RU2557370C2

RU2557370C2 - Компенсационная катушка и система для измерений в-поля и устройство для временных электромагнитных измерений

Info

Publication number: RU2557370C2
Application number: RU2011108207/28A
Authority: RU
Inventors: Петр Валентинович КУЗМИН; Эдвард Беверли МОРРИСОН
Original assignee: Геотек Эйрборне Лимитед
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2015-07-20
Also published as: US8400157B2; ZA201101660B; EP2324366A4; WO2010022515A1; US8786286B2; US20100052685A1; RU2011108207A; CN102159962A; AU2009287322A1; CA2735185A1; BRPI0913152A2; CA2735185C; EP2324366A1; AU2009287322B2; US20110148421A1; CN102159962B; EP2324366B1

Abstract

Изобретение относится к геофизическим измерениям с помощью летательного аппарата. Сущность: система для электромагнитной геофизической съемки во временной области (TDEM) для получения результата измерения В-поля включает катушку передатчика, компенсационную катушку, расположенную в концентрической и копланарной ориентации относительно катушки передатчика, катушку приемника, расположенную в концентрической и копланарной ориентации относительно компенсационной катушки, источник электрического тока, соединенный с катушкой передатчика и компенсационной катушкой для подачи на них периодического тока, и систему сбора данных, предназначенную для приема сигнала dB/dt временной производной магнитного поля от катушки приемника и интегрирования сигнала dB/dt для генерации результата измерения магнитного В-поля. Множество радиальных тросов проходят радиально наружу от центральной точки к соответствующим местам рамы катушки передатчика, рамы компенсационной катушки и рамы катушки приемника, каждая из которых соединена с радиальными тросами. Катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены относительно друг друга так, что в месте катушки приемника магнитное поле, генерируемое компенсационной катушкой, оказывает аннулирующее влияние на первичное магнитное поле, генерируемое катушкой передатчика. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Настоящая заявка притязает на приоритет патентной заявки США №12/201,305, поданной 29 августа 2008 года, содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

Область техники

Настоящее раскрытие относится в общем к области геофизических электромагнитных измерений и более конкретно к способу и системе получения В-поля с использованием электромагнитных измерений во временной области, получаемых с помощью устройства, имеющего компенсационную катушку и средство обработки сигнала. Уровень техники

Геофизические электромагнитные измерения являются эффективным средством определения удельной электропроводности почв, скальных грунтов и других проводящих материалов на глубинах до трех километров от поверхности. Распределение удельной электропроводности на таких глубинах представляет значительный интерес для лиц, занимающихся картированием залежей основных металлов и урана, водоносных пластов и других геологических образований.

Способ геофизических электромагнитных измерений включают измерения изменяющихся во времени магнитных полей рядом с земной поверхностью, которые создаются первичным магнитным полем, и моделирование распределения удельной электропроводности в грунте. Такие магнитные поля создаются или периодическим током, подаваемым на передатчик, встречающимися в природе электромагнитными полями, происходящими в основном из-за разрядов молний в атмосфере Земли. Электромагнитные поля могут иметь характеристическую глубину проникновения в грунт, пропорциональную обратной величине квадратного корня из удельной электропроводности и частоты грунта.

В известных способах сигнал магнитного поля измеряют, используя или систему катушки приемника (которая может измерять до трех ортогональных компонент временной производной магнитного поля dB/dt), или магнетометр (который измеряет магнитное поле В). Принятый аналоговый сигнал затем усиливается, фильтруется и оцифровывается скоростным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) высокого разрешения, и полученные данные могут храниться вместе с информацией по позиционированию, полученной с помощью Глобальной системы позиционирования (GPS). Последующая обработка данных включает электрическое и физическое моделирование грунта для создания геофизических контурных карт удельной электропроводности.

Существующие способы геофизической съемки обычно требуют высокого уровня отношения сигнал-шум, выделения высокой удельной электропроводности и высокого пространственного разрешения как в стороны, так и в глубину.

Существующие электромагнитные системы предназначены для наземных и авиационных измерений. Авиационные измерения выполняют, используя самолеты и вертолеты. Авиационные способы применяют для съемки больших площадей и могут быть использованы для разведки проводящих рудных тел в резистивном грунте, для геологического картирования, гидрогеологии и мониторинга окружающей среды. Известные бортовые электромагнитные системы используют для сбора данных, когда самолет или вертолет летит почти с постоянной скоростью (например, до 75 м/с или 30 м/с, соответственно) вдоль почти параллельных линий, отстоящих друг от друга на одинаковое расстояние (например, от 50 м до 200 м), на близкой к постоянной высоте над землей (например, приблизительно 120 м или 30 м, соответственно).

Измерения выполняются с регулярными интервалами, обычно в диапазоне от 1 м до 100 м.

Дополнительным признаком известных электромагнитных измерений является то, что они могут быть осуществлены в частотной области или в временной области. При частотных электромагнитных (FDEM) измерениях катушка передатчика обычно непрерывно передает электромагнитный сигнал на фиксированных кратных частотах, хотя катушка приемника может измерять сигнал как функцию времени. Измеренные величины могут включать либо амплитуду и фазу сигнала, либо, эквивалентно, синфазную и квадратурную амплитуды как функцию частоты. При таких измерениях чувствительность сигнала уменьшается с увеличением удельной электропроводности, таким образом уменьшая контрастное картирование удельной электропроводности.

В ходе сбора данных временных электромагнитных измерений TDEM известными способами импульс тока подается на катушку передатчика во время периода включения и отключается во время периода отключения, обычно с частотой повторения, равной нечетному кратному половины частоты локальной силовой линии (например, обычно 50 Гц или 60 Гц). Сигнал измеряется приемником как функция времени. Спад амплитуды сигнала во время периода отключения в сочетании с моделированием удельной электропроводности и геометрии геологических тел в грунте дает контурные карты удельной электропроводности.

В известных системах TDEM во время периода включенного тока слабые проводники создают слабые dB/dt сигналы на катушке приемника, а хорошие проводники создают большие синфазные сигналы, хотя и очень малые по сравнению с нежелательным первичным электромагнитным полем, создаваемым системой катушки передатчика. Во время периода отключенного тока слабые проводники создают большой dB/dt сигнал в катушке приемника из-за быстро спадающего электромагнитного поля, а хорошие проводники создают малые сигналы из-за медленно спадающего электромагнитного поля. Измерения обычно выполняют во время периода отключения, и поскольку измерение dB/dt полезно для картирования слабых проводников, измерение магнитного поля, называемого полем В, может повышать точность информации по хорошим проводникам. В известных способах магнитное поле В может быть получено прямым измерением с помощью магнетометра или путем интегрирования по времени сигнала dB/dt, измеренного с помощью катушки приемника. Если магнитное поле В должно быть получено путем интегрирования, характеристику dB/dt по всей форме волны необходимо измерять и во время периода включения, чтобы определить постоянную интегрирования, которая дает нулевой компонент постоянного тока в течение всего периода (смотрите: Смит Р.С.и Эннан (Smith, R.S. and Annan 4.Р.), "Использование датчика индукционной петли для непрямого измерения характеристики В-поля в диапазоне частот переходного электромагнитного способа". Geophysics, 65, р.1489-1494).

Пример системы TDEM HTEM (вертолетной), которая измеряет временную производную dB/dt магнитного поля, можно найти в патенте США №7,157,914, содержание которого включено в настоящий документ путем ссылки.

Желательна система TDEM, которая может эффективно работать при эффективном измерении В-поля.

Раскрытие изобретения

Согласно одному иллюстративному варианту осуществления система геофизической электромагнитной съемки во временной области (TDEM) для измерения В-поля включает: катушку передатчика; компенсационную катушку, расположенную в по сущности концентрической и копланарной ориентации относительно катушки передатчика; катушку приемника, расположенную в по сущности концентрической и копланарной ориентации относительно компенсационной катушки; источник электрического тока, соединенный с катушкой передатчика и компенсационной катушкой для подачи на них периодического тока; и систему сбора данных, предназначенную для приема сигнала временной производной dB/dt магнитного поля с катушки приемника и интегрирования сигнала временной производной dB/dt магнитного поля для создания результата измерения магнитного В-поля, причем катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены относительно друг друга так, чтобы в месте катушки приемника магнитное поле, создаваемое компенсационной катушкой оказывало аннулирующее влияние на первичное магнитное поле, созданное петлей передатчика.

Согласно еще одному иллюстративному варианту осуществления, способ обработки сигнала для получения измерения В-поля включает: получение сигнала с катушки приемника, расположенной в компенсационной катушке, которая также расположена в катушке передатчика, причем каждая катушка расположена в по сущности концентрической ориентации относительно других катушек, катушка передатчика и компенсационная катушка создают периодические импульсы, каждый из которых имеет положительное время включения, за которым следует время отключения, за которым следует отрицательное время включения, за которым следует время отключения; оцифровку сигнала с катушки приемника; усреднение положительных и отрицательных полуциклов оцифрованного сигнала с катушки приемника за один или несколько периодов для получения постоянной величины интегрирования; и интегрирование оцифрованного сигнала с катушки приемника по меньшей мере за один полный период для получения результата измерения В-поля. В одном аспекте настоящее раскрытие относится к вертолетной системе для электромагнитных измерений (НТЕМ) для выполнения измерения В-поля, которая включает: катушку передатчика; компенсационную катушку, расположенную в по существу концентрической и копланарной ориентации относительно катушки передатчика; катушку приемника, расположенную в по существу концентрической и копланарной ориентации относительно компенсационной катушки; источник электрического тока, соединенный с катушкой передатчика и компенсационной катушкой; в которой сигнал dB/dt создается катушкой приемника для измерения В-поля.

В еще одном аспекте настоящее раскрытие относится к системе сбора данных электромагнитных измерений, которая включает: катушку приемника, расположенную в компенсационной катушке, которая также расположена в катушке передатчика, причем каждая катушка по существу концентрическая к другим упомянутым катушкам и электрически соединена с другой катушкой, посредством чего получают сигнал на катушке приемника; малошумящий предварительный усилитель, который усиливает сигнал с катушки приемника для создания сигнала dB/dt; НЧ-фильтр защиты от наложения спектров для фильтрации сигнала dB/dt; АЦП для оцифровки отфильтрованного сигнала и средство обработки сигнала, включенное в систему или связанное с системой для получения измерения В-поля.

В еще одном аспекте настоящее раскрытие относится к способу обработки сигнала для получения измерения В-поля, который включает: получение сигнала с катушки приемника, расположенной в компенсационной катушке, которая расположена в катушке передатчика, причем каждая катушка расположена в по существу концентрической ориентации относительно других катушек и электрически соединена с другой катушкой для получения сигнала катушки приемника; непрерывную оцифровку сигнала катушки приемника с помощью АЦП, который фильтрует сигнал; получение оцифрованного сигнала средством обработки сигнала; устранение компенсации предварительного усилителя и зависящих от температуры дрейфов путем усреднения сигнала в данной точке интегрирования формы волны за ряд периодов; усреднение формы волны за один или несколько положительных и отрицательных полупериодов или сигналов для получения компенсационного сигнала; по выбору, вычитание полученного цифрового сигнала из каждой точки; интегрирование цифрового сигнала по меньшей мере за один полный период для получения значения В-поля и направление цифрового сигнала во временные селекторы через по существу равные интервалы времени в логарифмической шкале.

В еще одном аспекте настоящее раскрытие относится к устройству для электромагнитных измерений, которое имеет: катушку передатчика; компенсационную катушку, расположенную в сущности по центру в катушке передатчика; катушку приемника, расположенную в сущности по центру в компенсационной катушке; систему из одного или нескольких радиальных тросов, соединяющих катушку передатчика, компенсационную катушку и катушку приемника в их соответствующих положениях; систему внешней подвески из одного или нескольких внешних тросов, соединенных с возможностью отсоединения с рамой передатчика; и один или несколько тросов крепления подвески, прикрепленных к системе внешней подвески; причем катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены по существу концентрически относительно друг друга, когда трос крепления поднят вертикально на достаточную высоту для подвески катушки передатчика, компенсационной катушки и катушки приемника, и упомянутые катушки расположены так, чтобы осуществлять электромагнитные измерения, по которым получают значения В-поля во временной области.

Поэтому, перед тем, как подробно объяснить по меньшей мере один вариант осуществления изобретения, необходимо сказать, что изобретение не ограничено в его применении деталями конструкции и расположениями компонентов, указанными в последующем описании или показанными на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты осуществления и быть осуществлено на практике различными способами. Также необходимо сказать, что примененные здесь фразеология и терминология предназначены для целей описания и не должны расцениваться как ограничивающие.

Краткое описание чертежей

Иллюстративные варианты осуществления изобретения будут лучше поняты, и цели изобретения станут понятными из последующего подробного описания. В этом описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид системы НТЕМ согласно варианту осуществления настоящего изобретения, включающий покомпонентный вид приемной катушки;

Фиг.2 - вид сбоку системы НТЕМ с Фиг.1 в полете;

Фиг.3 - схематический вид сверху электрических соединений катушки передатчика и компенсационной катушки в системе НТЕМ с Фиг.1;

Фиг.4А - график формы волны тока, поданного на катушку передатчика и компенсационную катушку системы НТЕМ с Фиг.1;

Фиг.4В - график формы волны напряжения, измеренного на катушке приемника системы, которая не включает компенсационную катушку;

Фиг.4С - график формы волны напряжения, измеренного на катушке приемника системы НТЕМ с Фиг.1, которая включает компенсационную катушку;

Фиг.5 - схематический вид системы сбора данных системы НТЕМ с Фиг.1 согласно иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 - процесс анализа данных согласно иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения для определения В-поля.

Варианты осуществления изобретения показаны на чертежах для примера. Необходимо четко понимать, что описание и чертежи предназначены только для примера и в качестве помощи в понимании и не определяют пределы объема изобретения.

Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления

Существует ряд вопросов, которые необходимо решить при попытке измерения В-поля с помощью бортовой системы съемки TDEM. Например, получение данных за полный период в концентрической дипольной системе НТЕМ может быть затруднено, поскольку сигнал в течение периода включения обычно на много порядков выше сигнала в течение периода отключения. Поскольку динамический диапазон обусловлен соотношением силы сигнала на катушке приемника во время периода включения и периода отключения тока в катушке передатчика current, одно возможное решение заключается в увеличении физического разделения между передатчиком и катушками приемника. Такое большое расстояние приводит к снижению требования большого динамического диапазона для системы сбора данных. Однако, разделение, вводимое большими расстояниями, в некоторых применениях может вводить отрицательные характеристики, такие как потеря пространственного разрешения или громоздкая система, которую трудно буксировать в полете, особенно вертолету. Одним возможным решением вопроса динамического диапазона является использование компенсационной катушки для уменьшения амплитуды первичного поля на приемнике.

Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения относятся к бортовой или вертолетной системе электромагнитных измерений, которая включает полужесткую компенсационную катушку и средство для определения магнитного поля В по сигналу dB/dt временной производной магнитного поля. Компенсационная катушка может быть расположена в концентрическом копланарном отношении к катушке передатчика и катушке приемника, чтобы минимизировать паразитные сигналы на катушке приемника во время сбора данных. Сигналы, получаемые системой, могут быть далее обработаны средством обработки сигнала. Более того, измерения, выполняемые на данных, генерируемых системой, могут быть выполнены за весь период формы волны тока, поданного на катушку передатчика и компенсационную катушку.

Добавление компенсационной катушки может повысить механическую сложность и массу конструкции подвески, но ее возможная выгода заключается, помимо прочего, в поддержании сигнала в пределах динамического диапазона АЦП. Позиционирование и стабильность компенсационной катушку возможны в примерах вариантов осуществления настоящего изобретения при помещении компенсационной катушки в центр основной катушки передатчика, чтобы минимизировать магнитное поле в катушке приемника.

Средство для определения магнитного поля В может быть реализовано как утилита программного обеспечения, запускаемая на компьютере, связанном с системой НТЕМ или являющимся ее частью, который использует, например, такой алгоритм, который описан ниже. Также необходимо понимать, что компьютер и его утилита программного обеспечения могут использоваться на стадии обработки после сбора данных в полевых условиях.

Измерение В-поля может помочь при разведке залежей минералов, например, на глубинах близких к одному километру, и обнаружению хороших проводников в грунте. В вариантах осуществления настоящего изобретения может быть применен небольшой магнитный дипольный момент с быстрым отключением, который подходит для разведки с картированием подпочвенной удельной электропроводности. Этот аспект изобретения может влиять на катушку передатчика так, что в некоторых применениях требуемое количество витков катушки передатчика может быть уменьшено, чтобы получить пониженный магнитный дипольный момент и индуктивность. И наоборот, для обнаружения проводников на больших глубинах в некоторых случаях использования системы настоящего изобретения количество витков может быть увеличено, чтобы увеличить магнитный дипольный момент катушки передатчика в сочетании с более длительным периодом отключения.

Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения могут предлагать некоторые потенциальные выгоды. Например, применение компенсационной катушки может, по меньшей мере в некоторых конфигурациях, уменьшить требуемый динамический диапазон АЦП. Результатом такого уменьшения может быть включение в измерение всего периода формы волны тока, подаваемого на катушку передатчика и компенсационную катушку, или увеличенного периода такой формы волны тока. Получение данных за полный период тока передатчика в ином случае может быть затруднительным, поскольку сигнал в период включения обычно на много порядков больше чем во время периода отключения. Так, примеры вариантов осуществления настоящего изобретения могут предлагать выгодное электромагнитное средство. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть включены в концентрическую дипольную систему НТЕМ, например, такую, которая описана в патенте США №7157914, или универсальную систему электромагнитных измерений во временной области (VTEM) системы НТЕМ, эксплуатируемую компанией Geotech. Элементы системы НТЕМ в примерах вариантов осуществления настоящего изобретения могут упрощать анализ данных. Например, установка компенсационной катушки концентрически с основной катушкой передатчика или в ее центре может в некоторых применениях повышать стабильность компенсационной катушки и минимизировать первичное магнитное поле в катушке приемника. Отклонения в положении компенсационной катушки и катушки приемника от идеальной концентрической конфигурации могут создавать паразитный сигнал постоянного тока и, поэтому, требовать большого динамического диапазона сигнала. Механическое перемещение компенсационной катушки также может приводить к пониженному отношению сигнал-шум в катушке приемника. Установка компенсационной катушки с системой НТЕМ, которая здесь раскрыта, может в некоторых случаях повышать точность измерений.

Типичный комплект системы НТЕМ согласно примерам вариантов осуществления может включать катушку передатчика и катушку приемника в по существу концентрической и копланарной конфигурации. Эта концентрическая конфигурация позволяет добиться меньшего размера и может иметь превосходную симметрию для характеристики рассеяния, что, в свою очередь, позволит легче интерпретировать геометрию рассеяния и получить улучшенное боковое разрешение. Как неограничивающий пример, в вариантах осуществления концентрической дипольной системы НТЕМ динамический диапазон, необходимый для предварительного усилителя и АЦП, обычно может быть в диапазоне 120 дБ, что продиктовано соотношением между максимальной амплитудой сигнала и входным шумом предварительного усилителя.

В концентрических дипольных системах НТЕМ для увеличения динамического диапазона можно разместить катушку приемника в нескольких метрах над катушкой передатчика, чтобы уменьшить сигнал, создаваемый катушкой передатчика на приемнике. Альтернативно, можно или использовать автомасштабируемый предварительный усилитель, или переключать коэффициент усиления предварительного усилителя между низким значением во время периода включения и высоким значением во время периода отключения. Использование регулируемый усилителей мощности усложняет сбор данных, но поддерживает катушку передатчика и катушку приемника концентрическими, таким образом минимизируя аномальные профили картирования. Например, для регулируемого предварительного усилителя мощности на 40 дБ для оцифровки сигнала достаточно 16-битного АЦП, а при использовании 24-битного АЦП система может применять предварительный усилитель с фиксированным коэффициентом усиления.

Источников электрического шума в катушке приемника очень много. Паразитные сигналы могут создаваться несколькими источниками, такими как: сам вертолет и другие металлические детали системы, активность молний в атмосфере, помехи от местной линии переменного тока, сверхдлинные радиоволны в частотном диапазоне 15-25 кГц и тепловой шум от катушки и электроники. Однако на низких частотах, например, 0 -100 Гц, основным источником шума в бортовой катушке приемника является микрофонный шум, создаваемый движением катушки в магнитном поле земли. Такое движение создается ударами ветра о катушку, вибрацией от летательного аппарата и/или трением катушки о систему подвески катушки.

Потенциальное средство увеличения отношения сигнал-шум в катушке приемника не может быть прямым из-за многих факторов, которые могут влиять на результаты измерений. Чтобы минимизировать шум, создаваемый различными источниками в частотном диапазоне, представляющем интерес, может потребоваться применить одно или больше из следующего в вариантах осуществления изобретения: уменьшить перемещение катушки приемника относительно магнитного поля земли, предотвращать попадание внешних механических шумов в катушку приемника и минимизировать механические шумы, создаваемые системой подвески катушки приемника.

В одном примере варианта осуществления настоящего изобретения может быть применена полужесткая конструкция для изготовления большой катушки передатчика и компенсационной катушки с собственным большим магнитным дипольным моментом и улучшенным отношением сигнал-шум. Более крупные конструкции в сочетанием с системой внешней подвески также могут быть использованы в вариантах осуществления настоящего изобретения для повышения стабильности в полете и уменьшения отношения сигнал-шум.

Как показано на Фиг.1, система НТЕМ согласно одному примеру варианта осуществления включает буксируемый узел 2, имеющий катушку 4 передатчика, компенсационную катушку 6 и катушку 8 приемника, каждая из которых поддерживается, соответственно, в раме 10 катушки передатчика, в раме 12 компенсационной катушки и раме 14 катушки приемника. Катушка 4 передатчика, компенсационная катушка 6 и катушка 8 приемника концентрические в том, что они являются в сущности копланарными и имеют общую дипольную ось. В показанном варианте осуществления рама 12 рама компенсационной катушки является двенадцатиугольной рамой компенсационной катушки, имеющей размер приблизительно 6,5 м (также показана на Фиг.2). Эта рама катушки может быть установлена ее осью в центре или рядом с центром двенадцатиугольной основной рамой 10 катушки передатчика, например, с размером приблизительно 26 м. Рама 14 катушки приемника может быть далее расположена ее осью в центре рамы 12 компенсационной катушки. Эти три рамы 10, 12, 14 катушек могут быть соединены системой радиальных тросов 16, например, приблизительно двенадцатью радиальными тросами. Каждый из радиальных тросов 16 имеет внутренний конец, соединенный с общей центральной втулкой, и наружный конец, соединенный с соответствующей точкой на периметре рамы 10 катушки передатчика, и они находятся под натяжением, так что рама 10 катушки передатчика сохраняет в сущности постоянный диаметр во время полета. Рама 12 компенсационной катушки, диаметр которой меньше диаметра рамы катушки передатчика, и рама 14 катушки приемника, диаметр которой меньше диаметра рамы 12 компенсационной катушки, закреплены и поддерживаются радиальными тросами 16, так что рамы 10, 12 и 14 катушек удерживаются в относительно стабильных концентрических положениях относительно друг друга в полете.

В одном примере варианта осуществления каждая из рам 10, 12 и 14 катушек выполнена из нескольких трубчатых элементов, которые соединены между собой так, чтобы образовать многоугольные рамы, показанные на Фиг.1 и 2. Катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника 4, 6, 8 расположены внутри их соответствующих трубчатых рам 10, 12 и 14. Рама катушки передатчика и рама компенсационной катушки полужесткие в том, что каждая из них, будучи выполненной из относительно жестких трубчатых элементов, имеет некоторую способность изгибаться на ее периметре, а также в том, что соединение между рамами выполнено с помощью радиальных тросов 16, а не жестких соединителей. Примеры подходящей конструкции, которая может быть использована для рам 10, 12 и 14 катушек, можно найти, например, в патенте США №7157914, а также в патентной заявке США №12/036657 (международная заявка РСТ/СА 2009/000217).

Рамы катушек могут быть также прикреплены к системе внешней подвески 2, образованной внешними тросами 18. В одном примере варианта осуществления каждый из тросов 18 подвески имеет нижний конец, соединенный с возможностью отсоединения с соответствующим углом 22 многоугольной рамы 10 передатчика, и верхний конец, соединенный с тросом 20 крепления подвески. Трос 20 крепления подвески может быть далее соединен с возможностью отсоединения с вертолетом 24 или другим летательным аппаратом, посредством чего систему рам, которая составляет узел 2, может буксировать летательный аппарат. В некоторых примерах вариантов осуществления могут быть предусмотрены дополнительные тросы подвески, каждый из которых имеет нижний конец, соединенный с соответствующим углом рамы 12 компенсационной катушки, и верхний конец, соединенный с тросом 20 крепления подвески. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения система 2 внешней подвески может быть образована тросами в форме сетки, например такой, которая показана в документе US 2008/0143130 A1.

Как показано на Фиг.2, в одном варианте осуществления настоящего изобретения рамы системы НТЕМ, которые составляют буксируемый узел 2, включая основную раму 10 катушки передатчика, раму 12 компенсационной катушки и раму 14 катушки приемника, могут быть подвешены в полете при буксировке вертолетом 24, летящим на постоянной скорости съемки. Постоянная скорость съемки, в качестве неограничивающего примера, может составлять приблизительно 30 м/с. В этом варианте осуществления рама 10 катушки передатчика может поддерживаться системой подвески 11, например, от точки соединения 26, которая в дополнение к тому, что она расположена вертикально над рамой 10 катушки, также может отстоять на некоторое горизонтальное расстояние от центра рамы 10 катушки. Расстояние горизонтального смещения может составлять, как неограничивающий пример, приблизительно 1 м от центра катушки. Точка подвески 26, где встречаются тросы 18 системы подвески 11, прикреплены к вертолету длинным тросом 20 крепления подвески. Трос крепления 20 может иметь длину, как неограничивающий пример, приблизительно 41 м. Система внешней подвески 11 может быть выполнена так, чтобы во время полета катушки могли быть расположены горизонтально или в сущности горизонтально. При этом во время полета трос крепления подвески 20 может быть расположен под некоторым углом к вертикали. Например, трос крепления подвески 20 может быть расположен под углом приблизительно 35 градусов к вертикали. Соответственно, в таком варианте осуществления система подвески 11 выполнена так, что рамы катушек могут удерживаться в горизонтальном или в сущности горизонтальном положении во время полета. Это полетное положение может быть достигнуто при учете нескольких факторов, включая силу тяги, создаваемую ветром, массу конструкции и тросы или сетку внешней подвески.

В одном примере варианта осуществления электроника 7 системы расположена в вертолете 24 и соединена с катушками буксируемого узла 2 проводниками, которые проходят по тросу 20 подвески. Электроника 7 системы включает драйвер 9 катушки передатчика и компенсационной катушки как источник тока для возбуждения катушки передатчика и компенсационной катушки 4, 6 так, как сказано ниже, и систему 13 сбора данных для измерения и обработки сигналов от катушки 8 приемника.

Как показано на Фиг.3, в одном варианте осуществления настоящего изобретения, основная катушка 4 передатчика может иметь габаритный размер, как неограничивающий пример, приблизительно 26 м и может содержать, например, четыре витка провода. Такие витки могут быть расположены в раме 10 катушки передатчика. В том же варианте осуществления настоящего изобретения компенсационная катушка 6 может иметь габаритный размер, как неограничивающий пример, приблизительно 6,5 м и может содержать один виток провода, расположенный в раме 12 компенсационной катушки. Упомянутое количество витков в катушке передатчика или компенсационной катушке приведено только для примера. Количество витков в катушке передатчика и компенсационной катушке может быть меньше или больше приведенного количества, исходя из требований конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения или конкретного применения настоящего изобретения.

Компенсационная катушка 6 и основная катушка 4 передатчика могут быть электрически соединены. Такое электрическое соединение может быть последовательным при токах, циркулирующих в противоположных направлениях 30а, 30b. Магнитное поле в центре катушки пропорционально направлению тока и количеству витков провода и обратно пропорционально общему диаметру катушки. Для концентрических катушки передатчика и компенсационной катушки первичное магнитное поле, измеренное в катушке приемника, помещенной в центр этих катушек, может быть приблизительно нулевым, так как для каждой катушки ток, умноженный на количество витков провода и деленный на радиус катушки, будет приблизительно одинаковым.

Наличие магнитного поля в центре копланарных катушки передатчика и компенсационной катушке близкого к нулю может быть предпочтительным, поскольку магнитное поле может быстро возрастать с удалением от центра. Следовательно, если катушка передатчика и компенсационная катушка не концентрические с катушкой приемника, в последней может возникать нежелательное фоновое первичное магнитное поле. Поэтому желательно, чтобы упомянутые катушки были концентрическими или в сущности концентрическими. Другое соображение, относящееся к измерениям, заключается в том, что отсутствие стабильности в полете может вызывать сильный паразитный сигнал в катушке приемника, поскольку первичное магнитное поле на много порядков больше вторичного магнитного поля в период включения.

Чтобы можно было использовать полужесткую конструкцию компенсационной катушки для уменьшения фонового магнитного поля в катушке приемника во время периода включения, когда электромагнитные измерения выполняют во временной области, сигнал, усредненный по нескольким периодам, должен быть нулевым. Первичное поле, созданное катушкой передатчика и компенсационной катушкой в катушке приемника, должно быть нулевым. Если получено не нулевое среднее значение сигнала, это значение можно вычесть из измеренного сигнала. Это может приводить к уменьшению требования большого динамического диапазона сигнала.

Как показано на Фиг.4А, в одном варианте осуществления настоящего изобретения электрический ток может быть подан на катушку передатчика и компенсационную катушку драйвером 9. Эти катушки могут быть соединены последовательно, как показано на Фиг.3. Каждый цикл или период тока включает положительный период включения и период отключения, за которыми следуют отрицательный период включения и период отключения. В одном неограничивающем примере варианта осуществления настоящего изобретения форма волны тока 34 может быть симметричной с нулевой или в сущности нулевой компонентой постоянного тока, приблизительной частотой 30 Гц и приблизительной пиковой амплитудой 300 А. Опытный специалист поймет, что в других вариантах осуществления или применениях настоящего изобретения могут быть использованы другие формы волны.

На Фиг.4В показана амплитуда сигнала в период включения, который может быть в катушке приемника 8 при отсутствии компенсационной катушки 6 - как показано, и напряжение приемника может составлять приблизительно 3В без компенсационной катушки. Введение компенсационной катушки в соответствии с вариантами осуществления изобретения может вызвать значительное уменьшение сигнала, например, приблизительно до 30 мВ, как показано на Фиг.4С. Сигнал в период отключения на передатчику может иметь амплитуду приблизительно 30 мВ. Таким образом, компенсационная катушка может, по меньшей мере в некоторых применениях, вносить эффект значительного уменьшения сигнала в период включения в месте катушки приемника, таким образом позволяя максимально повысить отношение сигнал-шум путем усиления сигнала катушки приемника. Максимальное усиление может быть ограничено диапазоном входного сигнала АЦП. Опытный специалист поймет, что в других вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы другие сигналы.

Теперь со ссылкой на Фиг.5 будет описан пример варианта осуществления системы сбора данных 13. В одном неограничивающем примере варианта осуществления сигнал катушки 8 приемника может быть усилен, например, приблизительно в 100 раз, малошумящим предварительным усилителем 40. Предварительный усилитель 40 может быть расположен на буксируемом узле 11, а остальные компоненты системы 13 могут быть расположены в летательном аппарате. Предварительный усилитель 40 may может создавать удвоенный сигнал, например, удвоенный сигнал приблизительно 6В. Этот сигнал затем может быть отфильтрован НЧ-фильтром 42 защиты от наложения спектров, например, таким фильтром приблизительно 30 кГц. Он дополнительно может быть оцифрован биполярным АЦП 44, например, 24-битным АЦП, на установленной скорости, например, скорости приблизительно 100000 или 200000 выборок в секунду. Данные, извлеченные путем оцифровки, затем могут быть переданы в блок 46 для обработки и сохранения, который способен выполнять цифровую обработку и хранение данных. Опытный специалист поймет, что усиление и другие предусмотренные измерения предложены только для примера, и что в вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы другие значения усиления и измерения.

В одном примере варианта осуществления настоящего изобретения система сбора данных 13 выполняет обработку сигнала, как показано на Фиг.6. В таком варианте осуществления сигнал катушки приемника может быть принят биполярным АЦП 44 с Фиг.5 и им может непрерывно оцифровываться (действие 50). Эта оцифровка может происходить, например, в случае 24-битного АЦП на скорости 100000-200000 выборок в секунду. Оцифрованный сигнал затем передается в блок обработки и хранения 46 для последующей обработки. Чтобы устранить смещение предварительного усилителя и зависящие от температуры дрейфы, сигнал в какой-то данной точке формы волны может быть усреднен по точкам по меньшей мере за один период или цикл (действие 52). Например, в одном варианте осуществления, может быть усреднен набор из 5 циклов импульсов передатчика. Форма волны может быть дополнительно усреднена по положительным и отрицательным полупериодам или сигналам. Эти элементы усреднения могут быть применены для получения компенсационного сигнала. Получаемый сигнал постоянного тока затем можно вычесть из каждой точки измерений за этот набор периодов (действие 52), посредством чего этот компенсационный сигнал можно вычитать из каждой точки.

Альтернативно, в действии 52 форма волны может быть обработана путем вычитания из каждой точки значения точки формы волны за один более ранний полупериод. В полученной форме волны смещение постоянного тока будет аннулировано, и линейный дрейф в оригинальной форме волны будет уменьшен до фиксированного смещения в полученной форме волны. Эту полученную форму волны затем можно использовать в качестве данных ввода в тот же алгоритм обработки для получения второй формы волны, в которой линейный дрейф в вводимой форме волны будет аннулирована полностью. Путем повторных применений алгоритма могут быть получены дополнительные результирующие формы волны, в которых полиномиальные дрейфы более высокого порядка будут полностью аннулированы. Опытный специалист поймет, что повторное применение этого алгоритма может быть альтернативно воплощено в одном алгоритме, который математически эквивалентен и дает в сущности идентичные результаты.

Оцифрованный сигнал dB/dt затем интегрируется за полный период (т.е., период включения и период отключения) блоком обработки и хранения 46 для получения представления В-поля (действие 54). Такое интегрирование может начинаться в произвольной точке цикла. Для получения интегрирующей постоянной (также называется постоянной интегрирования) сигнал может быть усреднен по меньшей мере за один период. Это можно сделать по точкам, посредством чего происходит усреднение по положительным и отрицательным полупериодам (действие 56). Результирующий сигнал постоянного тока, который может быть интегрирующей постоянной (т.е., постоянной интегрирования), затем можно вычесть из каждой точки измерения за этот набор периодов (действие 56).

В вышеописанной процедуре сигнал постоянного тока может быть вычислен путем усреднения по всей длине волны, или альтернативно его можно получить путем усреднения по частям времени отключения. Это уменьшит количество ошибок, вводимых колебаниями в амплитуде первичного сигнала, обнаруженного приемником. Такие колебания могут быть вызваны деформацией полугибкой рамы.

В качестве дополнительной стадии цифровой сигнал может быть направлен во временные селекторы во время периода отключения (действие 58). Например, в одном варианте осуществления настоящего изобретения могут быть использованы 24 временных селектора, имеющих равные или в сущности равные интервалы времени по логарифмической шкале. Логарифмическая шкала может включать интервалы (бины) от 50 мкс до 10 мс, разделенные шагами приблизительно по 1 дБ.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения интегрирование сигнала dB/dt может быть осуществлено в реальном времени микропроцессорами системы сбора данных 13. В другом варианте осуществления настоящего изобретения интегрирование сигнала dB/dt может быть выполнено после полета в соответствии с записанной временной последовательностью оцифрованных точек, хранящихся в блоке обработки и хранения 46.

Данные по В-полю, полученные с помощью системы 2, могут быть обработаны как функция положения для получения карт удельной электропроводности грунта. Измерение В-поля, как оно здесь описано, может в некоторых случаях применения повышать способность системы выводить сигнал в динамическом диапазоне АЦП. Это, в свою очередь, позволяет улучшить отношение сигнал-шум посредством усиления сигнала катушки приемника. Так, в некоторых примерах вариантов осуществления динамический диапазон сигнала катушки приемника может быть уменьшен, чтобы можно было получить всю форму волны, включая время включения, при уменьшении любой неточности или уровня шума при сборе данных во время периода отключения.

Специалистам в данной области будет понятно, что на практике в описанные варианты осуществления могут быть внесены изменения, не нарушающие объем изобретения. В частности, в вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть применены изменения в размере, частоте и других предложенных измерениях, поскольку предложенные измерения приведены только для примера. Поэтому возможны и другие модификации. Например, размер компенсационной катушки может быть изменен для влияния на первичное поле в приемнике. Если АЦП может оцифровывать сигналы в периоды включения и в периоды отключения с достаточным разрешением, чтобы поддерживать отношение сигнал-шум, изменение размера компенсационной катушки может привести к тому, что первичное поле в катушке приемника будет иметь значение, отличное от приблизительно нуля. Кроме того, размер компенсационной катушки может управлять эффектом изменения в количестве витков катушки передатчика, посредством чего изменение размера компенсационной катушки может помочь поддерживать приблизительно нулевое электромагнитное поле в течение периода включения тока передатчика.

Claims

1. Система электромагнитной геофизической съемки во временной области (TDEM) для получения измерения В-поля, включающая:
катушку передатчика, поддерживаемую рамой катушки передатчика;
компенсационную катушку, поддерживаемую рамой компенсационной катушки и расположенную в по существу концентрической и копланарной ориентации относительно катушки передатчика;
катушку приемника, расположенную в по существу концентрической и копланарной ориентации относительно компенсационной катушки;
множество радиальных тросов, которые проходят радиально наружу от центральной точки к соответствующим местам рамы катушки передатчика, рамы компенсационной катушки и рамы катушки приемника, каждая из которых соединена с радиальными тросами;
источник электрического тока, соединенный с катушкой передатчика и компенсационной катушкой для подачи на них периодического тока; и
систему сбора данных, предназначенную для приема сигнала dB/dt временной производной магнитного поля от катушки приемника и интегрирования этого сигнала dB/dt временной производной магнитного поля для получения результата измерения магнитного В-поля,
причем катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены относительно друг друга так, что в месте катушки приемника магнитное поле, созданное компенсационной катушкой, оказывает аннулирующее влияние на первичное магнитное поле, созданное катушкой передатчика.

2. Система TDEM для геофизической съемки по п. 1, отличающаяся тем, что рама компенсационной катушки имеет диаметр меньше диаметра рамы катушки передатчика и катушка приемника поддерживается рамой катушки приемника, имеющей диаметр меньше диаметра рамы компенсационной катушки.

3. Система TDEM для геофизической съемки по п. 2, включающая систему подвески, соединенную с некоторым количеством мест на периметре рамы катушки передатчика, и трос крепления подвески, прикрепленный к системе подвески для подвески рам катушек к летательному аппарату.

4. Система TDEM для геофизической съемки по п. 3, отличающаяся тем, что система подвески предназначена для поддержания катушек по существу в горизонтальной ориентации во время полета.

5. Система TDEM для геофизической съемки по любому одному из пунктов 1-4, отличающаяся тем, что каждая из катушки передатчика и компенсационной катушки имеет витки провода, по которым электрический ток от источника тока проходит по катушке передатчика в компенсационную катушку, электрически соединенную с ней, причем это электрическое соединение выполнено последовательным и имеет токи, циркулирующие в противоположных направлениях.

6. Система TDEM для геофизической съемки по п. 5, отличающаяся тем, что центр катушки передатчика и компенсационной катушки представляет магнитное поле, которое пропорционально электрическому току и количеству витков провода и обратно пропорционально габаритным размерам катушек, посредством чего формируется в сущности концентрическая система, имеющая первичное магнитное поле, которое, если оно измерено в катушке приемника, является в сущности нулевым.

7. Система TDEM для геофизической съемки по любому одному из пунктов 1-4, 6, отличающаяся тем, что источник тока подает периодический сигнал на катушку передатчика и компенсационную катушку, который имеет в каждом периоде положительный период включения и период отключения, за которыми следуют отрицательный период включения и период отключения, причем компенсационная катушка оказывает влияние на уменьшение сигнала периода включения в катушке приемника, так что отношение сигнал-шум улучшается путем усиления сигнала катушки приемника.

8. Система TDEM для геофизической съемки по любому одному из пунктов 1-4, 6, отличающаяся тем, что система сбора данных включает:
малошумящий предварительный усилитель, соединенный с катушкой приемника, для усиления сигнала dB/dt временной производной магнитного поля от катушки приемника;
НЧ-фильтр защиты от наложения спектров для фильтрации усиленного сигнала dB/dt;
АЦП для оцифровки отфильтрованного сигнала dB/dt; и
блок обработки сигнала, интегрирующий оцифрованный сигнал dB/dt для создания результата измерения В-поля.

9. Система TDEM для геофизической съемки по п. 8, отличающаяся тем, что блок обработки сигнала используется для:
интегрирования оцифрованного сигнала dB/dt по всему периоду; и
получения постоянной интегрирования в зависимости от усреднения положительных и отрицательных полупериодов сигнала dB/dt по одному или нескольким периодам для получения измерения В-поля.

10. Способ обработки сигнала для получения результата измерения В-поля, включающий:
получение сигнала катушки приемника от катушки приемника, расположенной в компенсационной катушке, которая расположена в катушке передатчика, причем каждая катушка расположена в по существу концентрической ориентации относительно других, причем катушка передатчика и компенсационная катушка поддерживаются соответствующими рамами, соединенными тросами, и причем катушка передатчика и компенсационная катушка генерируют периодические импульсы, каждый из которых имеет положительное время включения, за которым следует время отключения, за которым следует отрицательное время включения, за которым следует время отключения;
оцифровку сигнала катушки приемника;
интегрирование оцифрованного сигнала катушки приемника по меньшей мере за один полный период;
получение постоянной интегрирования путем усреднения положительных и отрицательных полупериодов сигнала катушки приемника, полученного за один или несколько периодов; и
получение результата измерения В-поля.

11. Способ обработки сигнала по п. 10, включающий направление цифрового сигнала во временные селекторы с по существу равными интервалами времени в логарифмической шкале.

12. Способ по п. 10 или 11, кроме того, включающий подвешивание катушки приемника, компенсационной катушки и катушки передатчика с летательного аппарата и полет летательного аппарата над областью съемки для получения сигнала катушки приемника.

13. Система электромагнитной геофизической съемки во временной области (TDEM) для получения измерения В-поля, включающая:
катушку передатчика, поддерживаемую рамой катушки передатчика;
компенсационную катушку, поддерживаемую рамой компенсационной катушки по существу в концентрической и копланарной ориентации относительно катушки передатчика, причем рама катушки передатчика и рама компенсационной катушки выполнены с возможностью изгибаться на своем периметре;
катушку приемника, расположенную по существу в концентрической и копланарной ориентации относительно компенсационной катушки;
множество радиальных тросов, размещенных в радиальном направлении от центральной точки до соответствующих расположений рамы катушки передатчика, рамы компенсационной катушки и рамы катушки приемника, соединенных с радиальными тросами, и источник электрического тока, соединенный с катушкой передатчика и компенсационной катушкой для подачи на них периодического тока;
причем катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены относительно друг друга так, что в месте расположения катушки приемника магнитное поле, созданное компенсационной катушкой, оказывает аннулирующее влияние на первичное магнитное поле, созданное катушкой передатчика.

14. Система TDEM для геофизической съемки по п. 13, отличающаяся тем, что включает систему сбора данных, осуществляющую прием сигнала временной производной dB/dt магнитного поля с катушки приемника и интегрирование сигнала временной производной dB/dt магнитного поля для создания результата измерения магнитного В-поля.

15. Система TDEM для геофизической съемки по п. 13 или 14, отличающаяся тем, что диаметр рамы компенсационной катушки меньше диаметра рамы катушки передатчика, а катушка приемника поддерживается рамой катушки приемника, диаметр которой меньше диаметра рамы компенсационной катушки.

16. Устройство для электромагнитных измерений, включающее:
(a) катушку передатчика, поддерживаемую рамой катушки передатчика;
(b) компенсационную катушку, поддерживаемую рамой компенсационной катушки и расположенную в сущности по центру в катушке передатчика;
(c) катушку приемника, поддерживаемую рамой катушки приемника и расположенную в сущности по центру в компенсационной катушке;
(d) систему из радиальных тросов, соединяющих катушку передатчика, компенсационную катушку и катушку приемника в их соответствующих положениях, причем рама катушки передатчика, рама компенсационной катушки и рама катушки приемника отстоят друг от друга и соединены радиальными тросами;
(e) систему внешней подвески из одного или нескольких внешних тросов, соединенных с возможностью отсоединения с рамой катушки передатчика; и
(f) один или несколько тросов крепления подвески, прикрепленных к системе внешней подвески;
причем катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены по существу концентрически относительно друг друга, когда трос крепления поднят вертикально на достаточную высоту для подвески катушки передатчика, компенсационной катушки и катушки приемника, и упомянутые катушки расположены так, чтобы осуществлять электромагнитные измерения с уменьшением влияния токов в катушке передатчика на катушку приемника, а катушка передатчика и компенсационная катушка выполнены с возможностью изгибаться на своем периметре.

17. Устройство для электромагнитных измерений по п. 16, отличающееся тем, что включает один или несколько тросов крепления подвески, предназначенных для крепления к летательному аппарату и для вертикального подъема устройства для электромагнитных измерений посредством летательного аппарата, и систему внешней подвески, соединенную с рамой катушки передатчика и поддерживающую во время полета катушку передатчика, компенсационную катушку и катушку приемника.

18. Устройство для электромагнитных измерений по п. 16, отличающееся тем, что летательным аппаратом является вертолет или другой летательный аппарат, который может удержать устройство для электромагнитных измерений во время полета.

19. Устройство для электромагнитных измерений по п. 16, отличающееся тем, что включает один или несколько тросов крепления подвески и систему внешней подвески, выполненных с возможностью расположения устройства для электромагнитных измерений во время полета по существу в горизонтальном положении с учетом силы тяги, создаваемой ветром, массы устройства и сетки внешней подвески.

20. Устройство для электромагнитных измерений по п. 16, отличающееся тем, что катушка передатчика и компенсационная катушка создают периодические импульсы, каждый из которых имеет положительное время включения, за которым следует время отключения, за которым следует отрицательное время включения, за которым следует время отключения; и тем, что устройство включает средство обработки сигнала для получения измерения В-поля, выполняющее: получение и оцифровку сигнала с катушки приемника, интегрирование оцифрованного сигнала с катушки приемника по меньшей мере за один полный период, получение постоянной интегрирования путем усреднения положительных и отрицательных полупериодов оцифрованного сигнала с катушки приемника за один или несколько периодов и получение результата измерения В-поля.