[发明专利]空中电磁时域系统、计算机产品和方法

说明书

本申请是申请号为200380103793.X，申请日为2003年11月20日，发明名称为“空中电磁时域系统、计算机产品和方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明大体上涉及空中地质测绘这一领域。本发明进一步涉及一种使用电磁时域方法来实施地质勘测的装置。

背景技术

时域电磁(TDEM)勘测是地质勘测的一个快速发展的领域。它包括基于地面的和空中的应用。TDEM地质测绘涉及用于计算依赖于时间的电磁场值的等式。然后，以已知的方法，根据电阻率系数从电磁场数据中推断地质数据。

最初设计TDEM方法是用于探测埋藏在电阻性基岩中的可传导矿体，但现在，它也广泛地用于一般的地质测绘、用于水文地质学、用于环境调查等。

该方法包括产生渗透到地表以下的周期磁场脉冲。在每个脉冲结束时停止这个磁场将在地质空间中引起涡流的出现。然后这些电流逐渐衰减，并根据地质体的电阻率和几何形状来改变它们的位置和方向。然后在地表上测量这些涡流的电磁场(也称为瞬时或二次场)，并以已知的方法用于测绘和将来的地质解读。

产生磁场脉冲的普通技术装置是一种一般由连接到已知电流脉冲发生器或发射机驱动器的输出的一圈导线或多圈线圈组成的已知的发射机。发射机线圈的典型直径尺寸对于一个空中设备来说是几米，而对于地面系统来说则是最大到数百米。通常，发射机线圈直径约大，它的磁矩越长，这将带来更深入和更精确的调查。

一个额外的多圈线圈或x-y-z线圈系统通常用作二次电磁场的接收机或传感器。出于这一目的，磁力计也是可用的。由已知的模数转换器(ADC)来数字化接收的信号，并由计算机来处理和保存。

空中TDEM系统的优势在于在地质勘测中地面被覆盖的速度。然而，根据现有技术，在设计空中TDEM系统中存在大量技术问题。

发射的电磁场通常不仅在地球中而且在包括所述系统和飞行器体的金属部分在内的附近金属部分中产生涡流。由于系统几何形状的典型不稳定性和导体中的热变化，这些电流的二次场相当于一个噪声。这个噪声一般降低从勘测数据中推断地质数据的可靠性，而与勘测数据相冲突。

最小化这个噪声的最常用的方法是通过保持接收机足够远离发射机驱动器。在发射机驱动器和接收机之间相隔开的位置关系是由于地球中涡流的二次场与局部金属部分的二次场是相当的，因此噪声水平是可忽略的。这类型的解决方案被用于(FUGRO AIRBONESURVEYS LTD)GEOTERREX PTY.LTD的商标为“GEOTEM”和“MEGATEM”的TDEM系统中。这一具体解决方案包括一个在大约130米长的牵索上牵引在一个固定机翼飞行器之后的探测器。

另一现有技术的TDEM系统由一个T.H.E.M Geophysics Inc.制造的直升机牵引系统组成。该系统使用氦气球来保持其传感器悬挂在远离发射机系统一段距离之处。

这些现有技术解决方案的劣势之一在于由于在发射机线圈和接收机传感器之间的距离相对较长，系统的水平分辨率相对较弱。另一劣势是在启动/着陆和飞行操纵时系统机械管理中的问题。

当前用于最小化这种噪声的另一现有技术方法是消除局限于系统金属部分中的发射机一次场，这是通过使用特殊线圈在该局部区域产生有与发射机线圈的主场相反方向的磁场。该技术被用于AeroquestLtd.的商标AEROTEM^TM解决方案中以最小化替代地位于被牵引的探测器中的发射机电子器件的金属部分中的二次场。该解决方案需要高级别的系统机械刚性。反过来，它导致更繁重的框架结构。更繁重的框架造成了许多劣势。特别地，更繁重的框架使探测器的运输变得困难。与制造和使用AEROTEM^TM解决方案有关的产品成本和燃料成本也是相对较高的。

更重要的是，由于对有相对显著重量的刚性框架的需求，选择有整体上较小发射机线圈直径的框架会导致发射机偶极矩变小。这通常导致发射机偶极矩不足以进行更深入的测量。

现有技术解决方案的另一问题在于它们并不轻易允许使用最优系统几何形状，即接收机位于发射机线圈的中心。在接收机线圈中，每个磁场脉冲感应一个相对较大的电压。但这相对较高的电压反过来致使接收机前置放大器变得饱和，并因而在该脉冲之后一段短暂的系统测量时间内变得不起作用。这是测量地球响应的重要和必需的时间。

因此，现有系统的解决方案是将系统接收机放置在远离发射机一段距离之处，在那里由于该场的强度随着距离立方的倒数而减小，发射的脉冲要低得多。然而，这将导致偏离最优系统几何形状。