等值反磁通瞬變電磁法天線零磁通面位置的確定方法

亓慶新，席振銖，徐昱，木仁

(1.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南 長沙 410205; 2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙 410014)

0 引言

瞬變電磁法[1-3](TEM)，也稱時間域電磁法，在地球物理勘探領(lǐng)域中是一種非常重要的人工源電磁法[4-5]。TEM受地形影響小、施工效率高，廣泛應(yīng)用于地?zé)?、煤炭、水資源、礦產(chǎn)勘查、工程勘查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、考古探測、軍事探測、城市管線檢測等諸多方面[6-8]，近幾年已逐漸向大深度礦產(chǎn)[9]和油氣資源勘探[10-11]方向發(fā)展。此方法以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的激勵下，地下地質(zhì)體將產(chǎn)生感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的二次磁場不會隨一次磁場消失而立即消失，在一次脈沖磁場間歇期間利用天線或接地電極觀測二次磁場,通過研究感應(yīng)二次場響應(yīng)幅值和衰減速度變化規(guī)律，從而達到探測目標體空間展布的目的[12-13]。

在實際應(yīng)用中，發(fā)射線圈與接收線圈作為相鄰線圈，兩者之間會發(fā)生互感現(xiàn)象，在關(guān)斷一次場后，接收線圈受一次場變化影響會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而且此一次場電動勢通常比二次場在接收線圈中產(chǎn)生的電動勢大得多，并難以區(qū)分、無法剔除，導(dǎo)致瞬變電磁法在淺層探測中出現(xiàn)盲區(qū)[14-16]，嚴重干擾早期接收信號精度。Smith 等[17]、嵇艷鞠等[18]、Walker等[19]通過對瞬變響應(yīng)和發(fā)射電流波形的實時監(jiān)測，再根據(jù)數(shù)值計算方法把接收信號中受一次場影響產(chǎn)生的感應(yīng)信號剔除，獲得純二次場響應(yīng)，但是實際勘探中受地質(zhì)條件等原因影響，線圈大小和位置與理論值存在偏差，導(dǎo)致計算值與實際感應(yīng)值不符；范濤等[20]研究了多匝小線圈的自感和互感引起的接收信號失真問題，采用曲線偏移的方法修正信號；楊海燕等[21]根據(jù)場源提出了一種新型圓錐型瞬變電磁場源裝置，可減弱線圈間的互感耦合，提高淺部探測能力。總之，在淺層瞬變電磁法中，收發(fā)線圈的互感尚沒有較理想的解決方案，因此導(dǎo)致的早期信號失真而產(chǎn)生淺層探測盲區(qū)的問題依然存在。

為了消除一次場對接收線圈的影響，實現(xiàn)瞬變電磁早期純二次場響應(yīng)觀測，提出了等值反磁通瞬變電磁法(opposing coils TEM，簡稱OCTEM)。這是一種新型的瞬變電磁法，其原理與傳統(tǒng)的瞬變電磁法一致，不同的是：OCTEM以等值反磁通的規(guī)律作理論依據(jù)，采用通以大小相同、方向相反電流的大小相同、平行共軸的天線作為發(fā)射源發(fā)射一次場，在反向?qū)ε即旁吹恼虚g平面接收二次場信號，測量地下純二次場的響應(yīng)[22]。根據(jù)矢量疊加原理，正負反向磁源產(chǎn)生的一次場始終存在至少一個磁場的垂直分量為零的平面，該位置稱為等值反磁通的零磁通面。由于需要將接收天線設(shè)置在所述的等值反磁通零磁通面，因此對于等值反磁通瞬變電磁法的零磁通面的位置確認就顯得尤為重要。目前，等值反磁通瞬變電磁法的零磁通面的位置確認一般采用機械調(diào)節(jié)接收天線的位置，通過目測二次場衰減曲線早期沒有比較明顯的過渡過程(明顯畸變)，來定性判斷零磁通面的位置。但是，這種方法主觀性較大，無法科學(xué)、準確地確認零磁通面的位置。為此，本文提供了一種能夠快速、準確對零磁通面位置進行確定的方法。

1 零磁通調(diào)零方法原理

根據(jù)上述頻率的取值規(guī)則，本次實驗以20 kHz頻率為例，在等值反磁通調(diào)零模式發(fā)送20 kHz雙極性方波，使用式(1)對采集的數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，計算出0～40 kHz的頻譜數(shù)據(jù):

。

(1)

式中：xn為采集的離散時間序列;N為變換區(qū)間長度;k為諧波序號,k=0,1，…，N-1。

信號的平均功率Pavg為

(2)

根據(jù)帕塞瓦爾定理(Parseval's theorem)有：

(3)

可以得出：

。

(4)

考慮到功率譜密度(PSD)，平均功率有：

，

(5)

式中：Δf=fs/N，因此可得：

。

(6)

式中，PSD的單位為V2/Hz。

對PSD取對數(shù)，使振幅較低的成分相對高振幅成分得以拉高，以便觀察掩蓋在低幅噪聲中的周期信號：

。

(7)

2 零磁通調(diào)零方法應(yīng)用

本次測試使用自主研發(fā)的等值反磁通瞬變電磁儀。此電磁儀分為主機和天線兩部分，天線設(shè)計采用微線圈發(fā)射(線圈直徑不超過2 m)、中心回線接收的一體機裝置，即將2個多匝小線圈分為2段串聯(lián)安裝在接收骨架上作為發(fā)射天線，正中間平面放置接收天線，上下線圈導(dǎo)線材料、繞制方法、匝數(shù)、大小都相同。采用微線圈發(fā)射可以在淺層得到高聚集度能量的一次場，能保證淺層探測的激勵場，而收發(fā)一體機裝置能保障每個測點發(fā)射一次場以及發(fā)射、接收相對位置的一致性，不僅大大減小了野外施工布線誤差，還降低了由記錄點位置不同導(dǎo)致的二次場誤差。除此之外，線圈一體機裝置的設(shè)計使在實際勘探工作中無需野外布線，既節(jié)省時間、降低成本，又能在高密度掃面測量工作中實現(xiàn)快速移動，提高了效率，有利于實現(xiàn)高精度的淺層勘探。

本次實驗選取編號為1、2的2臺等值反磁通瞬變電磁儀進行實驗，發(fā)射50%占空比雙極性方波，實際發(fā)射波形見圖1，近似線性關(guān)斷。

圖1 發(fā)射電流波形

通過天線上的調(diào)零旋鈕實時調(diào)整接收天線的位置，直至實時接收數(shù)據(jù)的功率譜密度A位于功率譜密度曲線的第N個極小值時(N為自然數(shù))，此時接收天線的位置即為等值反磁通瞬變電磁法中零磁通面的位置。首先大幅調(diào)節(jié)接收天線的上下位置，同時觀測采集數(shù)據(jù)的功率譜密度曲線，如果功率譜值逐漸增大，則向相反方向調(diào)節(jié)；當(dāng)功率譜密度明顯下降至一個極小值A(chǔ)1后上升時，則繼續(xù)向同一方向調(diào)節(jié)天線位置，開始細調(diào)；當(dāng)功率譜密度再次出現(xiàn)一個極小值A(chǔ)2時，此時改變調(diào)節(jié)方向，進入微調(diào)，直至對應(yīng)的極小值為細調(diào)調(diào)零系數(shù)A3，應(yīng)A3

對2臺儀器進行上述的調(diào)零操作，實時調(diào)整天線上的調(diào)零旋鈕，得到如圖2所示的儀器隨時間變化的功率譜曲線。在調(diào)零前后分別進行一次數(shù)據(jù)采集，并繪制成如圖3所示的2臺儀器衰減曲線對比。計算出2臺儀器每個取樣道調(diào)整前與調(diào)整后的數(shù)值差異的百分比，繪制隨時間變化的百分比圖(圖4)。

圖2 功率譜曲線

根據(jù)圖3和圖4可以看出，調(diào)零前的數(shù)據(jù)曲線在早期過渡現(xiàn)象明顯，經(jīng)過幅度起伏較大的過渡過程后數(shù)據(jù)曲線才變得平滑。經(jīng)過調(diào)零后，早期的過渡過程得到了抑制，采集信號比較平滑，振蕩減弱，對于中、晚期則無明顯影響，能夠符合野外工作條件，可以用于實際勘探任務(wù)。

(a)1號機 (b)2號機

(a)1號機 (b)2號機

3 結(jié)論

通過實時采集接收信號，并進行離散傅里葉變換得到頻譜數(shù)據(jù)，獲得功率譜密度隨時間變化的曲線，并根據(jù)其變化確定零磁通面的位置。通過對實際研制的等值反磁通儀器進行測試，得出如下結(jié)論：

1)使用此方法確定零磁通面位置，精度高，測試方法簡便可行。

2)使用此方法可準確找到零磁通面位置，抑制早期的過渡過程，減弱早期信號的振蕩幅度。

3)此零磁通面位置確定方法可為高性能等值反磁通瞬變電磁儀器的設(shè)計和制造提供參考。