地面电磁探测(SEP)系统集成及优化野外探测试验（英文）

为了检验自主研发的地面电磁探测(SEP)系统的性能,在辽宁兴城及内蒙阿拉善等地开展了野外系统集成、仪器性能比对及大规模生产性探测试验。通过与世界先进仪器的发射波形、接收电场、磁场、视电阻率、阻抗相位及反演结果的全方位多角度对比,表明自主研发的SEP系统数据与进口高端仪器的数据基本一致。大规模野外探测试验结果表明,SEP系统性能是稳定的,同时具有轻便、灵敏度高及易操作等优点,便于实际野外勘探生产。     

甘肃金昌金川镍矿SEP系统与国外仪器比对试验

地面电磁探测(SEP)系统在辽宁兴城杨家杖子矿与国外高端仪器对比试验中取得了不错效果.为了检验地面电磁探测(SEP)系统各组成部分在强干扰区中的性能及可靠性,以及由SEP系统各组成部分集成的整体系统的野外实际工作能力,继续在甘肃金川镍矿区,在强干扰背景下开展了与国外先进仪器的比对试验.利用SEP系统和国际高端著名商业仪器系统,通过不同发射机原始曲线、不同接收机原始曲线、反演剖面的对比,表明二者数据一致性较好,SEP系统的抗干扰能力已经和国际先进仪器相当,已经能够胜任各种复杂的勘探任务.     

地面电磁探测系统(SEP)研究

近年来,大地电磁法作为深部找矿与地球电性探测的感应类电法有了迅猛的发展,国内电磁法仪器基本上都是美、加、德三国地球物理公司所生产,中国已进口了几百套这些设备.随着中国国力的增强,地面电磁探测系统的自主研制被提到议事日程.从2010年开始,中国科学院地质与地球物理研究所牵头,联合中科院院内及高校等单位在国土资源部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)中承担了《地面电磁探测(SEP)系统研制》项目的研究,目前已取得阶段性成果.本文详尽地论述了大地电磁法仪器发展现状、系统研究目标和总体设计,SEP发射系统、感应式磁传感器、分布式电磁数据采集系统、3D EM数据正反演成像软件和可视化数据管理软件、SEP系统集成和野外测试结果,最后对地面电磁探测系统研究进行了讨论、总结和展望.     

地面瞬变电磁探测系统对比试验

为了检验自主研发的地面瞬变电磁探测系统(GPTEM)的稳定性和实际野外工作性能,在吉林省公主岭市附近开展了地面瞬变电磁探测系统与国外商业仪器系统各组成部分的全面对比试验.试验中,进行了两套仪器使用各自的常规装置展开单点传感器噪声对比、实测数据对比和整套仪器系统的稳定性和一致性对比.并在同一感应电动势-衰减时间(V-T)的坐标下考察两者的关断时间、感应电动势的幅值、曲线的光滑程度和衰减速率以及尾期信号的抗干扰度等硬性指标来衡量仪器的性能.试验分别进行了以下对比方案:(1)GPTEM和GDP-32Ⅱ传感器静态噪声对比;(2)GPTEM和GDP-32Ⅱ传感器实测数据对比;(3)GPTEM和GDP-32Ⅱ整套发射-接收系统性能对比.最后对GPTEM和GDP-32Ⅱ系统采集数据进行反演,并通过和测井资料对比,验证了采集结果的正确性.试验分析表明,自主研发的地面瞬变电磁探测系统具有稳定性较好、抗干扰能力强、对异常体具有较强的分辨能力等优点,已经达到和在某些方面已经优于国外同类产品的性能,能够很好胜任野外实际勘察工作.     

地震电磁扰动感应式磁传感器研制

地震电磁扰动观测需要研制高灵敏度、低噪声的感应式磁传感器。本文通过对感应式磁传感器等效电路的分析,得出增加磁芯的有效磁导率以及线圈的有效面积可提高传感器性能的结论,进而完成感应式磁传感器设计。通过理论分析及实践检验,研制的感应式磁传感器可以满足地震电磁扰动观测的需要。     

分布式电磁法仪器系统设计及实现

本文介绍一种采用大功率稳流发射、低噪声测量、宽频带接收以及分布式同步等技术,自主研制的分布式多功能电磁法仪器系统.系统包括大功率电磁法发射机、分布式电磁法接收机、磁场传感器、整流源等设备.采用ARM芯片和FPGA芯片进行发射机的整机控制和信号整形发射,采用PC104工控机和FPGA芯片进行接收机的整机控制和信号处理.在人工场源模式下实现了可控源音频大地电磁法（CSAMT）、谱激电法（SIP）和时域激电法（TDIP）等测量功能;在天然场源模式下实现了大地电磁法（MT）、音频大地电磁法（AMT）的测量功能.发射机在满功率发射的情况下连续可靠运行时间大于12 h,接收机的动态范围大于120 dB,接收机可接收信号频率范围是0.001 Hz~32 kHz.通过典型矿区的野外实验和应用,表明本系统的性能总体上达到了国际先进水平.     

瞬变电磁探测系统(CASTEM)试验对比——安徽颖上大王庄铁矿

为推进国产电磁勘探设备的高端化进程,自主研发了CASTEM瞬变电磁系统.在前期系统开发、测试及集成基础上,开展野外试验研究,以检验CASTEM系统的稳定性及探测能力.选择已取得显著勘探成果的安徽颖上县大王庄铁矿进行试验,试验内容包括大功率发射机性能、接收系统噪声性能、实测响应曲线和反演效果,并与国际高端瞬变电磁仪在上述几方面进行了对比.试验结果表明CASTEM系统的各项指标性能稳定、可靠,已达到国际先进水平;探测成果与高端瞬变电磁仪器探测成果以及钻孔资料相吻合,表明CASTEM系统可以用于深部勘探.     

高灵敏度感应式磁传感器测试研究

本文着重对研制的感应式磁传感器的本底噪声和灵敏度特性进行测试研究,在平行噪声测试方法（NPI）基础上设计了针对本研究的磁传感器噪声测试方法,测试结果表明：MC-30的噪声水平1 Hz时为0.3 pT/√Hz,10 Hz时为0.03 pT/√Hz,100 Hz时为10 fT/√Hz,1 kHz时为3 fT/√Hz,灵敏度为215 mV/nT;MC-50的噪声水平0.01 Hz时为10 pT/√Hz,1 Hz时为0.05 pT/√Hz,10 Hz时为10 fT/√Hz,100 Hz时为0.5 fT/√Hz,灵敏度为1359 mV/nT.除此之外,通过野外试验对比及工程应用验证了MC-30和MC-50具备良好的测量精度及野外工作性能,能够满足实际电磁勘探任务的需要.     

基于磁通负反馈结构的高灵敏度感应式磁场传感器研制

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,但也是阻碍我国地球物理电磁勘探仪器装备研发和推广应用的瓶颈技术.在我国SinoProbe计划中"地面电磁探测(SEP)系统"项目支持下,我们研制出用于大地电磁测深(the Magnetotellurics MT)方法的高灵敏度磁场传感器.研制过程中,采用磁通负反馈技术,增强传感器系统工作稳定性;采用斩波稳零放大电路技术,有效降低低频1/f噪声对传感器灵敏度的影响;采用高磁导率合金材料,增加磁场传感器的灵敏度.最终,MT磁场传感器工作频率范围为1 m√HZ ~1 k√HZ ,噪声水平0.1 √HZ 时为1.5 pT/√HZ ;1 √HZ 时为0.15 pT/√HZ ;10 √HZ 时为0.03 pT/√HZ ;长度96 cm,重量≤6 kg.理论和测试结果表明:与同类产品比较,本文研制的感应式磁场传感器在≥10 √HZ 时,平均噪声水平从150 fT/√HZ ,下降至30 fT/√HZ ,噪声水平更优,测量精度更高,能够更好地满足MT方法的需求.     

回线源地-空瞬变电磁系统及其在滑坡探测中的应用

中国南方地区地质灾害频发,遭受经济损失巨大,其中滑坡灾害危害最为严重.目前对于复杂地区滑坡地下结构探测方面的研究还存在薄弱环节,还缺少快速可靠的探测地下结构的手段.常规地面地球物理方法在复杂地形条件下存在施工困难的问题.应用数值模拟对比分析了回线源和电性源发射条件下场的分布特征和变化规律,为仪器研制和野外采集方案提供参考.针对滑坡地质灾害调查研制了基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统.该系统使用旋翼无人机作为飞行平台,目前地面发射机功率为10 kW,最大电压为250 V,最大电流为40 A,发射时基4/10/20 ms可选,下降沿为线性沿,同步方式为晶体+GPS;机载接收机采样率250 kHz,在关断后采集二次场并自动组道叠加,连续点号采集,输入等效噪声0.5μV;空中接收线圈为空心线圈,频率为30 kHz,等效面积3100 m².利用新研发的基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统在贵州发耳典型滑坡体上开展试验研究.对野外试验中地-空与地面瞬变电磁的实测曲线进行了对比分析.试验结果表明,新研制的地-空瞬变电磁系统稳定可靠,能够快速获取复杂地形条件下小范围内的...     

Field testing of the surface electromagnetic prospecting system

To test the performance of the Chinese whole-surface electromagnetic prospecting (SEP) system, system integrations, instrument performances, and large-scale production viabilities in Liaoning province and Inner Mongolia were measured via extensive field tests. Resultant electric fields, magnetic fields, apparent resistivities, impedance phases, and inversion profiles compared favorably with results of commercial equipment from other countries. The inversion results agreed well with the geologic information from boreholes. Field tests showed that the SEP system is stable, reliable, lightweight, and easy to operate, making it suitable and ready for real-field exploration.     

悬挂式球形分量线圈研制简介

基于国内外质子磁力仪分量线圈的最新进展, 综合国内外分量线圈的优缺点, 成功研制我国第一台悬挂式球形分量线圈。 该线圈具有体积小, 重量轻, 中心均匀磁场均匀度高, 分量观测值稳定性好, 均匀磁场对外辐射范围小等优点。     

地下磁共振响应特征与超前探测

地下（矿井和隧道内）超前探测灾害水源是磁共振测深（Magnetic Resonance Sounding,MRS）方法应用的新领域,在地球物理方法中是一个难题.本文在地面磁共振探测理论的基础上,建立地下全空间模型,推导直立线圈的磁共振响应信号表达式,对比国际标准模型验证了数值计算的准确性.引入旋转系数矩阵,计算任意地磁场方向和线圈方向的激发场垂直分量.研究了磁共振响应信号与线圈法向偏角和倾角的关系,指出当线圈法向方向垂直于地磁场方向时,磁共振响应信号最大.同时,研究表明磁共振超前探测距离与激发脉冲矩和接收灵敏度紧密相关,激发脉冲矩越大,接收灵敏度越高,则超前探测距离越大,但存在极限距离.在地下线圈尺寸受限的情况下,为使检测信号灵敏度为5 nV时,超前探测距离达到30 m,提出了边长2 m线圈的匝数优化方案,共圈模式最少需要100匝,分离线圈模式最少需要10匝发射线圈和160匝接收线圈.仿真模型试验结果证明,随着噪声水平增大,磁共振超前探测距离和反演分辨率均减小.泽雅隧道探测实践表明,本文提出的地下空间磁共振理论在矿井和隧道环境中进行超前探测是可行的.     

On-site calibration of air-coil sensor for transient electromagnetic exploration

This paper proposes a time-domain fitting method for on-site calibration of the air-coil sensor. The air-coil sensor has been widely used in transient electromagnetic exploration. Due to limited bandwidth of the coil, the output signal is distorted, causing a phenomenon known as the transition process. To accurately measure the magnetic field from the output signals, the relationship between the coil induced electromotive force and the output voltage must be confirmed by on-site calibration, which requires high calibration accuracy and demands simple operation, portable equipment, and adaptability to the environment. Conventional frequency response methods, however, requires a uniform magnetic field with various frequencies to obtain the frequency response curve of the air-coil sensor. The time to acquire the signal correlates with the number of test frequencies, and the equipment used to generate a uniform magnetic field must be tailored to the shape of the air-coil sensor under test. This paper constructs a relationship between the calibration file and the zero-input response of the air-coil sensor and designs an optimization algorithm to suppress the soil eddy current effect. This on-site calibration method lifts the dependence on the uniform calibration field and reduces significantly the time required for calibration. The calibration source can be generated by cutting off the voltage source in parallel to the calibration coil, which greatly reduces the cost of the signal generator and provides a better solution for realizing the embedded self-test devices. Experimental results show that the proposed method effectively improves the calculation accuracy of the apparent resistivity.     

Magnetic Field Feedback Circuit for Geomagnetic Field Compensation Control

In the current state of geomagnetic instrument testing, some aspects of geomagnetic instrument performance are difficult to test in the laboratory. If laboratory test results are inadequate, the instrument will have multiple problems while operating in the field, where a geomagnetic instrumentation test platform with a stable natural magnetic field is critical. Here, the magnetic field feedback circuit for geomagnetic field compensation control is studied in detail. That is, the magnetic field measured by the feedback magnetic sensor and the required working magnetic field are compared as input to the system, and the electric signal is transmitted to the feedback coil through an analog circuit to form a closed loop control, which provides compensation to control the magnetic field. Compared with the existing magnetic shielding method, the analog control circuit can achieve the realization of any working magnetic field, and it is not limited to a null magnetic field. The experimental result shows that the system compensates the earth''s magnetic field of 10,000nT with an average error of 10.6nT and average compensation error of 0.106%, providing a high compensation accuracy. The system also shows high sensitivity and excellent stability. The feedback circuit has achieved effective compensation control for the earth''s magnetic field.     

基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法

基于等值反磁通原理的瞬变电磁法是一种新的探测地下纯二次场的方法.该方法采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源,且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上,测量对地中心耦合的纯二次场.理论计算和物理实验论证了该方法能够有效消除接收线圈本身的感应电动势,从而获得地下纯二次场的响应.理论推导和数值计算证明了该方法采用的双线圈源比传统瞬变电磁法采用的单线圈源对地中心耦合场能量更集中,因而有利于减少旁侧影响、提高探测的横向分辨率.实测试验表明该方法是浅层探测的一种有效方法.     

磁线圈对地磁场的物理模拟及对地磁导航研究的意义

利用磁线圈对地球基本磁场开展动态模拟,将地磁场随空间的变化转化为在实验室中随时间的变化,能够为地磁导航系统的匹配试验提供物理仿真的地磁场环境。本项研究依照虚拟仪器技术思路,对磁线圈、恒流电源、磁通门磁力仪(或Overhauser磁力仪)和工控机进行数字化连接,并采用LabVIEW编程进行驱动控制,通过自动调节线圈绕组中的电流大小来实现对磁场的物理模拟并进行实时监测,尝试组建了地磁场动态模拟系统,并分别开展了对地磁场总强度和三分量信号的动态模拟实验。模拟系统可以实现天然地磁场和人工编制两种动态信号的输出模拟,且拟合效果良好。地磁场动态模拟系统的初步建立为今后地磁匹配试验等研究提供了仿真磁场环境。     

三度剩余磁力异常源全方位成像的理论和方法

首先在球坐标系中导出了三度磁性体的“拟引力位”V（p）、“拟引力场”F（p）、磁位U（p）、总磁场T（p）和任意方向磁场分量（p户）等球谐级数正演通式．然后,采用（p）,F（p）和V（p）等3个球谐级数正演通式,建立了复杂条件下三度剩余磁力异常源全方位成像方法．最后,给出了“成像”理论方法体系的应用实例．