[发明专利]空中电磁发送器线圈系统

说明书

技术领域

本发明总的涉及用于空中地质绘图领域内的发送器线圈系统。

背景技术

目前已知有各种电磁技术。地球物理学的电磁(“EM”)技术在确定深达约1公里处的土壤、岩石和其它导电材料的电导率时可以是非常有效。随深度而变的电导率分布在对碱性金属和铀矿、蓄水层和其它地质构造进行绘图时具有很大的意义。主动地球物理学EM方法一般地包括：通过对放置在地球表面附近的发送器线圈系统定时地施加电流来产生一磁场。该一次磁场在地面上诱发出电流，测量由这些电流产生的二次磁场，从而提供有关地面电导率分布的信息。

二次磁场信号可使用接收机线圈系统(其可测量磁场对时间导数dB/dt的三个正交分量)或磁力计(其测量磁场B)进行测量。然后，接收到的模拟信号可通过高分辨率的高速模-数转换器(“ADC”)进行放大、过滤和数字化，数据连同从全球定位系统(“GPS”)获得的定位信息一起储存起来。数据后处理可包括地面的电气模型和物理模型化，以产生地球物理学的电导率等值线图。

EM测量可在频域或时域内进行。在频域的电磁(“FDEM”)测量中，发送器线圈一般连续地发送固定的复频电磁信号，而接收器线圈可测量作为时间函数的信号。测得量可包括信号幅值和相位，或等价地说，即作为频率函数的同相和同求积的幅值。

在时域的电磁(“TDEM”)系统中，电流脉冲可在接通期间施加到发送器线圈，产生一次的或发送的EM磁场，然后，在断开期间断开磁场。二次信号可在接收器线圈处作为时间函数进行测量。在断开期间信号幅值的延迟与地面上地质物体的电导率和几何特性的模型相组合，这样可用来产生电导率的等值线图。美国专利7,157,914示出了一TDEM系统的实例。

EM方法可包括基于地面的应用和使用飞机和直升机的空中应用。空中的方法对于大区域的勘察可以很方便，并已经用来勘探埋在抗力的岩床内的导电的矿体、地质绘图、水文地质学以及环境监察。借助于非限制的实例，在某些空中电磁(“AEM”)系统中，在飞机或直升机以几乎恒定的速度(例如，分别高达75m/s或30m/s)沿着几乎平行等距离间距直线(例如，50m至200m)在地面上方接近于恒定的高度上(例如，分别约为120m或30m)飞行时，可获取数据。测量可以规则的间隔进行，例如，在1m至100m的范围内。

在设计安装在直升机上的时域电磁(“HTEM”)系统时，存在有多个要求的特征，其包括：高的信号对噪音比(“SNR”)、高的电导分辨率，以及高的空间分辨率(侧向和深度向)。通过降低系统噪音或提高接收器线圈内的信号，可实现高的信号对噪音比。提高信号手段的方法之一可以是增大一次磁场。

对于远离发送器线圈的点，磁场大小正比于线圈的磁性偶极矩，而反比于离线圈距离的立方。线圈的磁性偶极矩是积N*I*A，其中，N是匝数，I是电流，而A是线圈面积。线圈的感应系数正比于N²×D，其中，N是匝数，D是线圈直径。由磁场B在接收器线圈内感应出的电压由下式给出：N*A*dB/dt，其中，线圈灵敏度是N×A是线圈匝数N和线圈面积A的乘积，而dB/dt是磁场对时间的导数。

无论何时勘察目标是描绘近表面的电导率，则具有快速断开的小的磁性偶极矩可以是合适的，在此情形中，发送器线圈内的匝数通常较小，因此，得出减小的磁性偶极矩和感应系数。相反，对于探测较大深度处的导体，可要求有较长的断开时间，更重要的是，提高发送器线圈的磁性偶极矩。

无论何时可保证磁性偶极矩的增加，则就有必要增加电流I、匝数N或发送器线圈面积A。来自单发动机直升机的电源可受直升机发电机的限制，除非使用辅助电源。还有，对于发送器线圈内电流量的限制因素是线圈和拖曳电缆的电阻。对于固定长度的电缆，来自直升机电源的功率P的消耗近似等于电流的平方乘以电阻(P＝I*I*R)。减小电阻将会增加电流，是减小量的平方根。环中电阻的减小可用重磅导线来实现，但其重量相应地增加，因为电阻近似地正比于长度乘以电阻率除以导线横截面面积。发送器线圈的重量也正比于电缆的长度，因此，其正比于匝数N或发送器线圈面积A的平方根。由于发送器线圈的重量随电流I的平方和线性地随匝数N而增加，并随面积A的平方根增加，对于直升机的给定的拖曳重量能力，增大发送器线圈的磁性偶极矩的一种方式可以是增大面积A。当优化发送器线圈的I、N和A时，另一要考虑的因素是需要时域测量中的短断开时间，这可要求发送器线圈的低的感应系数，感应系数正比于N的平方和发送器线圈面积的平方根。