瞬变电磁信号检测原理及仪器

瞬变电磁信号检测原理及仪器瞬变电磁信号检测原理本章主要阐述瞬变电磁信号的特点及主要的噪声源，结合这些特点简要阐明几种主要检测方法及原理。1瞬变电磁信号的特点1．1信号的动态范围第3章中已提起，局部导电体上用接收线圈观测到的感应电压的时间特性决定于可见，其异常幅度及衰减速度很大程度上决定于导体的时间常数τ值。对于良导电矿体而言，由于τ值较大，尽管初始响应的幅值并不很大，但衰减却相当慢，典型的衰减时问范围从100~200μS至10－20mS,并跨越近二个级次。在测深工作中，时间范围决定于探测深度，探测n×10m至1Km的地电体，其时间范围需要nx10μS到n×102ms左右,探测油气田构造时，探测深度达1－5Km，其时间范围为nms至nx10s，所跨越的时间范围就更大。在这么宽的时间范围内，信号衰减的规律如图6-1所示，在早期，信号幅值高而且衰变速度很快；在晚期的信号很弱，衰减速度却慢得多。对于同一个观测点而言，从早期到晚期的信号幅值从nx105μV变到0．nμV，如此大的动态范围内的信号一般都要求准确测定。显然，并不是每一个测点都是如此，异常的幅值除了与τ值有关外，还与地质对象的规模产状埋深及观测点位置等几何因子有关。1．2对信号的分辨如图6－l所示，瞬变信号在早、中、晚期的衰变速度差别相当大。为了在很宽的时间范围内围内不失真地准确确定瞬变衰减特性，除了在足够宽的时间范围内必须有足够的测道外，各测道之间的间隔及采样门宽(tg）应随测道不同而有所改变。如图6－1所示，在早期，信号幅值高而且衰减速度快，因此采样时间间隔及门宽都必须相当窄才能保证足以精确地分辨信号的衰减特性；在晚期，采样间隔及门宽应增大，以适应弱信号慢衰变的特性。l．3信号的频带瞬变电磁方法实际上是宽频的电磁系统。在理论上频谱可以无限延伸，其中包括了频域电磁方法的整个频带(n~n×104Kz)。实际上由于随着谐波次数的增高而能量变弱，例如重复频率为35．7Hz的双极性方波脉冲系列，高于100次谐波的发送能量实际上已小于基波的1/1000。另外，对于非调谐式的宽带接收机而言，频带过宽会使系统的信噪比下降。考虑到上述两方面的因素，接收机的通频带一般选在0~nx10kHz的范围。由于瞬变电磁法的探测深度受到外部噪声电平限制，在已选定了信号频带的情况下，应采取措施提高仪器的观测灵敏度、抗于扰能力及对数据进行滤波处理，或增大发送功率等，以提高晚期测道观测数据的信噪比。2电磁噪声通常情况下，深部地质目标的瞬变电磁响应被淹没于噪声之中，研究电磁噪声规律有着重要意义。例如在瞬变电磁测深中，人们最关心的是探测深度问题，在采用中心回线装置的情况下，极限的探测深度可近似地由下式确定H极限＝0．55（Mρ／RmN）(6－2）式中：M为发送磁矩；ρ为大地的平均电阻率；Rm为要求的最低限度信噪比；N为平均噪声电平；乘积RmN为最小可分辨信号电平。为了提高探测深度，除了提高发送磁矩之外，降低最小可分辨信号电平也是重要途径。显然，后者更为经济实用。因此，在研制仪器系统时，对于抑制电磁噪声干扰以降低最小可分辨信号电平作了相当大的努力。在瞬变电磁系统中，干扰噪声主要来自外部的电磁噪声，其中主要是天然电磁场噪声及人类文化设施的噪声（以下称人文噪声）,这些外来电磁场具有很宽的频谱范围，它包括了从0Hz的地磁场到GHz的高频磁场。但是，一般的电磁系统的工作频率范围约为nHz至n×10kHz，高于此范围内的干扰噪声将被仪器中的低通滤波器滤除。因此，这里所说的干扰噪声也就是指此频段范围内的外来电磁场，图6－2为这些外来电磁场的一览图。由图可见，低于1Hz的噪声主要来自地磁场的微脉动PC,特别是PC2和PC3型尤为明显。在低于1Hz的频段内，仪器系统本身的l／f噪声也较为突出。5Hz－25kHz范围内的噪声源为雷电闪电及人文噪声。其低频（VLF）及中波电台等的电磁信号，尽管有可能很强，但已被仪器中的低通滤波器滤除。下面重点阐述这些噪声的机理。特点及抑制措施，至于仪器系统本身的噪声，现代技术水平下已可以限制到远远小于外来噪声，不再赘述。3硬件构成概述综合现代的仪器系统，其硬件框图如图6－6所示。不同类型仪器的外置部件有增有减，例如“发、收一体机”把a、b中的“同步信号”相接，没有“时钟电路（指石英钟）和“GPS同步控制器”；又如多数引进仪器设置有“石英钟时钟电路”，但没有“GPS同步控制器”。下面分别叙述各部件的关键技术。3．1观测系统中的前置级瞬变电磁仪接收机的前置级包括接收线圈、低噪声宽带前置放大器及锐截止的低通滤波器等。1．接收线圈接收线圈是仪器的灵敏元件、传感器，检测微弱信号要求线圈具有较高的灵敏度；信号的宽频特性要求线圈的通频带要宽，具体要求它的固有谐振频率高于n×10kHz，并且由线圈本身引起的过渡过程应很短。对制作高灵敏度的小型线圈（探头）而言，关键的问题是如何减小分布电容。不同类型仪器对线圈参数要求并不一样，探测浅层的仪器的第一道取样时间一般t1≤10μS，所用线圈的固有谐振频率高达近100kHz。探测中深层仪器的第一道取样时间一般t1≥50μS，线圈的匝数增多了，固有谐振频率降至n×10kHz；在野外常使用敷设n×10－n×100m的回线做接收框，固有谐振频率暂无确切数据：曾有人作过计算，使用10m×10m单匝回线，过渡过程渡越的时间为2~10μS。有关线圈的制作工艺问题不再—一赘述。灵敏元件要取得收效，具有高灵敏度仅仅是个必要条件，不能脱离信噪比改善去追求灵敏度。例如，探头的灵敏度很高但噪声也很大，无法检测弱信号。但是，单纯用信噪比去衡量探头也并不全面，这是因为信噪比只能说明信号的质量，而没有反映探头对信号质量的影响，即衡量灵敏元件的优劣。这里边还存在一个与后面的前置放大器最佳匹配问题。某些仪器的接收机，例如PROTEM－57系统，设计接收线圈时强调的是最佳匹配，使前置级的噪声降到了最低限度，尽管线圈有效面积不大（经线圈内置的4倍放大后，q＝200m2），但它得到了高质量信号，至于灵敏度问题，由后面的放大器得到了调整；由于线圈匝数少，其频带也展得很宽，这有利于取得好的方法效果。但是，PROTEMBH－43钻井中的探头，强调灵敏度，轴向线圈有效面积q＝104m2,径向线圈q＝2500m2,线圈固有谐振频率＜10kHz，这样可利用的起始道时间会延迟。某些仪器并不使用探头，而是使用敷设于地面的回线，回线面积有可能从10m×10m变化到1000m×l000m。因此，前置放大器不可能与它处于匹配状况。此外，随着回线面积的增大，线圈固有过渡过程将延长。为此，有必要对所准备使用回线的过渡过程渡越时间有所了解。2．低噪声宽带前置放大器首先，考虑到接收线圈、接收机前置级与地之间必然存在漏电阻及分布电容，其大小与仪器装配。安置及气候条件等有关。由于受这种漏电阻及分布电容的影响，在接收机两输入端将会产生一个误差电压，尽管它的数值不大（微伏级X但对于分辨灵敏度为毫微伏级的接收机而言，将会对观测结果带来影响。为了抑制这种干扰，要求前置放大器采用双端输入的差分放大器，这样，这种误差电压就相当于一个共模信号加到差分放大器的输入端而被抑制，而不影响差模电压（信号）,有的仪器在接收线圈与前置放大器之间还加进了专门的共模抑制电路。在观测系统中，最小可检测电平取决于噪声，它的大小限制了观测系统的分辨率和检测信号的动态范围。因此，使用低噪声前置放大器是首要的关键技术，只有它低噪声才能保证观测系统的观测精度。对于它的各项指标均有较高的要求，例如：折合到输人端的噪声＜0．5μV共模抑制比＜90dB频带宽0－50kHz，最大不失真输出6V增益5－10倍输人动态范围0．5μV~1V输人阻抗≥1MΩ有的仪器有可能达到比上列更高的指标，这些指标中关键是低噪声、增益、频带宽、输入和输出阻抗、稳定性及动态范围等项，可以在解决了噪声指标的基础上再作进一步的调整。欲使获得良好的低噪声特性，除了选用高性能的低噪声器件（例如美国产器件运算放大器MAT02、LT1028等）还需要对电路作周密的设计及调试。一般程序可归纳如下：首先，根据噪声指标、探头的阻抗特性及频带等指标来确定电路及所使用的元器件；在调整过程中，要对器件的工作点及匹配等作反复试验，以获得最小噪声系数；最后，根据放大器的非噪声指标来调整后续电路。要获得低噪声，合理地屏蔽、安装、调试也是不可忽视的环节，其中以屏蔽措施尤为重要。井中瞬变电磁系统中，由磁芯屏蔽线圈、前置放大及电池等密封安装于玻璃钢管中构成下并探头或称为探头仪，用电缆接头与下井电缆相联接。其技术要求与上述相同。3．2观测系统中的程控放大级从接收线圈输入到前置放大级的信号是差动输入信号，与接收机不共地；通过前置放大级后，输出端匹配成了单端输出。与接收机共地的信号。前节已提起，瞬变场信号的基本特点是：信号弱（晚期达0．nμV）,动态范围宽n×105μV－0．nμV)，后续的放大级要实现对早、中、晚期信号均能实现有效不溢出检测。通常的后续放大级由“几级固定增益放大器”加“数控增益放大器（PGA）”组成。PGA在“数据采集与处理”科技领域中有着广泛的应用，有各种各样的电路可参考，对于TEM仪器系统来说是选择的问题。常用于TEM仪器的电路有“浮点放大”和“自适应数控增益放大”两种，前者是20世纪80年代初期应用于地震勘探仪器的一项技术，主要被应用于几种国内研制的TEM仪器，设置5－7级，放大倍数由浮点控制器控制；后者一般设6－8个增益值（放大倍数为2nn＝1，2，3，…，8）,n的选择有的仪器是手置，有的仪器是经“感知”实际观测数据后自动驱动。还是后者稳定可靠。在后者的电路中，存在理论放大值与实际放大值存在差异的问题，往往采用“增益自动校正电路”先精确地测量出每一级实际的放大倍数，然后用它来恢复实际值。在SD系列仪器及西安交通大学研制的浅层仪器。采用这种技术，效果良好。3．3A／D转换器A／D转换器是仪器输入通道重要的组成部分。它的位数决定PGA的动态范围，它的速度特性决定采样的速率。瞬变场信号的特性决定了所选择的A／D转换器的位数要“高”。速率要“快”。现在流行用12位的A／D转换器，其采样速率约10μS(100kHz),可以达到采样定理规定要求（采样速率大于信号高端频率的两倍），12位A／D转换器要求输入信号的动态范围为5V－5V/212,约为1mV；16位A／D转换器要求输入信号的动态范围为5V－5V/216，约为0.076mV。24位高速A／D转换器已用于国外TEM仪器，国内SD仪器系列的改进型MSD则也改用16位高速A／D转换器，那么PGA的动态相应地要求降低，仪器的稳定性及检测信号精度也有所提高。A／D转换器的位数与速率，目前的器件很难达到两“高”，12位A／D的速率达到10μS已是相当好的器件，还要加上程序运行的渡越时间，仪器的采样率及第1道的采样时间还达不到10μS水平。3．4同步方法为了保证观测系统准确地在供电电流断开的某一时刻t；开始采样，发送与接收两系统应同步工作。也就是说，接收系统的采样“0时刻”应该准确地对准发送系统供电电流刚刚断开的时刻。同步方法主要有四种。1）电缆传输。把控制接收系统采样“0时刻”的时序脉冲（MPC给出）通过传输线（电缆）传输至发送系统，驱动开关电路工作。“收、发一体机”属于这种同步方式。2）无线电讯号同步。把接收系统的同步信号加载于无线电载波讯号发射出去；无线电接收机接收载波讯号，解调出同步脉冲讯号去驱动发送机工作。这种同步方法现代仪器中已被淘汰。3）石英钟同步。由于石英晶片的振荡器频率精确度高、稳定性好，所得到的振荡讯号被用作时标脉冲，用经分频处理后的时序脉冲去驱动TEM发、收系统的驱动电路，其精度可达到10-8s/24h。国外多种公认的一流仪器都使用这种同步方法。不过要确保石英钟的高精度、高稳定性，恒温的要求也高，通常把它放置于杜瓦瓶中通电恒温，而且要求使用前就预热几小时以上。用它工作也十分繁琐，开工前。工作中两系统要“对钟”，把同步调整好。实践中尚未见国产的此类仪器，也许是由于工