CN110333538B - 一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，包括瞬变电磁信号模拟发射子系统、程控载具运动模拟子系统和机载瞬变电磁接收子系统，以及地质异常体模型；程控载具运动模拟子系统和瞬变电磁信号模拟子发射系统均与机载瞬变电磁接收子系统连接。本发明装置通过地质异常体模型模拟真实矿体受激后产生的二次场衰减信号，降低了传统异常体模型的制作复杂性，在标定机载瞬变电磁接收子系统时，避免了在室外的各种不利条件的影响，能够高效地支持机载瞬变电磁接收子系统进行各种工况下的精细化性能试验，不受室外条件约束而缩短系统的开发周期。

Description

一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置

技术领域

本发明属于瞬变电磁(TEM)物理模拟实验技术领域，具体涉及一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置。

背景技术

半航空机载瞬变电磁接收系统是一种时间域瞬变电磁方法的信号采集装置，其性能决定了数据质量。研究主要包括空芯线圈(含前置放大器、挂载技术)和接收机(含姿态、高度等传感器)的研制。通过前期研究工作，地面TEM和航空TEM接收系统的研制工作进展到后期各种试验时，都需要按照人文噪声较低、空域较好(对于航空，尤其是无人机管理带来的限制)、无雨水的条件原则选择室外试验场地，且每次试验需要按照野外作业方法布设发射系统，耗时耗力并且难以开展细致试验，如观察、调试线圈的响应特性，线圈姿态的影响、线圈运动噪声特性分析，接收机的性能指标，整个接收系统的性能分析等等，这样就无法开展深入的研究，研制出更先进的接收系统。

现有的地面TEM系统标定系统是以导电环为目标体的地面瞬变电磁系统的标定模型，该模型包含发射线圈、接收线圈、标定环和均匀大地四个部分，以理想标定环响应作为标准信号，其理论响应严格按照指数衰减，系统传输特性的非理想化会导致实测响应偏离理论指数衰减响应，将实测响应与理论指数衰减响应进行对比，根据实测响应偏离理论响应的程度便能对TEM的系统传输特性和早期信号畸变程度进行准确评价。该地面TEM系统标定系统的实测响应中不包含导电回线(标定环)的响应，还不可避免的包含各种非期望互感响应，并影响对系统传输特性的标定。由于这些非期望响应是该标定方法本身所固有，属于标定系统的系统误差，而这种误差是不能消除的；该系统只能用于标定整个接收系统，不能实现对接收机的单独标定；无法实现接收线圈姿态和运动噪声抑制的精细化研究；该系统标定工作量大，精度差。

现有的另外一种方法是通过分析半航空瞬变电磁信号及各种噪声的特点，建立仿真模型，采用可编程器件FPGA和SOPC技术实现直接数字频率合成技术DDS技术，将模拟的半航空瞬变电磁信号及各种噪声直接输入至接收机，实现对接收机的标定；该方法只能对接收机进行标定，而不能实现标定包括接收传感器在内的整个机载瞬变电磁接收系统。

现有的另外一种方法是将设计的地质异常体模型用各种导电材料做成物理模型，在模型表面或内部施加物理源，用换能器将接收的物理场响应转换为电信号记录在接收系统中，再进行模数转换与采样。这种方法中的物理模型只能有一种e指数衰减信号响应模型，建立物理模型投资大，选材困难。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置解决了现有的机载瞬变电磁接收系统设计时难以进行精细化性能试验，受室外条件约束较大的问题，实现了半航空瞬变电磁勘查技术室内物理模拟试验，对于野外工区勘查设计和正演计算以及结果验证有重要意义。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，包括主控机、瞬变电磁信号模拟发射子系统、程控载具运动模拟子系统、机载瞬变电磁接收子系统和地质异常体模型；

所述主控机分别与程控载具运动模拟子系统和瞬变电磁信号模拟发射子系统通信连接，所述地质异常体模型与瞬变电磁信号模拟发射子系统连接；

其中，所述主控机用于控制瞬变电磁信号模拟发射子系统产生瞬变电磁信号及噪声信号、控制程控载具运动模拟子系统的运动状态及分析瞬变电磁接收信号的形态。

所述瞬变电磁信号模拟发射子系统用于产生瞬变电磁信号；

所述程控载具运动模拟子系统用于控制机载瞬变电磁接收子系统的运动状态；

所述机载瞬变电磁接收子系统用于接收瞬变电磁信号。；

所述地质异常体模型用于感应信号发射器发射出的变化磁场，产生对应的二次场衰减信号。

进一步地，所述瞬变电磁信号模拟发射子系统包括瞬变电磁信号源、功率放大器和信号发射器；

所述瞬变电磁信号源和功率放大器通信连接，所述功率放大器与信号发射器电气连接。

进一步地，所述信号发射器包括长方体电阻和发射线圈；

所述功率放大器通过导线与长方体电阻或发射线圈连接。

进一步地，所述地质异常体模型为由导线、电阻和电容连接形成的闭合线圈。

进一步地，所述程控载具运动模拟子系统包括支撑架、四个电动牵引轮、两根滑轨、滑杆、支撑臂、模拟载具、若干根绝缘非金属连接绳和中心控制器；

所述中心控制器与主控机连接；

两根所述滑轨平行设置于支撑架上方，所述四个电动牵引轮分别设置于支撑架四个脚的底部，所述滑杆设置于两根滑轨上；

所述支撑臂的一端与滑杆固定连接，其另一端通过舵机与模拟载具的中心点链接，所述舵机通过中心控制器与主控机通信连接；

所述滑杆通过牵引装置与中心控制器连接；

所述模拟载具的边缘通过绝缘非金属连接绳与机载瞬变电磁接收子系统连接，所述绝缘非金属连接绳与模拟载具的连接端点均匀分布在模拟载具的边缘。

进一步地，所述模拟载具上还设置有姿态传感器和中心振动源；

所述中心振动源设置于模拟载具的圆心处，并与所述中心控制器通信连接；

所述姿态传感器通过中心控制器与所述主控机通信连接。

进一步地，所述机载瞬变电磁接收子系统包括相互连接的接收线圈和接收机；

所述接收线圈通过绝缘非金属连接绳挂载在模拟载具的下方，且与模拟载具平行。

进一步地，两根所述滑轨、支撑臂、滑杆和模拟载具均为非金属耐磨材料。

进一步地，所述主控机为具有系统控制和收发信号对比分析软件的PC机。本发明的有益效果为：本发明提供的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置是一套能够定量化模拟产生室外瞬变电磁信号(如发射的方波、产生的二次场衰减信号)和模拟接收线圈运动载具的试验装置；本发明提供的瞬变电磁量化信号能够在室内对接收机和机载瞬变电磁接收子系统(接收线圈与接收机组合)进行功能、性能测试以及校准，避免了室外各种不利条件的影响，能够高效地支持机载瞬变电磁接收子系统进行各种工况下的精细化性能试验，不受室外条件约束而缩短系统的开发周期；本发明中通过地质异常体模型模拟真实矿体受激后产生的二次场衰减信号，降低了传统异常体模型的制作复杂性，用于标定机载瞬变电磁接收子系统时，更是大大地降低了野外试验的人力、物力和财力投入。本发明提供的半航空瞬变电磁物理模拟试验装置能够为实际工程提供正演计算验证和野外勘查施工设计实验模拟，将有效提高野外勘查工作的效率。

附图说明

图1为本发明中室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟实验装置结构图。

图2为本发明中主控机的工作流程示意图。

其中：1、主控机；2、瞬变电磁信号源；3、功率放大器；4、发射线圈；5、长方体电阻；6、滑杆；7、地质异常体模型；8、接收线圈；9、接收机；10、模拟载具；11、滑轨；12、绝缘非金属连接绳；13、导线；14、支撑臂；15、舵机；16、中心振动源；17、支撑架；18、中心控制器；19、电动牵引轮；20、姿态传感器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，包括主控机1、瞬变电磁信号模拟发射子系统、程控载具运动模拟子系统、机载瞬变电磁接收子系统和地质异常体模型7；

主控机1分别与程控载具运动模拟子系统和瞬变电磁信号模拟发射子系统通信连接，地质异常体模型7与瞬变电磁信号模拟发射子系统连接。

上述主控机1为具有系统控制和收发信号对比分析软件的PC机，用于控制瞬变电磁信号模拟发射子系统产生瞬变电磁信号及噪声信号、控制程控载具运动模拟子系统的运动状态及分析瞬变电磁接收信号的形态。本发明中主控机1具有的功能如图2所示，分别为设置和显示发射波形及波形参数，选择叠加噪声类型，设置和显示模拟载具的振动频率、倾斜角度、飞行速度、偏移距，输入波形数据，显示波形对比图，显示标定结果，打印标定报告。其中的瞬变电磁信号包括e指数衰减信号、双极性方波信号，其中的e指数衰减信号是根据二次场衰减信号的特点通过数学建模推导而来，其中的双极性方波信号是根据瞬变电磁发射电流信号的特点通过数学建模推导而来；噪声信号包括地磁场的微脉动、天电噪声、高斯噪声、工频噪声和无人直升机的干扰噪声，根据其各种噪声的特点通过数学建模建立相应的信号模型。

上述瞬变电磁信号模拟发射子系统用于产生瞬变电磁信号；瞬变电磁信号模拟发射子系统包括瞬变电磁信号源2、功率放大器3和信号发射器；主控机1、瞬变电磁信号源2、功率放大器3通信连接，功率放大器3和信号发射器依次通信连接。信号发射器包括长方体电阻5和发射线圈4；功率放大器3通过导线13与长方体电阻5或发射线圈4连接；长方体电阻为由电阻、电容、电感经过串并联形成的，电阻、电容、电感的取值和串并联结构基于野外使用的长导线源(即电偶源)的等效电路模型计算得出。

上述程控载具运动模拟子系统用于控制机载瞬变电磁接收子系统的运动状态；图1中的程控载具运动模拟子系统包括支撑架17、四个电动牵引轮19、两根滑轨11、滑杆6、支撑臂14、模拟载具10、若干根绝缘非金属连接绳12和中心控制器18；中心控制器18与主控机1连接；两根滑轨11平行设置于支撑架17上方，四个电动牵引轮19分别设置于支撑架17四个脚的底部，该电动牵引轮19可使得支撑架17左右滑动；滑杆6设置于两根滑轨11上，该滑杆6可在滑轨11上滑动；支撑臂14的一端与滑杆6固定连接，其另一端通过舵机15与模拟载具10的中心点链接，舵机15通过中心控制器18与主控机1通信连接，该舵机15用于控制模拟载具10的俯仰角；滑杆6通过牵引装置与中心控制器18连接，通过中心控制器18控制牵引装置进而调整滑杆6及模拟载具10在滑轨11上的滑行速度。模拟载具10的边缘通过绝缘非金属连接绳12与瞬变电磁接收子系统连接，绝缘非金属连接绳12与模拟载具10的连接端点均匀分布在模拟载具10的边缘。模拟载具10上还设置有姿态传感器20和中心振动源16；中心振动源16设置于模拟载具10的圆心处，并与中心控制器18连接，使得振动源在模拟载具10上的振动更加均匀；中心振动源16为通过螺丝固定在模拟载具10圆心处的振动电机。

其中，姿态传感器20的型号为MPU9250，姿态传感器20将模拟载具当前姿态数据反馈给中心控制器18，形成一个闭合的反馈回路，使得模拟载具10的俯仰角度被控制得更加精准；中心控制器18为基于STM32F303VCT6制作的模拟载具测控装置；本发明中的两根滑轨11、支撑臂14、滑杆6和模拟载具10均为非金属耐磨材料，防止金属材料对接收机9信号产生干扰。

上述机载瞬变电磁接收子系统用于接收瞬变电磁信号，该子系统选用业界知名并经过校准的瞬变电磁接收子系统(包括空芯接收线圈、接收机，具有GPS同步功能)，用于半航空瞬变电磁物理模拟实验时作为标准接收设备。图1中的瞬变电磁接收子系统包括相互连接的接收线圈8和接收机9；接收线圈8通过绝缘非金属连接绳12挂载在模拟载具10的下方，且与模拟载具10平行，接收线圈8位于发射线圈4上方。

上述地质异常体模型7用于感应信号发射器发射出的变化磁场，产生对应的二次场衰减信号。本发明中的地质异常体模型是由导线、电阻和电感串并连接形成的闭合线圈，已有研究表明，野外地质体的电磁响应完全可用一个适当的闭合线圈来模拟，这个闭合线圈电磁响应表达式中的时间常数只要和地质体的时间常数相同，其电磁响应特性就非常接近野外地质体的电磁响应特性。如果已知野外各类矿体的电磁响应特性，就可以基于等效电路理论，通过改变地质异常体模型中闭合线圈的导线匝数和与之连接的电阻、电感串并联方式及取值，产生与已知矿体一样的电磁响应特性。地质异常体模型受电磁激励后，就可以模拟产生野外矿体受激后的二次场衰减信号，用来模拟各种野外地质异常体。

在本发明的一个实施例中：主控机1、瞬变电磁信号源2、功率放大器3和发射线圈4组成不接地回线源发射装置，而主控机1、瞬变电磁信号源2、功率放大器3、导线13及长方体电阻5组成接地导线源发射装置。当瞬变电磁信号源2产生e指数衰减信号时，根据实际试验需要经过导线13和发射线圈4或长方体电阻5经空气耦合至接收线圈，用以实现机载瞬变电磁接收子系统的校准；当瞬变电磁信号源2产生双极性方波信号时，根据实际试验需要经过导线13和发射线圈4或长方体电阻5对地质异常体模型7进行电磁激励，进而产生瞬变的二次场衰减信号，用以实现机载瞬变电磁接收子系统的标定和各类物理模拟试验。本发明中的两种信号发射装置在本发明中的功能是相同的，提供了两种不同的实现方式。

在本发明的一个实施例中，提供了本发明室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置能够实现的各项功能，主要包括：

(1)对机载瞬变电磁接收子系统进行测试和校准。接收机测试：应用主控机中的信号分析对比软件设置e指数衰减信号参数(信号的幅值、频率和衰减系数等)和噪声类型及参数(信号的幅值)，发送至瞬变电磁信号源，产生e指数衰减信号，经其内部的同步模块同步后直接输出至接收机，使用主控机中的信号分析对比软件对接收机采集的e指数衰减信号与设置的e指数衰减信号进行对比，通过分析信号形态、幅度、相位等参数达到测试接收机的目的。接收子系统(即接收线圈与接收机)校准：将瞬变电磁信号源产生的e指数衰减信号经其内部的同步模块同步后输出至功率放大器，放大至需要的功率后发送至发射线圈，经空气耦合，由被校准的机载瞬变电磁接收子系统的接收线圈感应接收，再通过主控机的收发信号分析对比软件进行分析，从而达到校准机载瞬变电磁接收子系统的目的。

(2)对机载瞬变电磁接收子系统进行标定。应用主控机中的收发信号分析对比软件设置双极性方波的参数(信号的幅值、频率系数等)，发送至瞬变电磁信号源，经其内部的同步模块同步后输出至功率放大器，经过功率放大后发送至信号发射器，地质异常体模型被激发产生二次场衰减信号，机载瞬变电磁接收子系统接收该信号后反馈至主控机，应用信号分析对比软件对已知地质异常体模型的二次场衰减信号和接收的二次场衰减信号分析各点幅值差异，得出标定文件，配置给被测机载瞬变电磁接收子系统，当其野外应用时测量信号经标定文件标定后才能得到准确的电磁响应特性，从而达到标定机载瞬变电磁接收子系统的目的；

(3)实现不同地电模型的物理模拟验证正演计算及野外工区勘查设计。根据某种地点模型的正演计算结果，设计地质异常体模型及瞬变电磁信号模拟发射子系统的相关参数，将标准机载瞬变电磁接收子系统采集的数据与正演数据进行对比，验证正演是否正确；根据野外工区勘查设计需求，按照瞬变电磁物理模拟系统的缩比原理，设计室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置的相关参数，采集e指数衰减信号，验证野外工区勘查设计是否合理。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明的有益效果为：本发明提供的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置是一套能够定量化模拟产生室外瞬变电磁信号(如发射的方波、产生的二次场衰减信号)和模拟接收线圈运动载具的试验装置；本发明提供的瞬变电磁量化信号能够在室内对接收机和机载瞬变电磁接收子系统(接收线圈与接收机组合)进行功能、性能测试以及校准，避免了室外各种不利条件的影响，能够高效地支持机载瞬变电磁接收子系统进行各种工况下的精细化性能试验，不受室外条件约束而缩短系统的开发周期；本发明中通过地质异常体模型模拟真实矿体受激后产生的二次场衰减信号，降低了传统异常体模型的制作复杂性，用于标定机载瞬变电磁接收子系统时，更是大大地降低了野外试验的人力、物力和财力投入。本发明提供的半航空瞬变电磁物理模拟试验装置能够为实际工程提供正演计算验证和野外勘查施工设计实验模拟，将有效提高野外勘查工作的效率。

Claims (8)

1.一种室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，包括主控机(1)、瞬变电磁信号模拟发射子系统、程控载具运动模拟子系统、机载瞬变电磁接收子系统和地质异常体模型(7)；

所述主控机(1)分别与程控载具运动模拟子系统和瞬变电磁信号模拟发射子系统通信连接，所述地质异常体模型(7)与瞬变电磁信号模拟发射子系统连接；

其中，所述主控机(1)用于控制瞬变电磁信号模拟发射子系统产生瞬变电磁信号及噪声信号、控制程控载具运动模拟子系统的运动状态及分析瞬变电磁接收信号的形态；

所述瞬变电磁信号模拟发射子系统用于产生瞬变电磁信号；

所述程控载具运动模拟子系统用于控制机载瞬变电磁接收子系统的运动状态；

所述机载瞬变电磁接收子系统用于接收瞬变电磁信号；

所述地质异常体模型(7)用于感应信号发射器发射出的变化磁场，产生对应的二次场衰减信号；

所述程控载具运动模拟子系统包括支撑架(17)、四个电动牵引轮(19)、两根滑轨(11)、滑杆(6)、支撑臂(14)、模拟载具(10)、若干根绝缘非金属连接绳(12)和中心控制器(18)；

所述中心控制器(18)与主控机(1)连接；

两根所述滑轨(11)平行设置于支撑架(17)上方，所述四个电动牵引轮(19)分别设置于支撑架(17)四个脚的底部，所述滑杆(6)设置于两根滑轨(11)上；

所述支撑臂(14)的一端与滑杆(6)固定连接，其另一端通过舵机(15) 与模拟载具(10)的中心点链接，所述舵机(15)通过中心控制器(18)与主控机(1)通信连接；

所述滑杆(6)通过牵引装置与中心控制器(18)连接；

所述模拟载具(10)的边缘通过绝缘非金属连接绳(12)与机载瞬变电磁接收子系统连接，所述绝缘非金属连接绳(12)与模拟载具(10)的连接端点均匀分布在模拟载具(10)的边缘。

2.根据权利要求1所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，所述瞬变电磁信号模拟发射子系统包括瞬变电磁信号源(2)、功率放大器(3)和信号发射器；

所述瞬变电磁信号源(2)和功率放大器(3)通信连接，所述功率放大器(3)与信号发射器电气连接。

3.根据权利要求2所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，所述信号发射器包括长方体电阻(5)和发射线圈(4)；

所述功率放大器(3)通过导线(13)与长方体电阻(5)或发射线圈(4)连接。

4.根据权利要求1所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，所述地质异常体模型(7)为由导线、电阻和电容连接形成的闭合线圈。

5.根据权利要求1所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，所述模拟载具(10)上还设置有姿态传感器(20)和中心振动源(16)；

所述中心振动源(16)设置于模拟载具(10)的圆心处，并与所述中心控制器(18)通信连接；

所述姿态传感器(20)通过中心控制器(18)与所述主控机(1)通信连接。

6.根据权利要求1所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，所述机载瞬变电磁接收子系统包括相互连接的接收线圈(8)和接收机(9)；

所述接收线圈(8)通过绝缘非金属连接绳(12)挂载在模拟载具(10)的下方，且与模拟载具(10)平行。

7.根据权利要求1所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，两根所述滑轨(11)、支撑臂(14)、滑杆(6)和模拟载具(10)均为非金属耐磨材料。

8.根据权利要求1所述的室内半航空瞬变电磁勘查技术物理模拟试验装置，其特征在于，所述主控机(1)为具有系统控制和收发信号对比分析软件的PC机。

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