CN109901226B - 一种可控源张量大地电磁系统及其控制计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控源张量大地电磁系统及其控制计算方法，包括发射端和接收端，接收端设置在以发射端为中心的周围；发射端包括一个发射机、四个发射电极和电源，发射机分别与四个发射电极和电源连接；控制器分别与GPS、电流采集器和H桥连接，H桥通过连接线分别与四个发射电极连接，其中一根连接发射电极的连接线通过霍尔传感器连接电流采集器；接收端包括一个或多个接收机，每个接收机有四个接收电极，四个接收电极以接收机为原点分布在X轴和Y轴的正负坐标轴上。本发明还公开了一种可控源张量大地电磁控制计算方法。本发明所采用的技术方案不仅适合探测二维、甚至三维的地质体，而且无需考虑地质走向，适合在山区工作。

Description

一种可控源张量大地电磁系统及其控制计算方法

技术领域

本发明涉及地球物理技术领域，特别是涉及一种可控源张量大地电磁系统及其控制计算方法。

背景技术

大地电磁测深法是利用天然交变电磁场研究地球结构的一种地球物理勘探方法，其场源为地球与太阳风互相作用产生的天然交变电磁场，具有频率低、波长长、探测深度大等优点。可控源音频大地电磁法是20世纪70年代发展起来的电磁测深技术，该方法采用人工长源，与天然源大地电磁测深法相比，具有信噪比高、快速高效等优点，该方法已经在我国能源、金属与非金属等矿产资源勘查以及水文、工程、环境、灾害地址调查等多个领域得到广泛应用并发挥了重要作用。但是，目前的可控源音频大地电磁系统能够达到的最高频率是9.6KHz，根据频率与趋肤深度的公式关系h＝356×((ρ/f)^0.5)可以看到0-9.6KHz的频率段能够测到地下极深的地方，由于一个频率对应一个趋肤深度，虽然现有的测深的深度较深，但是，忽略了地表浅层的挖掘，对于浅层目标体的探测盲区大，当地下是二维或者三维结构时，更是无法进行探测。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可控源张量大地电磁系统及其控制计算方法，不仅适合探测二维、甚至三维的地质体，而且无需考虑地质走向，适合在山区工作。

本发明采用如下技术方案：

一种可控源张量大地电磁系统，包括发射端和接收端，所述接收端设置在以发射端为中心的周围；

所述发射端包括一个发射机、第一至第四发射电极和电源，所述发射机分别与所述第一至第四发射电极、电源连接；其中，所述第一与第三发射电极设置在第一水平线的两端，所述第二与第四发射电极设置在第二水平线的两端，第一水平线和第二水平线相互垂直；所述发射机包括控制器、GPS、电流采集器、霍尔传感器和H桥，所述控制器分别与所述GPS、电流采集器和H桥连接，所述H桥通过连接线分别与所述第一至第四发射电极连接，其中，任一发射电极的连接线通过所述霍尔传感器连接所述电流采集器；GPS接收信号并发出时间信号给控制器，控制器根据所述时间信号发出双波控制信号控制H桥导通，所述H桥产生同频率的高压大电流信号给任意两个发射电极，电流采集器通过霍尔传感器采集所述任意两个发射电极的电流反馈至控制器；H桥产生同频率的高压大电流信号给其他两两发射电极的组合，所述两两发射电极包括第一与第二发射电极、第二与第三发射电极、第三与第四发射电极、第四与第一发射电极、第一与第三发射电极、第二与第四发射电极；电流采集器依次采集六次的电流反馈至控制器；

所述接收端包括一个或多个接收机，每个接收机有四个接收电极，四个接收电极以接收机为原点分布在X轴和Y轴的正负坐标轴上。

进一步地，所述电源为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。

进一步地，所述每个接收机与两个磁探头连接。

进一步地，所述发射机和四个发射电极均处于同一平面内。

进一步地，所述接收机和四个接收电极均处于同一平面内。

一种可控源张量大地电磁控制计算方法，基于可控源张量大地电磁系统，包括以下步骤：

S1、将发射机的任意两个发射电极设置于第一水平线的两端，将发射机的另外两个发射电极设置于第二水平线的两端，第一水平线与第二水平线相互垂直；

S2、在发射机周围设置一个或多个接收机；

S3、根据现有频率表，找到当前UTC时间对应的工作频率；

S4、逐次启动两两发射电极，接收端依次接收到六次不同的自功率谱、互功率谱、电场强度和磁场强度，将所述六次的自功率谱和互功率谱进行叠加，并计算得到标量电阻率和张量电阻率。

进一步地，步骤S3中所述根据现有频率表，找到当前UTC时间对应的工作频率的具体步骤如下：

S3.1、假定需要测量的频率值一次为f₁，f₂，……，f_N，N为频点数；

S3.2、根据N个频点的采样率和采样长度分配相应的测量时间，依次为t₁，t₂，……，t_N，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；

S3.3、以GNSS提供的UTC时间为准，制作时间分配表，根据所述时间分配表依次循环分配N个频点的测量时间。

进一步地，所述步骤S2中，接收机设置好以后，在接收机周围水平放置两个磁探头。

进一步地，所述步骤S4计算得到标量电阻率和张量电阻率具体为：

其中，所述计算标量电阻率的方法为：

其中，ρ_x、ρ_y为标量电阻率，freq为频率，E为电场强度，H为磁场强度；

其中，所述计算张量电阻率的方法为：

其中，

的值为互功率谱，是由EH实部和虚部形成的复数值；

的值为自功率谱，是一实数值。

本发明的有益效果是：能够探测二维和三维地质体，无需考虑地质走向，适合在山区工作。

附图说明

图1为本发明所述的一种可控源张量大地电磁系统野外布置示意图。

图2为本发明所述的一种可控源张量大地电磁系统发射端示意图。

图3为本发明所述的一种可控源张量大地电磁系统接收机示意图。

图4为本发明所述的一种可控源张量大地电磁系统发射机结构示意图。

图5为本发明所述的一种可控源张量大地电磁控制计算方法的方法流程图。

图6为发射机和接收机扫频收发同步示意图。

附图中，发射机1、控制器12、霍尔传感器13、电流采集器14、H桥15、GPS 16、第一发射电极21、第二发射电极22、第三发射电极23、第四发射电极24、发射端3、接收机4、接收电极5、电源6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本实施方式中，如图1所示，一种可控源张量大地电磁系统，包括发射端3和接收端，接收端设置在以发射端3为中心的周围。

如图2所示，发射端3包括一个发射机1、第一发射电极21、第二发射电极22、第三发射电极23、第四发射电极24，发射机1分别与第一发射电极21、第二发射电极22、第三发射电极23、第四发射电极24连接，其中，第一发射电极21和第三发射电极23设置在第一水平线的两端，第二发射电极22和第四发射电极24设置在第二水平线的两端，第一水平线和第二水平线相互垂直，发射机1和四个发射电极均处于同一平面内。

如图3所示，发射端3还包括电源6，电源6与发射机1连接，电源6为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。发射机1包括控制器12、GPS 16、电流采集器14、霍尔传感器13和H桥15，控制器12分别与GPS 16、电流采集器14和H桥15连接，H桥15通过连接线分别与第一发射电极21、第二发射电极22、第三发射电极23、第四发射电极24连接，其中，第三发射电极23的连接线通过霍尔传感器13连接电流采集器14；GPS 16接收信号并发出时间信号给控制器12，控制器12根据时间信号发出双波控制信号控制H桥15导通，H桥15产生同频率的高压大电流信号给第一发射电极21和第二发射电极22，电流采集器14通过霍尔传感器13采集第一发射电极21和第二发射电极22的电流反馈至控制器12；H桥15产生同频率的高压大电流信号给其他两两发射电极的组合，所述两两发射电极包括第一与第二发射电极22、第二与第三发射电极23、第三与第四发射电极24、第四与第一发射电极21、第一与第三发射电极23、第二与第四发射电极24；电流采集器14依次采集六次的电流反馈至控制器12。

如图4所示，接收端包括一个或多个接收机4，每个接收机4有四个接收电极5，四个接收电极5以接收机4为原点分布在X轴和Y轴的正负坐标轴上，接收机4和四个接收电极5均处于同一平面内，每个接收机4与两个磁探头连接。

如图5所示，一种可控源张量大地电磁控制计算方法，利用可控源张量大地电磁系统，包括以下步骤：

S1、将发射机1的第二发射电极22和第四发射电极24设置于第一水平线的两端，将发射机1的第一发射电极21和第三发射电极23设置于第二水平线的两端，第一水平线与第二水平线相互垂直；

S2、在发射机1周围设置一个或多个接收机4；

本实施例中，接收机4设置好以后，在接收机4周围水平放置两个磁探头。

如图6所示，S3、根据现有频率表，找到当前UTC时间对应的工作频率；具体步骤如下：

S3.1、假定需要测量的频率值一次为f₁，f₂，……，f_N，N为频点数；

S3.2、根据N个频点的采样率和采样长度分配相应的测量时间，依次为t₁，t₂，……，t_N，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；

S3.3、以GNSS提供的UTC时间为准，制作时间分配表，根据时间分配表依次循环分配N个频点的测量时间。

GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写，即全球卫星导航系统。UTC为协调世界时，是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。中国大陆采用ISO 8601-1988的《数据元和交换格式信息交换日期和时间表示法》(GB/T7408-1994)称之为国际协调时间，现行标准号为GB/T 7408-2005，2005-10-01实施，代替原来的GB/T7408-1994。中国台湾采用CNS 7648的《资料元及交换格式–资讯交换–日期及时间的表示法》(与ISO 8601类似)称之为世界统一时间。

对于发射过程，发射机1读取GNSS当前时间作为发射起始时间，根据发射起始时间从时间分配表中寻找到当前应该发射的频率f_k，然后从下一个频点f_k+1起按时间分配表进行同步发射；对于接收过程，接收机4读取GPS 16当前时间作为接收起始时间，根据接收起始时间从时间分配表中寻找到当前正在发射的频率f_R，然后从下一个频点f_R+1起设置相应的采样频率进行同步采集。由于采用循环收发的工作模式，当第一个测量频点f_R+1再次到来前扫频结束，在每个频率分配的时间里，发射机1一直处于发射状态，接收机4只在时间分配表期间进行采集，保证数据记录期间发射系统已经建立起稳定的电磁场。

S4、逐次启动两两发射电极，接收端依次接收到六次不同的自功率谱、互功率谱、电场强度和磁场强度，将六次的自功率谱和互功率谱进行叠加，并算得到标量电阻率和张量电阻率。接收机4的接收电极5测出电场强度，磁探头测出磁场强度；如图2所示，第一发射电极21与第二发射电极22供电，发射的电磁场方向为电磁场1；第二发射电极22与第三发射电极23供电，发射的电磁场方向为电磁场2，第三发射电极23与第四发射电极24供电，发射的电磁场方向为电磁场3；第一发射电极21与第四发射电极24供电，发射的电磁场方向为电磁场4；第二发射电极22与第四发射电极24供电，发射的电磁场方向为电磁场5；第一发射电极21与第三发射电极23供电，发射的电磁场方向为电磁场6。

步骤S4计算得到标量电阻率和张量电阻率具体为：

其中，计算标量电阻率得方法为：

其中，ρ_x、ρ_y为标量电阻率，freq为频率，E为电场强度，H为磁场强度；

其中，所述计算张量电阻率的方法为：

其中，

的值为互功率谱，是由EH实部和虚部形成的复数值；

的值为自功率谱，是一实数值。

本发明一种可控张量大地电磁系统与控制计算方法，可在复杂的地质条件下进行工作，能够探测二维和三维地质体，无需考虑地质走向，适合在山区工作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种可控源张量大地电磁系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述接收端设置在以发射端为中心的周围；

所述发射端包括一个发射机、第一至第四发射电极和电源，所述发射机分别与所述第一至第四发射电极、电源连接；其中，所述第一与第三发射电极设置在第一水平线的两端，第二与第四发射电极设置在第二水平线的两端，第一水平线和第二水平线相互垂直；所述发射机包括控制器、GPS、电流采集器、霍尔传感器和H桥，所述控制器分别与所述GPS、电流采集器和H桥连接，所述H桥通过连接线分别与所述第一至第四发射电极连接，其中，任一发射电极的连接线通过所述霍尔传感器连接所述电流采集器；GPS接收信号并发出时间信号给控制器，控制器根据所述时间信号发出双波控制信号控制H桥导通，所述H桥产生同频率的高压大电流信号给任意两个发射电极，电流采集器通过霍尔传感器采集所述任意两个发射电极的电流反馈至控制器；H桥产生同频率的高压大电流信号给其他两两发射电极的组合，所述两两发射电极包括第一与第二发射电极、第二与第三发射电极、第三与第四发射电极、第四与第一发射电极、第一与第三发射电极、第二与第四发射电极；逐次启动两两发射电极，接收端依次接收到六次不同的自功率谱、互功率谱、电场强度和磁场强度；电流采集器依次采集六次的电流反馈至控制器；

所述接收端包括一个或多个接收机，每个接收机有四个接收电极，四个接收电极以接收机为原点分布在X轴和Y轴的正负坐标轴上。

2.根据权利要求1所述的一种可控源张量大地电磁系统，其特征在于：所述电源为串联的蓄电池或发电机与整流器的串联结构。

3.根据权利要求1所述的一种可控源张量大地电磁系统，其特征在于：所述每个接收机与两个磁探头连接。

4.根据权利要求1所述的一种可控源张量大地电磁系统，其特征在于：所述发射机和四个发射电极均处于同一平面内。

5.根据权利要求1所述的一种可控源张量大地电磁系统，其特征在于：所述接收机和四个接收电极均处于同一平面内。

6.一种可控源张量大地电磁控制计算方法，基于权利要求1-5任一项所述的可控源张量大地电磁系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将发射机的任意两个发射电极设置于第一水平线的两端，将发射机的另外两个发射电极设置于第二水平线的两端，第一水平线与第二水平线相互垂直；

S2、在发射机周围设置一个或多个接收机；

S3、根据现有频率表，找到当前UTC时间对应的工作频率；

S4、逐次启动两两发射电极，接收端依次接收到六次不同的自功率谱、互功率谱、电场强度和磁场强度，将所述六次的自功率谱和互功率谱进行叠加，并计算得到标量电阻率和张量电阻率。

7.根据权利要求6所述的一种可控源张量大地电磁控制计算方法，其特征在于，步骤S3中所述根据现有频率表，找到当前UTC时间对应的工作频率的具体步骤如下：

S3.1、假定需要测量的频率值一次为f₁，f₂，……，f_N，N为频点数；

S3.2、根据N个频点的采样率和采样长度分配相应的测量时间，依次为t₁，t₂，……，t_N，N个频点的频率测量时间的总和即为扫描周期T；

S3.3、以GNSS提供的UTC时间为准，制作时间分配表，根据所述时间分配表依次循环分配N个频点的测量时间。

8.根据权利要求6所述的一种可控源张量大地电磁控制计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，接收机设置好以后，在接收机周围水平放置两个磁探头。

9.根据权利要求6所述的一种可控源张量大地电磁控制计算方法，其特征在于，所述步骤S4计算得到标量电阻率和张量电阻率具体为：

其中，所述计算标量电阻率的方法为：

其中，ρ_x、ρ_y为标量电阻率，freq为频率，E为电场强度，H为磁场强度；

其中，所述计算张量电阻率的方法为：

其中，

的值为互功率谱，是由EH实部和虚部形成的复数值；

的值为自功率谱，是一实数值。

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