基于squid的磁源激發極化-感應的聯合探測系統與方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種聯合探測系統與方法，特別涉及一種基于SQUID的磁源激發極化-感應的聯合探測系統與方法。
【背景技術】
[0002] 當前，傳統瞬變電磁系統采用線圈或磁棒作為接收傳感器，主要應用于非可極化 大地。在可極化大地，由于極化效應的影響，衰減曲線一般在早期迅速衰減，中期進入到負 值，并在晚期再次出現正值，傳統的瞬變電磁探測系統一般采用線圈或帶寬很窄的磁傳感 器(磁棒)接收，由于線圈早期存在過渡過程，晚期又測不到微弱的衰減信號，無法在含極化 介質的大地進行有效探測。
[0003] 國內外學者建立多種模型(Cole-Cole模型最為典型)研究瞬變電磁信號中的極化 效應，分析具有極化效應的瞬變電磁響應的特征。本文通過計算得到含極化層大地瞬變電 磁響應特征，瞬變電磁信號在早期<20ms受極化響應影響明顯，衰減曲線中期衰減到負值， 晚期（>l〇〇ms)出現正值，但信號一般很小，磁場衰減動態范圍大于140dB，磁場衰減到fT量 級，這是傳統的感應線圈或帶寬很窄的磁傳感器(磁棒)和接收機均無法測量的。
[0004] 隨著超導磁傳感器在瞬變電磁中的應用，為進行大深度探測，通常在用窄脈寬發 射，長時間接收的方式，由于在非可極化大地，瞬變電磁信號是逐漸衰減的，上升沿產生的 二次場對下降沿產生的二次場影響很小，可以忽略，這種發射波形適用于非可極化大地的 探測，當探測區域含有可極化介質時，由于受極化影響，晚期的信號可能大于中期的信號， 只有選用大功率發射機實現寬脈寬發射(發射脈寬>l〇〇ms)，才能減小上升沿產生的二次場 對下降沿產生的二次場的影響。
[0005] CN201410746339.6公開了瞬變電磁B場確定地下地質信息的方法，是基于線圈測 量dB/dt經過積分變成B場，證明了 B場探測具有電阻率單值性的優點，但是采用線圈測量， 仍無法在實際應用中進行有效的探測。
[0006] 2011年，德國Jena的A Chwala首次將低溫超導傳感器應用于大定源TEM，衰減曲線 可以測到200ms，并未考慮有效剔除一次場的方法，同時，也未見其報道在極化地質條件下 的探測應用。
[0007] 2015年，David Marchant在博士論文中研究了磁性源中極化響應對瞬變電磁響應 的影響，并提出了頻率域磁源的磁極化參數提取方法，理論計算了可極化大地的瞬變電磁 晚期信號微弱，并提到了低溫SQUID可能是有效的傳感器，但并沒有給出有效的儀器系統。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是為了解決現有的瞬變電磁系統在含極化大地探測下的不足而提 供的一種基于SQUID的磁源激發極化-感應的聯合探測系統與方法。
[0009] 本發明提供的基于SQUID的磁源激發極化-感應的聯合探測系統包括有發射單元 和接收單元，其中發射單元由大功率發射機、無感電阻、電流采集卡和發射回線組成，其中 大功率發射機和無感電阻與發射回線串聯連接，大功率發射機、無感電阻和發射回線形成 閉合回路，電流采集卡并聯在無感電阻兩端，用于采集發射回線中的發射電流，接收單元由 低溫SQUID傳感器和接收機組成，其中低溫SQUID傳感器設在發射回線所圍設區域的中心部 位，低溫SQUID傳感器與接收機之間通過差分信號線連接，發射單元與接收單元通過GPS同 步進行數據傳輸。
[0010]接收機由第一緩沖器、第二緩沖器、放大器、低速模數轉換器、高速模數轉換器、存 儲卡和主控模塊組成，其中第一緩沖器、高速模數轉換器和存儲卡相串聯，第二緩沖器、放 大器、低速模數轉換器和存儲卡相串聯，SQUID傳感器信號經過第一緩沖器后被傳送到高速 模數轉換器內，同時SQUID傳感器信號經過第二緩沖器后再經過放大器被傳送到低速模數 轉換器內，高速模數轉換器和低速模數轉換器由主控模塊控制將采集的數據存儲到存儲卡 內。
[0011]本發明提供的基于低溫SQUID的磁源激發極化-感應的聯合探測方法，其方法如下 所述：
[0012] 步驟一、鋪設矩形發射回線，大功率發射機發射雙極性方波；
[0013] 步驟二、將無感電阻串聯在發射回線中，利用電流采集卡記錄完整的發射波形；
[0014] 步驟三、將低溫SQUID傳感器放置在發射回線所圍設區域的中心部位，同時用高速 模數轉換器和低速模數轉換器采集中心磁場的垂直分量，發射單元與接收單元采用GPS同 步進行數據傳輸；
[0015] 步驟四、根據記錄的發射電流用畢奧沙法爾定律計算中心點的一次場，將一次場 從SQUID接收到的磁場信號中剔除掉；
[0016] 步驟五、根據含極化層層狀大地瞬變電磁信號時域特征提取極化率-電導率雙參 數，并進行電阻率-深度成像。
[0017] 步驟一中的發射參數根據實際探測需要改變發射頻率，為了減小上升沿產生的二 次場對瞬變電磁信號的影響，采用大功率發射機發射低頻、占空比50%的雙極性方波，發射 脈寬優選大于100ms，發射電流一般選擇100A，發射線框大小一般選擇邊長100米的矩形。
[0018] 步驟三中選擇采樣率為2MSPS和30KSPS，通過快速SPI串行外設接口與主控模塊通 信，低速模數轉換器前端接2000倍固定增益儀表放大器，實現采集動態范圍大于140dB;采 集數據存儲在高速SD卡中。
[0019] 步驟四中所述的根據發射電流計算中心點磁場的畢奧-沙法爾定律表達式為：
[0020]
[0021] 其中Η為磁場強度，為線元電流，R為元電流相對于中心點的位置矢量。
[0022] 步驟四中所述的剔除一次場的方法是根據畢奧-沙法爾定律計算電流采集卡采集 的發射電流I (t)在中心點產生的磁場H(t)，其中on-1 ime段在中心點產生的磁場Ho，低溫 SQUID在中心點接收到的磁場Hz (t )，其中on-time段接收的磁場為Ηζο，得到校正系數K = Hzo/Ho,根據校正系數可以有效剔除一次場的影響，得到的二次場為Hz'（t) = (Hz(t)-H(t)* K)〇
[0023] 本發明的有益效果：
[0024] 本發明與現有技術相比，突破了傳統瞬變電磁系統在可極化大地應用的限制，針 對含極化層的層狀大地瞬變電磁響應特征，設計并實現了大功率發射單元，激發1Hz占空比 50%的雙極性波形，避免了上升沿引起的二次場對瞬變電磁信號的影響，對發射電流的采 集更有效的剔除了一次場對瞬變電磁信號的影響，接收單元同時采用高速模數轉換器和低 速模數轉換器進行采集，既滿足了早期信號衰減快、帶寬大的特點，又滿足了有效信號動態 范圍大(>140dB)的特點。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明整體結構示意圖。
[0026]圖2為接收機結構示意圖。
[0027] 圖3為本發明所述探測方法流程圖。
[0028] 圖4為含極化層層狀大地瞬變電磁信號時域特征圖。
[0029]圖5為電阻率-深度示意圖。
[0030] 1、大功率發射機2、無感電阻3、電流采集卡4、發射回線5、低溫SQUID傳感器 6、接收機10、第一緩沖器11、第二緩沖器12、放大器13、低速模數轉換器14、高速 模數轉換器 15、存儲卡16、主控模塊。
【具體實施方式】
[0031] 請參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示：
[0032]本發明提供的基于SQUID的磁源激發極化-感應的聯合探測系統包括有發射單元 和接收單元，其中發射單元由大功率發射機1、無感電阻2、電流采集卡3和發射回線4組成， 其中大功率發射機1和無感電阻2與發射回線4串聯連接，大功率發射機1、無感電阻2和發射 回線4形成閉合回路，電流采集卡3并聯在無感電阻2兩端，用于采集發射回線4中的發射電 流，接收單元由低溫SQUID傳感器5和接收機6組成，其中低溫SQUID傳感器5設在發射回線4 所圍設區域的中心部位，低