CN113625347B - 一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法和系统 - Google Patents

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CN113625347B CN202111090112.7A CN202111090112A CN113625347B CN 113625347 B CN113625347 B CN 113625347B CN 202111090112 A CN202111090112 A CN 202111090112A CN 113625347 B CN113625347 B CN 113625347B
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Abstract

本申请公开了一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法和系统，该方法包括：控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据。本申请采用发射与接收分离，地面电流源布设简单、信号强、辐射范围大，地面和空中均可进行磁场信号观测；该方法对水平磁场观测无方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测；其视电阻率基于水平和垂直磁场分量公式严格定义，不仅能精确反映地电信息，而且能够消除场源发射效率对电磁测深的影响。

Description

一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法和系统
技术领域
本申请涉及到地球物理探测领域，具体而言，涉及一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法和系统。
背景技术
多年来，广域电磁法采用“E-E”方式，即通过在地面布设电流源，地表观测电场来获取地电信息，取得了一系列重大研究和勘探成果。然而其在观测磁场分量方面应用较少，尤其是针对地形条件差、地面作业不方便的情况下，利用磁场信息实现对地探测，将更能发挥出广域电磁法的优势。
其次，对于人工源电磁法，在实际观测中，发射效率很难准确测得，所以在视电阻率计算过程中消除发射效率的影响至关重要。
基于此，亟需设计一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的电磁勘探方法。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法和系统，以至少解决现有技术中只利用电场信息对地探测所存在的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法，包括：控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据。
进一步地，所述观测点与所述两个电极的位置关系包括：所述观测点与所述两个电极连线中点的距离以及所述观测点与所述两个电极连线所成的角度。
进一步地，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率包括：获取观测点到两个电极之间连线的中点的距离，其中，所述两个电极产生电流；获取所述观测点与所述中点连线与所述两个电极连接线的第一夹角；获取所述观测点与x轴方向的第二夹角，其中，所述x轴方向与所述两个电极连接线平行；获取所述电流所产生的水平和垂直磁场信号的强度；根据所述距离、所述第一夹角、所述第二夹角、所述水平和垂直磁场信号的强度确定视电阻率。
进一步地，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率包括：根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号计算得到不同频率的视电阻率。
进一步地，所述观测点在地面上或者在空中。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁系统，包括：控制装置，用于控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；采集装置，用于在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；处理装置，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据。
进一步地，所述观测点与所述两个电极的位置关系包括：所述观测点与所述两个电极连线中点的距离以及所述观测点与所述两个电极连线所成的角度。
进一步地，所述处理装置用于：获取观测点到两个电极之间连线的中点的距离，其中，所述两个电极产生电流；获取所述观测点与所述中点连线与所述两个电极连接线的第一夹角；获取所述观测点与x轴方向的第二夹角，其中，所述x轴方向与所述两个电极连接线平行；获取所述电流所产生的水平和垂直磁场信号的强度；根据所述距离、所述第一夹角、所述第二夹角、所述水平和垂直磁场信号的强度确定视电阻率。
进一步地，所述处理装置用于：根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号计算得到不同频率的视电阻率。
进一步地，所述观测点在地面上或者在空中。
在本申请实施例中，采用了控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据。
本申请采用发射与接收分离，地面电流源布设简单、信号强、辐射范围大，地面和空中均可进行磁场信号观测；本发明测量任意水平和垂直磁场，尤其水平磁场无观测方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测；只需记录观测点坐标即可，野外操作简单易行，大大提高作业效率；该方法定义的视电阻率同时利用了水平和垂直磁场信息，且严格推导公式，不仅能够获取目标区域精确的视电阻率，而且消除了场源发射效率对目标区域电磁测深的影响。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的一种测量水平磁场H//和垂直磁场Hz的装置结构示意图；其中，附图标记1为电源，2为发送机，3为磁传感器；
图2为本发明一实施例提供的一种基于任意水平磁场H//和垂直磁场Hz获取电阻率的电磁方法的流程示意图；
图3为本发明水平电流源产生任意水平磁场H//和垂直磁场Hz的原理图；
图4是根据本申请实施例的基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中，提供了一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法，图4是根据本申请实施例的基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法的流程图，该流程包括如下步骤：
步骤S402，控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；
步骤S404，在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；
步骤S406，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据。
在该步骤中，位置关系可以包括角度和距离，例如，获取观测点到两个电极之间连线的中点的距离，其中，所述两个电极产生电流；获取所述观测点与所述中点连线与所述两个电极连接线的第一夹角；获取所述观测点与x轴方向的第二夹角，其中，所述x轴方向与所述两个电极连接线平行；获取所述电流所产生的水平和垂直磁场信号的强度；根据所述距离、所述第一夹角、所述第二夹角、所述水平和垂直磁场信号的强度确定视电阻率。可选地，计算得到的视电阻率可以是不同频率的视电阻率。
在上述步骤中，使用了观测点与电极的相对位置关系以及获取的水平和垂直磁场的信号作为计算视电阻率的依据，因此，解决了现有技术中只利用电场信息对地探测所存在的问题，从而不仅能够获取目标区域精确的视电阻率，而且消除了场源发射效率对目标区域电磁测深的影响。
下面结合一个可选的实施例进行说明。在本实施例中提供一种基于任意水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法，不局限于地面观测。既保证野外施工高效测量电磁信号，又在消除场源发射效率影响的情况下精确计算视电阻率，由于该方法对磁场无方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测，大大提高野外施工效率。
图2示出了本实施例的基于任意水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法，该电磁勘探方法包括以下步骤：
步骤S1：布设场源，如图1所示，包括发送机1、两个供电电极2A和2B；
步骤S2：安置观测系统，包括磁传感器3、通讯系统；
步骤S3：使所述观测系统正常工作，同时测量观测点水平和垂直磁场信号，并通过通讯系统发送给处理装置；
步骤S4：所述处理装置根据所述磁场信号，计算所处观测点不同频率的视电阻率，通过定性分析和定量计算获取地层信息。步骤S4具体包括：
所述处理装置根据所述一个或多个频率的任意水平磁场分量H//和垂直磁场分量Hz的响应信号，最终根据式(11)通过迭代方法获取所述记录点所处位置的不同频率的视电阻率。
如图3所示，柱坐标系中均匀半空间电流源产生的电磁场各分量为：
Figure BDA0003267077450000041
Figure BDA0003267077450000042
Ez＝0 (3)
Figure BDA0003267077450000043
Figure BDA0003267077450000044
Figure BDA0003267077450000045
这里，Er，
Figure BDA0003267077450000046
和Ez分别为r，
Figure BDA0003267077450000047
和z方向的电场分量，Hr，
Figure BDA0003267077450000049
和Hz分别为r，
Figure BDA0003267077450000048
和z方向的磁场分量。k为波数，k2＝ω2με-iωμσ，其中，ε为介电常数，μ为磁导率，ρ为电阻率，ω为角频率。Iv和Kv分别是v阶第一、第二类虚宗量为ikr/2的贝塞尔函数。dL为供电电极A与B之间的距离，m；I为单频或2n序列伪随机多频电流发送机发送的单频或2n序列伪随机多频的供电电流，A。
根据坐标转换可得x、y方向磁场分量为：
Figure BDA0003267077450000051
设磁场方向与x轴夹角为θ时，则任意水平方向H//可表示为：
H//＝cosθ·Hx+sinθ·Hy (8)
将式(7)代入式(8)可得
Figure BDA0003267077450000055
式(9)除以式(6)，可得
Figure BDA0003267077450000052
则由式(10)可得视电阻率为：
Figure BDA0003267077450000053
式中
Figure BDA0003267077450000054
其中，ρa为视电阻率，ρ为预设电阻率，Ω·m；
Figure BDA0003267077450000056
为记录点与两个供电电极中点的连线与两个供电电极连线的夹角；θ为测点处观测磁场方向与x轴方向的夹角；f(ikr)为电磁响应函数；r为记录点到两个供电电极中点的距离，m；i为虚数单位。
由式(11)可知，本发明定义的视电阻率公式与场源长度dL和供电电流I无关，与收发距r、观测角度(
Figure BDA0003267077450000057
、θ)、水平和垂直磁场强度有关。f(ikr)中包含了电阻率ρ的信息，因此可通过迭代方式计算出视电阻率。
Hz为磁传感器在野外实际布置测量的垂直磁场分量的响应信号，H//是任意水平方向磁场的响应信号，均能准确的反映接收大地的目标区域的电性特征。
相对于现有技术，本实施例上述技术方案具有如下优点：
(1)本电磁方法采用发射与接收分离，地面电流源布设简单、信号强、辐射范围大，地面和空中均可进行磁场信号观测；
(2)本实施例测量任意水平和垂直磁场，尤其水平磁场无观测方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测；只需记录观测点坐标即可，野外操作简单易行，大大提高作业效率；
(3)本实施例定义的视电阻率同时利用了水平和垂直磁场信息，且严格推导公式，不仅能够获取目标区域精确的视电阻率，而且消除了场源发射效率对目标区域电磁测深的影响。
本实施例中，提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中的方法。
上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。
在本实施例中就提供了这样的一种系统，该系统用于实现上述方法中的功能。
该系统被称为一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁系统，该系统包括：控制装置，用于控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；采集装置，用于在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；处理装置，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据。
该系统中的装置用于实现上述方法中的步骤。例如，所述处理装置用于：根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号计算得到不同频率的视电阻率，可选地，所述处理装置用于：获取观测点到两个电极之间连线的中点的距离，其中，所述两个电极产生电流；获取所述观测点与所述中点连线与所述两个电极连接线的第一夹角；获取所述观测点与x轴方向的第二夹角，其中，所述x轴方向与所述两个电极连接线平行；获取所述电流所产生的水平和垂直磁场信号的强度；根据所述距离、所述第一夹角、所述第二夹角、所述水平和垂直磁场信号的强度确定视电阻率。
上述观测点与所述两个电极的位置关系包括：所述观测点与所述两个电极连线中点的距离以及所述观测点与所述两个电极连线所成的角度。可选地，所述观测点在地面上或者在空中。
上述实施例使用了观测点与电极的相对位置关系以及获取的水平和垂直磁场的信号作为计算视电阻率的依据，因此，解决了现有技术中只利用电场信息对地探测所存在的问题，从而不仅能够获取目标区域精确的视电阻率，而且消除了场源发射效率对目标区域电磁测深的影响。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法，其特征在于，包括：
控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；
在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；
根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据；其中，所述观测点与所述两个电极的位置关系包括：所述观测点与所述两个电极连线中点的距离以及所述观测点与所述两个电极连线所成的角度；根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率包括：获取观测点到两个电极之间连线的中点的距离，其中，所述两个电极产生电流；获取所述观测点与所述中点连线与所述两个电极连接线的第一夹角；获取所述观测点与x轴方向的第二夹角，其中，所述x轴方向与所述两个电极连接线平行；获取所述电流所产生的水平和垂直磁场信号的强度；根据所述距离、所述第一夹角、所述第二夹角、所述水平和垂直磁场信号的强度确定视电阻率；其中，根据如下公式得到视电阻率：
Figure FDA0003629781360000011
式中
Figure FDA0003629781360000012
其中，ρa为视电阻率，
Figure FDA0003629781360000013
为记录点与两个供电电极中点的连线与两个供电电极连线的夹角；θ为测点处观测磁场方向与x轴方向的夹角；f(ikr)为电磁响应函数；r为记录点到两个供电电极中点的距离；i为虚数单位；H//为水平磁场分量和Hz为垂直磁场分量；k为波数，μ为磁导率，ω为角频率，Iv和Kv分别是v阶第一、第二类虚宗量为ikr/2的贝塞尔函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率包括：
根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号计算得到不同频率的视电阻率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述观测点在地面上或者在空中。
4.一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁系统，其特征在于，包括：
控制装置，用于控制预先布设的场源中的发送机通过两个电极发送电流信号；
采集装置，用于在观测点获取所述观测点的水平和垂直磁场信号；
处理装置，根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率，其中，所述视电阻率为计算地层信息的依据；其中，所述观测点与所述两个电极的位置关系包括：所述观测点与所述两个电极连线中点的距离以及所述观测点与所述两个电极连线所成的角度；根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号获取视电阻率包括：获取观测点到两个电极之间连线的中点的距离，其中，所述两个电极产生电流；获取所述观测点与所述中点连线与所述两个电极连接线的第一夹角；获取所述观测点与x轴方向的第二夹角，其中，所述x轴方向与所述两个电极连接线平行；获取所述电流所产生的水平和垂直磁场信号的强度；根据所述距离、所述第一夹角、所述第二夹角、所述水平和垂直磁场信号的强度确定视电阻率；其中，根据如下公式得到视电阻率：
Figure FDA0003629781360000021
式中
Figure FDA0003629781360000022
其中，ρa为视电阻率，ρ为预设电阻率；
Figure FDA0003629781360000023
为记录点与两个供电电极中点的连线与两个供电电极连线的夹角；θ为测点处观测磁场方向与x轴方向的夹角；f(ikr)为电磁响应函数；r为记录点到两个供电电极中点的距离；i为虚数单位；H//为水平磁场分量和Hz为垂直磁场分量；k为波数，μ为磁导率，ω为角频率，Iv和Kv分别是v阶第一、第二类虚宗量为ikr/2的贝塞尔函数。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理装置用于：
根据所述观测点与所述两个电极的位置关系以及所述水平和垂直磁场信号计算得到不同频率的视电阻率。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述观测点在地面上或者在空中。
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