瞬变电磁小回线探测技术研究

论文摘要

我国大量基础设施建设离不开艰巨的工程地质勘察。对异常体敏感且无接地问题的小回线瞬变电磁设备在城市、隧道以及山区等小空间地质探测领域逐渐兴起。瞬变电磁法小回线装置通常是指直径小于3 m的同点装置,受地下0～20 m浅层探测盲区影响,现有的小回线瞬变电磁设备必须与地质雷达联合使用,增加了探测的成本,延长了宝贵的施工周期。本论文以可实现0～100 m浅层勘探的小回线瞬变电磁技术为研究目标,通过构建瞬变电磁响应模型,对小回线瞬变电磁法浅层探测盲区的成因及其解决方案进行了较为深入的研究。基于瞬变电磁响应模型的研究结果表明:瞬变电磁浅层探测能力取决于早期探测信号的完整性,由发送、接收线圈互感导致的一次场信号混叠以及由接收线圈储能效应引起的过渡过程是造成早期二次场信号失真的主要原因。受限于小回线装置的尺寸,线圈之间的互感以及接收线圈的自感现象突出,显著扩大了浅层探测盲区。本文提出通过消除探测信号的一次场混叠现象和校正接收线圈过渡过程两方面提升小回线装置的浅层探测能力。针对小回线装置的一次场信号混叠问题,优选的解决方案是通过合理设置发送、接收线圈的结构降低线圈的互感,称为弱磁耦合设计。现有的设计方案或损失了对目标体的探测灵敏度,或降低了对一次场的屏蔽稳定性,从而削弱了设备的实际探测能力。本文在分析现有弱磁耦合设计原理的基础上,提出可以避免损失发射磁矩和二次场采集能力的新型弱磁耦合方案——跨环消耦结构。提出了针对小回线装置探测灵敏度以及一次场屏蔽稳定性的评价方案,并进一步对比分析了跨环消耦结构较其它弱磁耦合方案在这两方面的优势。将磁通极性相反的子线圈串联组合是弱磁耦合设计的常用策略,对于小回线装置,串联式结构增加了有限空间内的线圈数量,压缩了线圈的间距。研究发现在近距离走线的情况下,这种串联式线圈可能将非周期信号以衰减振荡的形式输出。本文基于串联式线圈的等效电路模型研究了导致信号振荡的原因,提出并验证了该问题的解决方案。作为导致浅层探测盲区的另一个因素,接收系统的过渡过程指的是在接收线圈自感和分布电容影响下,输出信号较二次场感应电动势的畸变现象。校正小回线接收线圈过渡过程的有效途径是通过标定获取感应电动势和输出信号的映射——标定文件,然后基于标定文件将畸变的输出信号还原为二次场感应电动势。本文定量分析了标定误差对瞬变电磁探测精度的影响,结果表明环境介质或结构形变会对标定文件产生难以忽略的影响,针对瞬变电磁接收系统的标定方案须具备现场实施的能力。传统的频率响应标定法通过线圈感应电动势与输出信号的频率特性获取标定文件,可控的感应电动势依赖均匀的标定磁场,从而阻碍了传统标定法的现场实施。针对这一问题,本文提出一种不需求解感应电动势的时域无源标定法,该方案无需建立标定磁场,通过极简的标定过程即可为小回线装置实施可靠的现场标定。由于均匀标定磁场的缺失,现有的现场标定方案无法基于感应电动势的校正误差评估标定文件的可靠性。本文提出了基于指数信号的时域反馈标定方案—τ曲线标定法,利用τ值转换算法提取感应电动势的求解误差并将其作为反馈信号,从而实现了标定文件精度的定量评估。进一步,还可以基于反馈信号对失真的标定文件实施校准,同样摆脱了标定过程对均匀磁场的依赖。将本文所设计的跨环消耦结构以及过渡过程校正技术应用于实验室自主研发的FCTEM60拖拽式高分辨率瞬变电磁系统,在己知的实验场地实施了验证性探测实验,结果表明本文的研究成果显著改善了小回线瞬变电磁系统的浅层探测效果,为地下0～100 m的工程及环境勘探提供了有效的解决方案。

论文目录

中文摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 小回线瞬变电磁法发展现状

1.2.1 瞬变电磁法的发展

1.2.2 瞬变电磁法线圈装置简介

1.2.3 小回线装置的研究现状

1.3 小回线装置的研究方向

1.4 论文研究内容

2 小回线瞬变电磁法和浅层探测盲区

2.1 瞬变电磁探测基本理论

2.1.1 麦克斯韦方程组与波动方程

2.1.2 瞬变电磁响应信号

2.1.3 基于响应信号的视电阻率反演

2.2 瞬变电磁数值分析模型

2.2.1 导电半空间模型

2.2.2 导电环模型

2.3 小回线装置的探测盲区及其解决方案

2.3.1 小回线装置的浅层探测盲区

2.3.2 小回线探测盲区的特性分析

2.3.3 小回线装置浅层探测方案

3 小回线弱磁耦合设计——跨环消耦结构

3.1 跨环消耦线圈

3.1.1 弱磁耦合结构的设计原理

3.1.2 跨环消耦结构的设计原理

3.2 跨环消耦线圈参数优化设计

3.2.1 基于输出灵敏度的线圈参数优化

3.2.2 基于解耦合稳定性的线圈优化

3.2.3 基于信号稳定性的线圈间距设计

3.3 跨环消耦线圈的性能分析

3.3.1 探测灵敏度

3.3.2 一次场屏蔽稳定性

3.4 实验验证

小结

4 小回线瞬变电磁接收线圈的标定技术

4.1 瞬变电磁接收线圈的过渡过程

4.2 标定文件

4.3 标定文件的精度需求

4.4 频率响应测试法概述

4.5 时域无源标定方案

4.5.1 时域无源标定法原理

4.5.2 标定参数的设计与优化

4.5.3 标定精度验证

4.6 τ曲线标定法

4.6.1 标定原理

4.6.2 反馈信号

4.6.3 根据反馈信号校准标定文件

4.6.4 标定系统的参数设计与优化

4.6.5 标定精度验证

4.7 实验验证

小结

5 基于FCTEM60 小回线装置的案例分析

5.1 FCTEM60 瞬变电磁探测系统

5.2 应用案例

5.2.1 云南工程选址勘察

5.2.2 武汉山地溶洞探测

小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后期工作展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C.学位论文数据集

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王浩文

导师: 付志红

关键词: 瞬变电磁,小回线装置,浅层探测,标定

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 重庆大学

分类号: P631.325

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001240

总页数: 128

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