大动态范围的三通道时域电磁采集系统及信号预处理方法
本发明属于瞬变电磁探测领域，特别涉及一种大动态范围的三通道时域电磁采集系统及信号预处理方法。
背景技术：
1、瞬变电磁法探测技术，使用接地回线或者不接地线源向地下发射一次场信号。一次场作用地下目标体，由于涡流效应，进而产生二次场信号，通过接收线圈或者超导量子干涉仪(squid)可以对二次场信号进行接收。对接收到的信号进行数据处理和解释，可以获得地下介质中丰富的电性信息。瞬变电磁法探测深度大，使用便捷，是目前地球物理勘探技术的主要方法之一，在地下资源勘探、城市地下空间探测、工程地质勘探、地下水资源与环境保护等领域有着广泛的应用。
2、二次场信号容易受到干扰。二次场信号与发射线圈产生的一次场信号，一同被接收设备接收，导致二次场信号被淹没在一次场中，丢失浅层探测信息；在发射设备中的开关器件关断瞬间，会出现电流振荡的现象。理想发射桥路开关关断，经二极管续流，实际电路中存在感生电感，在续流回路上产生阻碍电流变化的电压，由于关断时间很短，导致阻碍电流变化的电压幅值很大，从而产生振荡。使用振铃吸收电路可以对振荡进行吸收衰减，但仍然存在残余电流产生的一次场，作用于地下目标体进而产生二次场，影响勘探结果，导致实践勘探与理论模型不符。上述干扰对瞬变电磁法勘探结果有着重大的影响，限制了瞬变电磁法的进一步发展与应用。
3、目前，通常使用示波器观测发射电流波形，但无法精确记录残余电流，导致瞬变电磁数据解释不明确。
技术实现思路
1、第一方面，本发明提供一种大动态范围的三通道时域电磁采集系统，解决浅层探测存在盲区、数据解释不准确的问题。
2、第二方面，本发明还提供一种信号预处理方法。
3、本发明是这样实现的，
4、一种大动态范围的三通道时域电磁采集系统，所述采集系统包括：接收线圈、电流传感器、信号调理电路、变采样率数据采集模块以及主控电路；其中：
5、所述接收线圈用于接收瞬变电磁发射系统激励产生的瞬变电磁响应；
6、所述电流传感器为两个分别采集发射电流信号以及接收线圈中的电流信号；
7、所述信号调理电路用于调理电流传感器采集的电流信号；
8、所述主控电路用于产生时序信号，控制变采样率数据采集模块，基于时序控制变采样率方法，采集不同阶段的发射电流信号以及接收线圈中的电流信号。
9、进一步地：电流传感器包括采集发射电流信号的电流传感器以及采集接收线圈中电流信号的电流传感器，其中采集发射电流的电流传感器包括：大量程传感器和小量程传感器，所述大量程传感器全程工作，记录电流的完整波形及电流幅值、关断时间及电流下降沿信息；
10、电流下降阶段，发射电流幅值随时间减小，当发射电流幅值降低至小量程传感器量程时，主控电路控制小量程传感器工作，记录残余电流，直至发射电流再次上升至超出小量程传感器量程范围，小量程传感器停止工作；
11、电流传感器的工作时序通过主控电路控制。
12、进一步地：基于时序控制变采样率方法指的是：在发射电流上升沿和平顶段，采用低采样率数据采集；在发射电流下降沿和残余电流阶段，采用高采样率数据采集；
13、其中，变采样率数据采集模块对电流波形进行连续采集，低采样率数据采集为30～100ksps，高采样率数据采集为500～800ksps。
14、进一步地：电流传感器对电流信号采样后，信号调理电路对采集得到的电流信号进行放大及滤波，在信号调理电路的乘法器中使用与被测信号同频的参考信号，与被测信号进行乘法运算，得到差频信号与和频信号，并利用低通滤波器，滤除噪声，仅保留差频信号。
15、进一步地：所述接收线圈与瞬变电磁发射系统的发射线圈及补偿线圈同心共面放置，其中，补偿线圈与瞬变电磁发射系统的发射线圈同心共面放置，缠绕方向与所述发射线圈相反。
16、一种信号预处理方法，所述信号为通过大动态范围的三通道时域电磁采集系统采集的信号，所述预处理方法按顺序依次进行：线圈过渡过程校正、一次场剔除以及斜阶跃影响校正，其中：
17、所述线圈过渡过程校正包括：采集的瞬变电磁响为应含过渡过程的时间域的感应电压u(t)，对接收线圈进行等效后，利用电压、电流关系得到接收线圈固有的时间域的接收线圈系统冲激响应h(t)，使用基于快速傅里叶逆变换的频率域解卷积算法校正线圈过渡过程，求取不含过渡过程的时间域的感应电动势ε(t)；时间域的感应电压u(t)、时间域的感应电动势ε(t)、时间域的接收线圈系统冲激响应h(t)关系表示为：
18、u(t)＝ε(t)*h(t) (1)
19、频率域的感应电压u(ω)、频率域的感应电动势ε(ω)、频率域的接收线圈系统冲激响应h(ω)的关系表示为:
20、u(ω)＝ε(ω)×h(ω) (2)
21、ε(ω)＝u(ω)/ h(ω) (3)
22、通过快速傅里叶逆变换得到校正后不含过渡过程的时间域的感应电动势:
23、ε(t)＝ifft[ε(ω)] (4)
24、所述一次场剔除包括：时间域的感应电动势ε(t)含有一次磁场产生的一次感应电动势ε1(t)和二次磁场产生的二次感应电动势ε2(t)，设接收线圈与发射线圈之间的互感mfj，采集系统得到的发射电流if，关断时间为tr，得到公式(5)的关系式：
25、
26、从时间域的感应电动势ε(t)中剔除一次感应电动势ε1(t)，得到二次感应电动势ε2(t)，为：
27、ε2(t)＝ ε(t)-ε1(t) (6)
28、所述斜阶跃影响校正包括：基于奇异值分解方法，将采集系统得到的瞬变电磁响应进行解卷积计算，还原至阶跃波感应电动势，阶跃波激励下的感应电动势曲线为e指数衰减，将衰减曲线用一系列e指数和的形式进行分解，具体包括：设采样时间间隔为δt,选取n个基函数，则阶跃波激励下的感应电动势v(t)在离散时间下被分解为：
29、
30、其中ai为分解系数，τi为时间常数，m为采样样本数量；
31、阶跃波激励下的磁场响应bs(t)与阶跃波激励下的感应电动势v(x)存在如下微分关系：
32、
33、计算得到阶跃波激励下的磁场响应为：
34、
35、在时间域，瞬变电磁系统的脉冲磁场响应h(t)和阶跃波激励下的磁场响应bs(t)存在关系如下：
36、h(t)＝-dbs(t)/dt (10)
37、通过卷积公式得到斜阶跃电流i(t)激励下的磁场响应b(t)：
38、
39、斜阶跃波激励下的感应电动势即时间域的感应电动势ε(t)与斜阶跃电流i(t)激励下的磁场响应b(t)存在如下微分关系：
40、
41、结合式(7)得：
42、
43、其中为新的基底，aiτi为分解系数，将分解系数aiτi与原基底重新结合，得到阶跃波激励下的磁场响应bs(t)，进行微分运算，求解阶跃波激励下的感应电动势，完成解卷积计算，从斜阶跃激励响应中还原阶跃波激励响应。
44、本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明增大了瞬变电磁发射电流波形测量的动态范围，在完整记录电流波形的同时，能够准确记录微安级残余电流；采集系统能够同时采集、存储电磁响应及发射电流信号，方便后续数据预处理及反演解释；本发明方法针对线圈过渡过程、一次场影响及斜阶跃效应进行了校正及剔除，解决了浅层探测存在盲区、数据解释不准确的问题，有利于实现浅地表资源的精细化勘探。
技术特征：
1.一种大动态范围的三通道时域电磁采集系统，其特征在于，所述采集系统包括：接收线圈、电流传感器、信号调理电路、变采样率数据采集模块以及主控电路；其中：
2.根据权利要求1所述的大动态范围的三通道时域电磁采集系统，其特征在于：电流传感器包括采集发射电流信号的电流传感器以及采集接收线圈中电流信号的电流传感器，其中采集发射电流的电流传感器包括：大量程传感器和小量程传感器，所述大量程传感器全程工作，记录电流的完整波形及电流幅值、关断时间及电流下降沿信息；
3.根据权利要求1所述的大动态范围的三通道时域电磁采集系统，其特征在于：基于时序控制变采样率方法指的是：在发射电流上升沿和平顶段，采用低采样率数据采集；在发射电流下降沿和残余电流阶段，采用高采样率数据采集；
4.根据权利要求1所述的大动态范围的三通道时域电磁采集系统，其特征在于：电流传感器对电流信号采样后，信号调理电路对采集得到的电流信号进行放大及滤波，在信号调理电路的乘法器中使用与被测信号同频的参考信号，与被测信号进行乘法运算，得到差频信号与和频信号，并利用低通滤波器，滤除噪声，仅保留差频信号。
5.根据权利要求1所述的大动态范围的三通道时域电磁采集系统，其特征在于：所述接收线圈与瞬变电磁发射系统的发射线圈及补偿线圈同心共面放置，其中，补偿线圈与瞬变电磁发射系统的发射线圈同心共面放置，缠绕方向与所述发射线圈相反。
6.一种信号预处理方法，所述信号为通过权利要求1-5任一一项所述的大动态范围的三通道时域电磁采集系统采集的信号，其特征在于，所述预处理方法按顺序依次进行：线圈过渡过程校正、一次场剔除以及斜阶跃影响校正，其中：
技术总结
本发明属于瞬变电磁探测领域，特别涉及一种大动态范围的三通道时域电磁采集系统及信号预处理方法，所述采集系统包括：接收线圈、电流传感器、信号调理电路、变采样率数据采集模块以及主控电路；其中：所述接收线圈用于接收瞬变电磁发射系统激励产生的瞬变电磁响应；所述电流传感器为两个分别采集发射电流信号以及接收线圈中的电流信号；所述信号调理电路用于调理电流传感器采集的电流信号；所述主控电路用于产生时序信号，控制变采样率数据采集模块，基于时序控制变采样率方法，采集不同阶段的发射电流信号以及接收线圈中的电流信号。本发明方法针对线圈过渡过程、一次场影响及斜阶跃效应进行了校正及剔除，解决了浅层探测存在盲区、数据解释不准确的问题，有利于实现浅地表资源的精细化勘探。
技术研发人员：嵇艳鞠,林景隆,邱仕林,王枫尧,王世鹏,王维一,王远
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23