地球天然脉冲电磁场采集装置及设备的制作方法

1.本发明涉及电磁感应技术领域，尤其是涉及一种地球天然脉冲电磁场采集装置及设备。


背景技术：

2.由于任何作用到岩石上的机械运动都会产生声和电磁现象，地球内部的构造运动不仅伴随着声现象，同时也具有电磁现象。电磁辐射从地球内部发射出来的时候，实际上它的能量是不会减弱的，但声分量会逐渐减弱。在辐射传播的过程中伴随着多种自然地质过程，所以电磁辐射可以被看作是一个地球动力过程的信息来源体。
3.相关技术中，通常采用磁传感器等设备对地球磁场进行测量，然而该方式难以获得完整的磁场信号，不利于后续的信号处理。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地球天然脉冲电磁场采集装置及设备，以采集地球天然脉冲电磁场的信号，从而进一步确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种地球天然脉冲电磁场采集装置，包括矢量电磁信号接收传感器及信号处理模块；矢量电磁信号接收传感器包括三个磁性通道天线；三个磁性通道天线分别用于接收在设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及x方向的磁场分量信号；信号处理模块用于基于地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及x方向的磁场分量信号，确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。
6.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述磁性通道天线包括接收线圈及选频放大器；三个磁性通道天线到的接收线圈互相垂直，分别接收对应的接收方向的磁场信号；接收线圈用于对地球天然脉冲电磁场的磁场信号产生感应信号；选频放大器用于对感应信号进行滤波及放大处理，得到接收线圈对应的接收方向的磁场分量信号。
7.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述磁性通道天线还包括长线驱动器，长线驱动器与选频放大器连接，长线驱动器用于基于接收线圈对应的接收方向的磁场分量信号生成双端磁场分量信号。
8.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述信号处理模块包括信号处理电路及控制器；信号处理电路包括第一电路、第二电路及第三电路；控制器用于向信号处理电路输出预设的门限值；第一电路用于基于门限值将设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号；第二电路用于基于门限值将设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的y方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号；第三电路用于基于门限值将设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的z方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号；控制器用于基于x方向的磁场分量信号
对应的磁场脉冲信号、y方向的磁场分量信号对应的磁场脉冲信号及z方向的磁场分量信号对应的磁场脉冲信号，确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。
9.结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述磁性通道天线包括长线驱动器；第一电路依次连接包括长线接收器、比较器以及可编程逻辑阵列；第一电路还包括数模转换器；数模转换器与比较器连接；可编程逻辑阵列与数模转换器分别与控制器连接；长线接收器用于将长线驱动器输出的双端磁场分量信号转换为单端输出的磁场分量信号；数模转换器用于将控制器输出的门限值转换为门限值信号；比较器用于将磁场分量信号与控制器通过数模转换器输出的门限值信号进行比较，输出磁场分量信号对应的磁场脉冲信号。
10.结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述门限值信号包括固定门限值信号；控制器用于基于固定门限值信号以及磁场脉冲信号确定地球天然脉冲电磁场的平均强度变化的灵敏度。
11.结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述门限值信号包括浮动门限值信号；控制器用于基于浮动门限值信号以及磁场脉冲信号确定地球天然脉冲电磁场的平均强度。
12.结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述第一电路还包括放大器，放大器设置于长线接收器与比较器之间；放大器用于对磁场分量信号进行放大处理。
13.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述装置还包括全球导航卫星系统接收机；全球导航卫星系统接收机与控制器连接；控制器用于记录全球导航卫星系统接收机发送的地球天然脉冲电磁场的当前定位。
14.第二方面，本发明实施例还提供一种地球天然脉冲电磁场采集设备，该设备包括如上述地球天然脉冲电磁场采集装置及供电模块。
15.本发明实施例带来了以下有益效果：
16.本发明实施例提供的一种地球天然脉冲电磁场采集装置及设备，采用矢量电磁信号接收传感器的三个磁性通道天线分别接收在设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及z方向的磁场分量信号；信号处理模块用于基于地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及z方向的磁场分量信号，确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。该方式实现了对地球天然脉冲电磁场的信号的采集，从而可以进一步确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。
17.本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
18.为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的一种地球天然脉冲电磁场采集装置的结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的一种地球天然脉冲电磁场采集装置中第一电路的结构示意图；
22.图3为本发明实施例提供的另一种地球天然脉冲电磁场采集装置的结构示意图；
23.图4为本发明实施例提供的一种高斯过程的测量结果的示例图；
24.图5为本发明实施例提供的一种随机高斯过程和脉冲过程的测量结果的示例图；
25.图6为本发明实施例提供的一种地球天然脉冲电磁场采集设备的结构示意图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.随着新一代被动源勘探系统的迅速发展，利用地球天然脉冲电磁场进行的非地震勘探方法在研究地球内部构造的作用也越来越大。根据大量实验数据证明，岩石层是产生电磁扰动的有利环境。能够到达地球表面的电磁扰动，在地球上形成了复杂结构的电磁场，这为研究地球内部的物理过程、地球结构和性质开启了一个全新的渠道。
28.根据固体物理理论，在含有复杂晶格体的固体中，由于机械运动可使固体内部的应力状态发生改变，从而导致晶格变形，晶格变形最终表现为裂隙的生成。
29.晶格变形会引起两种类型的机械振动—声振动和光振动。前者将产生声波。后者的特征是晶胞中的原子在k
→
0振动中会相互靠近。因此，它们的振动在离子晶格中使偶极子晶格发生变化，从而产生电磁波。电磁波和晶格的光振动在波矢量和光能相互靠近的地方尤其强烈。在这种情况下,晶格变化产生的电磁波与横向光振动相互耦合的产物沿晶格传播，从而产生电磁扰动，这种扰动被称为极化声子(或电磁耦子，polariton)。其中，地球内部的岩石就是这一类固体，在岩石的晶胞结构中包含一个或者两个原子，这就意味着极化辐射可以沿岩石传播，相应的这种辐射也被称为地球天然脉冲电磁场辐射。
30.在地球旋转模式变化和万有引力影响下，地球内部岩石的应力状态会发生变化，岩石因受到挤压而产生形变直至破碎，从而产生电磁波扰动和声波信号。从实验中得知，缺陷(变形、破碎)产生的速度由晶格的变形决定。受压越大的部位产生的电磁信号越强烈。在此过程中，电磁辐射的强度(单位时间内的电磁辐射脉冲数)与岩石受力变形的程度有一定的关系，在岩石开始变形到破碎的临界状态时，辐射强度最大。实验证明，辐射强度的空间异常及其关系几乎与介质的电磁特征(介电常数、磁通量)和介质的传导性无关。
31.大量的实验和野外研究证明，任何作用到岩石上的机械运动都会产生声和电磁现象。因此，地球内部的构造运动不仅伴随着声现象，同时也具有电磁现象，在某种程度上带有相同的信息。与此相关，产生了一个关于这些现象信息度对比的问题。最简单的情况是，利用它们的透射率(即辐射透过地球内部，穿过地壳到达大气层表面的程度)进行信息度评估。
32.电磁辐射从地球内部发射出来的时候，实际上它的能量是不会减弱的，但声分量
会逐渐减弱。在辐射传播的过程中伴随着多种自然地质过程，其中包括平移断层、地震、雪崩等等。所以电磁辐射可以被看作是一个地球动力过程的信息来源体。
33.由于弹性参数的差异，地球内部自发的电磁辐射受到岩石聚集应力能力的限制，这为在岩石圈和上地幔中划分出不同成分和不同密度的岩块或岩层提供了可能。而在岩块的界面上(对于分层介质而言，是在岩层的界面上)，为研究地壳的构造创造了条件，也就是说，为追踪断裂带和不同级别的断裂构造创造了条件。
34.然而现有技术中通常采用磁传感器检测磁场信号，其效果并不理想。基于此，本发明实施例提供的一种地球天然脉冲电磁场采集装置及设备，可以应用于各种需要采集点磁场信号的场景。
35.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种地球天然脉冲电磁场采集装置进行详细介绍。
36.本发明实施例提供了一种地球天然脉冲电磁场采集装置。如图1所示，该装置包括矢量电磁信号接收传感器10及信号处理模块20；矢量电磁信号接收传感器10包括三个磁性通道天线，可以分别称为第一磁性通道天线10a，第二磁性通道天线10b以及第三磁性通道天线10c。
37.其中，上述三个磁性通道天线分别用于接收在设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及x方向的磁场分量信号；信号处理模块在接收到地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及x方向的磁场分量信号后，可以基于这些信号确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数，如磁场强度，磁场强度变化情况。
38.在具体实现过程中，上述磁性通道天线可以由接收线圈及选频放大器组成。由于三个磁性通道天线想要接收的磁场分量信号是彼此相互垂直的，三个磁性通道天线到的接收线圈也可以设置为互相垂直的，分别接收对应的接收方向的磁场信号。具体而言，当磁场产生变化时，接收线圈可以产生对应的感应信号，该感应信号在一定程度上可以反映磁场信号的相关参数；选频放大器对感应信号进行滤波及放大处理，选用感应信号中与地球磁场相关的部分，得到接收线圈对应的接收方向的磁场分量信号。
39.由于磁场分量信号的信号强度可能较低，对其进行传输的过程中容易引入噪声，会导致信号质量降低。为了避免该问题，上述磁性通道天线还可以长线驱动器，长线驱动器与选频放大器连接，长线驱动器用于基于接收线圈对应的接收方向的磁场分量信号生成双端磁场分量信号，减少磁场分量信号在传输过程中的信号损失。
40.在具体实现中，信号处理模块可以包括信号处理电路及控制器；信号处理电路包括第一电路、第二电路及第三电路，分别对应地处理各个接收方向的磁场分量信号；控制器向信号处理电路输出预先设置的门限值；第一电路用于基于门限值将设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号；第二电路用于基于门限值将设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的y方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号；第三电路用于基于门限值将设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的z方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号；控制器用于基于x方向的磁场分量信号对应的磁场脉冲信号、y方向的磁场分量信号对应的磁场脉冲信号及z方向的磁场分量信号对应的磁场脉冲信号，确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。
41.以第一电路为例对x方向的磁场分量信号转换为对应的磁场脉冲信号的具体过程进行说明，如图2所示，第一电路依次连接包括长线接收器、比较器以及可编程逻辑阵列；第一电路还包括数模转换器；数模转换器与比较器连接；可编程逻辑阵列与数模转换器分别与控制器连接；长线接收器用于将长线驱动器输出的双端磁场分量信号转换为单端输出的磁场分量信号；数模转换器用于将控制器输出的门限值转换为门限值信号，即将控制器输出的数字信号转换为对应的模拟信号；比较器用于将磁场分量信号与控制器通过数模转换器输出的门限值信号进行比较，输出磁场分量信号对应的磁场脉冲信号，在具体过程中，可以将高于该门限信号的磁场分量信号确定为高电平，低于该门限信号的磁场分量信号确定为低电平，从而形成脉冲信号。
42.具体地，上述门限值信号可以为固定门限值信号；控制器基于固定门限值信号以及磁场脉冲信号方可以确定地球天然脉冲电磁场的平均强度变化的灵敏度。
43.具体地，上述门限值信号也可以为浮动门限值信号；控制器基于浮动门限值信号以及磁场脉冲信号可以确定地球天然脉冲电磁场的平均强度。
44.由于磁场分量信号可能较小，为了便于对其进行信号处理，可以首先进行放大处理。对应地，上述第一电路还可以包括放大器；放大器设置于长线接收器与比较器之间，放大器用于对磁场分量信号进行放大处理。
45.为了确定当前电磁场的地理位置，上述装置还包括全球导航卫星系统(gnss)接收机；全球导航卫星系统接收机与控制器连接；控制器用于记录全球导航卫星系统接收机发送的地球天然脉冲电磁场的当前定位。
46.本发明实施例提供的一种地球天然脉冲电磁场采集装置，采用矢量电磁信号接收传感器的三个磁性通道天线分别接收在设定坐标系中地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及z方向的磁场分量信号；信号处理模块用于基于地球天然脉冲电磁场的x方向的磁场分量信号、y方向的磁场分量信号以及z方向的磁场分量信号，确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。该方式实现了对地球天然脉冲电磁场的信号的采集，从而可以进一步确定地球天然脉冲电磁场的磁场参数。
47.本发明还提供了另一种地球天然脉冲电磁场采集装置，该装置在图1所示的装置基础上实现。该装置采用一种被动源地球物理测量技术。它记录的是非线性过程中“地球天然脉冲电磁场”所产生的辐射及辐射传播的信号。
48.地球天然脉冲电磁场采集设备由矢量电磁信号接收传感器(也可以称为天线)、数据采集记录装置(相当于上述信号处理模块，也可以称为主机)组成，其结构示意图如图3所示。
49.地球天然脉冲电磁场采集设备体积小、重量轻、结构单一。其中传感器模块体积仅为10mm*10mm*8mm、记录装置体积仅为10mm*80mm*40mm；天线模块、主机模块、配套电缆总重量和仅为1.2公斤；系统设计结构紧凑，能够进行大范围的快速扫描探测。使用难度明显低于传统主动式电磁探测设备，特别适合小型无人机搭载应用。
50.其中，矢量电磁信号接收传感器包含3个磁性通道天线系统，每个磁性通道天线系统内部包括接收线圈(分别为x分量接收线圈、y分量接收线圈以及z分量接收线圈)、选频放大器(带通滤波器及放大器)及长线驱动器。输出接口采用9芯航空插头，分别为内部供电及三个正交方向模拟量输出。
51.其中数据采集记录装置包含三个长线接收器(针对于每个分量各一个)、放大器、比较器(包括x脉冲比较器、y脉冲比较器以及z脉冲比较器)、模数转换器、存储器、gnss接收机、主控制器、内置电池。输入输出接口采用3个航空插头，4芯插头为仪器供电和内置电池充电，5芯插头为rs232电平的数据传输接口，9芯插头为传感器接口。
52.此外，还可以在在手机或计算机内运行预设的传输软件，将数据采集记录装置中存储的数据传输到手机或计算机中。
53.该装置的仪器性能指标如下：技术特性中，频段：1k～30khz；天线灵敏度：<5μv；放大倍数：1、2、5、10、20、50、100、200；门限值水平：2.0mv～2.5v；记录时间：1.0s～10.0s；记录方式：自动记录；其中，仪器记录的数据内容包括(一)仪器型号、记录时间、周期、门限值；(二)测点数据记录的时间；(三)gnss定位后精确时间、位置坐标、海拔高度、移动速度等；(四)在记录时间内，测点在x、y、z三个方向上的电磁脉冲数量和时间总长度。
54.该装置的数据采集原理如下：在仪器中，矢量电磁信号接收传感器通过特别设计的宽频天线来接收电磁信号并记录数据。宽频信号的利用是该技术最重要的特点之一，因为它能够以最适宜的频率记录来自地球岩层的辐射信号。使用了各向异性的内置架式天线，该天线由三个相互垂直的线圈组成。可在1k～30khz(3db水平)的频率范围内，取得高精度(
±
5％)和大动态范围(0.05～20nt)的磁场参数，分别同时测量三个正交方向(x、y、z)的电磁辐射信号强度(ix、iy、iz分量)。
55.记录仪测量脉冲的活动能力，显示在给定时间范围内的电磁辐射脉冲的数量和大小，辐射强度的比例中值。电磁辐射记录是在两种模式下同时进行的，第一个模式为控制具有固定门限值的模式，第二个模式为控制具有浮动门限值的模式。在测量开始之前，设置固定门限值，在观测过程中保持不变。利用固定门限值模式，测量磁场平均强度变化的灵敏度。利用浮动门限值模式，在观测过程中直接对前10s时间间隔中的磁场强度的平均水平进行自动调整。
56.为了控制测量模式，可对不同类型的电磁辐射进行计算机模拟，其中包括对混合输入信号的测量结果进行计算机模拟。图4及图5为对两路混合模拟信号的电磁辐射的测量结果。
57.图4为高斯过程的测量结果。向仪器输入两个互不相关的类似的干扰信号(a和b)，每个干扰都是一个高斯随机过程。在记录固定门限值的模式中，采用门限值为0.9μт。d
a
/d
b
为a、b两个信号的离散比，粗曲线是在固定门限值模式下记录的离散比，细曲线是在浮动门限值模式下记录的离散比。假设信号b的离散值d
b
＝0.25(mт)2不变，而信号a的离散值d
а
在0～400(mт)2之间变化。在固定门限值模式下，当d
а
/d
b
比值增加到150时，电磁辐射的活动性迅速地增加，然后几乎保持不变。在浮动门限值模式下观察到相反的情况：当d
a
/d
b
比值约为4时，电磁辐射的活动性下降，然后该比值摆动于零上下，在这种情况下，有25个脉冲。只有在d
a
/d
b
比值约为100时，电磁辐射的活动性保持不变。
58.图5为随机高斯过程和脉冲过程的测量结果。向仪器输入一个具有给定频率f0、给定振幅a
a
的信号a，该信号为脉冲过程，同时向仪器输入一个类似于干扰的信号b，该信号为σ
b
＝0.25μт的高斯随机过程。对信号a，假设f0＝100hz(脉冲持续时间取为10μs)，而振幅在0～30μт之间变化。在浮动门限值记录模式下(细曲线)，在a
a
<2.0μт的低振幅区，b信号抑制电磁场的活动性，但并不会影响到aa高值区域的测量结果。此时，电磁辐射活动性值为每
秒100个脉冲。而在a
a
>1.5μт的高振幅区，预期的电磁场的活动性值也几乎保持不变，但其值比f0要大。
59.采用上述装置进行磁场采集的方式具有仪器轻便、施工简单、抗干扰能力强、运载工具灵活多样等特点，是一种能适应大面积的快速、高效的被动源地球物理探测新方法。
60.本发明实施例还提供一种地球天然脉冲电磁场采集设备，如图6所示，该设备包括如上述地球天然脉冲电磁场采集装置70及供电模块80。
61.本发明实施例提供的地球天然脉冲电磁场采集设备，其实现原理及产生的技术效果和前述地球天然脉冲电磁场采集装置实施例相同，为简要描述，地球天然脉冲电磁场采集设备的实施例部分未提及之处，可参考前述地球天然脉冲电磁场采集装置实施例中相应内容。
62.本发明实施例所提供的地球天然脉冲电磁场采集装置和设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的地球天然脉冲电磁场采集装置对应的方法，具体实现可参见前述实施例，在此不再赘述。
63.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
64.另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
66.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，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精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。