CN115857026A - 一种探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探测方法，包括以下步骤：分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数；根据线圈参数，消除接收线圈与发射线圈之间的互感；激发发射线圈产生激励电流，从而形成一次电磁场；磁化待测物形成与一次电磁场对应的二次电磁场；确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号，以及确定输出信号的同相信号和正交信号；根据同相信号、正交信号和与激励电流相关的电信号确定待测物的物理参数；根据物理参数确定待测物。本发明这种数据冗余极大地提高了探测待测物的可靠性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁领域，具体涉及一种探测方法。
背景技术
电磁感应探测方法作为地球物理勘探方法的一种，广泛应用于地质普查、矿物勘探、地下金属探测、考古等领域。电磁感应探测仪器的主要原理为：采用发射线圈发射交变的一次磁场信号，使用接收线圈或磁传感器接收由一次电磁场与待测物作用产生二次电磁场信号获取待测物的信息。由于发射线圈的一次电磁场很强，而二次电磁场信号微弱且与一次电磁场信号同频，因此想要精确检出二次电磁场信号，就必须抵消或抑制一次电磁场信号的干扰。
现有技术中，通常包括以下三种检测方法识别待测物：
(1)设置两个发射线圈，其中一个发射线圈产生稳定的频率，另一个发射线圈的频率设置电路中设置环形天线，通过读取来自两个发生器线圈的脉冲频率的差异以识别待测物，但此种方法下仪器体积较大，对发射线圈尺寸以及发射线圈和接收线圈距离也存在限制，且反演和数据处理要求较高；
(2)设置两个接收线圈以产生额外的信号差，利用特殊的算法处理两个接收线圈中的信号以识别待测物，但该方法的计算精度依赖于线圈的定位精度，实际操作又很难控制其定位精度，另外，操作中的环境变化会严重干扰两个接收线圈产生的信号差；
(3)设置一个发射线圈和一个接收线圈，操作过程中按照待测物的延伸方向线性移动接收线圈并检测二次磁场信号的强度，但该方法会使测量过程复杂化，并产生大量时间和人力成本，同时可靠性较低。
本发明旨在提供一种探测方法，解决现有电磁探测一次电磁场以及系统自身干扰大的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种探测方法，能够解决现有电磁探测一次电磁场以及系统自身干扰大的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种探测方法，包括以下步骤：分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数；根据所述线圈参数，消除所述接收线圈与所述发射线圈之间的互感；激发所述发射线圈产生激励电流，从而形成一次电磁场；磁化待测物形成与所述一次电磁场对应的二次电磁场；确定所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号；确定所述输出信号的同相信号和正交信号；根据所述同相信号、所述正交信号和与所述激励电流相关的电信号确定所述待测物的物理参数；根据所述物理参数确定所述待测物。
优选地，所述发射线圈与所述接收线圈的线圈参数满足以下特征：所述第一接收线圈与所述发射线圈处于同一水平面，所述第一接收线圈的半径r1大于所述发射线圈的半径rT；所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d，所述发射线圈的半径rT大于所述第二接收线圈的半径r2；所述第一接收线圈、所述第二接收线圈和所述发射线圈共轴；所述第一接收线圈的匝数为N1，所述第二接收线圈的匝数为N2，其中N1小于N2；所述第二接收线圈的输出端与所述第一接收线圈的输入端串联，所述第二接收线圈与所述第一接收线圈的缠绕方向一致。
优选地，分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数，包括以下步骤：根据所述第一接收线圈的电感L1和所述第二接收线圈的电感L2二者分别确定所述第一接收线圈的半径r1和所述第二接收线圈的半径r2，其中，r1/r2＝L1/L2；确定rT使得rT介于r1与r2之间；根据所需要的发送磁矩P确定所述发射线圈的匝数NT，其中NT＝P/πr1 2IT，IT是所述激励电流的稳定值；对于确定的r1、r2、rT，为每一匝所述第一接收线圈匹配n匝所述第二接收线圈，使通过所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的总磁通量为0；重复以上步骤m次，获得所述第一接收线圈的匝数N1＝m，所述第二接收线圈的匝数N2＝m×n。
优选地，确定所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号包括以下步骤：确定所述接收线圈的总输出信号U；确定所述第一接收线圈和所述第二接收线圈产生的感应电动势εs(t)；确定由所述感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U；根据所述接收线圈的输出信号U和所述感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U，确定所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号为|U-△U|。
优选地，确定所述第一接收线圈和所述第二接收线圈产生的感应电动势εs(t)包括以下步骤：
其中，iL(t)表示流经所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的电流，MLR为所述第一接收线圈与所述第二接收线圈之间的互感，其中，
μ0表示真空磁导率，r1为所述第一接收线圈的半径，r2为所述第二接收线圈的半径，d为所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上的间隔距离，/>
为积分变量，/>
优选地，确定由所述感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U包括以下步骤：
其中，S为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效面积，S＝m(nS2+S1)，其中S1所述第一接收线圈的单匝面积,S2为所述第二接收线圈的单匝面积，其中，L为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效电感，C为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效分布电容，R为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效电阻，Rb为与所述第一接收线圈和所述第二接收线圈连接的介质电阻。
优选地，确定所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d包括以下步骤：获取初始所述第一接收线圈的半径r1、初始所述第二接收线圈的半径r2、以及初始所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d；构建所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号的波形坐标系；以不同频率激发发射线圈产生激励电流；计算所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号的信号偏差度；判断所述信号偏差度是否小于阈值Q1，否则继续下一步；通过公式
调整r1、r2、d之间的关系；重复以上步骤直至所述信号偏差度小于阈值Q1，将此时获得的间隔距离作为所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d。
优选地，确定所述同相信号包括：获取所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号；计算所述激励电流的相位φ；根据公式U同相＝K第一|U-ΔU|sinφ，获得所述同相信号，其中K第一为第一静态转换参数。
优选地，确定所述正交信号包括：获取所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号；计算所述激励电流的相位φ；根据公式U正交＝K第二|U-ΔU|cosφ，获得所述正交信号，其中K第二为第二静态转换参数。
优选地，确定与所述发射线圈的激励电流相关的电信号包括：在激励频率处对所述激励电流进行滤波和放大处理以获得与所述发射线圈的激励电流相关的电信号I电信号。
优选地，根据所述同相信号、所述正交信号和与所述激励电流相关的电信号确定所述待测物的物理参数包括以下步骤：确定所述同相信号与所述待测物的物理电学参数R和磁学参数E之间的第一转换系数K1和第二转换系数K2；确定所述正交信号与所述待测物的物理电学参数R和磁学参数E之间的第三转换系数K3和第四转换系数K4；确定所述发射线圈的激励电流相关的电信号与所述待测物磁学参数E和位置参数D之间的第五转换系数K5和第六转化系数K6；根据所确定的转换系数确定所述待测物的物理参数。
优选地，根据所确定的转换系数确定所述待测物的物理参数包括，
U同相＝K1*R+K2*E；
U正交＝K3*R+K4*E；
I电信号＝K5*E+K6*D
本发明提供了一种探测方法，通过合理设置发射线圈和接收线圈的线圈参数，从理论上消除了接收线圈与发射线圈之间的互感，从而在确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号时，抵消或抑制了一次电磁场场信号的干扰。同时根据所述同相信号、所述正交信号和与所述激励电流相关的电信号共同确定所述待测物的物理参数，利用数据冗余极大地提高了探测待测物的可靠性和准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是根据本发明实施例的一种探测方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的发射线圈和接收线圈的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数的方法的流程图；以及
图4是根据本发明实施例的一种确定第二接收线圈与发射线圈竖直方向上间隔距离d的方法的流程图。
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发明。
本发明实施例提供了一种探测方法，图1是根据本发明实施例的一种探测方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：S102：分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数；S104:根据线圈参数，消除接收线圈与发射线圈之间的互感；S106：激发发射线圈产生激励电流，从而形成一次电磁场；S108：磁化待测物形成与一次电磁场对应的二次电磁场；S110：确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号；S112：确定输出信号的同相信号和正交信号；S114：根据同相信号、正交信号和与激励电流相关的电信号确定待测物的物理参数；S116：根据物理参数确定待测物。
其中，S102步骤中分别确定的发射线圈与接收线圈的线圈参数包括：位置、半径、匝数、绕制方向，通过合理设置发射线圈与接收线圈的线圈参数可以消除接收线圈与发射线圈之间的互感，从而在确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号时，抵消或抑制一次电磁场信号的干扰。
S106-S116步骤中，激发发射线圈产生激励电流，从而形成一次电磁场，如果存在埋藏的待测物，一次电磁场将磁化待测物并在待测物中诱导产生涡流，该涡流将产生二次电磁场。二次电磁场将在接收线圈中诱导感应电动势以产生输出信号。随后将该输出信号转换为同相信号和正交信号。其中同相信号主要与待测物的电导率成正比，而正交信号主要与待测物的磁导率成正比。
待测物中的感应涡流产生的二次电磁场，其方向与励磁场相反。接收线圈中的磁分量的强度等于一次/二次电磁场的磁分量强度之间的差值。因此，只要发射线圈的供电电压恒定，待测物中的涡流就会增加其阻抗，从而减少流过发射线圈的电流。因此，发射线圈的阻抗将取决于待测物的涡流分布，即，取决于待测物的电导率和深度。在这种情况下，根据同相信号、正交信号和与激励电流相关的电信号便可以确定待测物的物理参数。这种数据冗余极大地提高了探测待测物的可靠性和准确性。
根据本发明的实施例，进一步限定了发射线圈与接收线圈的线圈参数特征。图2是根据本发明实施例的发射线圈和接收线圈的示意图。如图2所示，第一接收线圈与发射线圈处于同一水平面，该第一接收线圈的半径r1大于该发射线圈的半径rT；该第二接收线圈与该发射线圈竖直方向上间隔距离d，该发射线圈的半径rT大于该第二接收线圈的半径r2；该第一接收线圈、该第二接收线圈和该发射线圈共轴；该第一接收线圈的匝数为N1，该第二接收线圈的匝数为N2，其中N1小于N2；该第二接收线圈的输出端与该第一接收线圈的输入端串联，该第二接收线圈与该第一接收线圈的绕制方向一致。
该实施例中，通过特定的参数设置，提高了发射线圈、接收线圈与待测物之间的耦合强度，消除了接收线圈的圆心距对一次电磁场屏蔽效果的影响。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数的方法。图3是根据本发明实施例的一种分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数的方法的流程图。如图3所示，根据第一接收线圈的电感L1和第二接收线圈的电感L2二者分别确定第一接收线圈的半径r1和第二接收线圈的半径r2，其中，r1/r2＝L1/L2；确定rT使得rT介于r1与r2之间；根据所需要的发送磁矩P确定发射线圈的匝数NT，其中NT＝P/πr1 2IT，IT是激励电流的稳定值；对于确定的r1、r2、rT，为每一匝第一接收线圈匹配n匝第二接收线圈，使通过第一接收线圈和第二接收线圈的总磁通量为0；重复以上步骤m次，获得第一接收线圈的匝数N1＝m，第二接收线圈的匝数N2＝m×n。
该实施例中，通过以上方法避免了将接收线圈布置在一次电磁场磁力线分布密集的区域。
根据本发明的再一个实施例，提供了一种确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号的方法，包括，确定接收线圈的总输出信号U；确定第一接收线圈和第二接收线圈产生的感应电动势εs(t)；确定由感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U；根据接收线圈的输出信号U和感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U，确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号为|U-△U|。
该实施例中，通过以上方法降低了第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感对探测精度的影响。
进一步地，为了确定第一接收线圈和第二接收线圈产生的感应电动势εs(t)，通过公式
加以计算，其中，iL(t)表示流经第一接收线圈和第二接收线圈的电流，MLR为第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感，其中，由于两平行共轴圆线圈的半径分别为r1和r2，线圈中心间距为d，则两线圈之间的互感MLR在柱状坐标系中可表示为
μ0表示真空磁导率，r1为第一接收线圈的半径，r2为第二接收线圈的半径，d为第二接收线圈与发射线圈竖直方向上的间隔距离，/>
为积分变量，/>
进一步地，为了确定由感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U，通过以下公式加以计算，
其中，S为第一接收线圈和第二接收线圈的等效面积，S＝m(nS2+S1)，其中S1第一接收线圈的单匝面积,S2为第二接收线圈的单匝面积，其中，L为第一接收线圈和第二接收线圈的等效电感，C为第一接收线圈和第二接收线圈的等效分布电容，R为第一接收线圈和第二接收线圈的等效电阻，Rb为与第一接收线圈和第二接收线圈连接的介质电阻。
该实施例中，在确定由感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值△U的过程中，考虑了与第一接收线圈和第二接收线圈连接的介质电阻对探测精度的影响。
虽然可以通过调整线圈的参数完全消除探测信号中的一次场响应成分，但在实际中很难实现。这是因为：线圈的制作与安装存在公差，不能保证线圈的实际尺寸与理论计算结果完全一致，即使公差可以忽略，由材料老化或电磁力导致的结构形变也会降低设备对一次场的抑制效果。因此，需要保证实际操作中第二接收线圈与发射线圈竖直方向上间隔距离d对一次电磁场场的屏蔽效果具备足够的稳定性。
为实现以上目的，本发明提供了一种确定第二接收线圈与发射线圈竖直方向上间隔距离d的方法。图4是根据本发明实施例的一种确定第二接收线圈与发射线圈竖直方向上间隔距离d的方法的流程图。具体如下，获取初始第一接收线圈的半径r1、初始第二接收线圈的半径r2、以及初始第二接收线圈与发射线圈竖直方向上间隔距离d；构建接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号|U-△U|的波形坐标系；以不同频率激发发射线圈产生激励电流；计算接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号|U-△U|的信号偏差度；判断信号偏差度是否小于阈值Q1，否则继续下一步；通过公式
调整r1、r2、d之间的关系；重复以上步骤直至信号偏差度小于阈值Q1，将此时获得的间隔距离作为第二接收线圈与发射线圈竖直方向上间隔距离d。
根据本发明的又一个实施例，确定同相信号包括：获取接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号；计算激励电流的相位φ；根据公式U同相＝K第一|U-ΔU|sinφ，获得同相信号，其中K第一为第一静态转换参数。确定正交信号包括：获取接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号；计算激励电流的相位φ；根据公式U正交＝K第二|U-ΔU|cosφ，获得正交信号，其中K第二为第二静态转换参数。确定与发射线圈的激励电流相关的电信号包括：在激励频率处对激励电流进行滤波和放大处理以获得与发射线圈的激励电流相关的电信号I电信号。
根据同相信号、正交信号和与激励电流相关的电信号确定待测物的物理参数包括以下步骤：确定同相信号与待测物的物理电学参数R和磁学参数E之间的第一转换系数K1和第二转换系数K2；确定正交信号与待测物的物理电学参数R和磁学参数E之间的第三转换系数K3和第四转换系数K4；确定发射线圈的激励电流相关的电信号与待测物磁学参数E和位置参数D之间的第五转换系数K5和第六转化系数K6；根据所确定的转换系数确定待测物的物理参数。
具体地，根据以下公式确定测物的物理参数：
U刚相＝K1*R+K2*E；
U正交＝K3*R+K4*E；
I电信号＝K5*E+K6*D
需要说明的是，K第一、K第二、K1、K2、K3、K4、K5、K6可通过测试已知物理参数的参照物进行确定，电学参数R具体为导电率，磁学参数E具体为磁导率，位置参数D具体为埋藏深度。
综上所述，通过合理设置发射线圈和接收线圈的线圈参数，从理论上消除了接收线圈与发射线圈之间的互感，从而在确定接收线圈对二次电磁场的感应电动势的输出信号时，抵消或抑制了一次电磁场信号的干扰。同时根据同相信号、正交信号和与激励电流相关的电信号共同确定待测物的物理参数，利用数据冗余极大地提高了探测待测物的可靠性和准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S102：分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数；
S104：根据所述线圈参数，消除所述接收线圈与所述发射线圈之间的互感；
S106：激发所述发射线圈产生激励电流，从而形成一次电磁场；
S108：磁化待测物形成与所述一次电磁场对应的二次电磁场；
S110：确定所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号；
S112：确定所述输出信号的同相信号和正交信号；
S114：根据所述同相信号、所述正交信号和与所述激励电流相关的电信号确定所述待测物的物理参数；
S116：根据所述物理参数确定所述待测物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈的线圈参数满足以下特征：
所述第一接收线圈与所述发射线圈处于同一水平面，所述第一接收线圈的半径r1大于所述发射线圈的半径rT；
所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d，所述发射线圈的半径rT大于所述第二接收线圈的半径r2；
所述第一接收线圈、所述第二接收线圈和所述发射线圈共轴；
所述第一接收线圈的匝数为N1，所述第二接收线圈的匝数为N2，其中N1小于N2；
所述第二接收线圈的输出端与所述第一接收线圈的输入端串联，所述第二接收线圈与所述第一接收线圈的绕制方向一致。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，分别确定发射线圈与接收线圈的线圈参数，包括以下步骤：
根据所述第一接收线圈的电感L1和所述第二接收线圈的电感L2二者分别确定所述第一接收线圈的半径r1和所述第二接收线圈的半径r2，其中，r1/r2＝L1/L2；
确定rT使得rT介于r1与r2之间；
根据所需要的发送磁矩P确定所述发射线圈的匝数NT，其中NT＝P/πr1 2IT，IT是所述激励电流的稳定值；
对于确定的r1、r2、rT，为每一匝所述第一接收线圈匹配n匝所述第二接收线圈，使通过所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的总磁通量为0；
重复以上步骤m次，获得所述第一接收线圈的匝数N1＝m，所述第二接收线圈的匝数N2＝m×n。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号包括以下步骤：
确定所述接收线圈的总输出信号U；
确定所述第一接收线圈和所述第二接收线圈产生的感应电动势εs(t)；
确定由所述感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值ΔU；
根据所述接收线圈的输出信号U和所述感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值ΔU，确定所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号为|U-ΔU|。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述第一接收线圈和所述第二接收线圈产生的感应电动势εs(t)包括以下步骤：
其中，iL(t)表示流经所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的电流，MLR为所述第一接收线圈与所述第二接收线圈之间的互感，
其中，
μ0表示真空磁导率，r1为所述第一接收线圈的半径，r2为所述第二接收线圈的半径，d为所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上的间隔距离，/>
为积分变量。/>
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定由所述感应电动势εs(t)引起的输出信号变化值ΔU包括以下步骤：
其中，S为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效面积，S＝m(nS2+S1)，S1所述第一接收线圈的单匝面积，S2为所述第二接收线圈的单匝面积，
其中，L为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效电感，C为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效分布电容，R为所述第一接收线圈和所述第二接收线圈的等效电阻，Rb为与所述第一接收线圈和所述第二接收线圈连接的介质电阻。
7.根据权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，确定所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d包括以下步骤：
获取初始所述第一接收线圈的半径r1、初始所述第二接收线圈的半径r2、以及初始所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d；
构建所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号的波形坐标系；
以不同频率激发发射线圈产生激励电流；
计算所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号的信号偏差度；
判断所述信号偏差度是否小于阈值Q1，否则继续下一步；
通过公式
调整r1、r2、d之间的关系，r1为所述第一接收线圈的半径，r2为所述第二接收线圈的半径，d为所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上的间隔距离，/>
为积分变量。/>
重复以上步骤直至所述信号偏差度小于阈值Q1，将此时获得的间隔距离作为所述第二接收线圈与所述发射线圈竖直方向上间隔距离d。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述同相信号包括：
获取所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号；
计算所述激励电流的相位φ；
根据公式U同相＝K第一|U-ΔU|sinφ，获得所述同相信号，其中K第一为第一静态转换参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定所述正交信号包括：
获取所述接收线圈对所述二次电磁场的感应电动势的输出信号；
计算所述激励电流的相位φ；
根据公式U正交＝K第二|U-ΔU|cosφ，获得所述正交信号，其中K第二为第二静态转换参数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定与所述发射线圈的激励电流相关的电信号包括：
在激励频率处对所述激励电流进行滤波和放大处理以获得与所述发射线圈的激励电流相关的电信号I电信号。
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