瞬变电磁法讲义(原理)

实施方案:同步措施
研究方案
发射机
收发装置固定 接收机
光纤同步电缆（消除导线同步噪声）
谢谢大家！！！
知识回顾 Knowledge Review
发射 信号
记录 信号
V(mv)
I（发射电流） I0
瞬变全过程
T（时间）
T0
T1
一次场
+
3
二次场
二次场范围
2
1
0
-200
0
200
400
600
800
1000
T(us)
采样空间延拓之后遇到的难题：
1. 电流关断期间和关断后的早期一次场 与二次场叠加在一起，如何分离？
2. 硬件实现上的困难：早期信号特别强， 易出现过饱和现象，还需高密度采样； 晚期信号特别弱可低密度采样，但信 噪比极低。全程采样需要解决海量数 据存储和大动态范围（超过24位）的 技术难题。
三、研究方案
硬件设计 / 改进
成果：
总
试
1. ATTEM系
体
软件设计 / 改进
设
满意？
统硬件和软 件样品；
计
验
建立 / 改进实验
2. 试 验 参 数 资料；
室标准模型
3. 实 验 室 标 准模型。
实施策略之一: 发射机关断电流 波形的记录（传 统的发射机只记 录关断时间）， 用于一次场的计 算与分离。
DUT
Amplifier
Frequency Selector
Channel 2
A few pV
Block diagram of a correlated spectrum analyzer (IEEE Trans Instr & Meas, 2000 )
用双通道并行前放和相关技术来压制噪声
预期的主要研究成果
200
150
130
110
200
100
90
80
70
100
60
50
40
30
20
0
国 内 外 TEM 仪 器 发 展 情 况
• 面向资源探测：
国 外 ： 前 苏 联 （ MPPO ） ， 加 拿 大 （ EM-37 、 57 ， UTEM，PEM），美国（GDP-16、32），澳大利亚 （SIROTEM）
I0
瞬变场的时间范围（二次场）
T0
T1 T2
T3
T （时间）
T0
地面
T1
T2
瞬变电磁法的实际模型
I（发射电流）
I0
实际记录时间范围
T0 T1 T2
T3
T （时间）
地面
D T1
T2
实际记录开始时刻
T3
VETEM（Very Early TEM) 系统的设计思想
I（发射电流）
I0
VETEM
常规仪器记录时间范围
T0 T1
TV T2
T （时间）
VETEM 的优缺点
优点：利用了早期
信号，提高了分辨 率。
D
缺点：时间范围小， 限制了探测能力。
模糊 区
T1
TV=5微妙
地面
VETEM的探测范围
VETEM系统的实施实例（来自Wright，et al，2000）
VETEM 的优缺点 优点：速度快，可 进行大面积扫描。 缺点：庞大笨重； 代价昂贵；对地形 要求高。
浅层高分辨全程瞬变电磁系统 ( ATTEM）与关键技术研究
矿 长：祖章贤 总工程师：上官隆 技术推荐：王益伦
什么是ATTEM？
All —Time Transient ElectroMagnetic Method
全程瞬变电磁法
研究领域：利用电磁波在地下介 质中的传播特性来探测地下，即 属于地球物理探测仪器的一种。
米 大地电磁（MT） ：>1000米
上述方法有探测盲区（Gap），这个 盲区又是地下人文活动最频繁的区 域。
如何解决 2 - 20 米 范围的问题？
GPR
地表
探测盲区（Gap）
TEM/FEM
TEM理论模型的缺陷
瞬变电磁法的基本原理
理想模型难以物理 实现的原因：
发射电流不能用零 时间关断！
I（发射电流）
发射电流
关断波形
T0
T1
发射机准确记录关断波形
实施策略之二:双A/D采样策略
V
发射电流
接收一次场+二次场
TEM采样区间
ATTEM采样区间
t
超高速A/D 24位A/D
可能实施的策略之三:
Input port
Channel 1
Amplifier
Frequency Selector
Output
Multiplier Averager
动态范围 ＝ 190dB 早期重复 性 < 2%
动态范围＝ 120dB 椭 圆 率＝60dB 重复性 < 1%
Instr=1pp m噪声， 重 复 性 50200ppm
使用方便性
受训练的2 人，各种地 表
2-3人，1人 受严格训练 卡车/绞手 车 受训练的 2-3人 各种地表
受训练的 2-3人 2ATVs
使用 系统
开发 水平
采用测 量装置
廊坊 物探所
WDC-2
商品化 仪器
导线 同步
加拿大 EM-67
商品化 仪器
中心回 线装置
吉林大学
桂林 工学院
西安 煤研所
中国 地质大学
ATEM1
单脉冲 大电流 TEM3S 自行研 制 单脉冲 大电流
自行研 制 大电流
研究 样机
商品化 仪器
商品化 仪器
试验 样机
GPS 同步
创新点
1. 在理论上：研究一次场与二次场的分离 技术。
2. 在硬件上：采用高密度方式同时采集总 场和一、二次场，把记录时间扩展到瞬 变开始的全过程。
先进性（与国外仪器性能指标对比）
指标类别 发射频率 发射波形 输出电压 输出电流 接收分量 动态范围 采样通道 记录时间 采样方式 关断时间
电源 探测范围
电磁法的探测深度
频率域方法：
FEM（频率域电磁法） GPR(地质雷达)， MT(大地电磁测深)
探测深度： δf =[ρ/πfμ]1/2
时间域方法： TEM(瞬变电磁法）
探测深度： δt=[2ρT/μ]1/2
例如对一个50欧姆米的半空间， 不同电磁方法的最佳探测范围：
地质雷达（GPR）：< 2米
瞬变电磁（TEM）：20-1000
支出科目 合计
1.科研业务费 人员费 资料费
计算及材料费 学术交流及差旅费
野外试验费
2.实验材料费 3.仪器设备费 4.实验室改建费 5.协作费 6.项目组织实施费
7．管理费 8.其它不可预测费
五 经费预算
金额 （万元）
155 65 30 5 6 9
15
51
4
4.5 10 9 7.5 4
源自文库
计算根据及理由
• 一套ATTEM系统样机； • 一套ATTEM数据处理软件； • ATTEM试验数据(该实验数据将对今 后的浅层地球物理探测研究起到重要 的指导作用)
四 研究基础
与本项目有关的研究工作积累
吉林大学（原长春科技大学）： • 1989年地矿部资助开展以TEM为主多功能电磁法仪器与方法研究 • 1996-1997年申请者赴美收集了VETEM系统的研究成果和试验资料。 • 1996-2000年地矿部重点资助研究了基于GPS的同步测量技术并研
相当密 的数据 集-三 分量
选择区 有效
快速异 常映 像
研究内容：
1. ATTEM系统的基本原理研究，特别是全程一次场的特点及其 与对应的总瞬变场的表现形式之间的关系。
2. ATTEM系统的技术研究。在硬件上研究全程一次场和总场的 采集技术，探讨合理的采样密度，研究巨量数据的存储与 传输技术，研究硬件实现直接记录磁场的可能性。在软件 上将研究与硬件配套的控制系统，包括数据采集、编码、 存储、传输与解码。
一、问题的提出
地下电磁探测方法主要包括：
1) 频率域方法： Frequency Domain Electromagnetic（频域电磁法FEM） Ground Penetration Radar (探地雷达 GPR)， MagnetoTelluric(大地电磁测深 MT)
2) 时间域方法： Transient ElectroMagnetic (瞬变电磁法TEM）
(c)
t
V
常规TEM工作原理
地下电阻率不同影响 衰减曲线变化
Slow Delay
Fast Delay
T0
t
TEM衰减曲线示意
新疆某铜矿0线TEM电阻率断面图
0 50 100 150 200
5260
5340
5420
5500
5580
5660
5740
5820
5900
600
500
400
280
300
240
国内：WDC-2，TEM-3S，ATEM-1
• 面向近地表探测：
国外：加拿大（EM-47），美国（NanoTEM, VETEM）
国内：目前还没有研究（空白）
国内研制的用于资源探测的TEM系统及其与国外的对比
北京延庆国内TEM仪器对比实验
新疆土屋国内外仪器TEM对比实验
参加单位
使用 系统
开发 水平
注释
EM-47
25, 62.5, 262.5 Hz 双极性阶跃波 0～9V 可调 最大 3A 垂直分量 84db 单道
6.8～2200μs（关断后） 20/30门固定中心时间
<1μs (纯电阻) 12V 电瓶 20～100m
ATTEM
1～10KHz可调 双极性阶跃波 0～110V可调
最大30A 三分量
120db 3道 全程记录（含关断时间） 全程密集采样 <1μs (纯电阻) 12V电瓶/2800W发电机 2～500m
3. TEM系统的方法研究。研究与硬件配套的数据处理方法，包 括一次场的识别与分离，关断电流的校正、全程视电阻率 的计算。
4. 建立一个初步的标准试验场。目前国内还没有一个能够作 为检验标准的浅层试验场，作为浅层探测系统研究，建立 标准试验场是必要的。考虑到经费等原因，先建立一个小 型的简易试验场，面积约50×50米，目标体埋深1、2、5和 10米，目标体包括导体、岩石、空洞和一个人工断层。
制成功面向资源探测的TEM发射与接收系统 • 2000年在中国地质调查局资助下，在北京延庆和新疆土屋等地开
展了TEM野外对比试验研究。 国家地震局地质研究所： • 2000年以来开展了常规TEM全程总场的试验，全程视电阻率的数值
计算和关断电流校正的实现为ATEM系统的数据处理迈出了关键的 第一步。 • 2000年4月在新疆进行了野外试验。
受训练的1 人 各种地表
解释 水平
屏幕可 监视部 分
没有 开发
剖面/时 间,等值 线/时间 ID反演
神经网 络反 演
等值线 数据
开发 水平
商品化 仪器,商 品化测 量
研究 样机
商品化 仪器,商 品化测 量
工程 样机
商品化 仪器,商 品化测 量
注释
在 INEL 测试场 地 GPR 出现问 题
正在开 发的系 统
10人，每人每年1万 用于资料的检索、查阅和收集 用于日常数据处理、打印、绘图等耗材,每年2万 国内学术交流及调研,每年平均3人次,每人次1万
野外试验将在3年内随时进行,试验总天数共约80天,租车2辆,每辆车 每天300元,共4万;试验人员及民工10人,每人每天100元,共8万;野外 耗材、充电瓶、发电机、赔青及其它费3万。
二、ATTEM系统设计思路
I（发射电流）
I0
VETEM
常规仪器记录时间范围
T0 T1
TV T2 ATTEM
T （时间）
解决问题：
1 近地表模糊区的 探测
2 祢补VETEM和常
规电磁法仪器的空白 区
3 降低发射机下降沿 设计难度
D
ATTEM
模糊 区
T1
TV=5微妙
地面
VETEM的探测范围
ATTEM 采样试验
对比系统
勘查 深度
Sensors & Software Pulse Echo
GPR
< 1m
USGS VETEM
0-2m
Zonge NanoTEM
< 20m
Univ.of Arizona HF ellipticity
< 30m
Geophex GEM-2
< 5m
噪声水平
动态范围 ＝168dB 重复性好
动态范围 ＝80dB tx变化5%
发射线圈
TEM 接收线圈
TEM 接收机
TEM发 射机
TEM 的工作方式之一
常规TEM工作原理
I Transmitter Current
T
4
T
T
T
(a) 4
4
4
T
t
4
V Receiver Output Voltage
(c)
t
V Receiver Sampling When Transmitter Current Is Off
导线 同步
导线 同步
仪器出 现故障
吉大 ATEM1
有色研 究所 TEM3S
研究 样机
商品化 仪器
中心回 线装置
重叠回 线装置
美国 GDP32
商品化 仪器
中心回 线装置
浅层高分辨探测问题
城市的迅速扩张、地下空间的利用迫 切需要对近地表地下空间进行精细探测。
近年来，工程地质勘察、地下水资 源勘察、灾害地质调查、城市地下管线 等埋藏物调查、环境地质调查等推进了 我国工程与环境地球物理探测的快速发 展。电磁法用于浅层会遇到什么问题？
ATTEM系统电子元器件，电路制作，实验室其它耗材 租用一台EM-47作为对比实验2次，每次一个月2万，共4 万。 建立一个实验室标准测试模型，目标体制作，模型材料 等。 用于国际合作，交流，主要和VETEM系统人员交流 项目的组织、协调管理，报告编写印刷等 项目总经费的5%
ＥＭＩＤ部分系统评价表