第六章 电磁感应耦合效应的消除和提取

第六章电磁感应耦合效应的消除和提取在第五章中，我们讨论了EM效应和IP效应在不同测量波形上的表现形态。本章则以双频波测量波形为例，讨论直接消除电磁感应耦合效应的斩波去耦方法。然后，将详细论述双频激电中独特的直接、同时、分别提取和利用EM效应和IP效应的方波相干技术。

第一节双频波形的斩波去耦

对于图5.2(b)所示的双频波形，将其减去一次场后作傅氏分析，可得到图6.1所示的双频波供电时纯EM效应的频谱。对于双频波，由第三章知，在我们关注的频点上，若设基波振幅为1，则三次谐波振幅为1/3；13次谐波振幅由为12/13，39次谐波的为12/39。然而从图6.1上，其纯EM效应振幅相应的为1、1/3、2.5、2.5，因此，尽管高频一次场振幅仅为低频振幅的12/13，但由于EM效应作用，其纯感应耦合效应明显增强，约为基频感应耦合效应的2.5倍。39次谐波的EM效应强度与13次谐波EM效应强度相当，因此说在13次谐波和39次谐波的频率上，EM效应明显强于其它频率。另外，三次谐波和其它各次谐波的EM效应强度大致相当，约为基波EM效应强度的1/3。由此可见，纯EM效应随频率的增大而强，而且与其激发场强弱有关。

图6.2斩波去耦方法示意图图6.1 双频波形纯EM效应的频谱曲线图(a)斩波前测量波形；(b)斩波后测量波形

如前图5.2所反映的，EM效应主要表现在波形的上升沿和下降沿的尖脉冲中，且其1/2频成分的EM效应明显大于低频EM效应。因此在测量波形中，可以将受电磁感应耦合效应影响严重的部分（尖脉冲部分）及其一次场从波形上去掉，从而获得无EM 效应的场。如图6.2所示。这种方法即称为“斩波去耦”。显然，这种去耦方法是直接的，既不需增加野外测量工作，也不需进行室内数据处理，因此是一种简便、快速、可行的直接去耦方法。这种去耦方法的应用效果取决于斩波的宽度，如图6.3所示，它在消除EM效应的同时也部分地损失了IP效应，其压抑程度也同样受斩波宽度影响。因此，若要干净地消除EM效应，就要求斩波宽度大，但斩波宽度越大，IP效应损失也越多。故此，斩波宽度的选择是折衷的。下面通过数值计算来讨论斩波去耦方法对EM效应的消

除效果以及对激电效应的影响程度，斩波去耦方法的应用条件及斩波宽度的选择原则。一．数值模拟方法

对于EM效应和IP效应同时存在时的情况，采用波形恢复方法得到双频电流波时的测量波形。然后，对于高频半周期离散时间点为20点的情况，在高频半周期的上升和下降沿分别去掉1、2、3、4、5个时刻点（即斩波），再作傅氏分析，即可得到总场的振幅谐，如图6.4~图6.6所示。

图6.3 斩波去耦方法对EM效应的抑制与IP效应的影响程度示意图

(a)斩波前测量波形；(b)斩波后测量波形

图6.4 EM效应存在时，对双频波斩波后频谱

斩去0点；斩去1点；斩去2点；斩去3点；斩去4点；斩去5点

图6.5 EM效应和IP效应存在时，对双频波斩波后频谱图例同图6.4 为讨论斩波去耦方案的去耦效果以及对IP效应的影响，用高、低频振幅计算视频散度F s，相应各项分别列于表十八~表二十，由于斩波作用，使一次场振幅相应地减小，因而必须利用供电波形斩去相应宽度后进行付氏分析得到的相应频率的振幅进行补偿

归一，再利用公式%1001213⨯∆∆-

∆=D

G D S V V V F 计算视频散率。

图6.6 IP 效应存在时，对双频波斩波后频谱图例同图6.4

表十八 EM 效应存在时的斩波去耦效果

F s

IP效应同时存在时F s为498%；当只有IP效应时F s为14.91%。

二．结果分析讨论

根据图6.4~图6.6可得出：

1.从宏观上，随斩波点增加，其主要频率成份的EM效应振幅有明显下降，这主要相对基波，3、5、7、9、11、13和39次谐波而言。另外，由于斩波作用，傅氏分析离散化以及截断误差的影响，使得25、27、51、53次谐波的EM效应幅度反而增加，产生了附加频率效应。

2.对于高频（13次谐波）和低频（基波），随着斩波点增加，基波振幅基本上呈线性下降，而高频振幅则不然，除了有EM效应存在时（图6.5和图6.6），斩去1~2个时刻点时，其振幅下降幅度明显外，其它下降幅度很小。但随斩波点数的继续增加，其下降幅度有所加快。也就是说，随斩波宽度的加大，对基频和高频的总场幅度有不同比例的衰减。这是因为，如图6.7所示，对于低频与高频实分量的测量，实质上是用图6.7(b)(c)中之正弦波去乘以图6.7(a)中双频波再作积分。从图中可知，斩波去掉的部分为阴影响部分。很显然，斩波对低频一次场的衰减比对高频要强很多。因为对于高频成分，所斩去的宽度实际上为一次场的过零部分，而对低频则不然。

图6.7 高、低频实分量测量示意图

3.从图6.4中可知，由于EM效应的存在，尽管高频一次场只有低频的12/13，但总场振幅（包含EM效应）却比低频的大。随着斩波点的增加，基波幅度明显下降且呈线性，说明此时EM效应对基波影响小，斩去的主要是一次场。而对于高频，当斩去1~2点时，其幅度明显下降，再增加斩波点数，其影响已不怎么明显，这说明EM效应的明显存在且主要表现在高频周期的上升与下降沿，同时也说明了去耦效果的明显。

4.对于两种效应同时存在时的图6.5，其规律大致和图6.4相似。但由于IP效应的存在。使得低频振幅相对高频振幅有所增加，这表明IP效应主要表现在低频成分中。

5.从仅有IP效应存在时的图

6.中知，由于IP效应，使得不斩波时，低频振幅明显大于高频振幅。同时由于IP效应在高频中较弱，所以斩波对高频振幅影响小，而使低

频振幅（包括一次场和IP效应）明显下降。

6.在三种情况下，随斩波点数的增加，39次谐波振幅衰减非常明显，并且当只有EM效应时衰减非常明显，两种效应同时存在时次之，而只有IP效应时最弱，这表明EM效应对39次谐波贡献较大，且斩波去耦有明显效果。

从表中所计算的F s值可得出：

1.和F s理论值相比，说明数值计算是正确的，且有一定的精度。但当EM效应存在时（表十八和表十九），由于它对高频贡献大，数值计算中有限的高频截止频率产生的截断误差等因素，使F s值和理论值的绝对误差达.045%。

2.当只有IP效应时，数值计算结果和理论值吻合很好。

3.从表十八和表十九中可知，当斩波点为3~4点时，可以较好地消除EM效应，此时剩余EM效应的影响小于-1%，且得到的F s值与只有IP效应存在时斩波3~4点后的

F s值（表二十）较接近。这说明去耦效果是明显的。

4.随斩波点数增加，IP效应有所衰减。当斩波点为5点时，F s值仅为未斩波时的86.34%。

通过以上分析，可以知道，在一般情况下，在高频半周期的上升沿和下降沿斩去高频半周期的1/10~1/5时，能达到比较满意的去耦效果，而又不太多地损失IP效应。另外，斩波对高频的去耦作用更加明显而又不太多地衰减一次场和IP效应。相反，虽对低频也有同样的去耦效果，却也同时使一次场和IP效应都有较大的衰减。

斩波去耦方法在一般情况下都可获得较好的去耦效果，又不损失太多的IP效应。但当激电效应和EM效应的时间常数相差不很多时，此时若消除EM效应，必然会较多地损失IP信息，这是斩波去耦方法的局限性。

可以肯定地说，在电阻率测量中，斩波去耦方法是一种很好的去耦方法，我们研制的微测深仪就采用了此种方法消除EM效应，得到了很好的应用效果。在“抗耦双频道激电仪”中，亦采用斩波去耦方法来消除EM效应的影响。该法作为一种目前唯一的应用于实际生产的直接去耦方法，比其它利用数据处理方法消除EM效应要简单、快速、直接，且取得了很好的应用效果。但应用中亦要注意其局限性。

三．模拟实验结果和实际应用

应用斩波去耦方案的抗耦双频道数字激电仪已在很多地区取得了很好的去耦效果。下面我们用阻容电路模拟野外电磁感应耦合效应，其模拟电路如图6.8所示。

在此模拟电路上，用DBJ-1变频仪、S-1双频仪和抗耦双频仪进行测量对比，结果见表二十一。从表中可见，尽管阻容电路在DBJ-1、S-1双频仪上引起很大的假幅频率，