收集和发射控制源电磁信号的制作方法
【专利摘要】同时测量、相关以及处理磁场和电场包括测量基带信号，然后将那些基带信号上转换至更高频率以进行滤波，同时保存相位和幅度信息。系统中所有的定时元件严格地同步。增加的数据集提高了信噪比和信息相关性。
【专利说明】收集和发射控制源电磁信号
【技术领域】
[0001]本发明涉及地球物理勘探的设备和方法，更具体地，涉及通常与控制源电磁(“CSEM，，，Control Source Electromagnetic)和磁扭转(“MT，，，Magnetoturelic)信号的数据收集相关联的噪声去除。
[0002]【背景技术】(包括根据37CFR1.97和1.98公开的信息)
[0003]存在许多与电磁勘测相关的美国专利和专利申请。一些比较相关的专利和专利申请似乎是如下:用于宽带电磁全息成像的6，253，100 ;用于获取瞬变电磁勘测数据的7，203，599 ;用于油气藏的电磁勘测的7，337, 064 ;用于油气藏的电磁勘测的7，483，792 ；在获取t-CSEM数据时使用时间-距离特性的7，502, 690 ;用于电磁勘测的7，565，245 ;用于利用多发射机的受控源电磁勘测的7，805，249 ;用于从电磁勘测数据去除空气波噪声的7，822，562 ;用于在获取T-CSEM数据时使用时间-距离特性的7，941，273 ;用于油气藏的电磁勘测的20080105425 ;用于对电磁数据进行时延分析的20090005994 ;用于对电磁勘测数据空间滤波的20090005997 ;用于补偿电磁数据的20090067546 ;用于实时监测由电磁勘测所发射的波形的20090072831 ;用于电磁勘测的20090082970 ;用于受控源电磁勘测数据的小波去噪的20090103395 ;用于利用多发射机的受控源电磁勘测的20090120636 ;用于电磁数据处理系统的20090126939 ;用于在获取T-CSEM数据时使用时间-距离特性的20090204330 ;用于海洋电磁信号的信号处理的20090265111 ;用于通过采样其它频率的噪声来估计在一个频率的噪声的20090276189 ;用于通过测量系统信号抑制的CSEM数据反演的20100018719 ;用于受控源电磁勘察勘测的20100065266 ;用于校正电磁数据的相位的20100176791 ;用于通过四维并行计算来电磁成像的20100224362 ;用于通过主动消除的电磁空气波抑制的20100233955 ;用于检测海相沉积的20110013481 ;以及用于电磁勘探的波形设计的20110087435。所有这些专利和专利申请通过引用结合在本文中。
[0004]存在如下的几项技术，这些技术试图从CSEM系统中的所需要的信号中去除空气波噪声和其它噪声源。这些技术包括有源滤波、诸如格雷编码的信号编码、以及对不同频率的噪声进行评估和去除。另外，直到最近，通过将所接收的要素与噪声源物理上隔离(通过淹没在海洋环境中，从而使用水作为空气波信号滤波器)来使所有这些技术获得补充。这些方法表现在上面列出的美国专利申请2009/0204330、2009/0265111、2009/0276189、2011/0013481 以及美国专利 7，822，562 中。
[0005]这些技术的主要问题是它们不能成功地滤去同频噪声，这是因为所需要的频率非常接近噪声的频率，即，通常在50与60赫兹之间(50-60HZ)。
[0006]另外，为了在地表操作，存在更多噪声源和噪声放大，诸如，铁路线、管线以及铁丝网栅栏，即，铁质的且长的任何东西。对这些噪声问题的通常解决方案是在执行CSEM勘测之前勘测这些区域，并且从数据中去除已知的异常。在预勘测中可能遗漏一些项，从而在数据中造成意外的噪声，因此降低了研究的圈定和深度。执行CSEM勘测的本领域的技术人员会认识到这样的问题:在利用现有系统来进行基于地表的测量时，会造成不受控噪声。在美国专利7，203，599中描述了用于勘测的CSEM的使用。[0007]鉴于前面的问题，需要一种降低噪声并且提高分辨率的使地下结构可视化的系统和方法。
【发明内容】
[0008]本发明通过降低噪声并且提高分辨率来改进处于静态的地下结构的可视化。利用与高级噪声滤波技术结合的高速数据获取技术的E和Η场数据的多个同步通道和相位数据的更精确确定允许在CSEM操作中以更深的深度和更精细的腔(bin)分辨率来快速解释2D、3D以及4D数据。
[0009]本发明的接收机系统能够检测由从结构去除流体或气体或者在压裂作业过程中在压力下施加流体和支撑剂所造成的瞬时状态。
[0010]本发明获得差分信号并且将该差分信号上转换至更高频率，在该更高频率应用RF噪声滤波技术，并且保存来自原始信号的相位和幅度信息二者。本发明的技术允许软件来控制系统收集数据所在的频率以及放弃数据的频率。本发明的方法包括具有低相位抖动的源时钟以及将发射机系统与接收机系统同步的方法。另外，本发明实现了一种用于获得感应的磁场数据的在结构数据中产生改进的粒度(granu 1 arity )的改进方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1A描绘了以接收机的矩阵形式的接收机布局。
[0012]图1B描述了以接收机的列形式的可替代的接收机布局。
[0013]图2是接收机系统内所包含的模块的框图。
[0014]图3是接收机系统的电场部的框图。
[0015]图4是接收机系统的磁场部的框图。
[0016]图5是接收机系统的定时器模块的框图。
[0017]图6是接收机系统的控制模块的框图。
[0018]图7是本发明的方法的逻辑的流程图。
[0019]图8是发射机系统内所包含的模块的框图。
[0020]图9是发射机系统的发射和调制控制模块的框图。
[0021]在这些图中，附图标记最左边的有效数字(多个有效数字)表示各个附图标记第一次出现的图。
【具体实施方式】
[0022]在优选实施例中，多个接收机布置为收集用于生成地下结构内的物理特征的图像的数据。接收机系统测量CSEM发射机脉冲在打入地面的至少两个间隔很大的电极之间所引起的地表电流与衰变的电场信号的电势差。另外，接收机测量CSEM发射机引起的激励所造成的磁场。发射机系统生成相位与接收系统同步的精确控制的高功率发射波形。
[0023]参考图1A，在优选实施例中，多个时间同步接收机系统100装配为所图示的100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h 以及 lOOi,以在井口 103 周围或者偏离井口 103 处形成接收机矩阵101。在通常的设置中，接收机矩阵101在一平方公里的区域106上延伸。可以使用任意数量的接收机系统100来形成矩阵101。CSEM发射机102根据用于多个地下结构104的CSEM勘测的要求来放置，并且离接收机矩阵101的中间的距离107大于500米，以确保CSEM发射机102偏离接收机矩阵101。熟悉CSEM勘测实践的技术人员能够理解CSEM勘测的要求。
[0024]现在参考图1B，可选实施例允许装配多个时间同步接收机系统100，以形成图示为100a、IOOb以及IOOc的接收机列105。在通常的设置中，接收机列105延伸超过IKM的距离108并且CSEM发射机102放置在离接收机列105约500米的距离109处。在另一可选实施例中，至少一个接收机列105在已经接收并且收集每组数据之后与重定位接收机矩阵100的动作一起使用。本发明的方法的所有实施例包括接收机系统100相对于彼此以及CSEM发射机102来准确定位的步骤。该步骤示出为图7中的步骤725。
[0025]现在参考图2，接收机系统100包括几个子系统和传感器组。在优选实施例中，双极接收机200包含电极201和202。磁场环形天线205连接至电子装配件210。电子装配件210包括电场输入滤波器卡215、地表电流检测器电路220、双通道软件限定接收机(SDR，Software Defined Receiver) 225、磁场输入滤波器卡230、磁点电位电路235、磁强计卡(MC, Magnetometer Card) 240、定时模块(TM, Timing Module) 245、控件、数字存储器以及通信模块250、GPS模块255以及电源模块260。
[0026]现在参考图3，在优选实施例中，对于每个接收机系统100，两个电极201和202间隔很远并且插入陆地的地表中。双极接收机200接收由同步发射机脉冲引起的电场。电极201和202电连接到电子装配件210中的一对信号输入300a和300b。一对信号ESl和ES2通过电极201和202来接收并且传递至E场输入滤波器卡215。共模放大器305接收信号ESl和ES2并且在输出310处输出差分信号ES3。输出310电连接至电力线滤波器315。可选地通过连接至继电器开关320的用户启动的开关302可以将电力线滤波器315从电路中去除。电力线滤波器315的输出电连接至SDR225的输入通道。可选地，共模放大器305的输出310绕开电力线滤波器315并且电连接至SDR225的通道。
[0027]输出310电连接至地表电流检测器电路220，因此在输出310处的ES3信号穿过低通滤波器322和放大器324。在输出325处的输出信号ES6是地表直流电(DC)。输出325电连接至图6中所示的24位模数转换器(ADC, analog-to-digital converter) 600。
[0028]差分信号ES3在输入端323处(也称为实际混频器电路330的“端口 A”)被提供到SDR225的通道225a。差分信号ES3传递至高动态范围混频器电路330的电容耦合输入端327。在优选实施例中，混频器电路330是由“MiniCircuits in Brooklyn, New York”制造的 “MiniCircuits Model SBL-1A+ (DC-lOOMHz 版本)”。
[0029]输入端326 (也称为实际MiniCircuits混频器电路330的“端口 B”)供给有从定时模块245中的高稳定源所产生的25dbm信号515a。信号515a的频率由在控件、数字存储器以及通信模块250中的微处理器中执行的软件来控制。信号515a的频率可设置为大范围频率中的任何一个频率。在本发明的优选实施例中，该频率设置为9MHz。
[0030]进入信号ES3的频率通过混频器电路330上转换。混频器电路330的输出电连接至40db增益IF放大器335。IF放大器335的输出340电连接至科恩(Cohn)滤波器和分向滤波电路345的组合的输入。分向滤波电路有助于匹配和最小化相位失真。在优选实施例中，科恩滤波器设计是由“Clifton Laboratories, Clifton, VA”出售的一种设计,并且能够为熟悉RF滤波器设计的技术人员所理解。在可选实施例中，在科恩滤波器和分向滤波电路345中的科恩滤波器可以由可数控的任何RF带通滤波器来替代。
[0031]科恩滤波器和分向滤波电路345的输出具有信号ES5。科恩滤波器和分向滤波电路345的输出电连接至低噪声中频(IF)放大器350。在优选实施例中，放大器350是由“Analog Device Inc, Norwood, MA02062-9106” 制造的模拟器件 AD9855。在 IF 放大器 350级中的信号ES5的放大是12db，并且该放大设计为重新获得由科恩滤波器和分向滤波电路345引起的信号损耗。
[0032]IF放大器350的输出电连接至增强型泰洛检测器(ETD，Enhanced Tayloedetector)电路355的输入。在至ETD电路355的输入处，信号耦接至功率分配器355a。功率分配器355a使分别电连接至两个分开的泰洛检测器电路355d和355e的两个输出355b和355c电隔离。泰洛检测器电路355d和355e利用CMOS兀件来实现。为了从同一输入信号ES5分开同相和正交信号，利用两个独立的泰洛检测器电路355d和355e来降低两个输出360和365之间的串扰和信号噪声。
[0033]泰洛检测器电路355d和355e分别被馈送两个8，999，000Hz时钟信号、同相时钟信号515a以及不同相正交时钟信号515b (图5中仅不出了信号515a和515b)。信号515a和515b从定时模块600 (图6中所示)中的同一源生成，并且相移相隔90度。泰洛检测器电路355d和355e在0.01Hz与50KHz之间的频率分别生成出现在355f的同相信号Ei和出现在355g的正交信号Eq。同相信号355f包含在输出310处的原始电磁场信号ES3的幅度信息，而正交信号355g包含在输出310处的原始电磁场信号ES3的相位信息。
[0034]超外差射频(RF, radio frequency)设计领域中的技术人员能够理解增强型泰洛检测器电路355。
[0035]在355f出现的信号Ei和在355g出现的Eq分别传递至带通分向滤波网络355h和355i。带通分向滤波网络的输出360和365分别均通过低噪声放大器362和367来缓冲。低噪声放大器362和367分别输出均传递至控制模块250的一对信号370和375。熟悉RF无线电设计领域的技术人员能够理解带通分向滤波网络355h和355i。在优选实施例中，分向滤波设计在业余短波无线电爱好者(Amateur and Short Wave Radio Experimenter)的网站中。
[0036]表示随着时间而变化的在370出现的信号E1、在375出现的信号Eq以及在325出现的信号ES6的瞬时值的三股数字数据存储在控制模块250中的大容量存储器615中。该数据以工业标准SEG-D格式存储。
[0037]现在参考图4，在优选实施例中，Η场检测器包括环形天线205、滤波器卡230、磁点电位电路235、SDR225的第二通道225b以及磁强计卡240。
[0038]来自磁场环形天线205的信号HS1和HS2出现在输入400a和400b处。输入400a和400b连接至Η场滤波器卡230。Η场滤波器卡230的输出电连接至SDR225的通道255b。SDR225的第二通道225b具有传递至控制模块250的两个输出信号，出现在470的Hi和出现在475的Hq。
[0039]图4中所描绘的块230、225b，增强型泰洛检测器(Enhanced Tayloedetector, ETD)电路455以及235内的电路元件和子元件以及所描绘子元件400a、400b、405、410、415、420、422、424、426、430、435、440、445、450、455a、455b、455c、455d、455e、455f、455g、455h、4551、460、465、462、467、470、423、427 以及 425 的装配、目的和操作与分别在图3中的那些元件215、225a、335以及220，以及所描绘的子元件300a、300b、305、310、315、320、323、327、326、330、335、340、345、350、355a、355b、355c、355d、355e、355f、355g、355h、3551、360、365、362、367、270、375、322、324 以及 325 相同，如图 3 的描述中记载的那样。
[0040]在可选实施例中，环形天线205中的线圈由螺线管来代替。螺线管是具有大量林茨线(Linz wire)绕组的线绕磁芯,并且是中心抽头的。
[0041]信号620a (参见图6)传递至缓冲器460并且传递至场失效线圈487。信号620a可从数模转换器620 (参见图6)的输出或者电位计得出并且用于使来自磁强计的局部磁场失效。
[0042]X轴磁强计485上的至少一个输出可稱接至磁强计卡240的三个输入中的至少一个输入。正如在CSEM系统中普遍的，本地环境场效应通过场线圈487来抵消。在优选实施例中，X轴磁强计485设计为检测与地球的地表平行的场。磁强计输出中的至少一个输出耦合至η分频(divide-by-n)计数器495。η分频计数器495的输出传递至控制模块250中的微处理器中的捕获和比较输入。
[0043]在470处的H1、在475处的Hq、在425处的HS6以及在498处的Mxl的四个信号传递至控制模块250。表示信号H1、Hq、Hs4以及Mxl的信号随时间变化的瞬态值的四股数字数据存储至控制模块250中的大容量存储器615中。数据以工业标准SEG-D格式存储。
[0044]参考图5，定时模块245接收至少一个低漂移、相位准确的定时信号。在优选实施例中，主时钟源于400MHz振荡器500。在优选实施例中，该振荡器是由“Phoenix，AZ的OnSemiconductor” 制造的精度选为 20ppm 的 “NBXSBB023400MHz LVPECL” 时钟振荡器。
[0045]400MHz 振荡器 500 与复杂可编程逻辑器件(CPLD, Complex Programmable LogicDevice) 505连接。信号分频降为50MHz时钟信号505a和27MHz时钟信号505b。在优选实施例中，CPLD505 是由 “Xilinx，Inc.2100Logic Drive, San Jose, CA95124U.S.A” 制造的“Xilinx3C256CPLD”。CPLD505部分地编程为分频器，并且通过控制总线605a (图6中所示)受控于控制模块250。50MHz时钟信号505a耦接至直接数字合成(DDS，Direct DigitalSynthesis)器件 515(由“Norwood MA, USA 的 Analog Devices Inc”制造的半导体 AD9958)。DDS器件515用于生成两个时钟信号。第一个时钟信号与400MHz振荡器500同相，并且是同相时钟信号515a。第二个时钟信号的相位相对于400MHz振荡器500的相位偏移90度，并且是不同相时钟信号515b。同相时钟信号515a和不同相时钟信号515b馈送至增强型泰洛电路355和455。另外，同相时钟信号馈送至混频器电路330和430。27MHz时钟信号505a供给至ADC600 (图6中示出)。
[0046]CPLD505通过来自GPS模块525的同步脉冲525a与其它接收机系统100同步。执行接收机系统定位和同步的一个示例性设备是由“Richmond Ontario Canada的LaipacTech”制造的PGll全球定位系统接收机。利用结合有卫星延迟距离补偿的GPS模块525的同步脉冲的CPLD505的同步提供了一种使CSEM设置中所有的接收机和发射机完全同步的方法。
[0047]另外，GPS串行数据流525b传递至用于存储位置信息的控制模块250。
[0048]在可选实施例中，400MHz振荡器电路500输入低抖动、低相位噪声时钟分配半导体(CDS, clock distribution semiconductor)。CDS 生成用于 ADC600 的 27MHz 时钟 505a和用于DDS器件515的50MHz时钟505b。在优选实施例中，CDS是由“Analog Device Inc,Norwood MN U.S.A.” 制造的 AD9521。
[0049]在另一可选实施例中，主时钟是铷原子时钟。在另一可选实施例中，同步也可以通过图6中所示的定时模块605来实现。
[0050]参考图6，控制模块250接收来自E地表电流检测器电路220、磁点电位电路235以及两个通道SDR225的多个信号602。信号602穿过用于限制至ADC600的输入的幅度的多个限幅电路625。ADC600可以在从每秒3.0K个米样(samples per second, sps)至255Ksps的任意速率下来对进入信号进行采样。ADC600允许数据流的相当大的过采样。在优选实施例中，ADC600 是由 “Analog Device Inc, Norwood, MN” 制造的 AD1278。
[0051]限幅电路625通过来自微处理器605的信号630来同步，该限幅电路使用来自磁强计卡240的数据来检测空气波。来自磁强计卡240的信号使限幅电路625衰减所接收的信号602直到空气波已经消逝为止。信号602传递进ADC600并且转换为传递至微处理器605的数字数据流。在优选实施例中，微控制器605是由“San Jose，CA的Atmel”制造的AVR32。
[0052]微处理器605移动来自ADC600的数据流并且将该数据流存储在大容量存储器615。微处理器也接收来自GPS串行数据流525b的位置信息并且将该数据存储在大容量存储器615中。
[0053]通信模块610连接至用户界面(UI, user interface) 625。UI625可用于调节和控制接收机系统100的各方面操作。在优选实施例中，UI625包括显示器和用户输入装置。在UI625的可选实施例中，输入通过一系列的开关和电位计来实现。
[0054]数模转换器(DAC, Digital to Analog Converter) 620在微处理器的控制下输出变化的信号直到环境磁场在X轴磁强计485中等于零为止。
[0055]参考图7，在微处理器605上执行软件控制程序700。软件控制程序700包括能够通过来自用户界面(UI)625的输入进行控制或调节的一系列步骤。软件控制程序700在步骤705从Π625的前面板读取输入设置，并且将该设置保存至大容量存储器615。输入设置通过设置同相时钟信号515a的上转换频率、同相时钟信号515a的下转换频率以及增强型泰洛检测器355和455的正交时钟信号515b来限定SDR225。设置上转换频率和下转换频率的组合生成具有软件控制的中心频率的精确的软件限定的带通滤波器。
[0056]在步骤710中，软件控制程序700对闪存文件进行初始化。步骤715使磁强计485归一化为线性操作区。步骤720等待要检测的空气波。一旦已经检测到空气波，则步骤725利用GPS模块525同步脉冲525a在精确的开始时间启动DDS器件515和CPLD505。
[0057]在步骤730，将ADC600数据速率最初设置为190KHz，并且启动ADC600。在步骤735，在来自ADC600的中断转换终止时，处理器读取ADC600数据。在步骤740，该数据以标准格式存储至大容量存储器。在步骤745，更新用户界面显示，并且通过通信模块610来进行任何所需的数据传输。
[0058]系统返回至步骤735，以等待来自ADC600的下一中断转换终止。该系统在循环750中持续直到所有数据收集并且存储进大容量存储器615为止。在可选实施例中，步骤705包括经由UI625附加输入SDR225在数据收集期间将迅速扫过的预定频率范围。
[0059]现在参考图8，发射机系统102被提供有在5至100千瓦的范围中的输入功率800。发射机系统包含多个高压恒流电源805，在优选实施例中，该电源是由“AMETEKProgrammable Power, Inc.- San Diego Brown Deer Road San Diego, CA92I2I，，制造并且销售的“Sorensen SG16000/33E”。经调节的正电力输出805b传递至发射和调制控制模块810。经调节的负电力输出805b穿过一对并联布置的M0SFET915和920 (在图9中示出)。经调制的电源输出810a传递至iGBT模块815的DC偏置输入815a。在优选实施例中，iGBT模块是由“POWEREX Inc., 200Hills Street Youngwood, Pennsylvanial5687” 制造和销售的“PP100T120”。多个隔离的控制信号810b传递至iGBT模块815。
[0060]经调节的电力输出805c传递至低压电源825。低压电源825向发射机系统102中的模块提供电力。
[0061]与GPS模块255 (图2中所示)相同的设计和功能的GPS模块830生成传递至定时模块835的同步脉冲830a。定时模块835生成用于微处理器845的时钟信号835b。微处理器模块840连接至用户界面845。微处理器模块840连接至存储操作数据的大容量存储器850。微处理器模块840通过同步串行信号840a与发射和调制控制模块810通信。
[0062]用户界面845允许操作人员调节发射机系统102的操作参数。
[0063]定时模块835生成传递至发射和调制控制模块810的时钟信号835a。iGBT模块815具有输出815b和第二输出815c。输出815b和815c分别耦接至发射机系统102输出855和857。输出855和857分别连接至一对接地柱860a和860b。接地柱860a和860b是发射电极860的一部分。接地柱是打进地面中以形成双极860的敷铜陶瓷柱。输出815b穿过电流传感器820。电流传感器用于监测发射功率。在优选实施例中，电流传感器820是由“LEM U.S.A., Inc.11665W.Bradley Road Milwaukee, WI 53224”制造和销售的 LEM-60820。
[0064]在可选实施例中，如图3中所描绘的相同设计和功能的软件限定接收机(SDR)连接在电流传感器820与微处理器模块840之间。SDR允许准确地确定所发射信号的相位和幅度二者。这对于在相控阵列发射系统中的使用是很重要的。
[0065]在第二可选实施例中，功率匹配网络(未示出)连接至输出855和857。功率匹配网络用于确保双极接地柱860a和860b有效地与地面耦接，降低用于勘测最大深度和在地表阻抗低时系统所需的发射功率。本申请的典型匹配网络设计成在0.5Hz至IHz处谐振，并且将5欧姆至IK欧姆负载匹配为100欧姆。
[0066]在第三可选实施例中，可以通过铷原子时钟来代替定时模块835。
[0067]在第四可选实施例中，可以去除GPS模块830，并且所有发射机和接收机时钟之间的同步可以通过发射测试信号来实现。
[0068]现在参考图9，发射和调制控制模块810控制要分别传递至输出855和857的输出信号815b和815c。复杂可编程逻辑器件(CPLD) 900包含VHDL代码，该VHDL代码生成启动GBT模块815内的三对iGBT功率开关的iGBT控制信号900a、900b以及900c。CPLD900通过同步串行通信信号804a与微处理器模块840 (参见图8)通信并且向微处理器840提供定时信息。CPLD900通过时钟信号835b来同步，该时钟信号835b进而使iGBT控制信号900a,900b以及900c同步。信号900a启动连接至输出857的iGBT功率开关对925，并且信号900c启动用于输出855的iGBT功率开关对935。第三信号900b在需要虚负载时使用并且启动iGBT功率开关对930。每个iGBT控制信号穿过多个光电隔离器902。CSEM发射机设计领域的技术人员能够理解启动iGBT模块815内的功率开关925和930以在输出双极860 (参见图8)处生成脉冲发射信号的处理。
[0069]CPLD900通过调制信号900d来门控直接数字合成(DDS)器件905的输出。DDS器件905的设计与图5中所示的DDS器件515相同。CPLD900包含生成调制信号900d的VHDL代码。在优选实施例中，调制信号900d是伪随机调制。DDS器件905生成传递至大电流运算放大器(HCOA,High Current Operational Amplifier)910 的 1MHz 调制信号 905a。HC0A910允许在调制信号905a传递至并联布置的一对功率M0SFET915和920之前对调制信号905a进行调节。功率M0SFET915和920均额定为1.5KW。当需要更高的功率时，采用多个功率M0SFET。
[0070]由于M0SFET915和920调制仅10%的通过iGBT模块815所传递的功率，所以单个对可用于小于15KW的发射功率。需要7对功率M0SFET来调制100KW的发射功率。经调制的功率信号810a传递至iGBT模块815的DC终端。
[0071]在可选实施例中，调制信号900a不是伪随机的并且可以是允许接收机系统100从噪声中识别出所发射信号的形式。
[0072]在操作中，如在图1A或图1B中所描绘的来布置多个接收机系统100。接收机系统100全都通过在每个接收机中的GPS模块225所产生的同步脉冲来进行同步。另外，来自GPS模块225的位置信息与所保存的SE⑶数据一起存储在大容量存储器615中。CSEM发射机102也能够根据同步脉冲830a来与接收机系统100同步。
[0073]发射机系统102生成包括低频方波的周期性的发射脉冲，对该方波施加了预定义的调制信号。脉冲可以在宽范围的时间周期上发射，但通常每秒发脉冲一次。调制信号可以用于帮助接收机信号处理。处理CSEM勘测数据的领域中的技术人员能够理解该技术。
[0074]在可选实施例中，本发明允许多个发射机系统和相关联的发射机双极以允许生成定向的波前的布置方式来分布。这可以通过精确控制每个发射脉冲的相位和每个发射机双极的正确协同定位来实现。幅度调制射频相控阵列天线领域的任何技术人员能够理解该技术。
[0075]—旦已经生成发送波，则每个接收机检测空气波，并且对传输至每个接收机系统100中存在的ADC600的该数据进行衰减。一旦空气波已经通过，则每个接收机系统开始收集数据。
[0076]E场双极接收机200设计成检测有源发射机脉冲所生成的电场的变化或相对于自然电位的偏离被动的变化。
[0077]Η场环形天线205设计成检测除了平行于地面的那些方向之外的所有方向上的环境磁场中的变化，该变化由地下结构中的涡流引起。该涡流感应出短时间的磁场。环形天线205是用于此应用的典型设计，并且根据所需的勘察深度来改变直径。直径可以超过150米。磁强计卡240提供与磁场环形天线205轴信息结合的最新的轴信息，以确定到达的磁波的来源。
[0078]分别如图3和图4中所描绘的来处理所接收的差分信号ES3和HS3。参考图3，混频器电路330、科恩滤波器和分向滤波电路345以及增强型泰洛检测器电路355的组合导致相位相干的、无噪声数据。
[0079]在操作中，科恩滤波器和分向滤波电路345在带通模式中使用，并且在微处理器605上执行的软件通过控制混频器电路345中的上转换频率来控制带通滤波器的中心频率。科恩滤波器和分向滤波电路345的边缘进行非常严格地限定并且每个数量级下降-70db比较好，并且允许SDR225提供能够设置成所需要的不同频率的带通。出现在310的进入信号ES3的频率内容降低至上转换频率所需要的范围。科恩滤波器和分向滤波电路345也称为最小损耗滤波器，并且具有超过10，000的非常高的Q值。
[0080]基于超外差软件限定接收机的领域中的任何技术人员能够理解利用该技术来从ES3和HS3过滤掉不想要的信号的益处。另外，该方法还给数据的后处理带来额外的益处，因为所记录数据的频率是严格限定的并且为数据处理提供了附加的限制。
[0081]从科恩滤波器和分向滤波电路345得到的信号具有低噪声内容和低相移。穿过增强型泰洛检测器355的信号进行下转换作为泰洛检测器的作用的结果，并且分频成也具有低噪声内容和良好相位精度的幅度(同相信号)和相位(正交信号)成分。
[0082]每个电场和磁场的以幅度和相位对的形式的数据传递至ADC600。
[0083]本发明的一个重要要素在于:控制模块250中的ADC600所处理的每个通道的数据具有在皮秒范围或者更短时间的帧内所同步的其采样开始时间。另外，由于导线延迟，时间严格的ADC转换都发生在单个芯片AD1278上，并且在50皮秒范围内同时发生。系统中存在其它延迟，部分地因为线缆长度不同以及还必须要测量的其它因素。测量可以通过下面的方法来进行:从与接收机同步的发射机施加测试信号，利用精确的时钟，并且监测到达每个ADC600输入的时间，并且相对于精确时钟来同步。必须对系统中所有的接收机执行该处理并且在工厂中对每个通道的校正因素进行编程。
[0084]系统收集大容量存储器615中所存储的来自磁(H)场的幅度、相位以及点电位数据。对本发明而言，H场的相位数据存储是唯一的。
[0085]本发明受益于在每个电磁接收机通道中的增强型泰洛检测器电路225和高速ADC600的使用，因为所记录的数据具有优于_120dBm的低信噪比和小于0.01%的低相位失真。大容量存储器615中所存储的数据包括生成丰富的数据集的附加数据。附加数据项是出现在475的磁正交输出信号Hq、在输出325的地表电流信号ES6以及在输出425的磁点电位信号HS6。数据都与系统时钟同步，或者与原子时钟同步，或者与GPS同步脉冲同步。所有ADC获取周期的精确定时允许在超过10，000米的地表下深度处提高分辨率。另外，实现了 “腔”尺寸的减小。
[0086]在本文中“腔”是在地下地质结构的数学表示(2D、3D或者4D阵列)内通常为立方体的有限尺寸的场所。该腔用于积累地下地质结构中的场所的某些预定值或值的组合。
[0087]前面的内容仅是本发明的一个(或多个)实施例的详细描述。在不背离本发明的思想和范围的前提下，可以根据本文的公开来对所公开的实施例进行各种改变。因此，前面的描述并不意味着限制本发明的范围。而是，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等同例来确定。
【权利要求】
1.一种改进地下结构的可视化的方法，包括以下步骤:(a)在陆地表面上放置多个接收机系统，以形成接收机矩阵；(b)在陆地表面上相距所述接收机矩阵的中心超过500米的距离处放置CSEM发射机；(c)使所述接收机系统与所述CSEM发射机同步；(d)生成CSEM发射机脉冲，所述脉冲包括低频方波，其中，所述方波具有施加在其上的预定义的调制信号；(e)等待所生成的空气波通过；(f)检测所述CSEM发射机脉冲所感应的所述地下结构的电场的变化；(g)检测所述CSEM发射机脉冲所感应的所述地下结构的磁场的变化；(h)确定到达的电磁波的源；(i)将处于接收频率的接收信号上转换至更高频率，以生成上转换信号；(j)使用RF带通滤波器从所述上转换信号滤除不需要的信号，以生成经滤波信号；(k)保存来自所述接收信号的相位和幅度信息二者；以及(1)将所述经滤波信号下转换为所述接收频率。
2.一种改进地下结构的可视化的系统，包括:(a)在陆地表面上的形成接收机矩阵的多个接收机系统；(b)在陆地表面上相距所述接收机矩阵的中心超过500米的距离处的CSEM发射机，所述发射机包括:1:多个高压恒流电源；i1:发射和调制控制模块；iii:iGBT 模块；iv:低压电源；v:GPS模块;v1:定时模块；Vi1:微处理器模块；以及vii1:用户界面；(c)使所述接收机系统与所述CSEM发射机同步的装置；(d)生成CSEM发射机脉冲的装置；(e)检测所述CSEM发射机脉冲所感应的所述地下结构的电场的变化的装置；(f)检测所述CSEM发射机脉冲所感应的所述地下结构的磁场的变化的装置；(g)确定到达的电磁波的源的装置；(h)将处于接收频率的接收信号上转换至更高频率以生成上转换信号的装置；(i)从所述上转换信号滤除不需要的信号以生成经滤波信号的装置；(j)保存来自所述接收信号的相位和幅度信息二者的装置；以及(k)将所述经滤波信号下转换为所述接收频率的装置。
【文档编号】G06F19/00GK103748590SQ201280036248
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年3月28日 优先权日:2011年7月21日
【发明者】亚历山大·卡利什 申请人:深层成像技术有限公司