基于SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测系统与方法

摘要

本发明公开了一种基于SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测系统与方法，系统包括有发射单元和接收单元，其中发射单元由大功率发射机、无感电阻、电流采集卡和发射回线组成，其中大功率发射机和无感电阻与发射回线串联连接，大功率发射机、无感电阻和发射回线形成闭合回路，电流采集卡并联在无感电阻两端，用于采集发射回线中的发射电流，接收单元由低温SQUID传感器和接收机组成，方法为：步骤一、铺设发射回线；步骤二、将无感电阻串联在发射回线中；步骤三、发射单元与接收单元同步传输；步骤四、将一次场剔除掉；步骤五、进行电阻率-深度成像。有益效果：满足了早期信号衰减快、带宽大的特点，又满足了有效信号动态范围大(>140dB)的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种联合探测系统与方法，特别涉及一种基于SQUID的磁源激发极化- 感应的联合探测系统与方法。

背景技术

当前，传统瞬变电磁系统采用线圈或磁棒作为接收传感器，主要应用于非可极化 大地。在可极化大地，由于极化效应的影响，衰减曲线一般在早期迅速衰减，中期进入到负 值，并在晚期再次出现正值，传统的瞬变电磁探测系统一般采用线圈或带宽很窄的磁传感 器(磁棒)接收，由于线圈早期存在过渡过程，晚期又测不到微弱的衰减信号，无法在含极化 介质的大地进行有效探测。

国内外学者建立多种模型(Cole-Cole模型最为典型)研究瞬变电磁信号中的极化 效应，分析具有极化效应的瞬变电磁响应的特征。本文通过计算得到含极化层大地瞬变电 磁响应特征，瞬变电磁信号在早期<20ms受极化响应影响明显，衰减曲线中期衰减到负值， 晚期(>100ms)出现正值，但信号一般很小，磁场衰减动态范围大于140dB,磁场衰减到fT量 级，这是传统的感应线圈或带宽很窄的磁传感器(磁棒)和接收机均无法测量的。

随着超导磁传感器在瞬变电磁中的应用，为进行大深度探测，通常在用窄脉宽发 射，长时间接收的方式，由于在非可极化大地，瞬变电磁信号是逐渐衰减的，上升沿产生的 二次场对下降沿产生的二次场影响很小，可以忽略，这种发射波形适用于非可极化大地的 探测，当探测区域含有可极化介质时，由于受极化影响，晚期的信号可能大于中期的信号， 只有选用大功率发射机实现宽脉宽发射(发射脉宽>100ms)，才能减小上升沿产生的二次场 对下降沿产生的二次场的影响。

CN201410746339.6公开了瞬变电磁B场确定地下地质信息的方法，是基于线圈测 量dB/dt经过积分变成B场，证明了B场探测具有电阻率单值性的优点，但是采用线圈测量， 仍无法在实际应用中进行有效的探测。

2011年，德国Jena的AChwala首次将低温超导传感器应用于大定源TEM，衰减曲线 可以测到200ms,并未考虑有效剔除一次场的方法，同时，也未见其报道在极化地质条件下 的探测应用。

2015年，DavidMarchant在博士论文中研究了磁性源中极化响应对瞬变电磁响应 的影响，并提出了频率域磁源的磁极化参数提取方法，理论计算了可极化大地的瞬变电磁 晚期信号微弱，并提到了低温SQUID可能是有效的传感器，但并没有给出有效的仪器系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的瞬变电磁系统在含极化大地探测下的不足而提 供的一种基于SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测系统与方法。

本发明提供的基于SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测系统包括有发射单元 和接收单元，其中发射单元由大功率发射机、无感电阻、电流采集卡和发射回线组成，其中 大功率发射机和无感电阻与发射回线串联连接，大功率发射机、无感电阻和发射回线形成 闭合回路，电流采集卡并联在无感电阻两端，用于采集发射回线中的发射电流，接收单元由 低温SQUID传感器和接收机组成，其中低温SQUID传感器设在发射回线所围设区域的中心部 位，低温SQUID传感器与接收机之间通过差分信号线连接，发射单元与接收单元通过GPS同 步进行数据传输。

接收机由第一缓冲器、第二缓冲器、放大器、低速模数转换器、高速模数转换器、存 储卡和主控模块组成，其中第一缓冲器、高速模数转换器和存储卡相串联，第二缓冲器、放 大器、低速模数转换器和存储卡相串联，SQUID传感器信号经过第一缓冲器后被传送到高速 模数转换器内，同时SQUID传感器信号经过第二缓冲器后再经过放大器被传送到低速模数 转换器内，高速模数转换器和低速模数转换器由主控模块控制将采集的数据存储到存储卡 内。

本发明提供的基于低温SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测方法，其方法如下 所述：

步骤一、铺设矩形发射回线，大功率发射机发射双极性方波；

步骤二、将无感电阻串联在发射回线中，利用电流采集卡记录完整的发射波形；

步骤三、将低温SQUID传感器放置在发射回线所围设区域的中心部位，同时用高速 模数转换器和低速模数转换器采集中心磁场的垂直分量，发射单元与接收单元采用GPS同 步进行数据传输；

步骤四、根据记录的发射电流用毕奥沙法尔定律计算中心点的一次场，将一次场 从SQUID接收到的磁场信号中剔除掉；

步骤五、根据含极化层层状大地瞬变电磁信号时域特征提取极化率-电导率双参 数，并进行电阻率-深度成像。

步骤一中的发射参数根据实际探测需要改变发射频率，为了减小上升沿产生的二 次场对瞬变电磁信号的影响，采用大功率发射机发射低频、占空比50％的双极性方波，发射 脉宽优选大于100ms，发射电流一般选择100A，发射线框大小一般选择边长100米的矩形。

步骤三中选择采样率为2MSPS和30KSPS，通过快速SPI串行外设接口与主控模块通 信，低速模数转换器前端接2000倍固定增益仪表放大器，实现采集动态范围大于140dB；采 集数据存储在高速SD卡中。

步骤四中所述的根据发射电流计算中心点磁场的毕奥-沙法尔定律表达式为：

其中H为磁场强度，I′dl′为线元电流，R为元电流相对于中心点的位置矢量。

步骤四中所述的剔除一次场的方法是根据毕奥-沙法尔定律计算电流采集卡采集 的发射电流I(t)在中心点产生的磁场H(t),其中on-time段在中心点产生的磁场H₀，低温 SQUID在中心点接收到的磁场Hz(t)，其中on-time段接收的磁场为Hz₀,得到校正系数K＝ Hz₀/H₀,根据校正系数可以有效剔除一次场的影响，得到的二次场为Hz'(t)＝(Hz(t)-H(t)* K)。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，突破了传统瞬变电磁系统在可极化大地应用的限制，针 对含极化层的层状大地瞬变电磁响应特征，设计并实现了大功率发射单元，激发1Hz占空比 50％的双极性波形，避免了上升沿引起的二次场对瞬变电磁信号的影响，对发射电流的采 集更有效的剔除了一次场对瞬变电磁信号的影响，接收单元同时采用高速模数转换器和低 速模数转换器进行采集，既满足了早期信号衰减快、带宽大的特点，又满足了有效信号动态 范围大(>140dB)的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为接收机结构示意图。

图3为本发明所述探测方法流程图。

图4为含极化层层状大地瞬变电磁信号时域特征图。

图5为电阻率-深度示意图。

1、大功率发射机2、无感电阻3、电流采集卡4、发射回线5、低温SQUID传感器 6、接收机10、第一缓冲器11、第二缓冲器12、放大器13、低速模数转换器14、高速 模数转换器15、存储卡16、主控模块。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示：

本发明提供的基于SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测系统包括有发射单元 和接收单元，其中发射单元由大功率发射机1、无感电阻2、电流采集卡3和发射回线4组成， 其中大功率发射机1和无感电阻2与发射回线4串联连接，大功率发射机1、无感电阻2和发射 回线4形成闭合回路，电流采集卡3并联在无感电阻2两端，用于采集发射回线4中的发射电 流，接收单元由低温SQUID传感器5和接收机6组成，其中低温SQUID传感器5设在发射回线4 所围设区域的中心部位，低温SQUID传感器5与接收机6之间通过差分信号线连接，发射单元 与接收单元通过GPS同步进行数据传输。

接收机6由第一缓冲器10、第二缓冲器11、放大器12、低速模数转换器13、高速模数 转换器14、存储卡15和主控模块16组成，其中第一缓冲器10、高速模数转换器14和存储卡15 相串联，第二缓冲器11、放大器12、低速模数转换器13和存储卡15相串联，SQUID传感器信号 经过第一缓冲器10后被传送到高速模数转换器14内，同时SQUID传感器信号经过第二缓冲 器11后再经过放大器12被传送到低速模数转换器13内，高速模数转换器14和低速模数转换 器13由主控模块16控制将采集的数据存储到存储卡15内。

本发明提供的基于低温SQUID的磁源激发极化-感应的联合探测方法，其方法如下 所述：

步骤一、铺设矩形发射回线，大功率发射机双极性方波；

铺设矩形发射回线4，一般选择边长100米的正方形回线，发射参数可以根据实际 探测需要改变发射频率，为减小上升沿产生的二次场对瞬变电磁信号的影响，采用大功率 发射机1发射低频、占空比50％的双极性方波，发射脉宽优选大于100ms，发射电流一般选择 100A，发射机采用GPS同步方式。

步骤二、将无感电阻2串联在发射回线4中，利用电流采集卡3记录完整的发射波 形；无感电阻2阻值一般选择0.001欧姆，利用电流采集卡3记录完整的发射波形，同样采用 GPS同步方式。

步骤三、低温SQUID传感器5放置在发射回线4所围设区域的中心部位，同时用采样 率为2MSPS和30KSPS的低速模数转换器13、高速模数转换器14采集中心磁场的垂直分量，采 集单元与接收单元采用GPS同步；通过快速SPI接口与主控模块16通信，低速模数转换器13 前端一般接2000倍固定增益仪表放大器12，实现采集动态范围大于140dB；采集数据存储在 高速SD卡中，通过GPS与发射机同步。

步骤四、根据记录的发射电流用毕奥沙法尔定律计算中心点的一次场，将一次场 从SQUID接收到的磁场信号中剔除掉；

根据步骤一中记录的发射电流I(t)用毕奥沙法尔定律计算中心点的一次场H(t)， 毕奥-沙法尔定律表达式为：

其中H为磁场强度，I′dl′为线元电流，R为元电流相对于中心点的位置矢量。

其中on-time段在中心点产生的磁场H₀，步骤三中低温SQUID在中心点接收到的磁 场Hz(t)，其中on-time段接收的磁场为Hz₀,得到校正系数K＝Hz₀/H₀,根据校正系数可以有 效剔除一次场的影响，得到的二次场为Hz'(t)＝(Hz(t)-H(t)*K)。

步骤五、根据含极化层层状大地瞬变电磁信号时域特征提取极化率-电导率双参 数，并进行电阻率-深度成像。

如图4所示的步骤五中含极化层层状大地瞬变电磁信号时域特征，在实测数据的 早期和晚期提取电阻率，中期提取极化率，最后进行电阻率-深度成像。

图5为电阻率-深度示意图，实验结果与钻井资料吻合，充分验证了本发明的有效 性，为瞬变电磁在可极化大地进行有效探测提供了新的思路和方法。