CN110068871A - 一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载时域电磁感应‑极化效应的微型测量系统及方法，目的在于提高城市地下空间的电磁探测分辨率和效率。本发明主要针对现有百米级电磁探测系统无法对城市地下空间进行探测的问题，提出将米级发射‑补偿‑接收线圈、微型发射‑接收系统固定在无磁履带车载平台上进行连续测量；采用衰减网络和高采样率ADC精准记录一次感应电压，设计补偿线圈参数，使接收线圈上一次感应电压为零；自动识别二次感应电压曲线各部分特征，设计程控放大器进行分段放大，最终实现二次感应和极化效应的高分辨率测量。本发明与现有技术相比，通过车载连续测量可以获得城市地下空间的导电信息和极化信息，有利于提高城市地下空间的探测分辨率。

Description

一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统及方法

技术领域

本发明属于地面磁性源时域电磁感应-极化效应的测量领域，具体为一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统及方法。

背景技术

传统地面磁性源时域电磁勘探通常需要在平坦的、便于行动的、面积较大的实验场地进行测量，面对环境复杂、面积狭小的城市地下空间探测，传统地面磁性源时域电磁勘探则束手无策，随着人类社会对地下空间信息需求的进一步提升，作为开发较早、理论较成熟的地面磁性源时域电磁勘探，如何尽快适应勘探环境和勘探需求，形成一套适用于城市地下空间探测的一体化地面磁性源时域电磁勘探系统及方法，是目前地面磁性源时域电磁勘探的重中之重。

时域电磁法(Transient Electromagnetic Method)的基本原理为，发射系统中一次电流瞬间关断在地下介质中激励出感应涡流，感应涡流会产生随时间衰减的二次磁场，接收系统将二次磁场携带的信息以响应曲线的形式保存下来，通过分析响应曲线的衰减规律及特性，可以得知地下介质的电导率参数。激发极化法(Induced Polarization Method)的基本原理为，发射系统向大地通入恒定电流，激励产生激发极化场，通过测量激发极化场得到地下介质的极化率参数。激发极化效应是存在于地下介质中的一种常见现象，并且可以在时域电磁勘探的一次场中得以激发，与二次场共同被接收系统采集到。因此，进行电磁感应-极化效应测量能够有效提取电导率和极化率参数，提高对城市地下空间的解释精度。

城市中的电磁噪声问题是影响时域电磁信号质量的关键问题，除了各类降噪手段外，提升信号动态范围是较为有效的提高信噪比手段，然而较大的激发能量会使接收信号中混叠一次场，甚至超过接收机量程而无法进行有效的信号提取。

对于接收线圈的一次场混叠现象，虽然已经有多位研究人员进行了各类补偿线圈的设计，但基本都遵照理论模型进行结构上、参数上的变化，未对补偿线圈的补偿手段进行深入研究。因此，选择合适的线圈补偿手段，消除一次场影响，提升采集信号整体的信噪比，才是针对城市地下空间的电磁探测方法关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统及方法对于接收线圈的一次场混叠现象。

本发明是这样实现的，

一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量方法，该方法包括：

1)根据测量需求，结合测量地区的导电特性和极化特性，设计微型发射系统-接收系统、米级发射-接收线圈的工作参数，并将微型发射-接收系统固定在无磁履带车载平台上；

2)根据接收机量程和一次感应电压曲线最大值的理论值确定衰减倍数，采用衰减电路使一次感应电压不再饱和，记录一次感应电压曲线；

3)根据记录的一次感应电压曲线最大值的理论值结合理论公式设计补偿线圈参数，并结合实际微调优化，使接收线圈上的一次感应电压为零，再断开衰减电路，固定米级发射-补偿-接收线圈的工作参数；

4)连续测量，识别二次感应电压曲线各部分特征，并结合接收机量程确定分段放大段数、每段区间及每段放大倍数；

5)通过程控放大器对二次感应电压曲线进行分段放大。

进一步地，步骤2中，采用双T型差分衰减电路衰减一次感应电压使其不再饱和，衰减倍数D由以下公式确定：

其中，U₁为一次感应电压曲线最大值的理论值，U_range为接收机量程电压，α为一次感应电压实际值与理论值的计算裕量。

进一步地，步骤3中，将补偿线圈固定在接收线圈内侧，使补偿线圈外径等于接收线圈内径，再根据步骤2中测量的一次感应电压准确值，结合磁性源暂态公式如下

其中，R_P为接收线圈匹配电阻，R_J为接收线圈内阻，I_F为发射电流大小，t_off为发射电流关断时间，δ为接收线圈阻尼系数，N₂为接收线圈匝数，μ₀为真空磁导率，dl₁和dl₂分别为补偿线圈和接收线圈的积分元，R为积分元之间的距离，代入上述参数，计算出补偿线圈的理论匝数N₁。

进一步地，步骤4中识别二次感应电压曲线各部分特征包括检测曲线的过零点个数，并根据过零点位置确定各部分的放大区间，当有两个过零点时，测量地区含有极化现象，二次感应电压曲线分为感应部分、衰减部分和极化负值部分；当仅有一个过零点时，测量地区不含有极化现象，二次感应电压曲线分为感应部分和衰减部分，再检测各部分对应的极值点大小，则各部分放大倍数由以下公式确定：

其中，U₂为感应部分的极小值或衰减部分的极大值或极化负值部分的极小值，K为对应的放大倍数，U_range为接收机量程电压，β为噪声和扰动的裕量。

进一步地，通过检测曲线的斜率来确定极值点的位置及大小，通过检测曲线正负值变化确定过零点位置，当斜率由负变为正或由正变为负时，此处为一极值点，同时记录该点的幅值大小；当曲线由负变正或由正变负，此处为过零点，记录该点的位置。

进一步地，将米级发射-接收线圈垂直于大地水平面放置，并举离地面。

一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统，该系统包括：米级发射-接收-补偿线圈、发射-接收系统、以及遥控车载系统，其中，米级发射-接收-补偿线圈包括发射线圈与补偿线圈串联后与发射-接收系统的发射机的输出连接，补偿线圈在接收线圈内侧，接收线圈与发射-接收系统的接收机的连接；发射机与发射线圈之间串联无感电阻；接收机与接收线圈之间通过程控分段放大器对信号进行分段放大；遥控车载系统包括车体，米级发射-接收-补偿线圈、微型发射-接收系统设置在车体上。

进一步地，程控分段放大器识别二次感应电压曲线各部分特征，并结合接收机量程确定分段放大段数、每段区间及每段放大倍数。

进一步地，包括一衰减电路，根据接收机量程和一次感应电压曲线最大值的理论值确定衰减倍数，采用所述衰减电路接入系统的接收线圈电路使一次感应电压不再饱和，记录一次感应电压曲线；根据记录的一次感应电压曲线最大值的理论值结合理论公式设计补偿线圈参数，并结合实际微调优化，使接收线圈上的一次感应电压为零，再断开衰减电路。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明通过车载系统实现城市地下空间的移动连续测量，通过衰减电路降低一次感应电压动态范围并精准记录一次感应电压和自动检测二次感应电压曲线各部分特征的方式，确定了补偿线圈的参数及二次感应电压曲线各部分的放大倍数，达到了抵消一次感应电压、提高二次感应电压动态范围的目的，最终实现城市地下空间时域电磁感应-极化效应的高分辨率测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统结构示意图；

图2为本发明提供的测量方法流程图；

图3为本发明精准记录一次感应电压方法示意图；

图4为本发明补偿效果示意图；

图5为本发明提升动态范围效果示意图；a为原始电压曲线，b为分段电压曲线；

图6为本发明实施例采用的T型差分衰减电路的电路图。

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。本发明通过车载系统实现城市地下空间的移动连续测量，通过衰减电路降低一次感应电压动态范围并精准记录一次感应电压和自动检测二次感应电压曲线各部分特征的方式，确定了补偿线圈的参数及二次感应电压曲线各部分的放大倍数，达到了抵消一次感应电压、提高二次感应电压动态范围的目的，最终实现城市地下空间时域电磁感应-极化效应的高分辨率测量。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1所示，本发明提供的一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统，由米级发射-接收-补偿线圈、微型发射-接收系统、和遥控车载系统构成，米级是指发射-接收-补偿线圈在1平方米以内，微型是指发射-接收系统可由单人徒手携带。其中，米级发射-接收-补偿线圈包括发射线圈1与补偿线圈2串联，补偿线圈在接收线圈3内侧；发射系统包含大功率发射机4与发射线圈之间具有无感电阻5，通过蓄电池6为大功率发射机4提供电源；接收系统包含接收机7和程控分段放大器8，接收线圈接收到信息通过程控分段放大器放大后输出至接收机；车载系统包含履带车9、遥控系统10和GPS系统11；衰减电路12用于测量前的补偿线圈设计。

本发明提供的一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量方法，其测量步骤如下所述：

结合图1所示，根据测量需求，结合测量地区的导电特性和极化特性，设计大功率发射机4的发射周期、占空比等参数，将无感电阻5串入发射线圈1中，调整并确定发射电流大小及关断时间。

本实施例中，发射线圈为1米×1米的方形线圈，铺设在履带车前端，接收线圈为外径0.3米、内径0.24米的圆环形线圈，铺设在发射线圈内侧，补偿线圈为直径0.24米的圆形线圈，铺设在接收线圈内侧，补偿线圈与发射线圈的缠绕方向相反。发射-接收-补偿线圈共面共心，补偿线圈与发射线圈之间由两股相绞导线连接，既满足串联要求，又可以避免引入其他磁场干扰量。

发射机由12V蓄电池供电，发射线圈电阻约为0.5Ω，当无感电阻为5Ω时，根据欧姆定律可知，理论电流大小2.18A，用电流采集卡记录发射电流信息，实际发射电流幅值约为2A，发射电流下降沿关断时间约为100μs，符合测量需求。为了减小发射波形上升沿激发的二次场对下降沿激发的二次场造成的影响，发射机需要发射低频、占空比50％的双极性方波，具体发射频率需根据实际探测需要进行选择，一般在25Hz、12.5Hz、6.25Hz和3.125Hz四个频率中进行选择。

接收机7的接收频率同样在25Hz、12.5Hz、6.25Hz和3.125Hz四个频率中进行选择，并与发射机的发射频率保持一致，接收机的采样频率为30kHz。

结合图3所示，将发射-接收线圈垂直于大地水平面放置，并举离地面一定高度，减小发射一次场与大地耦合能量，此方式可大幅度降低二次感应电压，但一次感应电压仍处于饱和状态。为精准记录一次感应电压，采用双T型差分衰减电路12衰减一次感应电压使其不再饱和，衰减倍数D由以下公式确定：

其中，U₁为一次感应电压理论值，U_range为接收机量程电压，α为一次感应电压实际值与理论值的计算裕量。参见图6的T型差分衰减电路可对信号进行简单分压，差分电路可将共模信号、失调及漂移产生的误差抵消，衰减后的一次感应电压曲线可准确反映一次场过渡过程，再采用高分辨率ADC记录该曲线，实现一次感应电压的精准测量。

本实施例中，理论计算的一次感应电压的最大值约为18V，接收机的量程为2.5V，根据公式可计算得衰减倍数D为9，利用双T型差分衰减电路对一次感应电压进行衰减，最终得到一次感应电压最大值约为2V，一次感应电压曲线不再饱和，能够准确地反映一次场过渡过程。

结合图4所示，补偿线圈的引入会降低接收线圈上二次感应电压动态范围，为削弱这种影响，需减小补偿线圈的有效面积，结合车载系统稳定性需求，将补偿线圈固定在接收线圈内侧，使补偿线圈外径等于接收线圈内径，再根据步骤2中测量的一次感应电压准确值，结合磁性源暂态公式，计算出补偿线圈理论匝数并微调优化，使接收线圈上的一次感应电压为零，再移除衰减电路，即可实现二次感应电压的精准提取。磁性源暂态公式如下

其中，R_P为接收线圈匹配电阻，R_J为接收线圈内阻，I_F为发射电流大小，t_off为发射电流关断时间，δ为接收线圈阻尼系数，N₂为接收线圈匝数，μ₀为真空磁导率，dl₁和dl₂分别为补偿线圈和接收线圈的积分元，R为积分元之间的距离，代入上述参数，计算出补偿线圈的理论匝数N₁。

在一实施例中，为防止补偿线圈在履带车移动过程中错位，将补偿线圈固定在接收线圈内侧，即补偿线圈的外径为0.24米，此时与发射1米×1米的方形线圈相比，尺寸比例相差约25倍，因此对二次感应电压的动态范围影响很小，结合步骤2中一次感应电压的2V最大值，经计算得补偿线圈的理论补偿匝数约为2匝，再稍作微调优化，使接收线圈上的一次感应电压为零，此时撤去双T型差分衰减电路，一次感应电压依旧为零，二次感应电压曲线即被还原。再固定发射-补偿-接收线圈的工作参数，即完成测量前的补偿线圈制作。

因城市中干扰噪声较大，为提升信号的信噪比，除了采取合适的屏蔽措施外，提升二次感应电压的动态范围也是十分必要的。程控放大器中的检测程序首先自动检测曲线的过零点个数，并根据过零点位置确定各部分的放大区间，当有两个过零点时，说明测量地区含有极化现象，此时二次感应电压曲线分为感应部分、衰减部分和极化负值部分；当仅有一个过零点时，说明测量地区不含有极化现象，此时二次感应电压曲线分为感应部分和衰减部分。再检测各部分的极值点大小，则各部分放大倍数由以下公式确定：

其中，U₂为感应部分的极小值或衰减部分的极大值或极化负值部分的极小值，K为对应的放大倍数，U_range为接收机量程电压，β为噪声和扰动的裕量。程控放大器根据自动检测程序提供的分段放大区间及分段放大倍数进行分段放大，可有效提升二次感应电压的动态范围，实现时域电磁感应-极化效应的高分辨率测量。

本实施例中，自动检测程序通过检测曲线的斜率来确定极值点的位置及大小，通过检测曲线正负值变化确定过零点位置。当斜率由负变为正或由正变为负时，此处为一极值点，同时记录该点的幅值大小；当曲线由负变正或由正变负，认为此处为过零点，记录该点的位置。

结合图5a和b所示，程控放大器根据自动检测程序提供的分段放大区间及分段放大倍数进行分段放大，可有效提升二次感应电压的动态范围，提高信号的信噪比，实现时域电磁信号的高分辨率测量。

在一实施例中，自动检测程序检测到两个过零点，则测量区域含有极化现象，二次感应电压曲线的感应部分的极小值约为-0.1V，衰减部分的极大值约为0.05V，极化负值部分的极小值约为-0.01V，选择噪声和扰动的裕量β为20％，根据公式，程控放大器调节感应部分的放大倍数为20倍，衰减部分的放大倍数为40倍，极化负值部分的放大倍数为200倍。在噪声一定的情况下，即可提升信噪比，获得较为理想的信号质量。

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 (9)

1.一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量方法，其特征在于，该方法包括：

1)根据测量需求，结合测量地区的导电特性和极化特性，设计微型发射系统-接收系统、米级发射-接收线圈的工作参数，并将微型发射-接收系统固定在无磁履带车载平台上；

2)根据接收机量程和一次感应电压曲线最大值的理论值确定衰减倍数，采用衰减电路使一次感应电压不再饱和，记录一次感应电压曲线；

3)根据记录的一次感应电压曲线最大值的理论值结合理论公式设计补偿线圈参数，并结合实际微调优化，使接收线圈上的一次感应电压为零，再断开衰减电路，固定米级发射-补偿-接收线圈的工作参数；

4)连续测量，识别二次感应电压曲线各部分特征，并结合接收机量程确定分段放大段数、每段区间及每段放大倍数；

5)通过程控放大器对二次感应电压曲线进行分段放大。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，采用双T型差分衰减电路衰减一次感应电压使其不再饱和，衰减倍数D由以下公式确定：

其中，U₁为一次感应电压曲线最大值的理论值，U_range为接收机量程电压，α为一次感应电压实际值与理论值的计算裕量。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，将补偿线圈固定在接收线圈内侧，使补偿线圈外径等于接收线圈内径，再根据步骤2中测量的一次感应电压准确值，结合磁性源暂态公式如下

其中，R_P为接收线圈匹配电阻，R_J为接收线圈内阻，I_F为发射电流大小，t_off为发射电流关断时间，δ为接收线圈阻尼系数，N₂为接收线圈匝数，μ₀为真空磁导率，dl₁和dl₂分别为补偿线圈和接收线圈的积分元，R为积分元之间的距离，代入上述参数，计算出补偿线圈的理论匝数N₁。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中识别二次感应电压曲线各部分特征包括检测曲线的过零点个数，并根据过零点位置确定各部分的放大区间，当有两个过零点时，测量地区含有极化现象，二次感应电压曲线分为感应部分、衰减部分和极化负值部分；当仅有一个过零点时，测量地区不含有极化现象，二次感应电压曲线分为感应部分和衰减部分，再检测各部分对应的极值点大小，则各部分放大倍数由以下公式确定：

其中，U₂为感应部分的极小值或衰减部分的极大值或极化负值部分的极小值，K为对应的放大倍数，U_range为接收机量程电压，β为噪声和扰动的裕量。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，通过检测曲线的斜率来确定极值点的位置及大小，通过检测曲线正负值变化确定过零点位置，当斜率由负变为正或由正变为负时，此处为一极值点，同时记录该点的幅值大小；当曲线由负变正或由正变负，此处为过零点，记录该点的位置。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将米级发射-接收线圈垂直于大地水平面放置，并举离地面。

7.一种车载时域电磁感应-极化效应的微型测量系统，其特征在于，该系统包括：米级发射-接收-补偿线圈、发射-接收系统、以及遥控车载系统，其中，米级发射-接收-补偿线圈包括发射线圈与补偿线圈串联后与发射-接收系统的发射机的输出连接，补偿线圈在接收线圈内侧，接收线圈与发射-接收系统的接收机的连接；发射机与发射线圈之间串联无感电阻；接收机与接收线圈之间通过程控分段放大器对信号进行分段放大；遥控车载系统包括车体，米级发射-接收-补偿线圈、微型发射-接收系统设置在车体上。

8.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，程控分段放大器识别二次感应电压曲线各部分特征，并结合接收机量程确定分段放大段数、每段区间及每段放大倍数。

9.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，包括一衰减电路，根据接收机量程和一次感应电压曲线最大值的理论值确定衰减倍数，采用所述衰减电路接入系统的接收线圈电路使一次感应电压不再饱和，记录一次感应电压曲线；根据记录的一次感应电压曲线最大值的理论值结合理论公式设计补偿线圈参数，并结合实际微调优化，使接收线圈上的一次感应电压为零，再断开衰减电路。