瞬變電磁法弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法（ Transient Electromagnetic Method簡(jiǎn)稱(chēng)TEM）是探測(cè)地下介質(zhì)電性參數(shù)等信息的重要方法之一，在礦產(chǎn)勘探、地下水探測(cè)、工程監(jiān)測(cè)和土壤鹽堿化調(diào)查等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它以向接地導(dǎo)線(xiàn)或不接地回路發(fā)射雙極性矩形脈沖電流做為激勵(lì)場(chǎng)源（稱(chēng)為一次場(chǎng)） ，當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)，在地下導(dǎo)電性的介質(zhì)或地質(zhì)體中感生渦流形成瞬變二次磁場(chǎng)。在一次場(chǎng)間隙時(shí)間內(nèi)測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減響應(yīng)，即TEM二次場(chǎng)感應(yīng)信號(hào)，通過(guò)選擇不同的時(shí)間窗口進(jìn)行觀(guān)測(cè)，獲得不同勘探深度地質(zhì)體的電性參數(shù).

在TEM方法中，一種稱(chēng)為中心回線(xiàn)的組合方式應(yīng)用較廣，即在發(fā)射回線(xiàn)的中心點(diǎn)，用可視為偶極的小型線(xiàn)圈Rx接收（即中心回線(xiàn)裝置，見(jiàn)圖1a）。當(dāng)發(fā)射回線(xiàn)Tx中的電流由I突然階躍下降為零時(shí)，在其周?chē)a(chǎn)生急劇的磁場(chǎng)，必然在周?chē)橘|(zhì)中激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，納比吉安（ Dabighian， 1979）所建立的“煙圈”理論指出，與發(fā)射電流同向的環(huán)形感應(yīng)電流環(huán)，其極大值隨著時(shí)間向下向外以速度ν（t）擴(kuò)散，形象地比喻象發(fā)射回線(xiàn)吹出的“煙圈”。在地表引起的瞬變磁場(chǎng)響應(yīng)鏡像等效于該時(shí)刻地下某一深度電流環(huán)。設(shè)均勻半空間的電阻率為ρ，得到電流環(huán)向下傳播的速度

在晚延時(shí)段，發(fā)射回線(xiàn)中心點(diǎn)瞬變電磁場(chǎng)垂直分量Hz（t）及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似表達(dá)式

式中I為發(fā)射電流， μ₀= 4P×10- 7 H/ m（空氣中導(dǎo)磁率） ， b為發(fā)射回線(xiàn)邊長(zhǎng)， AR為接收線(xiàn)圈有效面積。當(dāng)I、b、A R為常數(shù)，若能高精度地檢測(cè)瞬變電磁場(chǎng)或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E（ t） ，即TEM信號(hào)，就能計(jì)算出不同勘探深度電阻率，由此可推斷出某些地下地質(zhì)信息。早延時(shí)段的E（ t）信號(hào)反映淺層電阻率，晚延時(shí)段反映深部電阻率信息[ 2].2 TEM弱信號(hào)檢測(cè)TEM法屬于時(shí)間域電磁法，要測(cè)量的是隨時(shí)間衰減的二次場(chǎng)瞬變信號(hào)。TEM信號(hào)頻帶為0～n×103 Hz，動(dòng)態(tài)范圍大于130 dB，晚延時(shí)幅度處于nV量級(jí)，遠(yuǎn)小于外部噪聲。因此， TEM信號(hào)檢測(cè)器不僅要?jiǎng)討B(tài)范圍大、頻帶寬，而且要有高信噪比，能夠在較強(qiáng)、較復(fù)雜的干擾及噪聲背景下提取微弱的TEM信號(hào)，從而精確地觀(guān)測(cè)出整個(gè)瞬變過(guò)程。特別是晚延時(shí)（ TEM響應(yīng)尾部）信號(hào)，富含低頻成分，直接與深部探測(cè)目標(biāo)的電性參數(shù)有關(guān)，能從干擾、噪聲中提取晚延時(shí)弱信號(hào)，是提高儀器探測(cè)深度的關(guān)鍵。

2.1野外電磁噪聲分析

在TEM信號(hào)檢測(cè)中，采用低噪聲電子器件和必要低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)，儀器本身的噪聲已遠(yuǎn)低于外部電磁噪聲。如圖2所示，自行研制儀器短路噪聲有效值為0.875μV，而外部噪聲達(dá)到2.8 mV.表1歸納了外部噪聲的類(lèi)型、特征及對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響。

2.2 TEM信號(hào)檢測(cè)方法與同步采集系統(tǒng)

對(duì)于一個(gè)給定量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量并取其平均值借以提高精度的原理可能與試驗(yàn)科學(xué)本身具有同樣悠久的歷史。但是，只有電子儀器有了相當(dāng)大的進(jìn)展后，才能把這種簡(jiǎn)單的方法直接用于物理學(xué)和化學(xué)的信號(hào)探測(cè)器中.

在TEM信號(hào)檢測(cè)中，采用方波電流激勵(lì)，將階躍激勵(lì)下的非周期信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成多次重復(fù)負(fù)階躍激勵(lì)下的周期信號(hào)檢測(cè)；必須引起注意的是方波的上升沿（前沿）同樣激發(fā)瞬變響應(yīng)，因此設(shè)計(jì)激勵(lì)電流波形占空比為1∶1.TEM信號(hào)的頻率范圍為0～n×10³Hz，必須保留直流成份，故在整個(gè)放大電路中，不允許加隔直電容，否則前級(jí)的失調(diào)及溫度漂移到輸出級(jí)后會(huì)被放大。TEM信號(hào)檢測(cè)是采用雙極性同步取樣積分（疊加）技術(shù)，通過(guò)硬件換向開(kāi)關(guān)或軟件相減來(lái)消除系統(tǒng)直流分量的。

模擬電子取樣積分器是獲取某個(gè)時(shí)間窗口弱信號(hào)檢測(cè)的經(jīng)典技術(shù)，采用多個(gè)模擬電子取樣積分器，嚴(yán)格控制其取樣順序，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)間窗口信號(hào)的高精度檢測(cè)。然而，這種模擬式同步取樣積分檢測(cè)方法具有信號(hào)道數(shù)較少（受到積分器個(gè)數(shù)限制） ，時(shí)間窗口固定，對(duì)積分電路精度和一致性要求刻苛等缺點(diǎn)，特別是對(duì)TEM早期衰減信號(hào)分辨率低.采用高速高精度A/ D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)同步采集與數(shù)字迭加軟件積分是新型TEM儀器的主要技術(shù)。充分運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性和非線(xiàn)性處理算法相結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理和非實(shí)時(shí)處理相結(jié)合，簡(jiǎn)化了儀器硬件，可根據(jù)需要由軟件靈活設(shè)置TEM信號(hào)采集長(zhǎng)度及時(shí)間窗口。