多通道瞬变电磁接收仪研发与采集研究

发布时间：2020-06-12 00:18

【摘要】：瞬变电磁法(TEM)是以电磁感应原理为基础,采用人工场源激发的时间域电磁探测方法,是以大地中岩矿石的导电性和导磁性为物性前提,通过不接地磁性源或接地电性源方式向地下发送脉冲信号,大地受激发产生瞬变电磁场,导电地质体受感应产生涡旋电流,产生二次场。TEM方法通过观测、分析二次磁场的过渡过程,进行地下地质异常体的探测。近年来,国内外对瞬变电磁法的仪器研发提出了较高的要求,为了能够更好的适应工程地球物理勘探和油气地球物理勘探的需要,新型的多分量、多参数、大深度探测的瞬变电磁仪器进入电磁探测领域,从原有的单一垂直分量测量到电场和磁场同时测量的时频电磁法(TFEM)、长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)、以及多通道瞬变电磁法(MTEM)等。其中,发射方式从以磁性源方式居多,朝大功率、大电流发射的电性源方式过渡,发射波形从双极性信号往伪随机信号过渡,为瞬变电磁法在不同深度和不同领域的应用提供了巨大的发展空间。根据时间域瞬变电磁方法的发展和对仪器功能扩展的需求,设计研发了一种多通道瞬变电磁接收系统,选用接地电性源方式发射,采用精准时钟同步和高精度GPS授时单元,设计六通道同步数据采集系统,可同步采集地面电磁五分量(Ex、Ey、Hx、Hy、Hz)和磁感应强度变化率(dB/dt)。该设计方案符合未来瞬变电磁观测系统的多分量、大深度探测和多参数解释的发展方向,可实现同步多通道、多分量张量灵活组合的测量模式。主要研究成果如下:第一,在电法勘探中电磁感应方法的理论指导下,以电路电子技术和计算机技术为支撑,通过进一步研究瞬变电磁收发系统的特点、信息的采集方法和数据的处理技术,开发设计了低噪声电源电路板、采集与存储控制板,以及通道数可灵活组合的模拟信号采集板,可以实现两通道、四通道或六通道三种组合方式的新型多通道瞬变电磁接收仪系统。按照预设的思路进行设计,该系统既可以作为电磁场信息的大地响应接收系统,也可以作为瞬变电磁发射系统的电流波形记录装置,具有灵活、多样、高效等特点。第二,在接收仪的程序设计中,采用跨时钟域同步技术,实现了高达128k采样速率的、多通道同步的数据采集及存储功能,还兼具控制器之间的信息同步传输和数据交换。研发设计过程中,使用可编程逻辑器件设计了一个28位的高精度计时器来配合GPS秒脉冲信号,使各接收采集单元与发射系统的电流波形高精度同步,实现了时间信息和采集数据共同存储;同时,为了对接收仪进行标定,设计了外置标定单元电路;此外,采用超低功耗器件设计了无线监测模块,实现了接收仪运行状态的远距离监测。第三,多通道瞬变电磁接收仪能够同步接收磁感应强度变化率,还可以同步对两个方向的电场分量及三个方向的磁场分量进行观测。因此,该方法所能提供的信息量大,空间覆盖广;随着接收仪器动态范围的扩大和采样率的提高,在相同时间内,可以记录更加丰富的有用信息。此外,该多通道瞬变电磁接收仪兼容多种发射机,如加拿大CRONE公司的Digital PEM系统,凤凰公司T-4、TXU-30发射机,以及ZONGE公司的GDP-32电法仪等;接收传感器可使用空心线圈、不极化电极、磁探头等装置。第四,在实验室完成了直流信号输入时的性能测试,及交流信号输入时的测试实验;并进行了信号精度测量及信噪比计算分析,还开展了仪器的稳定性及道间一致性测试,验证了本接收仪在高速采样率下能实现数据的同步采集与存储,且可靠性很高。在不断完善电路和改进系统程序的过程中,完成了多通道瞬变电磁接收仪的研制。为了进一步测试仪器的性能,还在空旷地区使用凤凰公司T-4发射机以接地电性源发射方式,开展仪器的功能及性能测试,完成了两条测线的同步接收与采集试验,形成了两条测线的剖面图;并将本接收仪与凤凰公司的V8系统同步采集的二次场单点数据进行了对比,两套系统生成的衰减曲线形态一致性良好。第五,为验证多通道瞬变电磁接收仪的勘探实用性,在四川省乐山市某矿区开展了仪器对比测试,通过采集横跨矿脉测线的瞬变电磁数据,提取瞬变的二次场信息,之后采用深度学习方法进行去噪,进一步提高了系统的信噪比。在时间抽道后,对应高异常的采集点与矿脉的走向趋势一致,还与对应化探数据曲线中铜元素的高异常分布位置相吻合。在开展场地测试过程中,选取了一个采集点,将本接收仪与中科院电子研究所的采集站进行电场信息的并联同步采集,两个采集系统接收的电场波形一致。综上所述,本接收仪可通过程序灵活配置为电场强度、磁感应强度变化率以及磁场强度信息的采集系统,可以实现一机发射,多机、多通道同步采集及发射电流记录于一体的观测系统。多通道主要表现为在同一偏移距上多个测点的信息同步采集和存储,采用接地电性源方式发射,接收电场及磁感应强度等信息,对同偏移距的信息处理与地震勘探数据处理方法相似,通过共偏移距剖面图来推测地下某一深度目标的地电信息,是一套集采样通道多、动态范围宽、存储容量大及同步精度高等特点于一体的接收系统,在数据去噪方面还引入了深度学习方法。该仪器的设计研究对于开展深部矿体的精细探测具有重要实践意义,能大幅度的提高勘探效率,同时降低生产成本。
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12图 1-1 技术路线图3 接收仪的指标对比如前所述，国内电磁仪器在研发方面存在巨大的发仪器的研究也从未停歇，各大高校、科研院所及企中，期望凭借不懈努力，将理论方法更先进、实用中来。由于物探仪器所涉及到方法种类较多，采用的元器质量良莠不齐及其它方面的因素，导致国内的仪器在掌握国内外瞬变电磁方法理论的基础上，将可用内外知名的仪器公司生产的仪器进行一个指标对比充。

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图 2-1 瞬变场激发示意图行瞬变电磁法观测时，仅在一次场关断后，采集感应出的二次磁不做观测和处理。根据测量所得到的数据，从理论上讲，仅处理存在一次场源的干扰，这称为瞬变电磁时间上的可分性；其次论得知，常用的方波脉冲可以视为由基频与其他多次谐波频率不同则对应频率的电磁波的波长则不同，那么不同延时观测到率成份也不同，相应地质体中场的传播速度也不同，因此勘探亭亭等，2013），称为空间上的可分性。电磁法就是基于时间和空间的这两个可分性进行勘测。在采集信号（高频）反映地质浅层情况，中晚期信号（低频）反映较深究大地瞬变电磁场随着时间变化的规律，即可探测大地电位在，这就是瞬变电磁的测深原理。变电磁场的激发方式
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P631.325

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