電磁法及儀器探討

1、電磁法及電磁法儀探討目錄頻率域及時(shí)間域電磁法頻率域及時(shí)間域電磁法1國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀3瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題4頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展2頻率域系統(tǒng)零漂問(wèn)題頻率域系統(tǒng)零漂問(wèn)題5頻率域及時(shí)間域電磁法頻率域及時(shí)間域電磁法時(shí)間域電磁法(TEM) 利用不接地回線或接地電源，向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間，用線圈觀測(cè)由地下地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)或瞬變場(chǎng)）隨時(shí)間的衰減特性。通過(guò)觀測(cè)該瞬變場(chǎng)在空間上的分布規(guī)律和隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的電法勘探法。 斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減，衰減過(guò)程分早、中、晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰

2、減快，晚期相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢。通過(guò)測(cè)量斷電以后各個(gè)時(shí)段的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化率便可得到不同深度的地電特性。頻率域及時(shí)間域電磁法頻率域及時(shí)間域電磁法（a）發(fā)射線圈產(chǎn)生一次磁場(chǎng) （b）發(fā)射電流關(guān)斷的地質(zhì)體渦流（c）渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng) （d）渦流向下移動(dòng)產(chǎn)生的“煙圈”TEM基本原理頻率域及時(shí)間域電磁法頻率域及時(shí)間域電磁法H0dtT/2H0dtT/2H02dtT/2d0幾種常見(jiàn)激勵(lì)場(chǎng)源波形 令脈沖序列的T（周期），雙極性半正弦脈沖簡(jiǎn)化為半正弦波。令脈沖序列的d（脈沖持續(xù)時(shí)間），雙極性矩形脈沖、雙極性梯形波便簡(jiǎn)化為階躍波和斜階躍波，求得三種波形的復(fù)頻域表達(dá)式。幾種激勵(lì)波形的頻譜a：階躍波；b：斜

3、階躍波(后沿d=10ms)；c：半正弦波(d=2ms)頻率域及時(shí)間域電磁法頻率域及時(shí)間域電磁法 根據(jù)研究地電響應(yīng)手段的差別，對(duì)于測(cè)量斷電斷電以后瞬態(tài)響應(yīng)(二次電流)隨時(shí)間變化的方法稱為“時(shí)間域電法”，而把在供電期間供電期間研究大地穩(wěn)態(tài)響應(yīng)隨頻率的變化的方法，稱之為“頻率域電法”。頻率域電磁法(FEM) 在時(shí)間域中，任何一種脈沖波可分為許多正弦或余弦的諧波成分。每個(gè)諧波成分都將對(duì)導(dǎo)電體激勵(lì)起頻率域規(guī)律的電磁響應(yīng)，在不同時(shí)刻采樣，把各個(gè)諧波激勵(lì)起的二次場(chǎng)疊加，得到瞬變電磁場(chǎng)。TEM的測(cè)量結(jié)果相當(dāng)于FEM中使用多頻率觀察的效果。頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展 一套全頻段的頻率域電磁法儀，其覆蓋的頻

4、率范圍應(yīng)為250KHz-4*10-4秒，動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于130dB。 上世紀(jì)頻率域電磁儀進(jìn)展 90年代80年代末60年代年代50年代末年代末80年代初年代初頻率域的大地電磁儀由單道系統(tǒng)發(fā)展為多臺(tái)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如GMS-06 和V5 2000。 頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展頻率域、時(shí)間域、直流電磁法儀組合成多功能電磁法儀。鳳凰公司的V8和Zonge公司的GDP-32 21世紀(jì)以來(lái)，頻率域電世紀(jì)以來(lái)，頻率域電磁法向兩個(gè)方向發(fā)展磁法向兩個(gè)方向發(fā)展沿著專業(yè)道路向更高層次發(fā)展 Metronix公司最新推出的GMS-07頻率域綜合電磁法儀 頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電法技術(shù)進(jìn)展變頻法奇次諧波法

5、雙頻激電法an 序列偽隨機(jī)信號(hào)電磁法變頻法變頻法變頻法有一個(gè)與生俱來(lái)的缺點(diǎn)，就是它至少必須在每一測(cè)點(diǎn)改變頻率供電、測(cè)量?jī)纱?，才能獲得反映地下情況的百分頻率效應(yīng)( P. F.E) ,而不能兩個(gè)頻率同時(shí)測(cè)量,更不能多個(gè)頻率同時(shí)測(cè)量. 效率；外部條件和干擾；精度；激勵(lì)電流電磁測(cè)深要求測(cè)量從高到低一系列不同頻率的地電響應(yīng),形成較為完整的測(cè)深曲線.頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展奇次諧波法奇次諧波法奇次諧波法的缺點(diǎn)，一是矩形電流的各諧波能量分配極不均勻，無(wú)法克服諧波次數(shù)越高信號(hào)越微弱的缺點(diǎn)。二是它的頻率分布為算術(shù)均勻而非對(duì)數(shù)均勻,極不合理.頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展雙頻激電法雙頻激電法雙頻法將兩個(gè)

6、幅度相等、一高一低頻率不同的電流按一定的相位關(guān)系合成為雙頻電流，供入地下。頻率域電磁法進(jìn)展頻率域電磁法進(jìn)展an 序列偽隨機(jī)信號(hào)電磁法序列偽隨機(jī)信號(hào)電磁法用-1 ，0 和1 三個(gè)碼元分別表示電流I = - I0 ，0 ，I0 ，將n個(gè)不同頻率的電流組合為含有n 個(gè)主要頻率成分的合成電流。振幅；頻率分布；全頻域覆蓋國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀典型的TEM發(fā)射機(jī)性能對(duì)照表國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀1、加拿大加拿大Geonics公司公司PROTEM瞬變電磁儀瞬變電磁儀 國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀2、加拿大加拿大鳳凰公司發(fā)射機(jī)鳳凰公司發(fā)射機(jī) TXU-30(20kW,多功能)

7、T-3(便攜式多功能發(fā)射機(jī)) T-4A(2.8KW,瞬變電磁專用發(fā)射機(jī)) 國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀2、加拿大加拿大鳳凰公司發(fā)射機(jī)鳳凰公司發(fā)射機(jī) 國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀3、美國(guó)、美國(guó)Zonge公司發(fā)射機(jī)公司發(fā)射機(jī)(GDP-32多功能電法儀多功能電法儀) GGT-30大功率（30KVA）發(fā)射機(jī) ZMG-3(3kW)發(fā)電機(jī)組 ZMG-10(10kW)發(fā)電機(jī)組 GGT-10大功率（10KVA）發(fā)射機(jī) GGT-3大功率（3KVA）發(fā)射機(jī) ZMG-30(30kW)發(fā)電機(jī)組 國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀3、美國(guó)、美國(guó)Zonge公司發(fā)射機(jī)公司發(fā)射機(jī)(GDP-32多功能電法儀多

8、功能電法儀) 國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀4、德國(guó)、德國(guó)Metronix公司公司GSM-07（頻率域綜合電磁法儀）（頻率域綜合電磁法儀） 主機(jī)ADU-07外觀圖 TXM-01發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下：發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下： 最大電流40A 最大電壓560V 頻帶0.01Hz-10KHz 額定功率22KW 電源：380V，3相，50Hz 頻出信號(hào)：方波或其它波形 由發(fā)射控制箱TXC-01控制發(fā)射機(jī) 由GPS控制發(fā)射頻率和相位 主機(jī)ADU-07的頻帶寬達(dá)250KHzDC，覆蓋了從地表至上地?？碧街械娜l段電磁波范圍。 國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀5、重慶奔騰、重慶奔騰WDFZ WDFZ-1

9、0 WDFZ-5國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀高壓功率電源數(shù)字式PWM穩(wěn)流單元保護(hù)單元功率逆變單元隔離電源組6、小功率智能多頻發(fā)射系統(tǒng)、小功率智能多頻發(fā)射系統(tǒng) 人工場(chǎng)電磁法勘探中,作為信號(hào)場(chǎng)源的發(fā)射系統(tǒng),必須具有穩(wěn)定的時(shí)基穩(wěn)定的時(shí)基、精確的同步機(jī)精確的同步機(jī)制制和較大的功率輸出較大的功率輸出。頻率-波形合成單元控制部分瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題輸出響應(yīng)的畸變直接取決于激發(fā)場(chǎng)的關(guān)斷時(shí)間和接收探頭的頻率特性。由于發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間不為零(通常幾十s 到幾百s) ,接收裝置所測(cè)量的瞬變電磁信號(hào),在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),受到嚴(yán)重影響而發(fā)生畸變,將產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。關(guān)斷時(shí)間越短,激發(fā)場(chǎng)能量越大,早期

10、幅值越大,早期信號(hào)受到關(guān)斷時(shí)間影響越小,二次感應(yīng)響應(yīng)的有效時(shí)間窗越寬。相反,關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng),感應(yīng)段時(shí)間越長(zhǎng),早期信號(hào)被舍棄越多,淺層探測(cè)能力越弱。瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題由于探頭本身存在過(guò)渡過(guò)程, ,以致輸出并不完全是探頭上的感應(yīng)電壓, ,實(shí)際接收的全程瞬變電磁響應(yīng)均發(fā)生了畸變, ,而是包括了探頭上分布電容電位的變化, ,即由一次感應(yīng)電壓對(duì)分布電容放電過(guò)程和二次感應(yīng)電壓對(duì)分布電容進(jìn)行充放電過(guò)程兩部分。在不同諧振頻率的情況下最小勘探深度瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題均勻半空間模型關(guān)斷時(shí)間對(duì)視電阻率的影響均勻半空間模型線性關(guān)斷與階躍關(guān)斷視電阻率比瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)關(guān)斷沿影

11、響因素瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)關(guān)斷沿影響因素 一是儀器系統(tǒng)；二是發(fā)射機(jī)負(fù)載線圈；三是發(fā)射電流的幅度。1、電流幅度對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響忽略線圈間分布電容，當(dāng)電流關(guān)斷后,發(fā)射線圈中的發(fā)射電流的響近似按指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)線圈中的電流幅值接近噪聲水平In 時(shí),可認(rèn)為全部關(guān)斷。2、線圈匝數(shù)對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響設(shè)單匝線圈的等效電感及等效電阻分別為L(zhǎng)1 、R1 ,當(dāng)線圈匝數(shù)為n 時(shí), 總的等效電感L 和等效電阻R 為L(zhǎng) = n2L1 、R = nR1。當(dāng)發(fā)射電流幅度為I0 不變化,而發(fā)射線圈匝數(shù)為n1 和n2 時(shí)( n2 n1 ) ,分別設(shè)為t1 、t2 為發(fā)射匝數(shù)n1 和n2 時(shí)的關(guān)斷時(shí)間,則有:當(dāng)線圈匝數(shù)增加( n1 - n2 ) 匝時(shí),關(guān)斷時(shí)間增加( n1 - n2 )(ln I0 - ln In ) 。瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題瞬變場(chǎng)畸變問(wèn)題發(fā)射線圈的發(fā)射電流的限制因素：1、儀器系統(tǒng)本身的限制2、線圈的額定電流3、發(fā)射電流過(guò)大，線圈間的互感及耦合電容不能忽略4、關(guān)斷時(shí)間多匝發(fā)射線圈的電感、電阻、關(guān)斷沿時(shí)間及磁矩分別如下：對(duì)于電池供電的系統(tǒng)，如果發(fā)射電流保持不變，發(fā)射線圈尺寸一定時(shí)，增加線圈匝數(shù)對(duì)關(guān)斷時(shí)間及磁矩并不有利。頻率域系統(tǒng)零漂問(wèn)題頻率域系統(tǒng)零漂問(wèn)題頻率域航空電磁數(shù)據(jù)的零漂頻率域航空電磁數(shù)據(jù)的零漂由于多種因素的影響,頻率域電磁數(shù)據(jù)的實(shí)、虛分量