CN107065020B - 双线圈耦合式多波勘查系统 - Google Patents

双线圈耦合式多波勘查系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双线圈耦合式多波勘查系统，包括发射控制系统，所述发射控制系统的第一组脉冲信号输出端上连接有主发射线圈，所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端上连接有从发射线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈为耦合线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈位置重叠，在主发射线圈的边缘处设置有接收线圈模块，二者部分交集，主发射线圈的部分正投影与接收线圈模块的部分正投影相重合。有益效果：可实现深部、浅部交替探测；浅部探测电流关断时间短；损耗低，探测精度高，工作效率高；结构简单，移动性好，主发射线圈与接收线圈模块部分交集，抵消了主发射线圈和接收线圈之间的互感影响，提高了勘查精度。

Description

双线圈耦合式多波勘查系统
技术领域
本发明涉及瞬变电磁探测技术领域，具体的说是一种双线圈耦合式多波勘查系统。
背景技术
瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
时间域瞬变电磁法应用领域由传统的金属矿产和油气资源勘查，发展到包括环境工程、地下水和地热资源、海洋地形调查、极地研究等应用领域。大回线发射线圈技术已经相对成熟，但隧道、矿井等常常由于地形环境复杂并且十份狭小，线圈敷设较为困难，施工难度大，效率低。在等同发射磁矩下，小回线线圈技术具有体积小、重量轻、便于携带、对环境要求低等特点，同时，它还具有线圈铺设简单，采集速度快，抗干扰能力强，横向分辨率高等优点，小线框装置更适用于航空电磁勘查、隧道煤矿超前预报，以及施工局限地区地质勘查。但小线框装置具有更大的线圈自感，造成严重的关断延时问题。关断延时造成浅层信号丢失，影响了浅层探测效果。因此，如何兼顾浅层探测的大磁矩发射是小线框装置难题。
目前，国内瞬变电磁发射机存在的主要问题有：第一，磁场关断延时过长，浅层探测信息损失严重；第二，发射磁场不稳定，随供电系统的工作时间增加，供电系统的功率会下降，导致发射波形发生变化，接收信号质量差，检测误差大；第三，探测深度单一，不能同时兼顾浅层探测信息与深层探测信息。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种可探测浅层和深层的探测装置，电流关断时间可调，发射激励场稳定可靠，精度高。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种双线圈耦合式多波勘查系统，其关键在于：包括发射控制系统，所述发射控制系统的第一组脉冲信号输出端上连接有主发射线圈，所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端上连接有从发射线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈为耦合线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈位置重叠，且二者产生的磁场增强；所述发射控制系统用于产生连续或者间断的双极性斩波脉冲信号，所述主发射线圈在第一发射半周期发射第一激励场，从发射线圈在第二发射半周期发射第二激励场。
采用上述方案，发射控制系统向主发射线圈、从发射线圈在不同时段输出不同的脉冲信号，实现深层和浅层切换探测。
当进行深层探测时，发射控制系统的第一组脉冲信号输出端输出大幅值双极性斩波脉冲信号，主发射线圈发射第一激励场，从发射线圈发射第二激励场，由于主发射线圈和从发射线圈重叠设置，两磁场增强，共同实现深层探测。
当进行浅层探测时，所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端输出小幅值双极性脉冲信号，从发射线圈发射第二激励场，实现浅层探测。
进一步描述，从发射线圈在第一发射半周期发射第一激励场补偿激励场。
在进行深层探测过程中，由于发射电源能量不稳定或电源电压下降，在主发射线圈产生的第一激励场会存在波动，导致接收线圈产生的大磁矩电流平顶区域电流会有所下降或者波动。为了稳定大磁矩磁场的恒定，所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出补偿电流，该补偿电流随着第一组脉冲信号输出的电流情况而改变。
再进一步描述，为了更好实现深浅层的切换探测，并同时更好地实现第二激励场对第一激励场的补偿作用，所述第一激励场的强度大于第二激励场的强度。即从发射线圈发射第二激励场，产生小磁场进行补偿对大磁矩磁场的平顶区域进行补偿，维持大磁矩磁场平顶阶段的总磁场恒定，该补偿小电流随着第一组脉冲信号输出的大电流情况而改变。
再进一步描述，所述发射控制系统包括同步控制器、第一发射电路和第二发射电路，所述同步控制器的电源端与发射电源连接；
所述同步控制器的第一组控制输出端上连接有所述第一发射电路，所述第一发射电路的第一组脉冲信号输出端上连接有所述主发射线圈；
所述同步控制器的第二组控制输出端上连接有所述第二发射电路，所述第二发射电路的第二组脉冲信号输出端上连接有所述从发射线圈。
采用上述方案有益效果：探测过程中，共同作用，独立运行，解决了深部、浅部难以兼顾的难题。通过同步控制器实现同步控制，避免深层探测控制时差和延时，提高了控制可靠性和检测的精度。第一发射电路，第二发射电路独立运行，独立性强，使信号发射更加可靠。
再进一步描述，所述第一发射电路和所述第二发射电路结构一致，均为H桥电路；
所述第一发射电路的四个控制端分别与所述同步控制器的第一组控制输出端连接，所述第一发射电路的电源输入端与所述发射电源第一组电源输出端连接；
所述第二发射电路的四个控制端分别与所述同步控制器的第二组控制输出端连接，所述第二发射电路的电源输入端与所述发射电源第二组电源输出端连接。
采用上述方案，第一发射电路产生大电流，可达数百安培；第二发射电路产生小电流，几安培到几十安培，电流关断时间短。同时电流关断沿陡度比大电流关断沿更陡，有利于浅层信息的获取，浅部探测效果好。
再进一步描述，所述发射控制系统的第一组脉冲信号输出端输出的双极性斩波脉冲信号为双极性梯形波、或双极性半正弦波、或双极性类梯形波、或双极性三角波；所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端输出的双极性斩波脉冲信号为双极性梯形波、或双极性三角波、或双极性半正弦波、或双极性类梯形波。
采用上述方案，第一组脉冲信号输出端和第二组脉冲信号输出端的输出信号可调节，可针对不同的应用场景，实现多种大磁矩发射波和小磁矩发射波的组合，对大磁矩磁场进行补偿，维持大磁矩磁场平顶阶段的总磁场恒定；缩短检测周期，来提高发射频率和系统工作效率。
再进一步描述，所述第二激励场跃变斜率可增大。所述第二激励场跃变斜率可增大至比第一激励场的斜率更大。
采用上述方案，通过改变钳位电压，可调节探测检测周期，很大程度上缩短第二激励场开通和关断时间，可提高探测频率和检测效率。
再进一步描述，所述主发射线圈和所述从发射线圈的线圈匝数比为：X:1，其中X大于等于1。
再进一步描述，在所述主发射线圈的边缘处设置有接收线圈模块，二者部分交集，所述接收线圈模块由n个接收线圈组成，所述主发射线圈的部分正投影与所述接收线圈模块的部分正投影相重合。
采用上述方案，抵消主发射线圈和接收线圈之间的互感影响，达到消除发射控制系统产生的激励一次场影响的目的，消除主发射线圈和接收线圈之间多个磁场混叠的现象。
本发明的有益效果：通过该装置，可实现深层和浅层兼顾探测。深层探测时，主发射线圈和从发射线圈同时作用，从发射线圈可对主发射线圈发出的第一激励场进行补偿，从而保持第一半周期时，激励磁场在平顶阶段保持恒定。在下半周期实现浅层探测时，从发射线圈工作，发射第二激励场，可提高第二激励场下降沿陡度，改善浅部探测效果，缩短检测周期。整个装置轻便灵活，使用方便，分辨率高，电路结构简单，损耗小，移动性好；采用接受线圈设置在主发射线圈的边缘，抵消了主发射线圈和接收线圈之间的互感影响，达到了消除发射控制系统产生的激励一次场影响的目的，消除了主发射线圈和接收线圈之间多个磁场混叠的现象，减小了勘查过程中的干扰，提高了勘查精确度。
附图说明
图1是本发明系统原理框图；
图2是本发明系统电路图；
图3是本发明发射线圈第一等效电流示意图；
图4是本发明发射线圈第二等效电流示意图；
图5是本发明从发射线圈对主发射线圈发射补偿效果图；
图6是本发明发送接收一体化勘查系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
从图1可以看出，一种双线圈耦合式多波勘查系统，包括发射控制系统，所述发射控制系统的第一组脉冲信号输出端上连接有主发射线圈，所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端上连接有从发射线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈为耦合线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈位置重叠，且二者产生的磁场增强；所述发射控制系统用于产生连续或者间断的双极性斩波脉冲信号，所述主发射线圈在第一发射半周期发射第一激励场、从发射线圈在第二发射半周期发射第二激励场。
从发射线圈在第一发射半周期发射第一激励场补偿激励场。
第一激励场的激励强度大于第二激励场的激励强度。其中所述发射控制系统包括同步控制器、第一发射电路和第二发射电路，所述同步控制器的电源端与发射电源连接；
所述第二激励场跃变斜率可增大。在本实施例中，所述第二激励场跃变斜率大于所述第一激励场的斜率。
所述同步控制器的第一组控制输出端上连接有所述第一发射电路，所述第一发射电路的第一组脉冲信号输出端上连接有所述主发射线圈；
所述同步控制器的第二组控制输出端上连接有所述第二发射电路，所述第二发射电路的第二组脉冲信号输出端上连接有所述从发射线圈。
从图1还可以看出，优选地，所述第一发射电路和所述第二发射电路由同步控制器控制，共用一组供电电源。
从图2可以看出，优选地，所述第一发射电路和所述第二发射电路结构一致，均为H桥电路；
所述第一发射电路的四个控制端分别与所述同步控制器的第一组控制输出端连接，所述第一发射电路的电源输入端与所述发射电源第一组电源输出端连接；
所述第二发射电路的四个控制端分别与所述同步控制器的第二组控制输出端连接，所述第二发射电路的电源输入端与所述发射电源第二组电源输出端连接。
从图6可以看出，在所述主发射线圈的边缘处设置有接收线圈模块，二者部分交集，所述接收线圈模块由n个接收线圈组成，所述主发射线圈的部分正投影与所述接收线圈模块的部分正投影相重合，所述接收线圈模块的一端与信号调理电路的正输入端连接，所述接收线圈模块的另一端与信号调理电路的参考端连接，信号调理电路的输出端与接收机的正输入端连接，接收机的公共参考端与信号调理电路的参考端连接。
其中，n个接收线圈可以为n个独立工作的线圈，可以为n个接收线圈依次串联组成；可以为带状线圈，该带状线圈呈环形，并绕所述主发射线圈的边缘设置，二者部分交集，所述主发射线圈的部分正投影和带状线圈的部分正投影相重合。在本实施例中，n＝1或n＝2a，其中a为正整数，便于接收线圈调节。从图6可以看出，共计6个接收线圈。
在勘查过程中，为了抵消主发射线圈和接收线圈之间的互感影响，达到消除发射控制系统产生的激励一次场影响的目的，消除主发射线圈和接收线圈之间多个磁场混叠的现象，采取调节6个接收线圈的位置，来改变主发射线圈和接收线圈之间的重叠部分，使主发射线圈通过该6个接收线圈的磁通为零。
具体勘查方法为：
S1：启动发射控制系统，给所述主发送线圈通以电流i(t)；
S2：计算第m个接收线圈的一次场磁通ψm1(m＝1,2,…,n)
其中：
N1：主发送线圈的总匝数；
Nm：第m个接收线圈的总匝数；结构方案说明书应该补充说明，每个线圈可以是单或多匝
k：主发送线圈的求和变量；
i：第m个接收线圈的求和变量；
μ0：真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；
i(t)：主发送线圈通过的电流；
θmki：第m个接收线圈第i匝线圈平面与主发送线圈第k匝线圈法向方向的夹角；
l1k：主发送线圈第k匝线圈的路径；
主发送线圈第k匝线圈上的线元矢量；
第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量；
Rmki：第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量的模；
Smi：第m个接收线圈第i匝线圈的平面范围；
第m个接收线圈第i匝线圈的平面面元矢量；
S3：调节所述n个接收线圈的大小以及所述主发送线圈的相对位置，使第m个接收线圈的一次场磁通；
S4：计算在二次场作用下，通过第m个接收线圈的磁通ψm2(m＝1,2…,n)：
其中：
B(t)：二次场磁感应强度；
Smi：第m个接收线圈的第i匝线圈的面积；
αmi：接收线圈m第i匝线圈法向方向与二次场磁感应强度方向的夹角；
S5：计算第m个接收线圈的感应电压
其中：
第m个接收线圈起点与终点间的一次场感应电压；
第m个接收线圈起点与终点间的二次场感应电压；
S6：结合步骤S4得到ψm1＝0，则n个接收线圈的感应电压为：
实施例1：
主发射线圈、从发射线圈的参数设置：
主发射线圈、从发射线圈均采用单圈交联聚乙烯铜芯电力电缆。
主发射线圈4匝，铜芯电力电缆截面积为80mm2，线圈半径17.5m，电感3mH，电阻0.125Ω。
从发射线圈1匝，铜芯电力电缆截面积为20mm2，线圈半径17.5m，电感0.26mH，电阻0.185Ω。
大磁矩发射时：
由主发射线圈和从发射发射线圈共同合成发射，主发射线圈和从发射发射线圈接收到的脉冲波形形状为双极性梯形脉冲，线性上升，线性下降。
从图3可以看出，具体参数为：
峰值磁矩：1300000Am2，等效4匝330A。
平顶纹波：1％。
上升时间：1ms。
下降时间：1ms。
平顶宽：5ms。
大磁矩半波：17ms。
小磁矩发射时：
从发射线圈单独发射，从发射线圈接收到的脉冲波形形状为双极性梯形脉冲，线性上升，线性下降。
从图3可以看出，具体参数为：
峰值磁矩：62,500Am2，等效单匝65A，等效4匝16A。
平顶纹波：3％。
上升时间：13μs。
下降时间：12μs。
平顶宽：5ms。
小磁矩半波：13ms。
在本实施例中，若每个双极性大磁矩波和双极性小磁矩波都称为一个周期，频率为33Hz；如果一个双极性大磁矩波和双极性小磁矩波为一个周期，从图3可以得出，则频率为16.5Hz。
实施例2：
主发射线圈、从发射线圈的参数设置与实施例1相同。
大磁矩发射时：
由主发射线圈和从发射发射线圈共同合成发射，主发射线圈通过双极性梯形脉冲电流，从发射线圈通过双极性三角波电流。控制从发射线圈电流，实现第一激励场的功率恒定，补偿效果图见图5所示。
从图4可以看出，具体参数为：
峰值磁矩：1300,000Am2，等效4匝330A。
平顶纹波：1％。
上升时间：1ms。
下降时间：1ms。
平顶宽：5ms。
大磁矩半波：17ms。
小磁矩发射时：
从发射线圈单独发射，从发射线圈波形形状为双极性三角波脉冲。
从图4可以看出，具体参数为：
峰值磁矩：62,500Am2，等效单匝65A，等效4匝16A。
上升时间：12μs。
下降时间：12μs。
小磁矩半波：8ms。
对比实施例1和实施例2，当从发射线圈波形形状采用双极性三角波脉冲时，周期明显缩短，采用小磁矩发射波为三角波的方案可以提高发射频率。缺点是小磁矩峰值功率须加大，增加了电缆半径。
本发明提出的方案，主、从发射线圈实现大磁矩发射，从发射线圈实现小磁矩发射。具有以下特征：
1、可实现大深度探测：小磁矩发射关断延时极短，改善了浅部探测效果；大磁矩发射增加了探测深度，解决了深部、浅部难以兼顾的难题。
2、双脉冲耦合式发射：采用双发送线圈结构，大磁矩发射时，主从发射线圈同步发送，提高了发送线圈利用率；小磁矩时从发射线圈独立发送，减小了线圈自感，加大了下降陡度，改善浅部探测效果；大磁矩发送时，发射控制系统满负荷工作，从发射线圈补偿主发射电流平顶区磁场的稳定，可减少发射控制系统功耗；控制从发射线圈的控制系统工作于高频调制模式，电流相对较小，可减小功耗，提高磁矩的稳定精度；
3、高速关断大磁矩、小磁矩都实现了高速关断；小磁矩采用独立小匝数线圈，关断更陡，时间更短。
4、抵消了主发射线圈和接收线圈之间的互感影响，达到了消除发射控制系统产生的激励一次场影响的目的，消除了主发射线圈和接收线圈之间磁场混叠的现象。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：包括发射控制系统，所述发射控制系统的第一组脉冲信号输出端上连接有主发射线圈，所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端上连接有从发射线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈为耦合线圈，所述主发射线圈和所述从发射线圈位置重叠，且二者产生的磁场增强；所述发射控制系统用于产生连续或者间断的双极性斩波脉冲信号，所述主发射线圈在第一发射半周期发射第一激励场、从发射线圈在第二发射半周期发射第二激励场；
所述从发射线圈在第一发射半周期发射第一激励场补偿激励场；
所述第一激励场的激励强度大于第二激励场的激励强度。
2.根据权利要求1所述的双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：所述发射控制系统包括同步控制器、第一发射电路和第二发射电路，所述同步控制器的电源端与发射电源连接；
所述同步控制器的第一组控制输出端上连接有所述第一发射电路，所述第一发射电路的第一组脉冲信号输出端上连接有所述主发射线圈；
所述同步控制器的第二组控制输出端上连接有所述第二发射电路，所述第二发射电路的第二组脉冲信号输出端上连接有所述从发射线圈。
3.根据权利要求2所述的双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：所述第一发射电路和所述第二发射电路结构一致，均为H桥电路；
所述第一发射电路的四个控制端分别与所述同步控制器的第一组控制输出端连接，所述第一发射电路的电源输入端与所述发射电源第一组电源输出端连接；
所述第二发射电路的四个控制端分别与所述同步控制器的第二组控制输出端连接，所述第二发射电路的电源输入端与所述发射电源第二组电源输出端连接。
4.根据权利要求1所述的双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：所述发射控制系统的第一组脉冲信号输出端输出信号为双极性梯形波、或双极性半正弦波、或双极性类梯形波、或双极性三角波；
所述发射控制系统的第二组脉冲信号输出端输出的双极性斩波脉冲信号为双极性梯形波、或双极性三角波、或双极性半正弦波、或双极性类梯形波。
5.根据权利要求4所述的双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：所述第二激励场跃变斜率增大。
6.根据权利要求1所述的双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：所述主发射线圈和所述从发射线圈的线圈匝数比为：X:1；其中X大于等于1。
7.根据权利要求1所述的双线圈耦合式多波勘查系统，其特征在于：在所述主发射线圈的边缘处设置有接收线圈模块，二者部分交集，所述接收线圈模块由n个接收线圈组成，所述主发射线圈的部分正投影与所述接收线圈模块的部分正投影相重合。
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