CN109490968A - 一种可控源高频大地电磁仪器系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控源高频大地电磁仪器系统，包括发射端和接收端，所述接收端设置在所述发射端的发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内；所述发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围；本发明还公开了一种可控源高频大地电磁测量方法。通过本发明能够高效、精确地测量500m以浅的地表构造，降低探测盲区。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理技术领域，特别是涉及一种可控源高频大地电磁仪器系统及测量方法。
背景技术
大地电磁测深法是利用天然交变电磁场研究地球结构的一种地球物理勘探方法，其场源为地球与太阳风互相作用产生的天然交变电磁场，具有频率低、波长长、探测深度大等优点。可控源音频大地电磁法是20世纪70年代发展起来的电磁测深技术，该方法采用人工长源，与天然源大地电磁测深法相比，具有信噪比高、快速高效等优点，该方法已经在我国能源、金属与非金属等矿产资源勘查以及水文、工程、环境、灾害地址调查等多个领域得到广泛应用并发挥了重要作用。但是，目前的可控源音频大地电磁系统能够达到的最高频率是9.6KHz，根据频率与趋肤深度的公式关系h＝356×((ρ/f)0.5)可以看到0-9.6KHz的频率段能够测到地下极深的地方，由于一个频率对应一个趋肤深度，虽然现有的测深的深度较深，但是，忽略了地表浅层的挖掘，对于浅层目标体的探测盲区大。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可控源高频大地电磁仪器系统及测量方法，通过提高探测仪器的频率探测浅层地表的情况。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种可控源高频大地电磁仪器系统，包括发射端和接收端，所述接收端设置在所述发射端的发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内；所述发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围；
所述发射端包括一个高频发射机和电源，所述电源与所述高频发射机连接，所述高频发射机包括H桥、控制器、电流采集器、霍尔传感器和GPS，所述控制器分别与所述GPS、H桥以及电流采集器连接，所述H桥通过连接线分别与两个发射电极连接，其中一根连接发射电极的通过所述霍尔传感器与所述电流采集器连接；两个发射电极的距离为200～400m；其中，GPS接收信号并发出时间信号给控制器，控制器根据所述时间信号发出双波控制信号控制H桥导通，所述H桥产生同频率的高压大电流信号给两个发射电极，电流采集器通过霍尔传感器采集发射电极的电流反馈至控制器；
所述接收端包括一个或多个接收机，每个接收机有3个或4个接收电极，每个接收电极均在同一线上且与两个发射电极的方向平行。
作为优化，所述接收电极之间的距离为10～30m。
作为优化，所述电源为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。
作为优化，所述接收机与磁探头连接，所述磁探头在水平方向垂直于所述接收电极方向。
作为优化，所述高频发射机发射的频率范围为81.92KHz～4Hz。
一种可控源高频大地电磁测量方法，基于可控源高频大地电磁仪器系统，包括以下步骤：
S1、将高频发射机的两个发射电极间的距离设置为200～400m，高频发射机的两个发射电极方向平行或垂直于测线方向设置；
S2、在高频发射机的发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内设置一个或多个接收机，所述接收机的接收电极在平行于两发射电极方向的同一线上；其中，所述发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围；
S3、将所述接收机的接收电极之间设置为10～30m；
S4、所述高频发射机和所述接收机在基于UTC时间分配的多频点自动扫描收发同步协议下采用循环收发的工作模式进行工作，得到电场和磁场的强度及相位；
S5、根据得到的电场与磁场的强度及相位计算出视电阻率、视相位。
作为优化，步骤S4中的所述基于UTC时间分配的多频点自动扫描收发同步协议的具体步骤如下：
S4.1、假定需要测量的频率值依次为f1，f2，···，fN，N为频点数；
S4.2、根据N个频点的采样率和采样长度分配相应的测量时间，依次为t1，t2，···，tN，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；
S4.3、以GNSS提供的UTC时间为准，制作时间分配表，根据所述时间分配表依次循环分配N个频点的测量时间。
步骤S2中，接收机设置好以后，在距离接收机大于5m的地方水平放置磁探头，所述磁探头垂直于所述接收电极方向。
作为优化，步骤S5所述的视电阻率为：
其中，ρ为视电阻率，f为高频发射机发射的频率，E为电场强度，H为磁场强度；
视相位为：
其中，为电场的相位，为磁场的相位。
本发明的有益效果是：
本发明能够精确检测500m以浅的地表构造，降低探测盲区。
附图说明
图1为本发明所述的一种可控源高频大地电磁仪器系统的位置关系图；
图2本发明所述的一种可控源高频大地电磁仪器系统的高频发射机的结构图；
图3为本发明所述的一种可控源高频大地电磁测量方法的方法流程图；
图4为高频发射机和接收机扫频收发同步示意图。
附图中，1为高频发射机，11为H桥，12为控制器，13为霍尔传感器，14为GPS，15为电流采集器，16为电源，17为发射电极，2为接收机，3为磁探头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1-2所示，一种可控源高频大地电磁仪器系统，包括发射端和接收端，接收端设置在发射端的发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内，发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围。
发射端包括一个高频发射机1和电源16，电源16与高频发射机1连接。本实施例中，高频发射机发射1的频率范围为81.92KHz～4Hz，可以采用大功率高频开关技术达到，高频发射机发射1包括H桥11、控制器12、电流采集器15、霍尔传感器13和GPS14，控制器12分别与GPS14、H桥11以及电流采集器15连接，H桥12通过连接线分别与两个发射电极17连接，两个发射电极17的距离为200～400m，两个发射电极17距离H桥11的距离相等；其中一根连接发射电极的连接线通过霍尔传感器13与电流采集器15连接。GPS14接收信号并发出时间信号给控制器12，控制器12根据时间信号发出双波控制信号控制H桥11导通，H桥11产生同频率的高压大电流信号给两个发射电极，电流采集器15通过霍尔传感器13采集发射电极的电流并将电流值反馈至控制器12，以便控制器12监控发射电极的电流。本实施例中，电源为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。
接收端包括一个或多个接收机2，每个接收机2有3个或4个接收电极，将分成2道或3道同时接收信号，每个接收电极均在同一线上且与两个发射电极的方向平行，本实施例中，每个接收电极之间的距离为10～30m。接收机2与磁探头3连接，磁探头3在水平方向垂直于接收电极方向。
如图3所示，一种可控源高频大地电磁测量方法，利用可控源高频大地电磁仪器系统，包括以下步骤：
S1、将高频发射机的发射电极间的距离设置为200～400m，高频发射机的两个发射电极方向平行或垂直于测线方向设置。
S2、在高频发射机的两个发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内设置一个或多个接收机，接收机的接收电极在平行于两发射电极方向的同一线上；其中，发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围。
S3、将接收机的接收电极之间设置为10～30m。
本实施例中，接收机设置好以后，在距离接收机大于5m的地方水平放置磁探头，由于磁探头不应离接收机距离太远，所以在5-7m为最佳距离。磁探头垂直于接收电极方向。
如图4所示，S4、高频发射机和接收机在基于UTC时间分配的多频点自动扫描收发同步协议下采用循环收发的工作模式进行工作，得到电场和磁场的强度及相位；具体步骤如下：
S4.1、假定需要测量的频率值依次为f1，f2，···，fN，N为频点数；
S4.2、根据N个频点的采样率和采样长度分配相应的测量时间，依次为t1，t2，···，tN，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；
S4.3、以GNSS提供的UTC时间为准，制作时间分配表，根据时间分配表依次循环分配N个频点的测量时间。
GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写，即全球卫星导航系统。
UTC为协调世界时，是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。中国大陆采用ISO 8601-1988的《数据元和交换格式信息交换日期和时间表示法》(GB/T 7408-1994)称之为国际协调时间，现行标准号为GB/T 7408-2005，2005-10-01实施，代替原来的GB/T 7408-1994。中国台湾采用CNS 7648的《资料元及交换格式–资讯交换–日期及时间的表示法》(与ISO 8601类似)称之为世界统一时间。
对于发射过程，高频发射机读取GNSS当前时间作为发射起始时间，根据高频发射起始时间从时间分配表中寻找到当前应该发射的频率fk，然后从下一个频点fk+1起按时间分配表进行同步发射；对于接收过程，接收机读取GPS当前时间作为接收起始时间，根据接收起始时间从时间分配表中寻找到当前正在发射的频率fR，然后从下一个频点fR+1起设置相应的采样频率进行同步采集。由于采用循环收发的工作模式，当第一个测量频点fR+1再次到来前扫频结束，在每个频率分配的时间里，高频发射机一直处于发射状态，接收机只在时间分配表期间进行采集，保证数据记录期间发射系统已经建立起稳定的电磁场。
S5、根据得到的电场与磁场的强度及相位计算出视电阻率、视相位。
接收机的接收电极测出电场强度及电场相位，磁探头测出磁场强度及磁场相位。
视电阻率为：
其中，ρ为视电阻率，f为高频发射机发射的频率，E为电场强度，H为磁场强度；
视相位为：
其中，为电场的相位，为磁场的相位。
而电场强度公式为：
其中，为水平电场强度，I为高频发射机的电流强度；σ为大地电导率；为两发射电极之间的长度；r为发射端到接收端的收发距离。
现有技术中，由于发射端和接收端距离较远，通常为10Km，为了保证发射电极的信噪比，大小通常为1～3Km，而本发明由于发射端和接收端的距离较近，通常为1.5～3Km，所以大小为200～400m即可保证发射电极的信噪比。例如，现有技术中，为1Km，r为10Km，取90°；本发明，为0.2Km，r为2Km，取90°，相同电流下，则本发明的水平电场强度较现有技术强25倍。的长度与发射电感成正比，越短，感抗越小，高频时，发射的电流更大。
最后应说明的是：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统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (9)
1.一种可控源高频大地电磁仪器系统，其特征在于，包括发射端和接收端，所述接收端设置在所述发射端的发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内；所述发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围；
所述发射端包括一个高频发射机和电源，所述电源与所述高频发射机连接，所述高频发射机包括H桥、控制器、电流采集器、霍尔传感器和GPS，所述控制器分别与所述GPS、H桥以及电流采集器连接，所述H桥通过连接线分别与两个发射电极连接，其中一根连接发射电极的连接线通过所述霍尔传感器与所述电流采集器连接；两个发射电极的距离为200～400m；其中，GPS接收信号并发出时间信号给控制器，控制器根据所述时间信号发出双波控制信号控制H桥导通，所述H桥产生同频率的高压大电流信号给两个发射电极，电流采集器通过霍尔传感器采集发射电极的电流反馈至控制器；
所述接收端包括一个或多个接收机，每个接收机有3个或4个接收电极，每个接收电极均在同一线上且与两个发射电极的方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种可控源高频大地电磁仪器系统，其特征在于，所述接收电极之间的距离为10～30m。
3.根据权利要求1所述的一种可控源高频大地电磁仪器系统，其特征在于，所述电源为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。
4.根据权利要求1所述的一种可控源高频大地电磁仪器系统，其特征在于，所述接收机与磁探头连接，所述磁探头在水平方向垂直于所述接收电极方向。
5.根据权利要求1所述的一种可控源高频大地电磁仪器系统，其特征在于，所述高频发射机发射的频率范围为81.92KHz～4Hz。
6.一种可控源高频大地电磁测量方法，基于权利要求1-5任一项所述的可控源高频大地电磁仪器系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将高频发射机的两个发射电极间的距离设置为200～400m，高频发射机的两个发射电极方向平行或垂直于测线方向设置；
S2、在高频发射机的发射电极中垂线电磁场量测范围内且收发距离为1.5～3Km的区域内设置一个或多个接收机，所述接收机的接收电极在平行于两发射电极方向的同一线上；其中，所述发射电极中垂线电磁场量测范围是以发射电极中垂线为中心水平线的60°扇形范围；
S3、将所述接收机的接收电极之间设置为10～30m；
S4、所述高频发射机和所述接收机在基于UTC时间分配的多频点自动扫描收发同步协议下采用循环收发的工作模式进行工作，得到电场和磁场的强度及相位；
S5、根据得到的电场与磁场的强度及相位计算出视电阻率、视相位。
7.根据权利要求6所述的一种可控源高频大地电磁测量方法，其特征在于，步骤S4中的所述基于UTC时间分配的多频点自动扫描收发同步协议的具体步骤如下：
S4.1、假定需要测量的频率值依次为f1，f2，···，fN，N为频点数；
S4.2、根据N个频点的采样率和采样长度分配相应的测量时间，依次为t1，t2，···，tN，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；
S4.3、以GNSS提供的UTC时间为准，制作时间分配表，根据所述时间分配表依次循环分配N个频点的测量时间。
8.根据权利要求6所述的一种可控源高频大地电磁测量方法，其特征在于，步骤S2中，接收机设置好以后，在距离接收机大于5m的地方水平放置磁探头，所述磁探头垂直于所述接收电极方向。
9.根据权利要求6所述的一种可控源高频大地电磁测量方法，其特征在于，步骤S5所述的视电阻率为：
其中，ρ为视电阻率，f为高频发射机发射的频率，E为电场强度，H为磁场强度；
视相位为：
其中，为电场的相位，为磁场的相位。
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