CN111796328A - 一种多源频率域地空电磁探测采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源频率域地空电磁探测采集系统及方法，通过合理设置三个电性源的排列方式，同时在地面进行多源多频激励，在空中采用无人机搭载接收器进行数据采集，是一种全新高效的多源电磁勘探方法。该方法三个电性源延长线夹角分别为60°，呈等边三角形布置于地面，电偶极源的中垂线交点位于观测区域中心，电偶极子长度一般为1～3公里，三个电偶源方向一致，成顺时针或逆时针方向。该多源采集方式可从多个角度激发电磁场，提高照明度，增强一次场信号强度，改善二次场的分布特征，压制目标体边缘效应，有利于异常体的平面位置确定，为地空探测系统提供了一种优化的多源激励方式。

Description

一种多源频率域地空电磁探测采集系统及方法

技术领域

本发明属于地面多源激发，空中测量的电磁勘探技术，涉及一种频率域地空电磁勘探，具体为一种多源频率域地空电磁探测采集系统及方法，特别适合于地形起伏，地下构造复杂区域的精细勘探。

背景技术

随着经济的持续快速发展，资源环境问题日益突出，人们对地下探测的需求不断提升。地空频率域电磁法融合了地面电磁法大功率发射和航空电磁法快速非接触式采集的双重优点，能够进入地形复杂区域开展大深度资源勘探，近年来成为地球物理电磁法研究的热点。该方法与无人机飞行平台相结合，有利于在中小区域开展大深度地下结构精细探测，相对于地面和航空电磁法，更加经济、安全和便捷，因此具有广阔的市场前景和应用价值。

然而，传统的单源激励模式在地空电磁法应用中主要有以下问题：

1、发射磁矩有限，探测范围受到限制；

2、远区信号微弱，信噪比低，难以达到精细勘探需求；

3、受场源下方不均匀体的影响，容易造成错误的解释；

4、视电阻率的分布与场源位置有关，异常复杂，解释结果不可靠。

目前，多辐射源激励方式已经提出，但主要是平行电偶极子场源或L型电偶极子场源，这类场源可增强信号的强度，但对于改变目标体电磁响应分布，提高照明度有限，难以满足日益增加的精细化勘探需求。因此，研发从多方位进行激励的多源多频地空电磁探测，提供多方位全覆盖三维电磁数据采集，以及增强信号强度一直是申请人研究的课题。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种多源频率域地空电磁探测采集系统及其方法。

为了实现上述任务，本发明所采用如下的技术解决方案：

一种多源频率域地空电磁探测采集系统，包括信号发射区和信号观测区，其特征在于，所述的信号发射区包括至少三个电偶极源，所述电偶极源长度范围在1～3公里，三个电偶极源的正负极沿顺时针方向或逆时针方向正负交接，且两两电偶极源的延长线夹角为60°；

所述的信号观测区位于信号发射区的中部，呈矩形分布。

根据本发明，所述的电偶极源的长度根据探测深度和范围减小和增大。

进一步地，所述的三个电偶极源沿等边三角形的三条边非接触设置；两两电偶极源的中垂线夹角为120°。

优选地，还包括有接收区域，所述接收区域位于过渡带及远区，也就是|kr|>1，其中

r是收发距。

上述多源频率域地空电磁探测采集系统的采集方法，其特征在于，按下列步骤进行：

第一步，根据测区地下介质电性分布，估算背景电阻率范围，结合最大探测深度，确定发射频段范围；以测区中心为基准点，向外以成120角度做三条射线，确定收发距大小，保证在最大收发距时能够测量到多个电偶极源发射的信号；电偶极源根据探测深度范围合理设置，以保证足够大发射磁矩；

第二步，在布置好多个电偶极源后，通过发射机同步发射多频伪随机波，并记录电流强度，以无人机搭载接收设备，按照预先布置好的航线，通过GPS定位系统，依次进行磁场垂直分量测量，获得反映地下电性的大量数据；

第三步，以电偶极源中心为局部坐标源点，分别计算三个电偶极源空中磁场垂直分量，以某一个电偶极源中心作为全局坐标源点，其他两个电偶极源的场值可通过坐标变换，依据场的叠加原理得到多源激发的垂直磁场；

第四步，采用泰勒展开方法，舍去高阶项，通过迭代方法计算全域视电阻率，具体步骤如下：

频率域的垂直磁场分量H_z可近似表示为：

其中，

为初始电阻率，可根据背景电阻率大小给定，根据(1)式，得到电阻率ρ的表达式为：

可将其写成迭代的形式：

其中，

通过以上步骤即得到全域视电阻率，然后通过经验公式得到探测深度：

根据探测任务要求，得到不同频点的视电阻率平面图和不同深度的断面图，从而进一步对异常进行精细化解释。

本发明的电偶极源多频发射采集系统，主要是采用三角形分布的电偶极源，可从不同方位同时对地下介质进行激励，不但比单源方法的发射能量强，而且能够改善二次场的分布，压制异常体边界产生的效应，使目标体的异常位置更加清晰简单。采用迭代法求解全域视电阻率，不仅速度快，而且近区和过渡带的数据不发生畸变，可扩大测量数据的应用范围。并且可以最大限度提高采集信号的信噪比，采用基于傅里叶级数对磁场分量展开，舍去高阶项，通过迭代算法逼近真实的视电阻率。该算法可改善过渡区视电阻率畸变特征，扩大场的观测区域，视电阻率成像结果更可靠。

附图说明

图1为本发明的多源频率域地空电磁探测采集系统结构示意图；

图2为全域视电阻率计算流程图；

图3为低阻体模型图，其中，(a)图为剖面图，(b)图为平面图；

图4为三电偶极源布置及测区位置示意图；

图5为单源计算结果，其中，(a)图为垂直磁场分布图，(b)图为视电阻率分布图；

图6为多源计算结果，其中，(a)图为垂直磁场分布图，(b)图为视电阻率分布图。

图7为横向两个低阻异常体模型示意图，其中，(a)图为剖面图，(b)图为平面图；

图8为256Hz单源全域视电阻率、总场响应图，其中，(a)图为全域视电阻率，(b)图为总场响应；

图9为256Hz三源全域视电阻率、总场响应图，其中，(a)图为全域视电阻率，(b)图为总场响应；

图10为不同频率两条中心测线的垂直磁场变化曲线图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

具体实施方式

应当理解的是，以下的实施例是本发明较佳的例子，仅用于说明和解释，本发明不限于该实施例。

在以下的实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

本实施例给出一种多源频率域地空电磁探测采集系统，包括信号发射区和信号观测区，所述的信号发射区包括至少三个电偶极源，所述电偶极源长度范围在1～3公里，三个电偶极源的正负极沿顺时针方向或逆时针方向正负交接，且两两电偶极源的延长线夹角为60°；所述的信号观测区位于信号发射区的中部，呈矩形分布。

当然，电偶极源的长度根据探测深度和范围减小和增大。

一个优选的方案，所述的三个电偶极源沿等边三角形的三条边非接触设置；两两电偶极源的中垂线夹角为120°。

上述多源频率域地空电磁探测采集系统，还包括有接收区域，所述接收区域位于过渡带及远区，也就是|kr|>1，其中

r是收发距。

上述多源频率域地空电磁探测采集系统的采集方法，按下列步骤进行：

第一步，根据测区地下介质电性分布，估算背景电阻率范围，结合最大探测深度，确定发射频段范围。以测区中心为基准点，向外以成120角度做三条射线，确定收发距大小，保证在最大收发距时能够测量到多个电偶极源发射的信号。电偶极源根据探测深度范围合理设置，一般可设置1km～3km，以保证足够大发射磁矩。

第二步，在布置好多个电偶极源后，通过发射机同步发射多频伪随机波，并记录电流强度，以无人机搭载接收设备，按照预先布置好的航线，通过GPS定位系统，依次进行磁场垂直分量测量，该方法效率远高于地面电法，可获得反映地下电性的大量数据。

第三步，以电偶极源中心为局部坐标源点，分别计算三个电偶极源空中磁场垂直分量，以某一个电偶极源中心作为全局坐标源点，其他两个电偶极源的场值可通过坐标变换，依据场的叠加原理得到多源激发的垂直磁场。

第四步，采用泰勒展开方法，舍去高阶项，通过迭代方法计算全域视电阻率，具体步骤如下：

频率域的垂直磁场分量H_z可近似表示为：

其中，

为初始电阻率，可根据背景电阻率大小给定，根据(1)式，得到电阻率ρ的表达式为：

可将其写成迭代的形式：

其中，

通过以上步骤即可得到全域视电阻率，具体流程见图2，然后通过经验公式可得到探测深度。

根据探测任务要求，可得到不同频点的视电阻率平面图和不同深度的断面图，从而进一步对异常进行精细化解释。

以下是发明人给出的一个具体的实施例。

实施例：

根据勘探区所在位置，选择多源激发的三个方位，确定电偶极源的激发位置，一般可使收发距大于3倍的探测深度，电偶极源长度范围在1～3公里。三个电偶极源的正负极方向一致，依次为A1B1、A2B2、A3B3，三个场源极性正负交接，中间部分为观测区域，形成一个三维的多源频率域地空电磁探测采集系统，如图1。

接收测网一般在激励源的中远区，为使无人机采集方便，设置规则矩形测网，测线距根据实际探测目标体的规模和精细程度，可设置50～500米，测点距离一般比较密集，可到几米的采样间隔。

三个电偶源同时发射伪随机波形，可一次接收多个频率的磁场分量，最大程度的提高一次场的强度，得到高信噪比的信号。

对多源磁场信号进行数据处理，采用迭代方法计算全域视电阻率，迭代算法是采用傅里叶级数展开，略去高次项，然后给定初始值，通过不断的迭代计算出全域视电阻率，具体算法如下：

在空中任意的M测点处的垂直磁场H_z的表达式为：

其中，I为电流大小，dL为电源长度，P为M点在XOY平面上的投影，r为OP之间的距离，R为OM之间的距离，

为OP与x轴的夹角，

k₁为波数，

该积分可通过汉克尔变换来实现.

当得到H_z后，为了反映地下介质的电磁性特征，需要求出相应测点的视电阻率，可以利用正演公式，从中提取出全域视电阻率。可将正演公式当作目标公式，采用泰勒级数展开的方式近似磁场，某一测点在某一频率下的H_z可近似表示为：

可将其写成迭代的形式：

其中，

具体计算流程见图2所示。

其中，

为初始电阻率，

为第i次迭代电阻率，

为第i次迭代电阻率变化量，测点位置，(x_i,y_i,z_i)为源的位置，H_z(ρ)是电阻率为ρ时的磁场强度，

为电阻率为

时的磁场强度，H'_z(ρ)为H_z(ρ)的导数，ε为给定误差，

为第i+1次迭代全域视电阻率。

计算出全域视电阻率后，可通过经验探测深度公式(4)即

对整个观测区域进行计算，可得到不同频点的视电阻率平面图和不同深度的断面图，从而进一步对异常进行精细化解释。

该计算全域视电阻率方法是采用迭代算法，与传统的求卡尼亚电阻率不一样，这种方法只能求解基于垂直分量的全域视电阻率，只需一个参量就可以计算全域视电阻率。

建立一个低阻体模型，如图3所示，图3(a)为模型剖面图，图3(b)为模型平面图，异常体电阻率为10Ω·m，大小为500m×500m×300m，异常体中心坐标为(0m，0m，250m)，围岩电阻率为100Ω·m；电性源长度为1000m，电流为1A，飞行高度30米。

以研究区域中心为坐标原点，这里设置异常体中心为坐标原点，三个电偶源呈等边三角形分布，其中垂线夹角120度，具体布置方式和坐标见图4。

采用有限元方法计算得到不同发射频率的垂直磁场分量Hz，在根据迭代法求出全域视电阻率ρ_s，然后根据深度公式

得到地下探测深度。

建立均匀半空间模型，电阻率为100Ω·m，低阻体模型电阻率为10Ω·m，具体大小尺寸见图3。分别采用单源激发A1B1和三源激发，激发源位置见图1。通过三维有限元正演和全域视电阻率的计算，单源和三源的全域视电阻率结果如图5和图6。

从计算结果可以看出，如果采用单源激发的磁场的强度远小于三源激发模式，三源激发能够使场的强度增加近3倍，这可以极大的压制干扰，提高勘探深度；在水平切片图上，单源的全域视电阻率形态与实际模型相差甚远，出现了高阻和低阻两种极值，很难分辨异常的位置和推断模型的电性，而三源激励模式从不同角度进行激励，改变了二次场分布，消除了场的边缘效应，从而使视电阻率和异常位置具有一定的对应关系，异常的高低也反映了地下异常体的电性，更容易进行定性解释。

为了更好的了解多源电磁场的分布特征，需要建立两个大小相同的低阻体，大小均为400m×500m×300m，电阻率都为10Ω·m，关于y轴对称，左边异常体中心为(-400m，0m，250m),右侧异常体中心为(400m，0m，250m)，背景电阻率为100Ω·m，如图7所示。

在单源的作用下，靠近源的一侧呈现两个了高阻，而远离源的一侧呈现了两个低阻圈闭，且对称分布。而三源组合的响应也呈对称分布，但是较单源而言，低阻异常的位置同实际位置更加接近，两侧呈对称分布的高阻异常也已大致趋于背景值，而异常响应在两个低阻体相互靠近的一侧边缘出现了低阻极小值，虽然和异常体并没有完全吻合，但比单源作用下的响应形态更简单，更能反映异常体的电性分布特征，如图8所示。

为了更好的比较，本实施例给出了不同频率下两条中心测线(x＝0和y＝0)的垂直磁场变化曲线，如在图9中，可以发现，在y＝0测线上，多源激发下垂直磁场都出现了两个低值凹陷，但明显三源情况下的凹陷位置更接近于异常体的中心，而单源激发下，在中间位置磁场响应却增大了，与实际模型电性不一致.从剖面图整体上可以看出，多源的信号强度明显强于单源的信号，这对于实际测量非常有利，在相同噪音背景下能够提高信噪比.而对于x＝0测线，三源在中心位置出现了低阻凹陷，单源在中心位置两侧则出现了一个突起和一个凹陷，这个与平面图的异常特征一致，多源激励不仅可以增强信号的强度，而且可以改变目标体的异常响应特征。

图10中的(c)图、(d)图、(e)图和(f)图分别给出了不同频率两条中心测线的垂直磁场变化曲线图。

因此，采用设计的三源激励模式，能够极大的提高信噪比和勘探深度，具有很大的发展潜力。

以上结合附图详细描述了一个优选的实施例，但是，本发明并不限于上述实施例中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，这里对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明技术方案的思想，其同样应当视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多源频率域地空电磁探测采集系统，包括信号发射区和信号观测区，其特征在于，所述的信号发射区包括至少三个电偶极源，所述电偶极源长度范围在1～3公里，三个电偶极源的正负极沿顺时针方向或逆时针方向正负交接，且两两电偶极源的延长线夹角为60°；

所述的信号观测区位于信号发射区的中部，呈矩形分布。

2.如权利要求1所述的多源频率域地空电磁探测采集系统，其特征在于，所述的电偶极源的长度根据探测深度和范围减小和增大。

3.如权利要求1所述的多源频率域地空电磁探测采集系统，其特征在于，所述的三个电偶极源沿等边三角形的三条边非接触设置；两两电偶极源的中垂线夹角为120°。

4.如权利要求1所述的多源频率域地空电磁探测采集系统，其特征在于，还包括有接收区域，所述接收区域位于过渡带及远区，也就是|kr|>1，其中

r是收发距。

5.权利要求1至4其中之一所述的多源频率域地空电磁探测采集系统的采集方法，其特征在于，按下列步骤进行：

第一步，根据测区地下介质电性分布，估算背景电阻率范围，结合最大探测深度，确定发射频段范围；以测区中心为基准点，向外以成120角度做三条射线，确定收发距大小，保证在最大收发距时能够测量到多个电偶极源发射的信号；电偶极源根据探测深度范围合理设置，以保证足够大发射磁矩；

第二步，在布置好多个电偶极源后，通过发射机同步发射多频伪随机波，并记录电流强度，以无人机搭载接收设备，按照预先布置好的航线，通过GPS定位系统，依次进行磁场垂直分量测量，获得反映地下电性的大量数据；

第三步，以电偶极源中心为局部坐标源点，分别计算三个电偶极源空中磁场垂直分量，以某一个电偶极源中心作为全局坐标源点，其他两个电偶极源的场值可通过坐标变换，依据场的叠加原理得到多源激发的垂直磁场；

第四步，采用泰勒展开方法，舍去高阶项，通过迭代方法计算全域视电阻率，具体步骤如下：

频率域的垂直磁场分量H_z可近似表示为：

其中，

为初始电阻率，可根据背景电阻率大小给定，根据(1)式，得到电阻率ρ的表达式为：

可将其写成迭代的形式：

其中，

通过以上步骤即得到全域视电阻率，然后通过经验公式得到探测深度：

根据探测任务要求，得到不同频点的视电阻率平面图和不同深度的断面图，从而进一步对异常进行精细化解释。

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