用于数字化密集采样瞬变电磁仪的关断时间计算方法与流程

本发明具体涉及一种用于数字化密集采样瞬变电磁仪的关断时间计算方法。

背景技术：

随着经济技术的发展，国家对于地质科学、勘探等相关领域的重视程度也越来越高。地质勘探技术也得到了非常好的发展。

瞬变电磁法属时间域电磁法，该方法利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次电磁场的激励下，地下导体内部受感应产生涡旋电流，在一次脉冲磁场的间隙期间，涡流电流产生的二次磁场不会随一次场消失而立即消失(即有一个瞬变过程)，利用线圈或接地电极观测二次磁场，研究其与时间的变化关系，从而确定地下导体的电性分布结构及空间形态。

瞬变电磁仪中，电磁发射线圈常具有大电感、低电阻的特性，发射电流波形由于线圈自感耦合的作用，电流关断时间较长，在发射电流下降为零后，也会由于线圈自感和互感的作用，持续较长时间的振荡，关断时间和振荡时间会使瞬变电磁早期的信号失真，影响浅层地质信息的探测，形成盲区。而发射电流关断沿是否线性下降直接关系到瞬变电磁接收机接收到响应信号的质量和反演解释的准确性。

现阶段，判断瞬变电磁仪的关断时间的方法，一种是采用等效电路理论计算瞬变电磁关断时间；而在实际的测量和使用过程中，一般都是采用示波器测量的方法：当示波器中波形不再振荡时，或者降低至一定幅值百分比时，则可判断为瞬变电磁仪关断，并记录此时的关断时间。

但是，目前的对瞬变电磁仪的关断时间的判断方法，要么太过于理论化(第一种方法)，不仅模型复杂，且在现实应用时非常不切实际；要么太过于主观化和相对随意(第二种方法)，其记录的关断时间并不科学和可靠。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种科学可靠且简单易行的用于数字化密集采样瞬变电磁仪的关断时间计算方法。

本发明提供的这种用于数字化密集采样瞬变电磁仪的关断时间计算方法，包括如下步骤：

s1.密集采样瞬变电磁仪在发送波形时，停止对密集采样瞬变电磁仪供电，此时进入密集采样瞬变电磁仪的关断阶段；

s2.在关断阶段，利用密集采样瞬变电磁仪获取接收响应，并导出接收相应的时间-电压数据；

s3.对步骤s2得到的时间-电压数据进行平滑处理；

s4.对步骤s3得到的平滑后的时间-电压数据进行拟合，得到拟合算式；

s5.求取步骤s4得到的拟合算式的极大值，该极大值所对应的时间即为密集采样瞬变电磁仪的关断时间。

步骤s3所述的对时间-电压数据进行平滑处理，具体为采用五点三次平滑方法对数据进行平滑处理。

所述的对时间-电压数据进行平滑处理，具体为采用如下算式进行平滑处理：

vv(1)＝(69*v(1)+4*(v(2)+v(4))-6*v(3)-v(5))/70

vv(2)＝(2*(v(1)+v(5))+27*v(2)+12*v(3)-8*v(4))/35

vv(j)＝(-3*(v(j-2)+v(j+2))+12*(v(j-1)+v(j+1))+17*v(j))/35

vv(n-1)＝(2*(v(n)+v(n-4))+27*v(n-1)+12*v(n-2)-8*v(n-3))/35

vv(n)＝(69*v(n)+4*(v(n-1)+v(n-3))-6*v(n-2)-v(n-4))/70

式中vv(j)表示第j个平滑后的数据，j的取值范围为3～n-2；

步骤s4所述的对平滑后的时间-电压数据进行拟合，具体为采用如下规则进行拟合：

若被测区域为局部良性导体，则采用如下算式进行拟合：

式中g(t)为拟合后的算式，a1、b1、c1、a2、b2和c2均为待拟合的参数，t为时间；

若被测区域为层状导电大地，则采用如下算式进行拟合：

g(t)＝a0t^-m

式中g(t)为拟合后的算式，a0和m为待拟合的参数，t为时间。

本发明提供的这种用于数字化密集采样瞬变电磁仪的关断时间计算方法，通过获取密集采样瞬变电磁仪的接收响应的时间-电压数据，进行处理和拟合后，以拟合算式的极大值点所对应的时间点作为关断时间，使得本发明方法能够较为准确的获取密集采样瞬变电磁仪的关断时间，而且本发明方法简单易行，科学可靠。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程图。

图2为本发明方法的密集采样瞬变电磁仪的关断时间曲线示意图。

图3为本发明方法的感应电流的时间特性曲线示意图。

图4为本发明方法的实施例在瞬变电磁接收响应/拟合曲线拐点为70.4us的拟合曲线示意图。

图5为本发明方法的实施例在瞬变电磁接收响应/拟合曲线拐点为73.6us的拟合曲线示意图。

图6为本发明方法的实施例在瞬变电磁接收响应/拟合曲线拐点为76.8us的拟合曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程图：本发明提供的这种用于数字化密集采样瞬变电磁仪的关断时间计算方法，包括如下步骤：

s1.密集采样瞬变电磁仪在发送波形时，停止对密集采样瞬变电磁仪供电，此时进入密集采样瞬变电磁仪的关断阶段；

s2.在关断阶段，利用密集采样瞬变电磁仪获取接收响应，并导出接收相应的时间-电压数据；

s3.对步骤s2得到的时间-电压数据进行平滑处理；

在具体实施时，可以采用五点三次平滑方法对数据进行平滑处理，具体为采用如下算式进行平滑处理：

vv(1)＝(69*v(1)+4*(v(2)+v(4))-6*v(3)-v(5))/70

vv(2)＝(2*(v(1)+v(5))+27*v(2)+12*v(3)-8*v(4))/35

vv(j)＝(-3*(v(j-2)+v(j+2))+12*(v(j-1)+v(j+1))+17*v(j))/35

vv(n-1)＝(2*(v(n)+v(n-4))+27*v(n-1)+12*v(n-2)-8*v(n-3))/35

vv(n)＝(69*v(n)+4*(v(n-1)+v(n-3))-6*v(n-2)-v(n-4))/70

式中vv(j)表示第j个平滑后的数据，j的取值范围为3～n-2；

在计算时，可以采用如下编程语言进行计算：

s4.对步骤s3得到的平滑后的时间-电压数据进行拟合，得到拟合算式；具体为采用如下规则进行拟合：

若被测目标为局部良导体，则采用如下算式进行拟合：

式中g(t)为拟合后的算式，a1、b1、c1、a2、b2和c2均为待拟合的参数，t为时间；

若被测区域为层状导电大地，则采用如下算式进行拟合：

g(t)＝a0t^-m

式中g(t)为拟合后的算式，a0和m为待拟合的参数，t为时间；

步骤s3得到的平滑后的时间-电压数据为已知量，再通过采用步骤s4的规则对算式进行拟合，求取相应的a1、b1、c1、a2、b2和c2，或者a0和m，从而计算得到完成的拟合算式；

s5.求取步骤s4得到的拟合算式的极大值，该极大值所对应的时间即为密集采样瞬变电磁仪的关断时间。

当前对关断时间的采集方法是全程观测发送电流波形，当电流幅值降低至一定幅值百分比且不再振荡时判断为关断时间。如图1，当电流幅值降低至一定幅值百分比且不再振荡时判断为关断时间约为75us。本方法则为在测量瞬变电磁接收响应的同时测量关断时间，从瞬变电磁接收响应中判断出大致的关断时间。

由于在关断初期，一次场信号与二次场信号始终混叠无法分离，根据时间域电磁特性，在关断期间，占主导地位的是一次场信号，一次场信号与二次场信号符号相反，二次场在关断期间逐渐增大，使实测的接收响应小于一次场信号，在完全关断时一次场信号完全消失，由于感应电流的热损耗，二次场逐渐减小，即在完全关断时接收响应会出现一个极大值。

如图2所示，在理想情况下有限良导体等效回路中的感应电流表达式为：

式中，tof为关断时间，为切割一次场的磁通量；l为等效电感，τ为等效时间常数(τ＝l/r，r为等效电阻)

由感应电流的时间特性曲线可知，在tof时间内，感应电流逐渐增大，在t＝tof时达到极大值，随后按指数规律衰减，即感应电流在完全关断时有一个极大值。

以局部良导体实测数据为例，为获得关断时间时响应的最大值，对响应数据进行拟合，第一步导入电压-时间数据，分别以10为底取对数获得新的数据，第二步以新数据为基础作图，最后使用进行分步指数拟合得：

其中，tmax为分布拐点，将实测数据中的极大值设为初始拐点。

当关断时仪器接收响应，其中可以判断10us前的数据是由于不稳定振荡导致的，所以理应舍弃。如图4～6所示为瞬变电磁接收响应曲线及其拟合曲线，分别以70.4us、73.6us、76.8us为拟合拐点，分别分步指数拟合得：

拟合计算可得极大值点，拟合拐点为70.4us的拟合曲线极大值坐标为(1.876，-1.185)，拟合拐点为73.6us的拟合曲线极大值坐标为(1.876，-1.174)，拟合拐点为76.8us的拟合曲线极大值坐标为(1.870，-1.163)，则变换对应时间分别为：拟合拐点为70.4us时关断时间为75.16us、拟合拐点为73.6us时关断时间为75.16us、拟合拐点为76.8us时关断时间为74.13us；实际数据极大值坐标为(1.867，-1.045)，变换对应关断时间为73.62us。本发明方法拟合的关断时间与全程观测发射电流判断的关断时间(75us)更接近。