专利名称：用于时域电磁测量的补偿线圈和b场测量系统及装置的制作方法
用于时域电磁测量的补偿线圈和B场测量系统及装置本申请要求2008年8月四日提交的美国专利申请No. 12/201,305的优先权，该申请的内容通过引用结合于此。领域以下公开内容一般涉及地球物理电磁测量领域，更具体地涉及利用通过包括补偿线圈和信号处理装置的装置产生的时域电磁测量来获得B场的方法和系统。
背景技术：
地球物理电磁(EM)技术在确定离地表深度约达三千米的土壤、岩石以及其它导电物质的电导率时会是有效的。那些从事贱金属和铀矿床、含水层以及其它地质建造的地图绘制的人员对如此深度下的电导率分布是极为感兴趣的。地球物理EM方法涉及对地面附近由主磁场所产生的随时间变化的磁场的测量和大地电导率分布的建模。这些磁场或由施加至发射器的周期性电流产生，或由主要源自地球大气中的闪电的自然产生的电磁场产生。EM场可具有与大地电导率和频率二者的平方根的倒数成比例的特征大地穿透深度。在已知方法中，利用接收器线圈系统(可测量磁场对时间的导数dB/dt的多达三个正交分量)或磁强计(测量磁场B)测量磁场信号。然后将所接收的模拟信号放大、 滤波和通过高分辨率高速模数转换器(ADC)进行数字化，并可将该数据与从全球定位系统 (GPS)获得的定位信息一起存储。数据后处理涉及对大地的电学和物理建模，以产生地球物理电导率等值线图。现有的地球物理测量方法典型地要求高信噪比(SNR)、高电导率分辨以及在横向和深度二者上的高空间分辨率。现有的EM系统包括基于地面的测量和空中的测量两者。空中测量结果通过利用飞机和直升机来收集。空中方法对于大面积测量是有用的，且可用于对掩埋在电阻性岩床中的导电矿体的勘探、地理绘图、水文地质学以及环境监测。已知的空中电磁(AEM)系统如此工作当飞机或直升机以几乎恒定速度(例如分别达到75m/s或30m/s)沿几乎平行等距的线路(例如50m到200m)以接近恒定离地高度(例如分别约120m或30m)飞行时获取数据。以规则间距进行测量，该规则间距通常在Im到IOOm的范围内。已知EM测量的附加特征是，它们可在频域或时域中获得。在FDEM测量中，发射器线圈以固定的多种频率连续地发射电磁信号，同时接收器线圈在时间上连续测量该信号。 测得量是作为频率函数的信号幅值和相位，或等价地，作为频率函数的同相和正交幅值。在这些测量中，信号灵敏度随着电导率升高而降低，从而简化了电导率对比度测绘。在通过已知方法收集时间TDEM测量的过程中，典型地以等于本地输电线频率(例如典型为50Hz或60Hz)的一半的奇数倍的重复率在导通周期期间对发射器线圈施加电流脉冲，且在截止周期期间切断该电流脉冲。在接收器处测量作为时间函数的该信号。截止周期期间的信号幅值衰减，结合对地下的地质体的电导率和几何形状的建模，产生电导率等值线图。
4
在已知TDEM系统中，在电流导通期间，弱导体在接收器线圈中产生弱dB/dt信号， 而良导体产生大的同相信号，但相比于由发射器线圈系统所产生的不需要的主EM场仍太小。在电流截止期间，弱导体由于迅速衰减的EM场而在接收器线圈处产生大dB/dt信号， 而良导体由于缓慢衰减的EM场产生小信号。测量典型地在截止周期期间进行，而且虽然对 dB/dt的测量对绘制弱导体有用，但对被称为B场的磁场的测量能提高为良导体提供的信息的准确度。在已知方法中，磁场B可通过利用磁强计的直接测量获得，或通过对利用接收器线圈测得的信号dB/dt在时间上积分来获得。当要通过积分获得磁场B时，必须在包括导通周期的整个波形上测量dB/dt响应，以确定在整个周期上提供零DC分量的积分常数(参见Smith，R. S.和Arman 4. P.的“利用感应线圈传感器来间接测量瞬态电磁体方法的带宽中的 B 场口向应(Using an induction coil sensor to indirectly measure the B-field response in the bandwidth of the transient electromagnet method)，，(Geophysics, 65，第 1489-1494 页)。例如，测量磁场对时间的导数dB/dt的TDEM HTEM系统的示例可在美国专利 No. 7，157，914中找到，该专利的内容通过引用结合于此。需要在有效测量B场时能高效工作的TDEM系统。
发明内容
根据一个示例实施例，一种用于产生B场测量的时域电磁(TDEM)地球物理测量系统包括发射器线圈；补偿线圈，其相对于发射器线圈以基本同心和共面取向定位；接收器线圈，其相对于补偿线圈以基本同心和共面取向定位；电流源，其连接至发射器线圈和补偿线圈以向发射器线圈和补偿线圈施加周期性电流；以及数据收集系统，其被配置成从接收器线圈接收磁场对时间的导数信号dB/dt，并对该磁场对时间的导数信号dB/dt积分以产生磁B场测量，该发射器线圈、补偿线圈以及接收器线圈相对于彼此定位，以使得在接收器线圈位置，由补偿线圈产生的磁场对由发射器线圈产生的主磁场有抵消效果。根据另一示例实施例，一种用于产生B场测量的信号处理方法包括从定位在补偿线圈内的接收器线圈获得接收器线圈信号，该补偿线圈进一步定位在发射器线圈内，每个线圈相对于其它线圈以基本同心取向定位，发射器线圈和补偿线圈产生周期性脉冲，每个周期性脉冲具有正导通时间、随后是截止时间、随后是负导通时间、随后是截止时间；将接收器线圈信号数字化；在一个或多个周期上对经数字化的接收器线圈信号的正半周期和负半周期求平均以获得积分常数；以及在至少一个完整周期上对经数字化的接收器线圈信号求积分以产生B场测量。在一个方面中，本公开内容涉及一种用于产生B场测量的HTEM 系统，包括发射器线圈；补偿线圈，其相对于发射器线圈以基本同心和共面取向定位；接收器线圈，其相对于补偿线圈以基本同心和共面取向定位；电流源，其连接至发射器线圈和补偿线圈；以及其中dB/dt信号由发射器线圈产生以供产生B场测量。在另一方面中，本公开内容涉及一种电磁测量数据采集系统，包括接收器线圈， 其定位于补偿线圈内，该补偿线圈进一步定位于发射器线圈内，每个线圈与其它所述线圈基本同心并电连接，由此获得接收器线圈信号；低噪声前置放大器，由此接收器线圈信号被放大以产生dB/dt信号；低通抗混叠滤波器，藉此dB/dt信号可被滤波；ADC，由此经滤波信号可被数字化；以及信号处理装置，其被包括在该系统中或连接至该系统，以产生B场测量。在又一个方面中，本公开内容涉及一种用于产生B场测量的信号处理方法，包括 从定位在补偿线圈内的接收器线圈获得接收器线圈信号，该补偿线圈进一步定位在发射器线圈内，每个线圈相对于其它线圈以基本同心取向定位且彼此电连接以产生接收器线圈信号；通过对该信号滤波的ADC将该接收器线圈信号连续数字化；通过信号处理装置单元获得经数字化的信号；通过在一组周期上在波形给定点处逐点对信号求平均来消除前置放大器偏移和温度相关漂移；在一个或多个正和负半周期或信号上对波形求平均以获得偏移信号；从每个点可选地减去所得数字信号；在至少一个完整周期上对该数字信号积分以产生 B场测量；以及将该数字信号微元化(binning)到具有在对数尺度上基本相等的时间间隔的门电路中。在另一方面中，本公开内容涉及一种电磁测量装置，包括发射器线圈；补偿线圈，其基本中心地定位在发射器线圈内；接收器线圈，其基本中心地定位在补偿线圈内；一个或多个径向缆索的系统，由此发射器线圈、补偿线圈以及接收器线圈以它们的相对位置连接；一个或多个外部缆索的外部悬挂系统，其可释放地连接至发射器框架；以及一个或多个悬挂附连缆索，其附连至外部悬挂系统；其中，当附连缆索被垂直提升至足够悬挂发射器线圈、补偿线圈以及接收器线圈的高度时，发射器线圈、补偿线圈以及接收器线圈相对于彼此基本同心地定位，且这些线圈被定位成能用于获得电磁测量，由此导出时域B场测量。在这个方面中，在具体解释本发明的至少一个实施例之前，应理解本发明在其申请中不限于在以下描述中陈述或在附图中示出的部件构造和排列的细节。本发明能有其它实施例，并能以各种方式实施和实现。此外，应理解本文所使用的用语和术语出于描述目的，且不应当认为是限制性的。
当考虑本发明的以下详细描述时，将能更好地理解本发明的示例实施例，且本发明的目的将变得显而易见。此类描述参照附图，其中图1是根据本发明的示例实施例的HTEM系统的视图，包括接收线圈的分解图。图2是飞行中的图1的HTEM系统的侧视图。图3是图1的HTEM系统中的发射器线圈和补偿线圈电连接的示意性俯视图。图4A是施加至图1的HTEM系统的发射器线圈和补偿线圈的电流波形的曲线图。图4B是在不包括补偿线圈的系统的接收器线圈处测得的电压波形的曲线图。图4C是在包括补偿线圈的诸如图1的HTEM系统的系统的接收器线圈处测得的电压波形的曲线图。图5是根据本发明的示例实施例的图1的HTEM系统的数据采集系统的示意图。图6示出根据本发明的示例实施例的用于确定B场的数据分析流程。在附图中，通过示例示出本发明的实施例。应清楚地理解，描述和附图仅仅是用于说明目的并作为理解的辅助，而不旨在作为对本发明的限制。示例实施例的详细描述当试图在空中TDEM测量系统中测量B场时，存在多个需要解决的问题。例如，由于导通周期期间的信号比截止周期期间典型地高许多个数量级，在同心偶极HTEM系统中在整个周期上采集数据会是挑战性的。由于动态范围由接收器线圈在发射器线圈电流的导通周期和截止周期期间的信号强度之比决定，所以一个可能的解决方案是增大发射器与接收器线圈之间的物理间距。该大距离具有降低数据采集系统的大动态范围要求的效果。然而，由大距离强加的间隔在一些应用中会引起诸如空间分辨率损失的负面特性，或导致系统笨重且难以在飞行中尤其是由直升机拖带。对动态范围问题的一种可能的解决方案是实现补偿线圈以降低接收器处的主场的幅值。本发明的示例实施例涉及一种空中或HTEM系统，其包括半刚性补偿线圈和用于根据测得的磁场对时间导数信号dB/dt确定磁场B的装置。该补偿线圈可按照同心共面方式相对于发射器线圈和接收器线圈定位，以使数据采集时间期间接收器线圈处的伪信号最小。由该系统收集的信号可通过信号处理装置进一步处理。此外，对由系统产生的数据进行的测量可在施加至发射器和补偿线圈的电流波形的整个周期上进行。补偿线圈的添加会增加悬挂机械复杂度和结构重量，但可能具有将信号保持在 ADC动态范围内的好处，等等。在本发明的示例实施例中，通过将补偿线圈放置在主发射器线圈的中心处以使接收器线圈处的磁场最小化，使补偿线圈的定位和稳定性成为可能。用于确定磁场B的装置可被实现为在连接至HTEM系统或作为HTEM系统一部分的计算机上运行的软件实用程序，该程序使用诸如下述算法的算法。还应当理解，该计算机和相关软件实用程序可用于场数据收集之后的处理阶段。对B场的测量能辅助对例如位于接近一千米深度的矿床的探测，以及对地下的良导体的检测。本发明的实施例可利用快速关断施加小磁偶极矩，这对于绘制近地表电导率的测量是适当的。本发明的该方面能影响发射器线圈，以使在某些应用中，发射器线圈中所需的匝数能减少以产生减小的磁偶极矩和电感。反之，为了检测较深深度处的导体，在采用本发明的系统的一些应用中，结合较长的截止周期，该匝数可增大以增大发射器线圈磁偶极矩。本发明的示例实施例可提供一些潜在的好处。例如，在至少一些构造中，补偿线圈的应用可减小所需的ADC动态范围。该减小的效果可以是允许测量包括施加至发射器和补偿线圈的电流波形的整个周期，或包括所述电流波形的增大的周期。由于导通周期期间的信号比截止周期期间典型地高许多个数量级，在整个发射器电流周期上采集数据仍会是挑战性的。因此，本发明的示例实施例可提供有利的EM工具。本发明的实施例可被包含到同心偶极HTEM系统中，诸如例如美国专利No. 7，157，914中公开的HTEM系统，或Geotech公司运作的多功能时域电磁(VTEM) HTEM系统。本发明的示例实施例中的HTEM系统元件可简化数据分析。例如，在一些应用中，与主发射器线圈同心地或在主发射器线圈的中心处定位补偿线圈可提高补偿线圈的稳定性，且能使接收器线圈处的主磁场最小化。补偿线圈和接收器线圈的位置与理想同心构造的偏差会产生伪DC信号，因此需要大的信号动态范围。补偿线圈的机械运动也会在接收器线圈处产生较低SNR测量结果。在一些应用中，如本文所公开的补偿线圈与HTEM系统的定位可提高测量的准确度。根据示例实施例的HTEM系统的典型设置是使发射器和接收器线圈处于基本同心和基本共面构造。该同心构造能允许较小的设置，并为散射响应提供优良的对称性，这样又可允许对散射体几何形状的更容易解释和更好的横向分辨率。作为非限制性示例，在同心偶极HTEM系统的实施例中，前置放大器和ADC所需的动态范围可以典型地在120db的范围内，这由前置放大器的最大信号幅值和输入噪声之比决定。在同心偶极HTEM系统中，为了增大动态范围，可将接收器线圈放置在发射器线圈上方数米处，以减小发射器线圈在接收器处所产生的信号。替代地，可使用自动定标前置放大器，或使前置放大器增益在导通周期期间的低增益与截止周期期间的高增益之间切换。 使用可调节增益放大器使数据采集更复杂，但具有保持发射器和接收器线圈同心的优点， 从而使异常测绘分布最少。例如，对于40dB可调节增益前置放大器，16位ADC足以使信号数字化，而如果使用了 M位々0(，则该系统可应用固定增益前置放大器。接收器线圈处存在多个电噪声源。伪信号可能由引起噪声的若干源产生，诸如直升机和该系统的其他金属部件；大气中的闪电活动；本地交流输电线干扰；15-25kHz频率范围中的VLF无线电波；以及来自线圈和电子电路的热噪声。然而，例如，在诸如O-IOOHz的低频率下，空中接收器线圈处的主噪声源是线圈在地球磁场中运动所产生的颤动噪声。该运动由线圈的风振、来自飞行器的震动和/或线圈与线圈悬挂系统的摩擦产生。提高接收器线圈处的信噪比(SNR)的可能手段不是简单明了的，因为存在可能影响该测量的多个因素。为了使各种源在感兴趣的频率范围中产生的噪声最少，可能必须对本发明的实施例应用以下手段中的一种或多种减少接收器线圈相对于地球磁场的运动； 防止外部机械噪声到达接收器线圈；以及使接收器线圈悬挂系统所产生的机械噪声最小化。在本发明的示例实施例中，可应用半刚性结构以建造具有固有的大磁偶极矩和提高的SNR的大发射器线圈和补偿线圈。与外部悬挂系统结合的较大结构也可在本发明的实施例中使用，以提高飞行稳定性并降低SNR要求。如图1所示，根据一个示例实施例的HTEM系统包括拖带组件2，该拖带组件2具有发射器线圈4、补偿线圈6以及接收器线圈8，它们分别在相应的发射器线圈框架10、补偿线圈框架12以及接收器线圈框架14内受到支承。发射器线圈4、补偿线圈6以及接收器线圈8是同心的，因为它们基本共面，且具有公共偶极轴。在所示示例实施例中，补偿线圈框架12是十二边形补偿线圈框架，其具有例如诸如约6. 5m的尺寸(也如图2所示)。该线圈框架可定位成使其轴位于十二边形主发射器线圈框架10的中心处或附近，该主发射器线圈框架10具有例如诸如约^m的尺寸。接收器线圈框架14可进一步定位成使其轴位于补偿线圈框架12的中心处。三个线圈框架10、12、14可通过径向缆索系统16连接，例如诸如约12条径向缆索。径向缆索16分别具有连接至公共中枢的内端和连接至发射器线圈框架10的圆周附近的各个位置，且承受张力以使发射器线圈框架10在测量飞行期间保持基本一致的直径。直径小于发射器线圈框架的补偿线圈框架12和直径小于补偿线圈框架12 的接收器线圈框架14分别被固定至径向缆索16并受其支承，以使线圈框架10、12和14在测量飞行期间相对于彼此保持于相对稳定的同心位置。在示例实施例中，线圈框架10、12和14中的每一个由一系列管状构件构造成，这些管状构件首尾相连以形成如图1和2所示的多边形框架。发射器、补偿和接收器线圈4、 6、8分别被接纳在它们各自的管状线圈框架10、12和14内。发射器和补偿线圈框架是半刚性的，因为虽然每一个框架由相对刚性的管状构件形成，但每个框架具有关于其周长弯曲些许的能力，而且框架之间的框架间连接通过径向缆索16而不是刚性连接器来实现。可应
8用于线圈框架10、12和14的合适构造的示例例如可以在美国专利no. 7，157，914以及美国专利申请 No. 12/036, 657(国际申请 No. PCT/CA2009/000217)中找到。线圈框架还可附连至由外部缆索18形成的外部悬挂系统2。在一个示例实施例中，悬挂缆索18分别具有可释放地连接至多边形发射器框架10的各个角22的下端，以及连接至悬挂附连缆索20的上端。悬挂附连缆索20可进一步可释放地附连至直升机M或诸如飞机或飞船的其他飞行器，藉此组成拖带组件2的框架系统可由该飞行器拖带。在一些示例实施例中，可提供附加的悬挂缆索，每条悬挂缆索具有连接至补偿线圈框架12的各个角的下端和连接至悬挂附连缆索20的上端。在本发明的另一实施例中，外部悬挂系统2 可由配置成网格或网络的缆索形成，诸如例如美国专利申请2008/0143130 Al所示。如图2所示，在本发明的一个实施例中，组成包括主发射器线圈框架10、补偿线圈框架12以及接收器线圈框架14的拖带组件2的HTEM框架系统可在飞行中悬挂并由以恒定测量速度飞行的直升机M拖带。作为非限制性示例，该恒定测量速度可以是诸如约30m/ s的速度。在该特定实施例中，发射器线圈框架10可由诸如来自连接点沈的悬挂系统11 支承，该连接点26除了在线圈框架10的垂直上方之外，还可以偏离线圈框架10的中心一水平距离。作为非限制性示例，该水平偏移距离可以是偏离线圈中心约lm。悬挂系统11的缆索18相交的悬挂点沈通过长悬挂附连缆索20附连至直升机。作为非限制性示例，附连缆索20可具有约41m的长度。外部悬挂系统11可被形成为使线圈在飞行期间被定位成水平或基本水平。在此方面，在飞行期间，悬挂附连缆索20可被定位成与垂直方向成一角度。 例如，悬挂附连缆索20可被定位成与垂直方向成诸如约35度角。因此，在这样的实施例中， 悬挂系统11被配置成使线圈框架在飞行期间可被保持于水平或基本水平位置。该飞行中位置可通过考虑若干因素来实现，包括风产生的阻力、该结构的重量以及外部悬挂缆索或网格。在示例实施例中，系统电子电路7位于直升机M内，且通过沿悬挂缆索20延伸的导体连接至拖带组件2的线圈。系统电子电路7包括作为电流源用于按照以下讨论的方式驱动发射器和补偿线圈4、6的发射器和补偿线圈驱动器9，以及用于测量和处理来自接收器线圈8的信号的数据采集系统13。如图3所示，在本发明的一个实施例中，作为非限制性示例，主发射器线圈4可以具有约^m的整体尺寸，且可包含例如四匝线。这些匝可被定位在发射器线圈框架10内。 在本发明的同一实施例中，作为非限制性示例，补偿线圈6可具有约6. 5m的整体尺寸，且包含定位于补偿线圈框架12内部的单匝线。上述发射器线圈或补偿线圈中包含的匝数仅作为示例提供。发射器线圈和补偿线圈中的匝数可根据本发明特定实施例的要求或本发明的特定应用比所建议的数量少或多。补偿线圈6和主发射器线圈4可电连接。该电连接可串联实现，具有以相反方向 30a、30b环流的电流。线圈中心处的磁场与电流方向和线匝数成比例，且与线圈的整体直径成反比例。对于同心的发射器和补偿线圈，在放置于这些线圈中心处的接收器线圈处测得的主磁场可接近零，因为对于每个线圈，电流乘以线匝数除以线圈半径的结果大致相同。使共面发射器线圈和补偿线圈的中心处的磁场接近零会是有利的，因为偏离中心磁场会迅速增加。因此，如果发射器和补偿线圈与接收器线圈不同心，则不希望有的背景主磁场会在接收器线圈处产生。因此，需要所述线圈是同心或基本同心的。与测量有关的另一考虑因素是，飞行期间缺乏稳定性会在接收器线圈处引起强烈的伪信号，因为主磁场在导通周期期间比次磁场大许多个数量级。为了允许使用半刚性补偿线圈结构来减小导通周期期间接收器线圈处的背景磁场，当EM测量在时域中进行时，在若干周期上求平均的信号应当为零。发射器线圈和补偿线圈在接收器线圈处产生的主磁场应当为零。如果测得非零信号平均值，则从测得信号减去该值。该特征会导致对大信号动态范围的要求减少。如图4A所示，在本发明的一个实施例中，可通过驱动器9对发射器和补偿线圈施加电流。这些线圈可串联连接，如图3所示。每个电流循环或周期包括正的导通周期和截止周期，随后是负的导通周期和截止周期。在本发明的一个非限制性示例实施例中，电流波形34可以关于零或基本为零的直流分量对称，具有约30Hz频率以及约300A峰值幅值。本领域技术人员将认识到，在本发明的替代实施例或应用中可利用其他波形。图4B示出在无补偿线圈6时接收器线圈8中可能的导通周期信号幅值——如图所示，在无补偿线圈的情况下接收器电压可以是约3V。根据本发明的实施例引入的补偿线圈会使该信号显著减小，例如如图4C中所示的约30mV。发射器截止周期信号可具有约30mV 的幅值。因此，在至少一些应用中，补偿线圈可具有显著减小接收器线圈位置处的导通周期信号的效果，从而允许通过放大接收器线圈信号使SNR最大化。该最大放大率会受ADC输入信号范围限制。本领域技术人员将认识到，在本发明的实施例中可利用其他信号。现在将参照图5描述数据采集系统13的示例实施例。在一个非限制性示例实施例中，接收器线圈8信号可通过低噪声前置放大器40放大例如约100倍。该前置放大器40 可位于拖带组件11上，且系统13的余下部件位于飞行器中。前置放大器40可产生峰-峰信号，例如诸如约6V的峰-峰信号。该信号然后可由低通抗混叠滤波器42滤波，例如诸如约30KHz的滤波器。它还可附加地由例如诸如对位ADC的双极ADC 44以例如诸如约每秒 100K或200K个样本的设定速率数字化。通过数字化提取的数据然后可传递至能数字化地处理和存储该数据的处理和存储单元46。本领域技术人员将认识到，所提供的放大和其他测量仅作为示例，且在本发明的实施例中可利用其他放大和测量。在本发明的一个示例实施例中，数据采集系统13执行诸如图6中所示那样的信号处理。在这样的实施例中，可在图5的双极ADC 44处接收接收器线圈信号，在该双极ADC 处将该信号连续数字化(动作50)。例如，该数字化可以在诸如M位ADC以每秒100K到 200K个样本的速率下进行。然后将该数字化信号传递至处理和存储单元46以供进一步处理。为了消除前置放大器偏移和温度相关漂移，可在至少一个周期或循环上逐点地对该波形的给定点处的信号求平均(动作52)。例如，在一个实施例中，可对一组5个发射器脉冲循环求平均。可在正和负半周期或信号上对该波形附加地求平均。可应用这些求平均元素以获得该偏移信号。然后可将所得的DC信号从该组周期上的每个测量点减去(动作52)， 由此可从每个点减去该偏移信号。替代地，在动作52中，可通过从每个点减去半个周期前的波形点的值来处理该波形。在所得波形中，DC偏移将被消除，且原始波形中的线性漂移将被减少为所得波形中的固定漂移。然后可使用所得波形作为同一处理算法的输入，以获得其中输入波形中的线性漂移会被完全消除的第二所得波形。通过重复应用该算法，可获得其中高阶多项式漂移将被完全消除的附加所得波形。本领域技术人员将理解，该算法的重复应用能替代地在单个算法中具体化，该单个算法在数学上等效并产生基本相同结果。然后通过处理和存储单元46对经数字化的dB/dt信号在整个周期上(即导通时间和截止时间)积分，以产生B场的表示(动作54)。该积分可从该循环的任意点处开始。 为了获得求积分常数(也称为积分常数)，可对微元化(binned)的信号在至少一个周期上求平均。这可以按照点对点的方式实现，由此在正和负半周期上进行求平均(动作56)。然后可在该组周期上从每个测量点减去所得的DC信号(动作56)，该DC信号可以是求积分常数(即积分常数)。在上述过程中，可通过在整个波形上求平均来计算DC信号，或通过在截止时间部分上求平均来获得该DC信号。这样将减少由接收器所检测到的主信号的幅值波动引入的错误。此类波动可以由半柔性框架的变形引起。作为附加步骤，在截止时间周期期间，可将该数字信号微元化到门电路中(动作 58)。例如，在本发明的一个实施例中，可利用在对数尺度中具有相等或基本相等时间间隔的M个门电路。该对数尺度可包括由约Idb的步幅隔开的从50 μ s到IOms的微元(bin)。在本发明的一个实施例中，可经由数据采集系统13的微处理器实现对dB/dt信号的实时积分。在本发明的另一实施例中，可根据由处理和存储单元46存储的记录时间系列数字化点在飞行后进行对dB/dt信号的积分。可处理通过系统2获得的作为位置的函数的B场数据以得出大地电导率测绘图。 在一些应用中，如本文所公开的B场的测量可提高系统输出在ADC动态范围内的信号的能力。这又使SNR能借助接收器线圈信号的放大而提高。因此，在一些示例实施例中，能减小接收器线圈信号的动态范围，以能采集包括导通时间的整个波形，同时减小对准确度的损害或在截止时间期间的采集的噪声水平。本邻域技术人员将可理解，也可实施本文中描述的实施例的其他变型，而不背离本发明的范围。具体而言，因为所陈述的测量仅供作为示例，因此在本发明的实施例中可应用尺寸、频率以及建议的其他测量的变化。其他修改因此也是可能的。例如，补偿线圈的尺寸可不同以影响接收器处的主场。如果ADC能以足够的分辨率将导通时间和截止时间信号二者均数字化以保持信噪比，则改变补偿线圈的大小会导致接收器线圈处的主场成为非约等于零的值。此外，补偿线圈的尺寸能控制发射器线圈中的匝数变化的影响，藉此改变补偿线圈的尺寸能辅助在发射器电流的导通时间期间保持EM场约为零。
权利要求
1.一种用于产生B场测量的时域电磁(TDEM)地球物理测量系统，包括 发射器线圈；补偿线圈，其相对于发射器线圈以基本同心和共面取向定位； 接收器线圈，其相对于所述补偿线圈以基本同心和共面取向定位； 电流源，其连接至发射器线圈和补偿线圈以向发射器线圈和补偿线圈施加周期性电流；以及数据收集系统，其被配置成从接收器线圈接收磁场对时间的导数信号dB/dt，并对所述磁场对时间的导数信号dB/dt积分以产生磁B场测量，所述发射器线圈、补偿线圈以及接收器线圈相对于彼此定位，以使得在接收器线圈位置，由补偿线圈产生的磁场对由发射器线圈产生的主磁场有抵消效果。
2.如权利要求1所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，所述发射器线圈由发射器线圈框架支承，所述补偿线圈由补偿线圈框架支承，所述补偿线圈框架的直径比所述发射器线圈框架的直径小，以及所述接收器线圈由接收器线圈框架支承，所述接收器线圈框架的直径比所述补偿线圈框架的直径小，所述系统包括从发射器线圈框架的中心点向外径向延伸至各个位置的多条径向缆索，所述补偿线圈框架和接收器线圈框架分别连接至所述径向缆索。
3.如权利要求2所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，包括连接至发射器线圈框架周长周围的多个位置的悬挂系统，以及附连至所述悬挂系统以将所述线圈框架悬挂在飞行器上的悬挂附连缆索。
4.如权利要求3所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，所述悬挂系统被配置成在飞行期间将所述线圈保持于基本水平取向。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，所述发射器线圈和补偿线圈分别包括线匝，由此来自所述电流源的电流通过发射器线圈传递到与其电连接的补偿线圈，所述电连接以串联方式实现，且使电流以相反方向环流。
6.如权利要求5所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，所述发射器线圈的中心和所述补偿线圈的中心呈现的磁场与所述电流方向和线匝数成比例，且与所述线圈的整体尺寸成反比例，从而形成具有主磁场的基本同心的系统，在所述接收器线圈处测量时的所述主磁场基本为零。
7.如权利要求1到6中任一项所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，所述电流源对所述发射器线圈和所述补偿线圈施加周期性电流，所述周期性电流在每个周期内具有正导通周期和截止周期以及随后的负导通周期和截止周期，所述补偿线圈具有减小接收器线圈处的导通周期信号的效果，以使得通过放大接收器线圈信号来提高SNR。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的TDEM地球物理测量系统，其特征在于，所述数据收集系统包括低噪声前置放大器，其连接至所述接收器线圈以放大来自所述接收器线圈的磁场对时间的导数信号dB/dt ；低通抗混叠滤波器，其对经放大的信号dB/dt滤波； ADC，用于对经滤波信号dB/dt进行数字化；以及信号处理单元，用于对经数字化的信号dB/dt积分以产生所述B场测量。
9.如权利要求8所述的电磁测量数据采集系统，其特征在于，所述信号处理单元能用于在一个或多个周期上对所述经数字化的信号dB/dt的正和负半周期求平均，以获得积分常数；以及在整个周期上对所述经数字化的信号dB/dt积分以产生所述B场测量。
10.一种用于产生B场测量的信号处理方法，包括从定位在补偿线圈内的接收器线圈获得接收器线圈信号，所述补偿线圈进一步定位在发射器线圈内，每个线圈相对于其它线圈以基本同心取向定位，所述发射器线圈和所述补偿线圈产生周期性脉冲，所述周期性脉冲分别具有正导通时间、随后是截止时间、随后是负导通时间、随后是截止时间；将所述接收器线圈信号数字化；在一个或多个周期上对经数字化的接收器线圈信号的正和负半周期求平均，以获得积分常数；以及在至少一个完整周期上对所述经数字化的接收器线圈信号积分以产生所述B场测量。
11.如权利要求10所述的信号处理方法，其特征在于，包括将所述数字信号微元化到具有对数尺度上的基本相等时间间隔的门电路中。
12.如权利要求10或11所述的信号处理方法，其特征在于，还包括将所述接收器线圈、 补偿线圈以及发射器线圈悬挂到飞行器上，并使所述飞行器在测量区域飞行，同时获得所述接收器线圈信号。
全文摘要
根据一个示例实施例，一种用于产生B场测量的时域电磁(TDEM)地球物理测量系统包括发射器线圈；补偿线圈，其相对于发射器线圈以基本同心和共面取向定位；接收器线圈，其相对于补偿线圈以基本同心和共面取向定位；电流源，其连接至发射器线圈和补偿线圈以向发射器线圈和补偿线圈施加周期性电流；以及数据收集系统，其被配置成从接收器线圈接收磁场对时间的导数信号dB/dt，并对该磁场对时间的导数信号dB/dt积分以产生磁B场测量，该发射器线圈、补偿线圈以及接收器线圈相对于彼此定位，以使得在接收器线圈位置，由补偿线圈产生的磁场对由发射器线圈产生的主磁场有抵消效果。
文档编号G01R33/02GK102159962SQ200980134118
公开日2011年8月17日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者E·B·莫里森, P·V·库茨明 申请人:吉欧泰科航空物探有限公司