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高性能瞬变电磁仪的研制及应用


第 24 卷第 1 期 2000 年 2 月

物        探 与 化 探
GEOPH YSICAL & GEOCHEMICAL EXPLORA TION

Vol. 24 ,No. 1 Feb. ,2000

高性能瞬变电磁仪的研制及应用
李实   李创社   张鹏飞   包松清  

宋建平
( 西安交通大学 ,西安   710049)
摘    要 瞬变电磁勘探法是目前在地球物理勘探领域里新兴的 1 种很有前途的测量方法 ,它简单 实用 ,能测量从浅地表到深层的地质结构 。本文介绍了利用工控机组成高性能瞬变电磁仪的方 法 ,并就其应用作了简要介绍 。 关键词   瞬变电磁法 ; 瞬变电磁仪 ; 工控机 ; 信号检测 图书分类  P631. 3 + 3
1 利用瞬变电磁信号进行地球物理探测〔 ~3〕,早在 30 年代就由前苏联科学家提出 ,50 年代

开始应用于矿藏勘探 ,在钻井 、 航空和海洋等领域取得了一些成果 。我国在 70 年代初开始着 手研究瞬变电磁仪系统 ,相继研制出多种瞬变电磁仪器 ,其应用领域不断扩大 ,近年已经在矿 藏、 油气田勘探中得到了广泛应用 ,现正步入工程 、 地下水及地热勘察行列 。与地球物理勘探 中的其他方法相比 ,瞬变电磁勘探法简单易行 ,信息丰富 ,精度较高 ,而且投资小 、 见效快 、 应用 广 。从原理上讲 ,它不仅能够测量浅地表 ( 数米) 的地质结构 ,而且能够测量深层 ( 数百米以下) 地质构造 。由于瞬变电磁勘探法通常是利用不接地线圈 ( 回线) 向地下发射阶跃波 ( 一次电磁 场) ,然后测量由地下介质产生的感应电磁场 ( 二次场) 的时变规律 ,从而得到地质结构及其分 布信息 ,因此要求瞬变电磁仪具有很快的时间响应 , 才能够检测出从浅地表到深层的地质信 号 。但是 ,目前国产的瞬变电磁仪多采用单片机系列 ,虽然价格便宜 ,但存在很多不足 ,如速度 慢 ,影响信号采集的速度和精度 ; 存储量小 ,无法进行长时间大范围的工作 ; 界面差 ,不利于学 习掌握和推广 ; 时间响应慢 ,早期信号检测有一定的难度 。为此 ,研制了高性能瞬变电磁仪 。

1  瞬变电磁仪的设计原则
瞬变电磁仪设计应遵循下列原则 。
1. 瞬变电磁仪系统是供野外使用的 ,要求体积小 、 重量轻 、 功耗低 、 存储量大 、 耐高温 、 耐低

温和防水 、 防磁等 。
2. 瞬变电磁信号的特点是动态范围大 ,早期信号衰减速度很快 , 晚期信号很弱 , 所以仪器

应具有分辨率高 、 抗干扰能力强 、 采样速度快和动态范围大等特点 。
3. 瞬变电磁检测方法有同点 、 偶极和大定源回线等 3 种观测方式 ,因此仪器的观测方式也

应可供相应选择 。 鉴于以上原则 ,采用如下设计 。
1. 使用自备蓄电池的便携式工控机 , 主频在 200 M Hz 以上 , 内存 32 MB , 硬盘 3. 2 GB 。

这样 ,不仅信号采集的速度和精度大大提高 , 而且可以装配先进的计算机软件和大型计算程
1999 年 5 月 24 日收稿 。

1期

李实等 : 高性能瞬变电磁仪的研制及应用

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序 ,便于数据管理和实时计算分析 ,避免了以往信号采集速度慢 、 误差大 、 采样点少和盲目采集 等缺点 。 2. 由于信号动态范围大 ,晚期信号弱 ,所以采用了多级放大和可编程放大 。为消除共模干 扰 ,采用高性能的差分对管功率放大器 。 3. 由于外界存在较强的 50 Hz 工频干扰 ,所以采用自适应滤波法 , 选择 1 路参考通道 , 从 中取出参考信号 50 Hz 工频及其谐波 ,它们与信号中的 50 Hz 工频及其谐波相对应 ,然后两者 叠加相减 ,消除 50 Hz 工频干扰 。 4. 由于早期信号衰减快 ,采样间隔应尽可能小 , 以增加采样点数 , 所以在软件编程时应用 了早期信号软件编程采样检测法原理 ,大大提高了采样精度 。

2  硬件设计和软件编程
4 2. 1   硬件设计〔 〕

瞬变电磁仪的硬件系统由工控机 、 发射电路和接收电路组成 ( 图 1) 。

图1  瞬变电磁仪结构框图

工作时 ,由工控机输出具有一定形状的发射信号 , 经前 置放大 、 光电隔离 、 整形和功率放大后加到发射线圈向地下 发射一次场 , 由地下介质的涡流效应产生二次场向地面传 播 ,通过接收线圈检测二次场信号 ,再经前置放大 、 程控放大 后进行 A/ D 采样 ,最后通过并行接口传输到工控机上进行数 据存储和处理 。 一般发射部分的发射电流和发射电压都很大 , 所以必须 进行光电隔离 ,以免误操作损害主机 。瞬变电磁仪对发射波 形的上升沿 、 下降沿和方波间距要求很高 , 故所选元器件必 须响应速度快 , 畸变小 , 并配以相应电路调整 。为产生大功 率双极性方波 ,采用由 MOS 场效应管构成的全桥开关电路 。 在接收部分 , 为了提高瞬变电磁仪数据采集的精度和速率 , 减小系统噪声 , 必须考虑两方面的阻抗匹配 , 即信号源阻抗 与前置放大器源阻抗的匹配和放大器输入电阻抗使接收线 圈处于临界阻尼状态的匹配 。在设计中 ,探测线圈与可编程 放大器之间加上了差动前置放大器 , 以改善系统的噪声性 能 。为了满足瞬变电磁信号动态范围的要求 ,在前置放大后 接可编程放大器 , 和模拟开关相配合 , 用增益 “驱动” “感 和

图2  系统软件框图

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物  探       与 化 探

23 卷

受” 脚使多工器的闭合电阻从电流通路中移去 ,从而使闭合电路误差转换成小的零失调误差 , 这对弱信号测量大有益处 。 2. 2   软件编程 瞬变电磁仪系统软件程序分若干部分 , 每部分采用模块化和子程序化设计 , 启动该软件 后 ,首先对硬件电路初始化进行系统自检 ,然后选择工作方式 。工作方式主要包括发射方波频 率、 延时常数 、 每次采样道数 、 采样重复次数和数据存储地址等 。每发射 1 个方波后 ,经一定延 时 ,启动 A/ D 转换 。把 A/ D 转换的数据传输到工控机 , 存入指定地址 。重复以上操作 , 直到 设定的采样次数为止 。程序整体流程见图 2 。
2. 2. 1   早期信号软件编程采样检测法〔5〕 在瞬变电磁法中 ,早期信号衰减很快 ,为了获得尽可能多的早期信号 ,采样间隔应尽可能

小 ,以增加采样点数 。随着衰减速率的减小 ,可适当增加采样间隔 ,减少采样点数 。但是最小 的采样间隔由采样系统本身固有的延迟时间决定 ,这样往往使得采样间隔不能很小 ,因而可能 丢失一部分早期信号反映的地质信息 。为此提出了 1 种方法 : 用非实时采样结合软件编程检 测早期信号 ,而中晚期信号仍用实时采样〔6〕。 为了对早期信号进行非实时采样 ,要求发射信号具有一定周期性 ,而且周期应远大于地质 体的时间常数 ,以保证每个周期中的二次场衰减过程完成 。假设早期信号的采样点数为 N , 每个周期取 1 个点 ,那么发射波形应具有 N + 1 个周期 ,最后 1 个周期用来对中晚期信号实时 采样 。 早期采样时 ,采样时刻与采样间隔应满足 t k = ( k - 1 ) T + kΔ t 。其中 , k = 1 ,2 , …, N ; T 为发射周期 ;Δ t 为时间延迟增量 ,取常数 。 当瞬变电磁仪一致性很好时 ,每个周期中产生的二次衰变场规律相同 ,因此 ,探测线圈测 得的信号也相同 。每个周期中采样 1 点 ,经过 N 个周期就对早期信号采样了 N 点 ,从而获得 更多的早期地质信息 。 对于中后期信号应用实时采样法 ,这时只要令采样时刻为 t N + l = N T + lΔ T ,其中 l = 1 , 2 , …, M ;Δ T 为等时间间隔 。这样就由 N + M 个取样点组成了二次场信号的衰变曲线 ,反映 了二次场信号的整个衰变过程 。但是在这个曲线中 ,早期信号是非实时采样得到的 ,相对于单 周期发射信号而言 ,其时间轴扩展了 N 倍 。为了得到二次场信号的实时衰变曲线 , 应将时间 轴再压缩 N 倍 T k = kΔ t ;     T N + l = lΔ T 因此 ,只要以 T k , T N + l 作为采样时刻 ,以 V k 和 V N + l 作为采样值 ,就获得与单周期发射电流脉 冲等效的二次场信号 ,但大大增加了早期二次场信号的信息量 。上述采样过程可通过软件编 程方法实现 ,程序流程见图 3 。 4 2. 2. 2 自适应滤波法〔 〕 瞬变电磁信号检测中 ,50 Hz 工频干扰十分严重 。用自适应滤波法能够很好地消除它 。 要实现自适应滤波 ,首先必须选择一路参考通道 ,从中取出参考信号 50 Hz 工频及其谐波 ,与 信号中的 50 Hz 工频及其谐波相对应 ,而与信号中的 50 Hz 频率分量无关 。将参考信号和受 干扰的信号叠加相减 ,可消除 50 Hz 工频干扰 ( 图 4) 。

3  测试结果
用上述高性能瞬变电磁仪和以前研制的用单片机控制的瞬变电磁仪进行测试比较 ,结果

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李实等 : 高性能瞬变电磁仪的研制及应用

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图3  软件编程采样程序框图

图4  自适应滤波原理框图

图5  测试结果示意

见图 5 。其中图 5a 为单片机控制的瞬变电磁仪所测的二次场信号衰减曲线 , 图 5b 为工控机 瞬变电磁仪所测的二次场信号衰减曲线 。可见图 5b 比图 5a 采样点密 , 有规律 , 且一致性好 , 利于后期数据处理 。另外 ,工控机瞬变电磁仪采用了自适应滤波和实际放大倍数的编程 ,有效 地避免了 50 Hz 工频干扰以及因可编程放大器的理论值与实际值的偏差而造成的曲线阶跃 。 参      考 文 献
1  牛之琏 . 时间域电磁法原理 . 长沙 : 中南工业大学出版社 ,1992 2  方文藻 . 瞬变电磁测深法原理 . 西安 : 西北工业大学出版社 ,1993 3  朴化荣 . 电磁测深法原理 . 北京 : 地质出版社 ,1990

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4  曹建章 . 三维瞬变电磁场的数值计算及瞬变电磁仪的研制 : [ 博士论文 ] . 西安 : 西安交通大学 ,1998 5  李创社 ,李实 . 瞬变电磁勘探中早期信号的检测方法研究 . 煤田与地质勘探 ,1999 ,152 (2) :58 6  刘文生 . 取样技术原理与应用 . 北京 : 科学出版社 ,1981

Abstract   The transient electromagnetic exploration met hod is a new promising measurement technique in t he present geophysical exploration field. Being simple and practical ,t his technique can be used to measure t he geological structure from t he surface to strata. The present paper recounts t he utilization of industrial computer to compose t he high2performance transient electromagnetometer and describes in brief t he application of t his instrument .

Key words    transient electromagnetic techniqsue ; transient electromagnetometer ; industrial computer ; signal

detection

第一作者简介   李实 ,男 ,34 岁 ,现为西安交通大学微波工程与光通讯专业在读博士生 。

多年来 ,国内外有关学者提出了多种反演居里面深度的方法 ,但都不同程度地存在着局限 性 。利用Δ T 异常反演居里面深度的一种新方法是中国地震局和青岛海洋大学的专家经研究 于近期提出的 。该方法分为 2 个步骤 :1. 用多次插值切割法从总磁异常中分离出由居里面起 伏引起的Δ T 异常 ;2. 用二维单一磁性界面深度的非线性反演的样条函数法对由居里面起伏 引起的Δ T 异常进行反演得到居里面深度 。对较复杂的模型和南海沿 10° 纬线剖面居里面 N 深度的反演均取得了较好的结果 。指出南海居里面深度比莫霍面深度浅一些 ,二者的起伏形 态有一定的一致性 ; 海盆区的居里面深度最浅 ; 陆坡区和岛坡区的居里面较陡 ; 大陆和陆架区 及岛弧和岛架区的居里面较平坦且最深 。 引自 《物化探科技消息》 1999 年第 6 期

3 科技消息 3

THE D EVELOPMENT OF HIGH PERFORMANCE TRANSIENT 2 EL ECTROMAGNETOMETER
Li shi ,Li Chuangshe ,Zhang Pengfei ,Bao Songqing ,Song J ianping
( Xian Com m unications U niversity , Xian   710049)

利用Δ T 异常反演居里面深度的一种新方法


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