CN110989010A - 一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置及勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理勘探设备领域，涉及一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置及勘探方法。该装置包括：拖拽车平台与高度可调的高台，拖拽车平台与高台平行放置，拖曳车平台铺设有发射线圈，高台平面铺设有接收线圈及磁补偿环，且接收线圈跨发射线圈偏心铺设，所述磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于阈值为条件进行移动调节。本发明采用双平台结构，接收线圈铺设于拖曳平台之上的高台处，此高台平面的磁场强度变化程度相对较平缓，实现发射线圈与接收线圈的弱耦合，且在后续的调节过程中使得装置结构物理误差的影响降到最低。

Description

一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置及勘探方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置及勘探方法。

背景技术

瞬变电磁法(Time domain electromagnetic methods，TEM)是一种基于楞次定律的地球物理勘探方法，由于其对低阻体敏感的特性，已经成为解决地质结构探测，地质资源勘探等问题的重要方法。地面TEM发射对接收线圈的耦合作用，使得接收系统获取的信号不仅包括有效的二次场早期信号，还包括无用的一次场干扰信号。由于TEM的早期信号携带着浅层地质信息，如果在关断时间内的一次场信号过强，将造成浅层地质信息丢失。因此，如何衰减发射对接收的耦合影响是解决TEM浅层盲区的关键。

专利授权号201010114534.9的《一种电磁法勘查的发送接收一体化方法及装置》，文中公开了一种使用双接收线圈消除一次场干扰的方法，在该方法中，通过调节发射线圈内的、外的接收线圈匝数实现一次场抵消。但是在实际应用中，难以实现两个接收线圈均为整数匝的情况，使得关断期间一次场的干扰难以通过这种方法精密消除；且这种接收线圈采用集中式绕制，自感量较大，易造成接收信号的失真。

专利授权号201710014564.4的《电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法》采用n个接收线圈的方法，对于小发射线圈在一定程度上缓解了上述情况，但是对于拖曳式瞬变电磁系统来说，在发射线圈边长达到2m以上时，采用上述方法，进行n个接收线圈的铺设，不仅会造成系统行进出现障碍，并且n个接收线圈结构复杂、铺设繁琐、位置固定困难，难以在拖曳式瞬变电磁系统中进行有效利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置及勘探方法，解决一次场干扰过大的问题。

本发明是这样实现的，

一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置，该装置包括：

拖拽车平台与高度可调的高台，拖拽车平台与高台平行放置，拖曳车平台铺设有发射线圈，高台平面铺设有接收线圈及磁补偿环，且接收线圈跨发射线圈偏心铺设，所述磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于阈值为条件进行移动调节。

进一步，通过发射机向发射线圈通入1KHz、1A正弦电流，观察接收信号，确定接收线圈的补偿效果，若接收信号小于阈值V₁，其中V₁为接收机的本底噪声幅值，则此时达到预期补偿效果；若接收信号大于阈值V₁，则认为此时一次场未完全补偿，向发射线圈内移动接收线圈，若接收信号减小，说明此时一次场干扰有残余，继续向内移动直至接收信号最小；若向发射线圈外移动接收线圈，接收信号增大，此时一次场干扰补偿过量，继续向外移动直至接收信号最小。

进一步，若最小接收信号小于阈值V₁，将所述接收线圈与磁补偿环串联设置，若串联磁补偿环后接收信号变大，则将磁补偿环移至与发射线圈一个条线对称的位置，该条线是接收线圈所跨的发射线，并将磁补偿环向发射线圈内部移动，直至接收信号小于阈值V₁；阈值为接收系统本底噪声，若串联磁补偿环后接收信号变小，则将磁补偿环向发射线圈外部移动，直至接收信号小于阈值V₁。

进一步，所述磁补偿环的匝数为1匝直径约为1～2cm。

进一步，根据发射匝数N_T及发射电流强度I_T调整两平台间距，发射强度越大间距越大，间距

此间距与发射电流强度、发射线圈匝数正相关，最低10cm，最高50cm。

进一步，射线圈边长或直径范围0.5m-6m，接收线圈边长或直径范围0.1m-2m。

一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探方法，该方法包括：

1)铺设线圈结构，拖曳车平台发射线圈，高台平面铺设接收线圈及磁补偿环，且接收线圈跨发射线圈偏心铺设，所述磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于阈值为条件进行移动调节；

2)调整磁补偿环和发射线圈位置至一次场完全补偿，并固定磁补偿环和发射线圈位置；

3)激发和采集，发射线圈通入电流强度为I_T、电流频率为f_o的双矩形波，并同步接收瞬变电磁的二次场信号。

进一步，所述步骤2)中包括：

通过发射机向发射线圈通入1KHz、1A正弦电流，通过工控机观察接收信号，确定接收线圈的补偿效果，若接收信号小于阈值V₁，其中V₁为接收机的本底噪声幅值，则认为此时达到预期补偿效果；若接收信号大于阈值V₁，则认为此时一次场未完全补偿，向发射线圈内移动接收线圈，若接收信号减小，说明此时一次场干扰有残余，继续向内移动直至接收信号最小；若向发射线圈外移动接收线圈，接收信号增大，说明此时一次场干扰补偿过量，继续向外移动直至接收信号最小；若此最小接收信号小于阈值V₁，则认为此时达到预期补偿效果；若此最小接收信号大于阈值V₁，则将磁补偿环通过双绞线与接收线圈串联，磁补偿环初始位置在高台上，与发射线圈共中心；

若串联磁补偿环后接收信号变大，则将磁补偿环移至与发射线圈对称的位置，并将磁补偿环向发射线圈内部移动，直至接收信号小于阈值V₁；若串联磁补偿环后接收信号变小，则将磁补偿环向发射线圈外部移动，直至接收信号小于阈值V₁。

进一步，所述磁补偿环的匝数为1匝直径约为1～2cm。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

(1)本发明采用双平台结构，接收线圈铺设于拖曳平台之上的高台处，此高台平面的磁场强度变化程度相对较平缓，实现发射线圈与接收线圈的弱耦合，且在后续的调节过程中使得装置结构物理误差的影响降到最低，为消除发射线圈对接收线圈耦合影响奠定了基础；

(2)本发明采用接收线圈偏心自补偿结构，接收线圈感应的一次场包括两个反向部分，彼此互相抵消，在不影响二次场信号接收的同时，通过调节接收线圈的位置可以使得接收线圈感应的一次场近乎为零；

(3)本发明采用面积极小的磁补偿环结构，由于通过磁补偿环的磁通量非常微弱，通过调节磁补偿环位置，能够实现接收线圈对一次场补偿量的精密调节，有效解决传统补偿线圈的一次场干扰残余和一次场补偿过量问题，可以完全消除发射对接收的耦合影响，而且不受线圈尺寸的限制。

附图说明

图1为本发明系统结构及线圈铺设方式机械结构示意图；

图2为本发明系统结构及线圈铺设方式电路框图；

图3为本发明工作方法流程中线圈结构铺设及一次场补偿调节流程图；

图4为本发明工作方法磁补偿环位置调节流程图；

图5为本发明工作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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置，采用双平台结构，拖拽车平台A与高度可调的高台B，两个平台平行放置；该系统包括发射机、接收机、发射线圈、接收线圈以及磁补偿环；其中，发射线圈铺设于拖曳车平台，接收线圈及磁补偿环铺设于高台平面，且接收线圈跨发射线铺设；接收线圈跨发射线圈偏心铺设，磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于阈值为条件进行移动调节。

参见图2所示，基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置的电路结构，包括：

发射机由电流传感器7与发射控制器4连接，发射控制器4经可调恒流DC-DC变换器5与H桥斩波电路6连接构成；

发射控制器4用于系统参数的接收与发射参数的控制；

可调恒流DC-DC变换器5在发射控制器4控制下，用于电压变换，产生恒定电流驱动H桥斩波电路6向发射线圈1通入发射电流；

电流传感器7用于监测发射电流的大小，并将信号输送至发射控制器4用于发射电流调控；

接收机由前置放大器8经信号调理电路9与数据采集卡10连接，数据采集卡10与接收控制器11、工控机12双向连接，工控机12经接收控制器11与数据采集卡10、发射控制器4连接构成；

前置放大器8用于对接收线圈2产生的TEM电信号进行放大；

信号调理电路9用于将前置放大器8输出的差分电信号转换为数据采集卡10可识别的标准电信号；

数据采集卡10用于将调理后的模拟电信号转换成数字电信号，并将其传输至工控机12；

接收控制器11用于向发射控制器4发送同步信号、控制指令和系统参数；

工控机12，与所述接收控制器11建立通讯连接，显示系统工作状态，并存储系统测量结果；

线圈包括发射线圈1，接收线圈2与磁补偿环3；

接收线圈2跨发射线圈1的发射线偏心铺设；

进一步的，发射线圈1边长或直径范围0.5m-6m，接收线圈2边长或直径范围0.1m-2m；

所述接收线圈2与磁补偿环3均位于距拖拽车平台高度可调的高台上，此高台所处平面磁场变化程度较为缓慢，可以更快更好、更精密的进行一次场干扰消除的调节；

所述磁补偿环3的直径为1～2cm，缠绕1匝线圈，所述磁补偿线圈3与接收线圈2通过双绞线串联以避免发射磁场和环境电磁噪声产生额外的干扰，用于精密调节接收线圈2磁通量；

进一步的，补偿效果通过阈值既系统本底噪声V₁评估；

进一步的，所述高度h调节依据为：

h调节范围为10cm-50cm，其中，N_T是发射匝数，I_T是发射电流强度；根据发射匝数N_T及发射电流强度I_T调整两平台间距，发射强度越大间距越大，间距

此间距与发射电流强度、发射线圈匝数正相关。

一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探方法，包括以下步骤：

1)铺设线圈结构，拖曳车平台发射线圈，高台平面铺设接收线圈及磁补偿环，且接收线圈跨发射线圈偏心铺设，所述磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于系统本底噪声为条件进行移动调节；

2)调整磁补偿环和发射线圈位置至一次场完全补偿，并固定磁补偿环和发射线圈位置；

3)激发和采集，发射线圈通入电流强度为I_T、电流频率为f_o的双矩形波，并同步接收瞬变电磁的二次场信号。

步骤1)中：线圈铺设：在拖曳车平台上，铺设边长为L_T、匝数为N_T的发射线圈1，在距离拖曳车平台高度可调的高台上，铺设跨发射线且边长为L_R、匝数为N_R的接收线圈2并在高台上铺设匝数为1匝的磁补偿环3；要求磁补偿环3的直径约为1～2cm，且磁补偿环3初始位置与发射线圈1同中心；

参见图3所示，步骤2)中通过发射机向发射线圈1通入1KHz、1A正弦电流，通过工控机12观察接收信号，确定接收线圈2的补偿效果，若接收信号小于阈值V₁，其中V₁为接收机的本底噪声幅值，则认为此时达到预期补偿效果；若接收信号大于阈值V₁，则认为此时一次场未完全补偿，向发射线圈1内移动接收线圈2，若接收信号减小，说明此时一次场干扰有残余，继续向内移动直至接收信号最小；若向发射线圈1外移动接收线圈2，接收信号增大，说明此时一次场干扰补偿过量，继续向外移动直至接收信号最小；若此最小接收信号小于阈值V₁，则认为此时达到预期补偿效果；若此最小接收信号大于阈值V₁，则将磁补偿环3通过双绞线与接收线圈1串联，磁补偿环3初始位置在高台上，与发射线圈1共中心，磁补偿环位置调节过程如图4所示，若串联磁补偿3环后接收信号变大，则将磁补偿环3移至与接收线圈所跨的发射线对称的位置，并将磁补偿环3向发射线圈1内部移动，直至接收信号小于阈值V₁；若串联磁补偿环3后接收信号变小，则将磁补偿环3向发射线圈1外部移动，直至接收信号小于阈值V₁。直到工控机12接收到的接收线圈2信号只包含二次场信号，固定接收线圈2及磁补偿环3位置；

步骤3)系统激发和采集过程，如图5所示：

3a)、发送指令：工控机12向接收控制器11发送电流激发和数据采集过程指令及整个系统的工作参数，接收控制器11将激发采集指令及系统参数发送至发射控制器4和数据采集卡10，其中系统工作参数包括叠加次数n、发射电流强度I_T、发射线圈的半径L_T、发射线圈的匝数N_T、发射电流频率f_o；

3b)、激发和采集：接收控制器11通过信号同步线向发射控制器4和数据采集卡10发送同步信号；发射控制器4通过控制可调横流DC-DC变换器5进一步控制H桥斩波电路6向发射线圈1通入电流强度为I_T、电流频率为f_o的双矩形波；

接收机部分通过接收线圈2将瞬变电磁的二次场信号转换为电信号，此接收信号经过前置放大电路8和信号调理电路9后送到数据采集卡10，将模拟电信号转换为数字电信号，并将此数字电信号传输至工控机12进行显示和存储等后续处理；

3c)、叠加测量：根据设置的叠加次数，重复执行步骤2b，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 (9)

1.一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探装置，其特征在于，该装置包括：

拖拽车平台与高度可调的高台，拖拽车平台与高台平行放置，拖曳车平台铺设有发射线圈，高台平面铺设有接收线圈及磁补偿环，且接收线圈跨发射线圈偏心铺设，所述磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于阈值为条件进行移动调节。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，通过发射机向发射线圈通入1KHz、1A正弦电流，观察接收信号，确定接收线圈的补偿效果，若接收信号小于阈值V₁，其中V₁为接收机的本底噪声幅值，则此时达到预期补偿效果；若接收信号大于阈值V₁，则认为此时一次场未完全补偿，向发射线圈内移动接收线圈，若接收信号减小，说明此时一次场干扰有残余，继续向内移动直至接收信号最小；若向发射线圈移动接收线圈，接收信号增大，此时一次场干扰补偿过量，继续向外移动直至接收信号最小。

3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，若最小接收信号小于阈值V₁，将所述接收线圈与磁补偿环串联设置，若串联磁补偿环后接收信号变大，则将磁补偿环移至与发射线圈一个条线对称的位置，该条线是接收线圈所跨的发射线，并将磁补偿环向发射线圈内部移动，直至接收信号小于阈值V₁；阈值为接收系统本底噪声，若串联磁补偿环后接收信号变小，则将磁补偿环向发射线圈外部移动，直至接收信号小于阈值V₁。

4.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述磁补偿环的匝数为1匝直径约为1～2cm。

5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，根据发射匝数N_T及发射电流强度I_T调整两平台间距，发射强度越大间距越大，间距

此间距与发射电流强度、发射线圈匝数正相关，最低10cm，最高50cm。

6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，射线圈边长或直径范围0.5m-6m，接收线圈边长或直径范围0.1m-2m。

7.一种基于偏心线圈补偿的瞬变电磁勘探方法，其特征在于，该方法包括：

1)铺设线圈结构，拖曳车平台发射线圈，高台平面铺设接收线圈及磁补偿环，且接收线圈跨发射线圈偏心铺设，所述磁补偿环初始位置在高台上，并与发射线圈共中心，磁补偿环位置根据接收信号小于阈值为条件进行移动调节；

2)调整磁补偿环和发射线圈位置至一次场完全补偿，并固定磁补偿环和发射线圈位置；

3)激发和采集，发射线圈通入电流强度为I_T、电流频率为f₀的双矩形波，并同步接收瞬变电磁的二次场信号。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中包括：

通过发射机向发射线圈通入1KHz、1A正弦电流，通过工控机观察接收信号，确定接收线圈的补偿效果，若接收信号小于阈值V₁，其中V₁为接收机的本底噪声幅值，则认为此时达到预期补偿效果；若接收信号大于阈值V₁，则认为此时一次场未完全补偿，向发射线圈内移动接收线圈，若接收信号减小，说明此时一次场干扰有残余，继续向内移动直至接收信号最小；若向发射线圈外移动接收线圈，接收信号增大，说明此时一次场干扰补偿过量，继续向外移动直至接收信号最小；若此最小接收信号小于阈值V₁，则认为此时达到预期补偿效果；若此最小接收信号大于阈值V₁，则将磁补偿环通过双绞线与接收线圈串联，磁补偿环初始位置在高台上，与发射线圈共中心；

若串联磁补偿环后接收信号变大，则将磁补偿环移至与发射线圈对称的位置，并将磁补偿环向发射线圈内部移动，直至接收信号小于阈值V₁；若串联磁补偿环后接收信号变小，则将磁补偿环向发射线圈外部移动，直至接收信号小于阈值V₁。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述磁补偿环的匝数为1匝直径约为1～2cm。

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