瞬变电磁仪早期信号测量的程控接收天线

　　1　引　　言

　　瞬变电磁法(TEM)是目前地球物理探测领域里一种应用前景非常广阔的新的勘探方法[1~3]。与地球物理勘探领域中的其它方法相比,瞬变电磁勘探法有简单易行、信息丰富、精度较高、而且投资小、见效快和应用广等优点。所以应用领域不断扩大,近年已经在矿藏、油气田勘探中得到了广泛应用,并且正步入工程、地下水及地热勘查等行列,取得了可喜的成果[4、5]。瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。它利用接地电极或不接地回线通以脉冲电流而在地下建立起一次脉冲磁场,在一次磁场间隙期间,利用探测线圈观测二次涡流场。由于早期信号反映浅部地电特征,晚期信号反映较深部地电特征,这就可以达到测深的目的[6]。在电法勘探领域里,探地雷达主要适用于10米以内的浅层,TEM主要适用于100米以下的深层,而10米到100米之间一直没有有效的方法,成为电法的盲区。早先TEM主要用于深层地质结构勘探,对其早期信号没有引起足够的重视,研究得远远不够。随着TEM应用领域的不断扩大,特别是在浅层勘探和工程物探等方面的应用,早期信号就显得十分重要了。

　　我们近几年研制了两台不同用途的瞬变电磁仪。在研制过程中我们体会到,对于瞬变电磁仪来说,早期信号的检测具有相当大的难度。我们曾经对此问题做过一些研究,并使用一些方法来解决早期信号的检测问题,取得了一些成果[7、8]。但是,这些方法主要讨论的是对所采数据的处理方法,其着眼点主要在于采样技术的改进,而没有考虑接收系统自身的影响。随着对早期信号研究的深入,我们发现接收线圈在一次场消失的瞬间所产生感应电流的暂态过程对早期信号采集的影响也不容忽视。为了解决这个问题,本文提出了一种新的程控天线接收技术,实际应用中取得了明显的效果。

　　2　原接收天线存在的问题

　　TEM的工作原理如图1所示,(a)是发射线圈中的发射电流,(b)是发射电流在大地中产生的磁场,(c)是一次场消失时在接收线圈中感应的电压及其暂态过程曲线,(d)是大地中二次场在接收线圈中感应的电压曲线,(e)是(c)和(d)的叠加,即接收线圈实际测得的感应电压曲线。可见它不是单纯的二次场,而是夹杂了接收线圈暂态过程。在一般情况下接收线圈暂态过程比较短,所以不会出现在晚期信号里,但在早期信号里它很大,不容忽视。

　　通常使用的接收线圈可以近似地看作LR电路,图1(c)所描述的实际上是LR电路的暂态过程,即:

　　其中:τ=L/R称为LR电路的时间常数。L越大R越小,则时间常数越大,通常人们总是希望接收线圈的增益大些(即L大),损耗小些(即R小),从而导致τ很大,甚至达到ms数量级。但是,为测早期信号我们又希望时间常数越小越好,以缩小暂态过程的影响。这就产生了矛盾,为此我们采用以下几种方法加以解决。