CN108776356B - 瞬变电磁测量装置的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瞬变电磁测量装置的设计方法，包括设定发射线圈等效半径初始值、匝数初始值和反磁线圈的等效半径初始值；计算发射线圈与反磁线圈的尺寸差额、反磁线圈的匝数并设定反磁线圈与发射线圈之间的初始距离；计算反磁线圈和发射线圈共同作用时产生的一次场轴向分量，并圈定轴向分量为0的0等值线；调整接收线圈和反磁线圈的参数，完成设计。本发明方法设计得到的瞬变电磁测量装置能够消除一次场影响，同时也能保证发射线圈正对待测区域的一次轴向场方向一致，即保证待测区域的激励场方向一致，从而使得信号接收简单，而且本发明方法科学、简单且可靠。

Description

瞬变电磁测量装置的设计方法
技术领域
本发明具体涉及一种瞬变电磁测量装置的设计方法。
背景技术
随着科学技术的发展，基础科学已经得到了越来越多的重视。地球物理勘探则是基础科学中极为重要的一个部分。
瞬变电磁法是地球物理勘探领域一种很重要的方法。当前的瞬变电磁法多采用一个发射回线，采用大定源、中心回线、重叠回线等装置。由于大回线发射时体积效应大，旁侧影响严重；而小回线发射时收发互感严重，一次场对接收线圈影响严重，导致早期二次场信号严重失真，使得瞬变电磁法难以适用于浅层高分辨探测。为了消除一次场对接收线圈的影响，一般采用反磁线圈磁抵消技术。现有的相关研究，有研究在时间域航空电磁法中设计同心补偿式线圈抵消一次场的影响，但是由于发射线圈和补偿线圈共面，在发射线圈下方局部范围存在一次磁场轴向分量反号现象，若在地面采用该装置观测，在浅层不同深度的激发场反号，将导致待测区域不同深度的二次场反号，接收信号变得复杂；此外，有研究通过设计反向对偶磁源中心回线观测装置消除一次场的影响，然而由于反向发射线圈对正向发射线圈发射能量抵消较多，将一定程度减小探测深度；然后，还有研究设计了与发射线圈共圆心的内外两个接收线圈，并调整参数使得内外接收线圈的一次场磁通等值反向，来消除一次场的影响，但是由于发射线圈内外一次磁场轴向分量反号，内外接收线圈正对待测区域激发场反号，将导致正对待测区域不同深度的二次场反号，接收信号变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够消除一次场影响、同时也能保证发射线圈正对待测区域的一次轴向场方向一致，从而使得接收信号简单的瞬变电磁测量装置的设计方法。
本发明提供的这种瞬变电磁测量装置的设计方法，包括如下步骤：
S1.设定发射线圈等效半径初始值和匝数初始值，同时设定反磁线圈的等效半径初始值；
S2.根据步骤S1设定的初始值，计算发射线圈与反磁线圈的尺寸差额；
S3.根据步骤S2得到的尺寸差额，计算反磁线圈的匝数；
S4.根据步骤S2得到的尺寸差额，设定反磁线圈与发射线圈之间的初始距离；
S5.计算反磁线圈和发射线圈共同作用时产生的一次场轴向分量，并圈定轴向分量为0的0等值线；
S6.根据步骤S5得到的轴向分量为0的等值线，以及发射线圈所在平面位置，调整接收线圈和反磁线圈的参数，从而完成瞬变电磁测量装置的设计。
瞬变电磁测量装置的设计过程中，必须满足如下约束条件：
R1.相对位置要求：发射线圈、接收线圈和反磁线圈共轴但不共面；
R2.发射线圈的半径≥反磁线圈的半径≥接收线圈的半径；
R3.发射线圈正对观测区域的一次场轴向分量方向一致
步骤S2所述的计算发射线圈与反磁线圈的尺寸差额，具体为采用如下算式计算尺寸差额a：
a＝fix(R1/R2)+1
式中fix()为取整算符；R1为发射线圈等效半径，R2为反磁线圈等效半径。
步骤S3所述的计算反磁线圈的匝数，具体为采用如下算式计算匝数N2：
N2＝fix(N1/a)+1
式中fix()为取整算符；N1为发射线圈的匝数，a为尺寸差额。
步骤S4所述的设定反磁线圈与发射线圈之间的初始距离，具体为采用如下规则设置初始距离：发射线圈与反磁线圈的尺寸差额越大，则反磁线圈与发射线圈之间的初始距离越小。
步骤S6所述的调整接收线圈和反磁线圈的参数，具体为采用如下规则将进行调整：
以发射线圈所在平面为z＝0平面，待测区域一侧为z＜0区域，另一侧为z＞0区域，同时观测轴向分量为0的0等值线的形态和位置：
若在z＞0的一侧存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线且与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量的方向一致，则根据0等值线水平范围设定接收线圈半径和位置；设定规则为：接收线圈的半径小于0等值线的水平范围，且接收线圈的位置设置在0等值线的水平位置；
若在z＞0的一侧存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线，但与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量的方向不一致，则调整反磁线圈与发射线圈之间的距离直至发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量方向一致；
若在z＞0的一侧不存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线，则调整反磁线圈的匝数或反磁线圈与发射线圈之间的距离直至轴向分量为0的0等值线水平且与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量方向一致，然后设定接收线圈的半径和位置，设定规则为：接收线圈的半径小于0等值线的水平范围，且接收线圈的位置设置在0等值线的水平位置；
近乎平行的定义为轴向分量为0的0等值线与轴线交点的曲率<π/18。
本发明提供的这种瞬变电磁测量装置的设计方法，其设计得到的瞬变电磁测量装置能够消除一次场影响，同时也能保证发射线圈正对待测区域的一次轴向场方向一致，即保证待测区域的激励场方向一致，从而使得信号接收简单，而且本发明方法科学、简单且可靠。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程图。
图2为本发明的瞬变电磁测量装置的第一实例示意图。
图3为本发明的瞬变电磁测量装置的第二实例示意图。
图4为本发明方法的第一实施例的示意图。
图5为本发明方法的第二实施例的初始设计示意图。
图6为本发明方法的第二实施例的调整设计示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程图；如图2和图3所示为则为本发明的瞬变电磁测量装置的具体实例的示意图：从图2和图3可以看到，瞬变电磁测量装置包括发射线圈1、反磁线圈2和接收线圈3，同时图中的下半部分的坐标图为空间的磁场矢量方向分布图，4为一次场轴向分量0值等值线，5为发射线正对的观测区域(阴影部分)。
本发明提供的这种瞬变电磁测量装置的设计方法，包括如下步骤：
S1.设定发射线圈等效半径初始值和匝数初始值，同时设定反磁线圈的等效半径初始值；
S2.根据步骤S1设定的初始值，计算发射线圈与反磁线圈的尺寸差额；具体为采用如下算式计算尺寸差额a：
a＝fix(R1/R2)+1
式中fix()为取整算符；R1为发射线圈等效半径，R2为反磁线圈等效半径；
S3.根据步骤S2得到的尺寸差额，计算反磁线圈的匝数；具体为采用如下算式计算匝数N2：
N2＝fix(N1/a)+1
式中fix()为取整算符；N1为发射线圈的匝数，a为尺寸差额；
S4.根据步骤S2得到的尺寸差额，设定反磁线圈与发射线圈之间的初始距离；具体为采用如下规则设置初始距离：发射线圈与反磁线圈的尺寸差额越大，则反磁线圈与发射线圈之间的初始距离越小，比如取d2＝1/a；
S5.计算反磁线圈和发射线圈共同作用时产生的一次场轴向分量，并圈定轴向分量为0的0等值线；
S6.根据步骤S5得到的轴向分量为0的等值线，以及发射线圈所在平面位置，调整接收线圈和反磁线圈的参数，从而完成瞬变电磁测量装置的设计；具体为采用如下规则将进行调整：
以发射线圈所在平面为z＝0平面，待测区域一侧为z＜0区域，另一侧为z＞0区域，同时观测轴向分量为0的0等值线的形态和位置：
若在z＞0的一侧存在近乎平行(的轴向分量为0的0等值线且与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量的方向一致，则根据0等值线水平范围设定接收线圈半径和位置；设定规则为：接收线圈的半径小于0等值线的水平范围，且接收线圈的位置设置在0等值线的水平位置；
若在z＞0的一侧存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线，但与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量的方向不一致，则调整反磁线圈与发射线圈之间的距离直至发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量方向一致；
若在z＞0的一侧不存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线，则调整反磁线圈的匝数或反磁线圈与发射线圈之间的距离直至轴向分量为0的0等值线水平且与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量方向一致，然后设定接收线圈的半径和位置，设定规则为：接收线圈的半径小于0等值线的水平范围，且接收线圈的位置设置在0等值线的水平位置；
近乎平行的定义为轴向分量为0的0等值线与轴线交点的曲率<π/18。
同时，在上述的瞬变电磁测量装置的设计过程中，必须满足如下约束条件：
R1.相对位置要求：发射线圈、接收线圈和反磁线圈共轴但不共面；
R2.发射线圈的半径≥反磁线圈的半径≥接收线圈的半径；
R3.发射线圈正对观测区域的一次场轴向分量方向一致；比如水平线圈在以圆心为中心的柱坐标系中产生的一次场可分为三个分量，分别为径向分量、轴向分量、切向分量，轴向分量指的是与水平线圈轴向方向上的分量(Bz)，方向一致指的是轴向分量都为正或负。
以下结合实施例对本发明方法进行进一步说明：
实施例一：
(1)给定发射线圈等效半径R1＝0.5m和匝数N1＝20，反磁线圈等效半径R2＝0.3m；
(2)计算a＝fix(R1/R2)+1，得到a＝2；
(3)计算反磁线圈匝数N2＝fix(N1/a)+1，得到N2＝11；
(4)计算反磁线圈距离发射线圈距离，取d2＝1/a，得到d2＝0.5米；
(5)计算反磁线圈和发射线圈共同产生的一次场轴向分量，并圈定轴向分量为0的等值线(如图4所示)
(6)调整接收线圈和反磁线圈的参数：
观察在z>0一侧存在近乎平行于发射线圈的一次场轴向分量0值等值线，且在发射线圈正对待测区域一次场轴向分量方向一致，因此设定接收线圈半径R3≈0.1m，位于z＝0.3m位置，在该位置发射线圈和反磁线圈产生一次磁场磁通接近等值反向，可实现接收线圈位置一次场近乎为0磁通，最大限度削弱一次影响。
实施例二：
(1)给定发射线圈等效半径R1＝1m和匝数N1＝20，反磁线圈等效半径R2＝0.3m；
(2)计算a＝fix(R1/R2)+1，得到a＝4；
(3)计算反磁线圈匝数N2＝fix(N1/a)+1，得到N2＝6；
(4)计算反磁线圈距离发射线圈距离，取d2＝1/a，得到d2＝0.25米；
(5)计算反磁线圈和发射线圈共同产生的一次场轴向分量，并圈定轴向分量为0的等值线(如图5所示)；
(6)调整接收线圈和反磁线圈的参数(如图6所示)：
观察在z>0一侧不存在近乎平行于发射线圈的一次场轴向分量0值等值线，因此微调反磁线圈匝数N2＝N2+1＝7，使得0等值线近乎水平，且在发射线圈正对待测区域一次场轴向分量方向一致，因此设定接收线圈半径R3≈0.1m，位于z＝0.4m位置，在该位置发射线圈和反磁线圈产生一次磁场磁通接近等值反向，可实现接收线圈位置一次场近乎为0磁通，最大限度削弱一次影响。
此外，在本发明方法的实施过程中，可以限定(或者规定)发射线圈尺寸和接收线圈尺寸及二者的距离，然后通过本发明方法调整反磁线圈匝数、尺寸、位置，从而得到合适的装置。

Claims (4)

1.一种瞬变电磁测量装置的设计方法，包括如下步骤：
S1.设定发射线圈等效半径初始值和匝数初始值，同时设定反磁线圈的等效半径初始值；
S2.根据步骤S1设定的初始值，计算发射线圈与反磁线圈的尺寸差额；
S3.根据步骤S2得到的尺寸差额，计算反磁线圈的匝数；
S4.根据步骤S2得到的尺寸差额，设定反磁线圈与发射线圈之间的初始距离；
S5.计算反磁线圈和发射线圈共同作用时产生的一次场轴向分量，并圈定轴向分量为0的0等值线；
S6.根据步骤S5得到的轴向分量为0的等值线，以及发射线圈所在平面位置，调整接收线圈和反磁线圈的参数，从而完成瞬变电磁测量装置的设计；具体为采用如下规则将进行调整：
以发射线圈所在平面为z＝0平面，待测区域一侧为z＜0区域，另一侧为z＞0区域，同时观测轴向分量为0的0等值线的形态和位置：
若在z＞0的一侧存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线且与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量的方向一致，则根据0等值线水平范围设定接收线圈半径和位置；设定规则为：接收线圈的半径小于0等值线的水平范围，且接收线圈的位置设置在0等值线的水平位置；
若在z＞0的一侧存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线，但与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量的方向不一致，则调整反磁线圈与发射线圈之间的距离直至发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量方向一致；
若在z＞0的一侧不存在近乎平行的轴向分量为0的0等值线，则调整反磁线圈的匝数或反磁线圈与发射线圈之间的距离直至轴向分量为0的0等值线水平且与发射线圈正对待测区域的一次场轴向分量方向一致，然后设定接收线圈的半径和位置，设定规则为：接收线圈的半径小于0等值线的水平范围，且接收线圈的位置设置在0等值线的水平位置；
近乎平行的定义为轴向分量为0的0等值线与轴线交点的曲率<π/18；
同时，瞬变电磁测量装置的设计过程中必须满足如下约束条件：
R1.相对位置要求：发射线圈、接收线圈和反磁线圈共轴但不共面；
R2.发射线圈的半径≥反磁线圈的半径≥接收线圈的半径；
R3.发射线圈正对观测区域的一次场轴向分量方向一致。
2.根据权利要求1所述的瞬变电磁测量装置的设计方法，其特征在于步骤S2所述的计算发射线圈与反磁线圈的尺寸差额，具体为采用如下算式计算尺寸差额a：
a＝fix(R1/R2)+1
式中fix()为取整算符；R1为发射线圈等效半径，R2为反磁线圈等效半径。
3.根据权利要求2所述的瞬变电磁测量装置的设计方法，其特征在于步骤S3所述的计算反磁线圈的匝数，具体为采用如下算式计算匝数N2：
N2＝fix(N1/a)+1
式中fix()为取整算符；N1为发射线圈的匝数，a为尺寸差额。
4.根据权利要求1～3之一所述的瞬变电磁测量装置的设计方法，其特征在于步骤S4所述的设定反磁线圈与发射线圈之间的初始距离，具体为采用如下规则设置初始距离：发射线圈与反磁线圈的尺寸差额越大，则反磁线圈与发射线圈之间的初始距离越小。
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