CN106249304A - 一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统及使用方法。所述系统由若干套大功率多功能井地电磁发射系统组合而成，每套发射系统包含发射车、发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载、发射电缆和发射电极，其中，发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载放置于发射车内，发射电缆和发射电极引出至地面或井下。所述使用方法包括五个步骤：确定发射系统数量和组合方式、发射系统就位、激发电磁场信号、采集二次场信号和反演目标区地下电性结构。通过所述系统及使用方法实现多台发射机在不同方位同步发射，建立叠加的大功率人工电磁场，提高接收信号信噪比，将待探测目标体无阴影还原。

Description

一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统及使用方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种地球物理电磁法勘探设备，为一种用于陆地人工电磁场的发射以研究地下具有电性异常特征的矿产资源分布的激发装置。

背景技术

电磁学方法用于探测陆地矿产资源的基本原理在于所探矿物与围岩的电学性质差异。当包含矿产资源的地层受到外界电磁波激发时，将产生综合的电磁感应，感应信号中携带着地下资源分布的电阻率、产状、规模、埋深、电导率等物性信息。利用在地面布放的电磁接收机对此类信号进行采集，采用现代数字信号处理方法对探测到的感应信号进行反演与成像等处理，就可推断出地下矿产资源的分布规律，为圈定资源开采靶区提供科学依据。以上提到的外界电磁波激发场源分为可控源和被动源。被动源为天然激发场源，即电磁波能量来自电离层；可控源为人工场源，即以人工发射的电磁波激发所探测区域，可有效提高信号接收的信噪比，利于电磁异常的发现。

本发明所涉及的激发装置属于人工场源。目前，在某些复杂的地质体埋藏区进行人工源电磁法勘探时，由于待测目标的非规则，在某一个方向进行激发探测时，不能有效地圈定其赋存的范围，特别是横向和纵向的电阻率特征勾画不明显，故而需要从多个方向进行激发，类似于采用医学无影灯的照射原理，才能将待探测目标体无阴影还原。力争克服常规电磁观测方法存在探测深度浅、精度和分辨率低、抗干扰能力差等问题。

具体地，在组合式大功率多功能井地电磁发射系统中，主要有以下技术难点：

1、井地环境下的人工源电磁激发技术。目前，在地面进行大功率的人工源电磁场激发已是成熟的技术（高压逆变技术），但是在井地环境下，如何通过组合发射进行大功率的人工场源激发，尚存在诸多技术瓶颈，比如发射电极如何在井中布设的问题、激发电压和电流如何提高的问题、信噪比如何提高的问题等等。

2、多台发射机同步激发技术。进行高压发射时，本发明采用多台发射机在不同方位同步发射，建立起叠加的大功率人工电磁场，借此提高接收信号的信噪比。本发明采用了精准的同步发射方案，实现多台发射机之间的同步，尽量减少控制延迟。另外，同步技术还包括发射机和接收机之间的精确同步。在电磁后期数据处理过程中，要求发射和接收的波形尽可能在时间轴上准确对应。

3、发射电流电压实时检测技术。主回路供出的发射电流和发射电压需要实时监测并记录，除了便于对超过设定阈值的情况进行报警，立即自动切断供电电源，保证设备和人员的安全之外，便于后期的数据处理和解释。

上述技术问题都是利用组合式大功率多功能井地电磁发射系统建立人工电磁激励场源所面临的特殊问题，本发明正是围绕这些问题展开研究，攻克上述一系列技术难题，并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新。

发明内容

为了克服常规电磁观测方法存在探测深度浅、精度和分辨率低、抗干扰能力差等问题，本发明提供一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统及使用方法。通过所述发射系统及使用方法可以实现多台发射机在不同方位同步发射，建立起叠加的大功率人工电磁场，提高接收信号的信噪比，将待探测目标体无阴影还原。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，由若干套大功率多功能井地电磁发射系统组合而成。每套发射系统包含发射车、发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载，发射电缆和发射电极等部件，其中，发射车是所述设备的承载平台，发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载等放置于专用的发射车内，发射电缆和发射电极引出至地面或井下。

上述若干套大功率多功能井地电磁发射系统以地下待测地质目标体为中心，根据待测目标区的人文干扰情况，在多方位利用1套或多套大功率多功能井地电磁发射系统同时激发人工源电磁场信号，激发的人工场源信号可以满足多种地球物理电磁法探测方法的需求（包括时间域激发极化法、频率域激发极化法、可控源音频大地电磁法、时间域瞬变电磁法、伪随机电磁法等），最终达到增加感应电磁场的信噪比和减少探测盲区。布设在地面的接收机阵列，采集由地下感应的电磁场信号。组合方式如附图1所示。在金属矿电性异常体的周边，可以布置若干套大功率多功能井地电磁发射系统，同时在不同的方位激发，从而获得多方位的电磁场感应信息，同时有助于提高接收信号的信噪比。其中，在探测目标区可以布设面积性的接收机阵列，利用布设的发射系统，采集海量的感应电磁场信息，提高金属矿电性异常体的反演解释精度。

另外，在地面发射时，发射电缆和发射电极均布设在地面，发射电缆长度根据探测深度而定，一般1km左右，发射电极一般采用金属材质的板状电极。如果待测区域有现成的钻孔可用，可利用测井绞车，将其中一根发射电缆和井中发射电极放入井下，另外一个电极依然布于地面，形成井中-地面发射模式，人工激发的场源距离异常体更近，可以在地面获得更高信噪比的信号。

大功率多功能井地电磁发射系统组成原理如附图2所示，内部各部件的具体作用如下所示。

发电机，与大功率开关电源和大功率多功能井地电磁发射机相连，为上述两个设备提供大功率电能支持，输出三相和单相交流电能；

大功率开关电源，与发电机和大功率多功能井地电磁发射机相连，将发电机输出的三相工业交流电升压转换为可调输出的高压直流电，并输送给大功率多功能井地电磁发射机，为后级逆变提供母线电压；

大功率多功能井地电磁发射机，与发电机、大功率开关电源、发射电缆和假负载等相连，该发射机是本发明装置的核心，有如下三种主要功能：1、将发电机输出的交流电转换为内部低压控制电路所需的电能；2、将大功率开关电源输出的高压直流转换为交流逆变矩形波通过发射电缆和发射电极输送至大地负载，作为人工电磁激励场源；3、将维持发电机转速平衡的电能输送至假负载；

发射电缆，与大功率多功能井地电磁发射机和发射电极相连，将大功率多功能井地电磁发射机通过端口A和B输出的逆变矩形波传送至发射电极，一般地，发射电缆长数千米，根据陆地勘探深度而定；发射电缆为高耐压等级的订制电缆；

发射电极，发射电极分为地面用的地面发射电极和井中用的井中发射电极，与发射电缆相连，其为铝箔、铜棒、铝板或铜板等金属电极，将发射电缆输送来的逆变矩形波转化为激励大地的人工激励场源；

假负载，与大功率多功能井地电磁发射机相连，在做时间域激发极化法和时间域瞬变电磁法工作时，用来维持发电机转速平衡。

优选地，大功率多功能井地电磁发射机包括发射机外控盒、便携式平板电脑、辅助信息测量单元、控制电路电源单元、发射机功率逆变模块等。

其中，发射机外控盒，包括发射机时钟模块、发射机WiFi通讯模块、波形产生单元和发射机主控单元等，所述发射机外控盒通过无线WiFi网络与所述便携式平板电脑相链接，所述便携式平板电脑上运行监控软件来控制所述发射机外控盒，进而控制整个发射机；所述发射机外控盒通过通用输入输出口（GPIO，General Purpose Input Output）与发射机功率逆变模块相连，控制发射机功率逆变模块，使其能够改变发射频率和发射模式（比如单频供电模式、多频供电模式和伪随机供电模式等），满足多功能的控制需求。所述发射机时钟模块，与所述波形产生单元和所述发射机主控单元相连接；在本发明中，基于高精度温度补偿晶振和GPS模块完成高精度的时钟同步技术，保证电磁测网对时的自动化和高精度。波形产生单元基于专用直接数字频率合成技术和大规模逻辑可编程技术，实现宽频带人工源电磁信号的激发，信号频带范围可以覆盖1000s-10000Hz。所述发射机主控单元通过所述WiFi通讯模块与所述便携式平板电脑建立链接，接受来自所述便携式平板电脑的控制命令，上传状态信息。

发射机外控盒通过通讯串行总线（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）与辅助信息测量单元相连，使其能够测量发射电压和发射温度信息。

所述控制电路电源单元与所述发射机外控盒、所述辅助信息测量单元和所述发射机功率逆变模块相连接，为这些电路提供低压电能。

发射机功率逆变模块，包括驱动电路、保护电路、吸收电路、隔离电路、箝位电路和发射电流采集电路等，所述驱动电路与所述隔离电路、所述箝位电路相连，所述吸收电路用来吸收功率逆变回路中产生的电压和电流尖峰，所述发射电流采集电路用于采集和记录所述发射机功率逆变模块的发射电流，为后续的数据处理提供硬件支持；所述发射机功率逆变模块实现了将大功率开关电源输入的直流电（P和N）逆变为交流矩形波，并从端口A和B通过发射电极向地下或井中供电，为保护发电机的正常运行，从端口A’和B’向假负载供电。为保证发射功率逆变模块正常运行，必须设计完善的保护功能（如过流、过压和过热等），控制电路必须设计电磁屏蔽保护措施，并对输出驱动信号采取穷尽枚举方式予以保护。本发明采用低饱和压降的绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）为基本功率开关器件，发射电流采集电路实现了发射电流波形的实时高精度采集和存储。

控制电路电源单元将发电机输入的电能转换成以上模块所需的控制电压。

便携式平板电脑，通过WiFi无线网络信号控制发射机外控盒，在便携式平板电脑上运行上位机控制软件，控制发射机启动发射、进行GPS对钟、改变发射模式、选择、停止发射、改变发射频率、设置自动发射频率表、记录发射日志文件、存储发射参数文件等等。

一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统使用方法，包括如下步骤：

1）划定待测目标区，以待测目标区为中心，确定大功率多功能井地电磁发射系统所需的数量和组合方式；

2）将发射车开到每个预定的发射点位，连接发射车内的发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机和假负载等，铺设地面或井中所用的发射电极，并将其用发射电缆连接至大功率多功能井地电磁发射机上；

3）开启各个大功率多功能井地电磁发射系统，在约定的时刻向大地激发人工源电磁场信号，根据待测目标体的不同，设定不同的供电频率和模式；

4）布设在地面的接收机阵列采集人工源电磁场感应的二次场信号；

5）对接收机采集到电磁场数据和大功率多功能井地电磁发射机采集的发射电流数据进行处理，反演得到待测目标区的地下电性结构，为后续的资源勘探提供技术支撑。

本发明的优点和有益效果为：与传统的人工源电磁法激励场源相比，本发明采用多套发射系统同步发射电磁波的技术方案，对发射方式进行了创新，在待测区域具有更高的接收信号信噪比，揭示地下介质电性分层结构的优势明显，因此将进一步为地下蕴藏的诸如金属矿电性异常矿产资源探测提供准确详实的科学数据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述的大功率多功能井地电磁发射系统组合方式原理图。

图中，1是大功率多功能井地电磁发射系统1，2是大功率多功能井地电磁发射系统2，3是大功率多功能井地电磁发射系统3，4是大功率多功能井地电磁发射系统4，5是发射电缆，6是地面发射电极，7是井中发射电极，8是金属矿电性异常体，9是接收机阵列。

图2为本发明所述的大功率多功能井地电磁发射系统组成原理图。

图3为本发明所述的大功率多功能井地电磁发射机内部组成原理图；

图4为本发明所述的组合式大功率多功能井地电磁发射系统同步激发示意图。

图中，A是大功率多功能井地电磁发射系统1，B是大功率多功能井地电磁发射系统2，C是大功率多功能井地电磁发射系统3。

具体实施方式

实施例

参见附图1、2，一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，由若干套大功率多功能井地电磁发射系统组合而成。每套发射系统包含发射车、发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载，发射电缆和发射电极等部件，其中，发射车是所述设备的承载平台，发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载等放置于专用的发射车内，发射电缆和发射电极引出至地面或井下。

所述发电机，与所述大功率开关电源和大功率多功能井地电磁发射机相连，为上述两个设备提供大功率电能支持，输出三相和单相交流电能；所述大功率开关电源，与所述发电机和大功率多功能井地电磁发射机相连，将发电机输出的三相工业交流电升压转换为可调输出的高压直流电，并输送给大功率多功能井地电磁发射机，为后级逆变提供母线电压；所述大功率多功能井地电磁发射机，与所述发电机、大功率开关电源、发射电缆和假负载等相连；所述发射电缆，与大功率多功能井地电磁发射机和发射电极相连，将大功率多功能井地电磁发射机通过端口A和B输出的逆变矩形波传送至发射电极，一般地，发射电缆长数千米，根据陆地勘探深度而定；发射电缆为高耐压等级的订制电缆；所述发射电极，分为地面用的地面发射电极和井中用的井中发射电极，与所述发射电缆相连，其为铝箔、铜棒、铝板或铜板等金属电极，将发射电缆输送来的逆变矩形波转化为激励大地的人工激励场源；所述假负载，与所述大功率多功能井地电磁发射机相连，在做时间域激发极化法和时间域瞬变电磁法工作时，用来维持发电机转速平衡。

参见附图3，大功率多功能井地电磁发射机包括发射机外控盒、便携式平板电脑、辅助信息测量单元、控制电路电源单元、发射机功率逆变模块等。

其中，发射机外控盒，包括发射机时钟模块、发射机WiFi通讯模块、波形产生单元和发射机主控单元等，所述发射机外控盒通过无线WiFi网络与所述便携式平板电脑相链接，所述便携式平板电脑上运行监控软件来控制所述发射机外控盒，进而控制整个发射机；所述发射机外控盒通过通用输入输出口（GPIO）与发射机功率逆变模块相连，控制发射机功率逆变模块，使其能够改变发射频率和发射模式，满足多功能的控制需求。基于高精度温度补偿晶振和GPS模块完成高精度的时钟同步技术，保证电磁测网对时的自动化和高精度。波形产生单元基于直接数字频率合成技术和大规模逻辑可编程技术，实现宽频带人工源电磁信号的激发，信号频带范围可以覆盖1000s-10000Hz。

发射机外控盒通过通讯串行总线（UART）与辅助信息测量单元相连，使其能够测量发射电压和发射温度信息。

发射机功率逆变模块，包括驱动电路、保护电路、吸收电路、隔离电路、箝位电路和发射电流采集电路等，所述驱动电路与所述隔离电路、所述箝位电路相连，所述吸收电路用来吸收功率逆变回路中产生的电压和电流尖峰，所述发射电流采集电路用于采集和记录所述发射机功率逆变模块的发射电流，为后续的数据处理提供硬件支持；所述发射机功率逆变模块实现了将大功率开关电源输入的直流电（P和N）逆变为交流矩形波，并从端口A和B通过发射电极向地下或井中供电，为保护发电机的正常运行，从端口A’和B’向假负载供电。设计过流、过压和过热等保护功能，控制电路必须设计电磁屏蔽保护措施，并对输出驱动信号采取穷尽枚举方式予以保护。采用低饱和压降的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为基本功率开关器件，发射电流采集电路实现了发射电流波形的实时高精度采集和存储。

控制电路电源单元将发电机输入的电能转换成以上模块所需的控制电压。

便携式平板电脑，通过WiFi无线网络信号控制发射机外控盒，在便携式平板电脑上运行上位机控制软件，控制发射机启动发射、进行GPS对钟、改变发射模式、选择、停止发射、改变发射频率、设置自动发射频率表、记录发射日志文件、存储发射参数文件等等。

参见附图4，在进行实际的地质勘探时，以时间域激发极化法勘探为例，根据待测目标区的噪声水平，利用3套大功率多功能井地电磁发射系统开展组合式勘探，分别标号大功率多功能井地电磁发射系统1、大功率多功能井地电磁发射系统2和大功率多功能井地电磁发射系统3等，采用本发明所述的组合模式时，每套发射系统激发的电流波形严格同步（电流波形的标识为Iout），发射系统激发的电流波形在时间轴上严格同步（时间轴的标识为Time/s），保证人工源信号能有效叠加，进而增强接收机采集数据的信噪比。当采用其他模式供电时，本发明所涉及的发射系统均能保证各个系统所激发电流脉冲的严格同步。

一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统使用方法，包括如下步骤：

1）划定待测目标区，以待测目标区为中心，确定大功率多功能井地电磁发射系统所需的数量和组合方式；

2）将发射车开到每个预定的发射点位，连接发射车内的发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机和假负载等，铺设地面或井中所用的发射电极，并将其用发射电缆连接至大功率多功能井地电磁发射机上；

3）开启各个大功率多功能井地电磁发射系统，在约定的时刻向大地激发人工源电磁场信号，根据待测目标体的不同，设定不同的供电频率和模式；

4）布设在地面的接收机阵列采集人工源电磁场感应的二次场信号；

5）对接收机采集到电磁场数据和大功率多功能井地电磁发射机采集的发射电流数据进行处理，反演得到待测目标区的地下电性结构，为后续的资源勘探提供技术支撑。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述电磁发射系统由若干套大功率多功能井地电磁发射系统组合而成，每套发射系统包含发射车、发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载、发射电缆和发射电极，其中，所述发射车是所述设备的承载平台，所述发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机、假负载放置于所述发射车内，所述发射电缆和发射电极引出至地面或井下。

2.如权利要求1所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述发电机与所述大功率开关电源和大功率多功能井地电磁发射机相连；所述大功率开关电源与所述发电机和大功率多功能井地电磁发射机相连；所述大功率多功能井地电磁发射机与所述发电机、大功率开关电源、发射电缆和假负载相连；所述发射电缆与大功率多功能井地电磁发射机和发射电极相连；所述发射电极与所述发射电缆相连；所述假负载与所述大功率多功能井地电磁发射机相连。

3.如权利要求1或2所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述发射电缆为高耐压等级的订制电缆，其长度根据陆地勘探深度而定，一般情况下发射电缆长数千米。

4.如权利要求1或2所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述发射电极分为地面用的地面发射电极和井中用的井中发射电极，可以采用铝箔、实心铜棒、中空铜棒、铝板或铜板作为发射电极。

5.如权利要求1所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述大功率多功能井地电磁发射机包括发射机外控盒、便携式平板电脑、辅助信息测量单元、控制电路电源单元和发射机功率逆变模块；其中，所述发射机外控盒通过无线WiFi网络与所述便携式平板电脑相链接，所述便携式平板电脑上运行监控软件来控制所述发射机外控盒，进而控制整个发射机；所述发射机外控盒，通过通用输入输出口GPIO与发射机功率逆变模块相连，通过通讯串行总线UART与辅助信息测量单元相连；所述控制电路电源单元与所述发射机外控盒、所述辅助信息测量单元和所述发射机功率逆变模块相连接。

6.如权利要求1或5所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述发射机外控盒，包括发射机时钟模块、发射机WiFi通讯模块、波形产生单元和发射机主控单元；所述发射机时钟模块，与所述波形产生单元和所述发射机主控单元相连接；所述发射机主控单元通过所述WiFi通讯模块与所述便携式平板电脑建立链接，接受来自所述便携式平板电脑的控制命令，上传状态信息。

7.如权利要求1或6所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述波形产生单元基于直接数字频率合成技术和大规模逻辑可编程技术，实现宽频带人工源电磁信号的激发，信号频带范围可以覆盖1000s-10000Hz。

8.如权利要求1或5所述的一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统，其特征在于：所述发射机功率逆变模块，包括驱动电路、保护电路、吸收电路、隔离电路、箝位电路和发射电流采集电路，所述驱动电路与所述隔离电路、所述箝位电路相连，所述吸收电路用来吸收功率逆变回路中产生的电压和电流尖峰，所述发射电流采集电路用于采集和记录所述发射机功率逆变模块的发射电流，为后续的数据处理提供硬件支持；设计了过流、过压和过热等保护功能，并对输出驱动信号采取穷尽枚举方式予以保护；采用低饱和压降的绝缘栅双极型晶体管IGBT为基本功率开关器件。

9.一种组合式大功率多功能井地电磁发射系统使用方法，包括如下步骤：

1）划定待测目标区，以待测目标区为中心，确定大功率多功能井地电磁发射系统所需的数量和组合方式；

2）将发射车开到每个预定的发射点位，连接发射车内的发电机、大功率开关电源、大功率多功能井地电磁发射机和假负载等，铺设地面或井中所用的发射电极，并将其用发射电缆连接至大功率多功能井地电磁发射机上；

3）开启各个大功率多功能井地电磁发射系统，在约定的时刻向大地激发人工源电磁场信号，根据待测目标体的不同，设定不同的供电频率和模式；

4）布设在地面的接收机阵列采集人工源电磁场感应的二次场信号；

5）对接收机采集到电磁场数据和大功率多功能井地电磁发射机采集的发射电流数据进行处理，反演得到待测目标区的地下电性结构，为后续的资源勘探提供技术支撑。