CN110471117A - 一种航空电磁探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空电磁探测系统及方法，包括地面电性源发射系统与空中电磁接收系统，地面电性源发射系统按照预定扫频频率发射交流电磁信号，并记录发射电流信号；空中电磁接收系统包括磁探头、采集系统和无人机，磁探头与采集系统电连接，通过无人机空中飞行带动磁探头与采集系统移动，并按照预定扫频频率接收垂直方向的磁场信号；通过测量得到的磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位。通过配置无人机，带动接收机沿预定线路飞行，以测量垂直方向的磁场信号，操作方便，测试过程高效快捷，有利于降低勘探成本。

Description

一种航空电磁探测系统及方法

技术领域

本发明涉及地球物理探测技术领域，尤其涉及一种航空电磁探测系统及方法

背景技术

大地电磁测深是利用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，具有装置简便，探测深度大等特点，但是容易受天然场等外界干扰。地面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，该方法采用人工场源，与天然源大地电磁测深法相比，具有信噪比高优点。由于常规地面可控源音频大地电磁法需要通过电极测量电场，施工效率低，在地形复杂山区或沼泽地、沙漠等地方施工困难。

发明内容

本发明提供的一种航空电磁探测系统及方法，主要解决的技术问题是：如何使得电磁探测过程精准，同时更加方便、快捷，减少测试工作量与成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种航空电磁探测系统，包括地面电性源发射系统与空中电磁接收系统，所述地面电性源发射系统按照预定扫频频率发射交流电磁信号，并记录发射电流信号；所述地面电性源发射系统包括高频发射机和电源，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、第一控制器、电流采集器、霍尔传感器和第一GPS模块，所述第一控制器分别与所述第一GPS模块、所述H桥以及所述电流采集器连接，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；其中，所述第一GPS模块接收信号并发出时间信号给所述第一控制器，所述第一控制器根据所述时间信号发出双波控制信号控制所述H桥导通，所述H桥产生同频率的电流信号给所述两个发射电极，所述电流采集器通过所述霍尔传感器采集发射电极的电流反馈至所述第一控制器；

所述空中电磁接收系统包括磁探头、采集系统和无人机，所述磁探头与采集系统电连接，通过所述无人机空中飞行带动所述磁探头与所述采集系统移动，并按照所述预定扫频频率接收垂直方向的磁场信号；通过测量得到的所述磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位。

可选的，所述磁探头与所述采集系统集成于所述无人机内部。

可选的，所述采集系统包括依次电连接的放大器、AD转换器、FPGA、第二控制器以及第二GPS模块，所述放大器输入端与所述磁探头连接。

可选的，所述两个发射电极的距离为200～1000m。

可选的，所述高频发射机发射的频率范围为4Hz～81.92KHz。

可选的，所述电源为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。

可选的，所述无人机飞行轨迹与所述两个发射电极之间的连线平行，且水平距离为1km～3km，飞行高度不高于100米。

可选的，所述通过测量得到的所述磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位，包括利用如下公式(1)、(2)计算视电阻率：

利用如下公式(3)计算视相位：

所述H_Z为所述测量得到的所述磁场信号强度；所述I所述H_Z对应时刻的电流信号强度；所述为所述两个发射电极之间的距离；所述r为所述地面电性源发射系统与所述空中电磁接收系统之间的距离；所述k为波数；所述φ所述地面电性源发射系统与所述空中电磁接收系统之间的连线与所述两个发射电极之间连线的夹角；所述e为常数；所述ρ为视电阻率；所述f为频率；所述u为磁导率；所述φ为视相位；所述为磁场相位；所述φ_I为电流相位。

本发明还提供一种航空电磁探测方法，包括：

在待测地表区域构建地面电性源发射系统；

在所述地面电性源发射系统所发射电磁场量测范围内，构建空中电磁接收系统，包括磁探头、采集系统和无人机，所述磁探头与采集系统电连接；通过所述无人机空中飞行带动所述磁探头与所述采集系统移动，以采集垂直方向的磁场信号；

所述地面电性源发射系统和所述空中电磁接收系统，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，所述地面电性源发射系统采集发射电极的电流信号，所述空中电磁接收系统采集垂直方向的磁场信号；

根据得到的电流信号与磁场信号，计算出视电阻率、视相位。

可选的，所述基于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包括：

假定需要测量的频率值依次为f₁，f₂，…，f_N，N为频点数；

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，…，t_N，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；

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。

本发明的有益效果是：

根据本发明提供的一种航空电磁探测系统及方法，包括地面电性源发射系统与空中电磁接收系统，地面电性源发射系统按照预定扫频频率发射交流电磁信号，并记录发射电流信号；地面电性源发射系统包括高频发射机和电源，电源与高频发射机连接，高频发射机包括H桥、第一控制器、电流采集器、霍尔传感器和第一GPS模块，第一控制器分别与第一GPS模块、H桥以及电流采集器连接，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霍尔传感器与电流采集器连接；其中，第一GPS模块接收信号并发出时间信号给第一控制器，第一控制器根据时间信号发出双波控制信号控制H桥导通，H桥产生同频率的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第一控制器；空中电磁接收系统包括磁探头、采集系统和无人机，磁探头与采集系统电连接，通过无人机空中飞行带动磁探头与采集系统移动，并按照预定扫频频率接收垂直方向的磁场信号；通过测量得到的磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位。通过配置无人机，带动接收机沿预定线路飞行，以测量垂直方向的磁场信号，操作方便，测试过程高效快捷，有利于降低勘探成本。

附图说明

图1为本发明实施例一的航空电磁探测系统结构示意图；

图2为本发明实施例一的地面电性源发射系统功能结构示意图；

图3为本发明实施例一的空中电磁接收系统之采集系统功能结构示意图；

图4为本发明实施例一的航空电磁探测系统垂直地面方向位置结构示意图；

图5为本发明实施例二的航空电磁探测方法流程示意图；

图6为本发明实施例二的电磁场量测方位示意图；

图7为本发明实施例二的扫频收发时序图。

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，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。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。

实施例一：

请参见图1，本实施例提供的航空电磁探测系统包括地面电性源发射系统与空中电磁接收系统，其中地面电性源发射系统按照预定扫频频率发射交流电磁信号，并记录发射电流信号；空中电磁接收系统按照预定扫频频率接收垂直方向的磁场信号；通过测量得到的磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位。

其中，地面电性源发射系统包括高频发射机10和电源20，请参见图2，电源20与高频发射机10连接，用于对高频发射机10供电；高频发射机10包括H桥11、第一控制器12、电流采集器13、霍尔传感器14和第一GPS模块15，第一控制器12分别与第一GPS模块15、H桥11以及电流采集器13连接，H桥11通过连接线分别与两个发射电极16连接，其中一根连接发射电极的连接线通过霍尔传感器14与电流采集器13连接；其中，第一GPS模块15接收信号并发出时间信号给第一控制器12，第一控制器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产生同频率的电流信号给两个发射电极16，电流采集器13通过霍尔传感器14采集发射电极16的电流反馈至第一控制器12，第一控制器12监控发射电极16的电流。

可选的，该两个发射电极之间的距离为200～1000m。

可选的，高频发射机10发射的频率范围为4Hz～81.92KHz。

可选的，电源20为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。

空中电磁接收系统包括磁探头30、采集系统40和无人机50，磁探头30与采集系统40电连接，通过无人机50空中飞行带动磁探头30与采集系统40移动，磁探头30与采集系统40悬挂在无人机50固定设置，受重力作用竖直向下，并按照预定扫频频率接收垂直方向的磁场信号；通过测量得到的磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位。

可选的，请参见图3，采集系统40包括依次电连接的放大器41、AD转换器42、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)43、第二控制器44以及第二GPS模块45，放大器41输入端与磁探头30连接，以对接收的磁场信号进行放大。

在本发明的其他实施例中，磁探头30与采集系统40可集成于无人机50内部。

请参见图4，无人机50飞行轨迹与两个发射电极16之间的连线平行，且水平距离为1km～3km，飞行高度h不高于100米。

通过测量得到的磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位，包括利用如下公式(1)、(2)计算视电阻率：

利用如下公式(3)计算视相位：

其中，H_Z为测量得到的磁场信号强度；I为与H_Z对应时刻的电流信号强度；为两个发射电极之间的距离；r为地面电性源发射系统与空中电磁接收系统之间的距离；k为波数；α为地面电性源发射系统与空中电磁接收系统之间的连线与两个发射电极之间连线的夹角；e为常数；ρ为视电阻率；f为系统扫描频率；u为磁导率；φ为视相位；为磁场相位；φ_I为电流相位。

通过配置无人机，带动接收机沿预定线路飞行，以测量垂直方向的磁场信号，操作方便，测试过程高效快捷，有利于降低测试成本。

实施例二：

在上述实施例一的基础上，提供一种航空电磁探测方法，请参见图5，该航空电磁探测方法主要包括：

S501、在待测地表区域构建地面电性源发射系统。

S502、在地面电性源发射系统所发射电磁场量测范围内，构建空中电磁接收系统，包括磁探头、采集系统和无人机；其中磁探头与采集系统电连接；通过无人机空中飞行带动磁探头与采集系统移动，以采集垂直方向的磁场信号。

请参见图6，电磁场量测范围主要分布于，以高频发射机为中心，两个发射电极连线中垂线为中心的扇形区域，其中扇形角度为60°～90°。空中电磁接收系统位于电磁场量测范围内，无人机带动接收机沿平行于两个发射电极的方向飞行，以接收垂直方向的磁场信号。

S503、地面电性源发射系统和空中电磁接收系统，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；地面电性源发射系统采集发射电极的电流信号，空中电磁接收系统采集垂直方向的磁场信号。

可选的，请参见图7，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包括：

假定需要测量的频率值依次为f₁，f₂，…，f_N，N为频点数；

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，…，t_N，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；

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。

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f_k，然后从下一个频点f_k+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f_R，然后从下一个频点f_R+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f_R+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。

S504、根据得到的电流信号与磁场信号，计算出视电阻率、视相位。

包括利用如下公式(1)、(2)计算视电阻率：

利用如下公式(3)计算视相位：

H_Z为测量得到的磁场信号强度；I为与H_Z对应时刻的电流信号强度；为所述两个发射电极之间的距离；r为地面电性源发射系统与空中电磁接收系统之间的距离；k为波数；α为地面电性源发射系统与空中电磁接收系统之间的连线与两个发射电极之间连线的夹角；e为常数；ρ为视电阻率；f为系统扫描频率；u为磁导率；φ为视相位；为磁场相位；φ_I为电流相位。

基于计算得到的视电阻率与视相位，按照已有公知技术进行反演，得到地下土层的电性模型，为地质电性研究领域相关应用提供技术支持。本方案与常规为接收机设置固定轨道的方式相比，只需要对无人机飞行路径进行规划设置即可，一是使得操作更加方便快捷，测试效率高；二是可以降低探测成本，因此可推广使用。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航空电磁探测系统，其特征在于，包括地面电性源发射系统与空中电磁接收系统，所述地面电性源发射系统按照预定扫频频率发射交流电磁信号，并记录发射电流信号；所述地面电性源发射系统包括高频发射机和电源，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、第一控制器、电流采集器、霍尔传感器和第一GPS模块，所述第一控制器分别与所述第一GPS模块、所述H桥以及所述电流采集器连接，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；其中，所述第一GPS模块接收信号并发出时间信号给所述第一控制器，所述第一控制器根据所述时间信号发出双波控制信号控制所述H桥导通，所述H桥产生同频率的电流信号给所述两个发射电极，所述电流采集器通过所述霍尔传感器采集发射电极的电流反馈至所述第一控制器；

所述空中电磁接收系统包括磁探头、采集系统和无人机，所述磁探头与采集系统电连接，通过所述无人机空中飞行带动所述磁探头与所述采集系统移动，并按照所述预定扫频频率接收垂直方向的磁场信号；通过测量得到的所述磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位。

2.如权利要求1所述的航空电磁探测系统，其特征在于，所述采集系统包括依次电连接的放大器、AD转换器、FPGA、第二控制器以及第二GPS模块，所述放大器输入端与所述磁探头连接。

3.如权利要求1所述的航空电磁探测系统，其特征在于，所述两个发射电极的距离为200～1000m。

4.如权利要求1所述的航空电磁探测系统，其特征在于，所述高频发射机发射的频率范围为4Hz～81.92KHz。

5.如权利要求1所述的航空电磁探测系统，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。

6.如权利要求1-5任一项所述的航空电磁探测系统，其特征在于，所述无人机飞行轨迹与所述两个发射电极之间的连线平行，且水平距离为1km～3km，飞行高度不高于100米。

7.如权利要求1-5任一项所述的航空电磁探测系统，其特征在于，所述通过测量得到的所述磁场信号以及与该磁场信号对应的电流信号，计算视电阻率、视相位，包括利用如下公式(1)、(2)计算视电阻率：

利用如下公式(3)计算视相位：

所述H_Z为所述测量得到的所述磁场信号强度；所述I为与所述H_Z对应时刻的电流信号强度；所述为所述两个发射电极之间的距离；所述r为所述地面电性源发射系统与所述空中电磁接收系统之间的距离；所述k为波数；所述α为所述地面电性源发射系统与所述空中电磁接收系统之间的连线与所述两个发射电极之间连线的夹角；所述e为常数；所述ρ为视电阻率；所述f为系统扫描频率；所述u为磁导率；所述φ为视相位；所述为磁场相位；所述φ_I为电流相位。

8.一种航空电磁探测方法，其特征在于，包括：

在待测地表区域构建地面电性源发射系统；

在所述地面电性源发射系统所发射电磁场量测范围内，构建空中电磁接收系统，包括磁探头、采集系统和无人机，所述磁探头与采集系统电连接；通过所述无人机空中飞行带动所述磁探头与所述采集系统移动，以采集垂直方向的磁场信号；

所述地面电性源发射系统和所述空中电磁接收系统，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，所述地面电性源发射系统采集发射电极的电流信号，所述空中电磁接收系统采集垂直方向的磁场信号；

根据得到的电流信号与磁场信号，计算出视电阻率、视相位。

9.如权利要求8所述的航空电磁探测方法，其特征在于，所述基于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包括：

假定需要测量的频率值依次为f₁，f₂，…，f_N，N为频点数；

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，…，t_N，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；

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。