CN114488315A - 一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁源地空瞬变电磁测量技术领域，尤其涉及一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统及测量方法，磁源地空瞬变电磁三分量测量系统包括磁源发射系统、三分量空中接收系统以及同步系统，磁源发射系统用于在地面发射一次磁场，激发地下目标体产生二次感应磁场，三分量空中接收系统用于测量磁源发射系统激发地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应，同步系统用于对三分量空中接收系统进行授时和定位。本发明实现三分量瞬变电磁数据快速采集，并利用定向器对原始数据进行校正，获得归一化的三分量数据。

Description

一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于磁源地空瞬变电磁测量技术领域，尤其涉及一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统及测量方法。

背景技术

在地形复杂山区沟壑纵横、植被茂密，常规地面地球物理方法受限于复杂地形条件限制，施工困难、数据采集周期长，不能满足目前快速可靠的探测地下结构的实际需求，因此开展地空瞬变电磁探测方法与技术研究显得十分必要。地空瞬变电磁法是在地面发射空中接收的半航空瞬变电磁装置形式，是近几年发展起来的快速勘查方法，具有勘探深度大，数据质量高的特点，目前主要应用在煤田、工程勘察等领域。研究显示地空瞬变电磁法在矿产、油气以及地质灾害领域应用潜力巨大。但是我国在航空地球物理领域起步晚，装备落后，受限于飞行平台装备水平，我国地空瞬变电磁探测系统还很不完善。

基于无人机的地空瞬变电磁探测系统，是利用发射系统在地面发射，将接收机以及传感器搭载在旋翼无人机上实施测量。目前用于空中采集的空心线圈瞬变电磁传感器仅能测量垂直分量，而单一分量在对复杂目标体的探测中存在缺陷，对目标体边界反映不清，不能满足实际需求。

常规地空瞬变电磁法是在通过接地电性源在地面发射，在空中接收系统仅接收垂直分量瞬变响应。在沙漠戈壁等接地条件不好的地区，电性发射接地源的接地电阻问题很难处理，发射电流很难供大电流。而且在一些地区存在地表盐碱壳，会出现供电电流顺层跑的现象，不能达到预期目的。另一方面接收系统中单一分量瞬变响应对于目标地质体的边界反映不清楚。在野外实际测量时，三分量线圈会在空中发生旋转，其中垂直(Z)分量探头受探头自身的旋转对数据采集没有影响。但在测量水平(X、Y)分量时，线圈自身在空中的旋转会使得测量数据影响巨大。因此，必须对水平分量(X、Y)水平分量进行转角校正。

本发明提出一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统及测量方法，利用不接地磁性回线源通过回线发射框在地面发射，通过旋翼无人机搭载接收机和基于定向器的三分量传感器在空中测量地面发射系统激发的瞬变电磁三分量响应，获取更加丰富的目标地质体的信息。

发明内容

本发明提供一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统及测量方法，目的在于实现三分量瞬变电磁数据快速采集，并利用定向器对原始数据进行校正，获得归一化的三分量数据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，包括磁源发射系统、三分量空中接收系统以及同步系统；

磁源发射系统包括发射机、整流器、发电机和发射框，整流器一端连接发电机，整流器的另一端连接发射机，发射机上通过接线柱连接发射框的两个接头；磁源发射系统用于在地面发射一次磁场，激发地下目标体产生二次感应磁场；

三分量空中接收系统包括无人机和设置在无人机下方的搭载平台，搭载平台上设置接收机，搭载平台的下方通过吊绳连接三分量传感器，接收机通过感应线圈连接线与三分量传感器连接；三分量空中接收系统用于测量磁源发射系统激发地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应；

同步系统用于对三分量空中接收系统进行授时和定位。

进一步地，同步系统包括设置在无人机上的GPS同步装置，GPS同步装置分别连接发射机和接收机。

进一步地，三分量传感器包括两个对应于X轴与Y轴方向的线圈横支架、对应于Z轴方向的线圈竖支架、对应于Z、X、Y三个分量的空心线圈以及对应于水平分量的定向器，线圈横支架与线圈竖支架相连接并两两垂直，空心线圈通过与线圈横支架与线圈竖支架连接构成球形结构，空心线圈分别通过感应线圈连接线连接至接收器，定向器设置于线圈横支架与线圈竖支架的相交位置。

进一步地，定向器的初始方向与X分量线圈法向轴一致，并与Y分量线圈法向轴垂直。

进一步地，感应线圈连接线的外侧包裹屏蔽电缆。

一种磁源地空瞬变电磁三分量测量方法，包括以下步骤：

S1、在地面布置回线发射源；利用磁源发射系统向地下发射一次场，产生二次场；

S2、准备三分量空中接收系统，通过三分量传感器测量磁源发射系统激发地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应，通过定向器对X、Y水平分量实测数据进行定向，为后续数据校正提供依据；

S3、三分量空中接收系统的无人机起飞并飞行到指定测线端点后开始工作，同时测量二次场的三分量响应和定向器的数据，测量只记录关断后的二次场信号，测量为连续测量，通过同步系统进行同步；

S4、依次测量每个测点后，将实测二次场的三分量数据按照定向器实测的定向数据进行校正，获得校正后的三分量数据。

进一步地，步骤S3中，无人机的飞行速度不超过5m/s，飞行高度在50米以下。

进一步地，步骤S3中，测量以线圈法向方向垂直地面设为Z分量，线圈法向方向沿飞行方向设为X分量，按照右手螺旋准则再确定Y分量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用无人机搭载接收机和三分量传感器，三分量传感器包括两个对应于X轴与Y轴方向的线圈横支架、对应于Z轴方向的线圈竖支架、对应于Z、X、Y三个分量的空心线圈以及对应于水平分量的定向器，线圈横支架与线圈竖支架相连接并两两垂直，空心线圈通过与线圈横支架与线圈竖支架连接构成球形结构，空心线圈分别通过感应线圈连接线连接至接收器，定向器设置于线圈横支架与线圈竖支架的相交位置。本发明能够快速飞行对测点进行测量，实现三分量瞬变电磁数据的快速采集，并利用三分量传感器上的定向器对原始数据进行校正，获得归一化的三分量数据，相对于目前的单一分量线圈所测数据对于异常体的中心和边界反应更加灵敏、可靠，校正后的三分量数据更加准确。

附图说明

图1为磁源地空瞬变电磁三分量测量系统的整体结构示意图；

图2为磁源地空瞬变电磁三分量测量系统的三分量传感器结构示意图。

其中：1-无人机；2-搭载平台；3-接收机；4-吊绳；5-GPS同步装置；6-感应线圈连接线；7-屏蔽电缆；8-线圈横支架；9-线圈竖支架；10-空心线圈；11-定向器。

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。

如图1、图2所示，一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，包括磁源发射系统、三分量空中接收系统以及同步系统。

磁源发射系统用于在地面发射一次磁场，激发地下目标体产生二次感应磁场。磁源发射系统包括发射机、整流器、发电机、发射框。其中整流器一端连接发电机，另一端连接发射机，发射机上通过专门的接线柱连接发射框的两个接头。发电机用于产生220V交流电压，并由整流器转变为直流电压，发射机将转换过的直流电压转换成占空比50％双极性方波通过发射框发射，在地下介质中产生一次场进而激发产生二次场。

三分量空中接收系统用于测量地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应。三分量空中接收系统包括无人机1、设置在无人机下方的搭载平台2，其中，搭载平台2上设置接收机3，搭载平台2的下方通过吊绳4连接三分量传感器；接收机3通过GPS连接线与GPS同步装置5连接，接收机3通过感应线圈连接线6与三分量传感器连接，感应线圈连接线6的外侧包裹屏蔽电缆7。其中搭载平台2用于搭载接收机3和悬吊三分量传感器实现快速飞行测量；接收机3主要功能是接收三分量传感器的二次场信号。

三分量传感器包括两个对应于X轴与Y轴的线圈横支架8、对应于Z轴的线圈竖支架9，Z、X、Y三个分量的空心线圈10以及水平分量的定向器11，线圈横支架8与线圈竖支架9相连接并两两垂直，空心线圈10通过连接线圈横支架8与线圈竖支架9构成球形结构，空心线圈10分别通过感应线圈连接线6连接至接收器3，定向器11设置于线圈横支架8与线圈竖支架9相交位置。三分量传感器用于测量三分量的二次场信号，定向器11的定向功能用于对水平分量的信号进行校正，其中，定向器11的初始方向与X分量线圈法向轴一致，并与Y分量线圈法向轴垂直。

同步系统包括设置在无人机上的GPS同步装置5，GPS同步装置5分别连接发射机和接收机3，其功能主要为授时和定位。

一种磁源地空瞬变电磁三分量测量方法，包括以下步骤：

S1、在地面布置回线发射源；利用磁源发射系统向地下发射一次场，产生二次场；

S2、准备三分量空中接收系统，通过三分量传感器测量磁源发射系统激发地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应，通过定向器对X、Y水平分量实测数据进行定向，为后续数据校正提供依据；

S3、三分量空中接收系统的无人机起飞并飞行到指定测线端点后开始工作，同时测量二次场的三分量响应和定向器的数据，测量只记录关断后的二次场信号，测量为连续测量，通过同步系统进行同步；

S4、依次测量每个测点后，将实测二次场的三分量数据按照定向器实测的定向数据进行校正，获得校正后的三分量数据。

下面以使用磁源地空瞬变电磁三分量测量系统探测埋藏于地下数百米深的不规则块状金属矿体为例对本发明进一步详细说明：

S1、在地面布置回线发射源，发射框边长200米到800米，发射电流大于10A，发射基频小于25Hz；

S2、利用磁源发射系统按照设定的发射参数向地下发射一次场，激发地下金属矿体产生二次场；

S3、组装三分量空中接收系统，一般以线圈法向方向垂直地面设为Z分量，线圈法向方向沿飞行方向设为X分量，按照右手螺旋准则再确定Y风量；无人机的飞行速度不超过5m/s，飞行高度在50米以下，以更好接收高质量信号。

S4、测量只记录关断后的二次场信号，测量叠加次数设置不超过128次。测量模式为连续测量，GPS同步，初始点号设置为0001，点号自动加1。

S5、利用三分量空中接收系统同时测量三个分量的二次场响应和定向器的定向数据。

S6、将多次叠加后的三分量数据以及定向器数据作为一个点的数据测量结果保存在0001点号中。

S7、继续飞行测量，将后续测点的数据依次保存在0002、0003………等点号中。

S8、飞行测量结束后将三分量数据回传至电脑中，并在相应的数据处理软件中进行处理，逐点按照定向器数据进行校正，获得校正后的三分量数据。

S9、将校正后的三分量数据反演后获得更加准确、可靠的解释结果。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域人员能很好的理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，其特征在于：包括磁源发射系统、三分量空中接收系统以及同步系统；

所述磁源发射系统包括发射机、整流器、发电机和发射框，所述整流器一端连接发电机，所述整流器的另一端连接发射机，所述发射机上通过接线柱连接发射框的两个接头；所述磁源发射系统用于在地面发射一次磁场，激发地下目标体产生二次感应磁场；

所述三分量空中接收系统包括无人机(1)和设置在无人机(1)下方的搭载平台(2)，所述搭载平台(2)上设置接收机(3)，所述搭载平台(2)的下方通过吊绳(4)连接三分量传感器，所述接收机(3)通过感应线圈连接线(6)与三分量传感器连接；所述三分量空中接收系统用于测量磁源发射系统激发地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应；

所述同步系统用于对三分量空中接收系统进行授时和定位。

2.根据权利要求1所述的磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，其特征在于：所述同步系统包括设置在无人机(1)上的GPS同步装置(5)，所述GPS同步装置(5)分别连接发射机和接收机(3)，所述同步系统用于授时和定位。

3.根据权利要求2所述的磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，其特征在于：所述三分量传感器包括两个对应于X轴与Y轴方向的线圈横支架(8)、对应于Z轴方向的线圈竖支架(9)、对应于Z、X、Y三个分量的空心线圈(10)以及对应于水平分量的定向器(11)，所述线圈横支架(8)与线圈竖支架(9)相连接并两两垂直，所述空心线圈(10)通过与线圈横支架(8)与线圈竖支架(9)连接构成球形结构，所述空心线圈(10)分别通过感应线圈连接线(6)连接至接收器(3)，所述定向器(11)设置于线圈横支架(8)与线圈竖支架(9)的相交位置。

4.根据权利要求3所述的磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，其特征在于：所述定向器的初始方向与X分量线圈法向轴一致，并与Y分量线圈法向轴垂直。

5.根据权利要求4所述的磁源地空瞬变电磁三分量测量系统，其特征在于：所述感应线圈连接线(6)的外侧包裹屏蔽电缆(7)。

6.一种磁源地空瞬变电磁三分量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在地面布置回线发射源；利用磁源发射系统向地下发射一次场，产生二次场；

S2、准备三分量空中接收系统，通过三分量传感器测量磁源发射系统激发地下目标体产生的二次感应磁场的三分量响应，通过定向器对X、Y水平分量实测数据进行定向，为后续数据校正提供依据；

S3、三分量空中接收系统的无人机起飞并飞行到指定测线端点后开始工作，同时测量二次场的三分量响应和定向器的数据，测量只记录关断后的二次场信号，测量为连续测量，通过同步系统进行同步；

S4、依次测量每个测点后，将实测二次场的三分量数据按照定向器实测的定向数据进行校正，获得校正后的三分量数据。

7.根据权利要求6所述的磁源地空瞬变电磁三分量测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，无人机的飞行速度不超过5m/s，飞行高度在50米以下。

8.根据权利要求7所述的磁源地空瞬变电磁三分量测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，测量以线圈法向方向垂直地面设为Z分量，线圈法向方向沿飞行方向设为X分量，按照右手螺旋准则再确定Y分量。

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