CN109946744A - 一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地球物理勘探设备领域,具体而言,涉及一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统及方法,包括发射装置,包括发射控制器以及由发射控制器控制激发电流的发射线圈;接收装置,包括接收控制器以及与发射线圈共中心的接收线圈;补偿装置,包括与发射线圈共中心的磁传感器和补偿线圈,以及接收磁传感器电流进行自适应计算和调整补偿线圈中补偿电流的补偿控制器,所述磁传感器用于检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;工控机,与所述接收控制器通讯连接用于显示系统工作模式,存储TEM信号;所述接收控制器向发射控制器和补偿控制器发送同步信号、控制指令和系统参数。解决一次场干扰过大的问题,提高补偿电流的选取精度,实现高精度补偿。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探设备领域,具体而言,涉及一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统及方法。
背景技术
瞬变电磁法(Transient Electronmagnetic Method,TEM)是一种基于电磁感应定律的地球物理勘探方法,由于其对低阻体敏感的特点,现已成为地质构造勘探、地质矿产勘查等地质问题的首选方法。地面TEM的发射线总长为数十米至数百米,线圈的电感不可忽略,这使得激发电流不会立即关断。因此在这段关断时间里,接收线圈上除早期二次场信号外,还耦合了发射线圈所产生的一次场信号。由于TEM的早期信号来自于浅地层,因此,如果在关断时间内的一次场干扰过大,会影响后期浅层数据解释。
张一鸣,高星乐,郭兵等发表《直升机时间域航空电磁法补偿线圈》,北京工业大学学报。文中公开了一种与发射线圈反向级联的补偿线圈的方法,该方法中补偿线圈与发射线圈共同构成同心补偿装置,补偿线圈产生的磁场与发射线圈产生的磁场方向相反,从而相互抵消。但实际工作中,由于线圈结构的物理误差,导致仍有残余发射磁场,且该磁场产生的信息对导致微弱的二次场信号失真、甚至无法有效TEM解释。尤其基于地面TEM系统,在野外实际工作时,地面TEM系统采用的发射线圈和接收线圈的尺寸和匝数均不固定,在确定发射线圈尺寸后,采用同一回线绕制的同心补偿装置只能通过改变补偿线圈的尺寸和匝数实现补偿,铺设难度较大,物理尺寸误差更大,关断期间一次场的影响也更严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统及方法,解决一次场干扰过大的问题。
本发明是这样实现的,一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统,发射装置,包括发射控制器以及由发射控制器控制激发电流的发射线圈;
接收装置,包括接收控制器以及与发射线圈共中心的接收线圈;
补偿装置,包括与发射线圈共中心的磁传感器和补偿线圈,以及接收磁传感器电流进行自适应计算和调整补偿线圈中补偿电流的补偿控制器,所述磁传感器用于检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;
工控机,与所述接收控制器通讯连接用于显示系统工作模式,存储TEM信号;
所述接收控制器向发射控制器和补偿控制器发送同步信号、控制指令和系统参数。
进一步地,所述接收装置还包括:
前置放大器,用于放大接收线圈上感应到的TEM信号;
信号调理电路,用于对前置放大器输出的差分信号进行放大和转换;
数据采集卡,用于模数转换,在同步信号触发下,将调理后的模拟信号转换成数字信号,并将其传送至工控机。
进一步地,所述发射装置还包括:可调恒流DC-DC变换器与第二H桥斩波电路,所述可调恒流DC-DC变换器在发射控制器控制下,用于电压变换,恒流驱动第二H桥斩波电路。
进一步地,所述补偿装置还包括:
信号放大电路用于将磁传感器的信号进行放大处理;
A/D转换器用于将信号放大电路放大的信号转换后传递至补偿控制器;
可调恒流DC-DC变换器,用于电压变换,恒流驱动一第一H桥斩波电路对补偿线圈进行激发。
进一步地,所述接收线圈的半径小于发射线圈的半径的1/10,所述补偿线圈满足:rB=rX+10cm,LB=LT,RB=RT,其LB为补偿线圈的电感,和电阻RB为补偿线圈的电阻,rB为补偿线圈的半径,rX为发射线圈的半径。
进一步地,接收控制器根据系统补偿参数计算出补偿线圈上的激发电流的预设初值IB,IB方向与发射电流IT方向相反,接收控制器将计算得到的激发电流IB与系统补偿参数和补偿控制指令一并发给补偿控制器和发射控制器。
进一步地,磁传感器感应出的信号经过放大后经A/D转换器转换后,传送给补偿控制器与系统本底噪声en比较。当采集到的信号大于本底噪声时,补偿控制器自适应调整补偿线圈电流IB,重复发射电流和调整后的补偿电流激发的过程,直到回传数据小于系统本底噪声en,完成补偿参数调整,补偿控制器记录该条件下的补偿线圈电流IB。
一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探方法,该方法包括:
布置共中心的发射线圈、接收线圈、补偿线圈以及磁感应线圈;
通过发射线圈,补偿线圈通入方向相反的激发电流;
采用磁感应线圈接收检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;
将反馈信号与系统本底噪声比较,当采集到的信号大于本底噪声时,调整补偿线圈中的线圈电流,重复发射电流和调整后的补偿电流激发的过程,直到回传数据小于系统本底噪声,完成补偿参数调整;
采用调整后的补偿电流进行补偿激发以及发射激发,通过接收线圈进行信号的采集。
进一步地,所述通过发射线圈,补偿线圈通入方向相反的激发电流为方向相反的双极性矩形波。
进一步地,该方法具体包括:
1)线圈结构参数选取与铺设:
1a)、线圈铺设:铺设半径为rT、匝数为NT的发射线圈和半径为rX、匝数为NX接收线圈,要求接收线圈的半径小于发射线圈的半径的1/10,,铺设过程中接收线圈的中心与发射线圈的中心重合,铺设完成后测量发射线圈的电感LT和电阻RT;
1b)、确定补偿参数:计算补偿线圈的半径rB,电感LB和电阻RB,满足:
rB=rX+10cm
LB=LT
RB=RT
1c)、铺设补偿线圈的中心与发射线圈的中心重合;
2)系统补偿电流调控:
2a)、设置参数:通过工控机向接收控制器发送系统补偿参数和补偿控制指令,系统补偿参数包括发射电流IT、发射线圈的半径rT、发射线圈的匝数NT、补偿线圈的半径rB、补偿线圈的匝数NB;
2b)、参数计算:接收控制器根据系统补偿参数计算出补偿线圈上的激发电流的预设初值IB,IB方向与IT方向相反,接收控制器将计算得到的激发电流IB与系统补偿参数和补偿控制指令一并发给补偿控制器和发射控制器;计算过程满足:
2c)、发射矩形波:接收控制器通过同步线向发射控制器和补偿控制器发送同步信号,发射控制器控制可调恒流DC-DC变换器驱动第二H桥斩波电路通过发射线圈进行频率为1kHz、电流为IT的矩形波激发;补偿控制器控制高精度可调恒流DC-DC变换器驱动第一H桥斩波电路通过补偿线圈进行频率为1kHz、电流为IB的矩形波激发;
2d)、调整补偿参数:磁传感器感应出的信号经过信号放大电路放大后进入A/D转换器采集,采集到的信号传送给补偿控制器与系统本底噪声en比较。当采集到的信号大于本底噪声时,补偿控制器自适应调整补偿线圈电流IB,重复上述步骤2c,直到回传数据小于系统本底噪声en,完成补偿参数调整,补偿控制器记录该条件下的补偿线圈电流IB,并通过接收控制器向工控机发送补偿参数调整完成指令;
3)系统激发和采集过程:
3a)、发送指令:通过工控机向接收控制器发送激发和采集过程指令及系统工作参数,接收控制器同时向发射控制器和补偿控制器发送采集指令和系统工作参数,系统工作参数包括叠加次数n、发射电流IT、发射线圈的半径rT、发射线圈的匝数NT、补偿线圈的半径rB、补偿线圈的匝数NB、发射频率fO;
3b)、激发和采集:接收控制器通过同步线向发射控制器和补偿控制器发送同步信号;发射控制器控制可调恒流DC-DC变换器驱动第二H桥斩波电路通过发射线圈进行频率为fO、电流为IT的双极性矩形波激发;补偿控制器控制可调恒流DC-DC变换器驱动第一H桥斩波电路通过补偿线圈进行频率为fO、电流为IB的双极性矩形波激发;
接收装置通过接收线圈中检测TEM二次场信号,信号经过前置放大器和信号调理电路后被数据采集卡进行A/D采集,数据采集卡将采集到的数据传送给工控机存储;
3c)、叠加测量:根据设置的叠加次数,重复执行步骤3b,直到叠加完成。
本发明与现有技术相比,有益效果在于:
(1)本发明采用独立可控的补偿装置,基于补偿线圈上电流的精密调控,消除了发射线圈对接收线圈的影响,有效的解决了传统发射线圈与补偿线圈直接级联方式存在残余一次场信号、补偿效果不理想的问题。
(2)本发明采用与发射线圈等效参数相同的补偿线圈,可以满足发射装置瞬态响应的要求,补偿装置可以匹配发射装置,进而在发射电流关断期间抵消一次场的影响,确保了TEM的解释准确性。
(3)本发明采用一个与接收线圈共中心的小尺寸磁传感器作为补偿电流调控时的反馈单元,可以有效避免了环境噪声的干扰,提高补偿电流的选取精度,实现高精度补偿。
附图说明
图1为本发明系统结构及线圈铺设方法示意图;
图2为本发明流程示意图。
图3为本发明方法流程中线圈结构参数选取与铺设方法流程图;
图4为本发明方法流程中系统补偿电流调控方法示意图;
图5为本发明方法流程中系统激发和采集过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参见图1所示,一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统,包括发射装置,包括发射控制器以及由发射控制器控制激发电流的发射线圈;接收装置,包括接收控制器以及与发射线圈共中心的接收线圈;补偿装置,包括与发射线圈共中心的磁传感器和补偿线圈,以及接收磁传感器电流进行自适应计算和调整补偿线圈中补偿电流的补偿控制器,所述磁传感器用于检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;工控机,与所述接收控制器通讯连接用于显示系统工作模式,存储TEM信号。所述接收控制器向发射控制器和补偿控制器发送同步信号、控制指令和系统参数。
接收装置由接收控制器2与工控机7、数据采集卡3、补偿控制器8、发射控制器11连接,数据采集卡3与工控机7连接,信号调理电路与4数据采集卡3连接,前置放大器18与数据采集卡3连接,接收线圈6与前置放大器18连接,蓄电池14与工控机7连接,接收控制器2,用于控制数据采集卡3的触发;前置放大器用于放大接收线圈上感应到的TEM信号;信号调理电路用于对前置放大器输出的差分信号进行放大和转换;数据采集卡用于模数转换,在同步信号触发下,将调理后的模拟信号转换成数字信号,并将其传送至工控机。
发射装置还包括:可调恒流DC-DC变换器与第二H桥斩波电路,所述可调恒流DC-DC变换器在发射控制器控制下,用于电压变换,恒流驱动第二H桥斩波电路。
补偿装置包括:磁传感器5与信号放大电路16连接,信号放大电路16与高精度A/D转换器17连接,补偿控制器8与高精度A/D转换器17、高精度可调恒流DC-DC变换器15连接,高精度可调恒流DC-DC变换器15与第一H桥斩波电路10连接,第一H桥斩波电路10与补偿线圈9连接,发射控制器11与可调恒流DC-DC变换器12连接,可调恒流DC-DC变换器12与第二H桥斩波电路13连接,第二H桥斩波电路13与发射线圈1连接构成。其中信号放大电路用于将磁传感器的信号进行放大处理;高精度A/D转换器用于将信号放大电路放大的信号转换后传递至补偿控制器;高精度可调恒流DC-DC变换器15,用于电压变换,恒流驱动一第一H桥斩波电路对补偿线圈进行激发。
接收线圈的半径小于发射线圈的半径的1/10,所述补偿线圈满足:rB=rX+10cm,LB=LT,RB=RT,其LB为补偿线圈的电感,和电阻RB为补偿线圈的电阻,rB为补偿线圈的半径,rX为发射线圈的半径。
接收控制器根据系统补偿参数计算出补偿线圈上的激发电流的预设初值IB,IB方向与发射电流IT方向相反,接收控制器将计算得到的激发电流IB与系统补偿参数和补偿控制指令一并发给补偿控制器和发射控制器。
磁传感器感,为一个直径为0.5毫米的线圈,用于检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;应出的信号经过放大后经高精度A/D转换器转换后,传送给补偿控制器与系统本底噪声en比较。当采集到的信号大于本底噪声时,补偿控制器自适应调整补偿线圈电流IB,重复发射电流和调整后的补偿电流激发的过程,直到回传数据小于系统本底噪声en,完成补偿参数调整,补偿控制器记录该条件下的补偿线圈电流IB。
一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探方法,如图2所示,包括以下步骤:
1)线圈结构参数选取与铺设方法,如图3所示
1a)、线圈铺设:铺设半径为rT、匝数为NT的发射线圈1和半径为rX、匝数为NX接收线圈6,要求接收线圈6的半径小于发射线圈的半径的1/10,即rX<0.1rT,铺设过程中尽量保证接收线圈1的中心与发射线圈6的中心重合,铺设完成后测量发射线圈1电感LT和电阻RT。
1b)、确定补偿参数:计算补偿线圈9的半径rB,绕制补偿线圈9,绕制过程保证其电感LB和电阻RB准确,确定补偿线圈9的匝数为NB。应满足:
rB=rX+10cm
LB=LT
RB=RT
1c)、铺设补偿线圈:操作人员铺设半径为rB、匝数为NB的补偿线圈9,铺设过程中尽量保证补偿线圈9的中心与发射线圈1的中心重合。
2)系统补偿电流调控方法,如图4所示
2a)、设置参数:通过工控机7向接收控制器2发送系统补偿参数和补偿控制指令。系统补偿参数包括发射电流IT、发射线圈的半径rT、发射线圈的匝数NT、补偿线圈的半径rB、补偿线圈的匝数NB。
2b)、参数计算:接收控制器2根据系统补偿参数计算出补偿线圈9上的激发电流的预设初值IB,IB方向与IT方向相反,接收控制器将计算得到的激发电流IB与系统补偿参数和补偿控制指令一并发给补偿控制器8和发射控制器11。计算过程满足:
2c)、发射矩形波:接收控制器2通过同步线向发射控制器11和补偿控制器8发送同步信号。发射控制器11控制可调恒流DC-DC变换器12驱动第二H桥斩波电路13通过发射线圈1进行频率为1kHz、电流为IT的矩形波激发。补偿控制器8控制高精度可调恒流DC-DC变换器15驱动第一H桥斩波电路10通过补偿线圈9进行频率为1kHz、电流为IB的矩形波激发。
3d)、调整补偿参数:磁传感器5感应出的信号经过信号放大电路16放大后进入高精度A/D转换器17采集,采集到的信号传送给补偿控制器8与系统本底噪声en比较。当采集到的信号大于本底噪声时,补偿控制器8自适应调整补偿线圈电流IB,重复上述步骤c,步骤c中的补偿电流可高精密改变,直到回传数据小于系统本底噪声en,完成补偿参数调整,补偿控制器11记录该条件下的补偿线圈电流IB,并通过接收控制器2向工控机7发送补偿参数调整完成指令。
3)系统激发和采集过程,如图5所示
3a)、发送指令:操作人员通过工控机7向接收控制器2发送激发和采集过程指令及系统工作参数。接收控制器2同时向发射控制器11和补偿控制器8发送采集指令和系统工作参数。系统工作参数包括叠加次数n、发射电流IT、发射线圈的半径rT、发射线圈的匝数NT、补偿线圈的半径rB、补偿线圈的匝数NB、发射频率fO。
3b)、激发和采集:接收控制器2通过同步线向发射控制器11和补偿控制器8发送同步信号。发射控制器11控制可调恒流DC-DC变换器12驱动第二H桥斩波电路13通过发射线圈1进行频率为fO、电流为IT的双极性矩形波激发。补偿控制器8控制高精度可调恒流DC-DC变换器15驱动第一H桥斩波电路10通过补偿线圈9进行频率为fO、电流为IB的双极性矩形波激发。
接收装置通过接收线圈6中检测TEM二次场信号,信号经过前置放大器18和信号调理电路4后被数据采集卡3进行A/D采集,数据采集卡3将采集到的数据传送给工控机7存储。
3c)、叠加测量:根据步骤a中设置的叠加次数,重复执行步骤b,直到叠加完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探系统,其特征在于,
发射装置,包括发射控制器以及由发射控制器控制激发电流的发射线圈;
接收装置,包括接收控制器以及与发射线圈共中心的接收线圈;
补偿装置,包括与发射线圈共中心的磁传感器和补偿线圈,以及接收磁传感器电流进行自适应计算和调整补偿线圈中补偿电流的补偿控制器,所述磁传感器用于检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;
工控机,与所述接收控制器通讯连接用于显示系统工作模式,存储TEM信号;
所述接收控制器向发射控制器和补偿控制器发送同步信号、控制指令和系统参数。
2.按照权利要求1所述的系统,其特征在于,所述接收装置还包括:
前置放大器,用于放大接收线圈上感应到的TEM信号;
信号调理电路,用于对前置放大器输出的差分信号进行放大和转换;
数据采集卡,用于模数转换,在同步信号触发下,将调理后的模拟信号转换成数字信号,并将其传送至工控机。
3.按照权利要求1所述的系统,其特征在于,所述发射装置还包括:可调恒流DC-DC变换器与第二H桥斩波电路,所述可调恒流DC-DC变换器在发射控制器控制下,用于电压变换,恒流驱动第二H桥斩波电路。
4.按照权利要求1所述的系统,其特征在于,所述补偿装置还包括:
信号放大电路用于将磁传感器的信号进行放大处理;
A/D转换器用于将信号放大电路放大的信号转换后传递至补偿控制器;
可调恒流DC-DC变换器,用于电压变换,恒流驱动一第一H桥斩波电路对补偿线圈进行激发。
5.按照权利要求1所述的系统,其特征在于,所述接收线圈的半径小于发射线圈的半径的1/10,所述补偿线圈满足:rB=rX+10cm,LB=LT,RB=RT,其LB为补偿线圈的电感,和电阻RB为补偿线圈的电阻,rB为补偿线圈的半径,rX为发射线圈的半径。
6.按照权利要求4所述的系统,其特征在于,接收控制器根据系统补偿参数计算出补偿线圈上的激发电流的预设初值IB,IB方向与发射电流IT方向相反,接收控制器将计算得到的激发电流IB与系统补偿参数和补偿控制指令一并发给补偿控制器和发射控制器。
7.按照权利要求1所述的系统,其特征在于,磁传感器感应出的信号经过放大后经A/D转换器转换后,传送给补偿控制器与系统本底噪声en比较。当采集到的信号大于本底噪声时,补偿控制器自适应调整补偿线圈电流IB,重复发射电流和调整后的补偿电流激发的过程,直到回传数据小于系统本底噪声en,完成补偿参数调整,补偿控制器记录该条件下的补偿线圈电流IB。
8.一种基于可控源补偿的瞬变电磁勘探方法,其特征在于,该方法包括:
布置共中心的发射线圈、接收线圈、补偿线圈以及磁感应线圈;
通过发射线圈,补偿线圈通入方向相反的激发电流;
采用磁感应线圈接收检测线圈中心处的磁场,产生调控补偿电流时的反馈信号;
将反馈信号与系统本底噪声比较,当采集到的信号大于本底噪声时,调整补偿线圈中的线圈电流,重复发射电流和调整后的补偿电流激发的过程,直到回传数据小于系统本底噪声,完成补偿参数调整;
采用调整后的补偿电流进行补偿激发以及发射激发,通过接收线圈进行信号的采集。
9.按照权利要求8所述的方法,其特征在于,所述通过发射线圈,补偿线圈通入方向相反的激发电流为方向相反的双极性矩形波。
10.按照权利要求8或9所述的方法,其特征在于,该方法具体包括:
1)线圈结构参数选取与铺设:
1a)、线圈铺设:铺设半径为rT、匝数为NT的发射线圈和半径为rX、匝数为NX接收线圈,要求接收线圈的半径小于发射线圈的半径的1/10,,铺设过程中接收线圈的中心与发射线圈的中心重合,铺设完成后测量发射线圈的电感LT和电阻RT;
1b)、确定补偿参数:计算补偿线圈的半径rB,电感LB和电阻RB,满足:
rB=rX+10cm
LB=LT
RB=RT
1c)、铺设补偿线圈的中心与发射线圈的中心重合;
2)系统补偿电流调控:
2a)、设置参数:通过工控机向接收控制器发送系统补偿参数和补偿控制指令,系统补偿参数包括发射电流IT、发射线圈的半径rT、发射线圈的匝数NT、补偿线圈的半径rB、补偿线圈的匝数NB;
2b)、参数计算:接收控制器根据系统补偿参数计算出补偿线圈上的激发电流的预设初值IB,IB方向与IT方向相反,接收控制器将计算得到的激发电流IB与系统补偿参数和补偿控制指令一并发给补偿控制器和发射控制器;计算过程满足:
2c)、发射矩形波:接收控制器通过同步线向发射控制器和补偿控制器发送同步信号,发射控制器控制可调恒流DC-DC变换器驱动第二H桥斩波电路通过发射线圈进行频率为1kHz、电流为IT的矩形波激发;补偿控制器控制高精度可调恒流DC-DC变换器驱动第一H桥斩波电路通过补偿线圈进行频率为1kHz、电流为IB的矩形波激发;
2d)、调整补偿参数:磁传感器感应出的信号经过信号放大电路放大后进入A/D转换器采集,采集到的信号传送给补偿控制器与系统本底噪声en比较。当采集到的信号大于本底噪声时,补偿控制器自适应调整补偿线圈电流IB,重复上述步骤2c,直到回传数据小于系统本底噪声en,完成补偿参数调整,补偿控制器记录该条件下的补偿线圈电流IB,并通过接收控制器向工控机发送补偿参数调整完成指令;
3)系统激发和采集过程:
3a)、发送指令:通过工控机向接收控制器发送激发和采集过程指令及系统工作参数,接收控制器同时向发射控制器和补偿控制器发送采集指令和系统工作参数,系统工作参数包括叠加次数n、发射电流IT、发射线圈的半径rT、发射线圈的匝数NT、补偿线圈的半径rB、补偿线圈的匝数NB、发射频率fO;
3b)、激发和采集:接收控制器通过同步线向发射控制器和补偿控制器发送同步信号;发射控制器控制可调恒流DC-DC变换器驱动第二H桥斩波电路通过发射线圈进行频率为fO、电流为IT的双极性矩形波激发;补偿控制器控制可调恒流DC-DC变换器驱动第一H桥斩波电路通过补偿线圈进行频率为fO、电流为IB的双极性矩形波激发;
接收装置通过接收线圈中检测TEM二次场信号,信号经过前置放大器和信号调理电路后被数据采集卡进行A/D采集,数据采集卡将采集到的数据传送给工控机存储;
3c)、叠加测量:根据设置的叠加次数,重复执行步骤3b,直到叠加完成。
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