CN105807325A - 一种频率域航空极低频电磁法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型频率域航空极低频电磁方法，利用地面大功率发射台发射的极低频电磁信号，通过运载工具搭载磁传感器在目标区上空同步接收发射台的磁信号方法对目标进行识别。该方法克服了目前的频率域航空电磁法探测深度浅、设备笨重、施工要求苛刻、经济成本高等缺点，兼顾了航空甚低频法和航空天然电磁场法的优点，是一种具备探测深度深、施工条件简便、设备轻便、可操作性强、经济成本低等优点的新型频率域航空电磁法。

Description

一种频率域航空极低频电磁法

技术领域

本发明属于地球物理学电磁探测领域，可以广泛用于资源勘查、地质调查(区域岩性和构造地质填图)、水文环境勘查以及水下目标探测等各个领域。

背景技术

频率域航空电磁法是航空物探常用的测量方法之一，具有速度快、成本低、通行性好、可大面积覆盖、可用于海域等优势，尤其是在运积层或植被发育的覆盖地区，它更具有一般勘探手段难以达到的效果。目前，频率域航空电磁法广泛应用于铁铜及多金属和贵金属矿产普查，地下水资源调查，国土资源调查，海水入浸调查，浅海水深探测，海冰厚度探测，石墨、泥煤等非金属矿产普查，还有地面物化探方法不易进入或地质效果不易发挥的沙漠、草原、森林、村镇地区的资源调查工作等领域。

频率域航空电磁法基本采用直升机拖吊的大吊舱形式，一般有多组不同方向组合的发射和接收线圈，固定安装在吊舱中，工作频率在三种以上。

目前频率域航空电磁法存在以下几个问题：

(1)频率域航空电磁法所需的发射场源设备的体积和重量都较大，运载工具需用体型较大的有人驾驶直升机或固定翼飞机，在施工过程需具备良好的起降条件，如固定翼飞机则需要机场；频率域航空电磁法所需的发射场源和观测设备同时布设在飞机上时，往往需要部分改变飞机结构，影响飞机的稳定性。

(2)频率域航空电磁法的发射频率和功率受飞机尺度限制，频率较高，探测深度小，约在几百米，并且探测深度与飞机的飞行高度、收发距有关，飞行高度越低、收发距越大，探测深度也越大；目前，最大收发距(由飞机本身的尺寸决定)约为8m，其最大勘探深度约250m。

为了提高频率域航空电磁法的探测深度，同时降低经济成本，国内外技术人员研究发展了航空甚低频法(VLF，频率范围3kHz－30kHz)和航空天然电磁场法，但航空甚低频法存在信号频率单一，不可控(由各个国家的VLF台发射)，信噪比低的缺点，而航空天然电磁场法存在天然电磁场随机性很大，难以有效地观测的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，现有频率域航空电磁法设备的体积和重量都较大，并且探测深度受飞机的飞行高度限制等缺陷，提出一种频率域航空极低频电磁法。

本发明的技术方案是，一种频率域航空极低频电磁法，包括的步骤有，

步骤1，利用地面大功率发射台发射所需的极低频电磁信号；

步骤2，航空磁信号接收设备搭载在无人机等运载工具上同步接收所述的极低频磁信号(一次场)和由目标体电磁感应产生的二次场磁信号；

步骤3，根据大功率发射台电磁信号传播模型，计算所述的极低频磁信号(一次场)分布情况；

步骤4，从接收的磁信号中剔除所述的一次场极低频磁信号，得到目标体电磁感应产生的二次场磁信号分布图；

步骤5，根据目标体电磁感应产生的二次场磁信号，进行目标识别。

本发明所述大功率发射台，是指发射功率达几百千瓦，其发射信号可以覆盖上千公里以上，信噪比满足航空测量要求。所述大功率发射台主要由激励器、信号处理器、发射机、天线匹配调谐器和天线组成，其中，激励器负责生成合适的激励信号；信号处理器负责将激励器生成的激励载波小信号进行检测、处理、保护和分路；发射机负责将待发射的激励信号放大到所需的功率；匹配调谐器负责根据工作频率的不同，实现发射机与天线负载之间的最佳匹配，最后把信号通过天线辐射出去。我国正在建设的极低频探地(WEM)工程(国家重大科学技术基础设施建设项目)所使用的大功率发射台，有两条发射天线，东西天线长80km，南北天线长60km，各配备1部500kW发射机，可在0.1－300Hz频率范围内提供稳定、高信噪比的电磁信号。

所述大功率发射台发射的极低频电磁信号，分为单频信号和多频信号两种方式，多频信号采用伪随机编码方式发射，可同时发射多个不同频率信号，并且信号强度基本保持一致。

所述航空磁接收设备采用飞机或无人机作为运载工具，在目标探测区上方按设计路线低空飞行接收地面大功率发射台磁信号；由于极低频电磁信号通过“地－电离层”传播，信号衰减小。大功率发射台信号可覆盖范围几千公里，目标探测区可以距离大功率发射台很远，可以根据接收信号频率和信噪比要求，从几百公里至几千公里范围内进行选择。

所述航空磁接收设备接收的磁信号包括大功率发射台发出的一次场极低频磁信号和目标(例如各种地质体)电磁感应产生二次场磁信号；由于发射源是已知的，可以通过建模或测量方式计算出一次场磁信号的大小，可从航空磁接收设备接收的磁信号中减去一次场极低频磁信号，得到二次场磁分量分布图，二次场磁分量分布图可以直接用于目标体异常的识别。

选择合适的地电模型，可以将二次场磁信号进行视电阻率和视深度转换，得到视电阻率深度剖面，与地质资料和其它物探方法相结合，应用于资源勘查、地质调查、水文环境勘查以及水下目标探测，进行目标识别的步骤。

本发明的有益效果是：应用地面大功率发射台发射的极低频电磁信号，飞行工具只需携带磁接收设备，重量轻，可以用小型无人机代替有人飞机；在施工中，不需考虑飞机起降条件，施工简便，成本大幅下降；发射台可以同时发射多个频率信号，信号稳定、信噪比高，探测更深更精确，有利于较深层矿产资源勘查、基础地质调查、油气勘查、水文环境勘查以及水下目标探测等。

本发明提出的频率域航空极低频电磁法克服了目前的频率域航空电磁法探测深度浅、设备笨重、施工要求苛刻、经济成本高等缺点，兼顾了航空甚低频法和航空天然电磁场法的优点，是一种具备探测深度深、施工条件简便、设备轻便、可操作性强、经济成本低等优点的新型频率域航空电磁法。

附图说明

图1为本发明所述的大功率发射台结构示意图；

图2为本发明中大功率发射台发出的多频信号采用5频波伪随机编码波形图；

图3为本发明的一种实施例中WEM台发出的30Hz发射频率信号覆盖范围图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

1、极低频电磁信号发射流程

如图1所示，所述大功率发射台主要由激励器、信号处理器、发射机、天线匹配调谐器和天线组成，其中，激励器负责生成合适的激励信号；信号处理器负责将激励器生成的激励载波小信号进行检测、处理、保护和分路；发射机负责将待发射的激励信号放大到所需的功率；匹配调谐器负责根据工作频率的不同，实现发射机与天线负载之间的最佳匹配，最后把信号通过天线辐射出去。

以下为在一个实施例中，本发明所述的大功率发射台采用WEM台的具体实施情况。

2、发射信号确定

每个区域的地质条件不同，其探测目标也不同，为此，必须对探测区的地质条件和探测目标进行分析，确定最有利的探测频率组，并通过伪随机方式设计波形(如图2，5频波伪随机编码波形图)，由激励器负责生成，通过信号处理器、发射机、匹配调谐器和天线辐射出去。

3、信号覆盖区域

WEM台发射的0.1Hz－300Hz极低频电磁信号通过“地－电离层”空腔中传播，信号衰减小，可以传播很远，图3给发射台在30Hz时磁信号覆盖范围，考虑到无人飞机飞行速度不能太低，一般采用频率更高人信号，如260Hz等，则信号的覆盖范围更大、信噪比更高。电磁传播距离的大小与发射机有效发射功率、天线长度、天线场地电导率、电离层有效传播高度、频率信号衰减因子等有关，在确定目标探测区后，首先需要确定WEM台发射的频率信号是否能够满足航空电磁法探测的要求，在满足探测要求的基础上，调节发射频率和发射电流，或采用2台发射机同时工作方式，进一步提高目标探测区范围内提高信号发射强度，提升信噪比。

4、目标识别系统

目标识别系统包括运载工具、导航定位系统、观测系统等几部分。由于频率域航空极低频电磁法只需携带磁信号接收设备，所以重量很轻，运载工具一般可采用无人飞机；在同一次测量过程中，无人飞机一般要求保持在同一高度；导航定位采用全球定位系统(GPS)，详细记录无人飞机所处位置(经、纬度，高程)和方位角；频率域航空极低频电磁法采用3分量磁信号接收方式，3个磁传感器相互正交，记录仪采用宽频记录，并通过GPS时钟与发射台同步；为了减少无人飞机对磁感应器的影响，磁感应器往往悬挂在无人飞机下方较远距离，记录仪器在条件允许情况下也要求稍远离磁感应器，保证记录磁信号真实可靠。根据无人飞机上的导航定位系统对接收磁信号的传感器姿态进行校正，保证接收的磁信号在同一高度和同一方位角；由于仪器操作或外部强干扰原因，从记录数据中剔除异常磁数据；建立合适的WEM台电磁传播模型，计算发射台发射的一次场极低频磁信号分布情况。对目标区与WEM台较远时，电磁传播可采用均匀空腔波导水平偶极子模型，对于目标区离WEM台较近时，则需要考虑天线长度，电磁传播可采用均匀空腔波导水平有限长导线源模型；由于极低频信号在传播过程中要受到传播路径上不断变化的电离层影响，因此，在测量期间需要考虑电离层变化对接收磁信号的影响。考虑电离层变化可采用两种办法：a)根据统计的电离层的日变化或季变化规律，在建模计算时把电离变化考虑进去；b)在目标区地面固定同步接收发射台的频率信号，计算出信号变化情况。从接收的磁信号中减去一次场磁信号，从中得到二次场磁分量分布图；选择合适地电模型进行视电阻率和视深度转换，得到视电阻率深度剖面；将二次场磁分量分布图或视电阻率深度剖面，结合其它物探资料进行地质解释和目标探测，进行目标识别。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种频率域航空极低频电磁法，包括的步骤有，

步骤1，利用地面大功率发射台发射所需的极低频电磁信号；

步骤2，航空磁信号接收设备搭载在无人机等运载工具上同步接收所述的极低频磁信号(一次场)和由目标体电磁感应产生的二次场磁信号；

步骤3，根据大功率发射台电磁信号传播模型，计算所述的极低频磁信号(一次场)分布情况；

步骤4，从接收的磁信号中剔除所述的一次场极低频磁信号，得到目标体电磁感应产生的二次场磁信号分布图；

步骤5，根据目标体电磁感应产生的二次场磁信号，进行目标识别。

2.根据权利要求1所述的一种频率域航空极低频电磁法，其特征在于还包括，在得到目标电磁感应产生的二次场磁信号分布图后，选择合适的地电模型进行视电阻率和视深度转换，得到视电阻率深度剖面，进行目标识别的步骤。