CN110488357B - 一种基于squid的分离式瞬变电磁测量补偿系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统和控制方法，补偿系统通过大功率发射系统和发射线圈提供交变磁场，利用补偿发射机和补偿线圈实现一次场抵消，用SQUID采集二次场数据给磁场收录系统；发射线圈与补偿线圈缠绕方向相反，与SQUID同心共面放置；匹配装置包括程控开关和匹配电阻网络。通过程控开关控制匹配电阻网络接入线圈回路的时序，既吸收线圈能量降低发射磁场幅值，又避免线圈内产生的涡流干扰二次场测量；通过调整补偿发射机工作参数进行一次场抵消，降低关断时间内磁场变化率以满足超导摆率。该系统及控制方法能有效解决SQUID的失锁问题，有利于提高系统的性能和稳定性。

Description

一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统和控制方法
技术领域
本发明涉及瞬变电磁探测领域，特别涉及一种基于超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Devices,SQUID)的分离式瞬变电磁测量补偿系统和控制方法。
背景技术
瞬变电磁法又称时间域电磁感应法(TEM)，原理是向大地提供激励磁场，使地下介质发生涡流效应并产生二次场，通过测量二次感应磁场获得地下电导率信息。因此，为获得较大的激励磁场，目前的瞬变电测探测系统通常采用大功率发射机向发射线圈提供较大的电流和较短的关断时间，采用小线圈、磁棒或以超导量子干涉器(SQUID)为传感器进行磁场的接收。其中，SQUID凭借磁场分辨率极高和能直接测量磁场的优点，逐渐增大了在瞬变电磁领域的应用。
SQUID的读出电路实际上为锁相闭环系统，只有在系统正常工作即锁相时，SQUID的读出电路输出值才与被测场值一一对应，因此SQUID的摆率指标非常重要。摆率指标是指在外场作用下系统电路能跟踪住外场不失锁的能力，但高温SQUID由于磁场分辨率极高，在接收时会获得极为丰富的信号，超出摆率范围。当发射电流较大、关断时间较短或发射线圈与SQUID距离较近时，都会导致一次场的磁场变化率过大，使SQUID失锁。
CN108535667A公开了一种基于双补偿线圈的航空磁场补偿多线圈系统，该系统利用双补偿线圈对一次场信号进行补偿，防止一次场信号过大使接收机早期信号饱和，但该系统采用接收线圈采集磁场，和SQUID相比，接收线圈的带宽较小，测量精度低，无法满足大深度、大动态范围的探测需求。
CN105676295A公开了一种联合探测系统与方法，特别涉及一种基于SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测系统与方法。该方法采用SQUID代替小线圈测量磁场，但并未考虑外界场磁场变化率过大导致SQUID的失锁问题，同时忽略了线圈与匹配电阻构成的闭合回路所产生的涡流对二次场测量的干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统和控制方法解决瞬变电磁探测中SQUID的失锁问题，提高磁场测量精度。
本发明是这样实现的，
一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统，该系统包括:
发射线圈；
补偿线圈，与所述发射线圈同心共面放置，缠绕方向与所述发射线圈相反；
SQUID，与所述发射线圈以及所述补偿线圈同心共面放置，
大功率发射系统，与发射线圈相连，向发射线圈提供双极性发射电流，记录发射电流参数；
补偿发射机，向补偿线圈提供双极性补偿电流实现一次场抵消；
磁场收录系统，通过SQUID采集二次场数据并收录磁场数据。
进一步地，大功率发射系统、磁场收录系统和补偿发射机通过GPS同步。
进一步地，所述系统还包括第一匹配装置与第二匹配装置，所述第一匹配装置与所述发射线圈并联形成闭合回路；第二匹配装置与所述补偿线圈并联形成闭合回路。
进一步地，所述第一匹配装置与第二匹配装置结构相同均包括一个程控开关以及多个电阻并联组成的匹配电阻网络，每个电阻均串联一个开关，通过控制与电阻串联的开关调整匹配电阻网络的阻值。
进一步地，通过设置程控开关的时序控制匹配电阻网络是否接入线圈回路，在电流上升沿开始前将匹配电阻网络接入，闭合发射回路和补偿回路；在电流下降沿结束后将匹配电阻网络移除，切断发射回路和补偿回路；控制与电阻串联的开关调整匹配电阻网络阻值，消除振铃效应。
一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿方法，该方法包括：
铺设发射线圈和补偿线圈，令发射线圈与补偿线圈缠绕方向相反，与SQUID同心共面放置，将第一匹配装置与发射线圈并联，第二匹配装置与补偿线圈并联，通过大功率发射系统向发射线圈提供双极性发射电流，记录发射电流参数；
根据记录的发射电流及计算得出的关断时间内磁场变化率，设置程控开关的控制时序和补偿发射机的补偿参数；
补偿发射机向补偿线圈提供双极性补偿电流；
通过SQUID和磁场收录系统采集并收录磁场数据。
进一步地，通过设置程控开关的时序来控制匹配电阻网络是否接入线圈回路，在电流上升沿开始前将匹配电阻网络接入，闭合发射回路和补偿回路；在电流下降沿结束后将匹配电阻网络移除，切断发射回路和补偿回路。
进一步地，补偿发射机的工作参数包括补偿电流幅值、周期、上升时间和关断时间，通过控制补偿发射机的工作参数进行一次场抵消，其中补偿电流和发射电流的周期、上升时间和关断时间相等，补偿电流幅值I2max与发射电流幅值I1max的关系为
Figure BDA0002121505570000031
其中L2是补偿线圈半径，L1是发射线圈半径，N1和N2为发射线圈和补偿线圈的匝数。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明突破了SQUID在瞬变电磁探测中对工作环境要求的限制，针对SQUID在实际TEM探测中关断时间内的磁场变化率易超出了SQUID的摆率范围，用补偿线圈进行一次场补偿，降低关断时间内磁场变化率，使SQUID处于失锁不工作状态，设计并实现了针对SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统，将补偿发射机和补偿线圈完全独立，通过程控开关控制匹配电阻网络接入线圈回路的时序，既吸收线圈能量降低发射磁场幅值，又避免线圈内产生的涡流干扰二次场测量；通过调整补偿发射机工作参数进行一次场抵消，降低关断时间内磁场变化率以满足超导摆率。该系统及控制方法能有效解决SQUID在磁场测量中失锁问题，有利于提高系统的探测精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为匹配装置的结构示意图；
图3为发射电流、补偿电流和补偿开关时序图；
图4为SQUID测量的磁场数据图；
图5为SQUID失锁状态图；
图6为SQUID工作状态图。
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，本发明提供的基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统，包括大功率发射系统1、发射线圈2、SQUID7和磁场收录系统8、补偿发射机3、补偿线圈6和第一匹配装置4和第二匹配装置5，通过大功率发射系统1和发射线圈2提供交变磁场，利用补偿发射机3和补偿线圈6实现一次场抵消，用SQUID7采集二次场数据给磁场收录系统8，大功率发射系统1、磁场收录系统8和补偿发射机3三者通过GPS同步，发射线圈2与补偿线圈6缠绕方向相反，且发射线圈2、补偿线圈6与SQUID7同心共面放置。
参见图2所示，第一匹配装置4以及第二匹配装置5由程控开关9和匹配电阻网络10组成；匹配电阻网络10包括多个并联的电阻，每个电阻均有串联一开关。大功率发射系统1与发射线圈2相连，第一匹配装置与发射线圈2并联形成闭合回路；补偿发射机3与补偿线圈6相连，第二匹配装置与补偿线圈6并联形成闭合回路；且发射部分与补偿部分相互分离，完全独立。
本发明提供的基于SQUID的分离式瞬变电磁测量控制方法，包括以下步骤：
步骤一、铺设发射线圈2和补偿线圈6，令发射线圈2与补偿线圈6缠绕方向相反，与SQUID7同心共面放置，第一匹配装置与发射线圈2并联，第二匹配装置与补偿线圈6并联，大功率发射系统1向发射线圈2提供双极性发射电流，记录发射电流参数，其中发射线圈2一般选择20m的正方形回线，补偿线圈6一般选择1m圆形回线。
步骤二、根据记录的发射电流及计算得出的关断时间内磁场变化率
Figure BDA0002121505570000051
其中H为磁场强度，Toff为关断时间，μ为磁导率，I’dl’为线元电流，R为相对位置矢量。设置程控开关9的控制时序和补偿发射机3的补偿参数。
其中通过设置程控开关9的时序来控制匹配电阻网络是否接入线圈回路，在电流上升沿开始前将匹配电阻网络接入，闭合发射回路和补偿回路；在电流下降沿结束后将匹配电阻网络移除，切断发射回路和补偿回路；既吸收线圈能量降低发射磁场幅值，又实现两个线圈回路的通断，避免地面发射能量的释放使发射线圈2和补偿线圈6内产生涡流，对二次磁场测量造成干扰；控制程控开关9调整匹配电阻网络10阻值，使下降沿的纹波减小，消除振铃效应。
其中的补偿发射机3的工作参数包括补偿电流幅值、周期、上升时间和关断时间，补偿电流和发射电流的周期、上升时间和关断时间相等，补偿电流幅值I2max与发射电流幅值I1max的关系为
Figure BDA0002121505570000061
其中L2是补偿线圈6半径，L1是发射线圈2半径，N1和N2为发射线圈和补偿线圈的匝数，通过控制补偿发射机3的工作参数进行一次场抵消，降低关断时间内磁场变化率以满足SQUID7摆率。
参见图3所示，补偿发射机3以及大功率发射系统1的时序相同，程控开关的时序在电流上升沿开始前将匹配电阻网络接入，闭合发射回路和补偿回路；在电流下降沿结束后将匹配电阻网络移除，切断发射回路和补偿回路，GPS在上升沿开始时提供触发脉冲。
步骤三、大功率发射系统1、磁场收录系统8和补偿发射机3通过GPS同步，补偿发射机3向补偿线圈6提供双极性补偿电流。
步骤四、SQUID7和磁场收录系统8采集并收录磁场数据，为后续电阻率-深度成像提供数据。
如图4所示为SQUID测量的磁场数据图，体现出补偿线圈对发射磁场进行充分抵消，且匹配装置能够避免线圈内产生的涡流干扰二次磁场的测量。
如图5所示为SQUID失锁状态图，如图6所示为SQUID工作状态图，通过本发明解决了SQUID在瞬变电磁实际探测中的失锁问题，充分验证了本发明的有效性，为SQUID在瞬变电磁探测领域的进一步应用扩大了范围。
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 (3)

1.一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿系统，其特征在于，该系统包括:
发射线圈；
补偿线圈，与所述发射线圈同心共面放置，缠绕方向与所述发射线圈相反；
SQUID，与所述发射线圈以及所述补偿线圈同心共面放置，
大功率发射系统，与发射线圈相连，向发射线圈提供双极性发射电流，记录发射电流参数；
补偿发射机，向补偿线圈提供双极性补偿电流实现一次场抵消；
磁场收录系统，通过SQUID采集二次场数据并收录磁场数据；
所述系统还包括第一匹配装置与第二匹配装置，所述第一匹配装置与所述发射线圈并联形成闭合回路；第二匹配装置与所述补偿线圈并联形成闭合回路；
所述第一匹配装置与第二匹配装置结构相同均包括一个程控开关以及多个电阻并联组成的匹配电阻网络，每个电阻均串联一个开关，通过控制与电阻串联的开关调整匹配电阻网络的阻值；
通过设置程控开关的时序控制匹配电阻网络是否接入线圈回路，在电流上升沿开始前将匹配电阻网络接入，闭合发射回路和补偿回路；在电流下降沿结束后将匹配电阻网络移除，切断发射回路和补偿回路；控制与电阻串联的开关调整匹配电阻网络阻值，消除振铃效应；
补偿发射机的工作参数包括补偿电流幅值、周期、上升时间和关断时间，通过控制补偿发射机的工作参数进行一次场抵消，其中补偿电流和发射电流的周期、上升时间和关断时间相等，补偿电流幅值I2max与发射电流幅值I1max的关系为
Figure FDA0002855205070000021
其中L2是补偿线圈半径，L1是发射线圈半径，N1和N2为发射线圈和补偿线圈的匝数。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，大功率发射系统、磁场收录系统和补偿发射机通过GPS同步。
3.一种基于SQUID的分离式瞬变电磁测量补偿方法，其特征在于，该方法包括：
铺设发射线圈和补偿线圈，令发射线圈与补偿线圈缠绕方向相反，与SQUID同心共面放置，将第一匹配装置与发射线圈并联，第二匹配装置与补偿线圈并联，通过大功率发射系统向发射线圈提供双极性发射电流，记录发射电流参数；
根据记录的发射电流及计算得出的关断时间内磁场变化率，设置程控开关的控制时序和补偿发射机的补偿参数；
补偿发射机向补偿线圈提供双极性补偿电流；
通过SQUID和磁场收录系统采集并收录磁场数据；
通过设置程控开关的时序来控制匹配电阻网络是否接入线圈回路，在电流上升沿开始前将匹配电阻网络接入，闭合发射回路和补偿回路；在电流下降沿结束后将匹配电阻网络移除，切断发射回路和补偿回路；
补偿发射机的工作参数包括补偿电流幅值、周期、上升时间和关断时间，通过控制补偿发射机的工作参数进行一次场抵消，其中补偿电流和发射电流的周期、上升时间和关断时间相等，补偿电流幅值I2max与发射电流幅值I1max的关系为
Figure FDA0002855205070000022
其中L2是补偿线圈半径，L1是发射线圈半径，N1和N2为发射线圈和补偿线圈的匝数。
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