阵列磁异探测的模拟方法与实验系统技术方案

本发明专利技术涉及地下磁异探测领域，公开了一种阵列磁异探测的模拟方法与实验系统，本发明专利技术所述的实验系统包括层状介质模拟装置、阵列发射线圈模块以及阵列接收线圈模块，阵列发射线圈模块主要是产生实验所需的一次磁场信号；层状介质模拟装置采用尺度缩比原理进行实际工况模拟，由多层亚克力板构成，每层可进一步横向划分，磁异物体能够放置在亚克力板构建的网格内，实现实验过程中磁异目标位置以及地质参数可控；阵列接收线圈模块主要是接收不同位置磁异物体的感应磁场信号。本发明专利技术能够模拟物探实际工况，实验方法采用瞬变电磁法，通过阵列收发线圈对磁异物体进行探测，通过分析不同位置磁异物体的响应信号差异，可以对地下介质磁异物体进行正演研究。物体进行正演研究。物体进行正演研究。

【技术实现步骤摘要】
阵列磁异探测的模拟方法与实验系统


[0001]本专利技术涉及地下磁异探测领域，尤其涉及一种阵列磁异探测的模拟方法与实验系统。

技术介绍

[0002]随着城市化的不断发展，矿产资源的不断开采以及军事领域的需求，城市地下空洞、矿产、未爆弹等磁异目标的勘探技术也逐渐复杂起来，对勘探精度、识别准确性等有了更高的要求，对地下磁异目标响应信号的解释变得更具有挑战性。因此，对地下磁异目标激励响应特性的分析具有重大的意义。瞬变电磁法由于其具有设备便携、探测距离远、对环境依赖程度小等特点，长期以来一直是地下磁异探测领域的研究热点。使用瞬变电磁法进行磁异探测时，为更精准的对探测目标进行深度、位置、结构等反演解释，前期需对地下磁异目标进行大量的正演研究。
[0003]在实际物探工作中，要对各种磁异目标的检测信号进行解释，需提前进行正反演研究，分析磁异目标的响应机理。而在实际工况开展实验较为繁琐，可以在实验室内通过物理模拟实验进行仿真研究。物理模拟实验能够真实客观地模拟现场实际工况，得到地下磁异目标的响应特征，增加结果的可靠性。由于物理模拟具有经济高效，相对于数值模拟更能真实反映实际情况的优点，受到众多研究者的青睐。
[0004]在建立物理模型时，可通过缩比关系进行设计，在尺度缩比的时候不可能保持所有的现象同时不变，有一些现象无法被成比例缩小，若这些现象不重要，而重要的研究现象能够保持，可认为这种缩比是可行的，模拟实验可以将某个现象缩比后进行研究，而不是将实验条件全尺度缩比后研究。结合仿真、理论研究，与实验结果结合分析，提高准确性。通过对地质条件进行抽象建模，建立阵列磁异探测的模拟实验系统，在该模拟实验系统中，电磁波传播机理与缩比尺度无关，因此可研究阵列收发线圈位置的合理性，探索电磁波在不同地下介质下的传播机理、磁异物体的衰减特性。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本专利技术的目的在于，提供一种阵列磁异探测的模拟方法与实验系统，建立层状介质模拟装置，能够模拟物探实际工况，改变磁异物体及地质结构参数，采用阵列线圈结构通过瞬变电磁法进行磁异探测实验，便于进行复杂地质的瞬变电磁响应特征研究。
[0006]为了达到上述专利技术目的，进而采取的技术方案如下：
[0007]一种阵列磁异探测的模拟实验系统，包括层状介质模拟装置、阵列发射线圈模块和阵列接收线圈模块；
[0008]在实际地下物质勘探中，地质体可根据不同深度地质差异抽象为简单的多层结构，因此可通过构建几何形态和电磁学性质相似的层状介质模拟装置进行实验模拟；
[0009]所述层状介质模拟装置由多个不同大小的透明亚克力板组合而成，整体为长方体造型，为水平多层结构，水平各层之间由亚克力板横向分隔开，在装置的任一层，可通过小
块亚克力板再次进行纵向分隔，由以上亚克力板分割出的空间方便调整，可根据具体实验内容不同，在空间内简便地更换模拟地质材料，由于亚克力材料在电磁传播过程中影响微小，因此在采用瞬变电磁法进行磁异探测的过程中，可以忽略其产生的影响，而且亚克力材料具有透明性好、强度优异的优点，在实验过程可方便观测实验状态；
[0010]所述阵列发射线圈模块由多个相同的激励线圈组成，均匀放置在层状介质模拟装置的顶层，使用信号源提供给各个激励线圈相同的交变脉冲信号，各个激励线圈会在所处位置产生相同大小一次交变激励磁场，产生的一次磁场在层状介质模拟装置中扩散，传播到层状介质模拟装置中地质模拟层以及磁异物体时，会产生感应二次磁场信号，由于各个激励线圈的位置不同，对于固定位置的磁异物体，不同线圈与磁异物体之间的距离有差异，因此不同激励线圈在磁异物体中产生的响应也不同；
[0011]所述阵列接收线圈模块由多个相同的感应线圈组成，感应线圈同样放置于层状介质模拟装置顶层，均匀放置在对应激励线圈的四周，此种方式能有效降低激励线圈与感应线圈之间的互感，减少一次场信号干扰，最大限度接收二次场感应信号；由于阵列感应线圈位于磁异物体上方不同位置，因此各个感应线圈接收到的二次磁场信号会存在差异，通过磁异物体的位置与二次磁场信号的响应特征，可以进行磁异物体正演研究。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述层状介质模拟装置由亚克力板构成，按照水平方向分为四层：L1层、L2层、L3层、L4层，通过亚克力板相互分隔，其中顶层和底层为完整的长方体结构，中间两层通过小型亚克力板进一步隔开，磁异物体放置于中间两层，通过放置的位置，能直观的表达实验过程。
[0013]一种阵列磁异探测的模拟方法，包括以下步骤：
[0014]首先将磁异物体放置在层状介质模拟装置中某一位置k1处，对阵列发射线圈模块提供阵列交变脉冲信号i1(t)，各个激励线圈在所处位置激发产生一次激励磁场，一次激励磁场在收发线圈互感M
TR
的作用下产生一次感应电动势v1(t)，一次磁场在层状介质模拟装置中进行扩散，在磁异物体内部产生涡流信号i2(t)，在信号关断瞬间，磁异物体涡流信号也随之衰减，产生二次磁场信号，二次磁场信号在磁异物体与接收线圈互感M
RC
的作用下产生二次感应电动势v2
(
t)。感应线圈采集在位置k1处由一次磁场感应电动势v1(t)和二次磁场感应电动势v2(t)组成的总感应电动势v(t)，其中v1(t)为干扰信号，v2(t)为有效信号，研究磁异物体在该位置处v2(t)的响应机理，改变磁异物体的位置至k2处，再次进行以上步骤得到位置k2处的总感应电动势v(t)，改变磁异物体至不同层，不同位置，可以对磁异物体进行不同位置磁异响应的正演研究。其中阵列瞬变探测原理如下式所示，采用本模拟实验系统可以方便进行瞬变电磁探测实验。
[0015][0016]式中，v(t)为接收线圈总感应电动势，v1(t)为一次场感应电动势，v2(t)为二次场感应电动势，i1(t)为发射信号激励源，I0为激励源幅值，i2(t)为磁异物体感应涡流，L
c
为磁异物体电感，τ为磁异物体时间常数，Φ为接收线圈接收磁通量。
[0017]下列公式为层状介质模拟装置中介质根据实际工况条件所需满足的条件及研究参数；
[0018][0019]式中：σ
m
、μ
m
、ε
m
、t
m
分别代表物理模拟实验的电导率、磁导率、几何长度、介电常数以及采样时间，σ
f
、μ
f
、ε
f
、t
f
分别表示实际探测试验的电导率、磁导率、几何长度、介电常数以及采样时间，N为感应线圈匝数，φ(t)为穿过感应线圈的磁通量，S为感应线圈面积，B(t)表示磁感应强度，Δ
i
为不同位置磁异物体的响应信号差异，通过分析不同位置Δ
i
的差别，可以对地下介质磁异物体进行正演研究,f(k
i
)为位置k
i
处的感应磁场信号，f(k
i+1
)为位置k
i+1
处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阵列磁异探测的模拟实验系统，其特征在于：包括层状介质模拟装置、阵列发射线圈模块和阵列接收线圈模块；所述层状介质模拟装置由多个不同大小的透明亚克力板组合而成，整体为长方体造型，为水平多层结构，水平各层之间由亚克力板横向分隔开，在装置的任一层，可通过小块亚克力板再次进行纵向分隔；所述阵列发射线圈模块由多个相同的激励线圈组成，均匀放置在层状介质模拟装置的顶层，使用信号源提供给各个激励线圈相同的交变脉冲信号，各个激励线圈会在所处位置产生相同大小一次交变激励磁场，产生的一次磁场在层状介质模拟装置中扩散，传播到层状介质模拟装置中地质模拟层以及磁异物体时，会产生感应二次磁场信号，由于各个激励线圈的位置不同，对于固定位置的磁异物体，不同线圈与磁异物体之间的距离有差异，因此不同激励线圈在磁异物体中产生的响应也不同；所述阵列接收线圈模块由多个相同的感应线圈组成，感应线圈同样放置于层状介质模拟装置顶层，均匀放置在对应激励线圈的四周，由于阵列感应线圈位于磁异物体上方不同位置，因此各个感应线圈接收到的二次磁场信号会存在差异，通过磁异物体的位置与二次磁场信号的响应特征，可以进行磁异物体正演研究。2.根据权利要求1所述的一种阵列磁异探测的模拟实验系统，其特征在于：所述层状介质模拟装置由亚克力板构成，按照水平方向分为四层：L1层、L2层、L3层、L4层，通过亚克力板相互分隔，其中顶层和底层为完整的长方体结构，中间两层通过小型亚克力板进一步隔开，磁异物体放置于中间两层，通过放置的位置，能直观的表达实验过程。3.一种阵列磁异探测的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将磁异物体放置在层状介质模拟装置中某一位置k1处，对阵列发射线圈模块提供阵列交变脉冲信号i1(t)，各个激励线圈在所处位置激发产生一次激励磁场，一次激励磁场在收发线圈互感M
TR
的作用下产生一次感应电动势v1(t)，一次磁场在层状介质模拟装置中进行扩散，在磁异物体内部产生涡流信号i2(t)，在信号关断瞬间，磁异物体涡流信号也随之衰减，产生二次磁场信号，二次磁场信号在磁异...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯，董浩森，康良伟，田平怡，孔慧华，翟宇，高添泉，庞存锁，李沅，韩焱，苏新彦，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：