CN111175834A

CN111175834A - 一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置及方法

Info

Publication number: CN111175834A
Application number: CN202010047090.5A
Authority: CN
Inventors: 张洋; 殷光耀; 严复雪; 林君
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: CN111175834B

Abstract

本发明涉及一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置及方法，采用拖车平台，在拖车平台上设置有一与拖车平台平行放置的圆平台；将发射线圈为矩形铺设于拖车平台上，圆形的中心线圈铺设在发射线圈中心位置，圆形的偏心线圈铺设于圆平台上，且偏心线圈跨发射线圈铺设，由所述发射机控制通过发射线圈发射电流，通过偏心线圈和中心线圈感应电信号经由各自的放大器放大后传输至接收机。采用双平台结构以实现早期和晚期的纯二次场信号，并实现接收线圈内的磁通量的精密调节，实现接收不受一次场的影响，获取早期的纯二次场信号；通过开关和调控时序控制中心线圈在避开一次场影响后的时间段内启动工作，获取晚期的纯二次场信号。

Description

一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置及方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置及方法。

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。由于发射线圈对接收线圈耦合作用，使得接收系统获取的信号不仅包括有用的二次场早期信号，还包括无用的一次场信号。然而一次场信号往往信号强度很高，掩盖了携带浅层地层信息的二次场早期信号，造成了浅层地层信息的丢失；同时，二次场晚期信号极其微弱，难以精确检测。；二次场信号的动态范围大，早期到晚期的信号幅值可以从几十毫伏衰减到零点几微伏，十分容易造成放大器的饱和，所以难以完整的二次场信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置及方法，解决早期信号受一次场干扰严重、晚期信号微弱难以检测，信号动态范围大导致放大器饱和及二次场信息不准确的问题。

本发明是这样实现的。一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置，包括由发射机和接收机构成的发射与接收控制系统，还包括：一拖车平台，在拖车平台上设置有一与拖车平台平行放置的圆平台；将发射线圈铺设于拖车平台上，圆形的中心线圈铺设方形发射线圈中心位置，圆形的偏心线圈铺设于圆平台上，且偏心线圈跨发射线圈铺设，由所述发射机控制通过发射线圈发射电流，通过偏心线圈和中心线圈感应电信号经由各自的放大器放大后传输至接收机。

进一步地，所述中心线圈包括上下同心同径同匝数的第一中心线圈和第二中心线圈，第一中心线圈的引出端为第一端口和第二端口，第二中心线圈的引出端为第三端口和第四端口，所述第二端口与所述第三端口之间连接第一开关，第三端口通过第三开关连接至一第二前置放大器的一端，所述第一端口连接至第二前置放大器的另一端；所述第四端口通过第四开关连接至第二端口；所述第四端口通过第二开关连接至第三端口铜连接在第二前置放大器，由接收机的接收控制器控制各开关闭合时序，用于测量中晚期二次场信号。

进一步地，偏心线圈的位置的确认包括：通过发射机向发射线圈通入1kHz、2A正弦电流，观察接收信号，确定偏心线圈的补偿效果，若接收信号小于设定值V₁，则认为此时达到预期补偿效果，偏心线圈的位置固定；若此时接收信号大于设定值V₁，则将偏心线圈向发射线圈内移动，若发现接收信号减小，说明此时一次场仍有干扰，继续向内移动偏心线圈直到接收信号最小，此时固定偏心线圈的位置；若偏心线圈向发射线圈内移动时，发现接收信号没有减小并且增大，此时说明一次场补偿过量，则将偏心线圈向发射线圈外移动，直到接收信号达到最小，并且小于设定值V₁，固定偏心线圈的位置。

一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测方法，包括如下的步骤：

S1线圈铺设；

S2接收控制器控制中心线圈中的开关使得第一中心线圈与第二中心线圈为并联结构，通过中心线圈接收信号向第二前置放大器输入差分信号，防止第二前置放大器饱和；

S3接收控制器给发射控制器发送采集和同步信号，发射机通过发射线圈发射双极性矩形波；

S4判断是否达到关断时间；

S5若达到，则接收控制器控制采集卡开始工作，接收机通过偏心线圈检测二次场信号；

S6判断是否达到设定时间；

S7若达到，则接收控制器控制开关使得第一中心线圈与第二中心线圈串联后，接收机通过中心线圈和偏心线圈同时检测二次场信号；

S8判断是否达到设定时间；

S9若达到，则接收控制器控制采集卡不接收偏心线圈信号，通过中心线圈检测二次场信号；

S10判断是否达到设定时间；

S11若达到，则断开中心线圈与采集卡的连接。

进一步地，S1中线圈铺设包括：采用拖车平台，在拖车平台上设置有一与拖车平台平行放置的圆平台；将发射线圈铺设于拖车平台上，圆形的中心线圈铺设方形发射线圈中心位置，圆形的偏心线圈铺设于圆平台上，且偏心线圈跨发射线圈铺设，由所述发射机控制通过发射线圈发射电流，通过偏心线圈和中心线圈感应电信号经由各自的放大器放大后传输至接收机。

进一步地，S1中确认偏心线圈的位置包括：通过发射机向发射线圈通入1kHz、2A正弦电流，观察接收信号，确定偏心线圈的补偿效果，若接收信号小于设定值V₁，则认为此时达到预期补偿效果，偏心线圈的位置固定；若此时接收信号大于设定值V₁，则将偏心线圈向发射线圈内移动，若发现接收信号减小，说明此时一次场仍有干扰，继续向内移动偏心线圈直到接收信号最小，此时固定偏心线圈的位置；若偏心线圈向发射线圈内移动时，发现接收信号没有减小并且增大，此时说明一次场补偿过量，则将偏心线圈向发射线圈外移动，直到接收信号达到最小，并且小于设定值V₁，固定偏心线圈的位置。

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，偏心线圈铺设于拖曳平台之上的圆平台上，此圆平台的磁场强度变化程度相对较平缓，以圆平台的形式实现发射线圈与接收线圈的弱耦合，有利于实现接收线圈内的磁通量的精密调节，进而实现接收不受一次场的影响，获取纯二次场信号；

(2)本发明采用双接收线圈接收，通过自补偿的偏心线圈接收早期二次场信号，通过连接方式可调的中心接收线圈接收中晚期二次场信号，实现全时段二次场信号的高信噪比采集，为全地层地质解释提供有效数据；

(3)本发明通过对中心线圈中开关的时序控制，有效防止了前置放大器的饱和，避免了放大器由饱和恢复正常工作状态时间过长对于信号采集的影响，保证接收信号的正确性；

(4)本发明通过接收机通过中心线圈和偏心线圈重叠检测二次场信号，使两路信号进行相互验证，提高数据准确性，提升后续反演精度。

附图说明

图1为本发明系统结构及线圈铺设方式示意图；

图2为本发明电路结构及线圈铺设方式平面示意图；

图3为本发明中心线圈及开关结构示意图；

图4为本发明信号采集及中心线圈控制时序示意图；

图5为本发明偏心线圈结构铺设及一次场补偿调节流程图；

图6为本发明中心线圈开关控制时序及信号采集流程图；

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，一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置，采用拖车平台1A，拖车平台1A上带有一定高度的圆平台1B，两个平台平行放置；该勘探装置包括发射与接收控制系统1C，该系统是由发射机和接收机构成；还包括发射线圈1、中心线圈2、偏心线圈3；其中，发射线圈1为矩形，铺设于拖车平台上，中心线圈2铺设在矩形发射线圈中心位置，偏心线圈3铺设于圆平台上，且偏心线圈3跨发射线圈1铺设，部分面积与发射线圈重合，部分面积在发射线圈外部。

如图2所示，在电路的连接关系上，发射机包括电流传感器15采集发射线圈的电流信号与发射控制器6连接，发射控制器6经DC-DC变换器5、H桥斩波电路4与恒压钳位电路16向发射线圈提供发射电流。

发射控制器6用于系统参数的接收与发射参数的控制。

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

恒压钳位电路16，用于加快发射电流的快速关断，使矩形发射电流的下降沿接近线性并且快速关断到0V。

电流传感器15用于检测发射电流的大小，并将信号输送至发射控制器6用于发射电流调控。

接收机包括两路接收电路，一路包括第一前置放大器7，经第一信号调理电路8、第一数据采集卡9与接收控制器10和工控机11双向连接，一路包括第二前置放大器14经由第二信号调理电路13和第二数据采集卡12，与接收控制器10和工控机11双向连接，两个数据采集卡与接收控制器10、工控机11双向连接，工控机11经接收控制器10与两个数据采集卡、发射控制器6连接。

其中，第一前置放大器7和第二前置放大器14分别用于对偏心线圈3和中心线圈2产生的感应电信号进行放大；

第一信号调理电路8和第二信号调理电路13分别用于将第一前置放大器7和第二前置放大器14输出的放大信号转换为采集卡可识别的标准电信号；

第一数据采集卡9和第二数据采集卡12分别用于将调理后的两路模拟信号转换为两路数字信号，并将其传输至工控机11；

接收控制器10用于向发射控制器6发送同步信号、控制指令和系统参数并向中心线圈2发送控制指令，使开关闭合按控制命令执行；

工控机11，与所述接收控制器10建立通讯连接，显示系统工作状态，并存储接收数据。

线圈由一个发射线圈，两个接收线圈组成；

发射线圈1均匀铺设在拖车平台上，边长为a米，匝数为N₁

偏心线圈3跨发射线圈1的一边并在圆平台上铺设，直径为b米，匝数为N₂，用于减弱一次场对于偏心线圈3的干扰和测量早期二次场信号，即t_off到t₂时间内的二次场信号；

中心线圈2的结构如图3所示，中心线圈2在发射线圈1的中心铺设，由上下同心同径同匝数的第一中心线圈2A和第二中心线圈2B组成，中心线圈2的总匝数为N₃，直径为c米，第一开关K1、第二开关K2、第三开关S1和第四开关S2由接收控制器10控制开关闭合时序，用于测量中晚期二次场信号，即t₁到t₃时间内的二次场信号，避免第二前置放大器14饱和和增强中晚期二次场信号的耦合强度，提高系统信噪比。

一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁的探测方法，包括以下步骤：1)发射和接收线圈结构铺设及调整过程以2)信号采集过程：

其中，发射和接收线圈结构铺设及调整过程包括：

a)发射线圈铺设在拖车平台上，边长为a、匝数为N₁；

1b)在圆平台上铺设直径为b、匝数为N₂的圆形偏心线圈；

1c)确定偏心线圈的位置，通过发射机向发射线圈1通入1kHz、2A正弦电流，通过工控机11观察接收信号，确定偏心线圈3的补偿效果，若接收信号小于设定值V₁，则认为此时达到预期补偿效果，偏心线圈3的位置固定；若此时接收信号大于设定值V₁，则将偏心线圈3向发射线圈1内移动，若发现接收信号减小，说明此时一次场仍有干扰，继续向内移动偏心线圈3直到接收信号最小，此时固定偏心线圈3的位置；若偏心线圈3向发射线圈1内移动时，发现接收信号没有减小并且增大，此时说明一次场补偿过量，则将偏心线圈3向发射线圈1外移动，直到接收信号达到最小，并且小于设定值V₁，固定偏心线圈3的位置，如图5所示；

1d)在拖车平台上，在发射线圈1的中心处铺设中心线圈2，直径为c、匝数为N₃，如图3所示；

2)信号采集过程，如图6所示：

2a)信号采集及中心线圈2中开关时序如图4所示，接收控制器10控制中心线圈2中开关第三开关S1、第四开关S2闭合，第一开关K1、第二开关K2断开，此时第一中心线圈2A、第二中心线圈2B为并联结构，中心线圈2向第二前置放大器14输入差分信号，防止第二前置放大器饱和；

2b)工控机11向接收控制器10发送激发和采集指令并输入系统工作参数，其中系统工作参数包括发射电流强度i(t)、发射电流频率f₀；接收控制器10给发射控制器6发送采集指令和同步信号；发射控制器6通过H桥斩波电路4向发射线圈1通入电流强度为i(t)、电流频率为f₀的双矩形波，并通过恒压钳位电路16实现电流下降沿的快速关断；

2c)当发射电流为正半周期时，到达发射电流关断时间t_off，接收控制器10控制第一数据采集卡7开始工作，偏心线圈3接收的二次场信号通过第一前置放大器7和第一信号调理电路8后送到第一数据采集卡9，将模拟信号转换为数字信号，并将此路接收信号在工控机11上显示、存储，等待后续处理。如果没有到达关断时间t_off则保持原状态；

2d)当到达设定时间t₁时，接收控制器10控制中心线圈2中第三开关S1、第四开关S2断开，第一开关K1、第二开关K2闭合，第一中心线圈2A、第二中心线圈2B此时变为串联结构，增大中心线圈2对二次场的耦合强度，并控制第二数据采集卡12开始工作，中心线圈2接收的二次场信号通过第二前置放大器14和第二信号调理电路13后送到第二数据采集卡12，将此信号转换为数字信号，并将此数字信号在工控机11上显示。此时，中心线圈2和偏心线圈3同时接收二次场信号，并且将两路接收的二次场信号进行对比。如果没有到达设定时间t₁则保持原状态；

2e)当到达设定时间t₂时，接收控制器10停止第一数据采集卡9工作，停止传输通过偏心线圈3采集的二次场信号。这时，接收机只通过中心线圈2检测二次场信号。如果没有到达时间t₂则保持原状态；

2f)当到达设定时间t₃时，接收控制器10停止第二数据采集卡12关闭，并控制中心线圈2恢复到初始的并联状态，即第三开关S1、第四开关S2闭合，第一开关K1、第二开关K2断开。如果没有到达t₃则保持原状态；

2g)当到达发射电流负半周期时，重复上述2a)、2c)、2d)、2e)、2f)过程；

2h)当到达发射电流下一周期时，重复2a)、2c)、2d)、2e)、2f)、2g)过程。

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

1.一种基于全程采集技术的拖曳式瞬变电磁探测装置，包括由发射机和接收机构成的发射与接收控制系统，其特征在于，还包括：一拖车平台，在拖车平台上设置有一与拖车平台平行放置的圆平台；将发射线圈为矩形铺设于拖车平台上，圆形的中心线圈铺设在发射线圈中心位置，圆形的偏心线圈铺设于圆平台上，且偏心线圈跨发射线圈铺设，由所述发射机控制通过发射线圈发射电流，通过偏心线圈和中心线圈感应电信号经由各自的放大器放大后传输至接收机。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心线圈包括上下同心同径同匝数的第一中心线圈和第二中心线圈，第一中心线圈的引出端为第一端口和第二端口，第二中心线圈的引出端为第三端口和第四端口，所述第二端口与所述第三端口之间连接第一开关，第三端口通过第三开关连接至一第二前置放大器的一端，所述第一端口连接至第二前置放大器的另一端；所述第四端口通过第四开关连接至第二端口；所述第四端口通过第二开关连接至第三端口铜连接在第二前置放大器，由接收机的接收控制器控制各开关闭合时序，用于测量中晚期二次场信号。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，偏心线圈的位置的确认包括：通过发射机向发射线圈通入1kHz、2A正弦电流，观察接收信号，确定偏心线圈的补偿效果，若接收信号小于设定值V₁，则认为此时达到预期补偿效果，偏心线圈的位置固定；若此时接收信号大于设定值V₁，则将偏心线圈向发射线圈内移动，若发现接收信号减小，说明此时一次场仍有干扰，继续向内移动偏心线圈直到接收信号最小，此时固定偏心线圈的位置；若偏心线圈向发射线圈内移动时，发现接收信号没有减小并且增大，此时说明一次场补偿过量，则将偏心线圈向发射线圈外移动，直到接收信号达到最小，并且小于设定值V₁，固定偏心线圈的位置。

4.一种采用权利要求1-3任意一项所述装置的探测方法，其特征在于，包括如下的步骤：

S1线圈铺设；

S4判断是否达到关断时间；

S6判断是否达到设定时间；

S8判断是否达到设定时间；

S10判断是否达到设定时间；

S11若达到，则断开中心线圈与采集卡的连接。

5.按照要求4所述的方法，其特征在于，S1中线圈铺设包括：采用拖车平台，在拖车平台上设置有一与拖车平台平行放置的圆平台；将发射线圈铺设于拖车平台上，圆形的中心线圈铺设方形发射线圈中心位置，圆形的偏心线圈铺设于圆平台上，且偏心线圈跨发射线圈铺设，由所述发射机控制通过发射线圈发射电流，通过偏心线圈和中心线圈感应电信号经由各自的放大器放大后传输至接收机。

6.按照要求5所述的方法，其特征在于，S1中确认偏心线圈的位置包括：通过发射机向发射线圈通入1kHz、2A正弦电流，观察接收信号，确定偏心线圈的补偿效果，若接收信号小于设定值V₁，则认为此时达到预期补偿效果，偏心线圈的位置固定；若此时接收信号大于设定值V₁，则将偏心线圈向发射线圈内移动，若发现接收信号减小，说明此时一次场仍有干扰，继续向内移动偏心线圈直到接收信号最小，此时固定偏心线圈的位置；若偏心线圈向发射线圈内移动时，发现接收信号没有减小并且增大，此时说明一次场补偿过量，则将偏心线圈向发射线圈外移动，直到接收信号达到最小，并且小于设定值V₁，固定偏心线圈的位置。

7.按照要求4所述的方法，其特征在于，所述中心线圈包括上下同心同径同匝数的第一中心线圈和第二中心线圈，第一中心线圈的引出端为第一端口和第二端口，第二中心线圈的引出端为第三端口和第四端口，所述第二端口与所述第三端口之间连接第一开关，第三端口通过第三开关连接至一第二前置放大器的一端，所述第一端口连接至第二前置放大器的另一端；所述第四端口通过第四开关连接至第二端口；所述第四端口通过第二开关连接至第三端口铜连接在第二前置放大器，由接收机的接收控制器控制各开关闭合时序，用于测量中晚期二次场信号。