一种新型的阵列式瞬变电磁探测系统和探测方法与流程

本发明涉及瞬变电磁地下探测技术领域，具体来讲为一种新型的阵列式瞬变电磁探测系统和探测方法。

背景技术：

目前，传统的地面瞬变电磁发射系统使用单一线圈进行发射，存在两点主要问题：首先激发场不够均匀，探测尺寸与线圈的直径密切相关，不提高发射线圈的直径无法显著提升激发深度。其次使用大线圈会导致线圈的电感较大，不利于瞬变电磁信号的产生。因此，研究能够用较小的尺寸达到较大的激发深度，同时降低线圈电感产生质量更好的瞬变电磁激发信号是十分有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种新型的阵列式瞬变电磁探测系统和探测方法，能够有效减小单个线圈直径并提升激发深度的方法。

本发明是这样实现的，一种新型的阵列式瞬变电磁探测系统，该系统包括：

发射电路、接收电路以及工控机；

所述发射电路包括：阵列式排列的四个发射线圈，以及平均分配流向四个发射线圈，保证四个发射线圈的电流波形和幅度相同的均流控制器；

所述接收电路包括接收线圈，放置于发射线圈阵列的几何中心，同时接收由四个阵列式发射线圈激发磁场产生的二次场；

所述工况机用于控制发射电路发射电流以及根据采集的发射电流控制发射电路平均分配流向四个发射线圈电流，保证电流波形和幅度的一致。

进一步地，所述发射电路还包括：时序控制电路，igbt驱动以及igbth桥，

时序控制电路，控制整个系统的工作时序，包括发射线圈的发射时序，采集的触发时序，从工控机接收发射频率控制字，控制触发频率；

igbt驱动模块接收来自时序控制电路的控制信号，完成电平转换，驱动igbt-h桥进行发射，通过均流控制器平均分配由igbt-h桥发出，流向大小一致的四个发射线圈的电流。

进一步地，所述接收电路还包括：

电流采样电路，数据采集卡，接收线圈，前置放大器，以及信号调理电路；其中，

电流采样电路，用于采集四个发射线圈的发射电流，传递至数据采集卡，通过所述数据采集卡；

前置放大器，将接收线圈的信号进行初步放大通过信号调理电路被数据采集卡采集。

进一步地，接收线圈放置于发射线圈阵列的几何中心，同时接收由四个阵列式发射线圈激发磁场产生的二次场。

进一步地，所述发射线圈为四个边长为一米的多匝正方形线圈，相邻发射线圈之间的间距为2-5cm。

进一步地，所述接收线圈为一个直径10-15cm的圆形接收线圈或边长为10-15cm的方型接收线圈，放置于发射线圈阵列的几何中心。

进一步地，所述工控机对四个线圈流过的电流进行比对，如果波形一致，则进入接收过程，如果电流一致性不能达到要求，则返回均流器重新调整均流参数，直至达到一致进行发射。

一种阵列式瞬变电磁探测方法，包括如下的步骤：

s01，在待测区域的平面上阵列式布置四个直径一米的发射线圈，接着在发射线圈的几何中心铺设接收线圈，线圈布设完毕后连接阵列式瞬变电磁系统与发射线圈，进入探测过程；

s02，根据探测需求设置发发射电流，经工控机发送给工控机的逻辑控制单元，由逻辑控制单元解算后输出驱动信号至igbt驱动；

s03，igbt驱动完成电平转换后驱动igbt-h桥经均流控制器后进行发射；

s04，发射线圈发射电流经均流控制器采样；

s05，对四个发射线圈流过的电流进行比对，如果波形一致，则进入接收过程，如果电流一致性不能达到要求，则返回均流控制器重新调整均流参数，直至达到一致进行发射。

s06，地下介质经过一次场激发后，产生二次场被接收线圈捕获，经过一系列放大器，最终将采集的数据传送到信号采集卡，信号采集卡将接收到的信号按照指定格式封包，发送到工控机。

s07，工控机保存数据并判断是否结束探测，如果未结束则从s03开始重复发射接收过程，否则结束采集。

进一步地，发射线圈为四个边长为一米的多匝正方形线圈，发射线圈之间的间距为2-5cm，呈“田”字形分布。

进一步地，所述接收线圈为一个直径10-15cm的圆形接收线圈或边长为10-15cm的方接收线圈，放置于发射线圈阵列的几何中心。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1)本发明提供的阵列式发射方法有效的解决了激发深度和线圈直径的矛盾，利用多个小型线圈的叠加，提供了强度更大，更均匀的激发一次场，有利于提升探测信号的质量。

(2)本发明提供的阵列式发射方法有效的解决了由于大尺寸线圈电感量大引起的关断时间长导致的探测盲区大的问题，使用小尺寸的线圈有效的将电感分布在各个线圈中，有利于减小关断时间，进而减小探测盲区。

(3)本发明提供的阵列式瞬变电磁探测系统和探测方法，采用多级硬件放大，有效的提升了信号的强度，不必采用高转换位数的a/d采集卡，降低了成本；

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为一种新型的阵列式瞬变电磁探测系统结构框图；

图2为一种新型的阵列式瞬变电磁探测方法流程图；

图3为一种新型的阵列式瞬变电磁接收线圈信号调理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1示出了本发明一实施例的一种新型的阵列式瞬变电磁探测系统示意框图；系统包括：时序控制电路，igbt驱动，igbt-h桥，均流控制器，第一发射线圈，第二发射线圈，第三发射线圈，第四发射线圈，电流采样电路，数据采集卡，接收线圈，前置放大器，信号调理电路，工控机。

其中，在连接关系上时序控制电路1经igbt驱动2与igbt-h桥3连接，igbt-h桥3经均流控制器4分别与第一发射线圈5、第二发射线圈6、第三发射线圈7、第四发射线圈8连接。第一发射线圈5、第二发射线圈6、第三发射线圈7、第四发射线圈8经过电流采样电路12与数据采集卡13连接。接收线圈9接收信号经前置放大器10经信号调理电路11与信号采集卡13连接。发射电流采样电路与信号调理电路11连接后经数据采集卡13与工控机连接。时序控制电路1与工控机连接14连接组成整个系统。

时序控制电路1，控制整个系统的工作时序，包括发射线圈的发射时序，数据采集卡的触发时序。完成相关信息的解析：从工控机接收发射频率控制字，控制触发频率；

igbt驱动2模块接收来自时序控制电路的控制信号，完成电平转换，驱动igbt-h桥3进行发射；

均流控制器4是用于平均分配由igbt-h桥3发出、流向四个发射线圈的电流，由于线圈不可避免的存在差异性，因此需要经过均流器保持各个线圈发射电流波形和幅度一致；

在一个实施例中，所述的第一发射线圈5、第二发射线圈6、第三发射线圈7、第四发射线圈8是四个边长为一米的多匝正方形线圈。发射线圈之间的间距为2-5cm，通过线圈阵列将电磁场发射到待探测的空间，完成激发；但发射线圈的形状不限于此，也可以为长方形、圆形或者其他的根据地形设置的形状。

电流采样电路12是用于采集四个发射线圈的发射电流，包含波形的大小、形状，为日后的数据反演工作提供数据，电流采样电路12将电流信号转化为电压信号，便于数据采集卡13采集；

在一个实施例中，接收线圈9是一个的直径10cm的接收线圈，放置于发射线圈阵列的几何中心，接收线圈9有部分面积与发射线圈重叠。其主要功能是同时接收由四个阵列式线圈激发磁场产生的二次场；

前置放大器10是由低噪声运放构成的差分放大器，使用这种结构能有效压制共模噪声，前置放大器将接收线圈的信号进行初步放大以提升信号的健壮性。

信号调理电路11由低通滤波器15和二级放大器16组成，低通滤波器主要用于压制高频的无用信号，提升了信噪比，二级放大器主要用于进一步将信号放大有利于信号采集卡13进行采集；

数据采集卡13将采集由发射电流采样电路采样得到的发射电流以及由信号调理电路提供的接收线圈的接收信号并按照指定的格式进行封包上传至工控机14；

工控机14将各种信号汇总，包括保存发射电流、保存接收信号、保存当前的额发射参数，存储在硬盘中以供反演地下结构使用。

本发明还提供了一种基于阵列式发射线圈的瞬变电磁探测方法，具体实施步骤如下：

s01，在待测区域的平面上布置四个边长一米的方形发射线圈，线圈之间间距2-5cm，呈“田”字形分布，优选为2cm。接着在发射线圈的几何中心铺设接收线圈，直径10-15cm的圆形接收线圈，优选为10cm。线圈布设完毕后连接阵列式瞬变电磁系统与发射线圈，进入探测过程；

s02，首先根据探测需求设置发发射电流，经工控机发送给逻辑控制单元，由逻辑控制单元解算后输出驱动信号至igbt驱动；

s03，igbt驱动完成电平转换后驱动igbt-h桥经均流器后进行发射；

s04，发射线圈发射电流经均流控制器采样；

s05，对四个发射线圈流过的电流进行比对，如果波形一致，则进入接收过程，如果电流一致性不能达到要求，则返回均流控制器重新调整均流参数，直至达到一致进行发射。

s06，地下介质经过一次场激发后，产生二次场被接收线圈捕获，经过一系列放大器，最终将采集的数据传送到信号采集卡，信号采集卡将接收到的信号按照指定格式封包，发送到上位机。

s07，工控机保存数据并判断是否结束探测，如果未结束则从s03开始重复发射接收过程，否则结束采集。