专利名称:一种大地电磁数据采集系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例的大地电磁数据采集系统包括能够同时采集低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据的数据采集站和能够进行高低频切换的宽频磁场传感器。本实用新型的大地电磁数据采集系统针对不同勘探目的设有3种采集方式。采集方式1采集高频或音频大地电磁数据；当设置为采集方式2时，在任意的一个观测点，可以顺序采集低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据，并能够将低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据合并在一个宽频大地电磁数据文件内；采集方式3采集低频大地电磁数据。本实用新型的采集系统具有生产成本低、数据采集效率高、野外生产操作简单可靠、使用的仪器设备少等优点。
【专利说明】一种大地电磁数据采集系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于应用地球物理勘探领域，具体涉及一种大地电磁数据采集系统。
【背景技术】
[0002]地球物理勘探中的大地电磁法(Magnetotellurie，简称MT)，出现于上世纪五十年代初期，是法国的卡格尼阿德(L.Cagniard)和苏联的吉洪诺夫(A.N.Tikhonov)提出的。它是利用天然电磁场作为场源的一种地球物理方法，也称为磁大地电流法(TheMagnetotellurie Method)。从某种意义上讲，可以说是大地电流法的发展。当交变电磁场以波的形式在地下传播时，在不同介质的分界面上发生反射和折射作用，可以带来地下介质电阻率分布的信息。实际上是通过测量各种频率下的地表水平电场分量EX(或EY)，与正交的水平磁场分量HX(或HY)之比，从而达到了解地下电性结构的目的。
[0003]音频大地电磁法(Aud1magnetotelluric method，简称AMT)是大地电磁法的一个分支。它与大地电磁法一样，是利用天然的大地电磁场作为场源，来测定地下岩石的电性参数，并通过研宄地电断面的变化来达到了解地质构造、找矿、找水、找油气等地质目的的一种地球物理勘探方法。它是通过观测由远程天电引起的天然平面电磁波信号以确定地下电阻率值的方法。其测量的频率范围为10?10000赫兹，与大地电磁法相比，由于频率较高，对浅部的分辨率较高，更适于浅层地质构造调查和资源勘探。
[0004]目前地球物理勘探领域一般是在同一个观测点分别采集低频的大地电磁数据(几百赫兹到几千秒甚至几万秒)和高频或音频的大地电磁数据(10?10000赫兹)，然后将两套数据合并后再进行处理；也可以在一个观测点上只采集低频的大地电磁数据，或者只采集高频或音频的大地电磁数据，以降低数据采集成本。当在同一个观测点分别采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据时，一般需要使用两种不同的数据采集系统(如加拿大凤凰公司生产的V5-2000、MTU和MTU-A仪器)，同时还需要分别使用低频的大地电磁磁场传感器(如加拿大凤凰公司的MTC-50或MTC-80H磁棒)来采集低频的大地磁场数据和高频或音频的大地电磁磁场传感器(如加拿大凤凰公司的AMTC-30磁棒)来采集高频或音频的大地磁场数据。这种传统的分开采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据的采集方式，野外操作时必需更换磁场传感器，有时还需要更换数据采集仪器，野外操作复杂，效率低，成本高，极大地制约了高效率低成本采集宽频大地电磁数据技术的发展。另外，发明人在实践过程中还发现，由于大量用于石油勘探和深部地壳结构探测的大地电磁系统往往采用一类仪器，致使应用于石油勘探时造成采集信息冗余和浪费，即当采集低频大地电磁数据时，低频采集时间太长，采集时间占多半，致使生产效率低，并且低频信息没有用上，这部分频点反映的深度往往大于1km;而应用于深部构造勘探时，对于采集的高频信息又存在冗余，采样率高导致占用内存大，影响长时间的采集数据存储，而且高频部分频率点多，反映深部频点少。
实用新型内容
[0005]本实用新型实施例的目的在于解决现有技术中需要使用两种不同的数据采集系统分别采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据的技术问题，提供一种能够在同一个观测点采集宽频大地电磁数据的采集系统。
[0006]本实用新型实施例提供的一种大地电磁数据采集系统的技术方案如下:
[0007]一种大地电磁数据采集系统，包括大地电磁数据采集站、磁场传感器和电场传感器，所述磁场传感器和所述电场传感器与所述大地电磁数据采集站相连接，其特征在于，所述磁场传感器是频带响应范围同时覆盖低频大地磁场和高频或音频大地磁场频带范围的宽频磁场传感器。
[0008]所述宽频磁场传感器包括低频磁场传感器和高频或音频磁场传感器，所述低频磁场传感器和所述高频或音频磁场传感器之间的交替切换由电子开关控制。所述大地电磁数据采集站包括电场数据采集通道和磁场数据采集通道，所述电场数据采集通道在低频大地电场和高频或音频大地电场之间交替切换，所述磁场数据采集通道在低频大地磁场和高频或音频大地磁场之间交替切换。所述电场数据采集通道和所述磁场数据采集通道包括低频模数转换器和高频模数转换器，所述低频模数转换器和所述高频模数转换器之间的交替切换由电子开关控制。
[0009]优选地，所述电场数据采集通道的电子开关、所述磁场数据采集通道的电子开关和所述宽频磁场传感器的电子开关同步交替切换。
[0010]优选地，所述采集系统有3种采集方式，采集方式I采集高频或音频大地电磁数据，采集方式2顺序采集低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据，采集方式3采集低频大地电磁数据。在所述采集方式2时，所述采集系统将低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据合并在一个宽频大地电磁数据文件内。
[0011]本实用新型实施例提供的一种大地电磁数据采集系统能够在任意的一个观测点，采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据，即采集宽频大地电磁数据。所述大地电磁数据采集系统具有生产成本低、数据采集效率高、野外生产操作简单可靠、使用的仪器设备少等优点，在地质构造研宄、地下水和地热资源调查、矿产资源和石油及天然气资源的勘探等领域有着广泛的应用前景。
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1是本实用新型实施例大地电磁数据采集系统结构示意图；
[0014]图2是本实用新型实施例大地电磁数据采集站结构示意图；
[0015]图3是本实用新型实施例大地电磁数据采集站的任一磁场通道结构示意图；
[0016]图3a是本实用新型实施例大地电磁数据采集系统的任一磁场传感器结构示意图；
[0017]图4是本实用新型实施例大地电磁数据采集站的任一电场通道结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0019]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本申请作进一步详细的说明。
[0020]在以下叙述中，低频大地电磁数据的频率范围为0.00001?300赫兹；高频或音频大地电磁数据的频率范围为10?10000赫兹；宽频大地电磁数据包括了低频大地电磁(MT)数据和高频或音频大地电磁(AMT)数据，频率范围为0.00001?10000赫兹。
[0021]如图1，该图示出了本实用新型实施例的一种大地电磁数据采集系统，包括一台大地电磁数据采集站1、GPS接收天线2、无线数据发送接收天线3、电场传感器4、5、6和7、磁场传感器9、10和11、接地电极8。大地电磁数据采集站I能够采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据，即该大地电磁数据采集站不仅能够采集低频的大地电磁数据，还能够采集高频或音频的大地电磁数据。接收电场信号的电场传感器为两组正交的水平电极对4、5 (用Ex表不)和6、7 (用E γ表不)，用于记录大地电磁场的两分量电场数据，两组正交的水平电极对同时连接到数据采集站I上，所记录的电场数据可以是低频的大地电场数据，还可以是高频或音频的大地电场数据。磁场传感器9(用Hz表示)、10(用!^表示)、11 (用Hy表示)是3个频带响应范围能同时覆盖低频的大地磁场和高频或音频的大地磁场频带范围的宽频磁场传感器，即宽频磁场传感器不仅可以用来测量低频的大地磁场数据，还可以用来测量高频或音频的大地磁场数据，3个宽频磁场传感器同时连接到数据采集站I上，用于记录大地电磁场的三分量磁场数据。接地电极8用于接地。GPS接收天线2用于确定观测点的地理坐标和数据记录时间。无线数据发送接收天线3用于设置数据采集站I的采集方式、采集时间和采集参数，并实时监控大地电磁数据采集系统的工作状态。优选地，所述宽频磁场传感器为感应式磁场传感器或者磁通门式磁场传感器，所述宽频磁场传感器的数量也可以是I个、2个或3个，用于分别记录大地电磁场的一分量、二分量或3分量磁场数据；电场传感器也可以是三组正交的水平电极对，用于记录大地电磁场的三分量电场数据，三组正交的水平电极对同时连接到数据采集站I上。
[0022]如图2，该图示出了数据采集站I的功能结构图。数据采集站I包括电场数据采集通道、磁场数据采集通道、主控制器、采集软件和数据存储单元。主控制器将电场数据采集通道采集到的电场数据和磁场数据采集通道采集到的磁场数据存储到数据存储单元中。采集软件包括用户交互界面和操作面板，系统操作人员通过操作面板设置大地电磁数据采集系统的采集方式和采集时间，主控制器执行设置的采集方式和采集时间。采集方式在采集工作开始前由系统操作人员根据勘探项目的目的进行设置，采集软件有三种采集方式，对浅层勘探设置为I方式，采集高频或音频的大地电磁数据，采样率高，主要获得1Hz以上的高频数据，采集时间为2小时左右；对石油勘探设置为2方式，顺序采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据，即先采集低频的大地电磁数据，再用较高采样率采集高频或音频的大地电磁数据，主要获得0.0OlHz以上的宽频大地电磁数据，采集时间为8?12小时左右；对深部构造设置为3方式，采集低频的大地电磁数据，主要获得低至10_5Hz的数据，采集时间在5天以上。一般低频大地电磁信号的采集时间大约是高频或音频大地电磁信号采集时间的5?10倍。当采集方式设置为2方式时，通过预先的编程设置，采集软件读取数据存储单元中的低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据，经过运算和处理，采集软件再将这些数据合并在一个宽频大地电磁数据文件内，这些指令都是通过主控制器来完成的。由于低频大地电磁数据的高频端和高频或音频大地电磁数据的低频端之间有一小段重复的数据，即两个频段之间有一小段重复的频点，所述运算和处理的过程是将重复频段的数据取平均值后作为该频段的数据，并与其它的低频和高频或音频大地电磁数据一起合并成一个宽频大地电磁数据文件。采集时间由系统操作人员根据观测点的实际大地电磁场的信号特征和噪音水平，通过一次或数次采集试验工作后才能确定下来。采集方式和采集时间可以直接选定预先在系统中已经设置好的采集方式和采集时间，也可以直接在采集软件的操作面板上进行设置，还可以使用W1-Fi及蓝牙等方式将在远程终端中编程设定的采集方式和采集时间输入到大地电磁数据采集系统中。优选地，大地电磁数据采集系统可以有2或3个电场数据采集通道和3个磁场数据采集通道；相对应的，当有2个电场数据采集通道和3个磁场数据采集通道时，大地电磁数据采集系统是5通道电磁数据采集系统，当有3个电场数据采集通道和3个磁场数据采集通道时，大地电磁数据采集系统是6通道电磁数据采集系统；相对应的，数据存储单元由5或6个64GB容量的存储卡组成，对于每个电场和磁场数据采集通道，都有I个64GB容量的存储卡与之相连接，主控制器将采集到的低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据存储在每个数据采集通道板上的64GB容量的存储卡上。远程终端优选笔记本电脑或掌上电脑。
[0023]图3示出了数据采集站I的任一磁场通道连线示意图，图4示出了数据采集站I的任一电场通道连线示意图。每一个电场或磁场数据采集通道的输入端都有一个低噪音的前置放大器13，前置放大器13的输出端同时连接到两个不同频率的模数转换器件16、17，其中16是低频模数转换器件，用于采集低频的大地电磁数据；17是高频模数转换器件，用于采集高频或音频的大地电磁数据，模数转换器件16、17的输出端与数据采集站I的数据存储单元的64GB容量的存储卡18相连接。两种不同频率的模数转换器件之间的自动交替切换由数据采集站I的电子开关14、15控制。优选地，低频模数转换器件16为32位4000赫兹的模数转换器，高频模数转换器件17为24位50000赫兹以上的模数转换器。如图3所示，宽频磁场传感器12与前置放大器13相连接，宽频磁场传感器12测量到的大地磁场信号通过前置放大器13的输出端依次进入到低频模数转换器件16或高频模数转换器件17，最后存储到64GB容量的存储卡18上。宽频磁场传感器12可以是图1大地电磁数据采集系统中宽频磁场传感器9、10、11中的任意一个，并且宽频磁场传感器12的频带响应范围可以在低频的大地磁场和高频或音频的大地磁场的频带范围之间交替切换，即宽频磁场传感器12的频带响应范围有2个模式，模式I的频带响应范围覆盖低频的大地磁场，模式2的频带响应范围覆盖高频或音频的大地磁场，宽频磁场传感器12能够在模式I和模式2之间交替切换。如图4所示，不极化电极对19、20与前置放大器13相连接，不极化电极对19、20测量到的大地电场信号通过前置放大器13的输出端依次进入到低频模数转换器件16或高频模数转换器件17，最后存储到64GB容量的存储卡18上。图3a示出了宽频磁场传感器12的功能结构图(感应线圈之间的连接位置关系)。宽频磁场传感器12包括一个低频磁场传感器21和一个高频磁场传感器22，低频磁场传感器21的感应线圈和高频磁场传感器22的感应线圈共同绕制在同一根磁芯(未在图中示出)上。两个不同频率的磁场传感器的感应线圈之间的自动交替切换由数据采集站I的电子开关23控制。低频磁场传感器21和高频磁场传感器22封装为一根磁棒(一支磁场传感器)，宽频磁场传感器12的低频磁场传感器21和高频磁场传感器22封装后共用一个数据和供电源线接口(接头)。电子开关23与电子开关14、15通过主控制器同步受预先设定的数据采集软件的控制，实现同步交替切换，即大地电磁数据采集系统的电子开关同步控制低频模数转换器16和高频模数转换器17之间以及低频磁场传感器21和高频磁场传感器22之间的同步交替切换。即当数据采集站I采集低频的大地电磁数据时，所有的电场和磁场数据采集通道自动接通32位4000赫兹的低频模数转换器件16和低频磁场传感器21 ;当数据采集站I采集高频或音频的大地电磁数据时，所有的电场和磁场数据采集通道自动接通24位50000赫兹以上的高频模数转换器件17和高频磁场传感器22。优选地，电子开关14、15和23为可编程电子开关，通过软件控制来实现，也可以由软件定时控制硬件开关来实现。
[0024]由于宽频磁场传感器12的低频感应线圈和高频感应线圈共同绕制在同一根磁芯上，低频磁场传感器21和高频磁场传感器22封装为一根磁棒(一支磁场传感器)，共用一个数据和供电源线接口(接头)，并且两个感应线圈之间的切换由电子开关自动控制。因此宽频磁场传感器12的制造成本降低，并且在采集现场的工作可靠性获得提高，进而使得本申请实施例的大地电磁数据采集系统的数据采集效率得到极大提高，同时降低了数据采集设备的成本。
[0025]本实用新型实施例的大地电磁数据采集系统工作过程如下:
[0026]在采集工作开始前，需要确定大地电磁数据采集系统的采集时间、采集方式、采集参数。大地电磁数据采集系统在任一观测点采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据时，所需的采集时间由系统操作人员根据观测点的实际大地电磁场的信号特征和噪音水平，通过一次或数次采集试验工作后确定下来，并在数据采集工作开始前编程设定。采集方式在数据采集工作开始前由操作人员根据勘探项目的目的进行设置。采集参数包括观测点的三维地理坐标、磁场和电场通道数目、磁场和电场的方位角、电场通道的接地电阻、每个磁场传感器的型号和序列号、每个磁场传感器的标定文件名称、低频大地电磁信号和高频或音频大地电磁信号的具体采集起始时间和采集时长、天气情况、地面温度和观测点附近的干扰源等特征；采集参数由系统操作人员根据观测点的实际情况在现场进行确定，并用远程终端通过无线数据发送接收天线3进行设置。
[0027]在采集工作开始前，还需要先对系统进行初始化和自检，保证每个模块、每个数据通道、每对电场传感器和每个磁场传感器工作正常，然后设置或输入预先设计好的采集方式、采集时间和采集参数，最后才能启动数据采集工作。
[0028]在利用如图1所示的大地电磁数据采集系统采集数据时，用GPS接收天线2确定数据观测点的地理坐标和数据记录时间，用远程终端通过无线数据发送接收天线3设置数据采集站I的采集参数并实时监控大地电磁数据采集系统的工作状态；大地电磁数据采集系统的工作状态有3种:只采集固定时长的低频大地电磁信号；只采集固定时长的高频或音频大地电磁信号；顺序采集固定时长的低频大地电磁信号和固定时长的高频或音频大地电磁信号。无线数据发送接收天线3可以设置为W1-Fi或蓝牙模式。在数据采集站I附近地面安置两组或三组相互正交的水平电极对，用于记录大地电磁场的两分量或三分量电场数据；在采集站附近地面相互正交地安置I?3个频带响应范围能同时覆盖低频的大地磁场和高频或音频的大地磁场频带范围的宽频磁场传感器，用以记录大地电磁场的I?3分量磁场数据；将接地电极8接地。大地电磁数据采集系统根据设定的采集时间、采集方式和采集参数，自动采集并保存高频或音频的大地电磁数据、低频的大地电磁数据或者宽频的大地电磁数据。
[0029]本实用新型实施例的大地电磁数据采集系统，在同一个观测点，能够采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据，即采集宽频大地电磁数据，不需要更换磁场传感器和数据采集站，因而具有生产成本低、野外生产操作简单可靠、使用的仪器设备少等优点。本实用新型实施例的大地电磁数据采集系统还能够根据不同勘探项目的目的有选择的设置采集方式，提高了采集大地电磁数据的针对性和数据有效性，减少不必要数据的采集时间，提高了生产效率。最后，本实用新型实施例的大地电磁数据采集系统能够将采集到的低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据自动合并在一个宽频大地电磁数据文件内，宽频大地电磁数据的编辑、预处理、去噪、时间域到频率域的转换都在同一个数据文件内进行，不需要分别进行低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据两套数据的处理工作，因而极大地简化了数据处理工作，对这一宽频大地电磁数据的反演处理可以一次性获得地下岩石高分辨率的浅层和常规分辨率的深层电性参数和电性断面。
[0030]以上所述的【具体实施方式】，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种大地电磁数据采集系统，包括大地电磁数据采集站、磁场传感器和电场传感器，所述磁场传感器和所述电场传感器与所述大地电磁数据采集站相连接，其特征在于，所述磁场传感器是频带响应范围同时覆盖低频大地磁场和高频或音频大地磁场频带范围的宽频磁场传感器。2.如权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述宽频磁场传感器包括低频磁场传感器和高频或音频磁场传感器，所述低频磁场传感器和所述高频或音频磁场传感器之间的交替切换由第一电子开关控制。3.如权利要求2所述的采集系统，其特征在于，所述低频磁场传感器的感应线圈和所述高频磁场传感器的感应线圈或所述音频磁场传感器的感应线圈绕制在一根磁芯上。4.如权利要求3所述的采集系统，其特征在于，所述低频磁场传感器的感应线圈和所述高频磁场传感器的感应线圈或所述音频磁场传感器的感应线圈之间的交替切换由第一电子开关控制。5.如权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述宽频磁场传感器的频带响应范围为 0.0OOOIHz ?1000Hz06.如权利要求2所述的采集系统，其特征在于，所述大地电磁数据采集站包括电场数据采集通道和磁场数据采集通道，所述电场数据采集通道在低频大地电场和高频或音频大地电场之间交替切换，所述磁场数据采集通道在低频大地磁场和高频或音频大地磁场之间交替切换。7.如权利要求6所述的采集系统，其特征在于，所述电场数据采集通道和所述磁场数据采集通道包括低频模数转换器和高频模数转换器，所述电场数据采集通道的低频模数转换器和高频模数转换器之间的交替切换由第二电子开关控制，所述磁场数据采集通道的低频模数转换器和高频模数转换器之间的交替切换由第三电子开关控制。8.如权利要求7所述的采集系统，其特征在于，所述第一电子开关、所述第二电子开关和所述第三电子开关同步交替切换。9.如权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述采集系统有3种采集方式，采集方式I采集高频或音频大地电磁数据，采集方式2顺序采集低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据，采集方式3采集低频大地电磁数据。10.如权利要求9所述的采集系统，其特征在于，在所述采集方式2时，所述采集系统将低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据合并在一个宽频大地电磁数据文件内。11.如权利要求9或10所述的采集系统，其特征在于，所述采集方式I获得10赫兹以上的大地电磁数据，所述采集方式2获得0.001赫兹以上的大地电磁数据，所述采集方式3获得10_5赫兹以上的大地电磁数据。12.如权利要求7或8所述的采集系统，其特征在于，所述低频模数转换器是32位4000赫兹的低频模数转换器，所述高频模数转换器是24位50000赫兹以上的高频模数转换器。13.如权利要求1至10中任一权利要求所述的采集系统，其特征在于，所述宽频磁场传感器是感应式磁场传感器或磁通门式磁场传感器。14.如权利要求6、7或8所述的采集系统，其特征在于，所述采集系统是5通道或6通道大地电磁数据采集系统。15.如权利要求14所述的采集系统，其特征在于，所述采集系统包括:2或3个电场数据采集通道，3个磁场数据采集通道。16.如权利要求1至10中任一权利要求所述的采集系统，其特征在于，所述电场传感器是两组或三组正交的水平电极对。17.如权利要求1至10中任一权利要求所述的采集系统，其特征在于，所述宽频磁场传感器的数量是I?3个。18.如权利要求1至10中任一权利要求所述的采集系统，其特征在于，所述大地电磁数据采集站包括:GPS接收天线、无线数据发送接收天线和接地电极，所述GPS接收天线、所述无线数据发送接收天线和所述接地电极与所述大地电磁数据采集站相连接。
【文档编号】G01V3-08GK204287505SQ201420765580
【发明者】余刚, 何展翔, 孙卫斌 [申请人]中国石油天然气集团公司, 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司