用于取消磁場的抵消電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明的各方面大體來說涉及抵消系統且涉及在體積內的點處實質上消除磁場的方法。更特定來說，本發明的各方面可用于電磁勘探中以在不顯著修改大發射場與地面的交互作用的情況下消除所述發射場對磁場傳感器的影響。當前發明在所述傳感器相對于發射器位移時促進此消除。
【背景技術】
[0002]電磁探測方法構成用于在探查石油、天然氣與礦床、蓄水層及其它地質特征中測繪地球的地球物理方法的重要部分。EM方法可概括地分類成兩類:無源方法，其中使用電磁勘測設備來測繪地球表面范圍內的電磁場的自然發生的時間變化;及有源方法，其中電磁場是從發射器(其為勘測設備的整體部分)射出。
[0003]有源EM系統包括數個部分；用以形成電磁場的發射器及天線、用以檢測來自發射器的信號的傳感器與及接收器以及相關電子器件、機械元件、數據記錄器和電源。盡管EM系統也包括其中在不存在發射器的條件下測量電磁場的自然發生的無源系統，但在以下論述中，除非另有說明，否則EM系統應視為僅包括那些具有發射器的系統。
[0004]有源EM系統通過將隨時間變化的電流波形供應到發射器線圈或回路而操作，此形成對應的“初級”隨時間變化的磁場。初級場的時間變化接著在地球中感應渦電流，從而導致“分散”磁場。分散場連同初級場通常通過采用線圈、回路或磁強計傳感器借助接收器來測量。分散場的特性可接著用于確定地面的電性質。這些性質可接著用作地質判讀(例如推斷地質特征的存在)的基礎。舉例來說，分散場與初級場同相的特性對檢測高度導電礦石有意義。改進分散磁場的特性致使經改進的地質推斷且因此致使采用有源系統的任何勘探企業的成功。
[0005]在下文中，“線圈”及“回路”可用于意指借以發射初級場且可包括一或多個繞組(匝)電導體的天線。接著用包含一或多個磁場傳感器的接收器檢測所得磁場。磁場傳感器可為其中根據法拉第定律(Faraday，s Law)檢測磁通量密度的改變的線圈、回路或電路元件，或其可為磁強計。磁強計的實例包含采用磁通門、反饋線圈、霍爾效應和光栗浦原子蒸汽原理來檢測磁場的裝置以及相關儀器。
[0006]回路及線圈可包括圓形、橢圓形、卵形、螺旋形或其它類似圓形形狀或其區段，且可包括一起形成封閉形狀的線段(通常具有小于180度的內角)，其實例為矩形、六邊形、八邊形、十二變形等等。回路包括通常由導電物質(例如銅或鋁)構成的至少一個導電繞組，但可包括超導體。經塑成為具有多個邊的凸面對稱多邊形狀的回路可視為是實質上圓形的，如同圓形回路一般。
[0007]當在空中部署EM系統時，通常采用兩個配置中的一者。在第一配置中，發射器及接收器可位于相同平臺、結構或“載體”上，而在第二配置中，接收器可被拖曳在發射器后面一定距離處。在第一配置中，發射器及接收器可安裝在飛機“載體”上，所述飛機“載體”的實例包含曾由芬蘭地質勘探局操作的系統及由Geotech股份有限公司建造的霍克(Hawk)系統。還可能將發射器及接收器安裝在從飛機拖曳的平臺或底架“載體”上。此些載體通常拖曳在直升機下面，且通常稱作為“吊艙”、“探空儀”或“炸彈”。在此些情形中，吊艙可通常拖曳在直升機下面30到60米，在高于地面大約30到60米的高度處。在此些系統中，由于發射器及接收器經定位緊靠近，因此接收器處的初級場可為大于分散場的數量級。
[0008]當初級場比分散場大得多時，需要初級分散場分開的手段以準許對小得多的分散場進行準確檢測。完成上述情形的一種常見方法是通過時間分開，借此初級場作為具有交替極性的一系列整形脈沖來廣播，其中每一脈沖由關斷時間(在其期間無電流在發射器回路中流動)分開。如果在此關斷時間期間測量到分散場，那么將不存在初級場且對分散場的高度敏感測量是可能的。將測量限制于關斷時間的缺點是信息的丟失。特定來說，可不良呈現分散響應的同相分量，因此可不能夠檢測到一些高度導電礦石。由于高度導電礦石經常成為航空電磁(“AEM”)勘測的目標，因此準確的接通時間測量可對AEM企業的成功相當重要。因此獲取優質同相AEM數據是有利的。
[0009]大量AEM系統已使用關斷時間測量值作為將分散場與初級場分開的手段。這些系統中最顯著的是巴林杰(Barringer)輸入系統及從其衍生的系統，例如Geotem系統、Megatem系統及Questem系統。
[0010]抵消提供初級-分散場分開的替代手段。當初級場的同相分量是大的時，例如當發射器及接收器經定位緊靠近時，可使用抵消回路來通過有源抵消直接消除接收器處的初級場，或通過無源抵消來消除初級場對接收器的影響。有源抵消涉及形成將實質上消除由EM系統的磁場傳感器經歷的初級場的抵消磁場。通常抵消磁場是通過傳遞用于通過在磁場傳感器附近的第二較小回路來激勵發射器回路或天線的隨時間變化的電流波形而形成。在無源抵消中，使用額外磁場傳感器來檢測與單個磁場傳感器所經歷的初級與分散場組合不同的初級與分散場組合。接著以取消組合信號中的初級場的方式組合來自兩個傳感器的信號。因此，在存在大初級場的情況下，可有利地使用抵消來獲取優質同相AEM數據。
[0011 ]由于在存在接收器的情況下抑制初級場而產生抵消的額外優點。當將初級場抵消時，接收器可以比未經抵消的場高的敏感度操作。因此可檢測到更精細分散場異常現象，因此準許在無需使接收器飽和的情況下以較弱物理性質差異檢測較小地質特征。
[0012]使用抵消的系統的實例是采用無源抵消的Dighem直升機頻域系統，如同惠頓(Whitton)所推薦的系統(美國專利申請案2003169045A1)—般;及VTEM(美國專利申請案2011/0148421A1)及采用有源抵消的Aerotem直升機時域系統。
[0013]在采用有源抵消的系統中，目標是在不明顯影響地球中由發射器引起的渦電流感應的情況下取消接收器處的初級場。因此，抵消回路經挑選為在幾何形狀上小于發射器回路但較接近于傳感器。因此，可在其范圍內抵消場的接收器位置的范圍通常也為小的。由于上述情形，磁場傳感器相對于那些回路的任何相對位移可強烈影響在傳感器處消除初級場的程度。因此，在目前現有技術中，抵消的質量隨系統變得日益剛性而改進。
[0014]有源抵消的優點為接收器附近的初級場被抑制，而不管場在所有附近位置處未被完全消除的事實。如此一來，由于接收器及其底架的任何金屬組件內的初級場的改變所致的渦電流感應強烈減少。
[0015]在目前現有技術中，在發射器回路、磁場傳感器及抵消回路的相對幾何結構為幾乎剛性固定時抵消為最有效。每當回路幾何結構相對于彼此改變形狀或位置時，初級場的未經抵消殘余部分將作為信號出現在接收器中。所述殘余部分通常不能與同相分散場區分，且因此可使所測量分散響應的質量降級。AEROTEM及Dighem系統采用幾乎剛性幾何結構，且因此使由回路運動引起的未經抵消初級場殘余部分的變化最小化。然而，一些未經抵消的殘余部分可甚至發生在具有標稱幾乎剛性幾何結構的系統中。這些殘余部分可由回路幾何結構的小改變引起，通常歸因于熱膨脹，從而產生稱作“漂移”的現象。
[0016]盡管剛性幾何結構有利于準確抵消，且因此有利于準確地測量分散場的同相分量，但準許發射器回路、磁場傳感器及抵消回路的相對幾何結構的一些變化可為必需或有利的。VTEM系統圖解說明在EM獲取波段中為實質上剛性的但具有柔性幾何結構的AEM系統。其發射器底架的輕量準許比在系統為幾乎剛性的情況下將可能的發射器回路及矩大的發射器回路及因此矩。由于發射器回路可變形，因此其可在每一飛行的起飛及降落期間以更大容易性處置。分段構造回路底架促進運輸且斷裂較容易修復:碰撞并不涉及單個剛性底架及其高價值組件的災難損失。由于增加的柔性引起的折衷為抵消的保真度小于由可比幾乎剛性系統可提供的保真度。
[0017]波爾策(Polzer)等人(國際專利申請案W0 2011/085462A1)已注明允許發射器回路、磁場傳感器及抵消回路的幾何結構中的一些柔性的第二優點.波爾策(Polzer)注明EM傳感器在地球的背景磁場中(尤其在1到25Hz低頻范圍中)旋轉形成先前已呈現獲取所述波段中的高精度航空電磁數據的噪聲。通過將穩定化系統用于運動隔離(其中磁場傳感器相對于裝納于其中的吊艙移動)，可獲取1到25Hz波段中的高精度航空電磁數據。如此一來，AEM系統的幾何結構必須為柔性。
[0018]因此，在AEM勘測的目前現有技術中，使用單回路來抵消初級場。幾乎剛性系統提供相對穩定抵消且準許對分散場的精確同相測量，犧牲發射器矩、輕量及特定物流優點。柔性系統準許較大發射器矩及物流優點，但具有較不完美抵消，且因此對分散場的同相分量的較不準確測量。較不準確同相測量可導致高導電地質特征的較差分辨率，所述地質特征中的許多者為受委托進行礦業勘探的EM勘測的目標。較不完美抵消還可意指與經良好抵消系統的情形相比可遭受較大磁場振幅變化，且意指因此可以較低分辨率獲取EM數據。
[0019]為了取消發射器的場，未必適用抵消線圈。舉例來說，霍爾(Hall)等人的美國專利申請案2011227578 A1描述感應測井工具，其使用多個抵消線圈來以從測井工具