CN112578464A - 一种载波瞬变电磁系统及其测试方法 - Google Patents

一种载波瞬变电磁系统及其测试方法 Download PDF

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胡雄武
陈人峻
孔冰清
徐标
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    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils

Abstract

本发明公开一种载波瞬变电磁系统及其测试方法，属于煤矿开采领域，所述载波瞬变电磁系统包括支撑件、发射线圈、接收线圈、主机、连接线和移动终端。通过发射线圈和接收线圈的合理布置，大幅降低了载波段一次场幅值，并通过发射线性关断电流使一次场保持常数，实现了载波段一次场干扰的彻底消除，从而获得载波段纯二次场信号，通过视电阻率计算与成像，实现了浅层地质地电信息的精细探测，解决了传统瞬变电磁方法存在勘探盲区的问题。

Description

一种载波瞬变电磁系统及其测试方法
技术领域
本发明涉及瞬变电磁领域，具体是一种载波瞬变电磁系统及其测试方法。
背景技术
瞬变电磁作为一种重要的物探方法，对地下介质探测具有显著优势。目前该方法观测二次场在发射电流关断后的信号(衰减段)，以获取地下介质电性特征，但衰减段二次场因一次场干扰致使早期数据畸变而无法准确反映介质电性特征，造成探测盲区。尽管现有瞬变电磁技术在发射电流关断和线圈装置等方面做了大量改进，但盲区问题尚未彻底解决，实际浅层探测能力仍不足。研究表明，同衰减段二次场相比，载波段(发射电流关断过程中)二次场对浅层地电信息响应更敏感，且响应幅值高。
发明内容
本发明旨在提供一种载波瞬变电磁系统及其测试方法，以提高瞬变电磁法对浅层地质信息的探测能力。
本发明通过以下技术方案实现：
一种载波瞬变电磁系统，包括支撑件、发射线圈、接收线圈、主机、连接线、和移动终端。
进一步的，所述支撑件包括箱体、连接杆、主机架、滚轮和测距轮。箱体采用绝缘塑料材质，用于固定发射线圈和接收线圈并在两侧安装滚轮；连接杆用于安装连接线并固定主机架和箱体；主机架用于固定主机且两侧分别安装一个测距轮和滚轮；测距轮测量并记录移动距离；箱体，连接杆和主机架可拆卸。
进一步的，所述发射线圈和接收线圈呈圆形且匝数可调，发射线圈半径a与接收线圈半径C的比值为1:(0.1-0.9)，发射线圈中心O至接收线圈中心O’的距离为L，a与L比值为1:(2.452-2.675)。
进一步的，所述发射线圈和接收线圈共面并通过连接线与主机相连，主机至OO’的垂直距离≥3.5m；主机通过内置Wi-Fi与移动终端建立通讯和传输数据；主机通过内置GPS测量大地坐标；主机用于发射线性关断电流且关断时间可调。
进一步的，所述移动终端配置有采集软件，采集软件具备设置指令、接收和处理数据及成像等功能。
一种载波瞬变电磁测试方法，包括以下步骤：
S1：按探测要求布设勘探测线和测点；
S2：开展试验工作，确定最佳采集参数；
S3：实施数据采集并实时传输数据至移动终端；移动终端对数据实时进行预处理，处理与成像；
S4：根据视电阻率图像分析地下介质地电特性。
进一步的，所述S2中试验工作为确定电流关断时间、发射电流强度等观测参数试验和载波段一次场U1测量试验。
进一步的，所述S3中数据采集为在移动终端设置采集参数，传输指令至主机，主机按指令对各测点进行数据采集。所述预处理为将载波段实测数据U减去U1，获得载波段二次场U2，并对U2进行平滑滤波。所述处理与成像为计算视电阻率并生成等值线图像。
本发明的有益效果：
1、本发明可有效观测到载波段二次场信号，实现对浅层地质信息的精细探测，彻底解决了传统瞬变电磁法对浅层地质信息无法分辨的难题；
2、本发明可通过调节发射电流线性关断时间控制探测深度，较传统瞬变电磁法更准确；
3、本发明与传统瞬变电磁法相比布置的发射线圈与接收线圈，一次场信号强度大幅降低且在载波段保持稳定不变，可彻底消除一次场对二次场的干扰。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明载波瞬变电磁系统示意图；
图2是本发明载波瞬变电磁系统侧视图；
图3是本发明发射线圈与接收线圈示意图；
图4是本发明接收线圈磁通量的变化曲线；
图5是本发明发射电流的变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1、2所示，一种载波瞬变电磁系统，包括支撑件1、发射线圈2、接收线圈4、主机3、连接线5、和移动终端8。支撑件1包括箱体11、连接杆12、主机架13、滚轮7和测距轮6。箱体11采用绝缘塑料材质，用于固定发射线圈2和接收线圈4并在两侧安装滚轮7；连接杆12用于安装连接线5并固定主机架13和箱体11；主机架13用于固定主机3且两侧分别安装一个测距轮6和滚轮7；测距轮6测量并记录移动距离；箱体11，连接杆12和主机架13可拆卸。发射线圈2和接收线圈4呈圆形且匝数可调，发射线圈2半径a与接收线圈4半径C的比值为1:(0.1-0.9)，发射线圈2中心O至接收线圈4中心O’的距离为L，a与L比值为1:(2.452-2.675)。发射线圈2和接收线圈4共面并通过连接线5与主机2相连，主机2至OO’的垂直距离≥3.5m；主机2通过内置Wi-Fi与移动终端8建立通讯和传输数据；主机2通过内置GPS测量大地坐标；主机2用于发射线性关断电流且关断时间可调。所述移动终端8配置有采集软件，采集软件具备设置指令、接收和处理数据及成像等功能。
载波瞬变电磁系统原理：如图3所示，xoy平面有一半径为a的单匝载流圆线圈，圆心与坐标原点重合，电流为I，真空磁导率为μ0，在空间内任取一点
Figure BDA0002810447800000041
(
Figure BDA0002810447800000042
为该点矢量长度，θ是倾角，
Figure BDA0002810447800000043
是方位角)，磁感应强度B为：
Figure BDA0002810447800000044
式中：
Figure BDA0002810447800000045
Figure BDA0002810447800000046
Figure BDA0002810447800000047
化简得：
Figure BDA0002810447800000048
式中：
Figure BDA0002810447800000049
根据载流线圈磁场对称性，空间任意点B仅与r和θ有关，即
Figure BDA00028104478000000410
式中，令
Figure BDA00028104478000000411
即sinθ＝1，可得xoy平面内
Figure BDA00028104478000000412
载波瞬变电磁系统的关键是载波段接收线圈内一次场磁通量φT趋向于0。假设
Figure BDA0002810447800000051
可得接φT表达式为:
Figure BDA0002810447800000052
化简，得
Figure BDA0002810447800000053
式中
Figure BDA0002810447800000054
和为
Figure BDA0002810447800000055
分别为第一类和第二类完全椭圆积分。
对上式(6)进行数值求解,当a＝1m,I＝1A,C＝0.1m,L＝3m时，φT＝2.79394832438472e-10T·m。
图4为a＝1m、C＝0.1m时φT与L/a的关系曲线，可见，L/a为1:(2-3.5)时，存在φT＝0的L值。经计算，实际a、C和L取值应符合下表。
C/a、L/a和φm三者对应关系表
C/a L/a φ<sub>T</sub>
0.1 2.452～2.453 -4.89890224422383e-13～4.10623155119736e-13
0.2 2.461～2.462 -1.46944181622529e-12～2.14042733671610e-12
0.3 2.476～2.477 -6.66723092024184e-13～7.47963802419011e-12
0.4 2.496～2.497 -6.21697362437416e-12～8.35124167983244e-12
0.5 2.522～2.523 -5.76102960694360e-12～1.71359978814257e-11
0.6 2.553～2.554 -1.09026014350474e-11～2.23209950844902e-11
0.7 2.589～2.590 -1.81333421030043e-11～2.74771354015583e-11
0.8 2.630～2.631 -1.08242285324587e-11～4.92671407725993e-11
0.9 2.675～2.676 -2.95485023725695e-11～4.73048955191273e-11
一种载波瞬变电磁测试方法，原理为：线性关断电流9关断过程中(见图5)，载波段一次场
Figure BDA0002810447800000056
可见，U1与电流关断时间t0成反比且为常数，故U1可消除。
具体步骤包括：
(1)按要求布设勘探测线和测点；
(2)根据勘探目标确定a，C和L，通过现场试验，首先确定发射电流关断时间t0和电流强度等观测参数；其次在通过载波瞬变系统的悬空试验，测量载波段一次场U1；
(3)在移动终端8设置发射电流、关断时间和点距等参数并通过Wi-Fi发送采集指令至主机3，主机3依据指令进行数据采集，采集数据包括测距轮移动距离、GPS坐标和载波数据U；当一个测点数据采集完成，主机3实时将数据发送至移动终端8，移动终端8内置采集软件对数据进行实时预处理、处理和成像；以此类推，完成所有测点数据的采集、预处理、处理与成像；其中预处理是将U减去U1获得载波段二次场U2，并对U2进行平滑滤波；处理和成像是对预处理后的U2进行视电阻率计算并生成等值线图像；
(4)根据视电阻率图像评价地下介质地电特性，达到地质勘探目标。

Claims (8)

1.一种载波瞬变电磁系统，其特征在于：所述载波瞬变电磁系统包括支撑件、发射线圈、接收线圈、主机、连接线和移动终端。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述支撑件包括箱体、连接杆、主机架、滚轮和测距轮；箱体采用绝缘塑料材质，用于固定发射线圈和接收线圈并在两侧安装滚轮；连接杆用于安装连接线并固定主机架和箱体；主机架用于固定主机且两侧分别安装一个测距轮和滚轮；测距轮测量并记录移动距离；箱体、连接杆和主机架可拆卸。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈呈圆形且匝数可调，发射线圈半径a与接收线圈半径C半径比为1:(0.1-0.9)，发射线圈中心O至接收线圈中心O’的距离为L，a与L比值为1:(2.452-2.675)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈共面并通过连接线与主机相连，主机至OO’的垂直距离≥3.5m；主机通过内置Wi-Fi与移动终端建立通讯和传输数据；主机通过内置GPS测量大地坐标；主机用于发射线性关断电流且关断时间可调。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述移动终端配置有采集软件，采集软件具备设置指令、接收和处理数据及成像功能。
6.基于权利要求1-5任意一项所述系统的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下步骤：
S1：按探测要求布设勘探测线和测点；
S2：开展试验工作，确定最佳采集参数；
S3：实施数据采集并实时传输数据至移动终端；移动终端对数据实时进行预处理，处理与成像；
S4：根据视电阻率图像分析地下介质地电特性。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：所述S2中试验工作为确定电流关断时间、发射电流强度等观测参数试验和载波段一次场U1测量试验。
8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：所述S3中数据采集为在移动终端设置采集参数，传输指令至主机，主机按指令对各测点进行数据采集；所述预处理为将载波段实测数据U减去U1，获得载波段二次场U2，并对U2进行平滑滤波；所述处理与成像为计算视电阻率并生成等值线图像。
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