CN115356774B - 基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置及方法，装置包括加性运动噪声线性相关的测量线圈和参考线圈，参考线圈和测量线圈的带宽一致且同轴共面，参考线圈的检测分辨率满足只能分辨加性运动噪声，不能分辨真实垂直磁场信号，测量线圈的检测分辨率满足能够同时分辨真实垂直磁场信号和运动噪声，参考线圈的外径远小于测量线圈的外径，测量线圈和参考线圈之间为硬连接或软连接。本发明的探测方法通过一个线圈只接收加性运动噪声，另一个线圈同时接收加性运动噪声和真实垂直磁场信号，然后将两个线圈接收到的加性运动噪声对消获得真实垂直磁场信号。采用本发明的装置和方法简化了半航空电磁探测测量系统和方法，提高了测量结果与真实结果的一致性。
Description
技术领域
本发明属于电磁法测量技术领域，特别是半航空电磁探测中基于单轴测量的、同轴共面互参考线圈组的探测装置以及相应的探测方法。
背景技术
人工源电磁法是实现大深度探测的地球物理方法之一，按施工空间可划分为地面、航空和半航空电磁探测方法。其中，半航空电磁探测方法利用地面铺设的发射源激励地下异常体，同时利用直升机、飞艇和无人机等飞行平台搭载接收系统测量空中的响应磁场。相较于全航空电磁探测系统，地面发射源不受体积重量限制，能够通过大功率发射增大响应信号的强度，从而获得更大的探测深度。相较于地面电磁探测系统，空中接收系统具备更强的复杂地形适应性，且能够实现快速探测。因此，半航空电磁探测方法能够应用于地形复杂区域探测，且具备大深度快速探测的优势。
然而，现有半航空频率域电磁探测系统的最大探测深度接近1000米，远小于地面人工源电磁系统可达到的3～5千米。21世纪初，有学者曾开展地面、半航空和全航空电磁系统对比研究，结果表明半航空电磁法的数据质量和探测深度均优于航空电磁法，而仅次于地面电磁法。换言之，现有的半航空系统尚未充分发挥地面发射源的大深度探测优势。究其原因，主要是半航空系统的被测垂直磁场分量信号微弱，且随收发距增大快速衰减，导致系统的信噪比较低。因此，提高系统信噪比对于提升系统探测深度和精度至关重要，其中的关键技术之一在于尽可能地降低接收系统的噪声水平。
半航空频率域电磁探测系统的主要噪声来源是接收系统移动测量过程中在接收线圈中引入的运动噪声。具体表现为：
1)线圈在空中运动切割地磁场磁感线，在线圈中引入的与线圈运动频率一致的运动漂移；
2)线圈运动过程中姿态变化，导致线圈在被测磁场方向上等效接收面积发生变化，并引入其他分量的磁场而引入姿态误差。运动噪声问题严重降低观测数据的信噪比，是限制系统探测深度和精度的主要因素。
传统的接收线圈设计有两类：单轴测量和三轴测量。
单轴测量的主要优势是线圈的结构简单，重量轻，适宜搭载在飞行平台上，然后通过数据后处理方式压制运动噪声。以上方法主要针对时间域或频率域探测频率高于运动噪声频段的情况，对于频率域系统，当探测频率与运动漂移和姿态误差同频时，此类方法将无济于事。
三轴测量虽然可以融合多分量信息，能够在一定程度上压制运动噪声，但其装置结构复杂，有效信号影响因素增多。
单分量磁场测量主要考虑线圈的结构简单，重量小，适于搭载在飞行平台上，并可通过数据后处理方式压制运动噪声，然而，数据后处理过程主要针对时间域或频率域探测频率高于运动噪声频段的情况，对于频率域系统，当探测频率与运动漂移和姿态误差同频时，数据处理方法将无济于事。
三分量磁场测量融合多分量信息可以一定程度上压制运动噪声，并通过“三轴姿态测量+视电阻率迭代计算”进行姿态校正，但该种测量装置结构复杂，其姿态校正方法以“一维大地电性模型中，姿态偏转后的响应磁场随电阻率单调变化”假设为前提，对三维异常探测数据的姿态误差校正效果不明，且未能从根本上解决半航空系统的磁场姿态误差问题。
总之，传统线圈结构测量方式或者使用单轴测量，结构简单，信息单一，只能通过后处理方式针对时间域系统或特定来源的噪声加以处理，无法消除频率域系统的同频运动噪声，或者使用三轴测量，虽然可融合三分量磁场信息实现运动漂移的压制，但结构复杂，重量大。二者均无法从根本上去除运动噪声，难以实现半航空频率域电磁探测系统运动漂移与姿态噪声的同时去除和运动噪声的一次性对消。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置及方法，用于半航空电磁探测系统加性运动噪声测量，在单轴磁场测量的基础上，实现同频运动噪声在内所有运动噪声和真实磁场响应信号的解耦，简化测量系统和方法，提高测量结果与真实结果的一致性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，包括线圈组，所述线圈组包括加性运动噪声线性相关的测量线圈和参考线圈，其中，
参考线圈和测量线圈的带宽一致；
参考线圈的检测分辨率满足只能分辨加性运动噪声，不能分辨真实垂直磁场信号；
测量线圈的检测分辨率满足能够同时分辨真实垂直磁场信号和运动噪声(包括加性运动噪声和乘性运动噪声)；
参考线圈的外径远小于测量线圈的外径；
参考线圈和测量线圈同轴并共面；
测量线圈和参考线圈之间为硬连接或软连接。
需要指出的是，硬连接是指测量线圈和参考线圈之间的连接结构不会因自身发生变形而导致测量线圈和参考线圈之间发生相对位移，改变测量线圈和参考线圈的同轴和共面特性。软连接(弹性连接)是指线圈组在运动过程中测量线圈和参考线圈之间会因为连接结构自身的变形而产生相对位移，改变测量线圈和参考线圈的共面和同轴特性。
需要指出的是，前述加性运动噪声线性相关是指测量线圈和参考线圈采集信号的相关度，采用相关系数作为描述测量线圈和参考线圈采集信号相关度的因子。例如本发明中，参考线圈与测量线圈同轴共面且运动状态完全一致时才能保证两线圈中的加性运动噪声线性相关。
需要指出的是，测量线圈和参考线圈均为空心线圈传感器，测量线圈和参考线圈的外形可以是任意形状，测量线圈和参考线圈是非闭合的，类似螺线型，带有多个抽头。
进一步，半航空电磁探测装置还包括，
地面发射源，所述地面发射源向大地攻入电流并激发大地在空中产生响应磁场；
接收机，所述接收机包含两个采集通道，分别用于接收测量线圈和参考线圈中的磁场信号；
空中飞行吊载平台，所述空中飞行吊载平台将线圈组和接收机提升至空中。接收机需要与线圈组一起运动。
作为一种方案，所述参考线圈和测量线圈之间为软连接，所述半航空电磁探测装置还包括角度传感器，所述角度传感器记录参考线圈和测量线圈的三轴角度偏差。
作为一种选择，所述空中飞行吊载平台为直升机或无人机。
作为一种选择，所述硬连接为硬质支架，所述软连接为软质绳索。
作为一种选择，所述测量线圈和参考线圈为正方形或圆形。具体的形状以方便确定测量线圈和参考线圈的中心为准，这样更容易将测量线圈和参考线圈制作成同轴并共面的线圈组，例如，正方形的线圈相比圆形线圈更容易测量其中心的位置。
基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测方法，包括在空中运动的接收线圈，接收线圈接收来自地下异常体在空中的响应磁场信号，探测时，将接收线圈拆分为运动状态完全一致且同轴共面的两个线圈，其中一个线圈只接收加性运动噪声，另一个线圈同时接收加性运动噪声和真实垂直磁场信号，然后将两个线圈接收到的加性运动噪声对消获得真实垂直磁场信号。需要指出的是，测量线圈接收的运动噪声包括加性运动噪声和乘性运动噪声，但乘性运动噪声对垂直磁场信号的影响较小，所以对消加性运动噪声后可以认为获得了真实垂直磁场信号。
作为一种选择，还包括校正两个线圈的同轴度，通过两个线圈之间的三轴角度差异进行同轴度校正，同轴度校正的方法为现有常规技术。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明摒弃了传统测量系统中测量三分量磁场的复杂装置形式，在单轴磁场测量的基础上，提出由同轴共面分布的小外径参考线圈和大外径测量线圈组成的线圈组作为磁场传感器，用以测量系统因测量线圈运动引入的加性运动噪声。(2)由于不论运动漂移还是姿态误差均远大于被测垂直磁场信号强度，因此本发明设计的低灵敏度小外径参考线圈可实现加性运动噪声的相关采集，使得同频运动噪声和真实磁场响应信号解耦，最终完成半航空频率域电磁探测系统同频运动噪声的一次性对消。
(3)同轴共面的测量线圈和参考线圈组合具有结构简单、重量轻、适宜搭载在飞行平台上的特点，可实现半航空频率域电磁探测系统包括同频运动噪声在内所有运动噪声和真实磁场响应信号的解耦，同时完成加性运动漂移与姿态误差的测量，以便进一步实现半航空频率域电磁探测系统运动噪声的一次性对消。
附图说明
图1为基于同轴参考线圈的加性运动噪声测量装置示意图；
图2为三层大地电性结构仿真模型图；
图3为测量及参考线圈实测感应电压时间序列与频谱；
图4为本发明的应用效果仿真图；
图5为本发明的实测应用效果图；
图中，1-地面发射源；2-测量线圈；3-参考线圈；4-线圈连接装置；5-接收机；6-空中飞行吊载平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
在进行半航空电磁探测时，不论运动漂移还是姿态误差均远大于被测垂直磁场信号强度。同时，加性运动噪声主要包括两部分：一部分是低频的运动漂移，另一部分是线圈姿态偏转引入水平分量导致的姿态误差，因此，同时完成运动漂移与姿态误差的去除，实质上是完成了加性运动噪声的去除。
基于上述理由，本发明设计了低灵敏度的小外径的参考线圈3，保证其分辨率无法识别垂直磁场信号，但是可以分辨加性运动噪声，进而利用小外径的参考线圈3实现加性运动噪声的相关测量，使得加性运动噪声和真实响应磁场信号解耦，最终完成半航空频率域电磁探测系统加性运动噪声的去除。当小外径的参考线圈3和大外径的测量线圈2同轴共面且运动状态一致时，保证测量线圈2与参考线圈3中加性噪声一致，仅相差一个倍数，以便通过简单线性运算去除加性运动噪声。
在设计半航空电磁探测用线圈时，主要采用同轴共面参考线圈组的方式，即由测量线圈2和参考线圈3连接组合形成线圈组，其中，测量线圈2和参考线圈3在灵敏度、噪声和带宽指标参数上的基本原则是：
原则1：保证参考线圈3和测量线圈2的带宽一致；
原则2：参考线圈3的检测分辨率只能分辨加性运动噪声，不能分辨响应垂直磁场信号；
原则3：测量线圈2检测分辨率能够同时分辨响应垂直磁场信号和运动噪声(包括加性运动噪声和乘性运动噪声)。
根据上述原则1～3，本发明设计了如图1所示的基于同轴参考线圈的加性运动噪声测量系统。在机械设计上保证两个线圈完全同轴共面，以使两个线圈的运动姿态保持一致。受线圈机械加工、组合精度、连接结构的影响，同轴共面的测量线圈2和参考线圈3之间可能存在三轴角度偏差，此时，利用高精度角度传感器记录三轴角度偏差，并引入同轴度校正因子，保证两线圈的测量数据之间满足完全同轴共面的要求。
需要指出的是，本发明中对于线圈的缠绕方式、结构参数没有限制，但需尽量使得参考线圈3和测量线圈2在缠绕方式、结构参数上一致，避免因缠绕方式、结构参数不同产生其它影响因素。本发明的核心是让参考线圈3和测量线圈2的传递函数呈线性关系，以保证参考线圈3的灵敏度是测量线圈的1/N且N足够大。参考线圈3和测量线圈2的外形需要一致，例如都是圆形或者都是正方形，避免因形状不同导致运动状态不一致，影响加性运动噪声的线性相关性。
由于不论运动漂移还是姿态误差均远大于被测垂直磁场信号强度，因此本发明设计的低灵敏度小外径的参考线圈3可实现单一运动噪声(加性运动噪声)的相关采集，使得同频运动噪声和真实磁场响应信号解耦，最终完成半航空频率域电磁探测系统同频运动噪声的一次性对消。
由测量线圈2和参考线圈3组成的同轴共面线圈组具有结构简单、重量轻的特点，适宜搭载在飞行平台上，可实现半航空频率域电磁探测系统包括同频运动噪声在内所有运动噪声和真实磁场响应信号的解耦，同时完成运动漂移与姿态误差的去除，实现半航空频率域电磁探测系统加性运动噪声的一次性对消。
实施例1
如图1所示，一种半航空电磁探测装置，包括作为激发大地并在空中产生响应磁场的地面发射源1，以及作为空中飞行吊载平台6的无人机，无人机同时与接收机5和线圈组连接，并将二者提升至空中。线圈组包括外径较大的测量线圈2和外径较小的参考线圈3，测量线圈2和参考线圈3为常规的圆形空心线圈传感器，测量线圈2和参考线圈3分布在同一个平面内，且二者同轴。测量线圈2和参考线圈3之间通过线圈连接装置4相连，线圈连接装置4为硬质的支架(作为一种选择，为了确保同轴度，本实施例中也可加入角度传感器记录两个线圈的同轴度差异，进而进行校正，但如果硬连接的刚性足够好，那么就无需使用角度传感器)。测量线圈2和参考线圈3满足前述的原则1、原则2和原则3。
采用上述半航空电磁探测装置进行探测时，测量线圈2用于接收空中响应磁场中的真实垂直磁场信号、加性运动噪声和乘性运动噪声，而参考线圈3只接收加性运动噪声，通过包含两个采集通道的接收机5分别获取测量线圈2和参考线圈3接收的信号，然后对二者的加性噪声信号进行对消处理。
实施例2
如图1所示，一种半航空电磁探测装置，包括作为激发大地并在空中产生响应磁场的地面发射源1，以及作为空中飞行吊载平台6的无人机和高精度的角度传感器，无人机同时与接收机5和线圈组连接，并将二者提升至空中。线圈组包括外径较大的测量线圈2和外径较小的参考线圈3，测量线圈2和参考线圈3为常规的圆形空心线圈传感器，测量线圈2和参考线圈3分布在同一个平面内且同轴。测量线圈2和参考线圈3之间通过线圈连接装置4相连，线圈连接装置4为软质的绳索。测量线圈2和参考线圈3仍然满足前述的原则1、原则2和原则3。
采用上述装置进行半航空电磁探测时，与实施例1不同的地方除了采用软质的绳索作为线圈连接装置4外，本实施例中还针对软质的绳索作为线圈连接装置4时测量线圈2和参考线圈3之间的同轴度会发生变化，引入了高精度的角度传感器即“软连接+同轴度校正”的方法。角度传感器用于记录测量线圈2和参考线圈3的三轴角度偏差，然后引入同轴度校正因子，从而保证测量线圈2和参考线圈3的测量数据之间满足完全同轴共面的要求。关于同轴度校正的方法属于现有常规技术，此处不再赘述。
如图2所示，为了验证本发明的半航空电磁探测装置和探测方法，构建了图2中的三层大地模型，不考虑运动噪声情况下，通过一维正演计算空间某测点(100，4000，-20)的理想响应垂直磁感应强度Bz和视电阻率Rho。考虑到线圈运动引入的加性运动噪声，利用实测低频运动噪声，结合固定三轴姿态角度(5°、5°，20°)偏转，仿真计算测量线圈2获取的含噪垂直磁感应强度Bzm与含噪视电阻率Rhom。依据本发明设计的装置和方法，利用参考线圈3测量系统的加性运动噪声Bzr，并在测量线圈2结果中减除加性运动噪声，计算得到处理后的垂直磁感应强度Bza和视电阻率Rhoa。测量线圈2和参考线圈3中的感应电压时间序列与频谱如图3所示，图3中，黑色线条代表测量线圈2数据，深灰色线条代表参考线圈3数据，浅灰色线条代表去噪后数据。
将理想结果与处理前后的垂直磁感应强度及视电阻率曲线进行对比，结果如图4所示，图4中黑色实线代表理想结果，灰色长虚线代表含噪结果，灰色短虚线代表去噪后结果,图4中看似只有两条曲线，实际上是因为代表去噪后结构的灰色短虚线与代表理想结果的黑色实线几乎重合,并非是一条点划线。
通过图4可知，不考虑接收线圈运动噪声的前提下，三层大地模型的理想视电阻率幅值在(50，100)范围内，且曲线可呈现出三层结构变化趋势，符合半航空电磁探测的基本规律。引入加性运动噪声后，测量线圈2中的实测垂直磁感应强度在个别频率处明显偏离理想曲线。视电阻率幅值在(10，400)范围内，相对误差高于300％，且视电阻率曲线在低频段呈现上扬趋势，不符合三层模型分布规律。利用本发明设计的装置和方法，去除加性运动噪声后，垂直磁感应强度更接近理想值。视电阻率幅值也接近理想曲线，相对误差低于5％，在误差容许范围内，且曲线趋势与理想曲线一致，能够反映三层结构变化趋势。
将本发明公开的装置和方法应用于云南某测区的实际探测应用中，处理前后的视电阻率分布图与已知地质资料对比结果如图5所示，图5中从右到左依次为：(a)含噪结果，(b)处理后结果，(c)已知地质资料。由图5可知，由于受到运动噪声的影响，处理前视电阻率成像结果(图a)较差，基本无法识别出地下的相对电阻率变化信息。图b引入了本发明公开的装置和方法进行处理，处理后与图c地质资料对比，可得出以下几个初步结论：
(1)处理后的视电阻率变化趋势与已知地质资料基本相符；
(2)图b中虚线位置与图c中f2处显示的断层破碎带相符，电阻率值在此处出现错断、扭曲、不连续现象，推测为断层，倾向进口方向，且倾角较陡；
(3)图c点划线框内的区域地下水丰富，富水性强，以岩溶水、构造裂隙水为主。与图b的实线框中显示的相对低阻区域相符；
(4)表层低阻区域，与地质资料中表层有粘土分布的情况类似。
(5)断裂带左侧分布电阻率较低的白云岩，右侧为电阻率较高的石灰岩，但二者实际电阻率差别很小，视电阻率图中的相对特性也较为一致。
Claims (8)
1.基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，其特征在于：包括线圈组，所述线圈组包括加性运动噪声线性相关的测量线圈(2)和参考线圈(3)，其中，
参考线圈(3)和测量线圈(2)的带宽一致；
参考线圈(3)的检测分辨率满足只能分辨加性运动噪声，不能分辨真实垂直磁场信号；
测量线圈(2)的检测分辨率满足能够同时分辨真实垂直磁场信号和运动噪声；
参考线圈(3)的外径远小于测量线圈(2)的外径；
参考线圈(3)和测量线圈(2)同轴并共面；
测量线圈(2)和参考线圈(3)之间为硬连接或软连接。
2.根据权利要求1所述的基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，
其特征在于：还包括，
地面发射源(1)，所述地面发射源(1)向大地攻入电流并激发大地在空中产生响应磁场；
接收机(5)，所述接收机(5)包含两个采集通道，分别用于接收测量线圈(2)和参考线圈(3)中的磁场信号；
空中飞行吊载平台(6)，所述空中飞行吊载平台(6)将线圈组和接收机(5)提升至空中。
3.根据权利要求1所述的基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，其特征在于：所述参考线圈(3)和测量线圈(2)之间为软连接，所述半航空电磁探测装置还包括角度传感器，所述角度传感器记录参考线圈(3)和测量线圈(2)的三轴角度偏差。
4.根据权利要求2所述的基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，其特征在于：所述空中飞行吊载平台(6)为直升机或无人机。
5.根据权利要求1所述的基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，其特征在于：所述硬连接为硬质支架，所述软连接为软质绳索。
6.根据权利要求1所述的基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测装置，其特征在于：所述测量线圈(2)和参考线圈(3)为正方形或圆形。
7.基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测方法，包括在空中运动的接收线圈，接收线圈接收来自地下异常体在空中的响应磁场信号，其特征在于：
将接收线圈拆分为运动状态完全一致且同轴共面的两个线圈，其中一个线圈只接收加性运动噪声，另一个线圈同时接收加性运动噪声和真实垂直磁场信号，然后将两个线圈接收到的加性运动噪声对消获得真实垂直磁场信号。
8.根据权利要求7所述的基于同轴共面互参考线圈组的半航空电磁探测方法，其特征在于：还包括校正两个线圈的同轴度。
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