CN1239778A - 电磁波束定向发射勘查技术 - Google Patents

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Abstract

电脑波束定向发射勘查技术属应用地球物理勘查电磁勘探技术中的一种，以往电磁勘探方法中发射信号方向性差，因而存在体积效应，其解释结果存在多解性；本项技术的关键在于发射特定方位的平行电磁波束，分析波束遇介质界面时的反射波初至时间、振幅及相位，则可获得地下埋藏物在特定点位的性质及埋深，从而大大提高解释结果的可靠性。该项技术可用于地质勘查、工程勘查、地下管网及墓穴探测等。

Description

电磁波束定向发射勘查技术
                应用地球物理勘查电磁勘探法
                 以往地质地球物理勘查中所采用的电磁方法主要包括三大类：(A)接地源方法、(B)感应源方法及(C)电磁波反射法；接地源方法指通过两个接地电极向地下供(具有一定频率的交流)电作为发射场源(如可控源音频大地电磁法、远瞬变场法等)；感应源方法则以不接地回线(具一定几何形状的单匝或多匝线圈)中交变电流所产生的电磁场作为发射源(如电磁感应法、瞬变电磁法等)，这两类方法的发射信号具有较大的作用空间，信号分布方向难于准确控制，其观测信号主要为一定区域、深度范围内(一定体积空间)大地受发射场作用所形成的综合二次(电、磁)场，因而对其进行推断解释则不可避免地存在由体积效应引起的不确定性即多解性；电磁波反射法(地质雷达)以不接地发射天线作为场源，向地下发射具有较高频率、较宽频带的电磁波脉冲，通过分析脉冲的反射结果以达到勘查目的，由于该方法发射的电磁脉冲方向性较差(具有较大的扩散张角，多在120度左右)，其反射结果亦为一定区域、深度范围内多种反射结果的叠加，必须采用数字滤波、反褶积、偏移(指反射点归位)等多种处理手段进行分析，为保证精度难以使用较低频率进行较大深度的勘查(目前其勘探深度多在50米左右)，因而限制了该方法的应用范围。上述各类方法的详细情况请参见以下资料：
①《探地雷达方法与应用》李大心著
   地质出版社1994.12
②《工程与环境物探教程》陈仲侯、王兴泰、杜世汉著
   地质出版社1996.11
          由于上述各类方法均有不同性质的局限性，难以达到高精度、大深度勘查的目的，因而研究开发此项技术。
          电磁波在地下传播过程中，遇到介电常数、电阻率存在差异的两类介质分界面时会产生反射(或散射)、透射或折射现象，通过观察反射波信号则可以分析该界面的深度等参数，形成勘探意图；若严格控制所发射的脉冲电磁波频率及方位，使其沿某一特定方向以窄波束的形式传播，同时控制接收天线相对于发射天线的位置及方位，则发射电磁波及接收到的反射波传播路径比较明确，为利用反射波初至时间、波速准确计算反射界面的位置提供了依据；由于发射脉冲波束强度、反射波强度可知，因而可以计算各反射界面间介质对电磁波的衰减系数及相对电阻率大小，为分析介质的地质、地球物理性质提供了可靠资料。具体应用中可视勘探深度、精度等情况采用不同的频率及处理手段以便达到更好的勘查效果：(1)浅表勘查时可使用较高频率(100MHz—1000MHz)，采用较成熟的数字滤波、反褶积等处理手段对反射波的初至时间、相位等性质加以分析解释；(2)中——深部勘查时可使用较低频率(1KHz—100KHz)，精确控制发射频率及特定发射波形(正玄波、方波及其他具有一定特征易于分辨的波形)，采用电磁波分离技术将所观测的合成波分解为各个独立的反射波，分析各反射波的初至时间及其幅值(可换算出衰减系数)，以达到勘查目的；(3)对一些目标明确的工程勘查(金属、非金属人文活动目标如地下管线、洞穴等的勘查)可采用发射高频(50M—500MHz)连续电磁波束(与(1)、(2)不同之处在于发射的并非脉冲电磁波束、接收时不考虑单个反射脉冲而考虑反射波最大强度)同点(或保持发射-接收位置相对不变)接收方式进行剖面测量，通过分析不同地点的反射波极大值强弱判定目标体的平面位置，其埋深可由不同地点、不同发射角度的观测结果利用几何原理计算得出(在确定了目标体的平面位置Z1后，将仪器的发射、接收方位控制为倾角45度并指向目标体做剖面观测，寻找信号突变点的平面位置Z2，则Z1至Z2的距离约等于目标体埋深；这种方法可以省去仪器中的时钟控制部分，降低仪器成本)。
                    与以往的电磁方法相比，电磁波束定向发射勘查技术具有方法简单、应用灵活、结果可靠、成本低廉等特点，其勘探深度范围较大、适用范围广、无地形影响；可根据地质勘查、工程勘查、地下管网探测等的具体特点制造出一系列的相应仪器加以应用。
     电磁波束定向发射勘查技术的方法原理及实现该方法技术所使用的仪器设备特征参见附图1，图1中的仪器部分(A-O)为中剖图，即仪器的发射、接收天线以发射线圈(H)为轴呈轴对称形式(以发射线圈为轴旋转一周)，对图中各组成部分说明如下：
A控制系统：仪器的中枢部分，用于控制发射、接收、输出各个环节，主要包括主处理器部分、输入输出参数部分、控制时钟部分、通讯部分等。
B输出系统：用于将接收电路所输出的数据加以处理，以特定的格式输出至磁盘、表头、喇叭及外设计算机等。
C接收电路：用于处理接收天线(水平、竖直接收线圈)所接收到的信号。
D发射电路：为发射天线提供一定频率、波形、强度的电流。
E内支撑架：呈长桶状并带有顶盖，用于封闭并固定发射天线，其内壁渡以光滑的强电磁波反射材料，可防止发射信号扩散至接收天线。
F倒磁圆桶：用导磁材料制成，桶顶盖中心与发射线圈中心导磁棒联成一体以起到倒磁作用。
G环透镜：环形电磁波透镜，辅以电磁波反相装置。
H发射线圈：细长棒状(或长锥状、锥顶位于主透镜的焦点)线圈，内为细导磁棒，棒顶位于主透镜(K)的焦点上。
I反射镜：电磁波反射镜，用于将主透镜反射回的电磁波再反射回主透镜。
J吸收环：球环状电磁波吸收器，与环透镜配套使用，若环透镜之电磁波反相装置设计困难，可将环透镜及吸收环同时去掉。
K主透镜：将发射线圈顶端生成的球面电磁波转换为平行电磁波束，为形成平面电磁波束的主要部件，可用聚氯乙烯(PVC)材料(对电磁波呈透明特性即反射系数、吸收系数均很低)制成，单、双(折射)面透镜均可(图中所示为单面透镜，其上表面为球面，下表面为椭球面，环透镜的原理与此相同)，透镜及其焦距大小可根据仪器情况加以调整。
L水平接收线圈：带有缺口的导磁圆环上缠有线圈，水平放置(与仪器中轴垂直)，可用于接收由发射信号所感应的二次电磁场，确定电阻率高低。
M仪器外壳。
N液体倾角计：用于确定发射倾角(方位)的倾角计，采用浮力原理制成，即在装满水的饼形容器内放置浮标并密封，因浮标应总是处于容器顶部而达到计量倾角的目的，具体情况见附图2，附图2中的两部分为：A浮标(由塑料制成特定形状、涂以特定颜色)B饼形容器(由透明塑料制成、印刷刻度、图案)
O竖直接收线圈：将线圈缠于带有缺口的导磁环柱上，套于发射天线外支撑架(E)之外，右部虚方框内为其总体形态及导线缠绕方式：
  a导磁环柱
  b漆包线及其缠绕方式
P地下目标体：可以是天然的，也可以是人文的。
图中虚线部分为电磁波信号的传播路径：
1发射(脉冲)电磁波束
2反射或散射(脉冲)电磁波
3透射(脉冲)电磁波
以上A-O为仪器的主要组成部分，依其性质可归并为以下四大部分：
1、控制系统：A
2、发射系统：D＋E＋F＋G＋H＋I＋J＋K＋N
   发射天线：E＋F＋G＋H＋I＋J＋K
3、接收系统：C＋L＋O＋N
   接收天线：L＋O
4、输出系统：B
仪器设计制造时可视勘查目的不同(制作的仪器针对性不同)加以调整(增补、省略或发收分体)。
              由发射线圈发射的电磁波(球面波)经主透镜、环透镜(带有反相器)后转化为平行电磁波束并以特定方向传播，遇介质界面时发生反射(散射)、透射、折射等现象，其反射波中的特定部分被竖直接收天线所接收，同理透射波中的特定再反射部分亦可被竖直接收天线所接收，这些反射波的初至时间、振幅不受周围介质差异的影响(不存在由临近一定区域共同作用所引起的体积效应)，反映了地下地质界面、地下埋藏物在特定点位的性质及埋深。对本方法技术的核心部分——发射天线的设计，主要利用了光透镜原理，其主透镜、环透镜均可采用由PVC材料制成的单、双面透镜；对于高频发射信号，也可以采用电磁波反射镜方法实现电磁波束的输出。

Claims (1)

  1. 电磁波束定向发射勘查技术属应用地球物理勘查电磁勘探技术中的一种，与现有电磁勘探技术(主要为探地雷达技术)类似之处在于发射信号皆为电磁波，并以电磁波在地下介质中传播遇介质界面时产生的反射波作为探测信号，处理分析反射波信号，从而达到地质勘查目的；但以往电磁勘探方法(探地雷达)中发射信号方向性差(不考虑变换发射倾角)，因而存在体积效应，其解释结果具有较大程度的不确定(多解)性，同时由于发射信号频率较高，使得勘探深度多不大于50米；
    本项技术的关键特征在于发射某一特定方位、某一特定频率、某一特定波形的平行(连续的或脉冲式)电磁波束，波束遇介质界面时其反射波中的特定部分被接收天线所接收，由于反射波的初至时间、振幅及相位不受周围介质差异的影响(不存在体积效应)，故可反映地下埋藏物在特定点位的性质及埋深，从而大大提高解释结果的可靠性；电磁波束定向发射勘查技术的适用频率宽(1KHz—1000MHz)，因而其勘探深度范围大(频率越低，勘探深度越大)，可采用发射脉冲式高频电磁波束(10MHz—1000MHz)、脉冲式低频电磁波束(1KHz—1MHz，采用电磁波分离技术进行处理分析)、连续式高频电磁波束(50MHz—500MHz)等方式分别用于地质勘查、工程勘查、地下人文活动产物(管网、墓穴等)探测；为实现上述勘查技术，同时设计了电磁波(频率相同、起始时间不同、特定波形的电磁波)分离处理方法用于中——深地质勘查及液体倾角计(可不受电磁干扰)用于计量发射倾角。
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