基于squid的磁源激發(fā)極化-感應(yīng)的聯(lián)合探測系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聯(lián)合探測系統(tǒng)與方法，特別涉及一種基于SQUID的磁源激發(fā)極化-感應(yīng)的聯(lián)合探測系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，傳統(tǒng)瞬變電磁系統(tǒng)采用線圈或磁棒作為接收傳感器，主要應(yīng)用于非可極化 大地。在可極化大地，由于極化效應(yīng)的影響，衰減曲線一般在早期迅速衰減，中期進(jìn)入到負(fù) 值，并在晚期再次出現(xiàn)正值，傳統(tǒng)的瞬變電磁探測系統(tǒng)一般采用線圈或帶寬很窄的磁傳感 器(磁棒)接收，由于線圈早期存在過渡過程，晚期又測不到微弱的衰減信號，無法在含極化 介質(zhì)的大地進(jìn)行有效探測。
[0003] 國內(nèi)外學(xué)者建立多種模型(Cole-Cole模型最為典型)研究瞬變電磁信號中的極化 效應(yīng)，分析具有極化效應(yīng)的瞬變電磁響應(yīng)的特征。本文通過計算得到含極化層大地瞬變電 磁響應(yīng)特征，瞬變電磁信號在早期<20ms受極化響應(yīng)影響明顯，衰減曲線中期衰減到負(fù)值， 晚期（>l〇〇ms)出現(xiàn)正值，但信號一般很小，磁場衰減動態(tài)范圍大于140dB，磁場衰減到fT量 級，這是傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈或帶寬很窄的磁傳感器(磁棒)和接收機(jī)均無法測量的。
[0004] 隨著超導(dǎo)磁傳感器在瞬變電磁中的應(yīng)用，為進(jìn)行大深度探測，通常在用窄脈寬發(fā) 射，長時間接收的方式，由于在非可極化大地，瞬變電磁信號是逐漸衰減的，上升沿產(chǎn)生的 二次場對下降沿產(chǎn)生的二次場影響很小，可以忽略，這種發(fā)射波形適用于非可極化大地的 探測，當(dāng)探測區(qū)域含有可極化介質(zhì)時，由于受極化影響，晚期的信號可能大于中期的信號， 只有選用大功率發(fā)射機(jī)實現(xiàn)寬脈寬發(fā)射(發(fā)射脈寬>l〇〇ms)，才能減小上升沿產(chǎn)生的二次場 對下降沿產(chǎn)生的二次場的影響。
[0005] CN201410746339.6公開了瞬變電磁B場確定地下地質(zhì)信息的方法，是基于線圈測 量dB/dt經(jīng)過積分變成B場，證明了 B場探測具有電阻率單值性的優(yōu)點，但是采用線圈測量， 仍無法在實際應(yīng)用中進(jìn)行有效的探測。
[0006] 2011年，德國Jena的A Chwala首次將低溫超導(dǎo)傳感器應(yīng)用于大定源TEM，衰減曲線 可以測到200ms，并未考慮有效剔除一次場的方法，同時，也未見其報道在極化地質(zhì)條件下 的探測應(yīng)用。
[0007] 2015年，David Marchant在博士論文中研究了磁性源中極化響應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng) 的影響，并提出了頻率域磁源的磁極化參數(shù)提取方法，理論計算了可極化大地的瞬變電磁 晚期信號微弱，并提到了低溫SQUID可能是有效的傳感器，但并沒有給出有效的儀器系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的瞬變電磁系統(tǒng)在含極化大地探測下的不足而提 供的一種基于SQUID的磁源激發(fā)極化-感應(yīng)的聯(lián)合探測系統(tǒng)與方法。
[0009] 本發(fā)明提供的基于SQUID的磁源激發(fā)極化-感應(yīng)的聯(lián)合探測系統(tǒng)包括有發(fā)射單元 和接收單元，其中發(fā)射單元由大功率發(fā)射機(jī)、無感電阻、電流采集卡和發(fā)射回線組成，其中 大功率發(fā)射機(jī)和無感電阻與發(fā)射回線串聯(lián)連接，大功率發(fā)射機(jī)、無感電阻和發(fā)射回線形成 閉合回路，電流采集卡并聯(lián)在無感電阻兩端，用于采集發(fā)射回線中的發(fā)射電流，接收單元由 低溫SQUID傳感器和接收機(jī)組成，其中低溫SQUID傳感器設(shè)在發(fā)射回線所圍設(shè)區(qū)域的中心部 位，低溫SQUID傳感器與接收機(jī)之間通過差分信號線連接，發(fā)射單元與接收單元通過GPS同 步進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0010]接收機(jī)由第一緩沖器、第二緩沖器、放大器、低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存 儲卡和主控模塊組成，其中第一緩沖器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲卡相串聯(lián)，第二緩沖器、放 大器、低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲卡相串聯(lián)，SQUID傳感器信號經(jīng)過第一緩沖器后被傳送到高速 模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)，同時SQUID傳感器信號經(jīng)過第二緩沖器后再經(jīng)過放大器被傳送到低速模數(shù) 轉(zhuǎn)換器內(nèi)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器由主控模塊控制將采集的數(shù)據(jù)存儲到存儲卡 內(nèi)。
[0011]本發(fā)明提供的基于低溫SQUID的磁源激發(fā)極化-感應(yīng)的聯(lián)合探測方法，其方法如下 所述：
[0012] 步驟一、鋪設(shè)矩形發(fā)射回線，大功率發(fā)射機(jī)發(fā)射雙極性方波；
[0013] 步驟二、將無感電阻串聯(lián)在發(fā)射回線中，利用電流采集卡記錄完整的發(fā)射波形；
[0014] 步驟三、將低溫SQUID傳感器放置在發(fā)射回線所圍設(shè)區(qū)域的中心部位，同時用高速 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集中心磁場的垂直分量，發(fā)射單元與接收單元采用GPS同 步進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
[0015] 步驟四、根據(jù)記錄的發(fā)射電流用畢奧沙法爾定律計算中心點的一次場，將一次場 從SQUID接收到的磁場信號中剔除掉；
[0016] 步驟五、根據(jù)含極化層層狀大地瞬變電磁信號時域特征提取極化率-電導(dǎo)率雙參 數(shù)，并進(jìn)行電阻率-深度成像。
[0017] 步驟一中的發(fā)射參數(shù)根據(jù)實際探測需要改變發(fā)射頻率，為了減小上升沿產(chǎn)生的二 次場對瞬變電磁信號的影響，采用大功率發(fā)射機(jī)發(fā)射低頻、占空比50%的雙極性方波，發(fā)射 脈寬優(yōu)選大于100ms，發(fā)射電流一般選擇100A，發(fā)射線框大小一般選擇邊長100米的矩形。
[0018] 步驟三中選擇采樣率為2MSPS和30KSPS，通過快速SPI串行外設(shè)接口與主控模塊通 信，低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端接2000倍固定增益儀表放大器，實現(xiàn)采集動態(tài)范圍大于140dB;采 集數(shù)據(jù)存儲在高速SD卡中。
[0019] 步驟四中所述的根據(jù)發(fā)射電流計算中心點磁場的畢奧-沙法爾定律表達(dá)式為：
[0020]
[0021] 其中Η為磁場強度，為線元電流，R為元電流相對于中心點的位置矢量。
[0022] 步驟四中所述的剔除一次場的方法是根據(jù)畢奧-沙法爾定律計算電流采集卡采集 的發(fā)射電流I (t)在中心點產(chǎn)生的磁場H(t)，其中on-1 ime段在中心點產(chǎn)生的磁場Ho，低溫 SQUID在中心點接收到的磁場Hz (t )，其中on-time段接收的磁場為Ηζο，得到校正系數(shù)K = Hzo/Ho,根據(jù)校正系數(shù)可以有效剔除一次場的影響，得到的二次場為Hz'（t) = (Hz(t)-H(t)* K)〇
[0023] 本發(fā)明的有益效果：
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，突破了傳統(tǒng)瞬變電磁系統(tǒng)在可極化大地應(yīng)用的限制，針 對含極化層的層狀大地瞬變電磁響應(yīng)特征，設(shè)計并實現(xiàn)了大功率發(fā)射單元，激發(fā)1Hz占空比 50%的雙極性波形，避免了上升沿引起的二次場對瞬變電磁信號的影響，對發(fā)射電流的采 集更有效的剔除了一次場對瞬變電磁信號的影響，接收單元同時采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低 速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，既滿足了早期信號衰減快、帶寬大的特點，又滿足了有效信號動態(tài) 范圍大(>140dB)的特點。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明所述探測方法流程圖。
[0028] 圖4為含極化層層狀大地瞬變電磁信號時域特征圖。
[0029]圖5為電阻率-深度示意圖。
[0030] 1、大功率發(fā)射機(jī)2、無感電阻3、電流采集卡4、發(fā)射回線5、低溫SQUID傳感器 6、接收機(jī)10、第一緩沖器11、第二緩沖器12、放大器13、低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器14、高速 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 15、存儲卡16、主控模塊。
【具體實施方式】
[0031] 請參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示：
[0032]本發(fā)明提供的基于SQUID的磁源激發(fā)極化-感應(yīng)的聯(lián)合探測系統(tǒng)包括有發(fā)射單元 和接收單元，其中發(fā)射單元由大功率發(fā)射機(jī)1、無感電阻2、電流采集卡3和發(fā)射回線4組成， 其中大功率發(fā)射機(jī)1和無感電阻2與發(fā)射回線4串聯(lián)連接，大功率發(fā)射機(jī)1、無感電阻2和發(fā)射 回線4形成閉合回路，電流采集卡3并聯(lián)在無感電阻2兩端，用于采集發(fā)射回線4中的發(fā)射電 流，接收單元由低溫SQUID傳感器5和接收機(jī)6組成，其中低溫SQUID傳感器5設(shè)在發(fā)射回線4 所圍設(shè)區(qū)域的中心部位，低