CN112415609A - 一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地质勘测领域的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，包括发射机，发射机与发射线圈模块连接；接收机，接收机与接收线圈模块连接；发射线圈模块包括共面、中心相同且发射电流流向相同的内发射线圈与外发射线圈，内发射线圈、外发射线圈之间构成过渡区域；调节内发射线圈、外发射线圈及发射电流的参数，使发射电流产生的一次磁场在过渡区域内最大化抵消；接收线圈模块包括至少一个接收线圈，所有接收线圈处于过渡区域内。本发明使得过渡区域中一次磁场相互抵消，达到接收线圈内部一次磁场的总磁通量为零的目的，在其他区域，一次磁场均是相互增强，使发射功率成倍增加，适用于大功率探测。

Description

一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置

技术领域

本发明涉及地质勘测领域，具体是一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置。

背景技术

瞬变电磁法是应用地球物理方法中的一种重要的资源勘探和工程勘查手段。它通过发射线圈间歇性的激发脉冲电流，再由接收线圈观测地下电性介质由于电磁感应而产生的电磁场，以此来进行探测。但瞬变电磁法自提出以来经过数十年的发展，其硬件仪器方面没有大的进展，一方面导致探测效果久久无法提高，另一方面还造成了数据解释方法无法得到长足发展。

目前在实践中，瞬变电磁法的探测仪器仍以中心回线为主要的探测装置，还存在重叠线圈、大回线源等传统探测装置。

然而，这些传统装置是建立在理论基础上才能得到较好的探测效果，即：接收线圈完全接收地下介质产生的二次场的情况下。但在实际中，由于激发电流无法做到“瞬时关断”，导致电流的关闭需要一个很短的时间，称为关断时间。在关断期间，由于发射电磁场已经向大地中扩散，导致接收线圈既能够接收到地下介质产生的二次感应电磁场，又能够接收到发射线圈发射的“一次场”，这就使得在关断时间内，数据是不可用的，进而直接导致了瞬变电磁法在浅层存在一个十几至几十米的探测盲区。无法进行浅地表探测。

另外，如果需要进行大深度的探测，一个有效的手段是加大发射功率，但是电流越大，所需的关断时间越久，进而会增大浅层盲区。受制于发射电流的限制，传统装置的中心回线、重叠回线通过增加线圈匝数，获得更大的等效面积来增大发射功率，但大大的增强了发射线圈的自感和线圈之间的互感。而大回线源发射，由于线圈布设太大，施工极不方便，很难在复杂地表情况下施工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，包括

发射机，所述发射机与发射线圈模块连接；

接收机，所述接收机与接收线圈模块连接；

所述发射线圈模块包括共面、中心相同且发射电流流向相同的内发射线圈与外发射线圈，所述外发射线圈完全将内发射线圈包围，内发射线圈、外发射线圈之间构成过渡区域；内、外发射线圈的绕制方向相同，且由发射机供电之后，电流在两发射线圈之内的流动方向一致。通过调整两线圈的电流强度、匝数、单匝面积等参数，使发射电流产生的一次磁场在所述过渡区域内最大化抵消，形成一个零磁通或弱磁通区域。

所述接收线圈模块包括至少一个接收线圈，所述接收线圈处于所述过渡区域内，并与所述内发射线圈、外发射线圈共面。在尽量使过渡区域内发射电流产生的一次磁场完全消除之后，调节所述接收线圈的匝数、面积等参数及所处的位置，即可实现接收线圈内总的磁通量为零，以此达到不受一次场影响的目的。

发射线圈模块与发射机的连接方式存在以下几种可选的改进方案：

作为本发明的改进方案，所述内发射线圈、外发射线圈相互独立并与发射机并联连接。当采用此种方案时，发射机为内发射线圈、外发射线圈分别供电，此时内发射线圈、外发射线圈的发射电流的强度可以不相等，但流向一致，通过调整发射电流的大小，再配合调整发射线圈的匝数、形状、单匝面积等参数，尽可能地使过渡区域内的发射电流产生的一次磁场相互抵消。

作为本发明的改进方案，所述内发射线圈与外发射线圈串联后与发射机连接。当采用此种方案时，内发射线圈、外发射线圈的发射电流的强度相同，并保证内、外发射线圈的绕制方向使发射电流的流向相同，调整发射线圈的匝数、形状、单匝面积等参数，尽可能地使过渡区域内的发射电流产生的一次磁场相互抵消。

作为本发明的改进方案，所述内发射线圈、外发射线圈为不等大的任意封闭的平面图形的形状，如圆形、多边形、椭圆形或其它几何图形等，但内发射线圈与外发射线圈的图形形状的中心相同，图形优选为圆形。内发射线圈和/或外发射线圈与发射机的进出方向的连接导线并排粘连设置，连接导线之间可认为无空隙。

接收线圈模块与接收机的连接方式存在以下几种可选的改进方案：

作为本发明的改进方案，各接收线圈相互独立并与接收机并联连接，通过接收机内的信号调制器组合形成接收信号。

作为本发明的改进方案，部分接收线圈串联构成若干组组合接收线圈，各组组合接收线圈再与接收机并联连接，通过信号调制器组合形成接收信号。

作为本发明的改进方案，所有接收线圈串联后与接收机连接，接收线圈模块与接收机之间只有一个输入接口、一个输出接口。

作为本发明的改进方案，所述接收线圈为任意封闭的平面图形的形状，可调整为如圆形、方形、扇形、多边形、环带形等图形；所述接收线圈的匝数、大小、单匝面积以及位置可以根据需要进行调整。

上述技术方案中，过渡区域中内发射线圈、外发射线圈的发射电流产生的磁场方向相反，使一次磁场相互抵消；而在所述内发射线圈的内侧区域与外发射线圈的外侧区域，所述内发射线圈与外发射线圈的发射电流产生的磁场方向相同，相互增强。即：通过上述的技术方案，不仅使得过渡区域的一次磁场相抵消，还同时增强了其他区域的一次磁场。

有益效果：本发明所述的瞬变电磁探测装置，采用可调节的发射线圈模块和可调节的接收线圈模块，通过调节所述内、外发射线圈的电流大小、匝数、形状以及单匝面积，使得内、外发射线圈之间的过渡区域中一次磁场相互抵消，在其中放置接收线圈，再通过调整接收线圈的形状、位置、匝数以及单匝面积，达到接收线圈内部一次磁场的总磁通量为零的目的，从而有效的消除了一次场对接收线圈的影响。另一个有益的效果是，本发明所述的装置，除了在所述内、外发射线圈之间的过渡区域内一次磁场相互抵消之外，在其他区域，一次磁场均是相互增强，使发射功率成倍增加，适用于大功率探测。

附图说明

图1为本发明的发射线圈模块并联、接收线圈模块并联时的探测系统结构示意图；

图2为本发明的发射线圈模块并联、接收线圈模块串联时的探测系统结构示意图；

图3为本发明的发射线圈模块并联、接收线圈模块部分串联后并联时的探测系统结构示意图；

图4为本发明的发射线圈模块串联、接收线圈模块并联时的探测系统结构示意图；

图5为本发明的发射线圈模块串联、接收线圈模块串联时的探测系统结构示意图；

图6为本发明的发射线圈模块串联、接收线圈模块并联时的探测系统结构示意图；

图7为本发明发射线圈模块中内发射线圈与外发射线圈并联连接时的导线绕制示意图；

图8为本发明发射线圈模块中内发射线圈与外发射线圈串联连接时的导线绕制示意图；

图9为本发明的一种圆形串联接收线圈的装置图；

图10为本发明的一种方形串联接收线圈的装置图；

图11为本发明的一种扇形串联接收线圈的装置图；

图12为本发明的一种环形接收线圈的装置图；

图13为本发明的一种混合图形接收线圈的装置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，包括发射机9与发射线圈模块。图7所示为内、外发射线圈并联的导线绕制示意图，图8所示为内、外发射线圈串联的导线绕制示意图。发射线圈模块包括内发射线圈8与外发射线圈7，内发射线圈8的发射电流的方向为流向1102，外发射线圈7的发射电流的方向为流向1101。

本实施例中，内发射线圈8与外发射线圈7为同轴共面的圆形发射线圈，并且内发射线圈8的投影面积小于外发射线圈7的面积，处在外发射线圈7之中。内发射线圈8与外发射线圈7之间存在环形的过渡区域。

当发射机9发送的电流如图7-8所示时，内发射线圈8中的流向1102是逆时针方向，其产生的一次磁场的方向符合右手螺旋定则，在内发射线圈8投影的内部区域，磁场方向垂直纸面向外，而在内发射线圈8投影的外部区域，磁场方向垂直纸面向内，需要说明的是，内发射线圈8的外部区域包含了内、外发射线圈之间的过渡区域、以及外发射线圈7投影的外部区域。

当发射机9发送的电流如图7-8所示时，外发射线圈7中的流向1101也是逆时针方向，其产生的一次磁场的方向同样符合右手螺旋定则，在外发射线圈7投影的内部区域，磁场方向垂直纸面向外，而在外发射线圈7投影的外部区域，磁场方向垂直纸面向内，值得注意的是，外发射线圈7投影的内部区域包含了内、外发射线圈之间的过渡区域以及内发射线圈8投影的内部区域。

通过分析上述外发射线圈7与内发射线圈8产生的一次磁场的分布特点，可以看到，整个线圈所在的平面分为三个区域：一是外发射线圈7投影的外部区域，称为区域1；二是内、外发射线圈之间环形的过渡区域，称为区域2；三是内发射线圈8投影的内部区域，称为区域3。

在区域1中，内发射线圈8和外发射线圈7产生的一次磁场的方向均为垂直纸面向内，两者相互增强，增加了一次磁场的强度，相当于增大一次磁场的功率。

在区域2中，内发射线圈8的一次磁场的方向向内。而外发射线圈7的一次磁场的方向向外，因此，在过渡区域内，两者产生的一次磁场相互抵消。

根据毕奥-萨伐尔定律，任意一段通电线源在空间中产生的磁感应强度等于：

进一步可根据磁通量的计算式：

Φ＝NBS

因此，通过调整内发射线圈8和外发射线圈7的投影面积大小、线圈匝数和发射电流大小，可以使得过渡区域中的一次磁场远远小于其他区域或者完全抵消。

在区域3中，内发射线圈1和外发射线圈2产生的一次磁场的方向均为垂直纸面向外，两者相互增强，增加了一次磁场的强度，增大了发射功率。

因此，本实施例说明本发明提出的发射线圈模块可以实现在过渡区域的一次磁场相互削弱或完全抵消，而且其他区域一次磁场相互增强的作用，对实际勘探而言，当探测深度足够大时，此时勘探深度远远大于线圈尺寸，发射线圈模块相当于中心回线装置，但在相同的发射功率下，本发明的发射功率远大于传统中心回线装置。

实施例2，如图9-12所示，分别为本发明中接收线圈模块为圆形串联接收线圈装置、方形串联接收线圈装置以及扇形串联接收线圈装置时的示意图。

需要说明的是，本实施例中的发射线圈模块均采用内、外发射线圈串联的形式，本实施例着重体现接收线圈模块的特征，不对发射线圈模块具有限制作用。本实例中所提及的接收线圈模块对于发射线圈模块内、外发射线圈的并联形式同样适用。

以图9为例，本实施例提供的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置具体包含以下部分：圆形接收线圈1、圆形接收线圈2、圆形接收线圈3、圆形接收线圈4、圆形接收线圈5、圆形接收线圈6、外发射线圈7、内发射线圈8、发射机9、接收机10及发射电流的流向11。

其中，外发射线圈7与内发射线圈8为同轴共面的圆形线圈，两者以串联形式相连，其导线绕制方向如图9所示，然后与发射机9相连。发射线圈1-6为6个完全相同的接收线圈，全部以串联形式依次连接，其导线绕制方向完全相同，通过接收线圈1与接收机10相连，并与发射线圈共面。

工作原理如下：

首先，由发射机9发射一定频率的脉冲电流，发射电流波形可以为电脉冲、上、下阶跃、脉冲方波或者脉冲三角波。

当发射电流的流向11如图9所示为逆时针方向时，内发射线圈8产生的一次磁场在其投影内部区域为垂直纸面向外，在过渡区域和外发射线圈7投影的外部区域为垂直纸面向内。而外发射线圈7产生的一次磁场在其投影外部区域为垂直纸面向内，而在过渡区域和内发射线圈8投影的内部区域为垂直纸面向外。因此，内、外发射线圈在过渡区域内产生的一次磁场相互削弱。通过调节内、外发射线圈的匝数和面积使得内、外发射线圈之间的环形区域磁通量尽可能的为0。

其次，通过调整接收线圈1-6的位置和单匝面积，使得通过接收线圈1-6的磁通量为0，然后固定接收线圈的位置，此位置即为零磁通的位置。

再次，关断发射机9的发射电流，瞬间变化的磁场会使得地下的电性介质产生感应涡流，此感应涡流会产生一个二次磁场，接收线圈1-6接收到此二次磁场的磁通量，再由接收机10测量和记录接收线圈1-6两端的感应电动势。

最后，通过数据处理和反演技术，对记录的感应电动势进行数据处理，即可得到地下的电性介质的电阻(导)率、电性界面等物理参数。

需要说明的是，由于内、外发射线圈的大小和匝数不一定相同，因此，磁场的分布不是均匀的，因此，在环形的过渡区域内，内、外发射线圈产生的磁场并不是处处都相互抵消的，具体来说，就是靠近内发射线圈8的位置，磁场强度更大，方向为垂直纸面向内，而靠近外发射线圈7的位置，磁场强度也更大，方向为垂直纸面向外。但是在过渡区域内，会存在一半磁场向外、一半磁场向内的情况，因此必定存在一个投影面积，使得磁通量总和为零。

图10-12的工作原理与图8类似，在此不再赘述，其不同之处在于接收线圈的数量、形状不同，图10中接收线圈模块具体包括串联连接的方形接收线圈1～4，图11中接收线圈模块具体包括串联连接的扇形线圈1～4，图12中接收线圈模块包括串联连接的单匝环形带线圈3与单匝环形带线圈4。图10-12说明本发明提出的接收线圈模块可以是不同形状的接收线圈，其接收的响应信号也许不同，但其消除一次磁场的工作原理相同。

实施例3，如图13所示，本实施例与实施例2的区别在于图13所示为本发明提出的混合图形的接收线圈装置，需要说明的是，图13的发射线圈模块采用内、外发射线圈串联的形式，本实施例着重体现接收线圈模块的特征，不对发射线圈模块具有限制作用。本实施例中所提及的接收线圈模块对于发射线圈模块内、外发射线圈的并联形式同样适用。

本实施例提出的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置具体包含以下部分：扇形接收线圈1、圆形接收线圈2、方形接收线圈3、内发射线圈8、外发射线圈7、发射机9、接收机10、发射电流的流向11以及连接导线12。

本实例中，发射线圈模块采用内、外发射线圈串联的形式，所述内、外发射线圈处于同一平面，并与发射机9相连。

接收线圈模块共有三个接收线圈，分别为扇形接收线圈1、圆形接收线圈2以及方形接收线圈3，三者处于同一平面且与内发射线圈8、外发射线圈7共面。

其中扇形接收线圈1直接与接收机10相连，圆形接收线圈2和方形接收线圈3通过连接导线12先串联，组成接收线圈组合，然后与接收机10相连。接收线圈组合与扇形接收线圈1处于并联状态。

图13所示的装置的工作原理与实施例2中的装置工作原理相同，在此不再赘述。

实施例4，本实施例与实施例1、2、3的共有结构不再说明，以下对发射线圈模块中内发射线圈、外发射线圈的连接方式以及接收线圈模块中各接收线圈的连接方式进行说明。

所述内发射线圈与外发射线圈存在两种连接方式，第一种方式为内发射线圈、外发射线圈相互独立并与发射机并联连接；第二种方式为内发射线圈与外发射线圈串联后再与发射机连接。

所述接收线圈模块存在三种连接方式，第一种方式为各接收线圈相互独立并与接收机并联连接，第二种方式为部分接收线圈串联构成若干组组合接收线圈，各组组合接收线圈再与接收机并联连接；第三种方式为所有接收线圈串联后与接收机连接。

也即，发射线圈模块与接收线圈模块存在6种组合结构。

组合结构1：如图1所示，此时内发射线圈、外发射线圈与发射机并联连接，接收线圈模块的若干接收线圈之间相互并联，分别独立与接收机相连。

在此结构方案下，所述内、外发射线圈的单匝面积(投影面积)不相等，所述内发射线圈面积小于所述外发射线圈面积；供电电流、匝数可以不相同也可以相同；内、外发射线圈的线圈绕制方向相同，接通发射机后，发射电流的流向一致。

在此结构方案下，所述接收线圈的若干接收线圈的形状、匝数、单匝面积(投影面积)均可以不相同也可以相同；但所有接收线圈的导线绕制方向和与接收机相连的正负极应保持相同，即，所有接收线圈的感应电流(或感应电动势)方向应相同。

组合结构2：如图2所示，此时发射线圈模块的内、外发射线圈之间相互并联，分别独立与发射机相连。接收线圈模块的若干接收线圈之间为串联方式连接，然后与接收机相连。

在此结构方案下，所述内、外发射线圈的单匝面积(投影面积)不相等，所述内发射线圈面积小于所述外发射线圈面积；供电电流、匝数可以不相同也可以相同；内、外发射线圈的线圈绕制方向相同，接通发射机后，发射电流的流向一致；

在此结构方案下，所述接收线圈的若干接收线圈的形状、匝数、单匝面积(投影面积)均可以不相同也可以相同；但所有接收线圈的导线绕制方向应保持相同，即，所有接收线圈的感应电流(或感应电动势)方向应相同。

组合结构3：如图3所示，此时发射线圈模块的内、外发射线圈之间相互并联，分别独立与发射机相连。接收线圈模块的若干接收线圈中，部分接收线圈先串联形成“组合接收线圈”，组合接收线圈与组合接收线圈之间或者组合接收线圈与独立的接收线圈之间并联连接到接收机。

在此结构方案下，所述内、外发射线圈的单匝面积(投影面积)不相等，所述内发射线圈面积小于所述外发射线圈面积；供电电流、匝数可以不相同也可以相同；内、外发射线圈的线圈绕制方向相同，接通发射机后，发射电流的流向一致。

在此结构方案下，所述接收线圈的若干接收线圈的形状、匝数、单匝面积(投影面积)均可以不相同也可以相同；但“组合接收线圈”和独立的接收线圈的导线绕制方向和与接收机相连的正负极应保持相同，即，所有接收线圈的感应电流(或感应电动势)方向应相同。

组合结构4：如图4所示，此时发射线圈模块的内、外发射线圈之间为串联方式连接，然后与发射机相连。接收线圈模块的若干线圈之间相互并联，分别独立与接收机相连。

在此结构方案下，所述内、外发射线圈的单匝面积(投影面积)不相等，所述内发射线圈面积小于所述外发射线圈面积；匝数可以不相同也可以相同；内、外发射线圈的供电电流以及线圈绕制方向相同，接通发射机后，发射电流的流向一致。

在此结构方案下，所述接收线圈的若干接收线圈的形状、匝数、单匝面积(投影面积)均可以不相同也可以相同；但所有接收线圈的导线绕制方向和与接收机相连的正负极应保持相同，即，所有接收线圈的感应电流(或感应电动势)方向应相同。

组合结构5：如图5所示，此时发射线圈模块的内、外发射线圈之间为串联方式连接，然后与发射机相连。接收线圈模块的若干线圈之间相互并联，分别独立与接收机相连。

在此结构方案下，所述内、外发射线圈的单匝面积(投影面积)不相等，所述内发射线圈面积小于所述外发射线圈面积；匝数可以不相同也可以相同；内、外发射线圈的供电电流以及线圈绕制方向相同，接通发射机后，发射电流的流向一致。

在此结构方案下，所述接收线圈的若干接收线圈的形状、匝数、单匝面积(投影面积)均可以不相同也可以相同；但所有接收线圈的导线绕制方向应保持相同，即，所有接收线圈的感应电流(或感应电动势)方向应相同。

组合结构6：如图6所示，此时发射线圈模块的内、外发射线圈之间为串联方式连接，然后与发射机相连。接收线圈模块的若干线圈之间相互并联，分别独立与接收机相连。

在此结构方案下，所述内、外发射线圈的单匝面积(投影面积)不相等，所述内发射线圈面积小于所述外发射线圈面积；匝数可以不相同也可以相同；内、外发射线圈的供电电流以及线圈绕制方向相同，接通发射机后，发射电流的流向一致。

在此结构方案下，所述接收线圈的若干接收线圈的形状、匝数、单匝面积(投影面积)均可以不相同也可以相同；但“组合接收线圈”和独立的接收线圈的导线绕制方向和与接收机相连的正负极应保持相同，即，所有接收线圈的感应电流(或感应电动势)方向应相同。

以上6种结构方案是本发明涵盖的所有可能的探测系统结构。对于以上的六种结构方案，只是发射系统模块和接收系统模块的连接方式不同。而不影响所述发射线圈和接收线圈的具体形状、大小、匝数、单匝面积和位置等。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，包括

发射机，所述发射机与发射线圈模块连接；

接收机，所述接收机与接收线圈模块连接；

其特征在于，

所述发射线圈模块包括共面、中心相同且发射电流流向相同的内发射线圈与外发射线圈，内发射线圈、外发射线圈之间构成过渡区域；调节所述内发射线圈、外发射线圈及发射电流的参数，使发射电流产生的一次磁场在所述过渡区域内最大化抵消；

所述接收线圈模块包括至少一个接收线圈，所有接收线圈处于所述过渡区域内。

2.根据权利要求1所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述接收线圈可调并且与发射线圈模块共面，通过调节所述接收线圈的参数及在过渡区域中所处的位置，使其内部总的磁通量为零。

3.根据权利要求1所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述内发射线圈与外发射线圈包括两种连接方式，第一种方式为内发射线圈、外发射线圈相互独立并与发射机并联连接；第二种方式为内发射线圈与外发射线圈串联后再与发射机连接。

4.根据权利要求3任一所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述内发射线圈与外发射线圈的导线绕制方向相同，当采用第一种方式连接时，内发射线圈与外发射线圈的发射电流的强度可不等；当采用第二种方式连接时，内发射线圈与外发射线圈的发射电流的大小相等。

5.根据权利要求1或3或4所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述内发射线圈、外发射线圈为不等大的任意封闭的平面图形的形状。

6.根据权利要求3或4任一所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述接收线圈模块包括三种连接方式，第一种方式为各接收线圈相互独立并与接收机并联连接，第二种方式为部分接收线圈串联构成若干组组合接收线圈，各组组合接收线圈再与接收机并联连接；第三种方式为所有接收线圈串联后与接收机连接。

7.根据权利要求6任一所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述接收线圈模块中，所有接收线圈的导线绕制方向相同。

8.根据权利要求7所述的一种双发射零磁通瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述接收线圈为任意封闭的平面图形的形状。

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