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            瞬變電磁法弱信號檢測技術(shù)研究

            作者: 時間:2017-03-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            1 瞬變電磁法原理

            瞬變電磁法( Transient Electromagnetic Method簡稱TEM)是探測地下介質(zhì)電性參數(shù)等信息的重要方法之一,在礦產(chǎn)勘探、地下水探測、工程監(jiān)測和土壤鹽堿化調(diào)查等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它以向接地導(dǎo)線或不接地回路發(fā)射雙極性矩形脈沖電流做為激勵場源(稱為一次場) ,當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時,在地下導(dǎo)電性的介質(zhì)或地質(zhì)體中感生渦流形成瞬變二次磁場。在一次場間隙時間內(nèi)測量二次場隨時間衰減響應(yīng),即TEM二次場感應(yīng)信號,通過選擇不同的時間窗口進行觀測,獲得不同勘探深度地質(zhì)體的電性參數(shù).

            在TEM方法中,一種稱為中心回線的組合方式應(yīng)用較廣,即在發(fā)射回線的中心點,用可視為偶極的小型線圈Rx接收(即中心回線裝置,見圖1a)。當(dāng)發(fā)射回線Tx中的電流由I突然階躍下降為零時,在其周圍產(chǎn)生急劇的磁場,必然在周圍介質(zhì)中激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流,納比吉安( Dabighian, 1979)所建立的“煙圈”理論指出,與發(fā)射電流同向的環(huán)形感應(yīng)電流環(huán),其極大值隨著時間向下向外以速度ν(t)擴散,形象地比喻象發(fā)射回線吹出的“煙圈”。在地表引起的瞬變磁場響應(yīng)鏡像等效于該時刻地下某一深度電流環(huán)。設(shè)均勻半空間的電阻率為ρ,得到電流環(huán)向下傳播的速度

            在晚延時段,發(fā)射回線中心點瞬變電磁場垂直分量Hz(t)及感應(yīng)電動勢近似表達(dá)式

            式中I為發(fā)射電流, μ0= 4P×10- 7 H/ m(空氣中導(dǎo)磁率) , b為發(fā)射回線邊長, AR為接收線圈有效面積。當(dāng)I、b、A R為常數(shù),若能高精度地檢測瞬變電磁場或感應(yīng)電動勢E( t) ,即TEM信號,就能計算出不同勘探深度電阻率,由此可推斷出某些地下地質(zhì)信息。早延時段的E( t)信號反映淺層電阻率,晚延時段反映深部電阻率信息[ 2].2 TEM弱信號檢測TEM法屬于時間域電磁法,要測量的是隨時間衰減的二次場瞬變信號。TEM信號頻帶為0~n×103 Hz,動態(tài)范圍大于130 dB,晚延時幅度處于nV量級,遠(yuǎn)小于外部噪聲。因此, TEM信號檢測器不僅要動態(tài)范圍大、頻帶寬,而且要有高信噪比,能夠在較強、較復(fù)雜的干擾及噪聲背景下提取微弱的TEM信號,從而精確地觀測出整個瞬變過程。特別是晚延時( TEM響應(yīng)尾部)信號,富含低頻成分,直接與深部探測目標(biāo)的電性參數(shù)有關(guān),能從干擾、噪聲中提取晚延時弱信號,是提高儀器探測深度的關(guān)鍵。

            2.1野外電磁噪聲分析

            在TEM信號檢測中,采用低噪聲電子器件和必要低噪聲設(shè)計技術(shù),儀器本身的噪聲已遠(yuǎn)低于外部電磁噪聲。如圖2所示,自行研制儀器短路噪聲有效值為0.875μV,而外部噪聲達(dá)到2.8 mV.表1歸納了外部噪聲的類型、特征及對信號檢測的影響。

            2.2 TEM信號檢測方法與同步采集系統(tǒng)

            對于一個給定量進行重復(fù)測量并取其平均值借以提高精度的原理可能與試驗科學(xué)本身具有同樣悠久的歷史。但是,只有電子儀器有了相當(dāng)大的進展后,才能把這種簡單的方法直接用于物理學(xué)和化學(xué)的信號探測器中.

            在TEM信號檢測中,采用方波電流激勵,將階躍激勵下的非周期信號檢測問題轉(zhuǎn)化成多次重復(fù)負(fù)階躍激勵下的周期信號檢測;必須引起注意的是方波的上升沿(前沿)同樣激發(fā)瞬變響應(yīng),因此設(shè)計激勵電流波形占空比為1∶1.TEM信號的頻率范圍為0~n×103Hz,必須保留直流成份,故在整個放大電路中,不允許加隔直電容,否則前級的失調(diào)及溫度漂移到輸出級后會被放大。TEM信號檢測是采用雙極性同步取樣積分(疊加)技術(shù),通過硬件換向開關(guān)或軟件相減來消除系統(tǒng)直流分量的。

            模擬電子取樣積分器是獲取某個時間窗口弱信號檢測的經(jīng)典技術(shù),采用多個模擬電子取樣積分器,嚴(yán)格控制其取樣順序,可實現(xiàn)多個時間窗口信號的高精度檢測。然而,這種模擬式同步取樣積分檢測方法具有信號道數(shù)較少(受到積分器個數(shù)限制) ,時間窗口固定,對積分電路精度和一致性要求刻苛等缺點,特別是對TEM早期衰減信號分辨率低.采用高速高精度A/ D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器,實現(xiàn)同步采集與數(shù)字迭加軟件積分是新型TEM儀器的主要技術(shù)。充分運用數(shù)字信號處理技術(shù),實現(xiàn)線性和非線性處理算法相結(jié)合、現(xiàn)場實時處理和非實時處理相結(jié)合,簡化了儀器硬件,可根據(jù)需要由軟件靈活設(shè)置TEM信號采集長度及時間窗口。


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