瞬變電磁發(fā)射電流波形對瞬變電磁響應(yīng)的影響

瞬變電磁發(fā)射電流波形對瞬變電磁響應(yīng)的影響

1vtem系統(tǒng)航空瞬變電法具有速度快、靈活、高效等優(yōu)點。目前，它是礦產(chǎn)資源勘探的流行手段。它廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)調(diào)查、非爆炸物探測等領(lǐng)域。近年來，我國在863計劃的支持下，開展了飛機(jī)貨運系統(tǒng)的開發(fā)和整合，取得了逐步理論成果。由于中國航空磁體（aem）相對較弱，許多重要的系統(tǒng)問題必須盡快解決。目前我國TEM發(fā)射波形主要采用方波或梯形波,觀測時間為無發(fā)射電流期間(發(fā)射電流I(t)=0),即所謂off-time觀測,加拿大Geotech公司的VTEM旋翼系統(tǒng)即采用這種觀測方式.但off-time觀測的一個最大缺點是,由于高電導(dǎo)目標(biāo)體的時間常數(shù)很大,渦流衰減很慢,感應(yīng)的二次場很弱,而高電導(dǎo)目標(biāo)又是最有開發(fā)價值的高品位富礦.雖然VTEM系統(tǒng)具有通過dB/dt積分獲得B的功能以提高靈敏度,但高電導(dǎo)率目標(biāo)體響應(yīng)弱的問題未從根本上解決.目前很多國際先進(jìn)的TEM系統(tǒng)都具有ontime探測功能,即在有發(fā)射電流期間(I(t)≠0)采集,比如加拿大Fugro公司的GeoTEM和MegaTEM固定翼系統(tǒng),發(fā)射電流為半正弦;加拿大Aeroquest公司的AeroTEM旋翼系統(tǒng),發(fā)射電流為三角波等.因此,研究不同發(fā)射電流波形對on-time和off-time瞬變電磁響應(yīng)的規(guī)律,對于合理設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化并取得很好的應(yīng)用效果意義重大.目前關(guān)于波形的影響規(guī)律多限于梯形波響應(yīng)規(guī)律研究,但各種發(fā)射波形對響應(yīng)的影響,尤其是on-time探測的問題國內(nèi)還未見報道.Liu對階躍波、方波、梯形波、三角波和半正弦波在off-time期間的響應(yīng)做了報道,其響應(yīng)模型為自由空間中按指數(shù)衰減的導(dǎo)體回線.本文在該模型下對off-time各種波形的響應(yīng)進(jìn)行了更為深入的討論,且將自由空間回線模型推廣至on-time響應(yīng)進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上揭示了on-time響應(yīng)的許多重要規(guī)律,這些規(guī)律可為今后航空TEM系統(tǒng)標(biāo)定以及設(shè)計具有on-time測量功能的系統(tǒng)提供理論指導(dǎo).2階躍電流的響應(yīng)圖1為自由空間中TEM系統(tǒng)響應(yīng)模型,其中I(t)為發(fā)射電流,i(t)為回線感應(yīng)電流,V(t)為接收線圈響應(yīng)電壓,R和L分別為回線的電阻和電感.TEM常用發(fā)射電流波形為矩形、梯形、三角形和半正弦.便于理論對比,對階躍電流也一并討論,各種電流波形如圖2所示.下面首先通過對階躍電流響應(yīng)的討論,獲得系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù),通過該沖激響應(yīng)函數(shù)與各種發(fā)射電流的卷積得到系統(tǒng)的響應(yīng).圖2a的階躍電流可表示為其中I0為電流峰值,u(t)為單位階躍函數(shù).由圖1模型可得階躍電流的響應(yīng)為其中a=-MTLMLRI0/L,MTL為發(fā)射線圈與地回路的互感,MLR為地回路與接收線圈的互感,τ=L/R為回線時間常數(shù).圖1所示系統(tǒng)滿足如下卷積關(guān)系:將(1),(2)式代入(3)式并求導(dǎo)可得系統(tǒng)沖激響應(yīng)為當(dāng)輸入電流為I(t)時,得到系統(tǒng)的響應(yīng)為由圖2可知各種電流的時域表達(dá)如下:將(6)~(9)式代入(5)式得各波形全時域響應(yīng)如下:3在負(fù)載時間內(nèi)發(fā)射電流波形對tem反應(yīng)的影響3.1響應(yīng)保護(hù)函數(shù)由(2)、(10)~(13)五式可獲得在電流關(guān)斷的off-time(t>0)期間激勵響應(yīng)分別為對(14)~(18)式分別取極限可求得off-time響應(yīng)初值如下:將(19)~(23)式對-a/Δ歸一化,得到響應(yīng)初值幅度隨τ/Δ變化的規(guī)律如圖3所示.其中Trapezoidal1和Trapezoidal2的沿寬與脈寬的比值分別為0.1和/較大時,半正義信號的響應(yīng)由圖3可見off-time期間信號初值受τ/Δ影響較大,下面分別討論不同τ/Δ對響應(yīng)初值的影響規(guī)律.當(dāng)τ/Δ較小時:(1)當(dāng)τ/Δ<0.1時,階躍激勵與方波激勵的響應(yīng)初值趨于一致,響應(yīng)初值與τ/Δ呈反比.因此,對于低電導(dǎo)率目標(biāo)體,off-time期間方波激勵與階躍激勵效果相同,且具有最強的響應(yīng)初值.(2)梯形、半正弦和三角波電流激勵的響應(yīng)在τ/Δ較小時都趨近各自的極限值,即τ/Δ較小時,這三種電流響應(yīng)初值與τ/Δ無關(guān).將(21)~(23)式對a/Δ歸一化取極限可得:由(24)式可見,當(dāng)Δ一定時,梯形波的沿時間Δ1越小,信號越強.由(25)~(26)式可見,半正弦的響應(yīng)初值為三角波的π/2倍,但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于梯形波響應(yīng).當(dāng)τ/Δ較大時:(1)當(dāng)τ/Δ>1.0時,階躍激勵的響應(yīng)幅度以一階速率下降,其他脈沖激勵的響應(yīng)幅度則以二階速率下降.該結(jié)果表明,無論梯形波還是三角波和半正弦波,在off-time期間探測高電導(dǎo)率目標(biāo)體時,響應(yīng)幅度都比較小.如果想提高信號幅度,就必須提高發(fā)射電流或者降低激勵電流的基頻,基頻降低一半,信號幅度變?yōu)?倍.(2)當(dāng)τ/Δ>1.0時,脈沖激勵的響應(yīng)曲線相互平行,即各種脈沖激勵的響應(yīng)在τ/Δ較大的情況下比值不變.由(20)~(23)式可得以方波信號為基準(zhǔn)時的各個信號的比值關(guān)系:下面進(jìn)一步討論這些比值的物理意義.當(dāng)t>0,Δ/τ→0時,系統(tǒng)的響應(yīng)(5)式簡化為其中的積分項即為發(fā)射電流與時間軸圍成的面積.可見在τ/Δ較大的情況下,off-time響應(yīng)初值僅與電流與時間軸圍成的面積成正比.式(27)~(29)正是這種規(guī)律的反映,該結(jié)果表明,通過提高發(fā)射波形與時間軸所圍的面積,可以提高響應(yīng)初值.從另一個方面證明:增加發(fā)射電流與降低基頻可以使信號幅度增加.(3)當(dāng)梯形波的沿變陡時,由于電流與時間軸所圍的面積有所增加,所以信號會略有增加,但是一般情況下沿的時間與整個脈沖的時間相比可以忽略,即所以即使沿非常陡,響應(yīng)信號也不會有太大的變化.(4)在τ/Δ=0.4時,半正弦與三角波都達(dá)到最佳激勵效果(與階躍響應(yīng)最接近),因此探測不同電導(dǎo)率的目標(biāo)體時應(yīng)選擇最佳的基頻,梯形波的最佳激勵脈寬與沿有關(guān)系,沿越陡,時間常數(shù)與最佳脈寬的比值越小.方波信號沒有最佳值脈寬,脈寬越大響應(yīng)信號幅度越接近階躍信號.4電流脈沖激勵下的特征由上面的討論的結(jié)果可以看到,電導(dǎo)率增高引起目標(biāo)體時間常數(shù)增加,off-time期間感應(yīng)信號迅速衰減,所以這些電流脈沖對于測量低電導(dǎo)率目標(biāo)體效率很高,但對高電導(dǎo)率目標(biāo)體的探測不理想.主要原因在于如果地質(zhì)體電導(dǎo)率較高,由脈沖激勵前沿在地質(zhì)體產(chǎn)生的渦流與脈沖后沿產(chǎn)生的渦流相互抵消,從而使off-time響應(yīng)大大降低.所以需要研究on-time期間響應(yīng)的特點.4.1基于指數(shù)衰減的全場信號采集區(qū)間的確定將公式(10)~(13)幅度對-a/Δ歸一化,時間對脈寬Δ歸一化,得到各種發(fā)射電流波形的時域響應(yīng)如圖4所示,其中回線時間常數(shù)τ=Δ,梯形波Δ1/Δ=0.05.如圖4所示,方波激勵響應(yīng)在整個on-time時間呈指數(shù)衰減,定義(-Δ,0)為方波激勵響應(yīng)的ontime信號采集區(qū)間;梯形波激勵響應(yīng)在上升沿與下降沿時間段內(nèi)變化劇烈,一次場與二次場信號幅度非常高,并且由于梯形波沿時間很短,接收信號受線圈過渡過程的影響較大,實際無法得到精確的二次場信號,因此定義梯形波激勵響應(yīng)的on-time信號采集區(qū)為(-Δ+Δ1,-Δ1);半正弦波的激勵響應(yīng)在整個on-time期間不發(fā)生突變,因此定義半正弦激勵響應(yīng)的on-time信號采集區(qū)間為(-Δ,0);三角波激勵在整個on-time區(qū)間內(nèi)有一處突變,并且信號幅度變大,所以定義(-Δ/2,0)為三角波激勵響應(yīng)的on-time信號采集區(qū)間.4.2trapegity最優(yōu)波形的初始由(10)~(13)式,得到各個激勵波形在on-time采集區(qū)間的響應(yīng)如下:由(31)~(34)式得到不同波形響應(yīng)的初值分別為將(35)~(38)式對-a/Δ歸一取幅度,如圖5所示.其中Trapezoidal1和Trapezoidal2的沿寬分別為Δ1/Δ=0.04和Δ2/Δ=方波激勵響應(yīng)與梯形波激勵響應(yīng)的關(guān)系當(dāng)τ/Δ較小時:(1)當(dāng)τ/Δ較小時,方波激勵響應(yīng)的幅度最大,并且隨著回線時間常數(shù)減小而增加,梯形波激勵的響應(yīng)幅度小于方波激勵響應(yīng),但是大于三角波激勵與半正弦激勵響應(yīng).(2)當(dāng)τ/Δ<0.1時,梯形波激勵、三角波激勵和半正弦激勵的響應(yīng)都趨于恒定,不隨時間常數(shù)的變化而變化,梯形波激勵的響應(yīng)幅度隨著上升沿的斜率增加而增加,(36)~(38)式對-a/Δ歸一化,計算得到各種波形的激勵響應(yīng)在τ/Δ→0時極限分別為對于梯形波的響應(yīng),當(dāng)脈寬一定時,沿時間與響應(yīng)成反比,沿越短,激勵信號幅度越大,當(dāng)Δ1→0時,梯形波的響應(yīng)趨于方波響應(yīng).(3)對比(20),(21)式與(35),(36)式可以發(fā)現(xiàn),在低電導(dǎo)率區(qū)域,梯形波激勵響應(yīng)的off-time信號與on-time信號幅度相同,但是on-time采集要求消除一次場的影響,并且on-time采集的噪聲比offtime要大,所以方波激勵與梯形波激勵都不適用于on-time信號采集,在實際使用中,地面系統(tǒng)都采用方波或者梯形波激勵采集off-time信號.當(dāng)τ/Δ較大時:(1)梯形波與方波激勵響應(yīng)在τ/Δ>0.3時小于三角波與半正弦激勵響應(yīng).方波激勵響應(yīng)與梯形波激勵響應(yīng)隨回線時間常數(shù)的增加而一階速率下降,不同上升沿時間的梯形波初值都趨于方波激勵的初值.可見在on-time期間,梯形波和方波激勵在探測高電導(dǎo)率目標(biāo)體時會隨著電導(dǎo)率的增加而下降,因此不適合探測高電導(dǎo)率目標(biāo)體.(2)半正弦激勵響應(yīng)的幅度與時間常數(shù)無關(guān)保持恒定.當(dāng)τ/Δ>1時,三角波信號幅度逐漸下降為低電導(dǎo)率時的一半,并保持恒定.所以利用三角波和半正弦的on-time信號可以探測到低電導(dǎo)率目標(biāo)體.三角波激勵與半正弦激勵是航空TEM系統(tǒng)中最常用的波形.半正弦波的優(yōu)點在于可以獲得更大的峰值磁矩,進(jìn)行深部探測,如固定翼航空TEM的GeoTEM與MegaTEM都采用半正弦激勵;三角波的優(yōu)點在于一次場響應(yīng)簡單,適于淺部低阻體探測,以及早期信號的采集與處理,旋翼航空TEM,如AreoTEM采用三角波激勵.此外由于三角波與半正弦激勵響應(yīng)幅度與τ值關(guān)系不大,可以適當(dāng)?shù)靥岣咝盘柣l,以提高信號的疊加次數(shù),從而提高信噪比和空間分辨率.5/變化曲線上面只是分別討論了不同波形在on-time和off-time響應(yīng)初值的規(guī)律,還不能完整描述整個時間域信號在off-time和on-time的規(guī)律,下面以加拿大AeroTEM使用的三角波為例,在不同的時間段進(jìn)行抽道平均,給出各道在off-time和on-time期間的響應(yīng)結(jié)果并進(jìn)行對比分析.圖6為三角波在off-time期間的響應(yīng)隨τ/Δ變化曲線(見公式(18));圖7為三角波在on-time期間的響應(yīng)隨τ/Δ變化曲線(見公式(34)).off-time和on-time均取10個抽道窗口.由圖6和圖7可見,三角波對高電導(dǎo)率礦體的on-time響應(yīng)遠(yuǎn)大于off-time響應(yīng).三角波對低電導(dǎo)率礦體的on-time響應(yīng)與off-time響應(yīng)幾乎相同,這與文獻(xiàn)在均勻半空間中板狀礦體模型的結(jié)果完全吻合,故本文回線模型同樣可以反映on-time期間的響應(yīng)規(guī)律.由于通常航空TEM的on-time期間噪聲較大(1nT/s),而off-time期間噪聲較小(0.25nT/s),低電導(dǎo)礦體利用三角波的off-time期間采集,可獲得較高的信噪比.on-time采集既然對高τ/Δ值的礦體敏感,這使得通過降低脈寬Δ以獲取高的響應(yīng)信號成為可能.低的Δ意味著高的基頻,而高的基頻又意味著信號疊加次數(shù)的增加,這對降低噪聲提高信噪比和提高勘探深度是有益的.此外,基頻的提高還可以顯著改善系統(tǒng)的空間分辨率.AeroTEM通常采用150Hz的基頻.6半東南角-u3000半-表面能量激勵與三角波激勵的對比由自由空間導(dǎo)電回線模型給出的響應(yīng)規(guī)律具有簡潔的數(shù)學(xué)表達(dá),易于揭示不同發(fā)射電流波形在off-time和on-time響應(yīng)的特點,且結(jié)論具有普遍的指導(dǎo)意義.方波激勵與梯形波激勵適于off-time采集,而不適于on-time采集,在低電導(dǎo)率區(qū)域,方波與梯形波的on-time響應(yīng)與off-time響應(yīng)幅度相當(dāng),但是on-time采集時的噪聲要大于off-time采集時的噪聲,所以off-time采集可以獲得更高的信噪比.地面系統(tǒng)通常使用方波或者是梯形波激勵進(jìn)行探測,但是在高電導(dǎo)率區(qū)域,on-time與off-time信號都會隨電導(dǎo)率的增高而減小,所以系統(tǒng)對高電導(dǎo)率的探測能力以及分辨率都會下降.半正弦激勵與三角波激勵適于航空TEM探測,航空系統(tǒng)同時采集on-time信號和off-time信號.在高電導(dǎo)率區(qū)域進(jìn)行on-time采集時,三角波激勵與半正弦激勵響應(yīng)信號幅度幾乎不隨電導(dǎo)率的提高而下降,所以可以探