CN115166833A - 一种航空混场源电磁探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空混场源电磁探测系统及方法。该系统以直升机为运载平台，采用地面电性源与空中磁性源激发、空中高灵敏小带宽线圈与空中低灵敏大带宽线圈接收的模式。高灵敏小带宽线圈能感应大功率电性源与天然场源激发大地后产生的微弱的信号，具有大功率发射、大探测深度、轻挂载、高灵敏度等优点，主要应用于深层大地探测；低灵敏大带宽线圈与磁性源发射机的发射线圈共面，具有准确、高信噪比、高分辨率等优点，主要用于中浅层大地探测。本发明在充分发挥了直升机灵活机动与地面大功率供电、天然场源频谱成分丰富等优势，综合了磁性源、电性源和天然场源电磁探测系统的优点，实现了快速、大面积、大深度探测范围的全方位精细化电磁勘探。

Description

一种航空混场源电磁探测系统及方法

技术领域

本发明属于电磁探测领域，具体而言为一种航空混场源电磁探测系统及方法。

背景技术

目前国内外航空电磁探测仪器主要有收发一体的机载磁性源探测系统、地面大功率发射空中无人机搭载低灵敏大带宽接收的电性源探测系统、只有接收系统的机载天然场源探测系统。三种系统分别应用于中浅层、中深层、深层大地的探测。为结合三种系统优点进行大深度范围电磁探测，目前发展出频率域多发射系统多频率组合发射、电性源与磁性源切换发射、时间域与频率域组合发射三种模式。

CN101369025B公开了一种《一种组合场源人工源频率域电磁测深方法》，描述了通过在每一发送位置上,布置有两组以上电磁激励信号发送设备,分别同时向地下发送不同频率组、不同功率的电磁激励信号进行多频率组合测试的方法，属于多发射频率组合发射模式。但是该方法在激励源的频谱成分相对天然场和磁性源脉冲激发场而言仍然有较大差距。

CN101303415B公开了一种《混场源电磁法组合式场源发射装置》，描述了一种能切换电性源和磁性源的组合式场源发射装置。但是该装置放置在地面时会丢失磁性源收发一体结构对一次场的抑制、磁性源发射系统与接收系统的时间同步等重要优势，放置在飞机上时，会受到直升机供电功率限制导致发射磁矩限制，进一步影响探测深度。

WO/2019/084862公开了一种《AIR CODE HYBRID-SOURCE ELECTROMAGNETICDETECTION SYSTEM》、CN107894620A公开了《一种航空编码混场源电磁探测系统》，描述了一种高低频分时发射的混场源电磁探测系统，该系统在瞬变电磁探测系统发射电流关断的时期发射高频伪随机电流。利用瞬变电磁探测系统负责深部、低频伪随机发射系统负责浅层探测，时间域与频率域组合发射。但是，由于直升机供电功率限制导致的峰值发射磁矩偏小，该系统的探测深度一般不超过800m。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种航空混场源电磁探测系统及方法，该系统以直升机为运载平台，采用空中高灵敏小带宽线圈采集天然场源与地面大功率电性源激励大地产生的感应信号、空中低灵敏大带宽线圈采集磁性源周期性双极性脉冲电流激励大地产生的感应信号。在深层探测方面结合天然场源频谱连续且丰富、地面电性源大磁矩激发的优点，在提高系统分辨率的同时提高系统探测深度；在浅层探测方面，使用收发一体的磁性源电磁探测系统解决了地面电性源电磁探测系统在距离源3倍趋肤深度以内勘探盲区的问题。因此本发明在充分发挥了直升机灵活机动与地面大功率供电、天然场源频谱成分丰富、磁性源收发一体中浅层精细探测等优势，实现了快速、大面积、大深度探测范围的全方位电磁勘探。

本发明是这样实现的，

一种航空混场源电磁探测系统，以直升机为运载工具，包括地面仪器和空中仪器，所述地面仪器包括电性源发射机、两个发射电极、地面站三分量接收传感器以及地面参考站，所述电性源发射机和发射电极位于同一直线上，所述地面参考站用于接收地面站三分量接收传感器采集的天然场三分量磁场数据；

所述空中仪器包括电性源接收机与辅助系统、电性源与天然场源接收线圈、磁性源发射机、接收机与辅助系统、补偿线圈、磁性源接收线圈、发射线圈和两套姿态测试仪，其中电性源接收机与辅助系统放置在直升机内，并携带电性源与天然场源接收线圈，与电性源发射机同时工作；所述磁性源发射机、接收机与辅助系统放置在直升机内，并携带补偿线圈、磁性源接收线圈、以及发射线圈，姿态测试仪分别设置在电性源与天然场源接收线圈和磁性源接收线圈上。

进一步地，地面站三分量接收传感器的Z轴传感器平行于大地布置并完全埋入，X、Y轴传感器分别为南北和东西走向。

进一步地，在地面，电性源发射机发射周期性双极性多频伪随机波，测区最远端和地面参考站均在电性源激发场影响范围内；在空中，磁性源发射机、接收机与辅助系统沿测线发射周期性双极性梯形或三角或正弦脉冲波，两套发射系统不同时工作。

进一步地，电性源发射机工作时电性源与天然场源接收线圈感应的信号用于深层大地探测；磁性源接收线圈感应的信号用于中浅层大地探测，两套接收系统沿相同测线进行独立测试，测区成像结果为两套数据的融合处理后得到。

一种航空混场源电磁探测方法，该方法包括：

根据探测目标及预期分辨率在测区等间距设计测线，重点勘测区域设计往返重复线，测区最远端、地面站三分量接收传感器与地面参考站均布置在电性源发射机工作时影响的范围内，系统工作时，地面参考站实时采集地面站三分量接收传感器感应产生的信号；

开启电性源发射机正常工作30分钟以上，并能在电性源与天然场源接收线圈和地面参考站处稳定观察到预设发射频率对应信号的条件下，开启姿态测试仪然后开始进行飞行；

在正常工作时，机舱内电性源接收机与辅助系统通过超过100m电缆采集电性源与天然场源接收线圈中电磁信号并利用时间戳的方式将从光纤中传输的GPS/北斗定位信息、雷达高度、气压高度与电磁数据进行绑定，电性源与天然场源接收线圈在沿着测线飞行的过程中，距离地面的高度超过100m；

飞行结束后，首先关闭空中系统并取出电磁及辅助信息数据，然后关闭姿态测试仪取出其中姿态数据，最后关闭电性源发射机，地面参考站分别取出其中电流和地面三分量电磁数据；

将空中系统替换成磁性源发射机、接收机与辅助系统、补偿线圈、磁性源接收线圈和发射线圈；

开始飞行前，使用地面电源供电，开启仪器设备并测试异常环响应与噪声，确定系统正常工作的情况下，开启姿态测试仪，在直升机开始稳定供电后断开地面电源切换成直升机电源供电，开始进行飞行，直升机返回本场时，以相同飞行高度，往返重复飞行以人工异常体或闭合的线圈为中心的测线；

飞行结束后，取出瞬变电磁系统收录的电磁数据和各种辅助信息、关闭姿态测试仪取出其中姿态数据；

对电性源与天然场源接收线圈感应的信号中与电性源发射相关频率提取出来；然后将天然场频率相关的频率与地面参考站信号进行倾子响应计算，进而计算视电阻率ρ_天然场、ρ_电；然后将同一测线上磁性源接收线圈感应的信号进行视电阻率计算，得到ρ_磁，进行最后的视电阻率成像。

进一步地，地面站三分量接收传感器的Z轴传感器平行于大地完全埋入，X、Y轴传感器分别为南北和东西走向。

进一步地，视电阻率成像还包括：

在同一地电模型下，分别采用电性源与天然场源激励、空中接收与磁性源收发一体的结构进行正演与视电阻率计算，得到对应的视电阻率ρ_天然场、ρ_电和ρ_磁；计算多种地形下理论电阻率，划分训练集和测试集，根据不同类型电阻率成像深度关系将三种视电阻率转换到深度域，之后对三种视电阻率进行主成分分析或模态分解，提取特征向量作为拟视电阻率，将拟视电阻率和大地模型参数分别作为输入和输出，训练神经网络，得到视电阻率成像模型；

将测量得到的视电阻率ρ_天然场、ρ_电和ρ_磁输入到视电阻率成像模型得到视电阻率成像。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明以直升机为运载平台，具有灵活机动的优点，能快速对山地、高原、无人区等复杂地形进行大面积地质勘探。

采用地面电性源与空中磁性源激发、空中高灵敏小带宽线圈与空中低灵敏大带宽线圈接收的模式。高灵敏小带宽线圈能感应大功率电性源与天然场源激发大地后产生的微弱的信号，具有大功率发射、大探测深度、轻挂载、高灵敏度等优点，主要应用于深层大地探测；低灵敏大带宽线圈与磁性源发射机的发射线圈共面，具有准确、高信噪比、高分辨率等优点，主要用于中浅层大地探测。本发明在充分发挥了直升机灵活机动与地面大功率供电、天然场源频谱成分丰富等优势，综合了磁性源、电性源和天然场源电磁探测系统的优点，实现了快速、大面积、大深度探测范围的全方位精细化电磁勘探。

附图说明

图1为本发明实施例所述一种航空混场源电磁探测系统结构图；

图2为本发明实施例所述电性源发射电流波形；

图3为本发明实施例所述磁性源发射电流波形；

图4为本发明实施例所述电性源与天然场源接收线圈结构图

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。

参见图1所示，一种航空混场源电磁探测系统，包括:直升机1、电性源接收机与辅助系统2、电性源与天然场源接收线圈4、电性源发射机5、发射电极6、地面站三分量接收传感器7、地面参考站8、磁性源发射机、接收机与辅助系统9、补偿线圈10、磁性源接收线圈11、发射线圈12和姿态测试仪13构成。

电性源发射机和发射电极位于同一直线上，地面参考站用于接收地面站三分量接收传感器采集的天然场三分量磁场数据；

空中仪器包括电性源接收机与辅助系统、电性源与天然场源接收线圈、磁性源发射机、接收机与辅助系统、补偿线圈、磁性源接收线圈、发射线圈和两套姿态测试仪，其中电性源接收机与辅助系统放置在直升机内，并携带电性源与天然场源接收线圈，与电性源发射机同时工作；所述磁性源发射机、接收机与辅助系统放置在直升机内，并携带补偿线圈、磁性源接收线圈、以及发射线圈，姿态测试仪分别设置在电性源与天然场源接收线圈和磁性源接收线圈上。

地面站三分量接收传感器的Z轴传感器平行于大地布置并完全埋入，X、Y轴传感器分别为南北和东西走向。地面参考站有两方面作用，首先用于实时监控与采集测区中天然场三分量磁场变换情况，用于测区电性源接收线圈感应信号的数据校正；其次，地面参考站可以观察到固定频率的稳定的电性源激发场信号，用于监控电性源发射机的工作情况。

在地面，电性源发射机发射周期性双极性多频伪随机波，测区最远端和地面参考站均在电性源激发场影响范围内；在空中，磁性源发射机、接收机与辅助系统沿测线发射周期性双极性梯形或三角或正弦脉冲波，两套发射系统不同时工作。

电性源发射机工作时电性源与天然场源接收线圈感应的信号用于深层大地探测；磁性源接收线圈感应的信号用于中浅层大地探测，两套接收系统沿相同测线进行独立测试，测区成像结果为两套数据的融合处理后得到。

电性源接收机与辅助系统2与磁性源发射机、接收机与辅助系统9的辅助系统、接收机可以互相替换。其中，辅助系统主要包括GPS与北斗接收机、雷达高度计、气压高度计和无线通信模块。电性源接收机与辅助系统2、电性源与天然场源接收线圈4和姿态测试仪13，能同时采集电性源与天然场源激励大地后地下介质反馈的信号。

电性源与天然场源接收线圈4是一种高灵敏小带宽的空心线圈，3dB带宽大于1kHz，在频带范围内静态噪声水平远小于天然磁场的强度。

参见图4所示，电性源接收机与辅助系统2放置在直升机1内。直升机和电性源与天然场源接收线圈4距离大于100m。电性源与天然场源接收线圈4内部、接收线圈和绳子之间通过多级弹性绳或无磁性弹簧3连接。电性源接收机与辅助系统2中各功能电路均采用独立电源供电，所有辅助信号和接收机之间通过光纤传输。

一种航空混场源电磁探测方法，利用本发明进行山区隧道工程前期勘探主要流程如下：

A.测区规划与地面仪器布设

根据预设山区隧道的入口和出口，规划一条测线，然后以该测线为中心，以50m为间隔，左右各布置5条测线。

在地面仪器布设方面，沿测区最近的公路或山谷布设发射电极，发射电极直线距离为3km，电性源发射机5放置在两个发射电极连线的中心。布设的测线最远端距离发射电极连线的垂直距离15km。地面参考站8选择距发射电极连线垂直距离约10km的人文噪声干扰较少处；地面站三分量接收传感器7的Z轴传感器平行于大地布置并有一定埋深，X、Y轴传感器分别为南北和东西走向。

B.航空混场源电磁探测系统的深层大地探测仪器进行飞行测试

首先开启电性源发射机5发射如图2所示的峰值20A的具有16Hz、32Hz、64Hz、128Hz、256Hz等频率的周期性双极性伪随机电流。在其正常工作30分钟以上，并能在电性源与天然场源接收线圈4和地面参考站8处稳定观察到这些发射频率激发产生的信号的条件下，设置并开启姿态测试仪13使其以200Hz的速率传输姿态测试速率,然后开始进行飞行实验。

在正常工作时，机舱内电性源接收机与辅助系统2通过超过100m电缆采集电性源与天然场源接收线圈4中电磁信号并利用时间戳的方式将从光纤中传输的GPS/北斗定位信息、雷达高度、气压高度与电磁数据进行绑定。

飞行结束后，首先关闭空中系统并取出电磁及辅助信息数据，然后关闭姿态测试仪13取出其中姿态数据，最后关闭电性源发射机，地面参考站分别取出其中电流和地面三分量电磁数据。

C、航空混场源电磁探测系统的中浅层大地探测仪器进行飞行测试

在深部大地探测仪器完成测区或者某测线飞行测试后，将空中系统替换成磁性源发射机、接收机与辅助系统9、补偿线圈10、磁性源接收线圈11和发射线圈12。

开始飞行前，使用地面电源供电，开启磁性源发射机、接收机与辅助系统9，磁性源发射机发射如图3所示的基频为25Hz的双极性梯形脉冲电流，通过人工控制异常环的闭合/断开模拟地下异常体的有无。确定系统正常工作的情况下，开启姿态测试仪13，在直升机开始稳定供电后断开地面电源切换成直升机电源供电，开始进行飞行实验。

直升机返回本场时，以相同飞行高度，往返重复飞行以电性源与天然场源接收线圈4或其他人工异常体为中心的测线。

飞行实验结束后，关闭设备，直升机关机，最后取出瞬变电磁系统收录的电磁数据和各种辅助信息、关闭姿态测试仪13取出其中姿态数据。

A.数据处理与成图解释

在视电阻率成图方面，首先需要建立不同电磁激励源激发下感应信号得到的融合后视电阻率与理想地形的关系式。

在同一地电模型下，分别采用电性源与天然场源激励、空中接收与磁性源收发一体的结构进行正演与视电阻率计算，得到对应的电阻率ρ_天然场、ρ_电和ρ_磁。计算多种地形下理论电阻率，划分训练集和测试集。根据不同类型电阻率成像深度关系将三种电阻率转换到深度域，之后对三种电阻率进行主成分分析或模态分解等，提取特征向量作为拟视电阻率，将拟视电阻率和大地模型参数分别作为输入和输出，训练神经网络，然后采样验证集进行神经网络的准确性验证。

其次，实测信号需要进行数据预处理。

(1)数据对齐。一种航空混场源电磁探测系统以电磁数据为核心，根据测点分布，以GPS/北斗授时为标准，将GPS/北斗定位信息、雷达高度信息、气压高度信息、姿态信息进行重采样、插值等操作，确保辅助信息和电磁信息在每个测点的对齐。

(2)数据滤波与校正。根据测试要求和相关规范进行数据叠加、抽道、滤波、多项式拟合、场值归一化、相位校验及改正等等基本处理。在测线的剖面处理方面，需要进行数据调平、零漂的基线改正和姿态校正等基本处理。

(3)对电性源与天然场源接收线圈4感应的信号中与电性源发射相关频率提取出来；然后将天然场频率相关的频率与地面参考站信号进行倾子响应计算，进而计算视电阻率ρ_天然场、ρ_电；然后将同一测线上磁性源接收线圈11感应的信号进行视电阻率计算，得到ρ_磁。

(4)将(3)中得到的三种电阻率输入1所训练得到的神经网络中，得到最后的视电阻率成像或反演成像结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航空混场源电磁探测系统，其特征在于，以直升机为运载工具，包括地面仪器和空中仪器，所述地面仪器包括电性源发射机、两个发射电极、地面站三分量接收传感器以及地面参考站，所述电性源发射机和发射电极位于同一直线上，所述地面参考站用于接收地面站三分量接收传感器采集的天然场三分量磁场数据；

所述空中仪器包括电性源接收机与辅助系统、电性源与天然场源接收线圈、磁性源发射机、接收机与辅助系统、补偿线圈、磁性源接收线圈、发射线圈和两套姿态测试仪，其中电性源接收机与辅助系统放置在直升机内，并携带电性源与天然场源接收线圈，与电性源发射机同时工作；所述磁性源发射机、接收机与辅助系统放置在直升机内，并携带补偿线圈、磁性源接收线圈、以及发射线圈，姿态测试仪分别设置在电性源与天然场源接收线圈和磁性源接收线圈上。

2.根据权利要求1所述的航空混场源电磁探测系统，其特征在于，地面站三分量接收传感器的Z轴传感器平行于大地布置并完全埋入，X、Y轴传感器分别为南北和东西走向。

3.根据权利要求1所述的航空混场源电磁探测系统，其特征在于，在地面，电性源发射机发射周期性双极性多频伪随机波，测区最远端和地面参考站均在电性源激发场影响范围内；在空中，磁性源发射机、接收机与辅助系统沿测线发射周期性双极性梯形或三角或正弦脉冲波，两套发射系统不同时工作。

4.根据权利要求1所述的航空混场源电磁探测系统，其特征在于，电性源发射机工作时电性源与天然场源接收线圈感应的信号用于深层大地探测；磁性源接收线圈感应的信号用于中浅层大地探测，两套接收系统沿相同测线进行独立测试，测区成像结果为两套数据的融合处理后得到。

5.一种航空混场源电磁探测方法，其特征在于，该方法包括：

根据探测目标及预期分辨率在测区等间距设计测线，重点勘测区域设计往返重复线，测区最远端、地面站三分量接收传感器与地面参考站均布置在电性源发射机工作时影响的范围内，系统工作时，地面参考站实时采集地面站三分量接收传感器感应产生的信号；

开启电性源发射机正常工作30分钟以上，并能在电性源与天然场源接收线圈和地面参考站处稳定观察到预设发射频率对应信号的条件下，开启姿态测试仪然后开始进行飞行；

在正常工作时，机舱内电性源接收机与辅助系统通过超过100m电缆采集电性源与天然场源接收线圈中电磁信号并利用时间戳的方式将从光纤中传输的GPS/北斗定位信息、雷达高度、气压高度与电磁数据进行绑定，电性源与天然场源接收线圈在沿着测线飞行的过程中，距离地面的高度超过100m；

飞行结束后，首先关闭空中系统并取出电磁及辅助信息数据，然后关闭姿态测试仪取出其中姿态数据，最后关闭电性源发射机，地面参考站分别取出其中电流和地面三分量电磁数据；

将空中系统替换成磁性源发射机、接收机与辅助系统、补偿线圈、磁性源接收线圈和发射线圈；

开始飞行前，使用地面电源供电，开启仪器设备并测试异常环响应与噪声，确定系统正常工作的情况下，开启姿态测试仪，在直升机开始稳定供电后断开地面电源切换成直升机电源供电，开始进行飞行，直升机返回本场时，以相同飞行高度，往返重复飞行以人工异常体或闭合的线圈为中心的测线；

飞行结束后，取出瞬变电磁系统收录的电磁数据和各种辅助信息、关闭姿态测试仪取出其中姿态数据；

对电性源与天然场源接收线圈感应的信号中与电性源发射相关频率提取出来；然后将天然场频率相关的频率与地面参考站信号进行倾子响应计算，进而计算视电阻率ρ_天然场、ρ_电；然后将同一测线上磁性源接收线圈感应的信号进行视电阻率计算，得到ρ_磁，进行最后的视电阻率成像。

6.根据权利要求5所述的航空混场源电磁探测方法，其特征在于，地面站三分量接收传感器的Z轴传感器平行于大地完全埋入，X、Y轴传感器分别为南北和东西走向。

7.根据权利要求5所述的航空混场源电磁探测方法，其特征在于，视电阻率成像还包括：

在同一地电模型下，分别采用电性源与天然场源激励、空中接收与磁性源收发一体的结构进行正演与视电阻率计算，得到对应的视电阻率ρ_天然场、ρ_电和ρ_磁；计算多种地形下理论电阻率，划分训练集和测试集，根据不同类型电阻率成像深度关系将三种视电阻率转换到深度域，之后对三种视电阻率进行主成分分析或模态分解，提取特征向量作为拟视电阻率，将拟视电阻率和大地模型参数分别作为输入和输出，训练神经网络，得到视电阻率成像模型；

将测量得到的视电阻率ρ_天然场、ρ_电和ρ_磁输入到视电阻率成像模型得到视电阻率成像。

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