井下動(dòng)態(tài)成像瞬變電磁儀的設(shè)計(jì)

覃海明

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

煤礦防治水工作與瓦斯防治、粉塵治理同樣重要，都是煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。煤礦安全生產(chǎn)迫切需要預(yù)先探明老窯水、奧灰水、頂板水等礦井水文地質(zhì)條件[1-3]，不同礦區(qū)，煤系地層地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，富水特性存在地域差別；煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中，遭遇未探明的礦井富水區(qū)、采空區(qū)積水等復(fù)雜地質(zhì)情況，將會(huì)造成嚴(yán)重的突水事故，造成巨大損失。

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁探測(cè)方法，以介質(zhì)的電、磁特性差異為基礎(chǔ)，以電磁感應(yīng)原理為理論依據(jù)。瞬變電磁儀發(fā)射裝置首先向探測(cè)區(qū)域發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)間歇期間，瞬變電磁儀接收裝置接收探測(cè)區(qū)域前方異常地質(zhì)體感應(yīng)產(chǎn)生的二次場(chǎng)信號(hào)[4-5]；根據(jù)二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特征及電阻率差別，對(duì)低阻異常地質(zhì)體的走向長(zhǎng)度、距離、范圍等進(jìn)行分析判斷[6-8]。

目前，地面大區(qū)域瞬變電磁探測(cè)，主要采用的設(shè)備有加拿大Phoenix 公司生產(chǎn)的V8 多功能電法測(cè)量系統(tǒng)、加拿大Geonics 公司研制的PROTEM 系列瞬變電磁儀、澳大利亞Monex Geosope 研發(fā)制造的terraTEM。這些國(guó)外的瞬變電磁儀，其發(fā)射功率大，接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬，支持多通道配置，各通道相互獨(dú)立，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；通過(guò)自動(dòng)增益功能，24位分辨率可擴(kuò)展到32 位，采樣率高達(dá)625 kHz，全時(shí)段數(shù)據(jù)記錄。國(guó)內(nèi)主要從事煤礦井下瞬變電磁的研究機(jī)構(gòu)有中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司（YCS1024（A））、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司（YCS2000）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、安徽惠州地質(zhì)安全研究院股份有限公司（YCS360A）、武漢地大華睿（YCS200（A））等。孟慶鑫（2013）應(yīng)用時(shí)域有限差分方法并選取磁偶極子源作為初始條件和不同階吸收邊界條件，對(duì)包含低阻異常體的均勻全空間中磁偶源產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，獲得了井中磁源瞬變電磁場(chǎng)的傳播以及井旁三維低阻異常體的響應(yīng)情況；程久龍等（2013）在瞬變電磁波場(chǎng)變換理論的基礎(chǔ)上，提出了全空間波場(chǎng)變換數(shù)據(jù)處理及成像方法，實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁低阻異常電性界面的精細(xì)探測(cè)。井下瞬變電磁經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，在井下隱蔽水害探測(cè)方面取得了一定的成績(jī)，但受限于井下狹小空間，以及煤安規(guī)程對(duì)儀器電流等限制，井下瞬變電磁大多采用的是重疊回線(xiàn)小線(xiàn)圈開(kāi)展探測(cè)工作，這種方法存在電流小、關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境干擾等影響較大等不足。

目前，井下瞬變電磁儀大都存在早期信號(hào)受到一次場(chǎng)影響的問(wèn)題，由于發(fā)射線(xiàn)圈的感性負(fù)載，發(fā)射電流緩慢關(guān)閉，嚴(yán)重干擾二次場(chǎng)早期的信號(hào)。為解決一次場(chǎng)不能迅速關(guān)斷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型礦用本安型動(dòng)態(tài)成像瞬變電磁儀，發(fā)射機(jī)采用快速關(guān)斷電路，利用場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部寄生二極管構(gòu)成快速放電回路，采用8.4 V 鋰電池供電，最大4.2 A 發(fā)射電流，滿(mǎn)足本安要求；接收機(jī)采用雙通道AD 采樣，第1 通道放大倍數(shù)設(shè)置為0.5，用于早期高幅值信號(hào)接收，第2 通道將放大倍數(shù)設(shè)置為128，將晚期微弱信號(hào)放大后接收。新型瞬變電磁儀：削弱了一次場(chǎng)關(guān)斷期間對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)干擾，減少探測(cè)盲區(qū)；采用雙通道采樣，使動(dòng)態(tài)范圍提高到了160 db 以上，早期和晚期信號(hào)分辨率得到有效提高；采用嵌入式工控機(jī)作為上位機(jī)，能快速完成處理數(shù)據(jù)，解釋成果實(shí)現(xiàn)了二維動(dòng)態(tài)成像，在井下便可對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 瞬變電磁儀組成

根據(jù)工作原理，瞬變電磁儀主要由發(fā)射機(jī)與接收機(jī)2 大關(guān)鍵部分組成。發(fā)射機(jī)主要功能是通過(guò)時(shí)序電路，控制H 橋發(fā)送脈沖電流，在探測(cè)區(qū)域產(chǎn)生一次電磁場(chǎng)[9]；接收機(jī)主要功能是通過(guò)接收線(xiàn)圈，采集探測(cè)區(qū)域地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次場(chǎng)。瞬變電磁儀結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 瞬變電磁儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of TEM instrument

發(fā)射機(jī)主要包括礦用鋰電池、H 橋形場(chǎng)效應(yīng)管、電流傳感器等；接收機(jī)主要包括接收線(xiàn)圈、程控放大器PGA、24 位AD、MCU 等；Linux 嵌入式工控機(jī)作為主控器，控制發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分時(shí)協(xié)調(diào)工作，通過(guò)工控機(jī)人機(jī)接口，設(shè)置采樣時(shí)窗、采樣次數(shù)、采樣點(diǎn)號(hào)、采樣線(xiàn)號(hào)等參數(shù)后，工控機(jī)將參數(shù)通過(guò)RJ45 發(fā)送至STM32 微處理器；微處理器調(diào)用內(nèi)部定時(shí)中斷，通過(guò)GPIO 控制大功率H 橋，向發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送正負(fù)電流脈沖，在發(fā)送電流關(guān)斷瞬間，微處理器啟動(dòng)雙通道PGA 放大電路及雙AD，完成二次場(chǎng)信號(hào)采樣，微處理器對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口返回至嵌入式工控機(jī)。嵌入式工控機(jī)采用Linux操作系統(tǒng)，指令精簡(jiǎn)、時(shí)效高、運(yùn)算處理速度快，可對(duì)采集的二次場(chǎng)原始信號(hào)進(jìn)行快速分析、計(jì)算、處理后，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示視電阻率、衰減曲線(xiàn)等[10]。

2 快速關(guān)斷型發(fā)射機(jī)

瞬變電磁儀發(fā)射機(jī)，主要功能是在發(fā)送線(xiàn)圈中產(chǎn)生雙極性脈沖電流，向地下介質(zhì)產(chǎn)生激勵(lì)一次場(chǎng)。發(fā)射機(jī)發(fā)送電流越大，激發(fā)的一次場(chǎng)能量越大，探測(cè)深度越大，對(duì)異常含水體分辨率越好。瞬變電磁儀發(fā)射機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)在發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間決定了接收機(jī)檢測(cè)二次磁場(chǎng)的啟動(dòng)采樣時(shí)刻。關(guān)斷時(shí)間越小，二次場(chǎng)的早期信號(hào)越早被接收機(jī)檢測(cè)，淺層地質(zhì)勘探效果更準(zhǔn)確[11]。為縮短關(guān)斷時(shí)間，減少淺層探測(cè)盲區(qū)，設(shè)計(jì)了快速關(guān)斷型新型發(fā)射機(jī)，快速關(guān)斷型發(fā)射電路如圖2，電流關(guān)閉等效圖如圖3。

圖2 快速關(guān)斷型發(fā)射電路Fig.2 Fast turn off transmitting circuit

圖3 電流關(guān)閉等效圖Fig.3 Equivalent diagram of current closing

STM32 微處理器通過(guò)控制2 片IR2110S 來(lái)完成H 橋驅(qū)動(dòng)。H 橋使用的開(kāi)關(guān)管為IRF3710 型MOSFET。IRF3710 為N 溝道大功率場(chǎng)效應(yīng)管，導(dǎo)通電阻低至23 mΩ，導(dǎo)通電流達(dá)57 A。與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)最大區(qū)別，在于該發(fā)射機(jī)H 橋式驅(qū)動(dòng)部分，采用6個(gè)IRF3710 構(gòu)成，其中Q2、Q3在發(fā)射期間將R1、R2短路[12]。

發(fā)射機(jī)工作過(guò)程為：①正向?qū)〞r(shí)，電流方向?yàn)閂CC→Q1→Q2→R→L→Q3→Q6→GND；②反向?qū)〞r(shí)，電流方向?yàn)閂CC→Q4→Q3→L→R→Q2→Q5→GND。正向電流關(guān)閉后，天線(xiàn)內(nèi)的等效電感作為儲(chǔ)能元件，會(huì)通過(guò)放電回路進(jìn)行放電[13]。為防止場(chǎng)效應(yīng)管過(guò)壓損壞，漏級(jí)與源級(jí)之間專(zhuān)門(mén)增加1 個(gè)寄生二極管。在一次場(chǎng)關(guān)閉間歇期間，發(fā)射線(xiàn)圈的等效電感L、等效電阻R、寄生二級(jí)管Q4、Q5構(gòu)成1 個(gè)快速放電通道[11-13]。放電回路放電電流方向?yàn)長(zhǎng)→R2→Q4→Q5→Q2→R→L。根據(jù)電感放電特性分析，電感放電時(shí)間τ=L/R，τ 為放電時(shí)間，R 為發(fā)射線(xiàn)圈等效電阻總和，L 為發(fā)射線(xiàn)圈等效電感。20 匝1.5 m 邊長(zhǎng)的發(fā)射線(xiàn)圈，實(shí)際電阻值為0.48 Ω，電感量為1.6 mH，R2=50 Ω/5 W。相對(duì)常規(guī)H 橋式電路，新型快速關(guān)斷電路，可以有效減少發(fā)射線(xiàn)圈自身的電感效應(yīng)，大幅削減關(guān)斷時(shí)間[14]。實(shí)測(cè)20 匝邊長(zhǎng)1.5 m 的發(fā)射線(xiàn)圈，等效電感1.6 mH，采用普通發(fā)射機(jī)，發(fā)射電流4.2 A時(shí)，實(shí)測(cè)關(guān)斷時(shí)間達(dá)到了370 μs；采用新型的快速關(guān)斷電路，關(guān)斷時(shí)間減少到20 μs。

3 接收機(jī)

瞬變電磁接收機(jī)，主要功能是通過(guò)接收天線(xiàn)，接收地下介質(zhì)感應(yīng)的二次場(chǎng)信號(hào)。瞬變電磁二次場(chǎng)前期信號(hào)幅值大，但衰減速度快，晚期信號(hào)是幅值小，但衰減速度慢。因此，瞬變電磁接收機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)在其接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍越大，接收到的信號(hào)完整度越好[15-17]。瞬變電磁接收機(jī)，需綜合硬件電路及數(shù)據(jù)處理二部分功能實(shí)現(xiàn)。硬件電路包含信號(hào)調(diào)理電路、模擬-數(shù)字隔離電路、AD 采樣等。在完成二次場(chǎng)原始信號(hào)采集后，接收機(jī)還需要完成對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加去噪聲、數(shù)據(jù)拼接、均值計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)處理[17]。

3.1 接收機(jī)電路

接收機(jī)信號(hào)調(diào)理電路圖如圖4，接收機(jī)雙AD 采樣電路圖如圖5。

圖4 接收機(jī)信號(hào)調(diào)理電路圖Fig.4 Signal processing circuit diagram of receiver

圖5 接收機(jī)雙AD 采樣電路圖Fig.5 Dual AD circuit diagram of receiver

為提高瞬變電磁探測(cè)效果，必須實(shí)現(xiàn)寬幅動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)接收[18]，因此新型瞬變電磁儀接收機(jī)采用雙通道采樣。雙通道采樣，其前端信號(hào)處理電路除放大倍數(shù)外有差異外，2 個(gè)通道其它電路硬件完全一致。為了增加采集信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，第1 通道用于處理前期信號(hào)，增益設(shè)置為0.5；第2 通道主要用于接收晚期微弱信號(hào)，增益設(shè)置為128。圖4 中，運(yùn)算放大器采用程序控制運(yùn)放（PGA）ADA4245，PGA 可通過(guò)軟件設(shè)置放大倍數(shù)。ADA4245 該放大器的輸入輸出均為差分信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。此外，該放大器在噪聲、溫漂等方面具有極優(yōu)異的性能，滿(mǎn)足瞬變電磁信號(hào)接收要求[17]。

圖5 中AD 芯片采用LTC2380-24，該芯片最高采樣率可達(dá)1.25 MHz，具有24 位分辨率。在參考電壓為+5 V 的情況下，采用差分輸入的方式，可采集±5 V 的信號(hào)。LTC2380-24 芯片采用SPI 接口，通過(guò)磁隔離芯片與MCU 的SPI 連接。磁隔離芯片采用ADUM163，它可以將信號(hào)數(shù)字部分與模擬部分進(jìn)行信號(hào)隔離，避免信號(hào)噪聲影響后期數(shù)據(jù)采樣。雙AD工作時(shí)，2 路AD 受同一個(gè)啟動(dòng)時(shí)鐘控制開(kāi)始采樣，采樣結(jié)束后，MCU 利用片選信號(hào)分別讀取2 路AD芯片的數(shù)字信號(hào)。瞬變電磁二次場(chǎng)最大電壓幅值可達(dá)30 V 以上，因此信號(hào)輸入端需要設(shè)置保護(hù)單元電路。信號(hào)輸入端接入雙向TVS 管，將輸入信號(hào)鉗位，保護(hù)后端AD 及運(yùn)算放大器。選定TVS 管為P6SMB10CA，將輸入信號(hào)鉗位在±10 V 范圍內(nèi)。

3.2 接收機(jī)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)瞬變電磁數(shù)據(jù)的特征，通過(guò)數(shù)據(jù)疊加可以對(duì)噪聲進(jìn)行壓制[19-20]。雙通道高速24 位AD 采樣的數(shù)據(jù)量大，以128 次采集，100 ms 采樣周期為例，1個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)總量達(dá)到76.8 K。STM32 內(nèi)部資源有限，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不足以支撐全部采集完成后再進(jìn)行計(jì)算。為此，采用遞推式平均算法，每次采集完成后，利用加權(quán)的方式對(duì)上次采集結(jié)果進(jìn)行加權(quán)。遞推式瞬變電磁數(shù)據(jù)疊加、拼接等處理示意圖如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)疊加示意圖Fig.6 Schematic diagram of data superposition

圖6 中，周期性方波為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。高電平階段，發(fā)射機(jī)停止而接收機(jī)處于數(shù)據(jù)采樣工作狀態(tài)，對(duì)二次場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；低電平階段，發(fā)射機(jī)處于電流發(fā)射狀態(tài)，接收機(jī)停止采樣，但對(duì)前期采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，疊加去噪。最后一次采集完成后，所有數(shù)據(jù)同時(shí)也完成疊加處理，然后2 通道數(shù)據(jù)極性拼接，并立刻傳輸至上位機(jī)。在經(jīng)過(guò)64次疊加后，整體噪聲降低至50 μV 以下；經(jīng)過(guò)1 024次疊加后，噪聲降低至1 μV 左右。由此可以驗(yàn)證，通過(guò)數(shù)據(jù)疊加算法，可以有效壓制噪聲，通過(guò)提高信噪比從而增加瞬變電磁接收的有效信息[19]。

新型瞬變電磁儀器，采用雙通道AD 采樣，最后一次數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)2 個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，合二為一。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)采集的信號(hào)在1 mV 左右時(shí)，信噪比已經(jīng)偏低，因此以1 mV 為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)局部擬合法進(jìn)行拼接。以第1 通道（放大0.5 倍）還原后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在其數(shù)據(jù)低于1 mV 時(shí)，其后面數(shù)據(jù)由第2 通道（放大128 倍）還原后的數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋，將2 個(gè)通數(shù)據(jù)最后拼接為1 個(gè)完整數(shù)據(jù)。雙AD 采樣，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接的，能有效擴(kuò)大瞬變電磁儀采樣的動(dòng)態(tài)范圍。

瞬變電磁數(shù)據(jù)處理時(shí)要通過(guò)軟件繪制測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的衰減曲線(xiàn)、剖面曲線(xiàn)、視電阻率斷面圖等。由于瞬變電磁二次場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，每個(gè)測(cè)點(diǎn)近似指數(shù)形式衰減，早期信號(hào)幅值高且衰減速度快，晚期信號(hào)弱且衰減速度很慢[16]。如果對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行均勻密集采樣，數(shù)據(jù)量較大。為了提高動(dòng)態(tài)成像的速度，需要對(duì)瞬變電磁接收的數(shù)據(jù)，做簡(jiǎn)化處理[17]。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行抽道處理后，既可以提高上位機(jī)的處理速度，又可以準(zhǔn)確地的反映出探測(cè)結(jié)果。因此，采用抽道算法處理后，Linux 系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)成像。新型動(dòng)態(tài)瞬變電磁儀型號(hào)為YCS8.2（DT），獲得煤礦安標(biāo)認(rèn)證，在測(cè)試過(guò)程中，采樣后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新并可動(dòng)態(tài)二維成像，快速顯示當(dāng)前探測(cè)區(qū)域的含水異常區(qū)的方位、大小等信息。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證YCS8.2（DT）礦用本安型瞬變電磁儀的探測(cè)精度及性能，在晉煤集團(tuán)竹林山煤礦對(duì)水倉(cāng)進(jìn)行了探測(cè)。同時(shí)為開(kāi)展對(duì)比分析，在同一地點(diǎn)先后利用YCS8.2（DT）新型儀器與YCS1024 進(jìn)行探測(cè)，2次探測(cè)都采用邊長(zhǎng)為2 m，發(fā)射20 匝，接收為40 匝的正方形重疊回線(xiàn)進(jìn)行，探測(cè)方法采用-50°～50°扇形掃描，掃描間距為10°。YCS 8.2（DT）與YCS1024探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖如圖7。

由圖7（a）YCS8.2（DT）探測(cè)成果可知，測(cè)線(xiàn)中心區(qū)域，深度80～150 m 為低阻異常區(qū)。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)有資料對(duì)比驗(yàn)證，探測(cè)結(jié)果與水倉(cāng)實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了儀器的有效性。由圖7（b）YCS1024 探測(cè)成果可知，測(cè)線(xiàn)中心區(qū)域，深度80～150 m 也可判斷出低阻區(qū)；但該異常與周?chē)鷮?duì)比不明顯，前方整體存在異常，無(wú)法準(zhǔn)確判斷該區(qū)域是否真實(shí)存在異常，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，YCS1024 探測(cè)前方50～150 m 內(nèi)原始數(shù)據(jù)分辨率低，特別是晚期信號(hào)的信噪比差，采集數(shù)據(jù)無(wú)法反應(yīng)實(shí)際地質(zhì)情況。

圖7 YCS 8.2（DT）與YCS1024 探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.7 Comparison of YCS 8.2（DT）and YCS1024 detection results

經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證新型瞬變電磁儀探測(cè)精度及性能優(yōu)于YCS1024 瞬變電磁儀。YCS8.2（DT）采樣數(shù)據(jù)信息量豐富，早期及晚期的信號(hào)都可用于數(shù)據(jù)解釋?zhuān)虼俗罱K的視電阻效果成圖，能更客觀反應(yīng)探測(cè)區(qū)域地質(zhì)情況。井下直接圈定異常區(qū)域，顯示前方異常分布情況，給鉆探指明重點(diǎn)區(qū)域，減少鉆探驗(yàn)證工作量。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種新型井下動(dòng)態(tài)成像瞬變電磁儀。在不同礦區(qū)的新型動(dòng)態(tài)瞬變電磁儀試驗(yàn)與推廣結(jié)果表明：基于快速關(guān)斷設(shè)計(jì)的瞬變電磁發(fā)射機(jī)，可以有效縮短一次場(chǎng)關(guān)斷時(shí)間，減少探測(cè)盲區(qū)；基于雙AD 設(shè)計(jì)的接收機(jī)，擴(kuò)大了接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，有利于提高探測(cè)距離，并提高探測(cè)靈敏度；Linux 系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理后，在井下實(shí)時(shí)對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行動(dòng)態(tài)成像，快速直觀的反應(yīng)出探測(cè)結(jié)果，提高了瞬變電磁在井下探測(cè)的實(shí)用性。