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.     

用于MT方法的超小型感应式磁场传感器

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,受物理原理制约,该类磁传感器的噪声水平与其长度和体积约成正比,典型用于大地电磁测深方法(Magnetotellurics MT)的感应式磁场传感器长度约为1.0~1.4 m,重量在6~10kg.本文采用一种磁通聚集器技术,突破了传统感应式磁场传感器的设计瓶颈,能大幅度降低传感器的长度,本文设计的用于MT方法的超小型感应式磁场传感器长度230 mm,直径110 mm,重量6 kg,长度约为传统MT磁场传感器的20%,工作频率范围为1 mHz~1 kHz,噪声水平0.1 Hz为5pT//Hz,1 Hz为0.5 pT/(Hz)~(1/2),10~100 Hz为0.1 pT/(Hz)~(1/2);野外实验表明:单轴可用于MT测量中垂直方向测量,可极大地提高施工效率;如将集成为三方向的矢量磁场传感器,总体积不超过23 cm×23 cm×23 cm,重量小于21 kg,可放置在标准17英寸的深海浮球内,实现海洋MT、CSEM方法测量,将有效降低整个海洋电磁仪器的体积和成本,具有广阔的应用前景.     

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。     

电磁辐射"EMOLS"仪观测结果原理及震例

“九五”期间研制的“EMAOS”电磁辐射仪,其接收原理是按大地电磁测深的原理改进而研制的。选择接收频段为0．01～10Hz,该频段探测深度在0～20km,是浅源地震发生的层位。记录的电磁扰动是在应力场作用下,动电效应产生的电磁场。电场和磁场同时记录增强了信息可信度的判断能力,记录震例表明,异常规律与已有模拟结果基本相同。因此,已总结的模拟记录预报指标等可在数字记录结果中使用。     

TEM方法中磁场垂直分量Bz强度特征研究

瞬变电磁法由于其高效、轻便等诸多优点成为现今应用较为广泛的地球物理勘探手段.但由于二次场随时间衰减较快,TEM方法在勘探深度上受到一定的限制.近几年,低温 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)磁传感器硬件已经研发成熟,可以应用到TEM方法中,用于磁场强度探测.本文提出了均匀半空间TEM磁场分量Bz的显式表达式,并借助正弦数值滤波变换,得到了层状介质的磁场时间域计算公式.针对均匀半空间地层,分别进行了不同收发距、不同电阻率条件下的Bz响应特征计算.此外,对于层状介质模型,针对不同层厚的两层介质、低阻薄层和高阻薄层的三层介质,均进行了Bz正演结果.最后,对1 km长偶极的TEM磁场响应在地表空间分布情况进行讨论.结果表明,Bz作为TEM测量手段,对深部低阻薄层的探测灵敏度优于高阻薄层;且相对于传统TEM方法中测量磁场变化量,直接测量磁场Bz可以明显地提高探测方法的优势,增大勘探深度,并且电偶极其测量空间范围更大,效率更高.     

CGY-1A型磁感应传感器的研制

CGY-1A型磁传感器是根据电磁感应原理设计而成,其灵敏度很高,达280μV/γ·Hz。配LH型磁放大器,其分辨率可达4×10~(-3)γ/mm·Hz。该器件与国内现用大地电磁测深磁探头以及美国现用磁探头器件在同一技术条件下进行对比测试,其结果表明:CGY-1A型磁传感器可以记录到适当频率的天然电磁场,这样为分析高空磁层和地球内外场耦合、探测地下构造、普查石油、地热资源有着实际价值。     

“天宫一号”大气质谱信号和地磁M15秒数据磁扰频段的小波分析

本文采用小波变化分别对受磁扰时段的"天宫一号"大气质谱信号和乌鲁木齐台地磁FHDZ-M15秒数据进行频段分析.实验发现"天宫一号"大气质谱信号和地磁M15秒数据信号的频谱优势频段在0.005~0.025 Hz之内,其中主要受干扰的频段为0.01~0.02 Hz.在地磁M15秒数据的预处理数据中,将H分量和F分量的主要磁扰频段滤出,实验结果表明:含有主要磁扰频段的H分量和F分量SNR(信噪比)分别为37.17 d B和32.99 d B,滤出空间主要磁扰频段后的H分量和F分量SNR分别为215.71 d B和245.54 d B,SNR有了很大的提高.地磁M15秒数据信号有了较为明显的改善,提高地磁资料对于地震监控的应用效果.     

地面电磁探测(SEP)系统对比试验——内蒙曹四夭钼矿

为了检验自主研制的地面电磁探测(SEP)系统各组成部分在实际勘查中的性能与可靠性,以及整体系统的野外实际工作能力,在内蒙古乌兰察布市兴和县的曹四夭钼矿开展了SEP不同类型磁传感器之间以及SEP整套系统与国外商业仪器系统的全面对比试验.试验采用多种方案,分别进行了高温超导磁传感器和感应式磁传感器之间的性能对比试验;磁通门磁传感器和感应式磁传感器之间的性能对比试验;SEP发射机与GGT-30发射机、TXU-30发射机的发射性能对比试验;SEP系统与V8、GDP-32II等国际先进仪器的CSAMT法综合对比试验;以及SEP系统和V8系统的MT法对比试验.本文对试验结果进行了分析,表明自主研制的SEP系统已经基本达到甚至优于国外同类产品的性能,能够很好地胜任野外实际勘查工作.     

基于welch功率谱估计的地磁GM4秒数据频段分析

基于welch算法的经典功率谱估计对新疆区域内乌鲁木齐台、喀什台和且末台的3台GM4磁通门磁力仪磁扰日时段的秒数据进行分析。实验首先分别对3台GM4秒数据的高频数据进行FFT分析,磁扰日时段3台GM4秒数据受磁扰较为明显的频段均集中在0. 005～0. 025 Hz,此频段内振幅较大,突跳点较多。实验基于welch算法的功率谱估计对3台GM4秒数据进行功率谱分析,频率域采用受磁扰较为集中的频段,结果表明:3台GM4秒数据受到的干扰主要为地磁场的高频部分,干扰的频段范围集中在0. 002～0. 006 Hz内,H分量数据波动较大,在该频段内数据曲线出现毛刺和高频震荡现象; D分量在此频段内有轻微波动; Z分量数据整体较为平滑,受扰最小。     

高温超导磁强计在瞬变电磁法中的应用研究

通过对高温超导磁强计的不断完善,研制出了适合在瞬变电磁法中使用的高温超导磁强计,实现了在瞬变电磁法中直接测量磁场的目的.同时开展了瞬变电磁法感应磁场的数据处理与解释技术研究,开发了瞬变电磁法感应磁场的电性成像软件,可以对使用高温超导磁强计作传感器测得的瞬变电磁感应磁场数据进行处理与电性成像.野外实验表明:高温超导磁强计工作稳定,在瞬变电磁法中使用高温超导磁强计比使用感应线圈做传感器提高了勘探深度.     

海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制

海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极-偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/√HZ @(1~100Hz).将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.     

高频电磁测深在地下热水勘探中的应用

高频电磁测深法是一种利用天然高频电磁场作为场源的电磁勘探方法,具有高分辨率和相对直流电法较深的勘探深度的特点,特别适合中浅层地热和地下水勘探。本文介绍了一个应用高频电磁测深评价地下热水资源的一个成功实例。野外数据采集采用了高频电磁测深系统MT-U5A,采用远参考技术,以保证数据采集质量。高频电磁测深资料二维反演成像处理结果较好地描述了地下热水的空间分布范围,为查明该区的地下热水的来源提供了较有利的证据。     

坑(井)-地多参数电磁接收系统

坑（井）-地多参数电磁接收系统在地面、坑道、井中三维空间观测天然场源及人工源电磁信号,观测装置接近或穿过矿体,借助动源、大功率发射可获得更加明显的异常值,旨在加大探测深度的基础上提高深部分辨率,同时获取电阻率、极化率、复阻抗等参数.为坑（井）-地电磁成像方法现场数据采集提供硬件设备支持,针对坑道、井中电磁观测的特殊需求,开发了由不极化电极、非接触电极、小型感应式线圈、微型三分量音频磁传感器、地面-坑道电磁接收机、井中电磁接收机等组成的坑（井）-地多参数电磁接收系统,解决了传统不极化电极坑道硬岩表面接地困难和传统感应式磁传感器难以适应坑道狭窄空间的问题;通过多层次的室内、弱干扰条件下野外测试验证了接收系统的各项技术指标,接收机通道全频段噪声水平接近10 nV/rt（Hz）,微型三分量音频磁传感器体积压缩至32 cm×32 cm×32 cm;强干扰条件下的矿山试验验证了接收系统的可靠性、适用性及先进性.     

一种多波宽频地震数据采集设计与仪器实现关键技术

随着多波多分量技术的发展,宽频数据采集逐渐成为地震勘探的发展趋势.通过高保真获取全波场信息,并尽可能保留高频有效成分,进而利用多种波场信息相互验证和补充,是提高地震勘探精度的有效方法.受仪器带宽限制,常规设备在高频段很难同时保持高分辨率和大动态范围特征,在多波地震采集时,极容易出现分辨率不足和限幅失真等现象,极大影响多波多分量方法的实际应用效果.鉴于此,本文给出一种利用积分器、高频ADC、DAC和抽取滤波器构成的低成本宽频数据采集方法.通过构造环路滤波器(调制器),对高频ADC输出数据中的量化噪声二次整形,并配合抽取滤波,对带外噪声进行有效压制.实际测试表明,通过精细电路结构设计,采集站有效分辨率可达24位(采样率为2 kHz),动态范围超过140 dB,SNR达142 dB.相比传统设备,其采集数据在5～25 Hz的低频段和100 Hz以上的高频段都具有更加丰富的有效信息,非常适合多波多分量数据采集.     

无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用

以无人飞艇作为载体的时域地空电磁探测系统,具有高效、低成本、勘探深度大和空间分辨率高等优点.本文基于二维有限差分方法,分析了长导线源地空电磁响应的特征和变化规律、以及飞行高度的影响;在此基础上,采用32位Cortex-M3内核处理器,以全差分模拟前端压制电磁干扰,实现了24位低噪声多通道海量电磁数据的同步采样及存储,研制了一套可搭载于无人飞艇的时域电磁接收系统,并基于Wi-Fi Mesh无线多跳网络实现了地面远程监控.通过分析飞艇发动机的电磁噪声特点,采用独立分量分析法进行实测数据的噪声去除.研制的地空电磁接收系统使用无人飞艇搭载,在江苏省南通市如东县和内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验,地空电磁勘探结果与地面瞬变电磁和大地电磁方法进行了对比,证明了地空电磁探测方法的有效性.无人飞艇时域地空电磁探测系统的成功飞行实验,为在我国草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展矿产资源、水资源、地质灾害等电磁探测提供了新方法和新思路.     

The Application of the Acoustic Method to the Exploration of Urban Active Faults and a Comparison with the Artificial Earthquake, and Radar Methods

The depth of upper fault point is the key data for ascertaining the active age of a buried fault on a plain. The difference of depth obtained from same fault may be dozens to several hundred meters when using different geophysical methods. It can result in the absolutely opposite conclusions when judging fault activity. Because of a lack of an artificial earthquake source with wide band and high central-frequency, many kinds of methods have to be used together. The higher the frequency of the artificial earthquake wave, electromagnetic wave and sonic wave, the higher the resolution. However the attenuation is also very fast and the exploration depth is very shallow. The reverse is also true. The frequency of artificial seismic waves is in the tens of Hz. Its exploration depth is big and the resolution is poor. The frequency of radar electromagnetic waves is about a million Hz, indicating that the resolving power is better, but the exploration depth is very shallow. However, the acoustic frequency is thousands of Hz, its resolving power is better than that of the artificial earthquake method and the exploration depth is larger than that of the radar method. So it is suitable for extra-shallow exploration in the thick deposit strata of the Quaternary. The preliminary results detected using the high frequency acoustic method in extra-shallow layers indicates that previous inferences about some fault activity in the eastern part of the North China plain may need to be greatly corrected.     

声波方法在城市活断层探查与评价中的应用--人工地震、雷达和声波方法的比较与组合

断层上断点深度是确定平原隐伏断层活动年代的关键数据。对同一断层用不同物探方法获得的数据相差可达几十到几百米，这一差值可能导致对断层活动性的判定结论完全相反，由于缺乏宽频带、中心频率高的人工震源，只能采用多种方法联合探测。人工地震波、电磁波和声波的频率越高，分辨率越高，但衰减快，可探测深度也降低。相反，频率低，分辨率下降，但探测深度增大。人工地震波频率为数十赫兹，探测深度大，分辨能力低。雷达电磁波为10^6Hz量级，分辨能力强，但探测深度很小。声波为数千赫兹，分辨能力优于人工地震，探测深度大于雷达，性状介于二者之间，适合厚层第四纪沉积层的超浅层探查。声波高分辨率超浅层探测的初步结果表明．以往华北平原东部某些断层活动性的论断可能要做很大的修正。