用于响应于改变第一磁场来补偿磁传感器的输出的磁补偿电路及方法
【技术领域】
[0001]本发明一般来说涉及磁场的测量，且特定来说涉及用于在存在已知较强场时准确检测弱散射磁场的存在的方法及设备。特定来说，本发明的实施例涉及用于经改进地球物理电磁勘测的方法。
【背景技术】
[0002]传感器上的已知但非所要磁场的效应的移除通常称作补偿，且有时被称为抵消。补偿可被视为具有两种相异形式。在第一形式(有时称为主动抵消)中，通过形成与第一磁场相反的第二磁场而在一空间体积内消除第一磁场。在第二种形式的补偿(有时称为被动抵消)中，通过将与传感器的输出相反的电压添加到所述传感器的所述输出而消除由传感器检测的磁场的效应。
[0003]可存在想要从磁传感器移除大的磁场信号的数个理由。特定来说，通过移除大部分信号，借此降低由传感器测量的信号，可扩大传感器的有效动态范围，因此允许比原本可能的场的放大率及分辨率大的场的放大率及分辨率。额外原因可包含经改进线性及经减小转换速率相关的噪声。此外，如果补偿致使传感器附近的磁场减小，那么可存在由附近金属组件中的涡流感应及感应磁化导致的噪声的对应减小。
[0004]出于本发明的目的，磁(H)传感器可为磁力计(如由SQUID、反馈线圈、磁通门、原子蒸气传感器或直接对磁场敏感的类似装置所例示)，或线圈、回路或类似电路元件(其借助法拉第(Faraday)定律对磁通量密度中的时间变化敏感)，或具有类似功能性的任何仪器。
[0005]补偿方法已找到进入若干多样应用的方式，其中之一者为抑制所发射电磁能量。举例来说，在罗伯森(Robertson)的文档GB 2438057A中，通过磁传感器进行的电磁福射广播受到抑制。在另一实例中，帕申(Paschen)等人在US 5，920，130A中揭示抑制发射线路噪声的方式。在第三实例中，福尔摩斯(Holmes)及斯卡泽罗(Scarzello)在US 6，798，632B1中使用一组三个正交亥姆霍兹(Helmholtz)线圈来封围电装置，也来抑制所发射电力频率辐射。
[0006]补偿方法也可用于控制一体积(如常见于含有磁共振成像或电子束装置的室)内的磁场噪声。在此些情形中，穿过亥姆霍兹线圈发送的电流围绕待屏蔽的体积。一般来说，补偿是通过将磁传感器放置于经屏蔽体积内而实现，接着使用来自所述经屏蔽体积的信号在线圈中产生电流且因此取消传感器处的场。此方法用于唐南(Dunnam)的文档US5465012A中，所述文档使用三组正交亥姆霍兹线圈来补偿线圈内部的均匀磁场，如同克罗普(Kropp)等人(其考虑到补偿梯度场的情形)在文档US 2011/0144953中所使用。在美国文档2005/0195551中，布什贝克(Buschbeck)等人观察到在涉及粒子束的一些应用中，难以将传感器放置于其中场将被取消的体积中，且因此使用放置于两个点处的两个传感器来内插待消除的场值。吉尔宾(Gelbien)在美国文档5，952，734中揭示一种用于通过采用由伺服回路激励且受通量锁定电路及磁传感器控制的线圈来维持区域中的恒定磁通量的设备。布坎南(Buchannan)在美国文档2004/0006267中提出一种采用线圈及磁屏蔽室两者的补偿方法。沃劳尔(Wallauer)在EP 2259081A1中提出一种运用磁阻传感器感测亥姆霍兹线圈内的场的磁场补偿方法。沃劳尔的发明将传入的磁场信号分割成互补的高频率分量及低频率分量，其中低频率分量通过模/数转换器(ADC)、数字滤波器，接着通过数/模转换器(DAC)，然后与高频率分量重新组合且传递到亥姆霍兹线圈。
[0007]法利亚德(Farjadad)在美国文档2011/0292977中揭示用于测井应用的基于以太网的补偿电路，其中共模信号经输入到控制器以产生供应用于差分信号的补偿信号。本发明的目的为预先补偿差分信号以减小通信信道中的效应或噪声干扰或不平衡。
[0008]在其中地球的导电性结构依据电磁(EM)场测量而推断的地球物理测量的领域中，补偿方法为常见的。此类补偿的普遍实例存在于主动源电磁勘探系统中。在主动EM系统中，发射器用周期性(稳定重复)时变电流激励回路或线圈。此电流形成通常被称为“初级”场的电磁场，其激励地球内的电流。
[0009]这些地球电流形成由附接到EM系统的接收器检测的“散射”电磁场。在许多EM系统中，发射器及接收器按几何级数配置，使得初级场为大于散射场的数量级。在此类情形中，采用补偿方法来尽可能从传感器移除初级场，从而允许检测较小散射场为有利的。
[0010]在许多主动源系统中，通过实现初级场与由抵消线圈形成的第二场之间的平衡来实施补偿。这样做，可在传感器处大致取消来自所述两个场的净场。
[0011]与初级场的抵消的准确平衡是在线圈几何结构为固定时最佳实现的，这是因为此也使发射器与抵消线圈之间的互感及其到体积(其中场将被取消)的耦合固定。在线圈的几何结构固定的情况下，单个点处的准确补偿可通过将抵消线圈放置于具有发射器线圈的串联电路中且调整相应线圈的力矩使得磁场完全相对而实现。此方法在其中场并不由其它散射源显著干扰及其中线圈几何结构为刚性的情形中起到最好作用。所述方法在发射器及抵消线圈串联且因此具有相同电流波形(至少以远低于线圈电容显著影响负载阻抗的频率的频率)时尤其有效。
[0012]达维迪奇(Davydychev)等人提供补偿的实例，其在美国文档2010/0026280中揭示一种用于调整发射器及接收器线圈的互感的具有抵消线圈及修整线圈两者的设备。包含修整线圈以准许抵消线圈的场为可调整的，因此改进可实现的空值的质量。另一实例参见于地面地球物理测量领域中，其中博斯纳(Bosnar)在美国文档2009/0295391 A1揭示一种用于同时测量静磁场及地面的时变电磁(EM)响应两者的仪器。博斯纳使用刚性几何结构，其中在用于检测地球静磁场的磁力计处，使用亥姆霍兹型补偿线圈来取消时变初级电磁场。
[0013]出于上文所述原因，通常在其中采用受控制源发射器回路的航空电磁(AEM)测量中需要补偿。在库兹明(Kuzmin)及莫里森(Morrison)的美国文档2010/0052685中提供采用补偿的AEM系统的实例，所述实例揭示商业化为VTEM AEM系统的灵活AEM设备。在VTEM系统中，同心发射器及抵消线圈以接收器为中心。抵消也用于其中采用刚性几何结构的Aerotem AEM系统中，其中后一 AEM系统中的补偿由于使用刚性线圈几何结构而往往比在前一系统中更有效。因此以额外重量(暗示较大的勘测费用)及大的框架(如果损坏那么运送及修复较昂贵)为代价获得AeroTem对VTEM的更稳定的抵消系统。用灵活几何结构准确补偿系统的方法将为优点。
[0014]刚刚讨论的初级场抵消准许以比在缺失补偿的情况下原本可能的增益大的增益操作电磁接收器，且相应地准许以较大敏感性测量地球的散射场。即使如此，AEM方法中的当前技术水平中采用的补偿系统仅补偿发射器的初级场。然而，存在以各种噪声形式的其它强磁场变化源，其也使测量的质量降级且限制接收器的增益。这些强磁场变化源包含地球静磁场中的磁传感器旋转、来自电力线路及地物源的辐射能量及天体噪声的影响。在其中EM系统经安装于金属交通工具上(例如GEOTEM AEM系统)，或其中EM测量变得接近于大的导体(此在海洋处)，或在存在导电及/或可渗透矿石及基础结构的矿山中的情形中，将动态响应于改变的导电环境的补偿将为优点。
[0015]由于发射器电流波形可花费有限时间传播穿过发射器回路，因此发生在时域中操作的一些AEM系统中发生的额外效应，S卩，在用电流迅速激励回路时可为在接收器处显而易见的效应。在此类情形中，与发射器线圈串联安装的补偿线圈中的电流可不与发射器回路中的电流同相，因此可需要校正。
[0016]虽然抵消线圈打算增加AEM勘测数据的质量，但这些相同线圈可充当天线且因此可拾取且重新发射背景噪声源，从而在AEM数据集中形成额外噪声源。可由线圈耦合相对于地球静场的改变导致进一步噪声。如果与初级场完全相对的抵消场以足够低的频率以至于线圈电容并非因素，那么此类考虑将不会成为因素。然而在实践中