瞬变电磁仪工操作规程

瞬变电磁仪工操作规程（精选3篇）

瞬变电磁仪工操作规程 第1篇

淮北矿业（集团）公司矿井瞬变电磁仪试用管理办法

一 总 则

第一条 为贯彻落实安徽省政府安委会办公室皖安办明电„2013‟12号文件和《安徽省煤矿防治水与水资源化利用管理办法》（皖经信煤炭„2013‟128号）规定要求，根据《煤矿防治水规定》和公司《关于淮北矿业水文物探队伍建设及物探装备配臵的通知》（淮矿地测﹝2013﹞235号）文件的相关规定，有效防范陷落柱水害事故，特制定本办法。

第二条 矿井应坚持“物探超前、递进掩护；有掘必探、有疑必钻”的陷落柱水害防治原则，严格落实“三级水害隐患筛查”防范措施，提高地质预报的时效性和准确性。

第三条 矿井应根据采掘计划，制定超前物探计划，超前安排物探查疑、钻探验证及注浆加固工作，保证矿井生产正常接替。第四条 超前物探的范围：井下所有煤岩巷掘进工作面（沿空送巷、6（10）煤保护区范围除外）。

第五条 加强物探作业人员培训。物探仪器生产厂家派驻2名技术人员对试用矿井所有物探作业人员进行培训，采取地面集中轮训和井下现场操作实训的方式。培训由矿总工程师负责组织，培训内容包括：陷落柱的形成机理、赋存形态、对矿井安全生产的危害、突水前兆和基本防治方法等；瞬变电磁勘探基本原理、仪器操作、现场数据采集、数据处理与资料解释和典型探测案例等。确保参训人员能了解陷落柱的形成机理，充分认识到陷落柱对矿

井安全生产的危害及探查与防治的重要性，能够熟练操作仪器进行现场数据采集，正确进行数据处理与资料解释，并能够解决探测过程中的常见问题。

二 组织领导

第六条 公司总工程师是物探工作的分管领导，地测处是物探工作的业务主管部门，负责组织物探技术的考察与引进推广，负责物探仪器的选型和分配，负责组织物探工作的检查和考核。

第七条 矿井成立物探工作领导小组和物探工作小组。矿井物探工作领导小组：矿应成立由矿长任组长，矿总工程师任副组长，地测副总工程师负责日常工作的的瞬变电磁仪试用工作领导小组，按淮矿地测[2013]235号文要求，落实试用地点、人员配备与培训，建立岗位责任制和工作程序，制定瞬变电磁仪试用实施计划，并严格落实。

物探工作小组：由矿总工程师任组长，地测、掘进副总工程师任副组长，地质（副）科长、生产技术科长、生产技术科分管掘进技术负责人、水文物探技术员、地质技术人员、掘进区队负责人为成员。负责每月制定工作计划、按计划完成物探工作、及时分析解释物探数据、及时发放物探成果通知书、管理与维护物探仪器、管理物探成果资料、每月进行一次物探工作总结与对比分析、对物探技术的引进和仪器选型提出建议意见。物探工作组成员应相对稳定。

第八条 矿井应根据井型配备至少2名专（兼）职物探技术人员；采掘区长为物探具体实施主要负责人，负责现场物探环境 的准备，监督探测实施情况，区队跟带班干部负责现场数据采集，物探作业人员不得随意调整。承担瞬变电磁仪试用工作的掘进区队，应重新修订掘进正规循环作业图表，将超前物探纳入开工准备的内容，并制定补充安全技术措施，经审批后执行。

第九条 物探作业人员必须按第五条规定经过培训后才能上岗，且每年要进行至少一次物探学习培训。各矿地测副总程师、分管地质副科长、水文物探及地质技术员、区队管技人员均要掌握物探技术。

第十条 物探工作组到井下探测采集数据时，应提前通知施工队,施工队应按物探所要求的现场环境进行准备,施工队现场作业人员必须无条件配合，以减少干扰信号；现场施工队的跟班队干负责落实人员清理物探点的浮渣浮矸和其它干扰物质。

三 物探管理流程

第十一条 掘进工作面按照循环超前探查的方式进行超前物探，管理流程为：申报→物探→资料上报→具体分析→制定方案→反馈。即各采掘区队依据上次物探距离和本队施工进度，在确保物探超前距30m的前提下，申报物探工程。申报后到地测科领取物探仪器，现场具体实施物探工程，现场根据仪器显示的物探结果，判断前方异常体的位臵，初步确定巷道正常施工、暂停再探等处臵方案，再提交物探成果，交回物探仪器。地测科根据上报的物探资料，具体分析、资料管理和必要时进一步的处理解释（对不能排除的疑点联系地测处物探科安排复查、复验），制定方案。各采掘区队收集井下现场物探段施工的具体情况，并反馈

地测科，由地测科存档入库。

第十二条 物探的频次，岩巷每周进行一次超前物探，煤巷根据施工进度安排，不少于每周一次。物探仪器试用期间为提高物探仪器效能、工作效率和测试的准确度，加强物探作业人员培训，按照每天一次进行物探测试，测试结果要与常规仪器测试成果对比分析，结果不一致的要分析原因，并提出改进措施。

四 现场数据采集

第十三条 每次采集数据前，必须提前足够的时间对仪器进行充电；检查仪器及其附件的完好情况，发现问题应及时处理；明确仪器及其附件搬运分工；明确探测目的和方法。

第十四条 工作组到达现场后，由现场负责人向小组成员详细介绍施测方法，明确现场人员分工。

第十五条 探测前，应将迎头附近的浮渣浮矸清理干净，综掘机等大型金属设备退后迎头不少于10m，机电运输设备停电、排除积水等，做好现场地质及干扰因素描述记录，控制探测点位臵。

第十六条 按照现场确定的施测方法初步设臵采样频率、采样道数、时间等仪器参数，按照设计方向进行探测，并做好现场记录。

第十七条 现场采样前，要对底板进行采样试验，获取无金属干扰原始数据2组，作为后期数据处理时进行U型钢等金属干扰校正的背景值。

第十八条 掘进工作面必须先物探后掘进，并保持30m的物

探超前距，严格执行允许掘进通知单制度。每次物探后在探测点附近设臵物探标记线，设立物探管理牌板，严格掌握掘进进度，现场物探管理牌板、调度进尺台帐、掘进队进尺台帐和地测部门的物探工作台帐必须实现“四统一”。物探牌板悬挂在指定位臵，由区队负责管理，每次物探结束后，由物探操作员在该牌板上用醒目字体标明“由此向里允许掘进×m” 进行下次物探，施工区队按照安全距离进行施工，严禁超掘。

物探结束后，24小时内提交物探报告并经地测副总、总工程师审批，确保巷道前方无水害威胁，方可安全掘进。

第十九条 预计掘进工作面邻近相邻巷道已揭露的地质构造或地质异常时,应提前采用物探进行超前探测,并作好分析验证工作。

五 仪器管理与维护

第二十条 物探仪器是精密电子仪器，每一台物探仪必须明确一名物探工作组成员负责保管，不用时存放于仪器柜中。

第二十一条 不得野蛮搬运物探仪器，因搬运或操作不当,造成损坏物探仪器的，视情节轻重由矿确定赔偿比例。

第二十二条 现场探测操作时，必须爱护仪器和电线电缆。电线电缆铺设要规范，不能打结成团，注意敲帮问顶，避免浮矸砸伤人和砸坏仪器设备。

第二十三条 现场采集结束，仪器交回地测科前，保管人员必须将仪器、电线电缆擦拭干净，检查电线电缆有无破损。

第二十四条 每季度要在地面对物探仪器进行一次性能检

测，如果发现物探仪器有故障，必须查找原因，进行处理。如果不能处理，及时报告并联系厂家进行修理。

六 物探资料管理

第二十五条 现场物探采集完成后，应在8小时内将物探仪采集的数据传输到办公室电脑内，采用专门的计算机硬盘目录进行管理，一种仪器数据单独存放一个目录，目录名：“XX物探仪现场采集数据”。矿井应按照巷道分类或者探测目的建立子目录。

第二十六条 经地质部门研究后确定采用的物探分析成果资料必须建立一个专门的计算机硬盘目录进行管理，目录名：“XX物探仪分析成果资料”。各矿还应按照巷道分类或者探测目的建立子目录。

第二十七条 个人分析的物探阶段资料，必须每人单独建立一个计算机硬盘目录进行管理，各存各的目录，目录名：“XX物探仪XXX人分析资料”。

第二十八条 计算机内存放的物探采集数据、成果资料、个人中间分析资料达到一定量后，必须及时刻录光盘保存。每年至少刻录光盘一张。

第二十九条 每一个地点的物探分析成果资料至少保存纸质原件一份，集中保存。必须经主要分析人、地质技术负责人、地测科长、地测副总、总工程师审签。

第三十条 矿井应采用统一的《物探成果通知书》格式，《物探成果通知书》必须经主要分析人、地质技术负责人、地测科科长、地测副总工程师、总工程师审签。

第三十一条 物探探测后，必须在24小时内发放《物探成果通知书》。探测到危及安全的隐患时，必须先停止采掘活动，出井后立即分析解释、发放《物探成果通知书》。

第三十二条 每一个采区必须选择已知情况进行条件试验。包括穿层探测试验、顺层探测试验、可采煤层顺层探测试验。试验数据集中保存到“XX物探仪条件试验资料”目录中。矿井还应按照巷道分类或者试验目的建立子目录。

第三十三条 物探成果有其它实测资料或者钻探资料印证，有地质综合分析成果时，则发放《地质预报通知书》，不再发放《物探成果预报书》。

七 物探资料分析总结

第三十四条 每次现场物探完成后，必须在8小时内，利用专门的处理软件进行资料解释分析，形成物探成果。

第三十五条 物探解释分析应先由两个技术人员分别独立进行，然后再一起研究，形成基本一致的物探成果。

第三十六条 矿井每月至少召开一次物探工作总结会，总结前期的工作，研究和解决工作中存在的问题，制订或调整物探总体规划和实施计划。

八 责任与奖罚

第三十七条 矿井各施工单位要高度重视物探工作，由各单位主要负责人负责此项工作，若发现故意拖延、阻挠物探工作，每发现一次罚区队2000元，负责人500元，主管队长500元，跟班队长200元。

第三十八条 在物探施工中，各相关区队必须做好配合工作，因私自开动绞车或工作面机电设备造成物探仪器损坏的照价赔偿，并视情节严重给予500-5000元罚款。

第三十九条 出现弄虚作假现象，每发现一次对责任人罚款200元。

第四十条 在煤岩巷工作面允许掘进范围内施工，不准超掘，每超掘1m，对施工区队处以2000元罚款，超掘距离为无效进尺。

第四十一条 本制度自下发之日起执行。

一种新型瞬变电磁仪发射电路设计 第2篇

关键词：瞬变电磁发射机,发射电路,FPGA,快速关断

0 引言

瞬变电磁法 (Transient Electromagnetic Method, TEM) 是目前水文地质勘查中广泛应用的一种物探方法, 其基本原理是在发射线圈中通入电流后产生一次磁场, 地层中的低阻体在一次磁场激励下产生二次涡流, 电流断开后接收线圈接收二次涡流产生的二次磁场, 通过分析接收到的感应电动势确定低阻体的位置和大小[1]。

瞬变电磁仪主要由瞬变电磁发射机、接收机、发射线圈及接收线圈组成。其中瞬变电磁发射机是瞬变电磁仪的重要组成部分, 而发射脉冲波形的上升沿和下降沿时间、线性度、尖峰电压等是发射机性能的重要参数。改善发射波形下降沿时间以及线性度, 可以在一定程度上提高瞬变电磁仪测量的准确性[2]。

目前的瞬变电磁发射机的控制电路主要采用单片机和ARM芯片作为核心控制芯片。单片机的中断资源较少, 相比FPGA (Field Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列) 芯片, 单片机的处理速度也是有限的, 要达到运行千赫兹级别的中断逻辑非常困难, 往往需要外加分频器实现, 外围电路的增加会导致整体电路的调试难度增加, 成本也会相应增加。而FPGA具有强大的数字运算和分频能力、丰富的I/O口资源, 因此, 在实现复杂功能时也无需扩展外围元件, 降低了整体系统的复杂程度。

针对以上问题, 为提高瞬变电磁仪测量的准确度, 本文设计了基于FPGA控制的瞬变电磁仪发射电路, 该电路通过RS232接口与上位机实现数据交互, 实现了对瞬变电磁仪发射机的有效控制;同时, 利用H桥原理设计并优化发射主电路, 实现了对发射电流的超短时间关断, 并且具有较高的稳定性。

1 发射电路设计

瞬变电磁仪发射电路由控制电路、驱动电路、发射主电路和吸收保护电路等组成, 如图1所示。该电路可输出任意脉宽的周期矩形波, 同时具备数据存储功能。

1.1 控制电路设计

控制电路采用基于Spartan-6FPGA数字系统开发平台的NexysTM3开发板设计。FPGA负责产生控制序列, 采用直接数字合成技术, 内部设计有DDS (Direct Digital Synthesizer, 直接数字频率合成器) 信号发生单元, 通过预先保存信号的幅度值构成一个波形表, 再根据设定的频率, 以一定的速度 (在波形表中取值的步进) 将存储的幅度值以数字信号的形式发送出去, 相应的数字信号幅度会驱动DAC (Digital to Analog Converter, 数字/模拟转换) , 进而产生模拟输出信号;将该模拟信号作为激励信号源, 经过电平隔离后发送到功率放大器中, 产生功率足够大的信号并输出, 实现将直流电压信号逆变为PWM (Pulse Width Modulation, 脉冲宽度调制) 电流信号的过程。由于作业场所普遍存在的工作电缆、通信光缆等产生的工频信号是瞬变电磁探测的主要干扰源之一, 目前普遍采用的做法是将一次场信号的频率设为50Hz的分频以滤除干扰。该控制电路部分的时钟是基于DCM (Digital Clock Managers, 数字时钟管理模块) 分频技术设计的, 通过对系统时钟进行频率综合, 相位偏移等操作, 得到3种可选的发射频率 (6.25, 12.5, 25 Hz) 。此外, 通过上位机发送指令至FPGA, 可实现频率选择、波形占空比、电流发射次数等的控制。

1.2 驱动电路设计

驱动电路通过控制发射主电路中的功率MOSFET开启与关断实现对发射电路的逻辑控制, 输出设定频率的矩形波。本文设计的驱动电路如图2所示, 采用EXB841作为核心芯片。EXB系列模块是IGBT及功率MOSFET驱动集成模块, 驱动信号延迟最大为1.5μs, 并且自带光耦隔离电路和过流保护电路, 可大大简化驱动电路的设计, 提高系统集成度, 增加系统稳定性[3]。EXB841驱动主要包含3个工作过程:正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。EXB841模块的14号、15号引脚作为信号输入端与控制电路相连, 由控制端产生的PWM信号控制产生15V驱动信号。

针对EXB841在实现软关断保护功能时可能出现的关断延迟以及不可靠问题, 在4号引脚和5号引脚之间连接一个可变电阻, 在4号引脚和地之间连接一个电解电容, 通过改变电阻和电容的参数调节关断时间, 改善软关断保护功能[4]。栅极电阻R是影响驱动电路驱动效果的关键因素之一, 该电阻两端分别连接EXB841的3号引脚和功率MOSFET的栅极, 合适的R取值可以改善功率MOSFET关断时间和前后沿陡峭度, 一般R取值为5~10[Ω5]。6号引脚通过一个超快恢复二极管接MOSFET的源极实现过压保护, 稳压管取值越大, 则允许过流的电流值越小。

1.3 发射电路设计

H桥路是目前大多数瞬变电磁仪普遍采用的电能转换电路, 通过操作控制电路完成对脉宽和频率参数的设定, 连接驱动电路就可以实现对H桥上的MOSFET或IGBT等元器件的有效开关控制, 将直流电源转变为瞬变电磁测量所需的发射波形[6]。本文通改进H桥结构, 实现缩短波形的下降沿时间, 降低尖峰电压值, 最终达到改善下降沿波形的目的。H桥路发射电路如图3所示。

将桥路的每个周期分为4个阶段 (图4) :Q2、Q4导通阶段, Q3、Q4导通阶段, Q1、Q3导通阶段和Q1、Q2导通阶段, 利用本文所设计的EXB841驱动电路, 实现了对MOSFET控制策略的改变。同时, 该电路的连接方式避免了传统H桥的死区问题。

考虑到发射电路设计的额定功率较小, 再综合考虑MOSFET内阻、关断时间等因素, 选择较为常用的IRF9540和IRF540分别作为H桥路的上臂和下臂。其中, IRF540的连续漏电流可达23A, 脉冲漏电流可达92A, 开启延迟时间为8ns, 开启上沿时间为39ns, 关闭延迟时间为26ns, 关闭下沿时间为24ns, 符合设计要求。IRF9540与IRF540有相似的电特性和极限值。

1.4 吸收保护电路设计

由于MOSFET开关过程中有过电压和过电流产生, 所以必须设计合适的吸收保护电路。常用的吸收电路分为du/dt吸收电路和di/dt吸收电路。本文在所设计的发射电路中采用了成熟的RCD缓冲电路作为MOSFET的吸收保护电路, 其工作原理:当MOSFET关断时产生尖峰电压, 电容通过二极管限制MOSFET上的电压突变, 吸收关断能量;关断后, 电容、二极管和电阻形成放电回路, 通过电阻释放能量[7]。该电路的电容一般选择无感电容, 比如钽电容和CBB电容。二极管一般选用快恢复二极管。

2 试验验证

对所设计的电路进行了整体运行试验, 通过观测负载两端电压变化和分析放大信号下降沿等手段对电路性能进行评估。

试验通过上位机设定控制信号频率为6.25Hz, 占空比为50%, 驱动信号时序如图5所示。稳压电源接DC/DC电源模块为发射电路提供电压, 调节模块使发射电路两端供电电压为12V, 发射端负载为高功率10Ω电阻。

通过示波器对图3中的A、B点进行电压观测, 结果如图6所示。A、B两点的电压交替变化, 很好地避免了H桥路存在的死区问题, 2个桥路单臂无相互间干扰, 发射电路输出脉冲波形稳定, 无明显振荡和过压现象出现。

对下降沿进行局部放大分析, 如图7所示, 由于MOSFET存在极间电容、关断延迟和电路元器件布局等因素影响, 电流不能突变, 所以下降沿开始和结束阶段会存在电压振荡现象。本文设计的发射电路输出脉冲高压值为12V, 由图7可知, 最大尖峰电压值为16V, 过压仅为1.33倍, 振荡持续时间为500ns。下降沿线性度良好, 从开始的电压最高点到电压稳定点时间仅为700ns, 与现有瞬变电磁仪的关断时间大于20μs相比较, 有较好的关断效果。

3 结语

基于FPGA控制的瞬变电磁仪发射电路通过改进H桥电路的结构和控制方式, 实现了PWM信号对发射信号的有效控制, 缩短了发射信号波形的下降沿时间, 提高了线性度, 较目前瞬变电磁关断波形有所优化。试验结果表明, 该电路具有良好的稳定性, 有利于提高浅层勘探用瞬变电磁仪的性能。

参考文献

[1]付志红, 周雒维.瞬变电磁法高动态电流陡脉冲发射电路研究[J].中国电机工程学报, 2008, 28 (33) :44-48.

[2]李俊唐, 付志红, 苏向丰, 等.梯形脉冲瞬变电磁发射机[J].电测与仪表, 2012, 49 (2) :72-75.

[3]田颖, 陈培红, 聂圣芳, 等.功率MOSFET驱动保护电路设计与应用[J].电力电子技术, 2005, 39 (1) :73-74.

[4]丁祖军, 郑建勇, 梅军, 等.基于EXB841的IGBT驱动电路设计及优化[J].电力自动化设备, 2004, 24 (6) :37-40.

[5]孙佃升, 白连平.一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计[J].微电机, 2007, 40 (6) :98-100.

[6]徐立忠.基于ATEM-Ⅱ的改进型电磁法发射系统设计与实现[D].长春:吉林大学, 2008.

瞬变电磁仪工操作规程 第3篇

瞬变电磁法(Transient electromagn_etic methods)或者称为时间域电法(Time domain electromagnetic methods)是一种电磁探测方法,具有应用效果好,探测深度大,应用领域广泛等优点,具有广阔的应用前景[1,2,3]。近年来,由于近代电子技术及计算机技术的不断引入,国内外各生产厂家和研究机构,不断推出了智能化瞬变电磁仪。国外很多国家都推出了拥有自主知识产权的瞬变电磁仪 [4,5]。加拿大的仪器有:Geonics公司的EM系列。Crone 公司的PEM(Pulse EM系统)、DEEPEM系统、数字式PEM系统, 称为“DigitalPEM”。 Phoenix公司的V—5、6、8电测站;澳大利亚的仪器有: SIROTEM—Ⅰ、Ⅱ、SIROTEM—Ⅱ、SIROTEM—Ⅲ、ARTEMISTM TDEM、TerraTEM;美国的仪器中具有代表性的是Zonge公司的GDP—12、16、32Ⅱ;俄罗斯(包括前苏联)的仪器有:一类是用于矿产勘查的过渡过程法(МПП)仪器,另一类是用于深部构造测深的建立场法(ЗС)仪器。主要型号有МППО—1型、МППО—4型、МППУ—2型、Импулъс轻便型、Импулъе—ц数字化型、应用于勘查油气田的Цикл—2、4型及ЦЭС—1、2、3型数字站、TEM—FAST是俄罗斯近期产品,为工程勘查用的仪器;德国的仪器有:具有代表性的仪器是Metrontx公司的DEMS—Ⅳ系统。我国于20世纪70年代初期开始着手研制瞬变电磁仪系统,研制单位有高等院校、研究院所和仪器的生产厂家,如牛之琏和长沙白云仪器开发有限公司研发的SD系列瞬变电磁仪[1]、吉林大学及重庆地质仪器厂研发和生产的ATEM系列瞬变电磁仪[6,7]、重庆奔腾数控技术研究所的WTEM系列的瞬变电磁仪[8]、地球物理地球化学勘查研究所生产的WDC型及IGGETEM—20型瞬变电磁仪[9]、中国有色金属工业总公司北京地质矿产研究院的TEMS—3型瞬变电磁仪[10]、西安物化探研究所的EMR—2型瞬变电磁仪、中国地质大学(武汉)的CUGTEM—4型和CUGTM—GK1型瞬变电磁仪等。此外李实[11]、张建平、李晞[12]等也研发了相应的瞬变电磁仪。虽然国产仪器也很多,但与国外先进仪器相比,在准确性、稳定性、一致性、工艺性、部分技术指标等方面存在一定的差距。我国的地球物理仪器亟待发展,逐步改变目前主要依赖进口仪器的状况,是建设创新型国家和产业结构转移的内在要求,本文作者自己投资研发了LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪,虽然仪器还有不足之处,但对国产仪器拥有自主知识产权作出了贡献,对行内瞬变电磁仪的研发提供有利的参考。

1 LTEM—Ⅰ瞬变电磁系统

1.1 开发软件介绍

LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪采用的开发软件是LabVIEW图形化编程语言[13]。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称,是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。LabVIEW程序被称为VI(Virtual Instrument),即虚拟仪器。LabVIEW是一种工业标准图形化编程工具,在开发测试、测量与控制系统方面具有强大的优势,作者用LabVIEW研制的LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪界面美观,功能齐全,性能良好,在实验模拟研究、实际应用方面都取得了与理论和实际相符的正确的解释结果,具有良好的可靠性和适用性,采用LabVIEW研发瞬变电磁仪目前在国内也属首例。

1.2 LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪的工作原理

LTEM—Ⅰ型瞬变电磁仪是采用双极性矩形波供电,供电时利用发射线圈向地下发送一次脉冲磁场(通常称一次场),在其激发下,地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(通常称二次场),在一次场的间歇期间利用接收线圈来接收二次场,仪器将得到的二次场信息提取、存储、分析,从而达到探测地下地质体的目的。LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪的工作原理如图1所示。

LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪供电时,将一个周期T平均分为四个时期,即T1(正向供电)、T2(停止供电)、T3(负向供电)、T4(停止供电)。观测二次电位在T2与T4间歇期,对应得到V21和V22,最终的二次电位V2由V21和V22在对应的测量时间分别取平均值得到。

1.3 LTEM—Ⅰ瞬变电磁系统硬件的组成

瞬变电磁系统是由LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪主机(中央处理器)、供电电源、发射机、接受机、发射线圈、接收线圈组成,如图2所示。LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪供电电源不依靠大功率发电机组或大型电池组供电,12 V的干电池组即可,重量轻、体积小。LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪主机大部分采用NI公司的产品,主要由逻辑控制核心模块、光电隔离模块、过流、过压保护及断电保护模块组成,逻辑控制核心模块采用NI cRIO—9025设备,保证发射时间与接收时间的同步,由于瞬变电磁系统对噪声的抑制要求比较严格,故采用了光电隔离模块,产品选用宇泰科技生产的UT—211RS—232串口光电隔离器,它是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离,因而能有效地抑制系统噪声,消除接地回路的干扰,具有响应速度较快、寿命长、体积小、耐冲击等优点。仪器发射与接收部分专门制作了过流、过压保护及断电保护电路,使仪器具有良好的保护性与安全性。LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪接收机采用NI公司生产的USB—9239,24位A/D转换器,分辨率经过数字信号处理可达1 μV。LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪发射机采用NI公司生产的NI USB—9472便携式高压数字输出设备,该模块不仅具有集成式信号调理功能,实现高压输出,还具有通道-地面接地隔离,实现了安全、抗扰和高共模电压范围。LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪通过逻辑控制核心向发射发送发射信号,发射机接受信号后向发射线圈发送一次场,再通过接收机接收由接收线圈返回的二次电位,将得到的数据在PC机中进行存储与显示;LTEM—Ⅰ型瞬变电磁仪做到了采样与成图适时显示,对所做的测点、测线进行适时成图分析。这样的好处在于可以适时监控,如果在采样时发现有异常情况或者是其他的因素造成的假象可以及时发现、及时修改或者进行重新采样。节省了野外的工作时间以及人力物力,大大的提高了野外的工作效率。

1.4 LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪主要技术指标

LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪的主要技术指标如下:

工作频率:仪器默认的工作频率为25 Hz、6.25 Hz、2.5 Hz三种,操作用户也可以根据实际情况的需要来自定义仪器的工作频率;

LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪其主要技术指标和国内外仪器的对比见表1。

1.5 LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪数据采样特点

LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪对每个测点采样40道的数据,然后将40个数据以Excel表格进行保存, 通过对测点的40道数据的提取之后,将40个数据用曲线的形式表达出来,如图3所示是 40道V数据的衰减曲线。将一条测线的所有测点的40道数据各自对应连接起来,即测线所有点的第1测道的数据为一条曲线、第2道的数据为一条曲线、……第40道的数据为一条曲线,最终组成了40条曲线图,就是测线的剖面曲线图,如图4所示。假如得到的剖面曲线图比较平缓,则说明在探测的范围内没有异常体。若出现突出的曲线,则说明在探测的范围内,地下可能存在着异常体。

2LTEM—Ⅰ 瞬变电磁仪部分关键技术介绍

2.1 LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪关断时间的计算

瞬变电磁法的理想激发场源为周期性的双极性方波电流,但实际的发射电流关断需要一定的时间,此关断时间虽然很短(一般范围在5 μs—500 μs),但对早中期二次瞬变场的影响较大,浅部地质信息主要由早中期信号反映,因此,对于需要早中期信号的工作来说,必须精确的知道关断时间和进行关断效应校正,关断效应校正的论文已经有很多[14],这里只介绍LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪关断时间的计算。

关断时间的确定,一种方法是根据电流采样的零值点来确定,但这种方法在电流衰减的过程中,假如出现了数据震荡,衰减曲线将无限的接近“0”值,却没有过“0”时,那么此时方法一所求得的关断时间就不是准确的关断时间,得到的时间是由一部分的数据震荡造成的,其结果要远大于实际的关断时间。线性关断原理是另一种方法的基础,可以根据I=at+b的线性方程来计算,将50%发射电流左右的采样点设定为A点坐标为(t1,I1),10%发射电流的点设定为B点坐标为(t2,I2),通过计算系数a和b,再带入方程I=at+b来计算当I=0时刻的t值,减去停止供电那一刻的时间,即为所求的关断时间。

2.2 LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪小波分析去噪处理

瞬变电磁场的二次电位信号在晚期受噪声和随机误差的影响大,波动比较大,在对二次电位进行分析与处理前,必须对它进行去噪或滤波处理,常用的滤波方法只能获得信号中某一频带的信息,滤波处理后曲线不平滑,而小波分析[15]突破了傅立叶分析在时域上没有任何分辨率或只能在一个分辨率上进行的缺陷,可将信号中各种不同的频率成成分分解到互不重叠的频带上,具有多分辨率分析的特点,在时域和频域都有表征信号局部信息的能力,时间窗和频率窗都可以根据信号的具体形态动态调整,在一般情况下,在低频部分(信号相对比较平稳)可以采用较低的时间分辨率,而提高频率的分辨率;在高频情况下(频率变化不太大),可以用较低的频率分辨率来换取精确的时间定位。因为这点特点,小波分析可以探测正常信号中的瞬态成分,并展示其频率成分,被称为数学显微镜,广泛应用于各个时域分析领域。

利用小波原理将二次电位的衰减曲线做平滑,得到了很理想的效果。

将小波运用到处理二次电位的曲线,如图5所示。白色曲线是未做任何处理的二次电位曲线,而红色曲线是用小波做过处理的二次电位曲线,将前后的两条曲线放在一起对比可以发现,原始的二次电位衰减曲线的晚期跳动比较明显,利用小波分析处理后的二次电位衰减曲线的晚期消除了上下波动的干扰。

3 模拟实验与应用

在昆明理工大学教学楼后面的小树林地面有一段裸露的水管,在地面布一条方向与水管走向垂直的测线,如图6所示,工作频率选25 Hz,重叠回线工作方式,设计一条测线L1,点距1 m,看是否能检测到地下水管的异常。

裸露的水管的尺寸规模:水管外壁直径约为28 cm,从出露部分测算,测线下水管埋深1 m,测线点号距离为1 m。由出露的部分推测出地下管道的位置大概处于测线的6号点附近。测量后得到的剖面曲线如图7所示。

由剖面曲线我们可以看出测线的6号点有明显的异常,管状体的剖面曲线是按照单点对称的单峰曲线。由此我们可以断定地下水管在6号点位附近,与实际测量的点的位置刚好对应。

4 小结

本文介绍了作者自己研发的LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪的研发软件、工作原理、仪器组成、主要技术指标,并通过实践应用成功地反应出了地下水管的异常,证明了LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪具有一定的可靠性和实用性。虽然LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪存在不足之处需要继续开发与完善,如只能开展重叠回线与中心回线工作方式、配套解释软件与成图软件未开发、去干扰能力不强等,但对我国的地球物理仪器的发展作出了一定的努力与贡献,对行内瞬变电磁仪的研发提供有利的参考。

摘要：采用LabVIEW编程语言自主研发LTEM—Ⅰ瞬变电磁系统的研发软件、工作原理、仪器硬件组成、主要技术指标,以及关断时间的计算和二次电位曲线的小波分析消噪处理,并通过模拟实验,实际应用于找地下管道验证了LTEM—Ⅰ瞬变电磁仪的可靠性与实用性。