全程全空间瞬变电磁装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及全程全空间瞬变电磁装置及测量方法，该装置包括发射单元和多通道接收单元，两者分别与信号处理单元相连接，所述信号处理单元经通讯单元与主机连接。通过主机操作软件设置相关参数，由接收、发射单元共同实现场源激发，并完成感应信号与激励源信号的采集、记录等，通过RS485传输至主机，实现数据的显示、存储及管理等。本发明可有效减少自感及互感影响，提高信噪比和灵敏度；接收线圈根据探测需要，可组合成不同形式，得到不同的探测效果，实现全空间条件下对异常体方位的判别；降低探测盲区，改善并提高浅层探测效果；采用ARM四核处理器硬件平台并配备专用嵌入式操作系统，可方便的将测量数据进行实时成像、对比、判别和后续分析。
【专利说明】全程全空间瞬变电磁装置及测量方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及地球物理勘探装置及测量方法领域，特别是一种全程全空间瞬变电磁装置及测量方法。
[0003]【背景技术】
[0004]众所周知，瞬变电磁法又称时间域电磁法(TCM)，它是根据电磁感应原理，利用不接地线圈向地下发送一次电磁场，在一次电磁场间歇期间，使用不接地线圈观测二次场的方法，进行不同岩性地层的物性差异分析。
[0005]在常规瞬变电磁法勘探中，为达到一定的探测深度，发射和接收装置常使用多匝线圈。特别是在矿井巷道中进行勘探，如进行超前探测等工作时，由于巷道内金属锚网等干扰，必需增加回线匝数，增大磁矩，以增加勘探深度。而线圈匝数的增加，也使得线圈的自感及相互间的互感对早期数据的影响增大，关断时间增加，早期的数据发生畸变，不能加以利用。
[0006]从原理上讲，TEM不仅能够测量浅层的地质结构，而且能够测量深层地质构造，而TEM方法探测浅部结构的能力主要由早期信号携带，因此，线圈的自感及互感影响导致的早期数据发生畸变直接影响浅层地质结构的测量，使得常规瞬变电磁法存在一个探测盲区，可达几十米。
[0007]而且，在矿井巷道中，用瞬变电磁法对不良地质体进行探测时，与在地表对地表下进行探测截然不同。前者属于地下全空间反演，想要确定异常体的位置和范围，需要考虑周围空间的综合影响。因此，在矿井巷道中，利用瞬变电磁法对异常体进行探测时，存在着如何对异常体方位进行判别的问题。
[0008]
【发明内容】
[0009]本发明的目的是为了解决上述【背景技术】存在的不足，提出一种能有效降低线圈间自感及相互间互感、能减小盲区并能对异常体进行全空间有效定位的瞬变电磁装置及测量方法。
[0010]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:全程全空间间瞬变电磁装置，包括与发射线圈连接的发射单元和与接收线圈连接的多通道接收单元，所述发射单元和多通道接收单元两者分别与信号处理单元相连接，所述信号处理单元经通讯单元与主机连接；所述发射单元包括多频发射器、第一 A/D转换芯片和用于给发射线圈供电的激励电源；所述多通道接收单元包括与至少两个接收线圈相连接的前置放大器及第二 A/D转换芯片；所述第
一A/D转换芯片采集多频发射器电流信息并送入信号处理单元处理，所述第二 A/D转换芯片将经前置放大器放大或缩小信号采集后送入信号处理单元处理；所述信号处理单元由现场可编程逻辑单元(以下简称FPGA)和随机存储器(以下简称RAM)构成，所述通讯单元用于将所述RAM存储的数据存入主机。
[0011]所述发射线圈置于所述接收线圈外侧周边或端部上方，其间设有0.1-0.6m间隙。
[0012]所述接收线圈是由主接收线圈和副接收线圈构成的双接收线圈；其中主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm;所述发射线圈放置于所述双接收线圈的上下两端上方且与双接收线圈相互垂直。
[0013]所述接收线圈由主接收线圈和副接收线圈构成；其中主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm ;所述主接收线圈套置于发射线圈内且与之共面及共中心点。
[0014]所述接收线圈由主接收线圈、副接收线圈和子接收线圈构成；其中主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm;子接收线圈为单匝小线圈，套置于主接收线圈内；所述发射线圈套置于主接收线圈外，发射线圈、主接收线圈和子接收线圈三者处于同一平面且中心点相同；其中，发射线圈与主接收线圈间隔0.1 m-0.6m，主接收线圈与子接收线圈间隔 0.05 m-0.3m。
[0015]所述接收线圈由主接收线圈、副接收线圈和子接收线圈构成，所述子接收线圈为单匝小线圈，套置于主接收线圈内；所述发射线圈套置于主接收线圈外，发射线圈、主接收线圈和子接收线圈三者处于同一平面且中心点相同；所述副接收线圈与主接收线圈和子接收线圈的摆放方式为正交或斜交。
[0016]所述接收线圈由主接收线圈和副接收线圈套置构成双接收线圈，所述发射线圈放置于套置的双接收线圈的外围，所述发射线圈和套置的双接收线圈位于同一平面且两者中心点相同。
[0017]所述前置放大器和第二 A/D转换芯片的数量根据接收线圈的个数对应配置，并相应设置若干个同步接收测量数据的通道通讯接口。
[0018]所述主机采用ARM四核处理器，实时分析数据；所述通讯单元为RS485接口或USB接口。
[0019]本发明的另一目的是提供所述装置的瞬变电磁测量方法，包括以下步骤:
(1)携带装置进入矿井下巷道探测区；
(2)完成装置的主机、采集单元、发射单元和多通道接收单元各组件的连接，并将发射、接收线圈按工作需要对准指定异常体测量方向，按下主机和采集单元电源按钮，进入工作状态；
(3)设置采集单元相关参数；
(4)参数设置完后，按下主机上的数据采集按钮，激发建立一次场源，当一次场遇到目标地质体后，会产生二次场感应信号，前置放大器将感应信号放大，经第二 A/D转换芯片将其采集后，送入FPGA并存入随机存储器，并用FPGA读出RAM数据后经过通讯单元(RS485接口或USB接口)存入主机，通过主机进行数据显示及管理；
(5)若接收线圈采用两个或两个以上线圈组合装置形式，则通道的个数与接收线圈的个数相同，当接收线圈接收到感应信号后，各接收线圈相对应的前置放大器及第二 A/D采集器分别对各感应信号进行放大及采集，并送入FPGA进行数据存储，最后通过通讯单元(RS485接口或USB接口)存入主机，通过主机进行数据显示及管理。
[0020](6)根据所需角度移动接收线圈，将其放置于其它待测的目标异常体位置，按步骤
(3)- (5)进行探测。
[0021]步骤(3)中，所述相关参数为采样方式、采样时间、叠加次数、采样频率测和测道数。
[0022]本发明的有益效果:第一，本发明提供了多个接收通道，可以接收多个线圈的感应信号。第二，根据探测目的的不同，接收线圈可组合成不同的形式，并会得到不同的探测效果针对全空间探测问题，主接收线圈和副接收线圈两者大小相同，并平行对称放置，其中一个接收线圈为针对探测方向测量使用，另一个接收线圈为分辨反方向感应信号，可分辨全空间效应，实现全空间条件下对异常体方位的判别；:艺针对传统瞬变盲区问题，采用主接收线圈(大尺寸、多匝、大磁矩)和子接收线圈(小尺寸、多匝/单匝、小磁矩)共中心点形式，其中主接收线圈主要观测晚期场信号，子接收线圈观测早期场信号，能实现全深度的有效测量，从而在保证中深层探测能力的基础上，降低探测盲区，改善并提高浅层探测效果。第三，发射线圈尺寸大于接收线圈，且中间留间隙，可以有效减少自感及互感影响，提高信噪比和灵敏度。第四，采用ARM四核处理器硬件平台并配备专用嵌入式操作系统，可方便的将测量数据进行实时成像、对比、判别和后续分析。
[0023]
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明原理框图。
[0025]图2是本发明实施例一的结构示意图。
[0026]图3是本发明实施例二中接收线圈结构示意图。
[0027]图4是本发明实施例三中接收线圈结构示意图。
[0028]图5是本发明实施例四中接收线圈结构示意图。
[0029]图中，1.主机，2.发射单元，3.多通道接收单元，4.信号处理单元，5.发射线圈，
6.接收线圈(主接收线圈61、副接收线圈62、子接收线圈63)，7.多通道通讯端口，8.矿用专用电缆，9.通讯单元。
[0030]
【具体实施方式】
[0031]结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0032]实施例一:如图1、图2所示，本发明包括主机1、发射单元2、多通道接收单元3、信号处理单元4和通讯单元9。发射单元2和多通道接收单元3两者分别与信号处理单元4相连接，信号处理单元4经通讯单元与主机I连接。主机I用于对采集参数及配置通道参数进行设置，并对接收到的数据进行记录、显示及管理，采用ARM四核处理器，能实时分析数据；主机I设置多个通道通讯端口 7，能同步接收测量数据。发射单元2包括多频发射器、第一 A/D转换芯片和用于给发射线圈5供电的激励电源；多通道接收单元3包括与接收线圈6相连接的前置放大器及第二 A/D转换芯片；信号处理单元4包括FPGA和RAM，FPGA用于控制第一、第二 A/D转换芯片及前置放大器，对第一、第二 A/D转换芯片采集的信息进行处理，并将处理的数据存入RAM ;通讯单元9采用RS485接口、网络接口或USB接口，用于将RAM存储的数据经通讯接口存入主机I。
[0033]接收线圈的布置有多种实施方式，本例中的接收线圈由主接收线圈61、副接收线圈62和子接收线圈63构成，主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm ；子接收线圈63为单匝小线圈，套置于主接收线圈61内；发射线圈5套置于主接收线圈61夕卜，且发射线圈5、主接收线圈61和子接收线圈63处于同一平面且三者中心点相同；其中，发射线圈5与主接收线圈61间隔0.1 m-0.6m，主接收线圈61与子接收线圈63间隔0.05m-0.3mo
[0034]前置放大器和第二 A/D转换芯片的数量根据接收线圈的个数对应配置。同时配置相应的多通道通讯接口。通讯接口采用RS485接口、网络接口或USB接口。
[0035]实施例二:如图3所示，与实施例一的不同之处在于副接收线圈与主、子接收线圈的摆放方式为正交或斜交。其中，发射线圈与主、子接收线圈共中心点，副接收线圈与主、子接收线圈及发射线圈可共也可不共中心点。
[0036]实施例三:如图4所示，与实施例一的不同之处在于接收线圈由两个相互平行的接收线圈组成双接收线圈，即主接收线圈61和副接收线圈62，两接收线圈面积相等且主接收线圈61和副接收线圈62之间留有一定的距离；发射线圈放置于主接收线圈61外侧且与其共中心点。
[0037]实施例四:如图5所示，与实施例一的不同之处在于接收线圈由套置的双接收线圈组成，套置的双接收线圈由大尺寸、多匝、大磁矩的主接收线圈61和小尺寸、多匝/单匝、小磁矩的副接收线圈62两种形式线圈组成；发射线圈放置于大尺寸的主接收线圈的外围，与套置的双接收线圈共中心点且共面。发射线圈与套置的双接收线圈的主接收线圈之间的间隙为0.5m。
[0038]实施例五:与实施例一的不同之处在于发射线圈与主、子接收线圈不在同一个平面上，即发射线圈与主、子接收线圈分离放置，但发射线圈与主、副、子接收线圈在同一条轴线上。
[0039]实施例六:与实施例一的不同之处在于本发明的各组成部分可根据实际需要进行整合，如可将多通道接收单元、信号处理单元、通讯单元与主机整合到一起，可将发射单元、多通道接收单元、信号处理单元、通讯单元及主机五部分整合到一起，形成全程全空间瞬变电磁装置。
[0040]实施例七:与实施例一的不同之处在于当发射单元、多通道接收单元、信号处理单元、通讯单元与主机融合到一起时，在主机上设有多个通道通讯接口，其个数可为三个、六个、八个、十二个，甚至更多，它与接收线圈的个数相配置。
[0041]实施例八:与实施例一的不同之处在于本发明的各单元变化形式多样，并形成不同的瞬变电磁装置，如将发射单元与发射线圈单独放置；将发射单元与多通道接收单元整合在一起；还可将所有单元整合到一起形成系统。
[0042]本发明的测量方法，包括以下步骤:
(1)携带装置进入矿井下巷道探测区；
(2)完成仪器各组件(主机、采集单元、发射单元和多通道接收单元)的连接，并将发射接收线圈按工作需要对准指定异常体测量方向，按下主机和采集单元电源按钮，装置进入工作状态；
(3)通过主机操作软件对采集单元设置相关参数，如采样方式、采样时间、叠加次数、采样频率、测道数等；
(4)参数设置完后，按下主机上的数据采集按钮，激发建立一次场源，当一次场遇到目标地质体后，会产生二次场感应信号，前置放大器将感应信号放大，且A/D采集装置将其采集后，送入FPGA并存入RAM，并用FPGA读出RAM数据后经过RS485接口或USB接口存入主机，通过主机进行数据显示及管理；
(5)若接收线圈采用两个或两个以上线圈组合装置形式，则通道的个数与接收线圈的个数相同，当接收线圈接收到感应信号后，各接收线圈相对应的前置放大器及A/D采集单元分别对各感应信号进行放大及采集，并送入FPGA进行数据存储，最后通过RS485接口或USB接口存入主机，通过主机进行数据显示及管理。
[0043](6)根据所需角度移动接收线圈，将其放置于其它待测的目标异常体位置，按步骤
(3)- (5)进行探测。
[0044]上述仅为本发明的实施例而已，对本领域的技术人员来说,本发明有多种更改和变化。凡在本发明的发明思想和原则之内，作出任何修改，等同替换，改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.全程全空间间瞬变电磁装置，其特征在于:包括与发射线圈连接的发射单元和与接收线圈连接的多通道接收单元，所述发射单元和多通道接收单元两者分别与信号处理单元相连接，所述信号处理单元经通讯单元与主机连接；所述发射单元包括多频发射器、第一A/D转换芯片和用于给发射线圈供电的激励电源；所述多通道接收单元包括与至少两个接收线圈相连接的前置放大器及第二 A/D转换芯片；所述第一 A/D转换芯片采集多频发射器电流信息并送入信号处理单元处理，所述第二 A/D转换芯片将经前置放大器放大或缩小信号采集后送入信号处理单元处理；所述信号处理单元由现场可编程逻辑单元和随机存储器构成，所述通讯单元用于将所述随机存储器存储的数据存入主机。
2.根据权利要求1所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述发射线圈置于所述接收线圈外侧周边或端部上方，其间设有0.1-0.6m间隙。
3.根据权利要求2所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述接收线圈是由主接收线圈和副接收线圈构成的双接收线圈；其中主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm ;所述发射线圈放置于所述双接收线圈的上下两端上方且与双接收线圈相互垂直。
4.根据权利要求2所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述接收线圈由主接收线圈和副接收线圈构成；其中主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm;所述主接收线圈套置于发射线圈内且与之共面及共中心点。
5.根据权利要求2所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述接收线圈由主接收线圈、副接收线圈和子接收线圈构成；其中主、副接收线圈大小相同，且平行对称设置，间距为6-12cm;子接收线圈为 单匝小线圈，套置于主接收线圈内；所述发射线圈套置于主接收线圈外，发射线圈、主接收线圈和子接收线圈三者处于同一平面且中心点相同；其中，发射线圈与主接收线圈间隔0.1 m-0.6m，主接收线圈与子接收线圈间隔0.05 m-0.3m。
6.根据权利要求2所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述接收线圈由主接收线圈、副接收线圈和子接收线圈构成，所述子接收线圈为单匝小线圈，套置于主接收线圈内；所述发射线圈套置于主接收线圈外，发射线圈、主接收线圈和子接收线圈三者处于同一平面且中心点相同；所述副接收线圈与主接收线圈和子接收线圈的摆放方式为正交或斜交。
7.根据权利要求2所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述接收线圈由主接收线圈和副接收线圈套置构成的双接收线圈，所述发射线圈放置于套置双接收线圈的外围，所述发射线圈和套置的双接收线圈位于同一平面且两者中心点相同。
8.根据权利要求1所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述前置放大器和第二 A/D转换芯片的数量根据接收线圈的个数对应配置，并相应设置若干个同步接收测量数据的通道通讯接口。
9.根据权利要求1所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:所述主机采用ARM四核处理器，实时分析数据；所述通讯单元为RS485接口或USB接口。
10.基于权利要求1-9任一项所述装置的瞬变电磁测量方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)携带装置进入矿井下巷道探测区； (2)完成装置的主机、采集单元、发射单元和多通道接收单元各组件的连接，并将发射、接收线圈按工作需要对准指定异常体测量方向，按下主机和采集单元电源按钮，进入工作状态； (3)设置采集单元相关参数； (4)参数设置完后，按下主机上的数据采集按钮，激发建立一次场源，当一次场遇到目标地质体后，会产生二次场感应信号，前置放大器将感应信号放大，经第二 A/D转换芯片将其采集后，送入现场可编程逻辑单元并存入随机存储器，并用现场可编程逻辑单元读出随机存储器数据后经过通讯单元存入主机，通过主机进行数据显示及管理； (5)若接收线圈采用两个或两个以上线圈组合装置形式，则通道的个数与接收线圈的个数相同，当接收线圈接收到感应信号后，各接收线圈相对应的前置放大器及第二 A/D采集器分别对各感应信号进行放大及采集，并送入现场可编程逻辑单元进行数据存储，最后通过通讯单元存入主机，通过主机进行数据显示及管理； (6)根据所需角度移动接收线圈，将其放置于其它待测的目标异常体位置，按步骤(3)- (5)进行探测。
11.根据权利要求9所述的全程全空间瞬变电磁装置，其特征在于:步骤(3)中，所述相关参数为采样方式、采样时间、叠加次数`、采样频率测和测道数。
【文档编号】G01V3/28GK103499844SQ201310427387
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】倪圣军, 潘乐荀, 胡雄武, 黄兰英, 戚俊, 杨胜伦, 吴昭, 舒玉峰 申请人:安徽惠洲地下灾害研究设计院