CN113848588A - 一种lf频段大跨距电磁波ct成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LF频段大跨距电磁波CT成像系统，包括高精度同步测量系统、地面综合控制系统、时谐大磁矩磁场发射系统和高灵敏度宽频带磁场接收系统，高精度同步测量系统包括与时谐大磁矩磁场发射系统中的宽频带大功率发射电路电连接的发射同步电路，与高灵敏度宽频带磁场接收系统中的宽频带微弱信号接收电路电连接的接收同步电路，发射同步电路和接收同步电路分别通过电缆与地面综合控制系统电连接。本发明所公开的LF频段大跨距电磁波CT成像系统，利用磁偶极子天线代替电偶极子天线，降低了反演计算模型的复杂度，使理论模型与实际模型更加符合。
Description
技术领域
本发明属于电波传播和地球物理勘探技术领域，特别涉及该领域中的一种LF频段大跨距电磁波CT成像系统，可以在城市地下空间高精度探测、高铁线路地质勘探、地铁建筑渗漏检测等领域应用。
背景技术
电磁波层析成像技术(CT)是利用电磁波透射目标体并通过计算机层析成像技术来探测物体内部电性参数结构的一种技术，属于CT技术的一种，是一种探测钻孔(或坑道)之间与背景电阻率有较大电性差异的异常体(如溶洞、地下暗河、断裂破碎带等)，并确定其空间位置和产状的非常有效的方法。
当前国内外物探应用中电磁波CT仪器均采用电偶极子收发模型(MHz)，例如廊坊物化探所的JW系列，岳阳奥诚的井下无线电波透视均是以电天线为基础原型研制的，在实际应用中分别采用不同长度的电天线作为发射、接收天线。电天线CT需要满足一定的天线准则(波长的1/4或者1/2)，当使用MHz频率激励时，天线长度在10米级别，例如选用0.5MHz—12MHz的电偶极发射天线，该频段的电偶极发射天线长度约为5m—10m(上天线+下天线)。当孔间距在几十米左右时，基于电天线的CT仪器电磁波传播距离与天线尺度可比，由于天线近场的强非线性以及方向性会受到天线结构影响，解析与测量的方法难以准确表示实际的电磁辐射方向性，这会对近场电磁探测的信号分析、处理和系统的技术性能产生影响，此时现有CT仪器已不能完全视为电偶极子，传统射线理论的定量化解释结果不可避免的会出现误差，限制了有效测试距离。
发明内容
本发明要改进现有电偶极子CT有效测试距离短(30m左右)、模型等效差和量化解释误差大的问题，提供一种LF频段大跨距电磁波CT成像系统。
本发明采用如下技术方案：
一种LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其改进之处在于：包括高精度同步测量系统、地面综合控制系统、时谐大磁矩磁场发射系统和高灵敏度宽频带磁场接收系统，高精度同步测量系统包括与时谐大磁矩磁场发射系统中的宽频带大功率发射电路电连接的发射同步电路，与高灵敏度宽频带磁场接收系统中的宽频带微弱信号接收电路电连接的接收同步电路，发射同步电路和接收同步电路分别通过电缆与地面综合控制系统电连接。
进一步的，高精度同步测量系统的发射同步电路包括依次电连接在一起的高精度温度补偿晶振TXCO、FD分频电路和隔离型发射驱动电路，TXCO经FD分频电路产生300Hz的同步脉冲SYN1，SYN1经隔离型发射驱动电路分为两路，一路进入地面综合控制系统作为发射命令的同步，一路传输至宽频带微弱信号接收电路作为锁相环的同步信号。
进一步的，高精度同步测量系统的接收同步电路包括依次电连接在一起的隔离型接收驱动电路、脉冲整形滤波器、PLL模拟锁相环电路和高精度宽调幅压控晶振VCXO，SYN1经隔离型接收驱动电路和脉冲整形滤波器后变为同步脉冲SYN2，SYN2传输至PLL模拟锁相环电路。
进一步的，地面综合控制系统包括数字控制电路、U盘读写模块、同步模块、通讯模块、存储模块、孔下电池控制模块、绞车控制模块和工业触摸屏，由蓄电池或市电供电，数字控制电路采用基于STM32的ARM嵌入式处理器。
进一步的，与地面综合控制系统电连接的电缆缠绕在带棘轮机构的手动绞车上，手动绞车包括导电滑环、手柄、支架和绕线盘。
进一步的，时谐大磁矩磁场发射系统采用H型全桥功放拓扑，包括发射电池、宽频带大功率发射电路和时谐大磁矩发射天线，发射电池选用带有过温过压过流保护电路的磷酸铁锂电池组，地面综合控制系统实时监测电池电压及温度，时谐大磁矩磁场发射系统的上电由地面综合控制系统控制；宽频带大功率发射电路包括依次电连接在一起的晶振、DDS、驱动电路、Q1、Q2、Q3、Q4四个MOSFET模块和调谐电容，调谐电容与时谐大磁矩发射天线电连接，继电器模块与调谐电容和时谐大磁矩发射天线电连接，MCU与晶振、DDS、驱动电路和继电器模块电连接；晶振和DDS是发射信号源，Q1、Q4和Q2、Q3交替导通实现对时谐大磁矩发射天线的交流激励，调谐电容用于改变时谐大磁矩发射天线的阻抗，提升发射电流，继电器模块用于改变时谐大磁矩发射天线的抽头状态和串并联状态。
进一步的，时谐大磁矩发射天线为磁偶极子发射天线，包括磁芯、监测线圈和磁偶极子线圈，磁芯用于增强天线发射强度，监测线圈用于测量发射磁场的幅度和相位。
进一步的，高灵敏度宽频带磁场接收系统包括接收电池、宽频带微弱信号接收电路和高灵敏度接收天线，宽频带微弱信号接收电路包括依次电连接在一起的晶振、DDS和正交电路，与高灵敏度接收天线电连接的动态放大电路，分别与动态放大电路和正交电路电连接的第一开关乘法器和第二开关乘法器，第一开关乘法器通过第一低通滤波器与A/D采集电路电连接，第二开关乘法器通过第二低通滤波器与A/D采集电路电连接，MCU与上述晶振、DDS、正交电路和A/D采集电路电连接，A/D采集电路还通过同步电路与MCU电连接，晶振和DDS是正交电路的信号源，MCU根据遥测指令设置DDS对晶振进行分频，产生与发射信号同频同相的信号，正交电路将此信号分为相差90°的两路信号，动态放大电路根据孔间距对接收信号进行滤波去噪和变频动态放大。
进一步的，高灵敏度接收天线包括棒状磁芯、主线圈、反馈线圈、刻度线圈、屏蔽层、骨架和前放电路，采用磁通负反馈方法和高磁导率软磁材料。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的LF频段大跨距电磁波CT成像系统，基于磁偶极子CT技术，利用发射频率为30kHz—300kHz(LF频段)的天线解决跨距较短问题(不同地质背景下80m—100m)，优化天线尺度使传播距离远大于天线尺度(10倍以上)，解决了电天线模型的等效问题。利用多种电路技术提高了接收信号的信号比，增加了同步相位测量方法。最终利用感应场幅度相位联合反演和远场SIRT成像反演方法解决了量化解释误差问题。
本发明所公开的LF频段大跨距电磁波CT成像系统，利用磁偶极子天线代替电偶极子天线，降低了反演计算模型的复杂度，使理论模型与实际模型更加符合；采用宽频磁偶极子发射天线谐振技术、交流磁场逆变发射技术和高饱和、低磁滞、低损耗的新型磁性材料提高电磁波的发射效率；采用磁通负反馈技术实现宽频带高灵敏度接收，采用同步锁相、相干解调技术提高抗干扰及微弱信号处理能力；基于电波传播理论，提出适用于近场的幅度相位联合反演方法，实现不同孔间距的高分辨率成像。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开系统的原理样机组成示意图；
图2是本发明实施例1所公开系统中高精度同步测量系统的组成示意图；
图3是本发明实施例1所公开系统中地面综合控制系统的组成示意图；
图4是本发明实施例1所公开系统中手动绞车的结构示意图；
图5是本发明实施例1所公开系统中H型全桥功放的电路示意图；
图6是本发明实施例1所公开系统中宽频带大功率发射电路的组成示意图；
图7是本发明实施例1所公开系统中宽频带微弱信号接收电路的组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种LF频段大跨距电磁波CT成像系统，包括高精度同步测量系统、地面综合控制系统、时谐大磁矩磁场发射系统、高灵敏度宽频带磁场接收系统和正反演方法，高精度同步测量系统包括与时谐大磁矩磁场发射系统中的宽频带大功率发射电路电连接的发射同步电路，与高灵敏度宽频带磁场接收系统中的宽频带微弱信号接收电路电连接的接收同步电路，发射同步电路和接收同步电路分别通过电缆与地面综合控制系统电连接。
大跨距电磁波CT成像的原理是利用交变磁场对两孔进行多点扫描，测量发射磁场经过地层后的相位变化和幅度衰减，进而反演得出地层的地质信息。能否在同一时刻实现对收发磁场的幅度和相位采集，是系统设计的关键。电磁波CT成像系统的特点是收发电路位置不同、时钟(晶振)不同，若要实现同步采集，必须做到收发电路同频、同相，实现收发两个时钟可等效为收发共用同一个时钟。
如图2所示，高精度同步测量系统由发射同步电路、地面同步电路、接收同步电路和传输电缆组成。
高精度同步测量系统的发射同步电路包括依次电连接在一起的高精度温度补偿晶振TXCO、FD分频电路和隔离型发射驱动电路，TXCO经FD分频电路产生300Hz的同步脉冲SYN1，SYN1经隔离型发射驱动电路分为两路通过发射绞车缆芯向上传输，一路进入地面综合控制系统作为发射命令的同步，一路传输至宽频带微弱信号接收电路作为锁相环的同步信号。
高精度同步测量系统的接收同步电路包括依次电连接在一起的隔离型接收驱动电路、脉冲整形滤波器、PLL模拟锁相环电路和高精度宽调幅压控晶振VCXO，SYN1经隔离型接收驱动电路和脉冲整形滤波器后变为同步脉冲SYN2，SYN2传输至PLL模拟锁相环电路。
如图3所示，地面综合控制系统用于实现对大跨距电磁波CT成像全系统的综合控制和工作管理，包括数字控制电路、U盘读写模块、同步模块、通讯模块、存储模块、孔下电池控制模块、绞车控制模块和工业触摸屏。可由蓄电池或市电供电，在没有发电机和市电时内置的蓄电池可维持地面综合控制系统正常工作。
数字控制电路是地面综合控制系统的控制核心，采用基于STM32的ARM嵌入式处理器。实现的主要功能包括：自检，判断系统状态；读取U盘工作列表，按列表有序工作；与触摸屏通讯，识别并执行触摸指令，显示工作参数和警示信息；与收、发系统通讯，存储收、发系统上传信息；参考同步脉冲下发指令实现收发同步；控制收、发系统孔下电池上电及断电，监测孔下、地面电池电压、温度等信息并在过温、欠压、过压时弹出警示信息，判断是否进行保护操作。
与地面综合控制系统电连接的电缆缠绕在带棘轮机构的手动绞车上，如图4所示，手动绞车包括导电滑环1、手柄2、支架3和绕线盘4。
如图5所示，时谐大磁矩磁场发射系统采用H型全桥功放拓扑，包括发射电池、宽频带大功率发射电路和时谐大磁矩发射天线，驱动磁偶极子发射天线向外发射既定频率磁场。
发射电池负责为时谐大磁矩磁场发射系统供电，选用带有过温过压过流保护电路的磷酸铁锂电池组，地面综合控制系统实时监测电池电压及温度，时谐大磁矩磁场发射系统的上电由地面综合控制系统控制。
如图6所示，宽频带大功率发射电路包括依次电连接在一起的晶振、DDS、驱动电路、Q1、Q2、Q3、Q4四个MOSFET模块和调谐电容，调谐电容与时谐大磁矩发射天线电连接，继电器模块与调谐电容和时谐大磁矩发射天线电连接，MCU与晶振、DDS、驱动电路和继电器模块电连接；晶振和DDS是发射信号源，由四个MOSFET模块组成H型全桥功放电路，工作时在驱动电路的控制下Q1、Q4和Q2、Q3交替导通实现对时谐大磁矩发射天线的交流激励，调谐电容用于改变时谐大磁矩发射天线的阻抗，提升发射电流，继电器模块用于改变时谐大磁矩发射天线的抽头状态和串并联状态。
时谐大磁矩发射天线为磁偶极子发射天线，包括磁芯、监测线圈和磁偶极子线圈，磁芯用于增强天线发射强度，监测线圈用于测量发射磁场的幅度和相位。
高灵敏度宽频带磁场接收系统包括接收电池、宽频带微弱信号接收电路和高灵敏度接收天线，如图7所示，宽频带微弱信号接收电路包括依次电连接在一起的晶振、DDS和正交电路，与高灵敏度接收天线电连接的动态放大电路，分别与动态放大电路和正交电路电连接的第一开关乘法器和第二开关乘法器，第一开关乘法器通过第一低通滤波器与A/D采集电路电连接，第二开关乘法器通过第二低通滤波器与A/D采集电路电连接，MCU与上述晶振、DDS、正交电路和A/D采集电路电连接，A/D采集电路还通过同步电路与MCU电连接。高灵敏度宽频带磁场接收系统还包括滤波放大电路和锁定放大正交检测电路。晶振和DDS是正交电路的信号源，MCU根据遥测指令设置DDS对晶振进行分频，产生与发射信号同频同相的信号，正交电路将此信号分为相差90°的两路信号，动态放大电路根据孔间距对接收信号进行滤波去噪和变频动态放大。两路锁定放大电路利用正交信号实现对接收天线信号的微弱信号处理，通过锁定放大、滤波整形和正交检测分别获取目标信号的实部值和虚部值，最后送入参考同步信号的A/D进行采集。
高灵敏度接收天线包括棒状磁芯、主线圈、反馈线圈、刻度线圈、屏蔽层、骨架和前放电路，采用磁通负反馈方法实现宽频带接收，采用高磁导率软磁材料实现高灵敏度接收。磁通负反馈能够解决谐振点处相位突变的问题，并使高灵敏度接收天线在原谐振点两侧有平坦的灵敏度曲线。
基于射线理论的SIRT成像方法：
大跨距电磁波CT成像探测场区的划分依据如下：
趋肤效应公式为：
式中，ω为角频率，μ为磁导率，σ为电导率。
根据距离R与趋肤效应δ的比值大小，可以将电磁场划为三个区：近场区(R/δ＜＜1)、感应区和远场区(R/δ＞＞1)。
处于感应和近场区时，考虑到电路与环境噪声的影响，传统射线理论误差会逐渐增大，必将影响基于射线理论的SIRT成像效果，故本实施例采用低频感应场幅度相位联合反演成像方法求解近场问题；当条件适用射线理论时，再采用SIRT成像求解远场问题。
本实施例所公开的系统，收发不再采用电偶极子模型而改用磁偶极子模型，30kHz-300kHz的磁偶极子天线长度约为0.5m。由于传播距离远大于发射天线尺度，此时电磁场理论与实际模型更加相符。采用低频发射、低频工作，可以有效降低地层对电磁波的衰减，延长探测距离，在实际工作中更加便捷。降低频率会导致钻孔间目标体的分辨率下降，为了保证测量两个钻孔之间的分辨率，采用了两个钻孔之间的相位差信息结合幅度信息来进行地层参数的反演。目前已经进行了多次现场试验，效果良好。
Claims (9)
1.一种LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：包括高精度同步测量系统、地面综合控制系统、时谐大磁矩磁场发射系统和高灵敏度宽频带磁场接收系统，高精度同步测量系统包括与时谐大磁矩磁场发射系统中的宽频带大功率发射电路电连接的发射同步电路，与高灵敏度宽频带磁场接收系统中的宽频带微弱信号接收电路电连接的接收同步电路，发射同步电路和接收同步电路分别通过电缆与地面综合控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：高精度同步测量系统的发射同步电路包括依次电连接在一起的高精度温度补偿晶振TXCO、FD分频电路和隔离型发射驱动电路，TXCO经FD分频电路产生300Hz的同步脉冲SYN1，SYN1经隔离型发射驱动电路分为两路，一路进入地面综合控制系统作为发射命令的同步，一路传输至宽频带微弱信号接收电路作为锁相环的同步信号。
3.根据权利要求2所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：高精度同步测量系统的接收同步电路包括依次电连接在一起的隔离型接收驱动电路、脉冲整形滤波器、PLL模拟锁相环电路和高精度宽调幅压控晶振VCXO，SYN1经隔离型接收驱动电路和脉冲整形滤波器后变为同步脉冲SYN2，SYN2传输至PLL模拟锁相环电路。
4.根据权利要求1所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：地面综合控制系统包括数字控制电路、U盘读写模块、同步模块、通讯模块、存储模块、孔下电池控制模块、绞车控制模块和工业触摸屏，由蓄电池或市电供电，数字控制电路采用基于STM32的ARM嵌入式处理器。
5.根据权利要求1所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：与地面综合控制系统电连接的电缆缠绕在带棘轮机构的手动绞车上，手动绞车包括导电滑环、手柄、支架和绕线盘。
6.根据权利要求1所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：时谐大磁矩磁场发射系统采用H型全桥功放拓扑，包括发射电池、宽频带大功率发射电路和时谐大磁矩发射天线，发射电池选用带有过温过压过流保护电路的磷酸铁锂电池组，地面综合控制系统实时监测电池电压及温度，时谐大磁矩磁场发射系统的上电由地面综合控制系统控制；宽频带大功率发射电路包括依次电连接在一起的晶振、DDS、驱动电路、Q1、Q2、Q3、Q4四个MOSFET模块和调谐电容，调谐电容与时谐大磁矩发射天线电连接，继电器模块与调谐电容和时谐大磁矩发射天线电连接，MCU与晶振、DDS、驱动电路和继电器模块电连接；晶振和DDS是发射信号源，Q1、Q4和Q2、Q3交替导通实现对时谐大磁矩发射天线的交流激励，调谐电容用于改变时谐大磁矩发射天线的阻抗，提升发射电流，继电器模块用于改变时谐大磁矩发射天线的抽头状态和串并联状态。
7.根据权利要求6所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：时谐大磁矩发射天线为磁偶极子发射天线，包括磁芯、监测线圈和磁偶极子线圈，磁芯用于增强天线发射强度，监测线圈用于测量发射磁场的幅度和相位。
8.根据权利要求1所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：高灵敏度宽频带磁场接收系统包括接收电池、宽频带微弱信号接收电路和高灵敏度接收天线，宽频带微弱信号接收电路包括依次电连接在一起的晶振、DDS和正交电路，与高灵敏度接收天线电连接的动态放大电路，分别与动态放大电路和正交电路电连接的第一开关乘法器和第二开关乘法器，第一开关乘法器通过第一低通滤波器与A/D采集电路电连接，第二开关乘法器通过第二低通滤波器与A/D采集电路电连接，MCU与上述晶振、DDS、正交电路和A/D采集电路电连接，A/D采集电路还通过同步电路与MCU电连接，晶振和DDS是正交电路的信号源，MCU根据遥测指令设置DDS对晶振进行分频，产生与发射信号同频同相的信号，正交电路将此信号分为相差90°的两路信号，动态放大电路根据孔间距对接收信号进行滤波去噪和变频动态放大。
9.根据权利要求8所述LF频段大跨距电磁波CT成像系统，其特征在于：高灵敏度接收天线包括棒状磁芯、主线圈、反馈线圈、刻度线圈、屏蔽层、骨架和前放电路，采用磁通负反馈方法和高磁导率软磁材料。
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|---|---|---|---|
| CN202111109659.7A Pending CN113848588A (zh) | 2021-09-22 | 2021-09-22 | 一种lf频段大跨距电磁波ct成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113848588A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1035361A (zh) * | 1988-01-14 | 1989-09-06 | 斯托拉尔公司 | 用相位相干电磁装置探测长形垂直或水平电导体的方法 |
| US20100231221A1 (en) * | 2009-03-16 | 2010-09-16 | Rosthal Richard A | Induction Coil Impedance Modeling using Equivalent Circuit Parameters |
| CN110767979A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-07 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种地铁地连墙渗漏检测用的钻孔电磁波发射天线 |
| CN111200447A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-26 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路 |
| CN111697334A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-09-22 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种地铁地连墙渗漏检测用的钻孔电磁波接收天线 |
-
2021
- 2021-09-22 CN CN202111109659.7A patent/CN113848588A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1035361A (zh) * | 1988-01-14 | 1989-09-06 | 斯托拉尔公司 | 用相位相干电磁装置探测长形垂直或水平电导体的方法 |
| US20100231221A1 (en) * | 2009-03-16 | 2010-09-16 | Rosthal Richard A | Induction Coil Impedance Modeling using Equivalent Circuit Parameters |
| CN110767979A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-07 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种地铁地连墙渗漏检测用的钻孔电磁波发射天线 |
| CN111697334A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-09-22 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种地铁地连墙渗漏检测用的钻孔电磁波接收天线 |
| CN111200447A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-26 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 张庆乐 等: "井间电磁成像系统地面与井下同步测量应用研究", 《石油管材与仪器》, vol. 5, no. 5, pages 55 - 58 * |
| 晁永胜 等: "井间电磁成像测井系统研制之井间电磁成像系统", 《小微测井（微信公众号）》 * |
| 李相银 等: "《大学物理实验》", 高等教育出版社, pages: 332 - 334 * |
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