一种发射线圈组及瞬变电磁勘探装置

1.本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种发射线圈组及瞬变电磁勘探装置。


背景技术：

2.瞬变电磁探测技术是地球物理勘探领域中重要的探测方法之一，广泛应用于在地下水探测、地下金属探测、煤层探测、地下空洞探测、地震危险性评估、考古领域和工程勘探中。瞬变电磁勘探技术利用发射天线内的电流产生的磁场(称之为一次磁场)，并向探测区域发射该一次磁场，探测目标体会发生电磁感应现象，从而产生的涡电流，当关断发射天线的电流后，再测量由目标体中的涡电流所产生的磁场(即二次磁场)，用以获得探测区域中的异常信息。但发射天线产生的一次磁场对接收天线有较大影响，且发射天线与接收天线之间在关断过程中产生的互感也会造成一定影响。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种发射线圈组，所述发射线圈组解决了发射天线产生的一次磁场对接收天线的影响以及关断过程中产生的互感影响的问题。本发明还提出了一种瞬变电磁勘探装置。
4.根据本发明第一方面实施例的发射线圈组，包括：
5.n个发射线圈，n为奇数且n大于等于3，位于n个所述发射线圈中心轴位置的所述发射线圈水平布置，非所述中心轴位置的n-1个所述发射线圈在所述中心轴位置的两侧轴对称布置，且任意一侧所述发射线圈呈竖直、水平方向交替排列；n个所述发射线圈用于连接发射机后通电产生磁场；以处于所述中心轴位置的所述发射线圈的磁场方向为起始方向，所述中心轴位置任意一侧的多个所述发射线圈的磁北极方向皆按照顺时针或逆时针循环，且两侧循环方向相反。
6.根据本发明实施例的发射线圈组，至少具有如下技术效果：最低为3个的任意奇数个发射线圈按照位于中心轴位置水平布置的发射线圈为起点，向左右两侧对称布置剩余发射线圈，并采用竖直、水平交替的方式排列，使得每一个线圈与发射机连接通电后，磁北极方向呈规律变化，中心轴位置任意一侧的多个发射线圈的磁北极方向皆按照顺时针或逆时针循环，保证两侧循环方向相反，中心轴位置处的线圈的磁北极方向为向左或向右，按照这个特定的发射线圈排列方式，不仅使得发射线圈产生的一次场通过接收单元的磁通量接近于0，达到消除一次场的影响，还能在关断发射线圈电流所产生感应磁场的过程中，消除接收单元采集到关断感应磁场的磁通量，保证接收单元采集地下介质的二次场信号，从而提高瞬变电磁探测信号的信噪比。此外，由于特定的发射线圈排列方式改变了磁场分布，削弱了上方磁场，增强了下方磁场强度，使得本发明的发射线圈产生的一次场强度亦有大幅提升。
7.根据本发明的一些实施例，每个所述发射线圈各匝的缠绕半径为相等或依次增大或依次减小。
8.根据本发明的一些实施例，每个所述发射线圈的长度相同。
9.根据本发明的一些实施例，每两个关于所述中心轴位置对称的所述发射线圈的直径和匝数一致。
10.根据本发明的一些实施例，所述发射线圈采用顺磁介质材质或高导磁性介质材质。
11.根据本发明的一些实施例，n个所述发射线圈与所述发射机并联。
12.根据本发明的一些实施例，n个所述发射线圈串联，n个所述发射线圈构成的串联结构与所述发射机连接。
13.根据本发明第二方面实施例的瞬变电磁勘探装置，包括：
14.如第一方面任一所述的发射线圈组；
15.发射机，用于使n个所述发射线圈产生磁场；
16.接收单元，所述接收单元的接收平面与所述发射线圈组的中心轴正交，且位于所述发射线圈组磁力弱的一侧，所述接收单元用于采集垂直方向上的磁通量；
17.接收机，与所述接收单元电性连接。
18.根据本发明实施例的瞬变电磁勘探装置，至少具有如下技术效果：应用第一方面所述的发射线圈组，最低为3个的任意奇数个发射线圈按照位于中心轴位置水平布置的发射线圈为起点，向左右两侧对称布置剩余发射线圈，并采用竖直、水平交替的方式排列，使得每一个线圈与发射机连接通电后，磁北极方向呈规律变化，中心轴位置任意一侧的多个发射线圈的磁北极方向皆按照顺时针或逆时针循环，保证两侧循环方向相反，中心轴位置处的线圈的磁北极方向为向左或向右，按照这个特定的发射线圈排列方式，不仅使得发射线圈产生的一次场通过接收单元的磁通量接近于0，达到消除一次场的影响，还能在关断发射线圈电流所产生感应磁场的过程中，消除接收单元采集到关断感应磁场的磁通量，保证接收单元采集地下介质的二次场信号，从而提高瞬变电磁探测信号的信噪比。此外，由于特定的发射线圈排列方式改变了磁场分布，削弱了上方磁场，增强了下方磁场强度，使得本发明的发射线圈产生的一次场强度亦有大幅提升。
19.根据本发明的一些实施例，所述发射线圈组的数量为多组，多组所述发射线圈组呈对称结构分布，多组所述发射线圈组皆与所述发射机连接。
20.根据本发明的一些实施例，所述接收单元采用接收线圈或磁电传感器。
21.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1是本发明实施例的发射线圈组并联连接的示意图；
24.图2是本发明实施例的发射线圈组串联连接的示意图；
25.图3是本发明实施例的发射线圈的示意图；
26.图4是本发明实施例提供的一种发射线圈组的组合方式示意图；
27.图5是本发明实施例提供的另一种发射线圈组的组合方式示意图；
28.图6是本发明实施例的接收单元与发射线圈组的位置示意图。
29.附图标记：
30.发射线圈100、
31.发射机200、
32.接收单元300、
33.接收机400。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
37.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
38.下面参考图1至图3描述根据本发明第一方面实施例的发射线圈组。
39.根据本发明实施例的发射线圈组，包括：n个发射线圈100，n为奇数且n大于等于3，位于n个发射线圈100中心轴位置的发射线圈100水平布置，非中心轴位置的n-1个发射线圈100在中心轴位置的两侧轴对称布置，且任意一侧发射线圈100呈竖直、水平方向交替排列；n个发射线圈100用于连接发射机200后通电产生磁场；以处于中心轴位置的发射线圈100的磁场方向为起始方向，中心轴位置任意一侧的多个发射线圈100的磁北极方向皆按照顺时针或逆时针循环，且两侧循环方向相反。
40.参考图1，这里以5个发射线圈100为例介绍本发明的发射线圈组的排列特点。为方便对本实施例的理解，图1中所示的5个发射线圈100从左至右依次编号为左一、左二、中轴、右二、右一，如图1所示，位于中轴的发射线圈100水平布置，以位于中轴的发射线圈100处所示虚线为中心轴，左一与右一对应，也为水平布置，左二与右二对应，为竖直布置，即任意一侧的发射线圈100呈竖直、水平方向交替排列。5个发射线圈100分别与发射机200连接，通电后，可以从图1中箭头的方向看出，箭头表示电流的流向，左一发射线圈100和右一发射线圈100的电流流向相同，都是从发射线圈100右端流进，左端流出，可得知，左一发射线圈100和右一发射线圈100产生的内部磁感线方向一致，而位于中轴的发射线圈100的电流流向是左端流进、右端留出，其产生的内部磁感线与左一、右一发射线圈100的内部磁感线方向相反。前述三个发射线圈100的内部磁感线正交于发射线圈组的中心轴，剩余的左二和右二发射线圈100的内部磁感线与中心轴平行。左二发射线圈100的电流流向是上端进、下端出，右二
发射线圈100的电流流向是下端进、上端出，两个发射线圈100产生的内部磁感线方向相反。且由于发射线圈组按特定的排列组合连接到发射机200上，使发射线圈组下方区域呈现为强一次磁场，作为瞬变电磁的信号发射端，同时，发射线圈组上方呈现为较弱的一次磁场。
41.需要说明的是，每一个发射线圈100中电流的流向并不做限定，只需确保接收单元测量时测量得到的一次场接近于0即可。例如，中轴发射线圈100的磁北极方向为向左时，遵循其右侧线圈的磁北极方向为顺时针排列，其左侧线圈的磁北极方向为逆时针排列，则该五个发射线圈100的磁北极方向从左到右依次为：右、下、左、上、右。同理可得，中轴发射线圈100的磁北极方向为向右时，五个发射线圈100的磁北极方向从左到右依次为：左、上、右、下、左。后续增加的发射线圈100，其磁北极方向也应遵循上述磁北极方向循环规则。
42.还需要说明的是，增加发射线圈组中发射线圈100的数量应当遵循对称的原则，即在满足竖直、水平交替排列的基础上，需要以中心轴为对称轴，左、右两侧分别增加数量相同的发射线圈100，以满足磁北极方向循环排列的特征。
43.根据本发明实施例的发射线圈组，最低为3个的任意奇数个发射线圈100按照位于中心轴位置水平布置的发射线圈100为起点，向左右两侧对称布置剩余发射线圈100，并采用竖直、水平交替的方式排列，使得每一个线圈与发射机200连接通电后，磁北极方向呈规律变化，中心轴位置任意一侧的多个发射线圈100的磁北极方向皆按照顺时针或逆时针循环，保证两侧循环方向相反，中心轴位置处的线圈的磁北极方向为向左或向右，按照这个特定的发射线圈100排列方式，不仅使得发射线圈100产生的一次场通过接收单元300的磁通量接近于0，达到消除一次场的影响，还能在关断发射线圈100电流所产生感应磁场的过程中，消除接收单元300采集到关断感应磁场的磁通量，保证接收单元300采集地下介质的二次场信号，从而提高瞬变电磁探测信号的信噪比。此外，由于特定的发射线圈100排列方式改变了磁场分布，削弱了上方磁场，增强了下方磁场强度，使得本发明的发射线圈100产生的一次场强度亦有大幅提升。
44.在本发明的一些实施例中，每个发射线圈100各匝的缠绕半径为相等或依次增大或依次减小。发射线圈100缠绕半径的大小会对消除一次场干扰有影响，其中，通常采取缠绕半径相等的选择，但本实施例对此不做限定，缠绕半径依次增大或依次减小都可。
45.在本发明的一些实施例中，发射线圈100的形状可为圆形、三角形、正多边形等，如图2所示，本实施例发射线圈100采用的形状为圆形，圆形发射线圈100在探测过程中更便于安装和使用。但本实施例对此不做限定，上述提到的形状或其他形状的发射线圈100，可达到相同效果即可。
46.在本发明的一些实施例中，参考图2，每一个发射线圈100的长度l相同。每一个发射线圈100的长度l相同可减少误差，避免因发射线圈100的长度l不一而对探测结果产生影响。但本实施例对此不做限制，可实现相同效果时，对每一个发射线圈100的长度l不做限制，相同或不一皆可。
47.在本发明的一些实施例中，每两个关于中心轴位置对称的发射线圈100的直径和匝数一致。为了保证一次场对接收单元的影响降到最低，处于对称位置的两个发射线圈100除了设置方式需相同之外，直径d、匝数以及线圈缠绕时，均应该保持参数一致，从而确保接收单元探测的准确性。
48.在本发明的一些实施例中，发射线圈100采用顺磁介质材质或高导磁性介质材质。
当磁介质进入磁场,受磁场感应，也会产生一个小磁场。顺磁介质可以起到加强原磁场的作用，高导磁性介质作用同理，在此不做赘述，此外，本实施例对此不做限制，能达到增强磁场作用即可。
49.在本发明的一些实施例中，n个发射线圈100与发射机200并联。并联结构的发射线圈100实施例在前已作描述，在此不作赘述。
50.在本发明的一些实施例中，n个所述发射线圈串联，n个所述发射线圈构成的串联结构与所述发射机连接。参考图2，这里同样以5个发射线圈100为例介绍发射线圈100串联后与发射机200连接的结构。同样，将图2中所示的5个发射线圈100从左至右依次编号为左一、左二、中轴、右二、右一，如图2所示，位于中轴的发射线圈100水平布置，以位于中轴的发射线圈100处所示虚线为中心轴，左一与右一对应，也为水平布置，左二与右二对应，为竖直布置，即任意一侧的发射线圈100呈竖直、水平方向交替排列。5个发射线圈100与发射机200串联通电后，可以从图2中箭头的方向看出，箭头表示电流的流向，左一发射线圈100和右一发射线圈100的电流流向相同，都是从发射线圈100右端流进，左端流出，可得知，左一发射线圈100和右一发射线圈100产生的内部磁感线方向一致，而位于中轴的发射线圈100的电流流向是左端流进、右端留出，其产生的内部磁感线与左一、右一发射线圈100的内部磁感线方向相反。前述三个发射线圈100的内部磁感线正交于发射线圈组的中心轴，剩余的左二和右二发射线圈100的内部磁感线与中心轴平行。左二发射线圈100的电流流向是上端进、下端出，右二发射线圈100的电流流向是下端进、上端出，两个发射线圈100产生的内部磁感线方向相反。由上述可得5个发射线圈100与发射机200串联连接时，同样使得发射线圈组下方区域呈现为强一次磁场，作为瞬变电磁的信号发射端，同时，发射线圈组上方呈现为较弱的一次磁场。
51.根据本发明第二方面实施例的瞬变电磁勘探装置，包括：发射线圈组、发射机200、接收单元300、接收机400。
52.如第一方面任一所述的发射线圈组；
53.发射机200，用于使n个发射线圈100产生磁场；
54.接收单元300，接收单元300的接收平面与发射线圈组的中心轴正交，且位于发射线圈组磁力弱的一侧，接收单元300用于采集垂直方向上的磁通量；
55.接收机400，与接收单元300电性连接。
56.参考图1至图5，发射线圈组在第一方面实施例已作描述，此处不再赘述，如图4所示，接收单元300与发射线圈组平行，并与发射线圈组的中心轴正交，接收单元300布置在发射线圈组上方，上方为磁力弱的一侧，接收单元300采集垂直方向上的磁通量，接收机400与接收单元300电性连接，获取探测结果。
57.根据本发明实施例的瞬变电磁勘探装置，应用第一方面所述的发射线圈组，最低为3个的任意奇数个发射线圈100按照位于中心轴位置水平布置的发射线圈100为起点，向左右两侧对称布置剩余发射线圈100，并采用竖直、水平交替的方式排列，使得每一个线圈与发射机200连接通电后，磁北极方向呈规律变化，中心轴位置任意一侧的多个发射线圈100的磁北极方向皆按照顺时针或逆时针循环，保证两侧循环方向相反，中心轴位置处的线圈的磁北极方向为向左或向右，按照这个特定的发射线圈100排列方式，不仅使得发射线圈100产生的一次场通过接收单元300的磁通量接近于0，达到消除一次场的影响，还能在关断
发射线圈100电流所产生感应磁场的过程中，消除接收单元300采集到关断感应磁场的磁通量，保证接收单元300采集地下介质的二次场信号，从而提高瞬变电磁探测信号的信噪比。此外，由于特定的发射线圈100排列方式改变了磁场分布，削弱了上方磁场，增强了下方磁场强度，使得本发明的发射线圈100产生的一次场强度亦有大幅提升。
58.在本发明的一些实施例中，发射线圈组的数量为多组，参考图3和图4，多组发射线圈组呈对称结构分布，多组所述发射线圈组皆与发射机200连接。对于不同情况的探测，可根据实际情况设置多组发射线圈组来进行探测以获取更准确的探测结果。
59.在本发明的一些实施例中，接收单元300采用接收线圈或磁电传感器。磁电式传感器是利用磁电耦合效应，将磁场信号转换为电场信号的传感器。它能把弱磁信号转换成易于测量的电信号。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单，零位及性能稳定。但本实施例对接收单元300不做限制，根据具体情况合理选择即可。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
61.尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。