CN108089231A - 三维梯度矢量法瞬变电磁仪及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出三分量梯度矢量法的瞬变电磁仪，在印刷电路PCB板上设计瞬变电磁仪器接收和发射线圈，发射线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，分时交替在三个空间正交X、Y、Z轴方向上，依次发射瞬变电磁仪一次场激励信号；接收线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，同步实时接收二次场信号在三个正交X、Y、Z轴方向的分量，本发明可以计算地层电阻抗的分布结构，用来判断高阻和低阻异常地质构造和地质超前预报。本发明具有制作简单、现场测试重复性好和批量化生产的特点，在性能方面，具有体积小、重量轻、等效发射、抗干扰能力强和等效接收面积大，接收信号的灵敏度高，提高了仪器的探测精度和性能的优点。

Description

三维梯度矢量法瞬变电磁仪及其应用

技术领域

本发明涉及一种应用于物探领域的三维梯度矢量法瞬变电磁仪及其应用，具体涉及一种采用PCB电路板来设计正交三维的发射和接收线圈，并在制作线圈的PCB板设计有源的钳位、滤波和放大电路，提取二次场的三维梯度矢量信号及其变化趋势，应用于物探领域和工程检测领域。

背景技术

瞬变电磁法是“重、磁、电、震”四大物探方法中电法类中的比较新颖方法。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，可得到不同深度的大地电性特征。

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。利用接收线圈测量接收到的感应电动势。该电动势包含了地下介质电性特征，通过解释手段(一维反演，视电阻率等)得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收二次场感应电动势，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流。二次场的电磁能量直接从场源传播到地中，是在导电介质中感应电流似“烟圏”那样，随时间推移逐步扩散到地下深处。在晚期，激发的一次场在各处衰减殆尽，在地中第二种场即二次场占居主导地位，以“烟圏”形式逐步扩散到深处。

基于瞬变电磁法二次场向大地扩散的“烟圈”模型的深度反演公式为：

其中r为二次场的扩散半径，d为扩散半径深度，v为扩散速度。这里有两个未知变量σ电导率和μ_r磁导率，它们都无法直接测量得到真值，那么基于时间、σ电导率和μ_r磁导率的深度信息反演必然无法得到真实信息，这就是瞬变电磁法对地质构造深度信息不准确的原因，是这个烟圈模型的理论不完备造成的。国内外的瞬变电磁法的仪器大多数只有一维垂直Z轴的发射和接收线圈。相应地，瞬变电磁测深资料的定量解释也只有以一维水平层状大地模型的正演计算为基础，对于地电条件复杂时的二维和三维情况，资料解释方法及解释水平还有待进一步提高。因此，尽快研制出三维的X、Y和Z轴的三分量发射和接收的瞬变电磁法的仪器成了当务之急，并开发相应的三分量瞬变电磁法的解析软件，并能在PC微机上进行二维、三维瞬变电磁测深资料的解释是摆在地球物理工作者面前的一项重大课题。

发明内容

本发明的目的是为了解决以上背景存在的问题和技术需求，提出一种新型维梯度矢量法瞬变电磁模型和相关瞬变电磁仪器。

首先，为了解决瞬变电磁法理论模型的问题，本发明提出三分量梯度矢量法的瞬变电磁仪，在印刷电路PCB板上设计瞬变电磁仪器接收和发射线圈，发射线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，分时交替在三个空间正交X、Y、Z轴方向上，依次发射瞬变电磁仪一次场激励信号；接收线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，同步实时接收二次场信号在三个正交X、Y、Z轴方向的分量。

上述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪中，所述瞬变电磁仪器接收线圈和发射线圈采用阿基米德螺线，或者瞬变电磁仪器接收线圈和发射线圈采用矩形螺旋线。

上述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪中，所述发射线圈工作模式是首先X方向线圈发射一次场信号，在X、Y和Z轴方向的接线线圈同时接收二次场信号，得到在X方向激励下的接收二次场矢量信号；依次发射线圈在在Y和Z轴方向发射一次场信号，三维接收线圈也依次接收在Y和Z轴方向激励下的接收二次场矢量信号；并在测量线上等间距地多点测量在一次场激励下的二次场的矢量信号。

上述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪中，所述接收线圈的三维空间上正交PCB板上设计钳位、滤波和放大电路，放大接收二次场的信号，提高接收信噪比。

本发明还提供了三维梯度矢量法瞬变电磁仪的应用，根据三维发射和三维接收的二次场矢量在测量线的变化梯度方向和趋势，计算地层电阻抗的分布结构，用来判断高阻和低阻异常地质构造和地质超前预报。

上述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪应用，根据从测点接收的三分量数据直接计算出瞬变电磁二次场的梯度矢量方向和大小，结合测点的间距，根据三角函数关系解析出低阻矿体的方位和距离信息。

本发明与现有技术相比，由于在一维的情况下(如图1a所示)，只能测量由一次场H₁在大地中激发的二次场H₂的垂直分量H_2z，无法同步实时测量二次场在X和Y轴方向的分量H_2x和H_2y。根据二次场的三个分量合成的矢量，就是二次场磁场梯度的方向和大小。在确定间距为L的不同测点，测量二次场磁场H₂梯度的方向和大小和方位角的变化，根据几何三角函数关系，就可以确定矿体或者低阻体的方位和与测点的距离，这种方法避开了大地的电导率σ和磁导率μ。因为这两个常数在实际工程是无法精确测量的。而基于地层中的电导率σ、磁导率μ和二次场的大小和衰减时间的测深必然是经验估计值，无法得到准确的数值解。这正是瞬变电磁法在当前工程应用中一个无法规避的理论缺陷。本发明提出三分量梯度矢量法正可以弥补该缺陷，从仪器结构和理论模型上，突破现有方法的不足。

本发明的有益效果分析：本发明根据以上理论模型设计的新型瞬变电磁仪，仪器使用PCB印刷电路板制作新型瞬变电磁仪的发射和接收三维的线圈。该线圈由空间上相互正交的三个PCB线圈组成。发射线圈的X、Y和Z轴线圈依次顺序的发射，在不同方向激励下，接收线圈同时并行接收二次场的三个分量，并由该三个分量合成二次场的矢量，包括幅值大小和矢量方向。在每个测量点上，得到在X、Y和Z轴方向激励下三个二次场的矢量。在一条测线上，测量多个点，根据二次场的梯度矢量变化趋势来解释地质构造和变化。在接收线圈PCB上设计钳位限幅、滤波和放大电路，提出二次场的接收信号。设计PCB线圈与传统的多圈电缆发射和接收线圈相比，具有制作简单、现场测试重复性好和批量化生产的特点，在性能方面，具有体积小、重量轻、等效发射、抗干扰能力强和等效接收面积大的优点。由于采用多层PCB来设计线圈，相应地线圈等效接收面积大，接收信号的灵敏度高，提高了仪器的探测精度和性能。

附图说明

图1a是现有技术中一维瞬变电磁工作模式示意图。

图1b是本发明实施例的三维分量瞬变电磁工作模式示意图。

图2是本发明的实施例的瞬变电磁法二次场梯度矢量法模型示意图。

图3a是本发明收发PCB线圈的阿基米德螺旋线结构示意图。

图3b是本发明收发PCB线圈的矩形螺旋线结构示意图。

图4是本发明的实施例的发射线圈反电势脉冲吸收电路图。

图5是本发明的实施例的接收线圈限幅、放大、滤波和跟随电路。

图6是本发明的实施例的三分量瞬变电磁硬件系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明改变现有的瞬变电磁仪器单路发射和单路接收工作模式，在X，Y，Z轴增加三个发射电路和发射线圈。该线圈由空间上相互正交的三个PCB线圈组成(如图1b所示)。发射线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，分时交替在三个空间正交X、Y、Z轴方向上，依次发射瞬变电磁仪一次场激励信号；接收线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，同步实时接收二次场信号在三个正交X、Y、Z轴方向的分量。瞬变电磁仪器接收线圈和发射线圈采用阿基米德螺线(如图3a所示)，或者瞬变电磁仪器接收线圈和发射线圈采用矩形螺旋线(如图3b所示)。

发射线圈的X、Y和Z轴线圈依次顺序的发射，在不同方向激励下，接收线圈同时并行接收二次场的三个分量，并由该三个分量合成二次场的矢量(如图2所示)，包括幅值大小和矢量方向。在每个测量点上，得到在X、Y和Z轴方向激励下三个二次场的矢量。在一条测线上，测量多个点，根据二次场的梯度矢量变化趋势来解释地质构造和变化。在接收线圈PCB上设计钳位限幅、滤波和放大电路，提出二次场的接收信号。

相应地，增加三路X、Y和Z轴的接收电路和接收线圈来记录H_2x、H_2y和H_2z。整个工作流程是首先是X方向发射，同步启动对X、Y和Z轴的接收电路和接收线圈的信号高速采样记录，接着是Y方向发射，同样对X、Y和Z轴的接收电路和接收线圈的信号高速采样记录，最后说是Z方向发射，同样对X、Y和Z轴的接收电路和接收线圈的信号高速采样记录。这样的工作模式，可以精确地记录和计算出激发的二次场H₂的梯度矢量的大小和方向。按照探测深度要求，相应地改变测点的距离L，按照上述的工作模式，重新测量和计算二次场的梯度矢量的大小和方向，由两个或者多个测点的数据，根据最大的二次场H₂的梯度矢量的方向不会改变，只是改变在三个接收线圈X、Y和Z轴方向的投影分量的大小的关系，根据几何三角函数的关系和测点的间距L，再根据不同测点的合成最大的二次场H₂的梯度矢量的方向，就可以计算出矿体或者低阻体到测点的距离。

本发明设计的瞬变电磁的每个X、Y和Z轴方向的发射线圈PCB板上，设计发射电流关断时反电势脉冲吸收电路，如图4所示，主要由R1、R2和双向瞬态电压吸收管DW1组成。等效的PCB发射线圈L1与R1并联，当反电势脉冲高于DW1的额定电压1.5倍时，双向瞬态电压吸收管DW1导通，R1和R2共同吸收反电势脉冲能量。

本发明设计的瞬变电磁的每个X、Y和Z轴方向的接收PCB线圈设计放大和滤波电路，如图5所示，该电路板的±5V电压来自瞬变电磁仪主机板。包括以下电路组成：阻尼和限幅电路，接收PCB线圈L2与R3和R4及双向瞬态电压吸收管DW2并联，R3是接收阻尼电阻，使L2与R3处于过阻尼状态。由于收发线圈之间的互感，导致接线线圈中的接收一次场信号过大时，DW2导通，使得接收输入钳位在5V电压左右。由运算放大器(型号为CA084)U1A对输入信号进行跟随放大；信号放大电路，从运算放大器U1A输出的信号由U1B、R5和R6组成放大电路放大，放大倍数由R6和R5的比值确定；低通滤波器电路：R7和C1组成一阶低通滤波器，低通的截止频率由公式确定，瞬变电磁二次场的信号设置截止频率在1K到5KHz即可；输出级电路，从滤波电路输出的信号进入运算放大器U1C组成的跟随器输出信号经过J2插接件和接收线圈连接电缆到瞬变电磁仪。

本发明的数据采集系统选择三星的ARMA8内核的微处理器平台三星S5PV210芯片和AD7760高速高精度A/D芯片作为数据采集，如图6所示。仪器使用ARMCortex-A8架构的三星S5PV210芯片作为主处理器，其运行主频可高达1GHz。AD7760是一款高性能、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)，融合了宽输入带宽、高速特性与Σ-Δ转换技术的优势，2.5MSPS时信噪比可达100dB，因此非常适合高速数据采集应用。宽动态范围以及显著降低的抗混叠要求，使设计过程得以简化。AD7760是要求高信噪比(SNR)且无需采用复杂的前端信号处理设计应用的理想器件。差分输入由模拟调制器以最高40MSPS的采样速率进行采样。调制器输出由一系列低通滤波器处理，最后一个滤波器具有默认的或用户可编程系数。采样速率、滤波器转折频率和输出字速率由AD7760的外部时钟频率与配置寄存器共同设置。为了便于操作和数据导出，该仪器设计带触摸屏的LCD显示器和USB接口，可以外接U盘导出仪器采集的数据。

本发明的三维梯度矢量法瞬变电磁仪采用基于电子闸门技术的本安镍氢电池供电，设计成本安型的仪器，可以应用到煤矿等有防爆要求的领域。

在数据出来和解析方面，过去对瞬变电磁法的研究大多是计算出电磁场相关量，Krezis研究了瞬变电磁场三分量的具体表达式。而对资料的解释还主要停留在单一分量上，已远不能满足目前的生产和勘探需要。因此，联合水平分量对三分量进行综合处理与解释，进一步提高解释精度，具有重要意义。基于瞬变电磁法二次场向大地扩散的“烟圈”模型的深度反演公式为：

其中r为二次场的扩散半径，d为扩散半径深度，v为扩散速度。这里有两个未知变量σ电阻率和μ_r磁导率，它们都无法直接测量得到真值，那么基于时间、σ电阻率和μ_r磁导率的深度信息反演必然无法得到真实信息。在一维的情况下只能测量二次场H₂的最直分量H_2z，无法测量二次场在X和Y轴方向的分量H_2x和H_2y。根据二次场的三个分量合成的矢量，就是二次场磁场梯度的方向和大小。在确定间距为L的不同测点，测量二次场磁场H₂梯度的方向和大小和方位角的变化，依据几何三角函数关系确定矿体或者低阻体的方位和与测点的距离。三分量梯度矢量法弥补了单分量瞬变电磁法的缺陷。

本发明的三维梯度矢量法瞬变电磁仪，采用阿基米德螺线或者矩形螺旋线在印刷电路PCB板上设计瞬变电磁仪器接收和发射线圈，发射线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，分时交替在三个空间正交X、Y、Z轴方向上，依次发射瞬变电磁仪一次场激励信号。瞬变电磁仪的接收线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，同步实时接收二次场信号在三个正交X、Y、Z轴方向的分量，根据接收X、Y和Z分量和矢量合成原理，计算出二次场矢量的大小和方向。这样，在同一个测量点上，发射线圈在三个空间正交方向X、Y和Z轴上线圈依次顺序发射，接收线圈接收到在三维不同方向激励下二次场矢量和梯度变化趋势。仪器依次在等间距的测量线上的测点上逐点测试相关数据，由此来反演分析和判断地下低阻体的空间大小和方位信息。该新型瞬变电磁仪器可以克服国内外瞬变电磁仪和解析法基于单分量大地电磁涡流扩散的“烟圈”模型的物探方法缺陷，特别是在探测深度和方位存在多解性和不确定性。本发明设计的瞬变电磁仪是基于三分量梯度矢量法瞬变电磁新模型，从理论上，克服了深度和方位信息依赖于大地电导率和磁导率两个参数求解问题，从测点三分量数据直接求解瞬变电磁二次场的梯度矢量方向和大小，结合测点的间距，根据三角函数关系解析出低阻矿体的方位和距离，设计三分量梯度瞬变电磁仪器，应用到物探工程技术中去：根据三维发射和三维接收的二次场矢量在测量线的变化梯度方向和趋势，计算地层电阻抗的分布结构，可以用来判断高阻和低阻等异常地质构造和地质超前预报等应用；根据二次场的梯度矢量解析地质构造，克服国内外瞬变电磁仪和解析法基于单分量大地电磁涡流扩散的“烟圈”模型的物探方法缺陷，特别是在探测深度和方位存在多解性和不确定性；克服了深度和方位信息依赖于大地电导率和磁导率两个参数求解问题，从测点接收的三分量数据直接计算出瞬变电磁二次场的梯度矢量方向和大小，结合测点的间距，根据三角函数关系解析出低阻矿体的方位和距离信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种三维梯度矢量法瞬变电磁仪，其特征在于：在印刷电路PCB板上设计瞬变电磁仪器接收和发射线圈，发射线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，分时交替在三个空间正交X、Y、Z轴方向上，依次发射瞬变电磁仪一次场激励信号；接收线圈由三个在空间上相互垂直分布PCB线圈组成，同步实时接收二次场信号在三个正交X、Y、Z轴方向的分量。

2.根据权利要求1所述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪，其特征在于：所述瞬变电磁仪器接收线圈和发射线圈采用阿基米德螺线，或者瞬变电磁仪器接收线圈和发射线圈采用矩形螺旋线。

3.根据权利要求1所述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪，其特征在于：所述发射线圈工作模式是首先X方向线圈发射一次场信号，在X、Y和Z轴方向的接线线圈同时接收二次场信号，得到在X方向激励下的接收二次场矢量信号；依次发射线圈在在Y和Z轴方向发射一次场信号，三维接收线圈也依次接收在Y和Z轴方向激励下的接收二次场矢量信号；并在测量线上等间距地多点测量在一次场激励下的二次场的矢量信号。

4.根据权利要求3所述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪，其特征在于：所述接收线圈的三维空间上正交PCB板上设计钳位、滤波和放大电路，放大接收二次场的信号，提高接收信噪比。

5.一种根据权利要求4所述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪的应用，其特征在于：根据三维发射和三维接收的二次场矢量在测量线的变化梯度方向和趋势，计算地层电阻抗的分布结构，用来判断高阻和低阻异常地质构造和地质超前预报。

6.一种根据权利要求4所述的三维梯度矢量法瞬变电磁仪的应用，其特征在于：根据从测点接收的三分量数据直接计算出瞬变电磁二次场的梯度矢量方向和大小，结合测点的间距，根据三角函数关系解析出低阻矿体的方位和距离信息。