CN108535667B - 基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，包括：发射线圈；接收线圈；以及双补偿线圈，包含正补偿线圈与反补偿线圈，设置于发射线圈与接收线圈之间；其中，发射线圈、双补偿线圈、以及接收线圈为共面、共中心，接收线圈处于内侧；双补偿线圈的参数设置使得接收线圈接收到的一次场信号为零。该系统中双补偿线圈的半径和匝数可以根据实际的应用需求灵活的调整变化，不再严重受制于发射线圈的参数，有效减小了补偿线圈的几何尺寸和重量；不仅可有效降低接收机动态范围，很大程度上提高了航空瞬变电磁系统的浅部探测能力和探测精度，并且有利于提高航空瞬变电磁探测数据的质量和效果、以及系统设计的灵活性和实用性。

Description

基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统

技术领域

本公开属于航空瞬变电磁探测技术领域，涉及一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统。

背景技术

基于航空瞬变电磁探测系统的航空瞬变电磁方法是一种建立在电磁感应基础上的时间域人工源电磁探测方法，是探测电性异常矿体尤其是金属矿的重要手段之一。该方法具有低成本、速度快的特点，可用于地表植被、沙漠等覆盖区的靶区优选与资源快速评价，可实现大面积矿产资源快速勘查。通过悬吊在飞机下方的多匝线圈向地下发送脉冲电流，产生一次脉冲磁场，即产生一次场。在一次场激励下矿体内部形成涡旋电流，并向上辐射携带矿体电性信息的感应电磁场，即二次场，通过对二次场的数据处理与反演可获得地下矿体的电性特征和分布信息。

航空瞬变电磁探测系统受飞行平台的限制，相比地面瞬变电磁系统，一般采用较小的多匝发射线圈，现有的大部分航空电磁系统，将发射线圈和接收线圈共面、共中心，没有补偿线圈，发射线圈与接收线圈直接耦合产生的强一次场信号，产生的一次场信号相对二次场信号很强，使接收机早期信号饱和，导致观测信号出现不同程度的饱和失真，浅部地下信息淹没在强一次场信号中，从而丧失了浅部地下信息，使探测盲区进一步增大，不符合航空瞬变电磁探测要求。个别的航空电磁系统，通过增加一个共面、共中心的反向磁场补偿线圈进行磁场补偿，对接收线圈的一次场信号进行补偿，但是补偿效果有限，补偿线圈设计过于受制于发射线圈的几何尺寸和磁矩要求，补偿线圈设计的灵活性和适用性较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，包括：发射线圈；接收线圈；以及双补偿线圈，包含正补偿线圈与反补偿线圈，设置于发射线圈与接收线圈之间；其中，发射线圈、双补偿线圈、以及接收线圈为共面、共中心，接收线圈处于内侧；双补偿线圈的参数设置使得接收线圈接收到的一次场信号为零。

在本公开的一些实施例中，基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：连接电缆，串联连接正补偿线圈与反补偿线圈、及发射线圈与双补偿线圈中与之相邻的一个补偿线圈。

在本公开的一些实施例中，正补偿线圈邻近发射线圈设置。

在本公开的一些实施例中，双补偿线圈的参数包含：线圈的匝数、线圈的半径、线圈中通入的电流；

双补偿线圈的参数设置满足：

其中，N₁为发射线圈的匝数；I₁为发射线圈中通入的电流；R₁为发射线圈的半径；N₂为正补偿线圈的匝数；I₂为正补偿线圈中通入的电流；R₂为正补偿线圈的半径；N₃为反补偿线圈的匝数；I₃为反补偿线圈中通入的电流；R₃为反补偿线圈的半径；其中N₁，N₂，N₃均为整数，R₁＞R₂＞R₃。

在本公开的一些实施例中，正补偿线圈与反补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，发射线圈与正补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，I₁＝I₂＝I₃。

在本公开的一些实施例中，反补偿线圈邻近发射线圈设置。

在本公开的一些实施例中，双补偿线圈的参数包含：线圈的匝数、线圈的半径、线圈中通入的电流；

双补偿线圈的参数设置满足：

其中，N₁′为发射线圈的匝数；I₁′为发射线圈中通入的电流；R₁′为发射线圈的半径；N₂′为反补偿线圈的匝数；I₂′为反补偿线圈中通入的电流；R₂′为反补偿线圈的半径；N₃′为正补偿线圈的匝数；I₃′为正补偿线圈中通入的电流；R₃′为正补偿线圈的半径；其中N₁′，N₂′，N₃′均为整数，R₁′＞R₂′＞R₃′。

在本公开的一些实施例中，正补偿线圈与反补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，发射线圈与反补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，I₁′＝I₂′＝I₃′。

在本公开的一些实施例中，基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：发射机，用于发射信号，其输出端分别与发射线圈、双补偿线圈连接；以及接收机，用于接收信号，其输入端与接收线圈连接；其中，发射机与接收机之间通过同步电缆连接，实现信号发射与接收同步。

在本公开的一些实施例中，基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：供电电源，与发射机相连，为发射机提供能量。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，具有以下有益效果：

通过在发射线圈与接收线圈之间设置一正一反的双补偿线圈，抵消了一次场，从而使接收线圈的感应电压为纯二次场，相比单补偿线圈而言，双补偿线圈的半径和匝数可以根据实际的应用需求灵活的调整变化，不再严重受制于发射线圈的参数，有效减小了补偿线圈的几何尺寸和重量；不仅可有效降低接收机动态范围，很大程度上提高了航空瞬变电磁系统的浅部探测能力和探测精度，并且有利于提高航空瞬变电磁探测数据的质量和效果、以及系统设计的灵活性和实用性。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统的结构示意图。

图2为图1所示的发射线圈、双补偿线圈、以及接收线圈之间的磁场耦合示意图。

图3为根据本公开另一实施例所示的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统的结构示意图。

图4为根据本公开实施例所示的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统与电路之间的连接结构示意图。

【符号说明】

11-第一发射线圈； 12-第一正补偿线圈；

13-第一反补偿线圈； 14-第一接收线圈；

15-第一连接电缆； 16-第二连接电缆；

21-第二发射线圈； 22-第二反补偿线圈；

23-第二正补偿线圈； 24-第二接收线圈；

25-第三连接电缆； 26-第四连接电缆；

17-第一发射线圈与第一接收线圈耦合的磁场线；

18-第一正补偿线圈与第一接收线圈耦合的磁场线；

19-第一反补偿线圈与第一接收线圈耦合的磁场线。

具体实施方式

本公开提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，相比单补偿线圈而言，双补偿线圈的半径和匝数可以根据实际的应用需求灵活的调整变化，不再严重受制于发射线圈的参数，有效减小了补偿线圈的几何尺寸和重量；不仅可有效降低接收机动态范围，很大程度上提高了航空瞬变电磁系统的浅部探测能力和探测精度，并且有利于提高航空瞬变电磁探测数据的质量和效果、以及系统设计的灵活性和实用性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，包括：发射线圈；接收线圈；以及双补偿线圈，包含正补偿线圈与反补偿线圈，设置于发射线圈与接收线圈之间；其中，发射线圈、双补偿线圈、以及接收线圈为共面、共中心，接收线圈处于内侧；双补偿线圈的参数设置使得接收线圈接收到的一次场信号为零。

在一优选实施例中，连接电缆，串联连接正补偿线圈与反补偿线圈、及发射线圈与双补偿线圈中与之相邻的一个补偿线圈；

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统。

图1为根据本公开一实施例所示的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统的结构示意图。

本实施例中，以双补偿线圈中的正补偿线圈靠近发射线圈设置的情况为例进行说明。参照图1所示，一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，包括：共面、共中心从外到内依次设置的第一发射线圈11、第一正补偿线圈12、第一反补偿线圈13、以及第一接收线圈14；第一连接电缆15将第一发射线圈11与第一正补偿线圈12进行串联连接；第二连接电缆16将第一正补偿线圈12与第一反补偿线圈13进行串联连接。

其中，参照图1所示，第一发射线圈11的电流为顺时针方向，第一正补偿线圈12、第一反补偿线圈13的电流分别为顺时针和逆时针方向。

其中，双补偿线圈的参数设置使得接收线圈接收到的一次场信号为零。

下面结合双补偿线圈的具体参数进行说明。

本实施例中，第一发射线圈11的匝数为N₁，半径为R₁；第一正补偿线圈12的匝数为N₂，半径为R₂；第一反补偿线圈13的匝数为N₃，半径为R₃，其中N₁，N₂，N₃均为整数，R₁＞R₂＞R₃。

根据毕奥-萨伐尔定律，匝数为N，半径为R的圆形线圈，通以电流I，则圆形中心点处的磁场B满足：

其中，μ₀为真空磁导率，其值为μ₀＝4π×10^-7Tm/A。

图2为图1所示的发射线圈、双补偿线圈、以及接收线圈之间的磁场耦合示意图。

参照图2来介绍本实施例中，如何设置双补偿线圈的具体参数，包括：线圈匝数、半径、以及通入电流等参数，使得接收线圈接收到的一次场信号为零。

第一发射线圈11、第一正补偿线圈12、第一反补偿线圈13、以及第一接收线圈14之间的磁场耦合关系参照图2所示，第一发射线圈11在第一接收线圈14中产生的磁通量为竖直向上的正向磁场，如图2中的磁场线17所示；第一正补偿线圈12在第一接收线圈14中产生的磁通量为竖直向上的正向磁场，如图2中的磁场线18所示；第一反补偿线圈13在第一接收线圈14中产生的磁通量为竖直向下的反向磁场，如图2中的磁场线19所示。为了达到第一接收线圈14接收到的一次场信号为零的效果，使第一接收线圈14中的正向磁通与反向磁通大小相等、方向相反，这样一次场互相抵消，从而使第一接收线圈14的感应电磁场为纯二次场。

那么，图1所示的磁场补偿多线圈系统的磁场关系满足：

其中，I₁为第一发射线圈中通入的电流；I₂为第一正补偿线圈中通入的电流；I₃为第一反补偿线圈中通入的电流；

本实施例中，I₁、I₂、I₃满足：

I₁＝I₂＝I₃＝I (3)

那么，在确定线圈通入电流的情况下，利用公式(2)进行线圈匝数和半径的设置即可使接收线圈接收到的一次场信号为零，并且根据公式(2)可知，双补偿线圈的半径和匝数可以根据实际的应用需求灵活的调整变化，不再严重受制于发射线圈的参数，这样可以使补偿线圈的参数实现轻量化，可有效减小补偿线圈的几何尺寸和重量。

需要说明的是，这里为了简化电路连接关系，将第一发射线圈11、第一正补偿线圈12、以及第一反补偿线圈13之间通入的电流设为相同，但本公开不局限于此，可以根据实际需要进行补偿线圈通入电流、线圈匝数、以及线圈半径的设置，使其满足接收线圈接收到的一次场信号为零的条件。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统。

本实施例中，以双补偿线圈中的反补偿线圈靠近发射线圈设置的情况为例进行说明。参照图3所示，一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，包括：共面、共中心从外到内依次设置的第二发射线圈21、第二反补偿线圈22、第二正补偿线圈23、以及第二接收线圈24；第三连接电缆25将第二发射线圈21与第二反补偿线圈22进行串联连接；第四连接电缆26将第二反补偿线圈22与第二正补偿线圈23进行串联连接。

其中，参照图3所示，第二发射线圈21的电流为顺时针方向，第二反补偿线圈22、第二正补偿线圈23的电流分别为逆时针和顺时针方向。

本实施例中，第二发射线圈21的匝数为N₁′，半径为R₁′；第二反补偿线圈22的匝数为N₂′，半径为R₂′；第二正补偿线圈23的匝数为N₃′，半径为R₃′，其中N₁′，N₂′，N₃′均为整数，R₁′＞R₂′＞R₃′。

按照与第一个实施例相同的原理，本实施例中，双补偿线圈的参数设置满足：

其中，I₁′为第一发射线圈中通入的电流；I₂′为第一正补偿线圈中通入的电流；I₃′为第一反补偿线圈中通入的电流；

本实施例中，I₁′、I₂′、I₃′满足：

I₁′＝I₂′＝I₃′＝I′ (5)

由第一个实施例和第二个实施例可知，不论磁补偿线圈按照一正一反进行设置，还是一反一正进行设置，都可以使得接收线圈接收到的一次场信号为零，有效降低接收机动态范围，提高了航空瞬变电磁系统的浅部探测能力和探测精度。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统的具体装置示意图。

图4为根据本公开实施例所示的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统与电路之间的连接结构示意图。

参照图4所示，与第一个实施例相比，本实施例的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：发射机，用于发射信号，其输出端分别与发射线圈、双补偿线圈连接，；接收机，用于接收信号，其输入端与接收线圈连接；以及供电电源，与发射机相连，为发射机提供能量；其中，发射机与接收机之间通过同步电缆连接，实现信号发射与接收的同步。

其中，与第一个实施例相同，发射线圈与正补偿线圈正向串联连接、与反补偿线圈反向串联连接。

本实施例中，供电电源为电池组或者直流电源，为发射机提供能量。

本实施例中，发射机的输出端通过电缆分别与发射线圈、双补偿线圈连接。

本实施例中，发射线圈、正补偿线圈和反补偿线圈中通过的电流均相同；发射线圈、正补偿线圈、反补偿线圈、接收线圈共面且共中心。

本实施例中，接收机的输入端通过电缆与接收线圈连接。

综上所述，本公开提供了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，通过在发射线圈与接收线圈之间设置一正一反的双补偿线圈，抵消了一次场，从而使接收线圈的感应电压为纯二次场，相比单补偿线圈而言，双补偿线圈的半径和匝数可以根据实际的应用需求灵活的调整变化，不再严重受制于发射线圈的参数，有效减小了补偿线圈的几何尺寸和重量；不仅可有效降低接收机动态范围，很大程度上提高了航空瞬变电磁系统的浅部探测能力和探测精度，并且有利于提高航空瞬变电磁探测数据的质量和效果以及系统设计的灵活性和实用性。

当然，根据实际需要，本公开的基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统还包含其他的元件和装置，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，包括：

发射线圈；

接收线圈；以及

双补偿线圈，包含正补偿线圈与反补偿线圈，设置于发射线圈与接收线圈之间；

其中，发射线圈、双补偿线圈、以及接收线圈为共面、共中心，接收线圈处于内侧；双补偿线圈的参数设置使得接收线圈接收到的一次场信号为零；

所述正补偿线圈邻近所述发射线圈设置，所述双补偿线圈的参数包含：线圈的匝数、线圈的半径、线圈中通入的电流；

所述双补偿线圈的参数设置满足：

其中，N₁为发射线圈的匝数；I₁为发射线圈中通入的电流；R₁为发射线圈的半径；N₂为正补偿线圈的匝数；I₂为正补偿线圈中通入的电流；R₂为正补偿线圈的半径；N₃为反补偿线圈的匝数；I₃为反补偿线圈中通入的电流；R₃为反补偿线圈的半径；其中N₁，N₂，N₃均为整数，R₁＞R₂＞R₃。

2.根据权利要求1所述的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：

连接电缆，串联连接正补偿线圈与反补偿线圈、及发射线圈与双补偿线圈中与之相邻的一个补偿线圈。

3.根据权利要求1所述的航空磁场补偿多线圈系统，其中，所述正补偿线圈与反补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，所述发射线圈与正补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，I₁＝I₂＝I₃。

4.根据权利要求1所述的航空磁场补偿多线圈系统，其中，所述反补偿线圈邻近所述发射线圈设置。

5.根据权利要求4所述的航空磁场补偿多线圈系统，其中：

所述双补偿线圈的参数包含：线圈的匝数、线圈的半径、线圈中通入的电流；

所述双补偿线圈的参数设置满足：

其中，N₁′为发射线圈的匝数；I₁′为发射线圈中通入的电流；R₁′为发射线圈的半径；N₂′为反补偿线圈的匝数；I₂′为反补偿线圈中通入的电流；R₂′为反补偿线圈的半径；N₃′为正补偿线圈的匝数；I₃′为正补偿线圈中通入的电流；R₃′为正补偿线圈的半径；其中N₁′，N₂′，N₃′均为整数，R₁′＞R₂′＞R₃′。

6.根据权利要求5所述的航空磁场补偿多线圈系统，其中，所述正补偿线圈与反补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，所述发射线圈与反补偿线圈通过连接电缆实现串联连接，I₁′＝I₂′＝I₃′。

7.根据权利要求1至6任一项所述的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：

发射机，用于发射信号，其输出端分别与发射线圈、双补偿线圈连接；以及

接收机，用于接收信号，其输入端与接收线圈连接；

其中，发射机与接收机之间通过同步电缆连接，实现信号发射与接收同步。

8.根据权利要求7所述的航空磁场补偿多线圈系统，还包括：

供电电源，与发射机相连，为发射机提供能量。