用于取消磁场的抵消电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明的各方面大体来说涉及抵消系统且涉及在体积内的点处实质上消除磁场的方法。更特定来说，本发明的各方面可用于电磁勘探中以在不显著修改大发射场与地面的交互作用的情况下消除所述发射场对磁场传感器的影响。当前发明在所述传感器相对于发射器位移时促进此消除。
【背景技术】
[0002]电磁探测方法构成用于在探查石油、天然气与矿床、蓄水层及其它地质特征中测绘地球的地球物理方法的重要部分。EM方法可概括地分类成两类:无源方法，其中使用电磁勘测设备来测绘地球表面范围内的电磁场的自然发生的时间变化;及有源方法，其中电磁场是从发射器(其为勘测设备的整体部分)射出。
[0003]有源EM系统包括数个部分；用以形成电磁场的发射器及天线、用以检测来自发射器的信号的传感器与及接收器以及相关电子器件、机械元件、数据记录器和电源。尽管EM系统也包括其中在不存在发射器的条件下测量电磁场的自然发生的无源系统，但在以下论述中，除非另有说明，否则EM系统应视为仅包括那些具有发射器的系统。
[0004]有源EM系统通过将随时间变化的电流波形供应到发射器线圈或回路而操作，此形成对应的“初级”随时间变化的磁场。初级场的时间变化接着在地球中感应涡电流，从而导致“分散”磁场。分散场连同初级场通常通过采用线圈、回路或磁强计传感器借助接收器来测量。分散场的特性可接着用于确定地面的电性质。这些性质可接着用作地质判读(例如推断地质特征的存在)的基础。举例来说，分散场与初级场同相的特性对检测高度导电矿石有意义。改进分散磁场的特性致使经改进的地质推断且因此致使采用有源系统的任何勘探企业的成功。
[0005]在下文中，“线圈”及“回路”可用于意指借以发射初级场且可包括一或多个绕组(匝)电导体的天线。接着用包含一或多个磁场传感器的接收器检测所得磁场。磁场传感器可为其中根据法拉第定律(Faraday，s Law)检测磁通量密度的改变的线圈、回路或电路元件，或其可为磁强计。磁强计的实例包含采用磁通门、反馈线圈、霍尔效应和光栗浦原子蒸汽原理来检测磁场的装置以及相关仪器。
[0006]回路及线圈可包括圆形、椭圆形、卵形、螺旋形或其它类似圆形形状或其区段，且可包括一起形成封闭形状的线段(通常具有小于180度的内角)，其实例为矩形、六边形、八边形、十二变形等等。回路包括通常由导电物质(例如铜或铝)构成的至少一个导电绕组，但可包括超导体。经塑成为具有多个边的凸面对称多边形状的回路可视为是实质上圆形的，如同圆形回路一般。
[0007]当在空中部署EM系统时，通常采用两个配置中的一者。在第一配置中，发射器及接收器可位于相同平台、结构或“载体”上，而在第二配置中，接收器可被拖曳在发射器后面一定距离处。在第一配置中，发射器及接收器可安装在飞机“载体”上，所述飞机“载体”的实例包含曾由芬兰地质勘探局操作的系统及由Geotech股份有限公司建造的霍克(Hawk)系统。还可能将发射器及接收器安装在从飞机拖曳的平台或底架“载体”上。此些载体通常拖曳在直升机下面，且通常称作为“吊舱”、“探空仪”或“炸弹”。在此些情形中，吊舱可通常拖曳在直升机下面30到60米，在高于地面大约30到60米的高度处。在此些系统中，由于发射器及接收器经定位紧靠近，因此接收器处的初级场可为大于分散场的数量级。
[0008]当初级场比分散场大得多时，需要初级分散场分开的手段以准许对小得多的分散场进行准确检测。完成上述情形的一种常见方法是通过时间分开，借此初级场作为具有交替极性的一系列整形脉冲来广播，其中每一脉冲由关断时间(在其期间无电流在发射器回路中流动)分开。如果在此关断时间期间测量到分散场，那么将不存在初级场且对分散场的高度敏感测量是可能的。将测量限制于关断时间的缺点是信息的丢失。特定来说，可不良呈现分散响应的同相分量，因此可不能够检测到一些高度导电矿石。由于高度导电矿石经常成为航空电磁(“AEM”)勘测的目标，因此准确的接通时间测量可对AEM企业的成功相当重要。因此获取优质同相AEM数据是有利的。
[0009]大量AEM系统已使用关断时间测量值作为将分散场与初级场分开的手段。这些系统中最显著的是巴林杰(Barringer)输入系统及从其衍生的系统，例如Geotem系统、Megatem系统及Questem系统。
[0010]抵消提供初级-分散场分开的替代手段。当初级场的同相分量是大的时，例如当发射器及接收器经定位紧靠近时，可使用抵消回路来通过有源抵消直接消除接收器处的初级场，或通过无源抵消来消除初级场对接收器的影响。有源抵消涉及形成将实质上消除由EM系统的磁场传感器经历的初级场的抵消磁场。通常抵消磁场是通过传递用于通过在磁场传感器附近的第二较小回路来激励发射器回路或天线的随时间变化的电流波形而形成。在无源抵消中，使用额外磁场传感器来检测与单个磁场传感器所经历的初级与分散场组合不同的初级与分散场组合。接着以取消组合信号中的初级场的方式组合来自两个传感器的信号。因此，在存在大初级场的情况下，可有利地使用抵消来获取优质同相AEM数据。
[0011 ]由于在存在接收器的情况下抑制初级场而产生抵消的额外优点。当将初级场抵消时，接收器可以比未经抵消的场高的敏感度操作。因此可检测到更精细分散场异常现象，因此准许在无需使接收器饱和的情况下以较弱物理性质差异检测较小地质特征。
[0012]使用抵消的系统的实例是采用无源抵消的Dighem直升机频域系统，如同惠顿(Whitton)所推荐的系统(美国专利申请案2003169045A1)—般;及VTEM(美国专利申请案2011/0148421A1)及采用有源抵消的Aerotem直升机时域系统。
[0013]在采用有源抵消的系统中，目标是在不明显影响地球中由发射器引起的涡电流感应的情况下取消接收器处的初级场。因此，抵消回路经挑选为在几何形状上小于发射器回路但较接近于传感器。因此，可在其范围内抵消场的接收器位置的范围通常也为小的。由于上述情形，磁场传感器相对于那些回路的任何相对位移可强烈影响在传感器处消除初级场的程度。因此，在目前现有技术中，抵消的质量随系统变得日益刚性而改进。
[0014]有源抵消的优点为接收器附近的初级场被抑制，而不管场在所有附近位置处未被完全消除的事实。如此一来，由于接收器及其底架的任何金属组件内的初级场的改变所致的涡电流感应强烈减少。
[0015]在目前现有技术中，在发射器回路、磁场传感器及抵消回路的相对几何结构为几乎刚性固定时抵消为最有效。每当回路几何结构相对于彼此改变形状或位置时，初级场的未经抵消残余部分将作为信号出现在接收器中。所述残余部分通常不能与同相分散场区分，且因此可使所测量分散响应的质量降级。AEROTEM及Dighem系统采用几乎刚性几何结构，且因此使由回路运动引起的未经抵消初级场残余部分的变化最小化。然而，一些未经抵消的残余部分可甚至发生在具有标称几乎刚性几何结构的系统中。这些残余部分可由回路几何结构的小改变引起，通常归因于热膨胀，从而产生称作“漂移”的现象。
[0016]尽管刚性几何结构有利于准确抵消，且因此有利于准确地测量分散场的同相分量，但准许发射器回路、磁场传感器及抵消回路的相对几何结构的一些变化可为必需或有利的。VTEM系统图解说明在EM获取波段中为实质上刚性的但具有柔性几何结构的AEM系统。其发射器底架的轻量准许比在系统为几乎刚性的情况下将可能的发射器回路及矩大的发射器回路及因此矩。由于发射器回路可变形，因此其可在每一飞行的起飞及降落期间以更大容易性处置。分段构造回路底架促进运输且断裂较容易修复:碰撞并不涉及单个刚性底架及其高价值组件的灾难损失。由于增加的柔性引起的折衷为抵消的保真度小于由可比几乎刚性系统可提供的保真度。
[0017]波尔策(Polzer)等人(国际专利申请案W0 2011/085462A1)已注明允许发射器回路、磁场传感器及抵消回路的几何结构中的一些柔性的第二优点.波尔策(Polzer)注明EM传感器在地球的背景磁场中(尤其在1到25Hz低频范围中)旋转形成先前已呈现获取所述波段中的高精度航空电磁数据的噪声。通过将稳定化系统用于运动隔离(其中磁场传感器相对于装纳于其中的吊舱移动)，可获取1到25Hz波段中的高精度航空电磁数据。如此一来，AEM系统的几何结构必须为柔性。
[0018]因此，在AEM勘测的目前现有技术中，使用单回路来抵消初级场。几乎刚性系统提供相对稳定抵消且准许对分散场的精确同相测量，牺牲发射器矩、轻量及特定物流优点。柔性系统准许较大发射器矩及物流优点，但具有较不完美抵消，且因此对分散场的同相分量的较不准确测量。较不准确同相测量可导致高导电地质特征的较差分辨率，所述地质特征中的许多者为受委托进行矿业勘探的EM勘测的目标。较不完美抵消还可意指与经良好抵消系统的情形相比可遭受较大磁场振幅变化，且意指因此可以较低分辨率获取EM数据。
[0019]为了取消发射器的场，未必适用抵消线圈。举例来说，霍尔(Hall)等人的美国专利申请案2011227578 A1描述感应测井工具，其使用多个抵消线圈来以从测井工具