瞬变电磁仪的研制

　　1　瞬变电磁仪的原理

　　时间域电磁方法(time domain electromagnetic meth-ods)或称瞬变电磁法(transient electromagnetic methods),简写为TEM,它是利用不接地回线(大回线、磁耦源),或接地电源(电耦源)向地下发送一次场,在一次场的间歇期间,测量由地下介质产生的感生电磁场(二次场)随时间的变化,就可探测地下不均匀体的位置,并估计其规模和导电性能。作为一种高效、低成本的地球物理勘探方法,随着微控制器技术、A/D转换技术、数据处理方法的飞速发展,得到有效地改进和提高,其应用已扩展到工程地质勘探、环境监测、地下管道探测、大坝、隧道、桥梁的选址等领域。本文介绍我们研制成功的3J-1型瞬变电磁仪。

　　2　信号的特征

　　2.1　激发场的波形

　　在时间域电磁测探法中,激发场的波形一般为周期性的脉冲序列。由Fourier频谱分析理论可知,任何一种脉冲波都可分为许多正弦波或余弦波的谐波成分。每个谐波成分都将对导电体激励起频率域(fre-quent domain electromagnetic methods简称FEM)规律的电磁响应,这种响应具有各自相对应的振幅和相位。如果在不同的时刻采样,把各个谐波激励起来的二次场叠加起来,便得到瞬变电磁场。即TEM的测量结果相当于FEM中使用多频率观察的效果,提高了测量效率。常用的周期性重复双极性脉冲波形为矩形、梯形、半正弦波、三角波等(如图1所示)。本仪器所采用的波为矩形波。

　　2.2　信号的接收

　　在探测工作中,时间范围决定于探测深度。探测n×10 m~1 km的地电体,其时间范围需要n×10μs~n×102ms左右;探测油气田构造时,深度达到1~5km,其时间范围为nms~n×10 s,所跨越的范围就很大。信号衰减的规律如图2,对于同一个观察点来说,早期到晚期的信号幅值变化范围约为n×105μV~nμV。如此大动态范围的信号一般都要求准确测定。显然,在仪器制作中,并不是每一个测点都是如此。此外,还应考虑异常的幅值除了与地质体的电导率有关外,还与地质对象的规模、埋深及观察点位置等几何形状有关。

　　2.3　信号的分辨和频带宽度

　　瞬变信号在早、中、晚期的衰变速度差别相当大。为了在很宽的时间范围内不失真地测定瞬变信号的衰减特性,除要求在足够宽的时间范围内必须有足够的测道外,各测道之间的间隔应随测道不同而有所改变,如图2所示,在早期,信号幅值高而且衰减速度快,因此,采样时间间隔必须窄,这样才能保证足以精确地分辨信号的衰减特性;在晚期,采样间隔应加大,以适应

　　弱信号的慢衰减特性,这样既能够满足精度要求,也能够节省采样时间、数据处理量和数据存储区的空间。瞬变电磁信号是宽频带信号,其理论上的频谱可以是无限延伸,包括了FEM的整个频带(n~n×104Hz)。实际上随着谐波次数的增高而能量变弱。另外,对于非调谐式的宽带接收装置而言,频带过宽会使系统的信噪比下降。综合考虑上述两种情况,接收装置的频带宽度一般取在0~nkHz的范围。由于TEM的探测深度受到外部噪声电平限制,在已选定了信号频带宽度的情况下,应采取措施提高仪器的观察灵敏度、抗干扰及对数据处理能力,或增大发送功率,以提高晚期测道观察数据的信噪比。