CN109490966B - 一种大地电磁测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大地电磁测量系统，包括：磁传感器探头，用于采集大地脉冲响应的电磁信号，并传送给信号读出电路；所述信号读出电路，用于接收所述磁传感器探头采集到的电磁信号，并进行放大；数据采集和处理模块，接收并处理经所述信号读出电路放大后的地磁信号；存储模块，用于存储经所述信号读出电路放大后的地磁信号，和经数据采集和处理模块处理后的地磁信号；第一外壳，用于将所述磁传感器探头和信号读出电路封装在内；第二外壳，用于将所述数据数据采集和处理模块和存储模块封装在内。本发明通过磁传感器线圈阻抗匹配、晶体管并联低噪声检测等技术，实现了低噪声宽频带磁场信号的检测，解决了复杂地区的矿产资源深部探测问题。

Description

一种大地电磁测量系统

技术领域

本发明涉及大地探测技术领域，尤其涉及一种大地电磁测量系统。

背景技术

我国森林、沼泽、沙漠、滩地等地表条件恶劣、地形复杂，难以开展地面深部找矿勘探工作，急需发展航空电磁技术，才能够解决深部探测问题,构建国家资源安全。航空电磁法(AEM)是利用飞行平台搭载电磁勘探设备进行探测的地球物理方法。该方法适合高山、沙漠、湖泊沼泽、森林覆盖复杂地区。直升机吊舱式航空电磁测量系统基于直升机搭载平台，通过空中大磁矩发射线圈发射多脉冲一次场电磁信号，由地下异常体产生二次场，通过吊仓处的大动态范围接收机检测二次场，探测地下电性异常体分布。

感应式瞬变电磁传感器指传感器是基于法拉第电磁感应定律原理研制的，主要测量随时间变化的电磁场强度，属于地球物理勘探应用方法下的一种传感器。在航空电磁观测信号中大约40％为噪声及各种效应引起的误差，而高精度的磁场传感器可以提高原始信号质量，极大改善航空系统的数据。现有技术中，航空瞬变电磁传感器系统采用每个分量方向的单线圈设计结构，飞行工作中噪声影响严重、笨重庞大，对近地表分辨率低、勘探深度较浅。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种大地电磁测量系统，包括：磁传感器探头，用于采集大地脉冲响应的电磁信号，并将所述电磁信号传送给信号读出电路，所述磁传感器探头包含三个分量方向，每个分量方向由两个结构相同的同轴线圈构成，每个分量方向的两个同轴线圈之间的距离不小于单个线圈的直径；所述信号读出电路，用于接收所述磁传感器探头采集到的电磁信号，并且对所述地磁信号进行放大；数据采集和处理模块，接收并处理经所述信号读出电路放大后的地磁信号；存储模块，用于存储经所述信号读出电路放大后的地磁信号，和经数据采集和处理模块处理后的地磁信号；第一外壳，用于封装所述磁传感器探头和所述信号读出电路；第二外壳，用于封装所述数据数据采集和处理模块和所述存储模块。

在一些实施方式中，所述磁传感器探头是三轴亥姆霍兹线圈结构。

在一些实施方式中，所述磁传感器探头中每个分量方向的两个同轴线圈之间的距离不小于单个线圈的直径。

在一些实施方式中，所述信号读出电路采用了晶体管并联放大技术。

在一些实施方式中，所述数据采集和处理模块采用多路增益并行实时采集技术。

在一些实施方式中，所述第一外壳为无磁性的非金属材料，包括玻璃钢、尼龙、高强度的PVC塑料以及聚四氟乙烯。

在一些实施方式中，所述第二外壳为由磁性材料构成。

在一些实施方式中，所述系统还包括姿态记录装置，实时记录飞行姿态，用于后期数据的校正。

在一些实施方式中，所述系统为吊舱式电磁传感器。

在一些实施方式中，所述系统还包括地面磁场信号传感器，与所述吊舱式电磁传感器组成磁场同步采集系统。

针对在我国地表条件恶劣地区难以开展地面深部找矿勘探工作的现状，本发明实施例所述的双线圈结构的电磁测量系统，通过磁传感器线圈阻抗匹配、晶体管并联低噪声检测、高频电磁干扰抑制等技术，实现了低噪声宽频带磁场信号的检测。完成机载平台的吊舱式航空电磁测量传感器，解决了复杂地区的矿产资源深部探测问题，能够寻找到更多的矿产资源，创造更多的经济效益，保障国家资源安全部分。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种大地电磁测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种双线圈结构三分量探头结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种信号读出电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种晶体管并联放大结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

现有技术中机载电磁测量系统采用每个分量方向的单线圈结构，直升机飞行过程中颠簸、转弯等会造成接收线圈平面的晃动，从而产生额外的感应电压，即飞行噪声。通常的解决方案是在一个线圈上再安装姿态测量装置，对结果进行校正，但实验证明，校正后误差依然较大。

此外，现有技术中的单线圈结构，为了提高精度，获得较高的感应电压信号，需要增大线圈面积，这会增大飞机飞行隐患。本发明发明人在总结现有技术中问题产生的原因后，提出了一种双线圈结构的大地电磁测量系统，如图1所示，包括：

磁传感器探头1，用于采集大地脉冲响应的电磁信号，并将所述电磁信号传送给信号读出电路，所述磁传感器探头包含三个分量方向，每个分量方向由两个结构相同的同轴线圈构成，每个分量方向的两个同轴线圈之间的距离不小于单个线圈的直径。

如图2所示，所述三分量双线圈结构的磁传感器探头，通过固定结构件实现，在每个分量方向的双线圈设计，构成三轴亥姆霍兹线圈结构。线圈的分离式设计与相同匝数和截面积的单线圈相比，可以降低线圈间的分布电容与电感，提高传感器的谐振频率，实现更宽的工作频带。进一步的，所述三分量双线圈结构中对同一测点X、Y、Z三个方向的线圈规格统一，使得三轴传感器性能一致，而单线圈三轴传感器每个方向线圈尺寸不同，并且结构上存在线圈叠加，因此存在干扰。进一步的，双线圈设计还能够抑制传感器在工作中由于飞行抖动产生的噪声，有利于(X、Y、Z方向)轴向磁场校正。

与单线圈结构相比，本发明实施例所述的双线圈结构在平行的两个平面上，同一轴心安装相同的两个线圈，通过对两个线圈上的姿态测量装置的测量数据做差值校正，能够有效滤除噪声，提高精度。进一步的，为减小互感，两个线圈之间的距离不小于单个线圈的直径，优选的，两个线圈间的距离为30-70mm。这样输出信号等于单线圈的两倍，就从源头上实现了信号质量的提高。进一步考虑到勘探深度与信号的频率有关，而低频信号穿透能力强，适用于大深度勘探，高频信号适合于浅层地表勘探。因此，为增加勘探深度，就需要增加对低频信号的检测能力，本发明实施例所述的双线圈结构能够显著提高低频信号检测能力。

在本发明的一个实施例中，为了进一步提高检测精度，所述双线圈结构中两个线圈的绕向是可调的，具体的，当传感器系统在发射状态时，两个线圈的绕向相反，这样线圈中的电流流向相反，就抵消了发射场带来的干扰；当传感器系统在接收状态时，两个线圈的绕向相同，此时线圈中的电流流向相同，能够减小分布电容，并增强探头的灵敏度。

具体的，为了实现两个线圈的绕向的可调，本发明的一个实施例在两个线圈的接头间设置了切换开关，所述切换开关能够切换两个线圈接头的连接方式，例如，在对应连接时，实现同向绕线，在交叉连接时，实现反向绕线。

在本发明的一个实施例中，所述磁传感器探头的固定结构件为无磁材料，优选的，所述无磁材料为塑料PC、聚丙烯、聚四氟乙烯、玻璃纤维、木料中的一种或几种的组合。在本发明的一个实施例中，所述线圈采用精密漆包线绕制，为了降低分布电容，磁传感器线圈采用分段绕法或者准随机绕法。

考虑到感应线圈传感器的关键问题是要研制高灵敏度、宽频带的感应线圈，而现有技术普遍认为高灵敏度、宽频带是感应线圈传感器的一对矛盾。

线圈的自谐振频率由

决定，其中L为线圈的电感，C为线圈的分布电容。由公式可知，为了增加线圈的带宽，提高线圈的谐振点，要尽量减小线圈的分布电容，同时减小分布电容，还能改善线圈的温度特性。另一方面，灵敏度高就要求线圈的接收面积大，在一定的体积内，就要求线圈的圈数多，线圈的圈数多，线圈的电感和分布电容就自然增大，相应的线圈的频带宽度就自然降低。为解决高灵敏度与宽频带的问题，本发明采用线圈分格绕制的办法制成适用于高灵敏度宽频带传感器的线圈。进一步的，通过控制线圈间距还能够提高线圈谐振频率。

本发明研究了基于传感器频率响应方程，在不同阻尼系数下传感器的接收波形，主要区别在于响应速度和有无振荡。在欠阻尼模式下磁场传感器响应快，但有时会产生振荡，在过阻尼模式下磁场传感器无振荡，但是响应缓慢。接收大地电磁场信号要求带宽宽、线性好，因此需要加阻尼使其频带变宽，线性变好。但是过阻尼会造成延时太大，影响正常测量，欠阻尼则会产生振荡，本发明通过研究发现，在临界阻尼模式下即无振荡又有较快的响应速度，因此本发明实施例选择将磁场传感器设置在临界阻尼模式。

进一步的，磁场传感器的工作带宽由线圈的谐振频率决定，所述谐振频率与线圈的电感、电容有关。因此本发明研究了线圈匝数、等效面积、绕制工艺与线径等参数对传感器频带宽度的影响，发现合理设计线圈与传感器前置放大电路的匹配参数，并选取最佳阻尼模式，在本发明一个实施例中，所述最佳阻尼模式是临界阻尼模式，在所述最佳阻尼模式下能够在线圈有效面积一定的情况下，提高信噪比，增加灵敏度。

信号读出电路2，用于接收所述磁传感器探1头采集到的电磁信号，并且对所述地磁信号进行放大。

在本发明的一个实施例中，所述信号读出电路还包括放大电路和低频信号电子开关电路，具体如图3所示。考虑到放大电路的噪声是传感器的主要噪声来源之一，本发明实施例采用了晶体管并联放大技术，并选用低噪声模拟电路芯片，实现低噪声读出电路。如图4所示，前置放大采用晶体管并联差分输入形式，提高输入阻抗，抑制共模噪声。由于传感器的有效接收面积为接收线圈的物理面积乘以前置放大器的增益，因此为了使有效接收面积增大，前置放大器要设置一定的增益。

为了根据传感器传递函数来调节电路阻尼系数，需要精确调节电路的电阻与电容值，本发明实施例信号读出电路采用NPN晶体管或结型场效应管制成。优选的，所述信号读出电路具有高输入阻抗。

数据采集和处理模块3，接收并处理经所述信号读出电路2放大后的地磁信号。

为提升探测精度，需要获取供电(一次场)与断电(二次场)时全息信号，本发明实施例采用了多路增益并行实时采集技术，具体的，在供电时由低增益通道进行信号采集，在断电时由高增益通道进行信号采集，然后通过数据分时组合，实现发-收全时域信号大动态采集。

所述数据采集和处理模块对采集到的地磁数据进行预处理，为还原真实信号，精确反演地下介质信息做准备，所述预处理方法包括：背景场噪声去除、运动噪声去除、姿态校正、数据调平、磁场三分量数据融合和快速时频变换。

存储模块4，用于存储经所述信号读出电路2放大后的地磁信号和经数据采集和处理模块3处理后的地磁信号。

第一外壳5，用于将所述磁传感器探头1和信号读出电路2封装在内。

飞行平台的电磁噪声与振动产生的电磁噪声是三分量磁传感传感器的主要动态噪声来源，其强度远大于地球的天然电磁场，是系统数值质量的重要环节。在本发明的一个实施例中，为减小电磁噪声，所述外壳选用玻璃钢、尼龙、高强度的PVC塑料以及聚四氟乙烯等无磁性的非金属材料。

在本发明的一个实施例中，为了使得飞行更加稳定，降低飞行噪声，所述外壳的设计符合空气动力学，优选的是流线型。

在本发明的一个实施例中，为了线圈不易发生晃动，防止内部仪器损坏，磁传感器探头1和信号读出电路2均通过焊接的方式固定在外壳内部。

第二外壳6，用于将所述数据数据采集和处理模块3和存储模块4封装在内。

在本发明的一个实施例中，为了降低数据数据采集和处理模块3和存储模块4对测试结果的影响，所述第二外壳具有磁屏蔽性能，由磁性材料构成。

在本发明的一个实施例中，所述电磁传感器系统还包括姿态记录装置7，实时记录飞行姿态，用于后期数据的校正。

在本发明的一个实施例中，所述姿态记录装置包括姿态传感模块、加速度度传感器、高度计、GPS或北斗导航和姿态数据存储模块。优选的，为了进一步降低飞行噪声，依据上述姿态数据本发明实施例采用了多参数校正的方案，具体的，利用多参数校正倾斜、振动、高度等运动引起的误差，恢复测量的真实相应分量的数据，实现移动平台噪声的抑制。为了正确反映探头的姿态，所述姿态记录装置安装在探头结构内部。

在本发明的一个实施例中，为提升信号的信噪比，所述电磁传感器系统为吊舱式电磁传感器。进一步的，为了同时实现高分辨率和大深度探测，本发明的一个实施例还在地面设置了地面磁场信号传感器，与吊舱式电磁传感器组成磁场同步采集系统，实现空中与地面磁场信号的同步采集。相比于单种传感器采集，本发明实施例所述的系统性采集方式，不仅提升了测试精度，还同时实现了高分辨率和大深度探测。考虑到X、Y轴在地面测量更加平稳，XY变化小，主要检测垂直入射地表的平面电磁波，优选的，所述地面磁场信号传感器同样为双线圈结构，但把三分量双线圈结构改为Z轴方向单分量，但是线圈直径更大，因此在原有的基础上减掉4个线圈，而X、Y方向采用结构为相互垂直的正方形或圆形线圈进行测量。这样能够减小了采集系统的数据量，利用空间环境对地下介质的电磁激发效果，检测低频信号，探测深度更大。

进一步的，所述地面磁场信号传感器同样采用线圈分格绕制法来降低电容，使其分布均匀，达到增加线圈的带宽、提高线圈的谐振点的目的。

由于地面磁场信号微弱，容易被外界噪声影响，因此在本发明的一个实施例采用了线圈屏蔽技术来抑制干扰，提高线圈的稳定性。优选的，采用铜箔等屏蔽材料做电场屏蔽，减少线圈振荡。考虑到线圈在响应方波时，在方波的上升及下降处很容易产生振荡。因此本发明的一个实施例采用梳状屏蔽方式。实验证明采用上述电场屏蔽技术以后，线圈振荡减少，传感器工作的稳定性增加。

针对在我国地表条件恶劣地区难以开展地面深部找矿勘探工作的现状，本发明实施例所述的双线圈结构的电磁测量系统，通过磁传感器线圈阻抗匹配、晶体管并联低噪声检测、高频电磁干扰抑制等技术，实现了低噪声宽频带磁场信号的检测。完成机载平台的吊舱式航空电磁测量传感器，解决了复杂地区的矿产资源深部探测问题，能够寻找到更多的矿产资源，创造更多的经济效益，保障国家资源安全部分。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种大地电磁测量系统，其特征在于：包括：

磁传感器探头，用于采集大地脉冲响应的电磁信号，并将所述电磁信号传送给信号读出电路，所述磁传感器探头是三轴亥姆霍兹线圈结构，包含三个分量方向，每个分量方向由两个结构相同且平行的同轴线圈构成双线圈结构，

所述三个分量方向上的双线圈结构对同一测点在三个分量方向上的线圈规格统一，

两个线圈间的距离为30-70mm，

每个线圈均采用精密漆包线，通过分格绕制的方法绕制，

所述的两个结构相同的同轴线圈的绕向是可调的，在两个线圈的接头间设置了切换开关，所述的切换开关能够切换两个线圈接头的连接方式，在对应连接时，实现同向绕线，在交叉连接时，实现反向绕线；

所述磁传感器探头设置在临界阻尼模式；

所述信号读出电路，用于接收所述磁传感器探头采集到的电磁信号，并且对所述电磁信号进行放大；

所述信号读出电路，采用NPN晶体管或结型场效应管制成；

数据采集和处理模块，接收并处理经所述信号读出电路放大后的电磁信号；所述数据采集和处理模块对采集到的电磁数据进行预处理，所述预处理方法包括：背景场噪声去除、运动噪声去除、姿态校正、数据调平、磁场三分量数据融合和快速时频变换；

所述数据采集和处理模块采用多路增益并行实时采集技术，在供电时由低增益通道进行信号采集，在断电时由高增益通道进行信号采集，然后通过数据分时组合，实现发-收全时域信号大动态采集；

存储模块，用于存储经所述信号读出电路放大后的电磁信号和经数据采集和处理模块处理后的电磁信号；

第一外壳，用于封装所述磁传感器探头和所述信号读出电路；

第二外壳，用于封装所述数据数据采集和处理模块和所述存储模块，

所述大地电磁测量系统还包括姿态记录装置，用于实时记录飞行姿态，后期数据校正，

所述姿态记录装置采用多参数校正方案，包括姿态传感模块、加速度度传感器、高度计、GPS或北斗导航和姿态数据存储模块。

2.根据权利要求1所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：所述信号读出电路采用了晶体管并联放大技术。

3.根据权利要求1所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：所述数据采集和处理模块采用多路增益并行实时采集技术。

4.根据权利要求1所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：所述第一外壳由无磁性的非金属材料制成，所述无磁性的非金属材料包括玻璃钢、尼龙、高强度的PVC塑料以及聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：所述第二外壳由磁性材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：还包括姿态记录装置，用于实时记录飞行姿态以供后期数据的校正。

7.根据权利要求1所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：所述系统为吊舱式电磁传感器。

8.根据权利要求7所述的一种大地电磁测量系统，其特征在于：还包括地面磁场信号传感器，所述地面磁场信号传感器与所述吊舱式电磁传感器组成磁场同步采集系统。

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