5米，R1＝2.1591米，R2＝1.3649米，N1＝4且N2＝1。在此实施例中，采用较小直径抵消回路，导致准确调零的较小体积。

图6图解说明三回路共面配置的另一实施例中的磁场的z分量的比较。在此实施例中，14匝发射器回路的初级场在RO＝12.5米，R1＝2.1526米，R2＝1.3545米，N1＝4且N2＝1的情况下经调零。此实施例准许沿着回路系统的z轴的较宽调零范围，且还暗示地准许径向调零。

图7图解说明三回路共面配置的另一实施例中的磁场的z分量的比较。在此实施例中，14匝发射器回路的初级场在RO＝12.5米，R1＝2.9425米，R2＝1.7262米，N1＝5且N2＝1的情况下经调零。在此实施例中，抵消回路经放大以赋予准确补偿的较大区。

虽然上述实例展示在共面抵消回路的情况下可能的各种实施例，但这些实例打算图解说明本发明的可能实施例，且不应解释为将本发明的范围限制于(举例来说)那些实例中提供的回路的数目、匝数或半径的数目。举例来说，本发明的实施例可包括以伪亥姆霍兹配置形成的抵消回路组合件，如下文所图解说明。

图8图解说明在有源模式中以单个抵消回路对实施的当前发明的伪亥姆霍兹实施例的平面图。发射器回路1形成在体积4中由抵消回路7对抵消的初级场。抵消回路中的 电流的指向与发射器回路中的电流相反。发射器回路1为具有标示为RO的半径的实质上圆形，而抵消回路与具有标示为R1的半径的发射器回路同轴，但平行于发射器回路的对称z轴从发射器回路的平面偏移达距离+/-Z1，如在图9中所图解说明。回路1及7通过电缆8连接以在发射器与抵消回路之间载运电流。电缆8可从一个回路到另一回路并联或串联地驱动两个抵消回路。电缆8以此方式成型以形成最小磁场，例如可使用同轴、绞合双股或具有类似效应的其它几何结构获得。

如在优选实施例的情形中，区4界定其中发射器回路1的初级场实质上由抵消回路7取消的位置。区4的中心点界定本发明的参考点。.可使用能够在区4内移动的磁场传感器来获取高敏感度磁测量值，同时避免来自大初级磁场的饱和且同时还避免由抵消体积中初级磁场的变化所致的所记录磁场的显著改变。

再次参考图9，初级场是由用作发射器回路的外部回路1中的电流形成。外部回路1以尽可能刚性方式相对于抵消回路及调零区固持在适当位置中，但由于其大半径，因此与回路7的位置中的偏差相比，回路1的位置中的小偏差对本发明的性能较不重要。

图10以截面图图解说明用具有不同半径的同轴回路实施的抵消回路配置。在此实例中，亥姆霍兹回路(举例来说，110及114)对连同单个共面抵消回路112卷绕在球形外壳100上。多个抵消回路110...114经布置以使用类似于图8及9中所图解说明的伪亥姆霍兹类型的构件来取消平行于回路的轴的区120中的初级场的分量。在本发明的此实施例中，可採用多个回路来实质上抵消可比用较少抵消回路实现的抵消体积更大的区120中的初级场。

图11图解说明可从使用伪亥姆霍兹抵消的本发明的实施例获得的效应。此实施例如图8及9中所图解说明用两个抵消回路实施。发射器回路为具有12.5米的半径及10匝的实质上圆形的。每一抵消回路为实质上圆形的且以1.7956米的半径卷绕有一匝，且从发射器回路的平面偏移达0.8922米。在当前发明的此实施例中，初级场在+/-0.25米范围内经取消以优于1/10,000。

图12图解说明可从其中发射器回路为具有12.5米的半径及10匝的实质上圆形的伪亥姆霍兹实施例获得的效应。每一抵消回路为实质上圆形的且卷绕有两匝(具有3.7187米的半径)，从发射器回路的平面偏移1.7371米。在当前发明的此实施例中，由于采用较大抵消回路组，因此初级场在彼先前情形中的体积更大的体积范围内经取消。

图13也展示可从其中发射器回路为具有12.5米的半径及14匝的实质上圆形的当前发明的另一伪亥姆霍兹实施例获得的效应。在此实施例中，在z轴上的0.4米的距离范围内获的实质抵消。每一抵消回路以2.5886米的半径及1.2665米的z偏移卷绕有2匝。

图14也图解说明可从其中发射器回路为具有12.5米的半径及14匝的实质上圆形的另一伪亥姆霍兹实施例获得的效应。在此情形中，使用紧凑伪亥姆霍兹回路组来实现在z轴上在+/-0.15米的距离范围内实现对初级场的显著消除。在当前发明的此实施例中，抵消回路各自具有一匝，且以具有+/-0.63861米的z偏移的1.2786米的半径卷绕。

虽然当前发明的实施例的前述实例图解说明用2回路抵消回路组合件来抵消的效应，但这些实例打算展示本发明的可能实施例，且并不打算暗示对所采用的回路的数目、其偏移、匝数或其半径的限制。通过举例来说，当前发明的一些实施例可採用共面及伪亥姆霍兹配置组合、其中一些可从发射器回路的平面偏移的共面配置组合，或以不同半径偏移的伪亥姆霍兹回路组合。

当前发明的其它实施例可通过将上文所提及的伪亥姆霍兹抵消回路组合刚性附接到与传感器支架相同的结构来采用所述伪亥姆霍兹抵消回路组合。

在当前发明的其它实施例中，可通过如此布置抵消回路来实质上取消从发射器回路的平面、其轴或一般来说在空间中的任一点处位移的体积中的初级磁场来使抵消体积从发射器回路的平面或从其轴偏移。此实施例可在AEM勘测中用于抵消安装在拖索上且因此从经拖曳发射器的对称轴偏移的磁场传感器附近的初级。在此些实施例中，抵消线圈的匝数及半径将必须经挑选以消除抵消体积中的初级场的梯度。

图15图解说明包括有源电磁系统的当前发明的实施例中的电流的各个方面。电力供应器300通告电缆302激励发射器301。发射器301形成电流波形，所述电流波形在电缆304上输出以与发射器回路305、第一抵消回路306及第二抵消回路307形成串联电路。对电缆304的选择可包括同轴绞合双股或任何此导体几何结构以便抑制来自在其内流动的双向电流的磁场，如上文所提及实例性实施例中所注明。

图16针对在当前发明的实施例中的电路经实施为有源电磁系统的部分时的情形图解说明其替代方面。在图16中，抵消回路是在与含有发射器回路305的电路304b分开的电路304e中。每一电路由单独电流控制器301a及301b驱动，其中301b包括发射器，其中每一控制器由其相应供应电缆302a及302b上的电流激励。两个控制器提供相同电流波形到其相应回路。

虽然已接合上文所述的示范性方面描述本发明，但所属领域的技术人员可明了各种替代、修改、变化、改进及/或实质等效方案(无论为已知或是或可能目前无法预料的)。

因此，如上文所陈述的本发明的示范性方面意欲为说明性的而非限制性。可作出各种改变而并不背离本发明的精神及范围。因此，本发明意欲囊括所有已知或稍后发展的替代、修改、变化、改进及/或实质等效方案。

Claims (20)

1.一种抵消发射器，其包括：

发射电路，其包括发射器回路；

发射器回路框架，其用以支撑所述发射器回路，所述发射器回路框架为实质上刚性的；

发射器，其适于用具有已知波形的发射电流来激励所述发射电路以便形成初级磁场；

多个单独的实质上平面抵消回路，每一者在尺寸上比所述发射器回路小，且每一抵消回路的半径不同，并且每一抵消回路的半径小于所述发射器回路的半径，沿着实质上平行于所述初级磁场的局部方向的轴同轴布置且由电流控制器用电流激励；

实质上刚性支架，所述抵消回路中的每一者附加到所述实质上刚性支架，所述支架附接至所述发射器回路框架，其中所述抵消回路相对于所述初级磁场的几何方面稳定定位；

调零轴，其从平行于所述抵消回路的平面沿垂直方向双向地延伸到所述调零轴的每一端处的端点；

其中

抵消磁场是通过所述抵消回路中的电流形成在抵消体积内，所述抵消体积实质上以所述调零轴为中心，

所述端点位于所述抵消磁场无法实质上取消所述初级磁场之处，

所述抵消磁场实质上在与所述初级磁场相反的方向上，且在量值上与所述初级磁场实质上相等，使得所述抵消磁场实质上取消所述抵消体积内的所述初级磁场，从而使得一个或多个磁场传感器在所述抵消体积内的占据的位置改变时，所述一个或多个磁场传感器处的磁场仍然被抵消。

2.根据权利要求1所述的抵消发射器，其中所述多个抵消回路包括第一抵消回路及第二抵消回路，所述第一及第二抵消回路为实质上圆形的。

3.根据权利要求2所述的抵消发射器，其中所述第一抵消回路及所述第二抵消回路布置在共用平面中，所述第一抵消回路在几何形状上比所述第二抵消回路小。

4.根据权利要求3所述的抵消发射器，其中所述共用平面包括所述发射器回路的平面，所述第一抵消回路及所述发射器回路的磁矩为在相同方向上实质上平行，且所述第二抵消回路及所述发射器回路的磁矩为实质上相反。

5.根据权利要求2所述的抵消发射器，其中所述第一及第二抵消回路各自经安置而具有相同有效半径、匝数且在所述相同方向上具有磁矩，其中所述抵消回路中的每一者沿共用轴的方向从所述发射器平面偏移。

6.根据权利要求5所述的抵消发射器，其中所述抵消回路与所述发射器回路同轴，所述第一及第二抵消回路从所述发射器回路的所述平面偏移达相等距离且在相反方向上，且其中所述第一抵消回路、所述第二抵消回路的所述磁矩为实质上平行且与所述发射器回路的所述磁矩相反。

7.根据权利要求1所述的抵消发射器，其中将电流供应到所述发射器回路及所述抵消回路的电连接是选自由以下各项组成的群组：双股线、同轴线及其组合。

8.根据权利要求1所述的抵消发射器，其中所述发射器回路及所述抵消回路经安置以形成串联电路，借此用于所述抵消回路的所述电流控制器为所述发射器。

9.根据权利要求1所述的抵消发射器，其中抵消回路及其电流控制器形成第一电路且所述发射器回路及所述发射器形成第二电路。

10.根据权利要求1所述的抵消发射器，其包括电流传感器及数据记录器，其中测量并记录所述发射器回路中的所述电流。

11.根据权利要求1所述的抵消发射器，其包括电流传感器及数据记录器，其中测量并记录抵消回路中的所述电流。

12.根据权利要求1所述的抵消发射器，其包括：对所述发射器回路及所述抵消回路的几何结构做出响应的感测构件，及数据记录器，其中所述感测构件经安置以对所述发射器回路及所述抵消回路的形状及位置做出响应，且所述数据记录器记录由所述感测构件输出的数据。

13.一种电磁测量设备，其包括：

抵消发射器，其选自根据权利要求1到权利要求12中的一者所述的抵消发射器；

磁场传感器；

接收器，其适于控制所述磁场传感器以便准许测量并记录所述磁场传感器的输出；

数据记录器，其经安置以记录来自所述接收器的数据；

传感器支撑架，其包括适于支撑所述磁场传感器并将其运动限制在所述抵消发射器的所述抵消体积的机械支撑设备，借此所述传感器支撑架附加到所述抵消发射器的所述发射器回路框架；

其中所述抵消体积的位置是相对于所述机械支撑设备实质上固定的。

14.根据权利要求13所述的电磁测量设备，其包括用以测量所述磁场传感器相对于所述发射器回路及所述抵消回路的几何结构的构件，借此几何测量数据经记录以便准许计算所述磁场传感器处的不存在抵消的磁场、所述初级磁场、所述抵消磁场及其组合。

15.根据权利要求13所述的电磁测量设备，其包括：

载体，其用以运输所述电磁测量设备，

运输所述载体的构件，

传感器，其用以检测所述载体的位置，及

记录所述位置的构件。

16.根据权利要求15所述的电磁测量设备，其中所述运输所述载体的构件选自由以下各项组成的群组：飞机、飞艇、飞船、直升机、吊舱、路上车辆、驳船、轮船、舟艇、潜水器及其组合。

17.根据权利要求15所述的电磁测量设备，其中所述运输所述载体的构件为牵引拖车。

18.根据权利要求13所述的电磁测量设备，其适于直升机载地球物理勘测，其中所述设备经悬置在直升机下面的拖索上且所述发射器回路的平面为实质上水平的。

19.根据权利要求13所述的电磁测量设备，其包括定向传感器，借此测量并记录所述磁场传感器的定向。

20.根据权利要求13所述的电磁测量设备，其包括定向传感器，借此测量并记录所述发射器回路的定向。