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間域電磁法頻率域及時間域電磁法1國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀3瞬變場畸變問題瞬變場畸變問題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)零漂問題頻率域系統(tǒng)零漂問題5頻率域及時間域電磁法頻率域及時間域電磁法時間域電磁法(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，在一次場的間歇期間，用線圈觀測由地下地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場（二次場或瞬變場）隨時間的衰減特性。通過觀測該瞬變場在空間上的分布規(guī)律和隨時間的變化規(guī)律來解決地質(zhì)問題的電法勘探法。 斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減，衰減過程分早、中、晚期。早期的電磁場相當(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。通過測量斷電以后各個時段的二次場隨時間的變化率便可得到不同深度的地電特性。頻率域及時間域電磁法頻率域及時間域電磁法（a）發(fā)射線圈產(chǎn)生一次磁場 （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 （d）渦流向下移動產(chǎn)生的“煙圈”TEM基本原理頻率域及時間域電磁法頻率域及時間域電磁法H0dtT/2H0dtT/2H02dtT/2d0幾種常見激勵場源波形 令脈沖序列的T（周期），雙極性半正弦脈沖簡化為半正弦波。令脈沖序列的d（脈沖持續(xù)時間），雙極性矩形脈沖、雙極性梯形波便簡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)頻率域及時間域電磁法頻率域及時間域電磁法 根據(jù)研究地電響應(yīng)手段的差別，對于測量斷電斷電以后瞬態(tài)響應(yīng)(二次電流)隨時間變化的方法稱為“時間域電法”，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。每個諧波成分都將對導(dǎo)電體激勵起頻率域規(guī)律的電磁響應(yīng)，在不同時刻采樣，把各個諧波激勵起的二次場疊加，得到瞬變電磁場。TEM的測量結(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，頻率域電世紀(jì)以來，頻率域電磁法向兩個方向發(fā)展磁法向兩個方向發(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)信號電磁法變頻法變頻法變頻法有一個與生俱來的缺點(diǎn)，就是它至少必須在每一測點(diǎn)改變頻率供電、測量兩次，才能獲得反映地下情況的百分頻率效應(yīng)( P. F.E) ,而不能兩個頻率同時測量,更不能多個頻率同時測量. 效率；外部條件和干擾；精度；激勵電流電磁測深要求測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，無法克服諧波次數(shù)越高信號越微弱的缺點(diǎn)。二是它的頻率分布為算術(shù)均勻而非對數(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

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)信號電磁法序列偽隨機(jī)信號電磁法用-1 ，0 和1 三個碼元分別表示電流I = - I0 ，0 ，I0 ，將n個不同頻率的電流組合為含有n 個主要頻率成分的合成電流。振幅；頻率分布；全頻域覆蓋國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀典型的TEM發(fā)射機(jī)性能對照表國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(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 發(fā)射機(jī)型號最大探測深度(m) 輸入電壓(V)輸出電壓(V)輸出電流(A)TEM471501209V3TEM57-MK

7、2500110/22012V(6)1860或18028TEM6710002000220V/50Hz1815028加強(qiáng)型TEM672000220V/50Hz24028國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(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) 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)) 國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(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) 發(fā)射機(jī)型號最大功率(kW)輸入電壓輸出電壓(V)輸出電流(A)頻率范圍TXU-3025200240V,5060Hz530kW三相發(fā)電機(jī)2510000.5400.00

8、3910000HzT-32.250、60Hz單相發(fā)電機(jī)或12V電瓶300，60011000.059內(nèi)部：32Hz16s(時域) 16.384kHz8s(頻域)外部：直流16.384kHzT-4A2.812V電瓶38A10000Hz0.00005Hz國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀3、美國、美國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 國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)

9、狀國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀3、美國、美國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) 發(fā)射機(jī)型號最大輸出功率(kW)輸出電壓(V) 輸出電流(A)工作頻率關(guān)斷時間GGT-3030100045DC8kHz125usGGT-1010100030DC8kHz125usGGT-33100010DC8kHz125us發(fā)電機(jī)組最大輸出功率(kW)輸出電壓(V)輸出頻率(Hz)重量(kg)尺寸(cm)ZMG-303011540043291*142*79ZMG-101011540020469*94*74ZMG-331154005251*71*51國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀4、德國

10、、德國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：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。 國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀5、重慶奔騰、重慶奔騰WDFZ WDFZ-10 WDFZ-5發(fā)射機(jī)型號工作電壓最大發(fā)射功率輸出電壓(V

11、)輸出電流(A)供電周期(s)WDFZ-1012V/8.5AH可充電電池10kW1200104、8、16、32、64、128、256WDFZ-512V/8.5AH可充電電池5kW120054、8、16、32、64、128、256國內(nèi)外儀器發(fā)展現(xiàn)狀國內(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) 人工場電磁法勘探中,作為信號場源的發(fā)射系統(tǒng),必須具有穩(wěn)定的時基穩(wěn)定的時基、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畸變問題瞬變場畸變問題輸出響應(yīng)的畸變直接取決于激發(fā)場的關(guān)

12、斷時間和接收探頭的頻率特性。由于發(fā)射電流的關(guān)斷時間不為零(通常幾十s 到幾百s) ,接收裝置所測量的瞬變電磁信號,在相當(dāng)長的一段時間內(nèi),受到嚴(yán)重影響而發(fā)生畸變,將產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。關(guān)斷時間越短,激發(fā)場能量越大,早期幅值越大,早期信號受到關(guān)斷時間影響越小,二次感應(yīng)響應(yīng)的有效時間窗越寬。相反,關(guān)斷時間越長,感應(yīng)段時間越長,早期信號被舍棄越多,淺層探測能力越弱。瞬變場畸變問題瞬變場畸變問題由于探頭本身存在過渡過程, ,以致輸出并不完全是探頭上的感應(yīng)電壓, ,實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)電壓對分布電容放電過程和二次感應(yīng)電壓對分布電容進(jìn)行

13、充放電過程兩部分。在不同諧振頻率的情況下最小勘探深度瞬變場畸變問題瞬變場畸變問題均勻半空間模型關(guān)斷時間對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畸變問題瞬變場畸變問題瞬變電磁探測系統(tǒng)關(guān)斷沿影響因素瞬變電磁探測系統(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、電流幅度對關(guān)斷時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,可認(rèn)為全部關(guān)斷。2、線圈匝數(shù)對關(guān)斷時間的影響設(shè)單匝線圈的等效電感及等效電阻分別為L1 、R1 ,當(dāng)線圈匝數(shù)為n 時, 總的等效電感L 和等效電阻R 為

14、L = 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( n2 n1 ) ,分別設(shè)為t1 、t2 為發(fā)射匝數(shù)n1 和n2 時的關(guān)斷時間,則有:當(dāng)線圈匝數(shù)增加( n1 - n2 ) 匝時,關(guān)斷時間增加( n1 - n2 )(ln I0 - ln In ) 。瞬變場畸變問題瞬變場畸變問題對比實驗分析對比實驗分析瞬變場畸變問題瞬變場畸變問題發(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)射電流過大，線圈間的互感及耦合電容不能忽略4、關(guān)斷時間多匝發(fā)射線圈的電感、電阻、關(guān)斷沿時間及磁矩分別如下：對于電池供電的系統(tǒng)，如果發(fā)射電流保持不變，發(fā)射線圈尺寸一定時，增加線圈匝數(shù)對關(guān)斷時間及磁矩并不有利。頻率域系統(tǒng)零漂問題頻率域系統(tǒng)零漂問題頻率域航空電磁數(shù)據(jù)的零