CN108008451A - 一种瞬变电磁探测装置及消除电感干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种瞬变电磁探测装置及消除电感干扰的方法。探测装置包括线圈装置和框架载体，其中线圈装置包括双发射线圈、接收线圈、线圈固定架。双发射线圈包括相互平行但不共面且任意通电时刻在各自线圈中心能产生反向磁场的第一、第二发射线圈；接收线圈安装在双发射线圈之间，间距以早期信号不超幅为约束；线圈固定架上设有与双发射线圈平行且能带动线圈装置翻转的旋转轴，旋转轴上设有非金属手柄。消除电感干扰的方法通过将探测装置中的发射线圈贴近并使其法线垂直于待测区域，在同一位置点测量线圈装置翻转180°前后的信号并进行差值处理。本发明能够使早期信号不超幅，通过消除电感干扰能够获取全程二次场信号，并增强分辨效果。

Description

一种瞬变电磁探测装置及消除电感干扰的方法

技术领域

本发明涉及瞬变电磁勘探技术领域，具体涉及一种基于双发射线圈的瞬变电磁探测装置及消除电感干扰的应用方法。

背景技术

瞬变电磁法已发展成为一种比较成熟物探方法，可广泛应用于资源勘探，矿山、水利、交通等领域的地质勘查，近年来在浅层精细探查方面的应用已逐渐成为热点。为提升横向分辨率及施工便捷性，常采用多匝小回线装置。然而由于线圈为非纯电阻性负载，这将导致：受发射线圈感抗影响，激励电流并非理想的阶跃波形，而存在一定的关断时间，为了便于研究分析将关断期定义为“感应段”，关断以后定义为“衰减段”；激励电流关断时，受发射、接收线圈的互感作用，接收线圈的自感及其过渡过程等因素影响，所观测到的信号，尤其是早期信号发生畸变而失真，造成浅部探测盲区，影响分辨能力，给资料的处理解释带来极大困扰。经研究发现，发射、接收线圈互感作用引起的一次场干扰对于早期信号失真影响最大，由于其响应非常强、仪器测量范围有限，造成信号超幅，更加剧了信号畸变程度，不能加以利用，其次是接收线圈自感作用的影响。

为削弱线圈互感和自感(合称电感)对测量信号畸变的影响，现有主要应对方法及其不足之处如下：(1)采用发射、接收分离装置，虽然在一定程度上能够降低线圈互感影响，但效果有限，同时装置耦合效果变差，响应信号变弱且异常特征相对复杂，横向分辨率降低；(2)通过观测全程瞬变响应和记录激励电流波形，结合理论推导进行数值计算，求取一次场干扰，再将其从实测总场中剔除或校正，但由于理论计算与实际的偏差造成校正结果可信度较差，同时要保证仪器具有全程观测功能，并且确保早期信号不能超幅；(3)采用磁抵消线圈降低一次场的影响，该技术不仅对线圈装置要求苛刻，同时一次场空间分布复杂，易引入新的干扰。上述方法在可行性、抑制效果方面还存在诸多问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于线圈电感干扰影响常造成瞬变电磁测量信号尤其是早期信号发生畸变而失真，早期信号超幅更加剧了畸变程度，从而难以获取地质体的全程二次场感应信号，致使分辨效果及精度变差且存在探测盲区。

本发明采用以下技术手段解决上述技术问题：

一种瞬变电磁探测装置，包括线圈装置，线圈装置包括能带动线圈装置进行180°翻转的线圈固定架，线圈固定架上固定有双发射线圈，双发射线圈包括供电期任意时刻在各自线圈中心能够产生反向磁场且相互平行但不共面的第一发射线圈和第二发射线圈，即第一发射线圈和第二发射线圈分别位于第一平面和第二平面；所述第一发射线圈和第二发射线圈之间安装有接收线圈；所述接收线圈与第一发射线圈、第二发射线圈间的距离固定或可调，且所述距离以早期响应信号(或感应段信号)不超幅为约束；信号不超幅是指实际响应信号幅值不超出测量仪器的测量上限和测量下限，此处测量仪器的测量上、下限是指仪器内的模数转换器的转换电压的上、下限。

所述线圈固定架上固定设有与双发射线圈平行且能带动线圈装置翻转的旋转轴；线圈固定架安装在框架载体上，框架载体上设有与旋转轴相配合的非金属轴承；通过驱动旋转轴，可带动线圈装置进行整体翻转，非金属轴承用于减小旋转时的摩擦阻力。

第一发射线圈与第二发射线圈的匝数相同或不同，第一发射线圈与第二发射线圈的绕制顺序同向或反向，第一发射线圈与第二发射线圈的连接方式采用串联或并联方式，第一发射线圈与第二发射线圈的尺寸相等或不等。在满足供电期任意时刻在第一发射线圈、第二发射线圈中心能够产生反向磁场和早期响应信号不超幅的情况下，允许上述参数存在一定偏差，对于瞬变电磁探测装置的设计、加工、组装等精度要求不会过于严苛，易于实现。

进一步地，所述接收线圈包括法线方向相互垂直的水平分量接收线圈与垂直分量接收线圈，垂直分量接收线圈法线方向垂直于所述双发射线圈。使得同一位置点上通过线圈装置一次翻转180°前后的信号测量及前后两次测量信号的差值处理便可获得两个分量接收线圈对应的来自地质体的纯感应场信号，更有利于提高探测结果的精度。

进一步地，所述线圈固定架和框架载体采用非磁性绝缘材质制成，确保不会对测量信号造成干扰。

进一步地，所述线圈固定架上设有调整双发射线圈间距、接收线圈与第一发射线圈及第二发射线圈间距的调节机构；框架载体上设有调整线圈装置与地面间距的调节机构；框架载体上还设有宽度调节机构；所述旋转轴上安装有非金属手柄。使用时，在满足早期响应信号不超幅的情况下，可根据实际情况调整各项间距，增加瞬变电磁探测装置使用的灵活性。

进一步地，所述框架载体的底部设有非金属滚轮，便于移动瞬变电磁探测装置。

进一步地，所述框架载体上设有非金属把手，当进行非平坦地面的探查施工时，增设非金属把手便于移动瞬变电磁探测装置。

进一步地，所述第一发射线圈与第二发射线圈的中心轴线重合或不重合,所述第一发射线圈与第二发射线圈的形状相同或不同。上述设置对于瞬变电磁探测装置的设计、加工、组装等精度要求不会过于严苛，易于实现。

本发明还提供了上述瞬变电磁探测装置消除电感干扰的方法，包括以下步骤：

(1)将所述瞬变电磁探测装置放置贴近于待测区域，使双发射线圈法线方向垂直于待测区域；

(2)在某一位置点上，通过向双发射线圈供电进行场源激发并利用接收线圈测量响应信号，而后在该位置点上将线圈装置翻转180°，再次进行场源激发并测量响应信号；

(3)当前位置点测量完成后将线圈装置翻转180°进行复位；

(4)移动所述瞬变电磁探测装置至下一位置点，重复步骤(1)至步骤(3)，直至覆盖所有设定的位置点；所述翻转过程中保持线圈装置中接收线圈与双发射线圈的空间相对位置固定不变。

在探测过程中或探测完成后，即上述步骤(2)或步骤(4)中，对同一位置点处线圈装置翻转前后的测量信号进行差值处理。这样就可以从根本上消除线圈互感作用引起的一次场干扰以及其引起的接收线圈自感作用干扰。

进一步地，所述差值处理方法为，将同一位置点上线圈装置翻转前后的测量信号分别记为u₁(t)、u₂(t)，求取线圈装置翻转前后测量信号的差值Δu(t)，Δu(t)＝u₁(t)-u₂(t)或Δu(t)＝u₂(t)-u₁(t)，其中，t为时间。

进一步地，所述步骤(1)中，当进行地面的探查时，使双发射线圈的法线方向垂直于所在位置点的地面；当进行隧道或巷道探查时，使双发射线圈的法线方向垂直于所述隧道或巷道的掌子面、侧帮或顶底板。

本发明技术方案消除电感干扰的原理及过程如下：瞬变电磁法通过在发射线圈(Tx)中供以脉冲电流建立激励电磁场源，再由接收线圈(Rx)在脉冲间歇期观测来自地下介质的响应信号的变化情况，记为u_τ(t)，根据电磁感应定律和楞次定律可得出：发射线圈与接收线圈互感作用下在接收线圈中产生的互感电压式中M为发射、接收线圈的互感系数(与线圈回路的几何形状、尺寸、匝数、相对位置，及周围介质的磁导率有关)，i_Tx为发射电流，“±”与电流的参考方向、线圈的相对位置及绕向有关；互感电压在接收线圈中产生的电流记为i_Rx，由i_Rx引起产生的接收线圈自感电压式中L为线圈的自感系数(固有参数，只取决于线圈的几何尺寸、匝数、线圈中介质的磁导率)，“-”表示自感电压总要是阻碍原有回路中电流的变化。u_MRxTx、u_LRx相对于u_τ(t)，均为干扰信号，由互感和自感(合称电感)产生的总干扰信号记为u_ML，需要进行压制或剔除。对于本发明提出的利用瞬变电磁探测装置进行消除电感的方法，在同一位置点上将线圈装置沿旋转轴进行180°翻转：将翻转前后通过测量得到的电压信号分别记为u₁(t)、u₂(t)，将其中包含的纯地质体响应信号分别记为u_τ1(t)、u_τ2(t)，将其中包含的由电感引起产生的干扰电压信号分别记为u_ML1、u_ML2，则u₁(t)＝u_τ1(t)+u_ML1，u₂(t)＝u_τ2(t)+u_ML2。在同一位置点处将线圈装置进行180°整体翻转，由于接收线圈与双发射线圈的空间相对位置未发生变化，周围环境及介质条件亦未发生变化，激励电流为周期性脉冲，波形一致，因此线圈装置翻转前后由电感引起产生的干扰信号u_ML相同，即u_ML1＝u_ML2；线圈装置整体翻转180°前后，激励场源方向一致，而接收线圈翻转180°将会使得u_τ1(t)、u_τ2(t)符号相反，即u_τ2(t)＝-ku_τ1(t)，k＞0；由此得出同一位置点处线圈装置翻转180°前后测量的电压信号差值Δu(t)＝(1+k)u_τ1(t)，(k＞0，u_τ1(t)衰减段信号为正向信号)或Δu(t)＝-(1+k)u_τ1(t)，(k＞0，u_τ1(t)衰减段信号为负向信号)。这样就可以从根本上消除电感作用引起产生的干扰信号，同时提取并增强了地质体的全程纯响应信号；且根据瞬变电磁响应特征，低阻地质体的瞬变响应信号幅值远高于高阻地质体，二者存在数量级差异，进行差值处理后，强异常响应增幅远大于弱异常响应的增幅，从而能更好突显出目标异常响应。

本发明的优点在于：

瞬变电磁探测装置采用双发射线圈的形式，使得供电期任意时刻在各自发射线圈中心产生反向磁场，因此双发射线圈之间的磁场强度会大幅削弱，同时增强了向地下的磁场辐射，接收线圈置于双发射线圈之间并与发射线圈隔开一定间距，这样使得在相同电流关断方式下，线圈的互感影响会显著降低，能够确保早期响应信号不会出现超幅。

利用上述瞬变电磁探测装置消除电感干扰的方法中，在同一位置点上，通过测量线圈装置翻转前后的信号并进行差值处理，能够消除线圈互感影响和接收线圈的自感影响，实现“标本兼治”，从失真信号中提取出有效的二次场信号，从而获得来自地下的全程二次场响应信号，能够实现无浅层盲区探测。

对接收线圈采用了垂直分量和水平分量接收线圈，一次翻转测量及差值处理便可获得两个分量线圈对应的的地质体的纯感应场信号，更有利于提高探测结果的精准度。

除要求双发射线圈相互平行及接收线圈中的垂直分量线圈与双发射线圈保持相互平行外，在满足供电期任意时刻在各自发射线圈中心能够产生反向磁场和早期响应信号不超幅的情况下，本发明对双发射线圈的绕线顺序、匝数、尺寸、形状等参数及共中心轴线关系并不要求保持一致，对接收线圈并不要求其必须居于双发射线圈的中间位置，由于采用同位置点处线圈装置翻转前后信号测量及差值处理的方法，可允许上述参数和相关情况存在一定偏差，对于瞬变电磁探测装置的设计、加工、组装等精度要求不会过于严苛，易于实现。

根据瞬变电磁响应规律特征，低阻地质体的瞬变响应信号幅值远高于高阻地质体，存在数量级差异，差值处理后，强异常响应增幅远大于弱异常响应，能更好突显出目标异常响应，不仅对低阻目标体特别敏感，同样对高阻目标体也具有较好敏感性，对于未充填岩溶、孤石、非金属管道等的探查极为有益，提高测深的同时能够极大提升横向分辨力。

线圈装置、框架载体采用非磁性绝缘材质、可伸缩、可拆卸式结构设计，具有质量轻、易收放、便于运输携带的优点；同时由于采用了伸缩可调式结构、旋转可调式结构，可以调整双发射线圈的间距、接收线圈与发射线圈的间距、发射线圈及接收线圈与地面间距等参数，灵活多变，能够满足不同的环境、探测任务及目标，适用于平坦或非平坦地面进行探查施工，也适用于隧道或煤矿巷道施工探查，具有适用性广、实用性强的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1中瞬变电磁探测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2中线圈装置的结构示意图；

图3是本发明实施例3中线圈装置的结构示意图；

图4是本发明实施例4中线圈装置的结构示意图；

图5是本发明实施例5中瞬变电磁探测装置的结构示意图；

图6是本发明实施例6中瞬变电磁探测装置的结构示意图；

图7是本发明实施例7中的时间-电压衰减曲线图；

图8是本发明实施例7中线圈装置翻转前后及差值处理的多测道电压曲线剖面对比图。

图中：1-线圈装置，2-框架载体，3-双发射线圈，31-第一发射线圈；32-第二发射线圈；4-接收线圈；41-垂直分量接收线圈；42-水平分量接收线圈；5-线圈固定架；6-旋转轴；7-线圈出线端头；8-非金属手柄；9-非金属轴承；10-伸缩可调式结构；11-非金属滚轮；12-非金属把手；13-地面；14-隧道或巷道。

具体实施方式

为了对本发明的结构特征及所达成的功效做进一步的阐述，采用较佳的实施例及附图进行详细说明，如下：

实施例1

如图1所示，瞬变电磁探测装置包括线圈装置1和框架载体2。

线圈装置1包括双发射线圈3、接收线圈4及线圈固定架5；双发射线圈3由两个相互平行、共中心轴线、相隔一定间距d的第一发射线圈31和第二发射线圈32组成；第一发射线圈31和第二发射线圈32的绕线顺序、匝数可以相同也可以不同，既可采用串联方式也可采用并联方式进行连接，只要保证供电期任意时刻在各自线圈中心能够产生反向磁场即可；接收线圈4位于双发射线圈3之间，既可位于双发射线圈3中间位置也可位于非中间位置，通过调试接收线圈4与第一发射线圈31及第二发射线圈32之间的距离以确保早期响应信号(或感应段信号)不超出测量仪器的测量上限和测量下限，此处测量仪器的测量上、下限是指仪器内的模数转换器的转换电压的上、下限；接收线圈4包含垂直分量接收线圈41和水平分量接收线圈42，两个分量线圈的法线垂直但二者可以为非正交形式，且垂直分量接收线圈41与双发射线圈3保持相互平行；线圈固定架5用于安装固定双发射线圈3、接收线圈4，能够带动整个线圈装置1进行180°翻转，线圈固定架5使用非磁性绝缘材质，且采用伸缩可调式结构10。

线圈装置1通过线圈固定架5安装在框架载体2上；框架载体2使用非磁性绝缘材质，，且采用伸缩可调式结构10、非金属轴承9和非金属滚轮11；线圈固定架5上固定设有与双发射线圈3平行的旋转轴6，非金属轴承9与旋转轴6相配合，通过驱动旋转轴6，可带动线圈装置1进行整体翻转，非金属轴承用于减小旋转时的摩擦阻力；旋转轴6上安装有非金属手柄8；线圈出线端头7通过非金属轴承9及旋转轴6一端通孔穿出。线圈固定架5和框架载体2均采用了伸缩可调式结构10，不仅便于收放和运输，并在满足早期响应信号不超幅的情况下可以调整双发射线圈3间距d、接收线圈4与第一发射线圈及第二发射线圈的间距、发射线圈3及接收线圈4与地面13的距离等参数，以满足不同的环境、探测任务及目标，灵活多变。

利用上述瞬变电磁探测装置消除电感干扰的方法如下：

(1)将基于双发射线圈的瞬变电磁探测装置放置并贴近于待测区域，使双发射线圈3与所在位置点地面13保持平行，即发射线圈法线方向垂直于待测区域；

(2)在某一位置点上，通过向双发射线圈3供电进行场源激励并利用接收线圈4测量响应信号，而后在该位置点上，通过非金属手柄8将线圈装置1沿旋转轴6上下整体翻转180°，再次进行场源激发并测量响应信号；

(3)当前位置点测量完成后将线圈装置1沿旋转轴6翻转180°进行复位；

(4)移动瞬变电磁装置至下一位置点，重复步骤(1)至步骤(3)，直至覆盖所有设定的位置点。

可在探测过程中或探测完成后，即上述步骤(2)或步骤(4)中，对同一位置点处线圈装置翻转前后的测量信号进行差值处理。

上述差值处理方法为，将同一位置点上线圈装置翻转前后的测量信号分别记为u₁(t)、u₂(t)，求取线圈装置翻转前后测量信号的差值Δu(t)，Δu(t)＝u₁(t)-u₂(t)或Δu(t)＝u₂(t)-u₁(t)，其中，t为时间。

上述翻转过程中保持线圈装置1中接收线圈4与双发射线圈3的空间相对位置固定不变。这样就可以从根本上消除线圈互感作用引起的一次场干扰以及其引起的接收线圈自感作用干扰。该实施例适用于在平坦地面上进行探查施工。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中双发射线圈3采用了两个尺寸不等的第一发射线圈31和第二发射线圈32，对于线圈的加工、组装等几何精度要求宽松，易于实现。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中双发射线圈3采用了两个不共中心轴线的第一发射线圈31和第二发射线圈32，对于线圈的加工、组装等几何精度要求宽松，易于实现。

实施例4

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中双发射线圈3采用了两个不同形状的第一发射线圈31和第二发射线圈32，且垂直分量接收线圈41也可采用其他形状，对于线圈的加工、组装等几何精度要求宽松，易于实现。

实施例5

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中去除了框架载体2中的非金属滚轮11，并增加了非金属把手12。本实施例适用于非平坦地面的施工探查。

实施例6

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例适用于隧道或巷道施工探查。当进行隧道或巷道底板或顶板探查时，其应用方式同实施例1，特别地当进行掌子面或侧帮的超前探查时，应保持双发射线圈的法线方向垂直于对应掌子面或侧帮，并需要在同一位置点处将线圈装置沿旋转轴前后整体翻转180°，进行翻转前后信号的测量并做相应的差值处理。

实施例7

本实施例采用上述瞬变电磁探测装置在相同位置点进行线圈装置整体180°翻转前后的信号测量及测量信号的差值处理对比实验，如图7所示，衰减曲线S1为某位置点处线圈装置翻转前测量的信号，S2为该位置点处进行翻转后测量的信号，S3为对S1、S2进行差值处理后的结果。从中可以明显看出S1、S2受互感和自感干扰影响大，信号严重失真但并未超幅，差值处理后的结果达到预期效果，能够明显看出采用本发明提出的瞬变电磁探测装置通过翻转测量方式及差值处理方法的技术方案能够有效消除电感的严重干扰影响，获取来自地下地质体的全程二次场感应信号，且增强了有效信号的幅值。

如图8所示，包括线圈装置翻转前多测道电压曲线剖面图、线圈装置翻转后多测道电压曲线剖面图和线圈装置相同位置点翻转前后测量信号差值处理多测道电压曲线剖面图，通过对比能够明显看出只有采用差值处理方法得到的多测道电压剖面能够显著的呈现出地下浅部空腔的异常响应。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，包括线圈装置，线圈装置包括能带动线圈装置进行180°翻转的线圈固定架，线圈固定架上固定有双发射线圈，双发射线圈包括供电期任意时刻在各自线圈中心能够产生反向磁场且相互平行但不共面的第一发射线圈和第二发射线圈；所述第一发射线圈和第二发射线圈之间安装有接收线圈，所述接收线圈与第一发射线圈、第二发射线圈间的距离以早期响应信号不超幅为约束；

所述线圈固定架上固定设有与双发射线圈平行且能带动线圈装置翻转的旋转轴；线圈固定架安装在框架载体上，框架载体上设有与旋转轴相配合的非金属轴承；

所述第一发射线圈与第二发射线圈的匝数相同或不同，第一发射线圈与第二发射线圈的绕制顺序同向或反向，第一发射线圈与第二发射线圈的连接方式采用串联或并联方式，第一发射线圈与第二发射线圈的尺寸相等或不等。

2.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述接收线圈包括法线方向相互垂直的水平分量接收线圈与垂直分量接收线圈，垂直分量接收线圈法线方向垂直于所述双发射线圈。

3.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述线圈固定架和框架载体采用非磁性绝缘材质制成。

4.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述线圈固定架上设有调整双发射线圈间距、接收线圈与双发射线圈间距的调节机构；框架载体上设有调整线圈装置与地面间距的调节机构；框架载体上还设有宽度调节机构；所述旋转轴上安装有非金属手柄。

5.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述框架载体的底部设有非金属滚轮。

6.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述框架载体上设有非金属把手。

7.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述第一发射线圈与第二发射线圈的中心轴线重合或不重合,所述第一发射线圈与第二发射线圈的形状相同或不同。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的瞬变电磁探测装置消除电感干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将所述瞬变电磁探测装置放置贴近于待测区域，并使双发射线圈法线垂直于待测区域；

(2)在同一位置点上，分别测量线圈装置翻转180°前后的响应信号；

(3)当前位置点测量完成后将线圈装置翻转180°进行复位；

(4)移动所述瞬变电磁探测装置至下一位置点，重复步骤(1)至步骤(3)，直至覆盖所有设定的位置点；所述翻转过程中保持线圈装置中接收线圈与双发射线圈的空间相对位置固定不变；

在探测过程中或探测完成后，对同一位置点处线圈装置翻转前后的测量信号进行差值处理。

9.根据权利要求8所述的利用瞬变电磁探测装置消除电感干扰的方法，其特征在于，所述差值处理方法为，将同一位置点上线圈装置翻转前后的测量信号分别记为u₁(t)、u₂(t)，求取线圈装置翻转前后测量信号的差值Δu(t)，Δu(t)＝u₁(t)-u₂(t)或Δu(t)＝u₂(t)-u₁(t)，t为时间。

10.根据权利要求8所述的利用瞬变电磁探测装置消除电感干扰的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当进行地面的探查时，使双发射线圈的法线方向垂直于所在位置点的地面；当进行隧道或巷道探查时，使双发射线圈的法线方向垂直于所述隧道或巷道的掌子面、侧帮或顶底板。