直升机时间域航空电磁多脉冲发射控制技术

针对直升机时间域航空电磁(Helicopter Transient Electromagnetic,HTEM)系统对发射宽频带一次场信号的技术要求,论文提出一种新颖的基于LC谐振原理的桥式组合波形发射机电路,详细论述了多脉冲发射的原理和电路设计方法,重点分析了桥式电路发射半正弦与梯形波过程中能量转化的动态过程和电路参数计算.研制完成发射主脉冲500 A、梯形波50 A的双极性多脉冲组合波样机电路,并通过测试实验验证.测试结果表明:在高感性发射线圈的情况下,论文提出的发射控制方法实现了大磁矩脉冲与陡边沿小磁矩脉冲的组合发射,其中小脉冲边沿线性关断,持续时间可控,提高了HTEM发射系统的探测能力.论文提出的控制方法通过复用同一套发射电路简化了电路结构,提高了稳定性.     

考虑关断时间的瞬变电磁视电阻率计算及不同波形浅层分辨特征分析

发射电流波形与关断时间会影响瞬变电磁早期响应,导致瞬变电磁浅部信息缺失形成探测盲区．为了分析发射波形对瞬变电磁探测盲区的影响,文中实现了考虑发射波形影响的瞬变电磁全域视电阻率定义方法,并基于该算法对常用的发射波形瞬变响应对浅层电性介质的分辨特征进行分析．首先,采用电流波形与阶跃响应的褶积实现了任意发射电流的全波形瞬变电磁响应计算,将地下电阻率作为全波形响应的函数,利用反函数原理实现了全波形响应的视电阻率计算．然后,以航空瞬变电磁装置为例,利用文中视电阻率计算方法分析了层状介质不同发射波形瞬变电磁视电阻率曲线特征．根据不同盖层厚度视电阻率曲线可知,当覆盖层较厚时,不同发射波形的视电阻率成像结果与模型电性特征基本相近;当盖层厚度较小时,半正弦波、三角波和梯形波等off-time较长的发射波形瞬变电磁响应不能反映浅层的电阻率信息,早期道视电阻率受到深部电性影响,形成了一定范围的探测盲区．最后,利用文中视电阻率计算方法对不同发射波形的复杂三维模型正演的数据进行分析,半正弦波、三角波和梯形波的瞬变电磁响应都能反映异常的地表位置,但会丢失浅部地层信息,深部异常出现时间提前且纵向拉伸．这是由于关断时...     

瞬变电磁接收装置对浅层探测的畸变分析与数值剔除

从理论上对瞬变电磁系统的接收装置频率特性进行分析,得出了瞬变信号在早期发生畸变的根本原因,揭示出接收装置在发射电流关断期间和电流关断后对一次场和二次场的影响关系,给出基于导电球体模型下接收装置的谐振频率与最小取样时间的关系图,进而讨论了接收装置对浅层目标体探测的影响.当瞬变电磁测量系统在电流关断开始时刻记录全程瞬变响应和发射电流波形时,如果接收装置的位置和谐振频率已知,就可以通过数值计算方法从根本上剔除接收装置对早期瞬变信号的影响,即使接收装置存在过渡过程,也同样可以实现近地表浅层的探测,从而缩短瞬变电磁法的浅层勘探盲区,提高近地表的探测分辨率和精度.     

ATTEM系统中电流关断期间瞬变电磁场响应求解的研究

在瞬变电磁法中,由于发射电流关断时间不为零、接收线圈的谐振频率有限,早期瞬变电磁信号发生畸变,只能舍弃,因此存在着探测盲区. 针对这一问题,研究了瞬变电磁方法中发射电流关断期间总磁场的形成过程,论证了一次场、二次场和总瞬变场的关系,分析了接收线圈的频率特性和关断时间对瞬变电磁场的影响,提出从总磁场中剔除一次磁场影响的方法,从而获得电流关断期间和电流关断后的早期瞬变电磁场. 采用吉林大学自主研制的瞬变电磁测量系统(ATTEM)在长春市伊通河活断层进行勘探,进一步验证了算法的有效性,缩短了瞬变电磁法的勘探盲区,实现了近地表4 m以下的勘探,可以清晰地分辨近地表的低阻异常,提高了浅层探测精度和分辨率.     

短偏移瞬变电磁探测系统研究

短偏移距瞬变电磁法是近年来发展出的新方法,具有信号强、带宽大的特点,现有国际主流装备是面向传统大收发距模式设计开发的窄带系统,研发小收发距模式下的大电流宽带系统,对于推广应用新方法具有重要意义.为此,本文提出大电流快关断发射、低噪声宽频带接收设计方案,攻克超高压恒压钳位技术,自适应可变阻尼技术等核心技术.在同等条件下有效发射功率提升约2.5倍,关断时间压缩近4倍;系统时域噪声水平0.1 nT/s,工作带宽25 kHz.装备系统在增大发射电流和降低噪声的同时,拓展了系统带宽,实现了装备系统与新方法的强匹配.新装备的研发将为我国3000 m以浅矿产资源精细探测做出贡献.     

基于反卷积提取航空发射电流波形算法研究

时域航空电磁系统(AEM)的发射电流波形,在地面由于散热、电源功率等因素限制,无法直接测量全功率下的大电流波形.本文针对这一问题,提出了通过测量地面异常线圈的小幅值感应电流,建立地面异常线圈感应电流与空中发射线圈的发射电流关系,采用反卷积算法提取发射机电流波形.通过仿真数据和地面实验进行算法验证,将实验测量数据还原的发射机电流和实际发射机电流对比,结果表明感应电流采集装置的传递函数、不同观测位置的测量精度对还原发射波形具有一定影响,当空中发射线圈与地面异常线圈共中心时,产生的感应电流幅值最大,还原出的发射机电流与实际电流波形误差最小.     

墙体渗漏检测的基础研究和应用

墙体渗漏的几何尺寸通常很小,所引起的电导率空间差异小,用现有的高密度电法和瞬变电磁勘探方法检测这些很小的渗漏位置,其空间分辨率不够.本文在墙体两侧用电极供电,记录供电电极正向导通、正向关断、反向导通和反向关断这四个过程的瞬态响应全波波形,以穿过墙体的渗漏电流在地层内所产生的直流和瞬变电压异常为有用信号,用不同时刻的电压...     

考虑关断时间的地面瞬变电磁三维带地形反演

起伏地形和关断时间对地面瞬变电磁响应影响严重,这给传统基于水平地表模型和理论阶跃波形的瞬变电磁数据解释技术带来很大困难.为此,本文开展考虑起伏地形和关断时间的地面瞬变电磁三维反演算法研究.正演采用基于非结构网格和后退欧拉隐式时间离散格式的时间域有限元算法,快速模拟起伏地表模型瞬变电磁响应.反演采用L-BFGS算法,减少每次反演迭代的计算量.针对发射线圈随地表起伏变化的特点,利用基于偶极子离散的场源处理技术模拟发射源的实际形状,采用瞬时电流脉冲技术实现考虑关断时间的地面瞬变电磁三维正演模拟.我们首先将本文开发的三维反演算法应用于理论模型的反演计算中,检验本文算法的可靠性,并分析地形和关断时间对反演结果的影响特征.在此基础上,进一步将本文算法应用于实测数据反演,验证本文算法的实用性.     

考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演

从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程,然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数,不能构成显式的时域有限差分方程,借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程.对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进:第一,通过将矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程,实现回线源瞬变电磁激发源加入;第二,在计算中考虑关断时间.第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算,并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件,使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型.由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式,第二点改进可以方便设置发射电流下降沿.采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证.以H模型为例,采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线.以实际地质资料为基础,构建包含两层采空区的三维复杂模型,以1 μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算,并计算了该复杂模型的视电阻率曲线.     

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...     

浅海瞬变电磁全波形响应特征及探测能力分析

瞬变电磁法在浅海工程勘探等领域受到了越来越多的关注.目前浅海瞬变电磁仍处于应用初期,相关研究少且未有成熟装备问世,有必要研究其探测能力并为观测系统选取最佳观测参数.本文以几种典型发射波形为例,采用褶积算法细致分析了不同发射波形条件下浅海瞬变电磁on-/off-time响应受海底介质电导率、磁导率及发射波形脉宽等参数的影响特征与规律;通过三维正演并设定极限探测深度阈值,进一步分析不同发射波形on-/offtime期间浅海瞬变电磁探测能力及对典型三维目标体的极限探测深度.基于本文研究成果,可为浅海瞬变电磁探测装置设计、观测系统的参数选取及试验参数的选取等提供了一些有价值的理论借鉴.     

多通道瞬变电磁m序列全时正演模拟与反演

传统瞬变电磁方法主要用于金属矿勘查,无法满足油气资源高阻目标体的勘探需要.多通道瞬变电磁(MTEM)系统的出现解决了这一问题.该方法采用伪随机序列发射波形和拟地震观测方式,测量同线电场分量,记录全时发射电流及多道观测数据,实现对高阻薄层的高精度探测.鉴于国内对此方法的研究还处于理论探索阶段,尚未进行相应的仿真模拟和数据处理工作,本文针对m序列发射波形多通道瞬变电磁法的全时正演模拟和反演解释进行研究,为国内正在进行的MTEM仪器系统研发及数据解释提供理论指导.我们利用方波响应移位叠加和电流导数与阶跃响应褶积两种方法实现理论m序列和实际发射波形的全时正演模拟;再通过相关辨识技术,削弱噪声影响,计算脉冲响应;最后对积分得到的阶跃响应进行共中心点道集数据联合反演,获取地下电性分布信息.     

瞬变电磁法中关断电流的响应计算与校正方法研究

关断电流的存在直接影响仪器的探测能力和数据资料的解释.为了分析和校正这种影响,文中给出了关断时间的计算方法,根据多匝回线源产生的瞬变场理论解析式,计算了线性和半正弦关断电流影响下瞬变场表达式,计算半正弦关断电流产生的瞬变场时将正弦函数进行泰勒展开;分析了关断时间在2μs～100 μs之间两种关断模式产生的瞬变响应.结果显示;同一关断时间下线性关断电流和半正弦关断电流对瞬变场的影响主要表现在"早期",并且随观测时间的增加影响逐渐减弱.同时,关断时间越长,关断效应对瞬变场的影响越向瞬变"晚期"延伸;半正弦关断电流对瞬变场的影响大于线性关断电流.当关断时间为100 μs时,关断电流产生的瞬变场曲线约在0.5 ms之后与理论曲线重合.研究结果为数据处理和仪器开发提供参考.     

斜阶跃电流激励下多匝小回线瞬变电磁场延时特征

采用Duhamel积分对斜阶跃电流激励的瞬变电磁场进行直接计算,应用叠加原理得到了多匝小回线全域瞬变电磁响应.研究了多匝小回线的早、晚延时临界条件以及等磁矩单匝大回线与多匝小回线的延时和关断时间特征,分析了电阻率、厚度等参数变化时斜阶跃电流对层状模型瞬变响应的影响特征,最后采用实测数据验证了关断效应的校正效果.结果显示,回线边长越小或表层电阻率越大,瞬变响应越早离开早期并进入晚期.多匝小回线的关断时间远大于等磁矩的单匝大回线,但由前者激发的瞬变响应进入晚期的时间却大幅提前,更有利于晚期条件下各种理论公式的使用.斜阶跃影响校正结果显示,增加多匝小回线的匝数可以扩展反演深度的范围,减少匝数则可以提高反演电阻率的精确性;实测数据处理结果显示校正方法产生了一定的效果.本研究补充了多匝小回线瞬变电磁理论内容,研究结果可以为复杂环境中小尺寸多匝线圈的工作参数选择提供参考.     

激发极化观测中电磁耦合的时间特性

为了克服激发极化观测中经常遇到的电磁耦合干扰,以往研究大多基于电磁耦合的频率特点.本文从电偶极子电磁耦合的基本公式出发,借助拉普拉斯变换和数值积分,着重研究了电磁耦合的时间历程及特点.研究表明,在足够长时间的矩形电流激励下,偶极装置电磁耦合的响应电位差表现为矩形激励电流开通时的上升斜坡和关断时的下降斜坡,并且使电磁信号到达的时间推迟;中间梯度装置的电磁耦合响应表现为矩形激励电流开通时的正尖脉冲和关断时的负尖脉冲,同时也使电磁信号到达的时间推迟.与激电法常用矩形电流的接通（关断）时间相比,不论采用何种观测装置,电磁感应耦合终归是一种“短命”的瞬变现象.不同装置的电磁耦合既有不同之处,又有相同之点.在固体矿产勘查常见的地电条件下,就激电法常用的中间梯度和偶极装置以及供电波形而言,电磁耦合的时间一般不超过10^-2 s,利用这些时间特点能够达到区分并克服电磁耦合的目的.     

MCSEM发射电流波形的高精度时间标识技术

加紧研究和发展海洋可控源电磁法(MCSEM)对我国海域能源资源的调查具有重要意义.在MCSEM勘探中,发射机记录的电流波形若没有精确时间标记,则无法与接收机采集到的数据进行同步处理,进而影响到感应电磁场相位信息的提取.本文对海底环境下发射电路所面临的这一亟需解决的特殊问题展开了研究.采用硬件同步分频和超长计数的时间标识技术,基于LPC2368微处理器、GPS对钟电路、高精度温度补偿晶振、CPLD、RTC模块、USB移动硬盘、霍尔电流传感器及其外围电路等搭建的新硬件平台,将高精度时间标记脉冲计数值连同发射电流波形数据一同记录至存储设备中,同时上传至甲板端,便于上位机对水下发射机进行远程监控.最后依托国家专项进行了海洋试验,验证了高精度时间标识技术的可靠性和准确性.     

瞬变电磁法理论的探测深度问题

本文在给出了瞬变电磁法理论探测深度的定义和考虑了各种干扰等因素的基础上,用电位异常方法计算了瞬变电磁法中的理论探测深度,分析了瞬变电磁法中理论探测深度与线框边长、供电电流和干扰感应电压之间的关系.研究结果表明,如果使用中心回线装置,只考虑发射线框边长发生变化,而其它因素不变时,理论探测深度首先会随着线框边长的增大而增大,当线框增大到在某一值时,理论探测深度达到最大.再增大线框时,理论探测深度反而会减小.     

考虑发射波形的瞬变电磁三维模型降阶快速正演算法

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-ti...     

全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算

全波形时域航空电磁测量具有解释精度高、分辨率高等优点,已成为新一代时域航空电磁探测发展的趋势.为此,本文基于无源有限差分法,将发射电流离散为若干梯形脉冲元,将脉冲元在时间上产生的电磁场转换为空间初始场,在差分迭代过程中分时引入差分方程,逐步将有源有限差分方程转换为无源有限差分方程,最终实现了发射电流为任意波形时,全波形时间域航空电磁响应的三维数值计算.计算结果表明:在梯形波发射时,对于典型地电模型的航空时间域电磁响应,计算稳定时间大于10 ms;与积分方程法相比,发射线圈中心点二次场响应平均误差小于1%.任意源三维全波形数值计算的实现为全波形三维反演和仪器设计奠定了基础.     

基坑帷幕渗漏瞬变电磁检测方法研究

本文研究位于地层中的发射电极导通或关断瞬间激发的瞬变电磁场在基坑帷幕和地层中的响应.针对实际的帷幕构建了三层介质模型,利用索末菲积分将点源激发的球面场分解为平面和柱面场的叠加后用分离变量法求解,给出了每层介质中势函数响应的积分表达式和数值计算结果.展现了帷幕电导率不同时三层介质的响应.瞬变电磁能量在地层和帷幕中既衰减又相移地向外扩散(不同于地层或帷幕在电场中的极化响应),其中相移描述瞬变电磁能量在空间的移动,具有传播特征,在帷幕边界会引起反射和透射,并在电导率高的帷幕中耦合出斜直线形状的等势面,与电导率低的帷幕响应形状差异明显.在帷幕另一侧的地层中产生不同极性的响应.帷幕渗漏位置电导率增加,帷幕和地层中测量的响应出现异常.从测量波形中分离出这些渗漏引起的异常即可对渗漏位置进行识别.以此为基础本文提出了基坑帷幕渗漏的瞬变电磁检测方法,对钻孔中的发射电极采用导通、关断、反向导通和反向关断的激发方式,在基坑帷幕两侧同步记录各接收电极的响应波形.获得四种基坑帷幕渗漏的检测信号:稳定直流场电位、自然电位、导通和关断激发的瞬态响应．与直流电法勘探相比,在检测效率基本不变的情况下通过时域波形记录了瞬...