时间域航空电磁法一次场自抵消装置

摘要

本发明涉及一种时间域航空电磁法一次场自抵消装置。飞机装有数据收录系统，通过吊挂绳索将支撑发射线圈、z分量接收线圈、x分量接收线圈、y分量接收线圈和校准线圈的十字形支架吊挂在飞机舱底，z分量接收线圈、x分量接收线圈和y分量接收线圈经导线连接到前置放大器上，再经信号线连接到数据收录系统上。与现有同类相比有效降低一次场对接收线圈的影响，接收线圈接收的二次场信号动态范围大大增加，提高了勘探精度和效率，接收线圈采用双减震结构，有效保护接收线圈，避免装置震动对接收信号的影响，提高二次场晚期信号的接收质量。校准线圈与三个接收线圈同时成45度角，便于工作人员随时检查系统性能，提高了系统检测效率。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种航空地球物理勘探接收装置，尤其是吊舱式直升机时间域航空电磁勘探装置。

背景技术：

吊舱式直升机航空时间域电磁法勘探系统采用直升机飞机作为飞行载体，通过发射大功率的磁场信号对地下介质激励，在磁场信号的发射间隙，利用接收装置接收地下介质因涡流效应产生的二次场，从而对地下电阻率结构进行解释。吊舱式直升机航空时间域电磁勘探接收装置是航空时间域电磁法勘探系统的一部分，包括感应线圈或磁感应传感器、信号调理模块、数据采集处理系统及用于检验是否工作正常的校准线圈。接收装置的核心在于感应线圈或磁感应传感器，其安装方式直接决定着信号的接收质量。目前接收装置的安装方式主要包括与发射装置一体的直升机吊舱式以及固定翼单独吊挂式两种，接收分量有单分量(z分量)、双分量(x、z分量)及三分量(x、y、z)三种，双分量和三分量接收装置的位置各有不同。

国际上现有的著名吊舱式直升机航空电磁法系统研发单位主要有Geotech公司、Fugro公司及Aeroquest公司等，为避免一次场幅度过大导致接收线圈接收二次场动态范围过小，采用了多种方式，如Geotech公司及Aeroquest公司采用的“buckingcoil”反馈线圈设计以及Fugro公司采用的将接收线圈置于发射线圈与直升机中间的位置等。

国内目前除一些研究吊舱式时间域电磁法理论的文章有发表外，尚未见成熟的吊舱式直升机航空电磁法系统出现。

利用“buckingcoil”反馈线圈设计的方式减小一次场的影响除因使用了“buckingcoil”线圈导致装置总重量增加外，还会导致发射线圈的总磁矩减小，降低装置的勘探深度影响勘探效果。将接收线圈置于发射线圈与直升机中间的位置的方式虽不会增加装置的自身重量，但接收线圈与目标体的距离增加，降低二次场信号强度，同样会影响到勘探效果。目前国内外尚未见报道采用一次场自抵消方式进行三分量测量的装置，也未见采用一个校准线圈对三个分量接收线圈同时进行校准的报道。

发明内容：

本发明的目的在于针对一次场幅度过大导致二次场信号动态范围过小的不足，提供一种适用于时间域航空电磁法一次场自抵消装置。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

直升飞机13装有数据收录系统7，由直升飞机13提供直流电源，十字形支架9支撑发射线圈10、x分量接收线圈2、y分量接收线圈3和校准线圈14，校准线圈14通过导线与数据收录系统7连接，吊挂绳索12上端系在直升飞机13舱底，吊挂绳索12下端系在十字形支架9的中心，吊挂辐条11上端系在吊挂绳索12的中部，吊挂辐条11下端等角度系在发射线圈10上，吊挂辐条11为前后不等长，其长短取决于直升飞机13的飞行速度，z分量接收线圈1经减震垫8装在发射线圈10上，z分量接收线圈1的有效面积被发射线圈10分为两部分，发射线圈10产生的激励磁场在z分量接收线圈1被分成两部分，且总磁通量大小相等方向相反，x分量接收线圈2位于发射线圈10的中心，既垂直于z分量接收线圈1，也垂直于直升飞机13的飞行方向，y分量接收线圈3既垂直于z分量接收线圈1也垂直于x分量接收线圈2，且与x分量接收线圈2正交，z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3经导线4连接到前置放大器5上，再经信号线6连接到数据收录系统7上，校准线圈14位于z分量接收线圈1与x分量接收线圈2及y分量接收线圈3的中间位置，在接收线圈正常工作时校准线圈14处于开路状态，校准线圈14闭合时用来作为标准异常验证接收线圈是否工作正常。

发射线圈10和十字形支架9外部包有玻璃钢管，发射线圈10的形状为圆形或任意正多边形。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均为空心结构，为圆形或正多边形。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均采用铜带缠绕并以接地的方式进行干扰屏蔽。

z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3全部采用双层减震结构，z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均由带屏蔽的线圈15大于三组十字正交形线圈与内壳连接的弹性橡胶条16与线圈内壳17弹性连接，线圈内壳17由大于三组的十字正交形内壳与外壳连接的弹性橡胶条20与线圈外壳19弹性连接，连接处分别采用弹性橡胶条固定座18固定构成。

校准线圈14同时与z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3成45度夹角。

有益效果：吊舱式直升机航空时间域电磁法一次场自抵消装置在不增加总体重量的前提下，利用发射线圈产生磁场的磁通量的空间分布规律，有效降低一次场对接收线圈的影响，将使其对接收线圈接收的二次场信号动态范围大大增加，从而使系统勘探效果更为理想，与国外其他同类系统相比优越性明显。接收线圈采用基于弹性橡胶的双减震结构，除能够有效保护接收线圈外，还可以避免飞行过程中装置震动对接收信号的影响，提高二次场晚期信号的接收质量。另外，与三个接收线圈同时成45度角的校准线圈的使用，方便装置在飞行过程中工作人员随时检查系统的工作性能，提高了系统检测效率。

附图说明：

图1是时间域航空电磁法一次场自抵消装置结构图

图2是图1接收线圈1、2、3的截面图

1z分量接收线圈，2x分量接收线圈，3y分量接收线圈，4导线，5前置放大器，6信号线，7数据收录系统，8减震垫，9十字形支架，10发射线圈，11装置吊挂辐条，12吊挂绳索，13直升飞机，14校准线圈，15带屏蔽的线圈，16线圈与内壳连接的弹性橡胶条，17线圈内壳，18弹性橡胶条固定座，19线圈外壳，20内壳与外壳连接的弹性橡胶条。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

直升飞机13装有数据收录系统7，由直升飞机13提供直流电源，十字形支架9支撑发射线圈10、x分量接收线圈2、y分量接收线圈3和校准线圈14，校准线圈14通过导线与数据收录系统7连接，吊挂绳索12上端系在直升飞机13舱底，吊挂绳索12下端系在十字形支架9的中心，吊挂辐条11上端系在吊挂绳索12的中部，四个以上吊挂辐条11下端等角度系在发射线圈10上，吊挂辐条11为前后不等长，其长短取决于直升飞机13的飞行速度，z分量接收线圈1经减震垫8装在发射线圈10上，z分量接收线圈1的有效面积被发射线圈10分为两部分，发射线圈10产生的激励磁场在z分量接收线圈1被分成两部分，且总磁通量大小相等方向相反，x分量接收线圈2位于发射线圈10的中心，既垂直于z分量接收线圈1，也垂直于直升飞机13的飞行方向，y分量接收线圈3既垂直于z分量接收线圈1也垂直于x分量接收线圈2，且与x分量接收线圈2正交，z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3经导线4连接到前置放大器5上，再经信号线6连接到数据收录系统7上，校准线圈14位于z分量接收线圈1与x分量接收线圈2及y分量接收线圈3的中间位置，在接收线圈正常工作时校准线圈14处于开路状态，校准线圈14闭合时用来作为标准异常验证接收线圈是否工作正常。发射线圈10和十字形支架9外部包有玻璃钢管，发射线圈10的形状为圆形或任意正多边形。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均为空心结构，为圆形或正多边形。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均采用铜带缠绕并以接地的方式进行干扰屏蔽。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3全部采用双层减震结构，z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均由带屏蔽的线圈15经大于三组十字正交形线圈与内壳连接的弹性橡胶条16与线圈内壳17弹性连接，线圈内壳17由大于三组的十字正交形内壳与外壳连接的弹性橡胶条20与线圈外壳19弹性连接，连接处分别采用弹性橡胶条固定座18固定构成。校准线圈14同时与z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3成45度夹角。

实施例1

发射线圈10外部采用玻璃钢管封装，封装后利用十字型支架9紧固，通过装置吊挂辐条11与吊挂绳索12吊挂在直升机13下部。z分量接收线圈1经减震垫8减震后置于发射线圈10上部并被发射线圈10分为两部分，发射线圈10产生的磁通量在z分量接收线圈1的两部分空间内总量大小相等方向相反。x分量接收线圈2与z分量接收线圈1垂直且与直升机13飞行方向垂直，x分量接收线圈2的圆心在发射线圈10的直径上。y分量接收线圈3与z分量接收线圈1垂直且与x分量接收线圈2垂直，y分量接收线圈3的圆心在发射线圈10的直径上。三个分量接收线圈1、2、3的输出端经接收线圈到前置放大器的导线4延长2米以上的距离后与前置放大器5连接，信号经前置放大器5放大并经由前置放大器到数据收录系统的信号线6送到数据收录系统7内，由数据收录系统7进行数据采集与存储。校准线圈14位于z分量接收线圈1与x分量接收线圈2及y分量接收线圈3的中间位置，在接收线圈正常工作时处于开路状态，校准线圈14闭合时用来作为标准异常验证接收线圈是否工作正常。

发射线圈10及三个分量接收线圈1、2、3的形状为圆形。三个分量接收线圈1、2、3均采用双层减震结构，由漆包线绕制的线圈经铜带缠绕并接地进行干扰屏蔽后，带屏蔽的线圈15由大于三组的十字正交形线圈与内壳连接的弹性橡胶条16与线圈内壳17弹性连接，线圈内壳17由大于三组的十字正交形内壳与外壳连接的弹性橡胶条20与线圈外壳19弹性连接，连接处分别采用弹性橡胶条固定座18进行固定。线圈内壳17采用硬质PVC塑料制成，线圈外壳19采用玻璃钢管制成。校准线圈14可以是圆形或多边形，可以采用一根钢管弯成也可以采用多匝漆包线绕制而成，该校准线圈同时与接收线圈1、2、3成45度夹角。校准线圈14的断开与闭合由直升飞机13上的系统操作员决定。

接收线圈1、2、3对磁场感应输出信号的一般表达式可用下式表示：

$ϵ={\mu }_0\mathrm{NS}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}$

对于吊舱式直升机航空时间域电磁法装置的一般结构而言，作用在接收线圈1、2、3上的磁场包括两部分：发射线圈自身产生的磁场(一次场，以B₁表示)以及地下介质由于涡流效应而产生的磁场(二次场，以B₂表示)，因此对于接收线圈1、2、3而言，其输出信号的表达式在发射线圈10中存在发射电流时表达式如下：

${ϵ}_1={\mu }_0\mathrm{NS}\frac{{\mathrm{dB}}_1}{\mathrm{dt}}$

而发射线圈10中不存在发射电流时其表达式则为：

${ϵ}_2={\mu }_0\mathrm{NS}\frac{{\mathrm{dB}}_2}{\mathrm{dt}}$

由于发射线圈中的电流超过200安培以上，使得B₁＞＞B₂，造成ε₁＞＞ε₂，如不对一次场进行处理，为防止接收线圈1、2、3感应电压信号过大造成输出饱和从而影响其正常工作，则对接收线圈1、2、3的输出信号只能采用低倍数放大或者不放大甚至是衰减，从而造成本就幅度较小的二次场信号输出幅度不理想，而在实际勘探工作中，接收线圈1、2、3的一次场信号是无用的，将其幅度抑制或抵消掉有利于对二次场信号的放大以便于获得较理想的二次场信号。

发射线圈10在产生一次场时，其任意一段圆弧的内外两侧均会产生大小相等方向相反的磁场分别表示为B_1内和B_1外，置于其上的z分量接收线圈1被分为两个面积分别表示为S_1内和S_1外，当S_1内＝S_1外时，则一次场产生的总信号幅度为：

从而使z分量接收线圈1的输出信号不受一次场影响，只有二次场的感应输出。发射线圈10在产生一次场时，其总场沿自身平面对称，对任意垂直发射平面且基于发射平面对称的接收线圈而言，一次场的影响同样会得到与z分量接收线圈1相同的效果，即被自身结构抵消。故x分量接收线圈2与y分量接收线圈3上也不会受一次场的影响。

在一般飞行工作过程中，校准线圈14一般处于断开状态，即发射线圈10在校准线圈上产生的涡流基本为零，不会对实际勘探结果产生影响。一旦在工作人员需要检测整个装置是否工作正常时，不需要降落地面，只需要利用直升机13将装置拉高到300米以上，此时将校准线圈14接通，发射线圈10发射激励电流，则在校准线圈14上产生涡流效应，在发射线圈10将电流关断后，该涡流效应产生的磁场被接收线圈1、2、3接收，并可以在数据收录系统7中查看校准线圈的涡流衰减曲线。由于校准线圈14的参数已知，即形成的涡流衰减曲线也是已知的，则通过数据收录系统7获得的涡流衰减曲线与已知的涡流衰减曲线对比即可验证装置是否工作正常。

实施例2

直升飞机13装有数据收录系统7，由直升飞机13提供直流电源，十字形支架9支撑发射线圈10、x分量接收线圈2、y分量接收线圈3和校准线圈14，校准线圈14通过导线与数据收录系统7连接，吊挂绳索12上端系在直升飞机13舱底，吊挂绳索12下端系在十字形支架9的中心，吊挂辐条11上端系在吊挂绳索12的中部，四个以上吊挂辐条11下端等角度系在发射线圈10上，吊挂辐条11为前后不等长，其长短取决于直升飞机13的飞行速度，z分量接收线圈1经减震垫8装在发射线圈10上，z分量接收线圈1的有效面积被发射线圈10分为两部分，发射线圈10产生的激励磁场在z分量接收线圈1被分成的两部分，且总磁通量大小相等方向相反，x分量接收线圈2位于发射线圈10的中心，既垂直于z分量接收线圈1，也垂直于直升飞机13的飞行方向，y分量接收线圈3既垂直于z分量接收线圈1也垂直于x分量接收线圈2，且与x分量接收线圈2正交，z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3经导线4连接到前置放大器5上，再经信号线6连接到数据收录系统7上，校准线圈14位于z分量接收线圈1与x分量接收线圈2及y分量接收线圈3的中间位置，在接收线圈正常工作时校准线圈14处于开路状态，校准线圈14闭合时用来作为标准异常验证接收线圈是否工作正常。发射线圈10和十字形支架9外部包有玻璃钢管，发射线圈10的形状为任意正多边形。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均为空心结构，为圆形或正多边形。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均采用铜带缠绕并以接地的方式进行干扰屏蔽。z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3全部采用双层减震结构，z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3均由带屏蔽的线圈15大于三组十字正交形线圈与内壳连接的弹性橡胶条16与线圈内壳17弹性连接，线圈内壳17由大于三组的十字正交形内壳与外壳连接的弹性橡胶条20与线圈外壳19弹性连接，连接处分别采用弹性橡胶条固定座18固定构成。校准线圈14同时与z分量接收线圈1、x分量接收线圈2和y分量接收线圈3成45度夹角。校准线圈14的断开与闭合由直升飞机13上的系统操作员决定。

接收线圈1、2、3对磁场感应输出信号的一般表达式可用下式表示：

$ϵ={\mu }_0\mathrm{NS}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}$

对于吊舱式直升机航空时间域电磁法装置的一般结构而言，作用在接收线圈1、2、3上的磁场包括两部分：发射线圈自身产生的磁场(一次场，以B₁表示)以及地下介质由于涡流效应而产生的磁场(二次场，以B₂表示)，因此对于接收线圈1、2、3而言，其输出信号的表达式在发射线圈10中存在发射电流时表达式如下：

${ϵ}_1={\mu }_0\mathrm{NS}\frac{{\mathrm{dB}}_1}{\mathrm{dt}}$

而发射线圈10中不存在发射电流时其表达式则为：

${ϵ}_2={\mu }_0\mathrm{NS}\frac{{\mathrm{dB}}_2}{\mathrm{dt}}$

由于发射线圈中的电流超过200安培以上，使得B₁＞＞B₂，造成ε₁＞＞ε₂，如不对一次场进行处理，为防止接收线圈1、2、3感应电压信号过大造成输出饱和从而影响其正常工作，则对接收线圈1、2、3的输出信号只能采用低倍数放大或者不放大甚至是衰减，从而造成本就幅度较小的二次场信号输出幅度不理想，而在实际勘探工作中，接收线圈1、2、3的一次场信号是无用的，将其幅度抑制或抵消掉有利于对二次场信号的放大以便于获得较理想的二次场信号。

发射线圈10在产生一次场时，其任意一段圆弧的内外两侧均会产生大小相等方向相反的磁场分别表示为B_1内和B_1外，置于其上的z分量接收线圈1被分为两个面积分别表示为S_1内和S_1外，当S_1内＝S_1外时，则一次场产生的总信号幅度为：

从而使z分量接收线圈1的输出信号不受一次场影响，只有二次场的感应输出。发射线圈10在产生一次场时，其总场沿自身平面对称，对任意垂直发射平面且基于发射平面对称的接收线圈而言，一次场的影响同样会得到与z分量接收线圈1相同的效果，即被自身结构抵消。故x分量接收线圈2与y分量接收线圈3上也不会受一次场的影响。

在一般飞行工作过程中，校准线圈14一般处于断开状态，即发射线圈10在校准线圈上产生的涡流基本为零，不会对实际勘探结果产生影响。一旦在工作人员需要检测整个装置是否工作正常时，不需要降落地面，只需要利用直升机13将装置拉高到300米以上，此时将校准线圈14接通，发射线圈10发射激励电流，则在校准线圈14上产生涡流效应，在发射线圈10将电流关断后，该涡流效应产生的磁场被接收线圈1、2、3接收，并可以在数据收录系统7中查看校准线圈的涡流衰减曲线。由于校准线圈14的参数已知，即形成的涡流衰减曲线也是已知的，则通过数据收录系统7获得的涡流衰减曲线与已知的涡流衰减曲线对比即可验证装置是否工作正常。