瞬变电磁信号的分形特征及其应用

瞬变电磁信号的分形特征及其应用（共7篇）

篇1：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

瞬变电磁信号的分形特征及其应用

在关联维数的基础上,对局部导体的.瞬变电磁法信号分形特征进行了研究.瞬变电磁响应电位异常(包含有一定干扰)有明显的分形特征;对尺度ε的选取进行了讨论,应根据瞬变电磁异常响应的分形体特点进行细致分析,才能得出尺度ε的合理取值范围.实际应用结果表明,利用分形理论解释瞬变电磁资料,可为减少成果解释的多解性提供帮助.

作 者：李亚南 张小路 LI Ya-nan ZHANG Xiao-lu 作者单位：桂林工学院,资源与环境工程系,广西,桂林,541004刊 名：桂林工学院学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷(期)：200727(4)分类号：P631.325关键词：分形理论 关联维 瞬变电磁法

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篇2：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

Occam反演及其在瞬变电磁测深中的应用

Occam反演技术被应用中心回线瞬变电磁测深数据的.反演中.理论模型和实际数据的反演结果表明,利用Occam反演技术可以较为准确地获得地电断面的电阻率分布.一般5次迭代目标函数就可以收敛到5×10-2.

作 者：翁爱华 WENG Ai-hua 作者单位：吉林大学应用地球物理系,长春,130026刊 名：地质与勘探 ISTIC PKU英文刊名：GEOLOGY AND PROSPECTING年，卷(期)：43(5)分类号：P631.3 P628关键词：瞬变电磁测深 中心回线Occam反演 GeoElectro软件系统

篇3：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

笔者以新疆俄霍布拉克煤矿为研究背景, 构建不同含水层厚度古冲沟的地电模型, 通过三维正演分析其瞬变电磁响应特征, 利用一维反演分析瞬变电磁法的探测效果, 并对古冲沟的实际分布进行预测。

1 古冲沟地质特征与地电模型构建

俄霍布拉克煤矿第三古冲沟富水带, 位于井田中东部, 近南北向, 纵贯全井田南部, 该古冲沟规模大, 东西影响范围宽。该古冲沟区域第四系厚度大, 且砾石层厚度大, 砾石层由于潜蚀作用, 细粒物质被带走, 具较强富水性, 为矿井充水的主要补给水源, 是矿井的主要导水通道。

根据对研究区地层与古冲沟地质与电性特征分析, 设计第三古冲沟地电模型参数:第四系厚80 m, 电阻率100Ω·m;下伏侏罗系电阻率为50Ω·m;古冲沟厚80 m、宽100 m, 电阻率300Ω·m。根据井下出水量稳定在500 m3/h, 又设计古冲沟砾石层含水高度分别为40, 20, 10 m。另外设计一个没有古冲沟情况的模型以进行对比。

2 古冲沟瞬变电磁响应特征分析

2.1 不同含水层厚度的古冲沟瞬变电磁响应特征

根据古冲沟的地电模型, 利用Maxwell软件分别对5个模型进行三维正演模拟。在三维正演模拟中, 设计采用中心回线装置, 发射线圈为100 m×100 m, 发射电流15 A, 上升沿0.25 ms, 下降沿0.5ms, 占空比50%, 基频5 Hz, 采样时间道采用Crone50 ms标准时间, 接收线圈为10 000 m2。

图1为5个模型的瞬变电磁响应衰减曲线对比。从图1可以看出, 在早期, 模型2 (不充水的古冲沟) 的电磁响应值最小, 其与模型1 (无古冲沟) 的电磁响应值有较明显的差异, 说明不充水的古冲沟有明显的瞬变电磁响应特征;模型3 (古冲沟含水层厚度10 m) 的电磁响应值与模型1 (无古冲沟) 的电磁响应值较接近, 说明含水层厚度10 m的古冲沟瞬变电磁响应特征不明显;模型4 (古冲沟含水层厚度20 m) 的电磁响应值与模型1 (无古冲沟) 的电磁响应值在最早的3道时间内差异不明显, 在4~14道的时间内差异增大, 说明含水层厚度20 m的古冲沟的瞬变电磁响应特征也有反应;模型5 (古冲沟含水层厚度40 m) 的电磁响应值与模型1 (无古冲沟) 的电磁响应值有较明显的差异, 说明含水层厚度40 m的古冲沟有明显的瞬变电磁响应特征。从图1中也可以看出, 不同含水层厚度的古冲沟瞬变电磁响应值也有差异。

2.2 一维反演分析

为了检查方法的有效性, 将三维正演计算结果分别进行相同初始模型和其他条件相同的反演计算, 对比分析一维反演结果与初始模型的差异。图2为5种古冲沟模型三维正演数据的一维反演成果, 对比一维反演结果与初始模型的差异。分析认为:瞬变电磁法对模拟的古冲沟不含水范围有较明显的反映, 说明瞬变电磁法对较厚的高阻也有好的反映;瞬变电磁法对模拟的古冲沟含水范围的反映受含水层厚度的影响较大, 当含水层厚度为10 m时 (模型3) , 一维反演不能从电性上反映出该含水范围;当含水层厚度为20 m时 (模型4) , 一维反演能从电性上反映出该含水范围;当含水层厚度为40 m时 (模型5) , 一维反演能从电性和范围上较好的反映出该含水范围。

3 应用效果分析

3.1 典型剖面

为了对古冲沟进行探放水, 矿井在该区域施工了1条放水巷。在放水巷区域按线距20 m, 点距10m布置瞬变电磁法测线。测线平行于放水巷。共布置测线5条。图3为F2线的视电阻率等值线剖面图, 它反映了标高+1 650~+1 950 m之间地层电性的分布情况。从横向上看, 在测线方向1 000~1 380 m、标高+1 800~+1 950 m处有一明显的高阻异常, 预测为第四系砾石层及基岩风化带, 并且从形态上看预测该异常范围为古冲沟。

从图3中可以看出, 高阻反应明显, 高阻范围下未见明显的低阻层, 根据正演与一维反演分析结果, 推测古冲沟内含水层厚度应不大。

3.2 古冲沟分布预测

图4为150Ω·m视电阻率等值面空间分布图, 由此可以看出, 视电阻率值大于150Ω·m的区域呈带状分布, 较好地展示了古冲沟的空间分布。古冲沟南部宽度比北部大, 视电阻率值也比北部高, 说明古冲沟南部砾石层发育厚度更大。其他区域砾石层则发育较差, 说明研究区富水性存在不均一性, 这主要是受古冲沟分布的影响。

3.3 地质效果

放水巷西端于2011年10月14日施工至1 100m接近冲积层时, 顶板发生垮落并出水, 水量由大到小, 起初掉水时最大水量达700 m3/h, 1个月后稳定在120 m3/h, 井下水量随之减小。放水巷出水的位置正是物探异常区域, 物探结果为放水工作提供了依据和地质基础资料。

4 结论

(1) 通过正演模拟, 分析认为有无古冲沟的瞬变电磁响应特征明显不同, 不同含水层厚度的古冲沟瞬变电磁响应值也有差异。

(2) 一维反演结果表明, 当古冲沟内的含水层厚度小于20 m时, 瞬变电磁法对含水低阻层反映不明显, 这可以指导实际物探的解释工作;当古冲沟内的含水层厚度大于20 m时, 瞬变电磁法对含水低阻层反映明显。

(3) 实际应用情况表明, 瞬变电磁法是探测类似古冲沟的一种较好的物探方法, 但在解释的时候, 一定要注意分析古冲沟的含水性。

参考文献

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篇4：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

关键词：矿井瞬变电磁 物理模拟实验 纵向响应特征

1 概述

近年来，凭借自身在探测方向性强、体积效应小、横向分辨率高等方面的优势，矿井瞬变电磁法得到快速的发展，并且广泛应用到矿井工作面、巷道超前探测、回采面顶底板等方面[1]。在探查矿井内隐伏的含水断层、导水通道，以及岩溶陷落柱效果方面，矿井瞬变电磁法勘探技术特别明显，在一定程度上能够为煤矿巷道开挖和工作面回采快速准确地提供相应的地质水文资料。

2 矿井瞬变电磁原理

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。借助所接收的瞬变电磁信号对其变化情况展开分析，以便掌握沿地层介质探测方向的变化规律[2，3]。矿井瞬变电磁法适用于采深几百米的煤层或岩层巷道。除此之外，它与地面瞬变电磁的工作原理无明显差异。在煤、岩巷道内使用矿井瞬变电磁法时，必须使用边长小于3m的多匝小回线装置，要在狭窄的巷道内使用大回线探测装置总归不现实。[2，6]此外，矿井瞬变电磁法采用来自于回线平面上下（或两侧） 地层的全空间瞬变响应，我们通常称之为烟圈效应。[4，5]这也是该模式不同于半空间地层响应的地面瞬变电磁法的一大特点。地面瞬变电磁法从地表以下的半空间地层接收响应，详见图1。另外，鉴于矿井顺便电磁法是从巷道周围空间有效探测范围内所有介质岩层接收电性特征的综合响应来形成感应电动势，矿井瞬变电磁法全空间岩层电性特征的综合响应——视电阻率，须按以下公式计算：

ρτ=B×C■（■）■=B×C×6.32×10-12×（S×N）■×（s×n）■×（V/I）■×t■（1）

其中：

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3 矿井瞬变电磁法物理模拟实验设计

在野外环境进行电磁法勘探，可通过物理模拟实验了解电磁响应特征。处于野外环境中的岩（矿）石的质地和性质会有很大的变化，研究者无法通过数字解析式来表示目的物的响应。研究者借助性能卓越的电子计算机使用了有限元、有限差分等近似数值解法，的确扩大了解析范围，但是不可否认还有一部分问题无法解决。此外，所得近似解因缺少一套严格的解析解进行对比，研究者不得不对所得近似解进行物力模拟[4，5]来检验其近似程度和准确性。

物理模型及线圈参数设计。水平层状矿井是比较典型的研究案例。处于顶板与底板之间的煤层就相当于高电阻率介质。掘进巷道设在煤层之中（详见图2）。采煤工作面掘进巷道断面通常高2～4m，宽约3～5m。探测者此次针对综掘面顶（底）板处高发型水害的瞬变电磁响应特征进行物理模拟。因此，假设顶底板和煤层的电阻率相同，即巷道处于均匀全空间介质中。

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图2 矿井地质模型示意图

进行模拟实验时，用铜棒对柱状低阻异常情况（如含水陷落柱、直立导水通道等）进行模拟；用紫铜板对片状低阻异常情况（如富水裂隙、断层等）进行模拟；用以模拟围岩介质的黄沙必须是含不同盐水成分的黄沙。在实验中，应基于线圈发射功率及相似性原则选择适合物理模拟实验的线圈组合。绕制接收线圈的漆包线直径0.1mm；绕制发射线圈的漆包线直径0.15mm，用等边矩形塑料框架作回线支架，并且采用重叠回线式线圈组合装置进行物理模拟。表1给出了具体参数。

4 纵向多个异常响应模拟实验

纵向多个异常响应模拟实验是针对井下瞬变电磁法沿探测深度方向存在的多个低阻体影响或浅层存在的低阻屏蔽影响情形下的异常响应特征开展模拟试验。两铜棒沿探测深度方向呈不同距离分布时的响应特征模拟实验规划详见图3。在图中，铜棒1与测线相距10cm（即d=10cm）。铜棒2到铜棒1之间的距离r设定为四种情形，即r=0、r=5、r=10、r=20，使两铜棒在同一条垂直于测线的直线上同侧移动，并且两铜棒也和回线同处于一平面上。探测方向存在浅层低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验见图4。图中，铜棒1紧邻铜板靠在其后，铜板到测线的水平距离d为5cm，铜板与铜棒之间的连线垂直于测线。图5所示感应电位多测道剖面图与图3的实验对应，图6所示感应电位多测道剖面图与图4实验对应。通过算术坐标显示横轴来表示测点，测点之间相距5cm；通过对数坐标显示纵轴来表示感应电位（即感应电动势与感应电流的比值），单位uV。

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图3 双铜棒在探测深度方向上的响应特征模拟实验设计示意图

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图 4 探测方向存在低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验设计示意图

由图5得知，所有感应电位剖面曲线均为“拱形”，各曲线的变化情况以及感应电位幅值极为相似，由此可推断，其瞬变电磁响应基本一致。其中，图（a）为铜棒1所对应的感应电位曲线，感应电位极大值大值为3.0×103uV；相较于图（a）来说，图（b）所示铜棒1与铜棒2共同呈现的曲线变化情况，除了电位最大值有增大的趋势以外，其他部分变化不明显。而且图（c）、（d）、（e）、（f）的曲线变化趋势也基本类似于图（b）。也就是说，最终的响应结果与铜棒2之间不存在必然的联系。由此初步判定，探测装置在铜棒1所产生的低阻屏蔽效应的影响下无法对铜棒2的感应场作出明显的响应。

基于上述结论对图6进行分析。其中，（a）不放铜棒时感应点位曲线所呈现的形态及变化情况基本类似于图（b）放铜棒时的情况，并且二者的感应电位极大值近似。这表明，浅层有铜板存在时，深层的铜棒基本不影响瞬变电磁响应。

基于瞬变电磁理论和电磁感应原理作进一步探索[7-10]：假设矿井瞬变电磁法探测进程中存在浅层存在低阻薄层或其他良导体影响探测方向及探测深度，探测天线所产生的一次电磁场从浅层低阻体穿过时，仅有少量一次电磁波能量透射或反射出去，余下的则以热损耗的形式衰减。一次透射电磁波从浅层低阻穿过时能量明显弱化，当其达到浅层低阻背后深层低阻体时所呈现的二次感应场也是相当弱的。由浅层低阻体产生的二次场源固然能激发深层低阻的二次感应，但在良导体之间反复振荡消失的这部分电磁波能量就无法穿越浅层低阻体返回接受天线，这是深层低阻体的响应特征无法通过感应电位剖面图得出观测结果的主要原因。

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5 结论

本文基于沿探测深度方向上的矿井瞬变电磁法在受多个低阻体影响或浅层存在低阻屏蔽影响时所呈现的异常响应特征实施了物理模拟实验，结论如下：

①实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设若干个物性参数基本一致的低阻体分布于深度的方向上，浅层低阻体屏蔽深部低阻体的瞬变电磁响应而使之被掩盖或被压制，则在感应电位多测道剖面图中会呈现单一低阻体的响应形态及规律。②实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设低阻薄层分布于围岩表层产生屏蔽效应，会弱化隐伏于低阻干扰体背后的目标异常响应，并可能使之不易分辨。

在这种情况下，要求探测人员对测深频率、天线组合类型进行调整，细致分析该区域的地质水文、钻探、物探等情况，或借助其他办法进行进一步验证，由此获得比较客观的地质结果，从而确保探测结果科学实用。

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篇5：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

地空瞬变电磁法[1,2]以其受地形影响小、探测深度大、信噪比更高、空间分辨率更好等优点成为近几年来瞬变电磁研究领域的重点研究对象。而实测的电磁信号具有如下特点[3]：动态范围大；中晚期信号幅值较小，几乎淹没在噪声中；线圈运动噪声幅值较大，分布范围广；工频干扰和飞机的电磁噪声也是主要噪声来源。若不对这些干扰进行剔除，将直接影响后期反演成像的质量。为了选择合适的滤波方法，需对信号进行分析处理，而传统的傅里叶变换要么全时域，要么全频域，适合分析平稳信号；针对非平稳信号，采用将时域和频域联合分析的时频分析法，它能分辨正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，比较适合动态、瞬态的信号处理，而在瞬变电磁法中得到的就是动态、瞬态的信号[4,5]。所以本文提出了在Lab VIEW平台上采用时频分析法对地空瞬变电磁信号进行分析，不仅为滤波方法的选择提供了依据，而且对滤波效果进行了及时评估。

1 短时傅里叶变换

1.1 工作原理

目前应用较多的三种时频分析方法为：短时傅里叶变换（STFT）、Wigner-Ville分布（WVD）和小波变换。WVD处理多频率分量的信号时存在严重的交叉干扰现象，影响频谱的物理解释；小波变换中小波基的不同选择将会有不同的效果，甚至差别很大。所以本文使用STFT对瞬变信号进行分析。

STFT的思想是[6,7]：假定某个时间窗内的信号是平稳的，然后通过傅里叶变换确定时间窗内信号的频率特性，再移动窗函数分析下一个时间窗内的信号，最终获得整个信号的时频特性。其定义为：

式中：上标“*”表示复共轭。当窗函数g(t)=1时，STFT即为传统的傅里叶变换。图1(b）和图1(c）对应的频率分别为100 Hz,200 Hz,300 Hz，采样率为1 000，采样数为300的正弦信号STFT时频图与FFT幅频特性图，从时频图中可明确判断时间、频率、幅度三者的关系，而FFT变换无法将时域的瞬变信息在频域中表现出来。

在Matlab中可使用spectrogram函数对信号进行STFT变换，图1(d）为上述正弦仿真信号的STFT时频图，由图可得信号的时频特性与LabVIEW所得结果相同，但是Matlab时频分析需编写相应的代码，而且需人工对指定区域的信号进行截取，不能得到信号整体的时频特性。所以本文使用Lab VIEW对指定长度的信号进行周期性STFT变换，从而分析信号的整体时频特性。

1.2 窗函数的选择

进行STFT时，关键要考虑窗函数对STFT变换的影响。不同的窗函数会影响信号的主频分布，选择窗函数时遵循的准则是：使窗函数的主瓣包含更多的能量，相应旁瓣没有多少能量；选择窗函数时，不但需要分析窗函数的不同性质，还需根据信号的不同性质选择合适的窗，如：矩形窗主瓣集中，旁瓣较高，有负旁瓣，对于频率分辨率要求很高，谱估计精度要求不是很高的信号，处理时可选用矩形窗；高斯窗谱的主瓣较宽，故而频率分辨率低，适合用来截断一些非周期信号；如果要分析窄带信号且具有较强的干扰噪声时，则应选用旁瓣幅度较小的窗函数，如Hamming窗等[8,9]。图2所示为分别使用矩形窗、Hanning窗、Hamming窗和Blackman对正弦信号进行分析的时频图，由图2可知，不同窗的时间和频率分辨率不同。结合瞬变电磁信号频谱分量较多，频谱表现复杂，而且更多关注频率点进行滤波的目的，所以选用Hanning窗处理数据。

由STFT的不确定性原理[10,11]（∆t·∆f≥1 4π，∆t，∆f分别为时间和频率分辨率）可知，STFT的时频表示在时间分辨率和频率分辨率之间是矛盾的，若要提高时间分辨率，则应用短的时间窗函数；若要提高频率分辨率，则应选用长的时间窗函数。所以在实际分析过程中，需对时间分辨率与频率分辨率进行折中，以求两者都相对较高。图3为使用1 8,1 4,1 2数据长度的Hanning窗对正弦信号进行STFT的时频分析图，1 8数据长度的时间分辨率高，但频率分辨率低，而1 2数据长度则相反。在时间分辨率与频谱分辨率间进行折中，选择窗长为1 4数据长度对瞬变信号进行时频分析。

2 数据的分析处理

对瞬变电磁信号进行分析处理首先需读取信号，并对其做时频分析，得到主要频段范围；然后对主要频段范围的噪声进行滤波处理，可通过“双通道谱测量VI”计算滤波前后的信号响应和相干情况，选择合适的滤波器；最后与滤波前后的谱分析图进行比较，分析滤波效果。本文需要的数据分析处理主要包括：图4所示的读取数据、STFT时频分析、滤波处理、显示及存储。

2.1 读取数据

数据采集中存储格式的选择需与数据格式和采样率等因素相匹配。TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统。使用这种格式的数据可以在测试结果中存储大量的数据，并可以将测量数据导入Excel中，所以本文也使用TDMS格式存储采集数据，并使用读取测量文件VI读取已存储的瞬变信号，方便后期分析处理。

2.2 STFT时频分析

读取得到的瞬变信号需进行STFT时频分析得到噪声的主要频段范围和出现的时间，为后期的滤波和分析异常体的地点提供依据。通过调用STFT时频图.VI对信号进行STFT时频分析，根据前面的分析，选择窗长为1 4频率区间的Hanning窗进行分析，并根据实际采样率设置STFT时频图的横、纵坐标显示范围。本文通过调用时频图的色码表属性设置幅值强度表示的颜色，为了使显示美丽直观，本文将强度设置为类似彩虹的颜色，具体实现如图5所示。本文还调用了自功率.VI分析指定频率区间内信号幅值和频率的相互关系。

2.3 滤波处理

使用STFT时频分析得到信号噪声的主要频段范围后需要进行滤波处理，本文主要对指定频段范围的信号进行陷波处理，所以本文使用条件结构控制带阻滤波器的启动与关闭。选择滤波器时可通过使用双通道谱测量VI将原始信号与滤波后信号分别输入A和B通道中，通过对各通道中的信号有序对的分析，计算滤波信号与未滤波信号的信号响应和相干情况，从而得到适合的滤波器。本文使用10阶Butterworth带阻滤波器进行滤波处理，为后期硬件设计时滤波器的选择提供了依据，具有方便、快捷、节约资源等优点。

2.4 显示与存储

显示与存储部分主要是对原始信号与滤波信号进行显示比较，并可通过条件结构的调用选择是否对滤波后的信号进行存储，方便后期做进一步分析处理，程序会在原信号文件的路径下自动创建一个TDMS文件保存滤波后的信号。

3 实验测试

2015年1月15日在成都市高威公园，采用成都理工大学自主研发的微功率发射仪以20 A,25 Hz的电流进行发射，空中通过无人机搭载接收系统进行电磁信号采集分析实验。接收系统采用24位同步采集模块NI 9239，以25 k Hz采样率，全波段连续采集，并通过c DAQ-9191无线机箱以Wi Fi形式进行地面实时监控。当线圈距离地面20 m，放大100倍时采集到的信号如图6(a）所示。使用1 4频率区间的Hanning窗对指定长度的信号进行周期性STFT变换得到的时频图，如图6(b）所示，对应的频率区间为25 000×0.03=750。由图6可知，信号的主要能量集中在100～200 Hz内，使用10阶的Butterworth带阻滤波器进行处理后的时域信号和时频图如图6(c）所示，由图可知100～200 Hz信号的幅值趋于0，表明滤波已达到指定要求，滤波后信号如图6(d）所示。

4 结语

实验结果表明，时频分析克服了传统快速傅里叶变换分析瞬变信号的不足，准确知道各频率及幅值随时间的变化，而Lab VIEW相较于Matlab可实时对采集的信号进行分析，也可对保存的数据的指定长度进行周期性分析。而本文设计的基于Lab VIEW的地空瞬变电磁信号STFT分析处理软件综合了两者的优势，既能有效确定干扰信号，为滤波处理提供依据，又大大减少了开发时间，具有方便、快捷、直观显示等优点，适合需要快速评估实验成效的野外作业。

参考文献

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篇6：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

关键词：直流偏移,浮点放大技术,瞬变信号,畸变,奇异点

0 引言

瞬变电磁方法是一种主要的地球物理勘探方法。它接收的瞬变信号为0 Hz到N KHz的宽频时域信号,其幅值变化范围很广,小到μV级,甚至更小;大到N V,甚至更大。瞬变信号在早、中、晚期的特性差别很大,早期信号衰减快,幅度大;中、晚期信号衰减慢,幅度小。通过分析、对比和计算不同测点瞬变信号的这种衰减特征,可定性地判断地下地质体的特性。因此接收电路中的任何干扰都可能导致瞬变信号波形的畸变,降低数据质量和数据解释的精确度。而整个电路中不可避免的存在芯片本身的直流偏移、正负供电电压及其输出功率的不对称问题,那么对于这种需要接收0Hz信号的电路,直流偏移会对测量的瞬变电磁信号产生怎样的影响呢?

1 接收机主要原理

为了在很宽的时间范围内不失真地获取瞬变信号,接收系统必须保证系统有足够高的采样率,以及足够大的动态范围。由于24位A/D出现的早期,其采样率偏低,价格昂贵,所以国内外大部分地震和电法方法的接收系统均采用浮点数据采集电路来实现高精度和高采样率。

接收机主要由网络匹配电路、前置分段放大电路、低通滤波、浮点数据采集电路和主控单元PC104组成。

浮点数据采集电路由浮点放大器(IFP)、A/D转换器组成。其中,浮点放大器实现了不同的转换点其放大倍数不同,把这个浮动的放大倍数称为“阶码”,把A/D的转换结果称为“尾码”,这样一个转换点的数值就可由“阶码”“尾码”表示。在浮点数据采集系统中,若A/D器件的转换位数是N,数据的浮点放大器倍数范围为K0,K1,…KL(K1

若K=2,则此时的动态范围为:

具体的浮点数据采集的原理框图如图一所示。其中,“阶码”由高速8位AD7821加译码电路产生,表一给出了译码电路中正的输入信号范围及其对应的放大倍数值,其中信号改变的步长是由AD7821的分辨率决定的。浮点放大器采用BB公司的PGA202和PGA203,实现1~100的放大,同时为了确保输入到后级A/D的信号不超出极限输入2.5V,在浮点放大电路的输出端加了限幅电路。“尾码”由16位AD7805实现。根据浮点放大和前置放大器的增益可以计算出L为10,那么根据公式(2)得出系统的动态范围为156dB。

由此推出:利用浮点数据采集系统扩大动态范围的同时,又保证了进入A/D器件的模拟信号幅度总是处于半量程范围内,因而量化的信噪比将近似保持一致。

2 直流偏移对瞬变信号的影响及分析

信号累加和双极性同步采样是瞬变电磁系统提高信噪比的主要检测手段。即发射机采用双极性发射,接收机中采用软件计算的方法进行N次正负极性信号的叠加。这样,既可消除白噪声和外部缓慢变化的噪声,也可消除仪器中各器件带来的直流失调信号对测量的影响。

如果图一中的浮点放大电路部分存在直流偏移,根据表一的放大倍数可知放大后的部分信号会超出后级A/D(AD7815)的输入范围,从而被限幅电路限幅,造成此段数据无法还原,不可用。也就是说浮点放大电路的直流偏移对整个信号的影响无法用双极性叠加的方法来消除。据此,计算了各段输入信号对应的直流偏移限制范围,见表一。

如果给定发射电流I,发射线圈的边长b,接收线圈的有效面积AR,即可根据这些参数仿真出任意时间段均匀大地的瞬变电磁感应,如图二中粗实线所示(时间:0.5ms~1.5ms;幅度:0.0019381V~0.030211V;时间间隔5μs)。如果把此瞬变信号当作浮点数据采集电路的输入信号S,并且为浮点放大电路给定一可能的直流偏移值0.1V,编程仿真得出直流偏移影响的瞬变信号如图二中细实线所示。这里为了突出畸变形态,数据多次叠加时保留畸变处直流偏移。很明显,波形出现了畸变,一种是以奇异点的形式出现,另一种是以平顶形式出现。这种奇异点和外界天电噪声引起的畸变相同,那么是否直流偏移引起的真正奇异点和天电噪声引起的无法区分呢?见图二中虚线所示,按照正常的处理程序处理后的波形其畸变方向正好相反,也就是说如果实测曲线出现了向下的奇异,那么说明可能是直流偏移导致的。

根据瞬变信号的特点可以得出理论上直流偏移对早晚期数据的影响点数不同,早期数据容易只影响一个点以奇异点的形式出现;晚期数据容易影响多个点以平顶饱和的形式出现。但这并不代表奇异点只出现在早期,饱和只出现在中晚期,图二中奇异和饱和同时出现在了中期。由于瞬变信号是地下地质体特征(如体积、导电性和埋深等)的反映,不同的测点对应的地下地质体特性不同时其幅值和衰减速率也不同,那么受影响的不同瞬变曲线其畸变分布也不尽相同;或者采用的发射和接收参数或装置不同,比如发射电流、发射磁矩、接收线圈等效面积,中心还是重叠回线等,均会导致出现不同的畸变分布。变均匀大地为导电球体,重新仿真,见图三。图中同样出现了奇异点和饱和,但是从早期开始就有,而且出现畸变的幅值均在“阶码”改变附近。

但有时,由于野外测量时存在很大的地质或天电噪声,以及系统本底噪声的存在,当晚期的数据受噪声影响大时,畸变形态常以奇异点出现而不是平顶饱和,而奇异点被噪声淹没,不会引起测量者的注意。另外需要注意的是,由于后级A/D分辨率的影响,有时即使在A/D之前的模拟信号受直流偏移的影响已经产生了畸变,经A/D采集后也不一定会体现这种畸变特征。野外测量中常见的畸变波形如图四所示。原来我们会认为是大的天电噪声的影响,经过分析之后知道直流偏移也是一个影响因素。

那么直流偏移都是从哪里产生的呢?浮点部分可编程放大芯片(PGA202和PGA203)的直流偏移的规格为:0.013V(最大值,25℃,G=1),当然增益、温度、时间和供电电压不同其大小也会不同。另外浮点放大电路部分供电电压为12V,由DC-DC供电,一般的DC-DC稳压源模块精度都在1%左右,正负电压输出容易不对称,尤其当外部负载不对称时。表二给出了用于海洋的接收机中浮点放大部分实测的直流偏移值,从表中可以看出正负供电部分偏移较大。

3 降低直流偏移影响的方法

由上文可知,接收机中“阶码”产生电路中低的A/D分辨率造成:当较大直流偏移存在时容易引起波形畸变。据此,提出几种方法以供参考。

(1)降低直流偏移值。对于购买的芯片,首先要测其直流偏移是否在芯片规格给出范围之内,否则采用直流偏移的调节方法进行调节。如PGA202芯片,可根据如图五所示的电路事先对其直流偏移进行调节。其次,对DC-DC供电模块进行调节尽量降低正负电源输出的不对称,特别是加载时电压的输出调节。如果电路对输出电流要求不高,可以考虑采用线性稳压芯片。

(2)“阶码”电路的改进。对译码电路的放大倍数范围进行适当的压缩可以降低波形畸变的几率,但这种方法同时也降低了系统的分辨率和系统的动态范围,这不是我们期望看到的。如果使用分辨率高的A/D重新译码,对直流偏移的要求就会降低。

(3)采集电路的改进。目前很多公司都推出了价格可接受的高采样率24位A/D,如CS5361、AD7762等,如果存在一种适合瞬变信号采样的A/D,那么降低采集电路波形畸变的同时,或许可以解决很多问题,如功耗、系统体积、噪声、复杂性和稳定性等。

4 结束语

经分析得出:

(1)目前浮点放大瞬变电磁接收机中,低分辨率的“阶码”产生电路中的直流偏移容易造成瞬变信号的畸变;

(2)由直流偏移导致的畸变一般以平顶饱和和奇异点的形式出现,直流偏移相同时,不同瞬变曲线上畸变的分布和探测目标、测量参数等有关;

(3)实测曲线中饱和畸变不常见,一般以奇异点出现,所以应重视直流偏移的影响,对接收系统进行相应的改进避免直流偏移带来这种畸变。

参考文献

[1]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.

[2]林君,别红霞.电子电路系统及标准最佳设计及实践[M].北京:国防工业出版社,1998.

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[4]王淑玲.基于浮点放大的瞬变电磁法接收机的研制[D].2001.

[5]Buselli G,Cameron M.Robust statistical methods for reducing sferics noise contaminating transient electromagnetic measurements[J].Geopysics,1996,61:1633-1646.

[6]K G McCracken and M L Oristaglio1986A comparison of electromagnetic exploration systems Geophysics51:810-818.

篇7：瞬变电磁信号的分形特征及其应用

针对煤矿掘进工作面老空水超前探测瞬变电磁响应特征鲜有研究,因此,研究老空水全空间瞬变电磁响应特征,对采用矿井瞬变电磁法准确探测老空水的发育位置具有重要意义。本次模拟旨在建立全空间地质—地球物理模型,分析老空水全空间瞬变电磁响应特征,为超前探测老空水发育提供参数。

1 电磁场时域有限差分基本理论

矿井瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理上的时间域电磁法,其利用不接地回线或者接地电极向巷道周围围岩发送一次脉冲磁场,在一次脉冲激励作用下,巷道周围地质体产生的感应电流又将会激励起随时间变化的感应电磁场,即二次场。在脉冲的间歇期间,利用回线或接地电极接收全空间感应二次场,通过对接收信号的处理、分析和解释,从而达到探测巷道周围地质情况的目的。

1. 1 时域有限差分方程及差分格式

对于二维电磁波问题,电场只有y分量,电场扩散方程如下:

式中: E为电场强度; μ 为介电常数; σ 为介质电导率。

在直角坐标系中将空间范围剖分成矩形网格,如图1 所示,构成五点差分格式。将4 个小矩形的中心点连起来构成矩形( ABCD) ,在任一时刻点,对式( 1) 两侧积分:

利用Green公式,将式( 2) 简化求得:

沿着矩形的边长进行线积分,将式( 3) 左侧分成4 段,同时对式( 3) 右侧求近似,整理得到离散方程:

式中各量符号代表的含义见图1。

式( 4) 中是Ein,j周围4 个矩形网格电导率的平均值,即:

对时间导数采用中心差分形式:

同时对式( 6) 中的Eni,j利用线性插值运算:

将式( 6) 和式( 7) 代入式( 4) 中,整理可得到Du Fort - Frankel差分方程[13]:

其中局部扩散网度:

1. 2 初始源

二维回线初始源为正负两个线源场叠加而成,沿两导线间求面积分,求解得出导线瞬间( t = 0) 断电后所产生的电场,整理后得到电场表达式:

式中:; r 为任意点 P 到线源的距离; d 为两线源间距离。

1. 3 吸收边界条件及局部细网格

为能在有限的计算区域模拟无限空间的电磁场,必须在计算区域的截断边界上设置吸收边界条件,以防止计算空间发生畸变,笔者采用Mur吸收边界条件[8]。二维情形下Mur吸收边界条件的FDTD形式如下:

由式( 10) 可见,Ez节点值是用区域内部节点值以及前一时刻边界上的节点值来表示的。

电磁场在地质模型中,不同电性界面处电导率差别较大,在电性交界面和低阻异常体周围区域采用细网格剖分技术,以保持电磁场在电性差异的分界面处的精度[9]。采用细网格作为过渡区,一般在电性交界面将细网格步长设为大网格的1 /n ,而相应的时间步长也常取为全域大网格的1 /n 。

2 瞬变电磁场在全空间的响应特征

全空间地层模型见图2,发射线圈平行于巷道迎头断面,法向方向指向掘进方向,线框代表掘进巷道和老空水发育范围,围岩电阻率 ρ1= 100 Ω · m,煤层电阻率 ρ2= 500 Ω·m,高20 m。

图3 为不同时刻全空间地层电场平面等值线图,图中x、y分别代表水平距离和宽度,x轴正方向代表巷道迎头前方,y轴正方向代表巷道左侧帮以外,负方向代表巷道右侧帮以外; 电场强度单位均为V/m,其中图3( a) 、( b) 、( c)中的电场分别为扩大103、105、106之后的值。

从图3 中可见,全空间地层中感应涡流场的传播与扩散规律仍符合半空间地层中的“烟圈效应”,巷道中感应涡流场以发射线圈为中心,沿线圈所在平面向四周扩散,电场逐渐减弱。电场等值线在低阻围岩中较密集,扩散速度比高阻煤层明显降低,衰减变慢,电磁场在高阻中穿透能力强。由于高阻煤层的存在,“排斥”电场等值线,使其向上、向下弯曲变形。后期随着电场传播,如图3 ( b) 中电场等值线,局部高阻煤层体造成的畸变几乎消失。因此,瞬变电磁场探测高阻体能力较弱。

3 全空间中含二维异常体时瞬变电磁响应特征

3. 1 充水巷道

煤矿采空区赋存状态及分布规律难以掌握,根据常见案例,在全空间掘进巷道迎头正前方20 m处设置二维低阻体,代表充水巷道,电阻率为1 Ω·m,长20 m,宽100 m,在z方向无限延伸。

煤系地层中含低阻体时的瞬变电场等值线见图4,电场强度单位均为V/m,其中图4 ( a) 、( b) 、( c) 中的电场分别为扩大103、105、106之后的值。与无异常体( 图3) 响应情况相比,当t = 0. 17 μs时,低阻体中电场传播速度慢,电力线刚传播至低阻体时,“吸引”使电力线弯曲发生畸变; 当等值线未穿过异常体时,等值线环中心由场源位置向上、下两侧延伸。当t = 6. 3 μs时,等值线进入低阻体,电场极大值中心受低阻体“排斥”向外偏离; 电力线未完全穿过低阻体时,其附近电场涡流密度非常小。当t =40. 2 μs时,等值线已经覆盖低阻体,等值线极大值偏向于低阻体位置,低阻体的存在,改变了电场等值线分布情况,说明瞬变电磁对探测低阻体比较灵敏。

在低阻体及其附近,电场等值线密集,梯度变大,扩散速度降低,“吸引”电场等值线,涡流密度变大、衰减变慢。早期在低阻体处形成极小值等值线,激励源产生的电场背离低阻体的方向移动,随后电场传播极大值等值线环又聚向低阻体。在涡流密度中心完全移动到低阻体时,低阻体成为一个“二次源”向空间辐射电磁场,观测到的信号主要反映瞬变电磁场在低阻体影响下的衰减信息。同时由于电磁场存在延迟现象,当积水巷道处于迎头前方时,电场等值线集中区域明显比真实低阻区域横向范围大。

3. 2 充水采空区

设计掘进巷道迎头前方侧方位存在充水采空区,在图2 模型中加载一低阻体,电阻率为1 Ω·m,长65 m,宽30 m。由于距离掘进巷道迎头较远,时间选取t = 6. 3 μs和t = 40. 2 μs,其瞬变电场等值线见图5,其中电场强度单位为V/m,图5( a) 、( b) 中的电场分别为扩大105、106之后的值。

由图5 可见,巷道迎头左侧空间电场扩散速度极慢,低阻体附近电力线弯曲变形,电场极大值中心向左侧偏离最初场源位置。随着时间推移,等值线已经覆盖低阻体,在低阻体及其附近,电场等值线逐渐密集,梯度变大,同时与图3 比较,右侧空间受低阻影响较小,电场的扩散速度较快,电场等值线改变了对称性。

如图6 所示,不同模型磁场时间导数曲线均不同,验证了瞬变电磁可以探测不同空间发育的低阻体。低阻体响应特征曲线值在14. 4 μs开始与无低阻体响应特征曲线值分离,晚期衰减梯度小,无低阻体时呈线性衰减,存在低阻体时呈非线性衰减,充水巷道晚期信号比无低阻体高出1 个数量级,充水采空区比无低阻体高5 倍。

4 结论

1) 巷道中的激励源,不仅在巷道迎头前方的岩体中激发二次感应场,而且在巷道迎头后方围岩中也激发二次感应场,具有全空间效应。瞬变电磁场扩散速度受到周围介质电性影响,在低阻介质中扩散速度慢,而在高阻介质中扩散速度快,巷道迎头前方低阻体对全空间瞬变电磁场影响明显。

2) 全空间条件下,当不存在低阻体时,电场等值线环由激励源处分别向上、向下移动,强度逐渐减弱; 当存在低阻体时,其附近电场等值线密集,梯度变大,扩散速度降低。早期在低阻体处形成极小值等值线,激励源产生的电场背离低阻体的方向移动,随后电场传播极大值等值线环又聚向低阻体,成为一个“二次源”向空间辐射电磁场,观测到的信号主要反映瞬变电磁场在低阻体影响下的衰减信息。

3) 巷道前方的充水巷道比充水采空区晚期磁场时间导数高5 倍,比无低阻体高出1 个数量级。同时由于电磁场存在延迟现象,当积水巷道或采空区处于迎头前方时,电场等值线密集区明显比真实低阻区域横向范围大。

摘要：煤矿老空区充水对后续煤矿安全生产威胁大。基于电磁场扩散理论,采用时域有限差分法,建立全空间二维地质模型,研究老空水瞬变电磁响应特征,结果表明:煤矿巷道中的激励源,不仅在巷道迎头前方岩体中激发二次感应场,而且在巷道迎头后方围岩中也激发二次感应场,极大值等值线环由激励源处分别向上、向下移动,强度逐渐减弱。矿井瞬变电磁场扩散速度受周围介质电性影响,低阻介质中扩散速度慢,高阻介质中扩散速度快,巷道迎头前方低阻体对全空间瞬变电磁场影响明显。当地质体中存在低阻体时,其附近电场等值线密集,梯度变大,扩散速度降低,涡流密度变大、衰减变慢。