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n x 10μS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n ms至n x10s，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n x 105μV变到0．n μV，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(t g）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3 5．7Hz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~nx10 kHz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＝0．5 5（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0 Hz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 ×10 kHz，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P C,特别是P C2和P C3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。

5 Hz－25 kHz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100k Hz。

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 ×10 kHz；在野外常使用敷设n ×10－n ×100 m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10 m ×10 m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，PROTEM BH－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＝2500 m2,线圈固有谐振频率＜10 kHz，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10 m ×10 m 变化到1000m×l 000m。

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＜90 dB
频带宽0－50 kHz，
最大不失真输出6V
增益5－10倍
输人动态范围0．5 μV~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MA T02、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TE M仪器系统来说是选择的问题。

常用于TE M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TE M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2n n＝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。

3．3 A／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(100 kHz),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－5 V/212,约为1mV；16位A／D转换器要求输入信号的动态范围为5V －5 V/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TE M发、收系统的驱动电路，其精度可达到10-8 s/24 h。

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，也许是由于工艺繁。

价位高之故吧。

4）GPS时间信号。

GPS时标信号同步技术于20世纪80年代已用于钟表行业，不少大型博览会、建筑物上都可以见到；电力部门将GPS时标讯号用于“对时系统”，对时精度小于0．1μS，而且有了NTC型商品。

地球物理观测系统中，MT、CSMT观测利用GPS同步实现了“阵列式观测（多点同时观测）及“电场、磁场分离观测”。

立足于这些成就，吉林大学林君教授等研制成功了“GPS时间信号同步的瞬变电磁仪”
3．5 MPC
国内仪器的MPC的芯片在20世纪80年代用Z280工控机，后来改用单片机、便携式工控机。

586便携机等各种相应的接口芯片。

各家仪器各有特色，不再阐述。

3．6 发送机开关电路
一般使用由功率器件构成的桥式电路，四个桥肩受同步信号控制的开关驱动电路控制。

功率器件常用的有大功率优质三极管、MOSFET管。

工控IGBT管／快速关断可控硅等。

它是仪器的关键部件，受负载电感影响不能大，关断时间要短并且呈线性。

为此，各类仪器都采取了各种“对策”。

4 检测方法原理
上一节介绍了构成TE M仪器系统的主要硬件。

通过软件部分的控制，各部分协调工作，完成各项功能。

软件包括有各种控制模块，例如，测试。

PGA控制。

A／D数据采集，以及数据存储、处理、传输等。

由于这些模块功能的实现，实现了所设计的检测方法，使仪器系统达到了预期的指标。

下面重点介绍这些检测方法的原理。

4．1 取样积分器的原理
以往的检测多半是采用模拟电路来实现瞬变信号的实时取样，也就是在一次有效持续时间内，无失真地取出复现原信号所必需的全部样品。

在信号检测方法理论中，把它称之为“频率压缩技术”，换句话说就是把一高重复频率的瞬变信号转变为对时间变化的离散量的集合（即低频复制），这种方法的关键在于取样过程的积分。

图6－7为取样积分检测瞬变信号的原理框图及某个测道取样积分原理示意图。

假设取样道数为N，那么，电路中就需要N个门控及积分器，由门控电路控制各个测道取样起始时间和积分时间，使各个门按一定的时序打开及关闭，积分值在电容上被保持下来。

取样积分的检测方法具有许多宝贵的特性，由此实现了相关检测，大大地提高了信噪比。

下面阐述其检测原理。

4．2 信号的累加
信号的累加是瞬变电磁系统提高信噪比的主要检测手段之一，也就是把多次周期的取样信号逐次地累加保持下来，最后再取其平均输出。

下面仅就线性累加平均的方式作简要阐述。

假设有用信号和噪声组成的混合信号为f(t)=f s(t)+N(t)
如果以t K为起点，每隔T的时间对某一特定点取一次样，则第i次的样品应为：
F(t K+iT)=f S[ t K+(i-1)T]+N[t K(i-1)T]
对于周期信号而言，可以认为f S( t K+iT)= f S( t K)
经过n次重复取样后，第i个信号样品的累加值为
设每次取样噪声电平的有效值平均为N(t K)，则n次取样后有
因此,经过N次积分的信噪比为:
因此,经过N次积分的信噪比改善为:
可见，经过n次取样积累后，取得了√n的信噪比改善。

因此，在瞬变电磁仪器中得到应用，一般n都是取数百次以上。

例如，信号强度为3μV，噪声电压达40μV，则一次取样的信噪比为3／40，无法测准该信号；如果取累加数为4096次，那么，输出的信噪比为(√4096)3／40=5，因此读数是可靠的。

野外的条件是复杂的，累加的结果也有可能对信噪比改善并不明显。

例如，当干扰信号的频率很低时，在几个累加的过程内干扰电平的符号没有改变，因此，
可见，输出的信噪比并没有得到改善。

对于这种干扰信号则需采用双极性脉冲激励源，如图6于对）所示的方法采样加以抑制。

对于非稳定的脉冲于扰讯号V非稳，如果V非稳＜(1一3）σ, (σ为标准离差),经累加后将不能辨认出它们；但是当V非稳＞3σ时，累加之后有可能使观测精度更差，对于这种高值脉冲于扰必须在累加之前加以剔除。

因此，一般的瞬变电磁仪器都具有剔除高干扰值的数字处理功能。

4.3 数字多点平均的原理
l．原理概述
随着电子计算机技术的发展，取样积分检测技术又向前迈进了一大步。

采用数字采样技术在每个采样周期内可密集采样(如1024点),不再需要如图6－6(a）所示的N个积分器，这样大大节省了元器件及繁琐的调整。

数字多点平均的原理框图如图6－9所示。

每当输入一个同步触发脉冲，控制器便发出一系列的触发脉冲去控制前处理。

S／H、A／D转换、运算存贮。

显示及记录等各个环节。

每触
发一次，S／H（取样／保持）级便产生2048（或1024、512等）个采样脉冲，对所需采样的波形进行扫描采样，经A／D转换后，存贮到相应的存贮器中。

并且在此过程中，完成所采样数据的运算及控制。

当下一次取样值数字化后，存贮器存贮的结果将被取出，与新的取样值在累加器中作加法运算后再次存入同一个地址，这便是通常所说的线性累加或数字叠加取样。

时域电磁法仪器简介
近十多年来，时间城电磁法在国内外备受青睐并得到发展，应用领域日趋扩大，新技术、新观测系统不断涌现。

仪器方面，由于近代电子技术及计算机技术的不断引人，观测精度、抗干扰能力，以及数据处理、解释软件都有了很大提高，也促进了方法技术的发展，取得了引人注目的地质效果。

这里重点介绍国外具有代表性的几种仪器，使读者对于现代世界一流仪器性能及发展趋向有所了解，其目的在于使读者能够与我国涌现的众多新仪器有所比较。

有所借鉴。

1.加拿大Geonics公司的地面仪器系统
加拿大Geonics 公司是闻名于世的生产电磁方法仪器的公司，1979问世的EM－37系统是适用于大定回线源装置的中功率仪器，是为勘查深部矿产和地质填图而设计的。

发送机电源用2.8 kW，120V，400 HZ发电机。

发送机输出V PP电压在20－150 V内可调，最大输出电流可达20 A，发送双极性方波。

一般使用300 m×600 m的发送框工作，电流切断时间与发送电流大小及回线边总长度有关，常见值为20一450μS。

发送与接收机之间的同步可用电缆、一次场及石英钟等三种方式中任选。

接收机采用“取样积分器”观测瞬变信号，接收线圈用直径为l米的空芯线圈，频带宽40 kHz，有效面积为100m2，观测二次场三分置的感应电压。

输入至前置放大器的“极性”由极性选择开关控制。

噪声抑制级用于剔除天电高值噪声，噪声大小可由表头或扬声器监测（听）,在0．089－71．9mS时窗范围内，分三段各以21道取样，0道用于检测一次场，l－20道观测V m值，以mV为单位。

读数存贮于DAS54数据采集器中，使用标准RS－232接口可以把数据传输到微型计算机中。

运用
GSP3 7软件包进行编辑、整理、打印数据、绘制多种图件，以及进行反演等。

为了抑制工业电及其他电磁噪声，采用了同步相干检测技术，选择发送电流波形的周期等于工业电周期的整数倍。

仪器有三个时基（即发送脉冲电流的脉宽）可供选择：
10 ms（高频25Hz），在0．089－7．19 ms时窗范围内分20道；
40 ms（中频6．25 Hz），在0．356－38．76 ms时窗范围内分20道；
100 ms（低频2．5 Hz）。

在0．89－71．9 ms时窗范围内分20道。

为了抑制工业电及其他电磁噪声，也采用了“采样读数多次叠加平均”技术，叠加次数为2n，n在4，6，8，10，12，14内任选。

到了20世纪80年代末期，Geonics公司的EM－37系统所采用的电子技术显得落后了，例如“取样积分”模拟电路、DAS54数据收录、低位A／D转换及其他器件等；控制及数据处理软件。

解释软件版本也低；并且EM－37系统主要适用于勘查深部矿产。

Geonics公司在9年的经验基础上于1988年研制并生产了基于前身EM37的PROTEM瞬变电磁系统（Professional Time Domain EM的缩写）,从1988年以来的19年中，系统中加入了许多新器件和新功能，做了多次改进和升级。

目前PROTEM瞬变电磁系统已成为最全面、最灵活的时域电磁法测量系统。

按照探测浅层、中深层、深层和井下探测的要求，配置三种功率的发送机和发电机，以及相应的接收线圈和探头。

这三种功率的发送机共用一台接收机，称之为PROTEM接收机。

2．IPROTEM接收机
PROTEM瞬变电磁系统的核心是PROTEM数字接收机，原理框图如图7则所示。

前置放大器将线圈感应到的相当小的信号放大，使其大于系统噪声。

在正常操作下噪声抑制电路截断一次场持续期间内的其他噪声，防止接收机过载。

噪声抑制级之后是可变增益的程控放大器，它有7个二进制增益级，用来扩展接收机的动态范围。

在瞬变场观测时间内，放大信号可选择20或 3 0时间门对被放大的瞬变场信号进行选通控制；被选通的信号送入积
分器做叠加平均，再通过多路调制器和模／数转换器，最后以数字信号形式存储在固态存储器中。

接收机微处理器控制接收机所有操作，包括系统同步的控制。

存储器内的数据可以显示或图示，数据快速制览功能用来控制数据质量。

3.国内SD系列仪器系统简介
我国于20世纪70年代初期开始着手研制瞬变电磁仪器系统，研制单位有地质矿产部物化探研究所。

中国有色工业总公司矿产地质研究院。

长春地质学院。

西安物化探研究所及原中南工业大学等单位，先后研制了DCM－I，DMD－Ⅱ，M－1，WDC－l、2，DCS－l，LC及SD则等仪器系统。

开始阶段采用模拟电子电路，20世纪80年代末期着手研究带微处理机的仪器。

近10多年来，TE M在国内备受关注得到发展，随着应用领域日趋扩大，适用于各种应用领域的轻型、中功率及大功率仪器新观测系统不断涌现，包括已通过省部级鉴定或验收的WDC－2、SD-1。

ATEM－Ⅱ在内，据不完全统计有12类之多。

由于近代电子计算技术的引人，观测精度有了很大提高。

只要各类仪器的国产化问题解决了，瞬变电磁方法技术在我国将得到进一步推广，进一步研究和应用的崭新时期即将到来。

SD—1型瞬变电磁仪
1．原理框图
SD－1是一种便携式宽时窗范围智能化的通用型仪器，主要适用于重叠回线及中心回线装置工作。

仪器由长沙高新技术产业开发区智通新技术研究所在笔者密切合作下于1991
年研制成功，1992年通过省部级鉴定，荣获湖南省科技创新金奖。

该仪器具有如下特点：。