專利名稱：用于時域電磁測量的補償線圈和b場測量系統(tǒng)及裝置的制作方法
用于時域電磁測量的補償線圈和B場測量系統(tǒng)及裝置本申請要求2008年8月四日提交的美國專利申請No. 12/201,305的優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。領(lǐng)域以下公開內(nèi)容一般涉及地球物理電磁測量領(lǐng)域，更具體地涉及利用通過包括補償線圈和信號處理裝置的裝置產(chǎn)生的時域電磁測量來獲得B場的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地球物理電磁(EM)技術(shù)在確定離地表深度約達三千米的土壤、巖石以及其它導(dǎo)電物質(zhì)的電導(dǎo)率時會是有效的。那些從事賤金屬和鈾礦床、含水層以及其它地質(zhì)建造的地圖繪制的人員對如此深度下的電導(dǎo)率分布是極為感興趣的。地球物理EM方法涉及對地面附近由主磁場所產(chǎn)生的隨時間變化的磁場的測量和大地電導(dǎo)率分布的建模。這些磁場或由施加至發(fā)射器的周期性電流產(chǎn)生，或由主要源自地球大氣中的閃電的自然產(chǎn)生的電磁場產(chǎn)生。EM場可具有與大地電導(dǎo)率和頻率二者的平方根的倒數(shù)成比例的特征大地穿透深度。在已知方法中，利用接收器線圈系統(tǒng)(可測量磁場對時間的導(dǎo)數(shù)dB/dt的多達三個正交分量)或磁強計(測量磁場B)測量磁場信號。然后將所接收的模擬信號放大、 濾波和通過高分辨率高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行數(shù)字化，并可將該數(shù)據(jù)與從全球定位系統(tǒng) (GPS)獲得的定位信息一起存儲。數(shù)據(jù)后處理涉及對大地的電學(xué)和物理建模，以產(chǎn)生地球物理電導(dǎo)率等值線圖?，F(xiàn)有的地球物理測量方法典型地要求高信噪比(SNR)、高電導(dǎo)率分辨以及在橫向和深度二者上的高空間分辨率?，F(xiàn)有的EM系統(tǒng)包括基于地面的測量和空中的測量兩者。空中測量結(jié)果通過利用飛機和直升機來收集?？罩蟹椒▽τ诖竺娣e測量是有用的，且可用于對掩埋在電阻性巖床中的導(dǎo)電礦體的勘探、地理繪圖、水文地質(zhì)學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測。已知的空中電磁(AEM)系統(tǒng)如此工作當飛機或直升機以幾乎恒定速度(例如分別達到75m/s或30m/s)沿幾乎平行等距的線路(例如50m到200m)以接近恒定離地高度(例如分別約120m或30m)飛行時獲取數(shù)據(jù)。以規(guī)則間距進行測量，該規(guī)則間距通常在Im到IOOm的范圍內(nèi)。已知EM測量的附加特征是，它們可在頻域或時域中獲得。在FDEM測量中，發(fā)射器線圈以固定的多種頻率連續(xù)地發(fā)射電磁信號，同時接收器線圈在時間上連續(xù)測量該信號。 測得量是作為頻率函數(shù)的信號幅值和相位，或等價地，作為頻率函數(shù)的同相和正交幅值。在這些測量中，信號靈敏度隨著電導(dǎo)率升高而降低，從而簡化了電導(dǎo)率對比度測繪。在通過已知方法收集時間TDEM測量的過程中，典型地以等于本地輸電線頻率(例如典型為50Hz或60Hz)的一半的奇數(shù)倍的重復(fù)率在導(dǎo)通周期期間對發(fā)射器線圈施加電流脈沖，且在截止周期期間切斷該電流脈沖。在接收器處測量作為時間函數(shù)的該信號。截止周期期間的信號幅值衰減，結(jié)合對地下的地質(zhì)體的電導(dǎo)率和幾何形狀的建模，產(chǎn)生電導(dǎo)率等值線圖。
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在已知TDEM系統(tǒng)中，在電流導(dǎo)通期間，弱導(dǎo)體在接收器線圈中產(chǎn)生弱dB/dt信號， 而良導(dǎo)體產(chǎn)生大的同相信號，但相比于由發(fā)射器線圈系統(tǒng)所產(chǎn)生的不需要的主EM場仍太小。在電流截止期間，弱導(dǎo)體由于迅速衰減的EM場而在接收器線圈處產(chǎn)生大dB/dt信號， 而良導(dǎo)體由于緩慢衰減的EM場產(chǎn)生小信號。測量典型地在截止周期期間進行，而且雖然對 dB/dt的測量對繪制弱導(dǎo)體有用，但對被稱為B場的磁場的測量能提高為良導(dǎo)體提供的信息的準確度。在已知方法中，磁場B可通過利用磁強計的直接測量獲得，或通過對利用接收器線圈測得的信號dB/dt在時間上積分來獲得。當要通過積分獲得磁場B時，必須在包括導(dǎo)通周期的整個波形上測量dB/dt響應(yīng)，以確定在整個周期上提供零DC分量的積分常數(shù)(參見Smith，R. S.和Arman 4. P.的“利用感應(yīng)線圈傳感器來間接測量瞬態(tài)電磁體方法的帶寬中的 B 場口向應(yīng)(Using an induction coil sensor to indirectly measure the B-field response in the bandwidth of the transient electromagnet method)，，(Geophysics, 65，第 1489-1494 頁)。例如，測量磁場對時間的導(dǎo)數(shù)dB/dt的TDEM HTEM系統(tǒng)的示例可在美國專利 No. 7，157，914中找到，該專利的內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。需要在有效測量B場時能高效工作的TDEM系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個示例實施例，一種用于產(chǎn)生B場測量的時域電磁(TDEM)地球物理測量系統(tǒng)包括發(fā)射器線圈；補償線圈，其相對于發(fā)射器線圈以基本同心和共面取向定位；接收器線圈，其相對于補償線圈以基本同心和共面取向定位；電流源，其連接至發(fā)射器線圈和補償線圈以向發(fā)射器線圈和補償線圈施加周期性電流；以及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，其被配置成從接收器線圈接收磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt，并對該磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt積分以產(chǎn)生磁B場測量，該發(fā)射器線圈、補償線圈以及接收器線圈相對于彼此定位，以使得在接收器線圈位置，由補償線圈產(chǎn)生的磁場對由發(fā)射器線圈產(chǎn)生的主磁場有抵消效果。根據(jù)另一示例實施例，一種用于產(chǎn)生B場測量的信號處理方法包括從定位在補償線圈內(nèi)的接收器線圈獲得接收器線圈信號，該補償線圈進一步定位在發(fā)射器線圈內(nèi)，每個線圈相對于其它線圈以基本同心取向定位，發(fā)射器線圈和補償線圈產(chǎn)生周期性脈沖，每個周期性脈沖具有正導(dǎo)通時間、隨后是截止時間、隨后是負導(dǎo)通時間、隨后是截止時間；將接收器線圈信號數(shù)字化；在一個或多個周期上對經(jīng)數(shù)字化的接收器線圈信號的正半周期和負半周期求平均以獲得積分常數(shù)；以及在至少一個完整周期上對經(jīng)數(shù)字化的接收器線圈信號求積分以產(chǎn)生B場測量。在一個方面中，本公開內(nèi)容涉及一種用于產(chǎn)生B場測量的HTEM 系統(tǒng)，包括發(fā)射器線圈；補償線圈，其相對于發(fā)射器線圈以基本同心和共面取向定位；接收器線圈，其相對于補償線圈以基本同心和共面取向定位；電流源，其連接至發(fā)射器線圈和補償線圈；以及其中dB/dt信號由發(fā)射器線圈產(chǎn)生以供產(chǎn)生B場測量。在另一方面中，本公開內(nèi)容涉及一種電磁測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括接收器線圈， 其定位于補償線圈內(nèi)，該補償線圈進一步定位于發(fā)射器線圈內(nèi)，每個線圈與其它所述線圈基本同心并電連接，由此獲得接收器線圈信號；低噪聲前置放大器，由此接收器線圈信號被放大以產(chǎn)生dB/dt信號；低通抗混疊濾波器，藉此dB/dt信號可被濾波；ADC，由此經(jīng)濾波信號可被數(shù)字化；以及信號處理裝置，其被包括在該系統(tǒng)中或連接至該系統(tǒng)，以產(chǎn)生B場測量。在又一個方面中，本公開內(nèi)容涉及一種用于產(chǎn)生B場測量的信號處理方法，包括 從定位在補償線圈內(nèi)的接收器線圈獲得接收器線圈信號，該補償線圈進一步定位在發(fā)射器線圈內(nèi)，每個線圈相對于其它線圈以基本同心取向定位且彼此電連接以產(chǎn)生接收器線圈信號；通過對該信號濾波的ADC將該接收器線圈信號連續(xù)數(shù)字化；通過信號處理裝置單元獲得經(jīng)數(shù)字化的信號；通過在一組周期上在波形給定點處逐點對信號求平均來消除前置放大器偏移和溫度相關(guān)漂移；在一個或多個正和負半周期或信號上對波形求平均以獲得偏移信號；從每個點可選地減去所得數(shù)字信號；在至少一個完整周期上對該數(shù)字信號積分以產(chǎn)生 B場測量；以及將該數(shù)字信號微元化(binning)到具有在對數(shù)尺度上基本相等的時間間隔的門電路中。在另一方面中，本公開內(nèi)容涉及一種電磁測量裝置，包括發(fā)射器線圈；補償線圈，其基本中心地定位在發(fā)射器線圈內(nèi)；接收器線圈，其基本中心地定位在補償線圈內(nèi)；一個或多個徑向纜索的系統(tǒng)，由此發(fā)射器線圈、補償線圈以及接收器線圈以它們的相對位置連接；一個或多個外部纜索的外部懸掛系統(tǒng)，其可釋放地連接至發(fā)射器框架；以及一個或多個懸掛附連纜索，其附連至外部懸掛系統(tǒng)；其中，當附連纜索被垂直提升至足夠懸掛發(fā)射器線圈、補償線圈以及接收器線圈的高度時，發(fā)射器線圈、補償線圈以及接收器線圈相對于彼此基本同心地定位，且這些線圈被定位成能用于獲得電磁測量，由此導(dǎo)出時域B場測量。在這個方面中，在具體解釋本發(fā)明的至少一個實施例之前，應(yīng)理解本發(fā)明在其申請中不限于在以下描述中陳述或在附圖中示出的部件構(gòu)造和排列的細節(jié)。本發(fā)明能有其它實施例，并能以各種方式實施和實現(xiàn)。此外，應(yīng)理解本文所使用的用語和術(shù)語出于描述目的，且不應(yīng)當認為是限制性的。


當考慮本發(fā)明的以下詳細描述時，將能更好地理解本發(fā)明的示例實施例，且本發(fā)明的目的將變得顯而易見。此類描述參照附圖，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的HTEM系統(tǒng)的視圖，包括接收線圈的分解圖。圖2是飛行中的圖1的HTEM系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖3是圖1的HTEM系統(tǒng)中的發(fā)射器線圈和補償線圈電連接的示意性俯視圖。圖4A是施加至圖1的HTEM系統(tǒng)的發(fā)射器線圈和補償線圈的電流波形的曲線圖。圖4B是在不包括補償線圈的系統(tǒng)的接收器線圈處測得的電壓波形的曲線圖。圖4C是在包括補償線圈的諸如圖1的HTEM系統(tǒng)的系統(tǒng)的接收器線圈處測得的電壓波形的曲線圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的圖1的HTEM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的用于確定B場的數(shù)據(jù)分析流程。在附圖中，通過示例示出本發(fā)明的實施例。應(yīng)清楚地理解，描述和附圖僅僅是用于說明目的并作為理解的輔助，而不旨在作為對本發(fā)明的限制。示例實施例的詳細描述當試圖在空中TDEM測量系統(tǒng)中測量B場時，存在多個需要解決的問題。例如，由于導(dǎo)通周期期間的信號比截止周期期間典型地高許多個數(shù)量級，在同心偶極HTEM系統(tǒng)中在整個周期上采集數(shù)據(jù)會是挑戰(zhàn)性的。由于動態(tài)范圍由接收器線圈在發(fā)射器線圈電流的導(dǎo)通周期和截止周期期間的信號強度之比決定，所以一個可能的解決方案是增大發(fā)射器與接收器線圈之間的物理間距。該大距離具有降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的大動態(tài)范圍要求的效果。然而，由大距離強加的間隔在一些應(yīng)用中會引起諸如空間分辨率損失的負面特性，或?qū)е孪到y(tǒng)笨重且難以在飛行中尤其是由直升機拖帶。對動態(tài)范圍問題的一種可能的解決方案是實現(xiàn)補償線圈以降低接收器處的主場的幅值。本發(fā)明的示例實施例涉及一種空中或HTEM系統(tǒng)，其包括半剛性補償線圈和用于根據(jù)測得的磁場對時間導(dǎo)數(shù)信號dB/dt確定磁場B的裝置。該補償線圈可按照同心共面方式相對于發(fā)射器線圈和接收器線圈定位，以使數(shù)據(jù)采集時間期間接收器線圈處的偽信號最小。由該系統(tǒng)收集的信號可通過信號處理裝置進一步處理。此外，對由系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行的測量可在施加至發(fā)射器和補償線圈的電流波形的整個周期上進行。補償線圈的添加會增加懸掛機械復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)重量，但可能具有將信號保持在 ADC動態(tài)范圍內(nèi)的好處，等等。在本發(fā)明的示例實施例中，通過將補償線圈放置在主發(fā)射器線圈的中心處以使接收器線圈處的磁場最小化，使補償線圈的定位和穩(wěn)定性成為可能。用于確定磁場B的裝置可被實現(xiàn)為在連接至HTEM系統(tǒng)或作為HTEM系統(tǒng)一部分的計算機上運行的軟件實用程序，該程序使用諸如下述算法的算法。還應(yīng)當理解，該計算機和相關(guān)軟件實用程序可用于場數(shù)據(jù)收集之后的處理階段。對B場的測量能輔助對例如位于接近一千米深度的礦床的探測，以及對地下的良導(dǎo)體的檢測。本發(fā)明的實施例可利用快速關(guān)斷施加小磁偶極矩，這對于繪制近地表電導(dǎo)率的測量是適當?shù)摹１景l(fā)明的該方面能影響發(fā)射器線圈，以使在某些應(yīng)用中，發(fā)射器線圈中所需的匝數(shù)能減少以產(chǎn)生減小的磁偶極矩和電感。反之，為了檢測較深深度處的導(dǎo)體，在采用本發(fā)明的系統(tǒng)的一些應(yīng)用中，結(jié)合較長的截止周期，該匝數(shù)可增大以增大發(fā)射器線圈磁偶極矩。本發(fā)明的示例實施例可提供一些潛在的好處。例如，在至少一些構(gòu)造中，補償線圈的應(yīng)用可減小所需的ADC動態(tài)范圍。該減小的效果可以是允許測量包括施加至發(fā)射器和補償線圈的電流波形的整個周期，或包括所述電流波形的增大的周期。由于導(dǎo)通周期期間的信號比截止周期期間典型地高許多個數(shù)量級，在整個發(fā)射器電流周期上采集數(shù)據(jù)仍會是挑戰(zhàn)性的。因此，本發(fā)明的示例實施例可提供有利的EM工具。本發(fā)明的實施例可被包含到同心偶極HTEM系統(tǒng)中，諸如例如美國專利No. 7，157，914中公開的HTEM系統(tǒng)，或Geotech公司運作的多功能時域電磁(VTEM) HTEM系統(tǒng)。本發(fā)明的示例實施例中的HTEM系統(tǒng)元件可簡化數(shù)據(jù)分析。例如，在一些應(yīng)用中，與主發(fā)射器線圈同心地或在主發(fā)射器線圈的中心處定位補償線圈可提高補償線圈的穩(wěn)定性，且能使接收器線圈處的主磁場最小化。補償線圈和接收器線圈的位置與理想同心構(gòu)造的偏差會產(chǎn)生偽DC信號，因此需要大的信號動態(tài)范圍。補償線圈的機械運動也會在接收器線圈處產(chǎn)生較低SNR測量結(jié)果。在一些應(yīng)用中，如本文所公開的補償線圈與HTEM系統(tǒng)的定位可提高測量的準確度。根據(jù)示例實施例的HTEM系統(tǒng)的典型設(shè)置是使發(fā)射器和接收器線圈處于基本同心和基本共面構(gòu)造。該同心構(gòu)造能允許較小的設(shè)置，并為散射響應(yīng)提供優(yōu)良的對稱性，這樣又可允許對散射體幾何形狀的更容易解釋和更好的橫向分辨率。作為非限制性示例，在同心偶極HTEM系統(tǒng)的實施例中，前置放大器和ADC所需的動態(tài)范圍可以典型地在120db的范圍內(nèi)，這由前置放大器的最大信號幅值和輸入噪聲之比決定。在同心偶極HTEM系統(tǒng)中，為了增大動態(tài)范圍，可將接收器線圈放置在發(fā)射器線圈上方數(shù)米處，以減小發(fā)射器線圈在接收器處所產(chǎn)生的信號。替代地，可使用自動定標前置放大器，或使前置放大器增益在導(dǎo)通周期期間的低增益與截止周期期間的高增益之間切換。 使用可調(diào)節(jié)增益放大器使數(shù)據(jù)采集更復(fù)雜，但具有保持發(fā)射器和接收器線圈同心的優(yōu)點， 從而使異常測繪分布最少。例如，對于40dB可調(diào)節(jié)增益前置放大器，16位ADC足以使信號數(shù)字化，而如果使用了 M位々0(，則該系統(tǒng)可應(yīng)用固定增益前置放大器。接收器線圈處存在多個電噪聲源。偽信號可能由引起噪聲的若干源產(chǎn)生，諸如直升機和該系統(tǒng)的其他金屬部件；大氣中的閃電活動；本地交流輸電線干擾；15-25kHz頻率范圍中的VLF無線電波；以及來自線圈和電子電路的熱噪聲。然而，例如，在諸如O-IOOHz的低頻率下，空中接收器線圈處的主噪聲源是線圈在地球磁場中運動所產(chǎn)生的顫動噪聲。該運動由線圈的風(fēng)振、來自飛行器的震動和/或線圈與線圈懸掛系統(tǒng)的摩擦產(chǎn)生。提高接收器線圈處的信噪比(SNR)的可能手段不是簡單明了的，因為存在可能影響該測量的多個因素。為了使各種源在感興趣的頻率范圍中產(chǎn)生的噪聲最少，可能必須對本發(fā)明的實施例應(yīng)用以下手段中的一種或多種減少接收器線圈相對于地球磁場的運動； 防止外部機械噪聲到達接收器線圈；以及使接收器線圈懸掛系統(tǒng)所產(chǎn)生的機械噪聲最小化。在本發(fā)明的示例實施例中，可應(yīng)用半剛性結(jié)構(gòu)以建造具有固有的大磁偶極矩和提高的SNR的大發(fā)射器線圈和補償線圈。與外部懸掛系統(tǒng)結(jié)合的較大結(jié)構(gòu)也可在本發(fā)明的實施例中使用，以提高飛行穩(wěn)定性并降低SNR要求。如圖1所示，根據(jù)一個示例實施例的HTEM系統(tǒng)包括拖帶組件2，該拖帶組件2具有發(fā)射器線圈4、補償線圈6以及接收器線圈8，它們分別在相應(yīng)的發(fā)射器線圈框架10、補償線圈框架12以及接收器線圈框架14內(nèi)受到支承。發(fā)射器線圈4、補償線圈6以及接收器線圈8是同心的，因為它們基本共面，且具有公共偶極軸。在所示示例實施例中，補償線圈框架12是十二邊形補償線圈框架，其具有例如諸如約6. 5m的尺寸(也如圖2所示)。該線圈框架可定位成使其軸位于十二邊形主發(fā)射器線圈框架10的中心處或附近，該主發(fā)射器線圈框架10具有例如諸如約^m的尺寸。接收器線圈框架14可進一步定位成使其軸位于補償線圈框架12的中心處。三個線圈框架10、12、14可通過徑向纜索系統(tǒng)16連接，例如諸如約12條徑向纜索。徑向纜索16分別具有連接至公共中樞的內(nèi)端和連接至發(fā)射器線圈框架10的圓周附近的各個位置，且承受張力以使發(fā)射器線圈框架10在測量飛行期間保持基本一致的直徑。直徑小于發(fā)射器線圈框架的補償線圈框架12和直徑小于補償線圈框架12 的接收器線圈框架14分別被固定至徑向纜索16并受其支承，以使線圈框架10、12和14在測量飛行期間相對于彼此保持于相對穩(wěn)定的同心位置。在示例實施例中，線圈框架10、12和14中的每一個由一系列管狀構(gòu)件構(gòu)造成，這些管狀構(gòu)件首尾相連以形成如圖1和2所示的多邊形框架。發(fā)射器、補償和接收器線圈4、 6、8分別被接納在它們各自的管狀線圈框架10、12和14內(nèi)。發(fā)射器和補償線圈框架是半剛性的，因為雖然每一個框架由相對剛性的管狀構(gòu)件形成，但每個框架具有關(guān)于其周長彎曲些許的能力，而且框架之間的框架間連接通過徑向纜索16而不是剛性連接器來實現(xiàn)?？蓱?yīng)
8用于線圈框架10、12和14的合適構(gòu)造的示例例如可以在美國專利no. 7，157，914以及美國專利申請 No. 12/036, 657(國際申請 No. PCT/CA2009/000217)中找到。線圈框架還可附連至由外部纜索18形成的外部懸掛系統(tǒng)2。在一個示例實施例中，懸掛纜索18分別具有可釋放地連接至多邊形發(fā)射器框架10的各個角22的下端，以及連接至懸掛附連纜索20的上端。懸掛附連纜索20可進一步可釋放地附連至直升機M或諸如飛機或飛船的其他飛行器，藉此組成拖帶組件2的框架系統(tǒng)可由該飛行器拖帶。在一些示例實施例中，可提供附加的懸掛纜索，每條懸掛纜索具有連接至補償線圈框架12的各個角的下端和連接至懸掛附連纜索20的上端。在本發(fā)明的另一實施例中，外部懸掛系統(tǒng)2 可由配置成網(wǎng)格或網(wǎng)絡(luò)的纜索形成，諸如例如美國專利申請2008/0143130 Al所示。如圖2所示，在本發(fā)明的一個實施例中，組成包括主發(fā)射器線圈框架10、補償線圈框架12以及接收器線圈框架14的拖帶組件2的HTEM框架系統(tǒng)可在飛行中懸掛并由以恒定測量速度飛行的直升機M拖帶。作為非限制性示例，該恒定測量速度可以是諸如約30m/ s的速度。在該特定實施例中，發(fā)射器線圈框架10可由諸如來自連接點沈的懸掛系統(tǒng)11 支承，該連接點26除了在線圈框架10的垂直上方之外，還可以偏離線圈框架10的中心一水平距離。作為非限制性示例，該水平偏移距離可以是偏離線圈中心約lm。懸掛系統(tǒng)11的纜索18相交的懸掛點沈通過長懸掛附連纜索20附連至直升機。作為非限制性示例，附連纜索20可具有約41m的長度。外部懸掛系統(tǒng)11可被形成為使線圈在飛行期間被定位成水平或基本水平。在此方面，在飛行期間，懸掛附連纜索20可被定位成與垂直方向成一角度。 例如，懸掛附連纜索20可被定位成與垂直方向成諸如約35度角。因此，在這樣的實施例中， 懸掛系統(tǒng)11被配置成使線圈框架在飛行期間可被保持于水平或基本水平位置。該飛行中位置可通過考慮若干因素來實現(xiàn)，包括風(fēng)產(chǎn)生的阻力、該結(jié)構(gòu)的重量以及外部懸掛纜索或網(wǎng)格。在示例實施例中，系統(tǒng)電子電路7位于直升機M內(nèi)，且通過沿懸掛纜索20延伸的導(dǎo)體連接至拖帶組件2的線圈。系統(tǒng)電子電路7包括作為電流源用于按照以下討論的方式驅(qū)動發(fā)射器和補償線圈4、6的發(fā)射器和補償線圈驅(qū)動器9，以及用于測量和處理來自接收器線圈8的信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13。如圖3所示，在本發(fā)明的一個實施例中，作為非限制性示例，主發(fā)射器線圈4可以具有約^m的整體尺寸，且可包含例如四匝線。這些匝可被定位在發(fā)射器線圈框架10內(nèi)。 在本發(fā)明的同一實施例中，作為非限制性示例，補償線圈6可具有約6. 5m的整體尺寸，且包含定位于補償線圈框架12內(nèi)部的單匝線。上述發(fā)射器線圈或補償線圈中包含的匝數(shù)僅作為示例提供。發(fā)射器線圈和補償線圈中的匝數(shù)可根據(jù)本發(fā)明特定實施例的要求或本發(fā)明的特定應(yīng)用比所建議的數(shù)量少或多。補償線圈6和主發(fā)射器線圈4可電連接。該電連接可串聯(lián)實現(xiàn)，具有以相反方向 30a、30b環(huán)流的電流。線圈中心處的磁場與電流方向和線匝數(shù)成比例，且與線圈的整體直徑成反比例。對于同心的發(fā)射器和補償線圈，在放置于這些線圈中心處的接收器線圈處測得的主磁場可接近零，因為對于每個線圈，電流乘以線匝數(shù)除以線圈半徑的結(jié)果大致相同。使共面發(fā)射器線圈和補償線圈的中心處的磁場接近零會是有利的，因為偏離中心磁場會迅速增加。因此，如果發(fā)射器和補償線圈與接收器線圈不同心，則不希望有的背景主磁場會在接收器線圈處產(chǎn)生。因此，需要所述線圈是同心或基本同心的。與測量有關(guān)的另一考慮因素是，飛行期間缺乏穩(wěn)定性會在接收器線圈處引起強烈的偽信號，因為主磁場在導(dǎo)通周期期間比次磁場大許多個數(shù)量級。為了允許使用半剛性補償線圈結(jié)構(gòu)來減小導(dǎo)通周期期間接收器線圈處的背景磁場，當EM測量在時域中進行時，在若干周期上求平均的信號應(yīng)當為零。發(fā)射器線圈和補償線圈在接收器線圈處產(chǎn)生的主磁場應(yīng)當為零。如果測得非零信號平均值，則從測得信號減去該值。該特征會導(dǎo)致對大信號動態(tài)范圍的要求減少。如圖4A所示，在本發(fā)明的一個實施例中，可通過驅(qū)動器9對發(fā)射器和補償線圈施加電流。這些線圈可串聯(lián)連接，如圖3所示。每個電流循環(huán)或周期包括正的導(dǎo)通周期和截止周期，隨后是負的導(dǎo)通周期和截止周期。在本發(fā)明的一個非限制性示例實施例中，電流波形34可以關(guān)于零或基本為零的直流分量對稱，具有約30Hz頻率以及約300A峰值幅值。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在本發(fā)明的替代實施例或應(yīng)用中可利用其他波形。圖4B示出在無補償線圈6時接收器線圈8中可能的導(dǎo)通周期信號幅值——如圖所示，在無補償線圈的情況下接收器電壓可以是約3V。根據(jù)本發(fā)明的實施例引入的補償線圈會使該信號顯著減小，例如如圖4C中所示的約30mV。發(fā)射器截止周期信號可具有約30mV 的幅值。因此，在至少一些應(yīng)用中，補償線圈可具有顯著減小接收器線圈位置處的導(dǎo)通周期信號的效果，從而允許通過放大接收器線圈信號使SNR最大化。該最大放大率會受ADC輸入信號范圍限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在本發(fā)明的實施例中可利用其他信號?，F(xiàn)在將參照圖5描述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13的示例實施例。在一個非限制性示例實施例中，接收器線圈8信號可通過低噪聲前置放大器40放大例如約100倍。該前置放大器40 可位于拖帶組件11上，且系統(tǒng)13的余下部件位于飛行器中。前置放大器40可產(chǎn)生峰-峰信號，例如諸如約6V的峰-峰信號。該信號然后可由低通抗混疊濾波器42濾波，例如諸如約30KHz的濾波器。它還可附加地由例如諸如對位ADC的雙極ADC 44以例如諸如約每秒 100K或200K個樣本的設(shè)定速率數(shù)字化。通過數(shù)字化提取的數(shù)據(jù)然后可傳遞至能數(shù)字化地處理和存儲該數(shù)據(jù)的處理和存儲單元46。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，所提供的放大和其他測量僅作為示例，且在本發(fā)明的實施例中可利用其他放大和測量。在本發(fā)明的一個示例實施例中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13執(zhí)行諸如圖6中所示那樣的信號處理。在這樣的實施例中，可在圖5的雙極ADC 44處接收接收器線圈信號，在該雙極ADC 處將該信號連續(xù)數(shù)字化(動作50)。例如，該數(shù)字化可以在諸如M位ADC以每秒100K到 200K個樣本的速率下進行。然后將該數(shù)字化信號傳遞至處理和存儲單元46以供進一步處理。為了消除前置放大器偏移和溫度相關(guān)漂移，可在至少一個周期或循環(huán)上逐點地對該波形的給定點處的信號求平均(動作52)。例如，在一個實施例中，可對一組5個發(fā)射器脈沖循環(huán)求平均?？稍谡拓摪胫芷诨蛐盘柹蠈υ摬ㄐ胃郊拥厍笃骄?。可應(yīng)用這些求平均元素以獲得該偏移信號。然后可將所得的DC信號從該組周期上的每個測量點減去(動作52)， 由此可從每個點減去該偏移信號。替代地，在動作52中，可通過從每個點減去半個周期前的波形點的值來處理該波形。在所得波形中，DC偏移將被消除，且原始波形中的線性漂移將被減少為所得波形中的固定漂移。然后可使用所得波形作為同一處理算法的輸入，以獲得其中輸入波形中的線性漂移會被完全消除的第二所得波形。通過重復(fù)應(yīng)用該算法，可獲得其中高階多項式漂移將被完全消除的附加所得波形。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，該算法的重復(fù)應(yīng)用能替代地在單個算法中具體化，該單個算法在數(shù)學(xué)上等效并產(chǎn)生基本相同結(jié)果。然后通過處理和存儲單元46對經(jīng)數(shù)字化的dB/dt信號在整個周期上(即導(dǎo)通時間和截止時間)積分，以產(chǎn)生B場的表示(動作54)。該積分可從該循環(huán)的任意點處開始。 為了獲得求積分常數(shù)(也稱為積分常數(shù))，可對微元化(binned)的信號在至少一個周期上求平均。這可以按照點對點的方式實現(xiàn)，由此在正和負半周期上進行求平均(動作56)。然后可在該組周期上從每個測量點減去所得的DC信號(動作56)，該DC信號可以是求積分常數(shù)(即積分常數(shù))。在上述過程中，可通過在整個波形上求平均來計算DC信號，或通過在截止時間部分上求平均來獲得該DC信號。這樣將減少由接收器所檢測到的主信號的幅值波動引入的錯誤。此類波動可以由半柔性框架的變形引起。作為附加步驟，在截止時間周期期間，可將該數(shù)字信號微元化到門電路中(動作 58)。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，可利用在對數(shù)尺度中具有相等或基本相等時間間隔的M個門電路。該對數(shù)尺度可包括由約Idb的步幅隔開的從50 μ s到IOms的微元(bin)。在本發(fā)明的一個實施例中，可經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13的微處理器實現(xiàn)對dB/dt信號的實時積分。在本發(fā)明的另一實施例中，可根據(jù)由處理和存儲單元46存儲的記錄時間系列數(shù)字化點在飛行后進行對dB/dt信號的積分?？商幚硗ㄟ^系統(tǒng)2獲得的作為位置的函數(shù)的B場數(shù)據(jù)以得出大地電導(dǎo)率測繪圖。 在一些應(yīng)用中，如本文所公開的B場的測量可提高系統(tǒng)輸出在ADC動態(tài)范圍內(nèi)的信號的能力。這又使SNR能借助接收器線圈信號的放大而提高。因此，在一些示例實施例中，能減小接收器線圈信號的動態(tài)范圍，以能采集包括導(dǎo)通時間的整個波形，同時減小對準確度的損害或在截止時間期間的采集的噪聲水平。本鄰域技術(shù)人員將可理解，也可實施本文中描述的實施例的其他變型，而不背離本發(fā)明的范圍。具體而言，因為所陳述的測量僅供作為示例，因此在本發(fā)明的實施例中可應(yīng)用尺寸、頻率以及建議的其他測量的變化。其他修改因此也是可能的。例如，補償線圈的尺寸可不同以影響接收器處的主場。如果ADC能以足夠的分辨率將導(dǎo)通時間和截止時間信號二者均數(shù)字化以保持信噪比，則改變補償線圈的大小會導(dǎo)致接收器線圈處的主場成為非約等于零的值。此外，補償線圈的尺寸能控制發(fā)射器線圈中的匝數(shù)變化的影響，藉此改變補償線圈的尺寸能輔助在發(fā)射器電流的導(dǎo)通時間期間保持EM場約為零。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生B場測量的時域電磁(TDEM)地球物理測量系統(tǒng)，包括 發(fā)射器線圈；補償線圈，其相對于發(fā)射器線圈以基本同心和共面取向定位； 接收器線圈，其相對于所述補償線圈以基本同心和共面取向定位； 電流源，其連接至發(fā)射器線圈和補償線圈以向發(fā)射器線圈和補償線圈施加周期性電流；以及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，其被配置成從接收器線圈接收磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt，并對所述磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt積分以產(chǎn)生磁B場測量，所述發(fā)射器線圈、補償線圈以及接收器線圈相對于彼此定位，以使得在接收器線圈位置，由補償線圈產(chǎn)生的磁場對由發(fā)射器線圈產(chǎn)生的主磁場有抵消效果。
2.如權(quán)利要求1所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射器線圈由發(fā)射器線圈框架支承，所述補償線圈由補償線圈框架支承，所述補償線圈框架的直徑比所述發(fā)射器線圈框架的直徑小，以及所述接收器線圈由接收器線圈框架支承，所述接收器線圈框架的直徑比所述補償線圈框架的直徑小，所述系統(tǒng)包括從發(fā)射器線圈框架的中心點向外徑向延伸至各個位置的多條徑向纜索，所述補償線圈框架和接收器線圈框架分別連接至所述徑向纜索。
3.如權(quán)利要求2所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，包括連接至發(fā)射器線圈框架周長周圍的多個位置的懸掛系統(tǒng)，以及附連至所述懸掛系統(tǒng)以將所述線圈框架懸掛在飛行器上的懸掛附連纜索。
4.如權(quán)利要求3所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述懸掛系統(tǒng)被配置成在飛行期間將所述線圈保持于基本水平取向。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射器線圈和補償線圈分別包括線匝，由此來自所述電流源的電流通過發(fā)射器線圈傳遞到與其電連接的補償線圈，所述電連接以串聯(lián)方式實現(xiàn)，且使電流以相反方向環(huán)流。
6.如權(quán)利要求5所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射器線圈的中心和所述補償線圈的中心呈現(xiàn)的磁場與所述電流方向和線匝數(shù)成比例，且與所述線圈的整體尺寸成反比例，從而形成具有主磁場的基本同心的系統(tǒng)，在所述接收器線圈處測量時的所述主磁場基本為零。
7.如權(quán)利要求1到6中任一項所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述電流源對所述發(fā)射器線圈和所述補償線圈施加周期性電流，所述周期性電流在每個周期內(nèi)具有正導(dǎo)通周期和截止周期以及隨后的負導(dǎo)通周期和截止周期，所述補償線圈具有減小接收器線圈處的導(dǎo)通周期信號的效果，以使得通過放大接收器線圈信號來提高SNR。
8.如權(quán)利要求1至7中的任一項所述的TDEM地球物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)包括低噪聲前置放大器，其連接至所述接收器線圈以放大來自所述接收器線圈的磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt ；低通抗混疊濾波器，其對經(jīng)放大的信號dB/dt濾波； ADC，用于對經(jīng)濾波信號dB/dt進行數(shù)字化；以及信號處理單元，用于對經(jīng)數(shù)字化的信號dB/dt積分以產(chǎn)生所述B場測量。
9.如權(quán)利要求8所述的電磁測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理單元能用于在一個或多個周期上對所述經(jīng)數(shù)字化的信號dB/dt的正和負半周期求平均，以獲得積分常數(shù)；以及在整個周期上對所述經(jīng)數(shù)字化的信號dB/dt積分以產(chǎn)生所述B場測量。
10.一種用于產(chǎn)生B場測量的信號處理方法，包括從定位在補償線圈內(nèi)的接收器線圈獲得接收器線圈信號，所述補償線圈進一步定位在發(fā)射器線圈內(nèi)，每個線圈相對于其它線圈以基本同心取向定位，所述發(fā)射器線圈和所述補償線圈產(chǎn)生周期性脈沖，所述周期性脈沖分別具有正導(dǎo)通時間、隨后是截止時間、隨后是負導(dǎo)通時間、隨后是截止時間；將所述接收器線圈信號數(shù)字化；在一個或多個周期上對經(jīng)數(shù)字化的接收器線圈信號的正和負半周期求平均，以獲得積分常數(shù)；以及在至少一個完整周期上對所述經(jīng)數(shù)字化的接收器線圈信號積分以產(chǎn)生所述B場測量。
11.如權(quán)利要求10所述的信號處理方法，其特征在于，包括將所述數(shù)字信號微元化到具有對數(shù)尺度上的基本相等時間間隔的門電路中。
12.如權(quán)利要求10或11所述的信號處理方法，其特征在于，還包括將所述接收器線圈、 補償線圈以及發(fā)射器線圈懸掛到飛行器上，并使所述飛行器在測量區(qū)域飛行，同時獲得所述接收器線圈信號。
全文摘要
根據(jù)一個示例實施例，一種用于產(chǎn)生B場測量的時域電磁(TDEM)地球物理測量系統(tǒng)包括發(fā)射器線圈；補償線圈，其相對于發(fā)射器線圈以基本同心和共面取向定位；接收器線圈，其相對于補償線圈以基本同心和共面取向定位；電流源，其連接至發(fā)射器線圈和補償線圈以向發(fā)射器線圈和補償線圈施加周期性電流；以及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，其被配置成從接收器線圈接收磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt，并對該磁場對時間的導(dǎo)數(shù)信號dB/dt積分以產(chǎn)生磁B場測量，該發(fā)射器線圈、補償線圈以及接收器線圈相對于彼此定位，以使得在接收器線圈位置，由補償線圈產(chǎn)生的磁場對由發(fā)射器線圈產(chǎn)生的主磁場有抵消效果。
文檔編號G01R33/02GK102159962SQ200980134118
公開日2011年8月17日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者E·B·莫里森, P·V·庫茨明 申請人:吉歐泰科航空物探有限公司