短偏移瞬变电磁探测系统研究.pdf

书书书第 卷 第期 年月地球物理学报 ，薛国强，武欣，陈卫营 短偏移瞬变电磁探测系统研究地球物理学报，（）：，：，（）犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲 犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊（），（）：，：短偏移瞬变电磁探测系统研究薛国强，武欣，陈卫营，中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 摘要短偏移距瞬变电磁法是近年来发展出的新方法，具有信号强、带宽大的特点，现有国际主流装备是面向传统大收发距模式设计开发的窄带系统，研发小收发距模式下的大电流宽带系统，对于推广应用新方法具有重要意义为此，本文提出大电流快关断发射、低噪声宽频带接收设计方案，攻克超高压恒压钳位技术，自适应可变阻尼技术等核心技术在同等条件下有效发射功率提升约 倍，关断时间压缩近倍；系统时域噪声水平 ，工作带宽 装备系统在增大发射电流和降低噪声的同时，拓展了系统带宽，实现了装备系统与新方法的强匹配新装备的研发将为我国 以浅矿产资源精细探测做出贡献关键词短偏移瞬变电磁；大功率；大带宽；低噪声；自主研发 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家自然科学基金项目（，），陕西省人才项目（）资助第一作者简介薛国强，男，年生，研究员，研究方向为近源电磁探测理论方法 ：犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 犳 狋 犺 犲犛 犺 狅 狉 狋 狅 犳 犳 狊 犲 狋犜 犈犕（犛 犗 犜 犈犕）狊 狔 狊 狋 犲 犿 ，犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犕 犻 狀 犲 狉 犪 犾犚 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊，犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犌 犲 狅 犾 狅 犵 狔犪 狀 犱犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊，犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犈 犪 狉 狋 犺犪 狀 犱犘 犾 犪 狀 犲 狋 犪 狉 狔犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 （），；，期薛国强等：短偏移瞬变电磁探测系统研究犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 ；引言我国矿产资源安全局面日趋严峻，摸清深部矿产资源家底是重要的方向实现大深度高精度地球物理探测，是从供给侧破解矿产资源安全困局的关键路径，对挖掘我国矿产资源潜力、保障国民经济可持续发展具有重要意义人工源电磁法是开展矿产资源探测的主流方法（，），其通过发射装置对大地进行激励，通过接收装置采集响应信号，实现对地下电性构造分布信息的提取（底青云等，）面向大深度探测需求，通常采用长接地导线作为发射装置，依托于高性能装备才能完成观测长期以来，加拿大 与美国 这两套国际主流装备推动了可控源音频大地电磁法（，）在世界范围内的广泛应用，其设计定型至今已逾二十年近年来，各类新方法及与之匹配的新装备得到发展，何继善提出广域电磁法（何继善，），研 发 出 广 域 电 磁 法 装 备 系 统（何 继 善，）林君提出基于多源发射的半航空频率域电磁方法（，）并完成相应装备研发（林君等，）底青云开展了多道瞬变电磁法（底青云等，）的理论研究与装备研发，建立高度集成的创新装备体系（底青云等，）短偏 移 瞬 变 电 磁 法（，）自提出以来，已解决了近源区波场精细计算问题（薛国强等，），厘清了攸关近源多波场初始波前形态、传播路径与速度等关键因素与非均匀媒质间的关系（何继善与薛国强，；薛国强等，），并开展了观测区域、高维正反演以及近源电磁场成像（，）等方法研究相比于传统人工源电磁法，方法作为一种创新的“近源区”探测方法，利用现有国际高端装备虽然可以获取数据，但由于这些装备在定型之初，主要面向远源方法开发，导致利用这类装备开展近源短偏移探测，无法完全达到预期的探测深度与精度水平效果，方法优势始终难以落地新方法与新装备的发展是强耦合的，新装备的研发须由新方法引领，新方法的优势须由新装备体现本文将短偏移瞬变电磁方法需求映射为具体的关键技术；通过攻克关键技术，搭建 的专属装备系统；最后开展实验室及野外测试，对装备系统性能进行验证结果表明，自主研发的 装备达到设计目标探测新方法需求分析长接地线源一般可发出地面波与地层波（，）由于波与波之间存在显著的波速差异，两者连接部在大收发距情况下会形成一个接近垂直向下传播的近似水平波阵面（底青云等，）可控源音频大地电磁法（，），长偏移瞬变电磁法（，）（，），均主要考虑以波为激励场，在远源区波充分衰减，波可近似看作唯一的激励场，从而形成了“远源”探测模式由于发射信号的强度与带宽均会随着收发距的增大而显著减小（，），一方面导致相当程度的发射能量损耗在传播路径上，仅有较小的一部分最终用于探测（，），另一方面导致信号中高频分量显著衰减，系统分辨能力降低（朴化荣，）提升远源区探测深度和精度受到限制如何处理观测点与场源之间的几何关系，始终是攸关人工源电磁法探测性能的关键问题（，）何继善（）对波场响应进行研究，发明广域电磁法 年以来，英国爱丁堡大学面向海洋油气勘探提出了基于近源 排列的 方 法（）（，）年，薛国强等（）基于对地层波的深入研究，提出了短偏移瞬变电磁法 年以来，作为提出 的德国科隆大学，也开展近源方法研究（，）一定大小的收发距对响应信号及带宽具有明显的决定作用假设大地为均匀半空间，观测点位于地表上频率域电磁场犣分量响应为（，）犎狕（狓，狔，）犎狕（狓，狔，）犘犎狕（狓，狔，）犖，（）犎狕（狓，狔，）犘犐狊 犽狔狉（犽狉犽狉）犽狉，（）地 球 物 理 学 报（）卷犎狕（狓，狔，）犖犐狊 犽狔狉，（）其中狉（狓狔），即测点与源点的距离；犘与犖分别为 与 积分，并分别代表地层波与地面波的作用过程（，；陈明生与闫述，）；犐狊为发射电流微元 方法中主要观测量为犣轴磁场，为进一步研究犎狕（狓，狔，）的频率响应形态，将式（）中方括号内的部分单独提取出来，假设大地电阻率为 ，有四个位于犢轴上的观测点，偏移距分别为 、以及 ，在 范围内对式（）方括号内项进行计算由图 可直观看出，幅频响应形态呈现出显著的低通滤波特征，随着偏移距的减小，其带宽不断增大图 中的单一响应曲线形态自低频向高频包含三个段落，以偏移距为 的曲线为例，从低频端至大约 ，呈现出线性相位特征，在 至约 出现非线性形态，当频率大于 后，又呈现出线性特征非线性段位置与延展范围是由一定收发距离的观测装置与大地共同作用的结果，随着偏移距的减小，能够获得的犎狕（狓，狔，）犘的带宽会更大图幅频、相频响应与偏移距的关系（）幅频响应；（）相频响应 ，（）；（）为了估计不同偏移距条件下犎狕（狓，狔，）犘幅频响应的截止频率（，），在图 中引入犲幅值水准（黑色虚线）作为截止频率估计标准计算不同偏移距幅频响应曲线的，计算结果如表所示，随着偏移距的增大，会显著减小表不同偏移距幅频响应曲线的截止频率犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲犮 狌 狋 狅 犳 犳 犳 狉 犲 狇 狌 犲 狀 犮 狔狅 犳犪 犿 狆 犾 犻 狋 狌 犱 犲 犳 狉 犲 狇 狌 犲 狀 犮 狔狉 犲 狊 狆 狅 狀 狊 犲犮 狌 狉 狏 犲狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狅 犳 犳 狊 犲 狋狉狀 犲 通过以上分析可知，信号衰减与可用带宽之间存在内在联系由于偏移距越小，信号带宽越大，当偏移距 时，工作带宽为 目前，加拿大凤凰公司（）与美国宗吉公司（），两套系统是面向传统“远源区”模式开发的，最高基频为 量级，关断时间长于 ，两套系统采样率分别为 和 接收机带宽均为 ，难以适配 方法需求短偏移瞬变电磁探测系统关键技术单纯研究近源方法或装备参数，实际收效一定有限只有装备与方法相匹配，才能获得探测性能的提升为了能够增大探测深度，要求发射电流幅度更大，要求传感器噪声水平更低；为了更够提升探测精度，要求发射信号带宽更大，要求传感器工作带宽（即线性带宽）更大如何实现大电流快关断发射、低噪声大带宽传感器成为关键问题 大电流快关断发射机发射电流脉冲幅度尽可能高，同时脉冲宽度能够尽可能窄，有利于大深度高精度探测理想情况下，当脉冲宽度较大时，发射电流上升至设定幅度，之后进入稳定期，达到关断触发条件后，电流被迅速关断（图虚线）；实际中由于上升时间和关断时间过长，对窄脉冲波形，发射电流在达到设定幅度值期薛国强等：短偏移瞬变电磁探测系统研究图波形畸变示意图 之前，便进入电流关断阶段出现“高频发不上去”现象对于磁性源发射机，供电电压一般在几十伏量级，采用低压恒压钳位技术可压缩上升沿与下降沿时间，带宽容易实现拓展，电性源发射机中，母线电压一般为 和 由于器件的寄生参数条件恶劣，易引入震动、尖峰等，高压恒压钳位技术使得发 射 波 形 控 制 精 确 差本 文 提 出 基 于 电 流 反馈精细控制的超高压恒压钳位技术，将钳位电压由目前的 提升至 ，并实现对发射波形的精细控制在发射机启动后，首先在 母线电压驱动下，完成电容 充电，并输出一个变流波形（图）将这一电流波形的峰值记录下来，作为参考值犐 ；然后将 打开，使电容，母线电压快速提升至 （速度为 电压时的 倍）；在当前脉冲电流升至犐 时，比较器翻转，关闭，使母线电压恢复 ，此时电流继续爬升，将下降沿触发时刻电流达到的新峰值，记录为新的参考值犐 如此往复，直至发射电流达到预设值此策略采用了 与的组合，效果上类似于给原本的上升沿以额外的“上升助力”由于 的功率远低于主电源，因此其本质是用一个较低的平均功耗支撑了一个较高的瞬时功耗，同时对主要功率器件也未提出额外的需求图电流反馈精细控制策略原理图 低噪声大带宽传感器 采用感应式磁场传感器（空心线圈），空心线圈的噪声来源包括两部分，线圈本身与放大电路（，），开展低噪声优化的主要工作是开发低噪声放大电路为同时兼顾低噪声与宽频带，我们采用先低噪声后宽频带的设计研发策略设计出基于管级并联的混合放大电路（如图所示），采用只结型场效应晶体管（）并联，并与 和 共同构成自举共源共栅电路，由犚 与犚 提供偏置电压，并配合 供电电压，有效抑制了米勒效应，同时减小了共模失真此外，在整体上实现在低频端（）电压噪声不高于 （槡），高频端（）电流噪声不高于 （槡）由此完成传感器噪声性能优化设计，经测量系统时域噪声为 阻尼系数（，）越大，传感器灵敏度曲线上的线性段带宽越小，但如果简单通过减小 来提升传感器线性带宽，则会导致传感器的适用性减弱我们采用自适应可变阻尼技术拓展宽，如图所示，通过自动控制方法，引入基于野外实际情况的反馈调解和实时可编程高精度逻辑电路，实现电阻值精确匹配，从而获得更加可靠的大带宽观测信号实际操作过程类似于传统装备进入新测区后的标定过程，通过测试获得当前测区的最优阻尼值，并在整个测区保持参数稳定自适应可变阻尼模块主要由反馈电路，微控制器（）和可编程电阻器组成，反馈电路采集输出电压犞 ，经过调理电路 对 其 进 行 放 大、滤 波，之 后 输 入；在 中对数据早期特征进行分析，根据分析结果推测幅度与相位的失真程度，并以之为依据生成地 球 物 理 学 报（）卷图基于管级并联的混合放大电路 图自适应可变阻尼技术方案示意图 匹配电阻调整值；进而通过串行数据（）和串行始终（）两条数据线将匹配电阻调整方案传递给可编程电阻器，实现对阻尼电阻的自适应调节采用的可编程电阻器是电路中的核心器件，它是一种代替传统机械电位器（模拟电位器）的新型 数字、模拟混合信号处理的集成电路，可实现阻尼电阻值犚在 之间精细调节，从而实现传感器 对应在 至 之间自适应调节如图所示，实验室中实测了传感器的幅频响应可以看到，不加匹配阻抗时（红色曲线），曲线存在一个主尖峰（低频端的毛刺为实验室中的环境干扰），其对应频率即谐振频率由实测曲线可见，传感器的谐振频率约为 蓝色曲线描述阻尼系数为 时的情况，可以看到，其偏离线