CN112012725A - 一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器 - Google Patents
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Abstract
一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器，包括：发射电路，发射线圈，接收线圈阵列，地下采集电路，地下传输电路、地面控制电路、计算机软件以及深度移动控制装置；该装置依据电磁感应原理，在地层内实现了大功率瞬变电磁激发，测量到了瞬态电磁感应响应波形，完成了测量波形中所包含的地层电阻率信息的处理，从波形中能够处理出地层的电阻率曲线。实现了地层电阻率的高分辨率连续测量。
Description
技术领域
本发明属地表浅层勘探施工中地层物理参数测量和岩性评价的专用仪器技术领域，尤其涉及一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器。
背景技术
在地表浅层勘探施工过程中，地层电阻率非常重要，测量地层的电阻率是评价地层物理参数的基础。现有感应勘探仪器多以发射单一频率的正弦波，激发频率在20KHz到2MHz的范围内。单一频率激发的二次场响应对地层的探测深度有限，携带的地层信息不丰富，不能全面反映地层的内部信息。为获得丰富全面的地层信息，激发源必须激发瞬态波形，并且以低频分量占整个波形频谱的主要部分。
利用瞬变电磁方法实现地层电阻率的测量，在地下钻深孔，放入发射线圈与接收线圈阵列，在测量地层的电阻率时，发射线圈实施大功率发射单周期性的脉冲序列，以保证地层感应的涡流场有用信号能够被有效地测量。由于地层中感应出的涡流场再次激发的二次场响应信号幅度非常小，必须要求接收线圈的接收灵敏度要高，还要去掉幅度很大的一次场直接耦合信号，这对接收线圈阵列中线圈的间距、缠绕方式与缠绕匝数具有严格的公式要求。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器，通过直接测量相邻深度点地层的电导率差对地层进行准确分层，并合成地层的电阻率。
一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器，包括：发射电路，发射线圈，接收线圈阵列，地下采集电路，地下传输电路、地面控制电路、计算机软件以及深度移动控制装置。
发射电路分为电源部分与激发部分，电源部分由外部供电的大功率电源组成，电流与电压幅度可以根据要求进行设定；激发部分主要由大功率三极管和门电路搭建而成，将电源输入的强电流经过大功率三级管与门电路的导通与关断实现矩形脉冲的激发，发射电路的导通与关断时间是受地面控制电路控制。
发射线圈中加入磁芯，用1mm漆包线缠绕；发射电路激发的矩形脉冲在发射线圈中激发，造成发射线圈的电流快速变化，激发瞬变电磁场到地层中，其中导通时激发的瞬变电磁场幅度小，关断时激发的瞬变电磁场幅度大；发射线圈激发的瞬变电磁场在地层中如果遇到导电介质，会感应产生涡流场。
接收线圈阵列由8个同轴且等间距的接收线圈组成，接收线圈阵列中的各个接收线圈与发射线圈共轴，每个接收线圈与发射线圈的距离称为源距，构成8个不同源距的接收线圈阵列。接收线圈阵列接收发射线圈激发的瞬变电磁场响应波形与地层涡流场响应波形，不同源距接收线圈的响应波形形状差异明显；为提高接收灵敏度，接收阵列线圈中的每个接收线圈内部均放置磁导率高的磁性材料，接收阵列线圈用0.2mm漆包线缠绕。
地下采集电路主要由FPGA控制电路和信号采集电路组成；FPGA电路选用EP4CE30F23C8N芯片作为控制芯片；信号采集电路选用24位高精度，8通道的ADS1278芯片作AD转换，选用THS4521全差分运放搭建前端模拟信号输入调理电路，将外部输入信号转换为差分信号，然后输入ADS1278芯片；
在接收到地面开始采集指令后，FPGA对指令进行解码，对ADS1278发出采集控制信号，ADS1278芯片开始工作，将接收的模拟信号转换为数字二进制数据后以SPI通信传输给FPGA芯片进行数据处理；FPGA芯片将数据缓存到SDRAM中，等到一次采集周期结束后，FPGA芯片将缓存的数据根据曼彻斯特编码协议进行编码，形成曼彻斯特编码协议的数据流。
地下传输电路主要由电缆组成，全双工传输方式，电缆内传输由FPGA编码的曼彻斯特编码协议的数据流及地面控制电路的指令集。
地面控制电路由另一片EP4CE30F23C8N型号的FPGA芯片控制，发出控制指令控制地下采集电路工作；在收到地下传输电路上传的数据流后解码数据流，解码后的数据流缓存到SDRAM中，当全部数据流解码完成后，FPGA芯片通过USB3.0协议将解码后的数据上传到计算机软件。
深度移动控制装置由OMRON旋转编码器、步进电机，绞缆架以及缆绳组成；地面控制电路的FPGA芯片读取OMRON旋转编码器编码数据，实时记录深度信息，同时控制步进电机的旋转，带动绞缆架收放缆绳。移动地下的发射线圈与接收线圈阵列，每隔一个深度点发射线圈激发一次矩形脉冲，接收线圈阵列接收一次响应，地下采集电路采集一次数据。
在计算机软件中对各个源距所测量的波形进行处理，具体的方法是对于同一源距的波形数据，采用相邻深度点测量波形相减的方法去掉直接耦合的无用信号，直接反应地层电导率差，通过地层电导率差可以准确的对地层进行分层。将各个源距所测量的地层的电导率差进行数值积分与反卷积处理获得最终的地层电导率值。
本仪器采用了大功率瞬变电磁激发方式，利用瞬变激发中阶跃信号穿过地层进行测量，所测量的地层响应波形中包含了地层电阻率信息，实现了地层电阻率的高分辨率连续测量，本发明的有益效果如下：
1、用该仪器可以直接测量地下不同地层的分层情况，能够连续测量到不同深度地层的分层；
2、用该仪器可以直接测量相邻地层的电导率差，不但可以用曲线表示，还可以用图像直观显示，通过对各个源距所测量的地层的电导率差进行数值积分与反卷积处理获得地层电导率值；
3、形成了以测量地层中的涡流感应信号为手段，记录瞬态波形的地下浅层测量方法，开辟了一个新的应用研究领域——连续谱地层电阻率测量。
附图说明
图1是瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器系统框图；
图2是发射线圈与接收阵列线圈不同源距分布示意图；
图3是发射线圈与接收阵列线圈不同源距瞬变电磁响应波形图。
图中：1、发射电路；2、发射线圈；3、接收线圈阵列；4、地下采集电路；5、地下传输电路；6、地面控制电路；7、计算机软件；8、深度移动控制装置。
具体实施方式
下面结合实例附图对本发明的具体实施方式进行进一步详细说明。
本发明提供一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器，实现地层电阻率的测量。包括发射电路1，发射线圈2，接收线圈阵列3，地下采集电路4，地下传输电路5、地面控制电路6，计算机软件7，深度移动控制装置8。
采用大功率电源对发射电路1供电，地下采集电路4产生控制信号，控制发射电路1中电流的正向导通、正向关断、反向导通、反向关断，引起发射线圈2内电流的快速变化，激发瞬变电磁场，该通断时间根据发射线圈2内部放置的磁性材料的特征确定。
在总电流导通或者关断时刻，发射线圈2均激发瞬变电磁场，在地层内均产生瞬变电磁响应波形，接收线圈阵列3中的各个接收线圈R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8中接收发射线圈2激发的瞬变电磁响应与地层中涡流场响应信号，地下采集电路4对接收线圈阵列3中瞬变电磁响应进行耦合、滤波、放大处理，处理后的响应波形通过ADS1278芯片转换为数字信号传输到FPGA芯片进行曼彻斯特编码，编码后的数据通过地下传输电路5传输到地面控制电路6，地面控制电路6对数据进行曼彻斯特解码，解码后的数据通过FPGA芯片以USB3.0协议上传到计算机软件7进行处理。
瞬态响应时间比较长，采集时间也相应地加长，当响应完全为0以后再结束采集。留出一段时间给地下传输电路5进行数据的传输，等待传输完成之后再开始下一个周期的发射。
深度移动控制装置8能够准确移动发射线圈2与接收线圈阵列3在地下的深度位置。每移动一个深度间隔，发射线圈2激发一次矩形脉冲，接收线圈阵列3接收一次响应，地下采集电路4采集一次数据。
计算机软件7对波形数据进行最终处理，采用同一源距相邻深度点测量波形相减的方法去掉直接耦合的无用信号，将各个源距所测量的地层的电导率差进行数值积分与反卷积运算获得最终的地层电导率值，并显示地层的电阻率、存盘保存原始波形数据和处理结果。图3展示了计算机软件处理后的响应波形。
本发明的一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器依据电磁感应原理，在地层内实现了大功率瞬变电磁激发，测量到了瞬态电磁感应响应波形，完成了测量波形中所包含的地层电阻率信息的处理，从波形中能够处理出地层的电阻率曲线。实现了地层电阻率的高分辨率连续测量。
Claims (1)
1.一种瞬变电磁浅层全波勘探高分辨率仪器，其特征在于：包括：发射电路，发射线圈，接收线圈阵列，地下采集电路，地下传输电路、地面控制电路、计算机软件以及深度移动控制装置；
发射电路分为电源部分与激发部分，电源部分由外部供电的大功率电源组成，电流与电压幅度可以根据要求进行设定；激发部分主要由大功率三极管和门电路搭建而成，将电源输入的强电流经过大功率三级管与门电路的导通与关断实现矩形脉冲的激发，发射电路的导通与关断时间是受地面控制电路控制；
发射线圈中加入磁芯，用1mm漆包线缠绕；发射电路激发的矩形脉冲在发射线圈中激发，造成发射线圈的电流快速变化，激发瞬变电磁场到地层中；其中导通时激发的瞬变电磁场幅度小，关断时激发的瞬变电磁场幅度大；发射线圈激发的瞬变电磁场在地层中如果遇到导电介质，会感应产生涡流场；
接收线圈阵列由8个同轴且等间距的接收线圈组成，接收线圈阵列中的各个接收线圈与发射线圈共轴，每个接收线圈与发射线圈的距离称为源距，构成8个不同源距的接收线圈阵列；接收线圈阵列接收发射线圈激发的瞬变电磁场响应波形与地层涡流场响应波形，不同源距接收线圈的响应波形形状差异明显；为提高接收灵敏度，接收阵列线圈中的每个接收线圈内部均放置磁导率高的磁性材料，接收阵列线圈用0.2mm漆包线缠绕；
地下采集电路主要由FPGA控制电路和信号采集电路组成；FPGA电路选用EP4CE30F23C8N芯片作为控制芯片；信号采集电路选用24位高精度，8通道的ADS1278芯片作AD转换，选用THS4521全差分运放搭建前端模拟信号输入调理电路，将外部输入信号转换为差分信号，然后输入ADS1278芯片；
在接收到地面开始采集指令后FPGA对指令进行解码，对ADS1278发出采集控制信号，ADS1278芯片开始工作，将接收的模拟信号转换为数字二进制数据后以SPI通信传输给FPGA芯片进行数据处理；FPGA芯片将数据缓存到SDRAM中，等到一次采集周期结束后，FPGA芯片将缓存的数据根据曼彻斯特编码协议进行编码，形成曼彻斯特编码协议的数据流；
地下传输电路主要由电缆组成，全双工传输方式，电缆内传输由FPGA编码的曼彻斯特编码协议的数据流及地面控制电路的指令集；
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在计算机软件中对各个源距所测量的波形进行处理，具体的方法是对于同一源距的波形数据，采用相邻深度点测量波形相减的方法去掉直接耦合的无用信号，直接反应地层电导率差，通过地层电导率差可以准确的对地层进行分层；将各个源距所测量的地层的电导率差进行数值积分与反卷积处理获得最终的地层电导率值。
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| GR01 | Patent grant | ||
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