瞬变电磁勘探中早期信号的检测方法研究

　　摘要　瞬变电磁法实时检测早期信号要求瞬变电磁仪具有很快的时间响应，这就需对仪器设计提出很高的要求。本文提出了一种利用采样原理结合软件编程处理进行早期信号检测的实用方法，模拟结果表明该检测方法具有一定的可行性。
　　关键词　瞬变电磁法　采样　信号检测
　　中国图书资料分类法分类号　P631

STUDY ON DETECTION METHOD OF EARLY SIGNAL IN TEM

　　Li Chuangshe　Li Shi　Song Jianping　Tang Tiantong　(Xi’an Jiaotong University)

　　Abstract　In transient electromagnetic method (TEM) the real time detection of early signal requires the instrument to be fast time response,so a higher requirement is presented for the design of instrument.This paper presents a new actual method that combines sample principle with software programming to detect early signal.The modeling result demonstrates that this method is feasible in a definite degree.
　　Keywords　TEM;sampling;signal detection

1　引言
　　利用瞬变电磁信号进行地球物理探测^{［1，2，3］}，早在30年代由前苏联科学家提出，50年代起开始用于矿藏勘探，在钻井、航空和海洋等领域取得了一些成果。我国70年代初开始研究瞬变电磁仪系统，相继研制出多种瞬变电磁仪器，其应用领域不断扩大，近年已经在矿藏、油气田勘探中得到了广泛应用，现正步入工程、地下水及地热勘查行列。与地球物理勘探中的其它方法相比，瞬变电磁勘探法简单易行，信息丰富，精度较高，而且投资小、见效快、应用广。从原理上讲，它不仅能够测量浅地表(数米)的地质结构，而且能够测量深层(数百米以下)地质构造。由于瞬变电磁勘探法通常是利用不接地线圈(回线)向地下发射阶跃波(一次电磁场)，然后测量由地下介质产生的感应电磁场(二次场)的时变规律，从而得到地质结构及其分布信息，因此要求瞬变电磁仪具有很快的时间响应，才能够检测出从浅地表到深层的地质信号。但是目前的仪器时间响应尚不够快，检测早期信号有一定的困难。本文就这一问题提出了一种利用采样原理结合软件编程处理进行早期信号检测的实用方法。

2　早期信号衰变特征
　　当通过发射线圈向地下发射一次场时，由于地下介质的涡流效应产生二次场向地面传播，通过接收线圈检测二次场的变化，就可以知道地下介质的电性分布。其检测系统框图如图1所示。当一次场消失时，引起二次场变化，这种变化通过前置放大和变增益放大后由计算机进行A／D采样和数据存贮，以便进行后期数据处理。

图1　二次场检测框图

　　二次场B(t)在探测线圈中产生感应电压，其大小为：

(1)

式中　S——线圈的面积；
　　　N——匝数。
　　由于二次场B(t)是指数衰减场，因此线圈中探测出的感应电压亦为指数衰减曲线。在感应信号的衰减曲线上，早期信号衰减速率很快，中期信号衰减速率次之，晚期信号衰减速率则相对较慢。感应信号的这种衰减特征就使得我们检测早期二次场信号相对较难，所以可能丢失一部分地质信息。获得尽量多的早期信号通常采用两种办法：一种办法是提高仪器的时间响应，这可以选用转换时间快的A／D及元器件等硬件；另一种办法是减少一次场对接收的影响，这可通过改善发射电流脉冲下降沿和设法消除接收线圈中固有的一次场效应解决。这两种途径从原则上说可以获得更多的早期信号，然而最终却由仪器的时间响应来决定实际上能够得到的早期信号。对于一定的瞬变电磁仪，信号的获取能力是一定的。如何提高早期信号的获取能力，这就是我们要介绍的软件编程采样检测法。

3　早期信号软件编程采样检测法原理
　　在瞬变电磁法中，二次场信号是计算机通过A／D实时采样得到的。为了获得尽可能多的早期信号，通常采用变间隔实时采样。早期信号衰减很快，采样间隔应尽可能小，以增加采样点数。随着衰减速率的减小，可适当增加采样间隔，减少采样点数。但是最小的采样间隔由采样系统本身固有的延迟时间决定，这样往往使得采样间隔不能很小，因而可能丢失一部分早期信号反映的地质信息。为了解决这个问题，我们提出了用非实时采样结合软件编程检测早期信号的办法，而中晚期信号仍用实时采样^［4］。
　　早期信号的非实时采样，要求发射信号具有一定周期性，而且周期应远大于地质体的时间常数，以保证每个周期中的二次场衰减过程完整。假设对早期信号的采样点数为N，每个周期中取一个点，那么发射波形应具有N＋1个周期，最后一个周期用来对中晚期信号实时采样，因此电流发射波形应为图2a所示的形式。当瞬变电磁仪一致性很好时(如3J—1型瞬变电磁仪)，每个周期中产生的二次衰变场规律应相同(图2b)。

图2　发射波形和二次场信号
　　(a)——发射波形；(b)——二次场信号

　　早期采样时，采样时刻与采样间隔应满足下列关系：

t_k=(k-1)T+kΔt，
k=1,2,…，N；(2)

式中　T——发射周期；
　　Δt——时间延迟增量，取常数。
　　由于每个周期中产生的二次场相同，探测线圈测得的信号也相同。每个周期中采样一点，经过N个周期就对早期信号采样了N点，从而获得更多的早期地质信息，如图3a所示。
　　对于中后期信号应用实时采样法，这时只要令采样时刻为：

t_N+l=NT+lΔT，
l=1,2,…，M；(3)

式中　ΔT——等时间间隔。
　　这样由N+M个取样点就组成了二次场信号的衰变曲线，这个曲线反映了二次场信号的整个衰变过程。但是在这个曲线中，早期信号是非实时采样得到的，相对于单周期发射信号而言其时间轴扩展了N倍，如图3b所示。为了得到二次场信号的实时衰变曲线，只要将时间轴压缩N倍即可：

T_k=kΔt；(4)

T_N+l=lΔT。(5)

　　因此，只要以T_k，T_N+l作为采样时刻，以V_k和V_N+l作为采样值就获得了单周期发射电流脉冲等效的二次场信号。但这时却大大增加了早期二次场信号的信息量(图3c)。

图3　采样过程示意图

　　上述采样过程可通过软件编程方法实现，其程序流程如图4所示。

图4　采样程序框图

4　模拟实验结果
　　图5给出了该方法的模拟实验结果，从中可见该方法对早期二次场信号衰减部分有明显改善，大大增加了早期信号所反映的地质信息。同时该方法对今后瞬变电磁仪的设计和改进也具有一定的指导意义。

图5　结果比较
　　a——软件编程检测法计算机模拟结果；
　　b——未用软件编程法实测结果