CN113093290B - 同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，标定探测装置中各磁电传感器位置；通过信号发生电路产生不同频率的正弦波激励信号并通入发射线圈，产生一次磁场；在各个测点使用磁电传感器阵列接收地下介质产生的二次场信号；通过分析各个测点磁电传感器阵列接收的感应电磁场的频谱特征，提取地下介质的电磁特征；根据得到的电磁特征，反演计算地下介质的空间分布。本发明根据发射线圈磁场分布，利用双复合磁电传感器与偏置磁场磁路一体化设计，在实现一次场抵消的同时，实现二次场微弱信号的倍增。

Description

同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法

技术领域

本发明属于微弱磁场信号检测领域，具体为一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法。

背景技术

频率域电磁感应探测方法作为地球物理勘探方法的一种，广泛应用于地质普查、矿物勘探、地下金属探测、考古等领域。频率域电磁感应探测仪器采用发射线圈发射交变的一次磁场信号(即一次场)，使用接收线圈或磁传感器接收由一次场与异常体作用产生二次磁场信号(即二次场)获取待测异常体的信息。

由于发射线圈的一次场很强，而二次场信号微弱且与一次场信号同频，因此想要精确检出二次场信号，就必须对抵消或抑制一次场信号的干扰。参考文献1(Qu X，LiY，FangG，et al.Aportable frequency domain electromagnetic system for shallow metaltargets detection[J].Progress In Electromagnetics Research，2017，53:167-175.)中，接收装置使用两个线圈：一个作为接收线圈，另一个作为补偿线圈，发射线圈、接收线圈和补偿线圈三者的面积均相等，发射线圈和接收线圈的距离为1.67m，发射线圈和补偿线圈的距离为1.06m，两者比值约为0.63，补偿线圈和接收线圈通过物理差分的方法，将一次场衰减后再接入放大电路中。但此种方法下仪器体积较大，对发射线圈尺寸以及发射线圈和接收线圈距离也存在限制，且反演和数据处理要求较高。参考文献2(GEM-3:Amonostaticbroadband electromagnetic induction sensor[J].Journal ofEnvironmental and Engineering Geophysics，1997，2(1):53-64.)中两个发射线圈和一个接收线圈都安装在同一个同心圆平面上，一对发射线圈产生相位相反的一次场，使得同心圆中的接收线圈处一次场为0或接近于0，中心处接收线圈接收到的信号即为地下感应的微弱二次场信号，但在探测时只能获取单点探测数据，为反演提供数据较少，使定位存在误差。专利号申请号为202010405202.X的发明公开了—种深海瞬变电磁法探测接收装置及其控制方法，对于频率域一次场干扰抵消也具有重要参考意义。该装置将接收线圈放置于发射线圈上方或下方，接收线圈第一接收区和第二接收区，以发射线圈所在的平面为基准面，第一接收区在所述基准面上的正投影位于发射线圈内，第二接收区在基准面上的正投影位于发射线圈外，通过控制器调节，使发射线圈产生一次场时穿过第一接收区的磁通量和所述第二接收区的磁通量相等，进而消除或减弱一次场。但接收线圈是通过测量二次感应电压来得到磁场的变化率(dB/dt)参数，对深层目标探测能力差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，解决了现有仪器一次场干扰大、定位不精确的问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，具体步骤为：

步骤1，启动探测装置，所述探测装置包括磁电传感器阵列及发射线圈，标定探测装置中各磁电传感器位置；

步骤2，确定待测区域的探测路线和测点，在探测路线起点位置放置标定完成的探测装置；

步骤3，通过信号发生电路产生不同频率的正弦波激励信号并通入所述发射线圈，产生一次磁场；

步骤4，使用磁电传感器阵列接收地下介质产生的二次场信号；

步骤5，测量完毕后，移动探测装置至下一测点，并重复步骤3和步骤4，直至探测完毕所有预定测点；

步骤6，通过分析各个测点磁电传感器阵列接收的感应电磁场的频谱特征，提取地下介质的电磁特征；

步骤7，根据得到的电磁特征，反演计算地下介质的空间分布。

优选地，所述发射线圈为矩形发射线圈或者圆形发射线圈。

优选地，所述磁电传感器阵列包括若干组沿发射线圈设置的磁电传感器，两个磁电传感器为一组，分别放置在发射线圈内外两侧磁场大小相等位置。

优选地，当发射线圈为矩形发射线圈时，每组磁电传感器所处位置连线应与线圈边线垂直；当发射线圈为圆形发射线圈时，每组磁电传感器所处位置应与线圈圆心三点共线。

优选地，所述磁电传感器的磁电敏感单元为磁致伸缩材料/压电材料/磁致伸缩材料三层复合结构，层间使用环氧树脂胶进行粘接，并使用永磁体施加偏置磁场。

优选地，所述磁电传感器敏感方向为其长度方向，所述磁电传感器长度方向垂直于发射线圈所在平面。

优选地，所述地下介质包括大地或探测目标层/体。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明根据发射线圈磁场分布，设计一种新型磁电传感器阵列结构，提出利用双复合磁电传感器与偏置磁场磁路一体化设计方法，在实现一次场抵消的同时，实现二次场微弱信号的倍增；

(2)本发明使用磁电传感器可实现对二次感应磁场(B)信号的直接测量，与传统线圈传感器测量二次感应电压来得到磁场的变化率(dB/dt)参数相比，具有本质上的区别，能够获得更高的信噪比和更大的探测深度；

(3)本发明使用的磁电传感器便于设计传感器阵列，可以在同一测点获取多组探测数据，提高反演定位精度。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为矩形发射线圈与磁通密度测线示意图。

图2为矩形线圈测线上磁通密度大小曲线图。

图3为基于宽频带磁电传感器的同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测***架构示意图。

图4为本发明探测原理图。

图5为本发明的流程图。

图6为本发明实施例1中磁电传感器结构示意图。

图7为本发明实施例1中磁电传感器阵列工作原理图。

图8为本发明实施例2中磁电传感器一体化结构示意图。

图9为本发明实施例2中磁电传感器阵列工作原理图。

附图标记：1、磁致伸缩材料；2、压电材料；3、永磁体；4、带凸台的底座；5、导线；6、一次场；7、偏置磁场；8、二次场；9、电流方向；10、压电材料极化方向。

具体实施方式

如图3、5所示，一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，具体步骤为：

步骤1，启动探测装置，所述探测装置包括磁电传感器阵列及发射线圈，标定探测装置中各磁电传感器位置，以对消同频强一次场的干扰。

进一步的实施例中，所述发射线圈为矩形发射线圈或者圆形发射线圈；

步骤2，确定待测区域的探测路线和测点，在探测路线起点位置放置标定完成的探测装置。

进一步的实施例中，所述磁电传感器阵列包括若干组磁电传感器，两个磁电传感器为一组，分别放置在发射线圈内外两侧磁场大小相等位置，则两磁电传感器输出信号相等，差分后即可对消一次场。沿发射线圈不同位置设置若干组磁电传感器，组成磁电传感器阵列。

如图4所示，向发射线圈中通入交变的电流，进而产生交变的磁场，称为一次场。当测点下方存在异常或目标体时，根据电磁感应原理，异常或目标体在一次场激励下会产生感应涡流和二次场，使用磁电传感器阵列来接收二次场信号。可知，磁电传感器阵列所处位置二次场方向相同、大小近似相等。

具体地，磁电传感器的磁电敏感单元为磁致伸缩材料/压电材料/磁致伸缩材料三层复合结构，层间使用环氧树脂胶进行粘接，并使用永磁体施加偏置磁场，尺寸约为厘米级，结构简单，便于制作。

本发明利用磁电复合材料的线性磁电效应，对磁电复合材料施加一定的偏置磁场，使磁致伸缩材料沿长度方向磁化，使其工作在线性区域，即输出的磁电电压幅值与交变磁场的幅值成正比。

具体地，所述磁电传感器敏感方向为其长度方向，布置时磁电传感器长度方向垂直于发射线圈所在平面。

图1为边长1m的矩形发射线圈示意图，其上存在一条矩形线圈中心点到线圈外0.5m对称位置的测线。按照图中所给的矩形线圈的电流方向，根据安培定则可知，线圈内部磁场方向为垂直线圈平面向里，线圈外部磁场方向为垂直线圈平面向外。

图2为所述矩形发射线圈通入1kHz、1A电流时，该条测线上仿真得到的磁通密度曲线图，以测线与线圈交点为原点，可知在线圈内外两侧存在磁场大小相等的位置，也存在关于线圈对称且磁场大小相等的位置。

进一步的实施例中，磁电传感器可单独布置或一体化布置，磁电传感器单独布置时，磁电传感器工作所需的偏置磁场也由各传感器内部的永磁体分别施加。磁电传感器一体化布置时，两个磁电传感器工作所需的偏置磁场由永磁体整体施加，线圈两侧磁电传感器偏置磁场施加反向相反。

具体地，使用矩形发射线圈时，每组磁电传感器所处位置连线应与线圈边线垂直；采用圆形发射线圈时，每组磁电传感器所处位置应与线圈圆心三点共线。

步骤3，通过嵌入式处理器控制信号发生电路产生不同频率的正弦波激励信号并通入所述发射线圈，产生一次磁场。根据电磁感应原理，地下介质受一次磁场激励而产生感应电磁场(二次场)，所述地下介质包括大地或探测目标层/体。

步骤4，使用磁电传感器阵列接收二次场信号，获取不同位置的二次场信号。

步骤5，测量完毕后，移动探测装置至下一测点，并重复步骤3和步骤4，直至探测完毕所有预定测点。

步骤6，通过分析各个测点磁电传感器阵列接收的感应电磁场的频谱特征，从中提取所述地下介质的电磁特征。

步骤7，根据得到的电磁特征，反演计算所述地下介质的空间分布。

本发明采用磁电传感器替代接收线圈，直接测量磁场(B)参数，提高深部二次场信号的信噪比，进而提高深部目标探测能力。

磁电传感器作为一种新型磁传感器，使用磁致伸缩/压电复合材料作为敏感单元，可直接对B场测量。在磁场的作用下，磁致伸缩材料产生应力或应变，该应力或应变通过层间耦合传递至压电材料，压电材料由于压电效应产生电场，输出电压信号，实现磁-机-电能量转换。相较于磁阻传感器、磁通门传感器、SQUID等传统的磁场传感器，磁电传感器兼具宽频带、低功耗、大量程、小体积、低成本等优点，在电磁探测领域具有独特优势。

实施例1

一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，具体步骤为：

步骤1，启动探测装置，所述探测装置包括磁电传感器阵列及发射线圈，标定探测装置中各磁电传感器位置，以对消同频强一次场的干扰。

步骤2，确定待测区域的探测路线和测点，在探测路线起点位置放置标定完成的探测装置。

步骤3，通过嵌入式处理器控制信号发生电路产生不同频率的正弦波激励信号并通入所述发射线圈，产生一次磁场。

步骤4，使用磁电传感器阵列接收二次场信号，获取不同位置的二次场信号。

步骤5，测量完毕后，移动探测装置至下一测点，并重复步骤3和步骤4，直至探测完毕所有预定测点。

步骤6，通过分析各个测点磁电传感器阵列接收的感应电磁场的频谱特征，从中提取所述地下介质的电磁特征。

步骤7，根据得到的电磁特征，反演计算所述地下介质的空间分布。

本实施例中，磁电传感器阵列由单个磁电传感器组成，每个磁电传感器偏置磁路单独施加。

如图6所示，本发明磁电传感器的磁电敏感单元为磁致伸缩材料/压电材料/磁致伸缩材料三层复合，两侧为永磁体，可以提供均匀的偏置磁场，都固定于带凸台的底座上。

图7为本实施例中磁电传感器阵列的工作示意图，磁电敏感单元中一对永磁体沿长度方向磁化，平行且对称地放置于磁致伸缩单元的两侧。永磁体同一端的极性相同，永磁体单元与磁致伸缩之间留有微小间距，以保证磁致伸缩单元能够自由伸缩。一对永磁体为磁源，磁力线分别从一对永磁体的N极发出经由磁致伸缩材料回到永磁体各自的S极构成对称的磁路结构，为磁致伸缩材料提供最佳的偏置磁场，以发挥其最佳的性能。

在本实施例中，先将发射线圈放置在非金属无磁平台上，平台附近无金属目标，通入某一频率、幅度的电流，再进行磁电传感器位置标定。磁电传感器敏感方向为长度方向，布置时磁电传感器长度方向应垂直于发射线圈所在平面。内外两磁电传感器施加的偏置磁场方向相反。

设各磁电传感器灵敏度均为K，两个磁电传感器所处位置磁场在磁电传感器敏感方向上的分量分别为B₁、B₂。每组传感器中首先确定一传感器位置并标定，此时磁电传感器输出V₁＝KB₂。再调整另一磁电传感器位置，使两磁电传感器输出信号幅度相等，即令V₁＝V₂，可得|B₁|＝|B₂|，即两磁电传感器所处位置磁场在磁电传感器敏感方向上的分量大小相等。将两个传感器输出反向串联、差分后即可对消一次场，即V＝V₁-V₂＝0。标定完成后，由于磁场强度仅与发射电流的幅度成比例关系，与频率无关；两磁电传感器任意时刻所感受到的磁场方向均相反，且同时增大或减小，则在任意幅度、频率的发射电流情况下，均可抵消一次场。

完成磁电传感器位置标定后，将其与发射线圈固定，保证磁电传感器与发射线圈相对位置不变。

探测时，当测点下方无异常或目标体时，两个磁电传感器输出信号大小相等，将两传感器信号差分相减后即可对消一次场，即V＝V₁-V₂＝0。

当测点下方存在异常或目标体时，异常或目标体会产生感应涡流和二次场。设两磁电传感器在二次场中所处位置磁场分别为B`<sub>1</sub>、B`₂，根据磁场分布原理可知，在二次场中两个磁电传感器所处位置磁场方向相同，大小近似相等，即B`<sub>1</sub>≈B`₂。又因磁电传感器位于发射线圈内外两侧，两磁电传感器所处位置磁场在磁电传感器敏感方向上的分量方向相反。

图7中二次场方向与B₂方向相同，可得两个磁电传感器在总磁场中所处位置磁场大小分别为B₁-B`<sub>1</sub>、B<sub>2</sub>+B`₂，则传感器输出电压分别为：V₁＝K(B₁-B`<sub>1</sub>)、V<sub>2</sub>＝K(B<sub>2</sub>+B`₂)。根据压电材料的极化方向，将两传感器的输出反向串联、差分后总输出电压为V＝V₁-V₂＝K(B₁-B`<sub>1</sub>)-K(B<sub>2</sub>+B`₂)＝-K(B`<sub>1</sub>+B`₂)＝-2KB`₁，即实现了传感器灵敏度倍增，实现二次场信号放大。

本实施例中一组磁电传感器只需在线圈内外两侧磁场大小相等位置，因此与线圈距离可根据需求灵活调整。

实施例2

本实施例工作装置、方法步骤、原理与实施例1相同，区别在于磁电传感器使用一体化偏置磁路。

如图8所示，本实施例使用一体式偏置磁场施加结构。两侧为磁电敏感单元，中间两个为永磁体，都固定于同一底座上。两个永磁体沿其长度方向磁化，平行放置于两个磁电敏感单元中间靠外侧位置，两个永磁体外侧面与两个压电材料外端面平齐；两个永磁体中间留有一定间距，便于线圈穿过。

如图9所示，2个永磁体与磁致伸缩材料构成对称的一体化磁路，也可以提供足够大的偏置磁场。磁路由两个永磁体作为磁场源，磁力线由第一个永磁体的N极发出，由磁致伸缩单元回到第二个永磁体S极，再由此永磁体N极发出，回到第一个永磁体的S极。两磁电传感器所施加的偏置磁场方向相反，与实施例1同理。

本实施例同样将线圈内外两侧的磁电敏感单元输出反向串联、差分后实现同频强一次场干扰对消、对二次场实现灵敏度倍增。

本实施例中两磁电传感器为轴对称结构，线圈从中间穿过，因此两磁电传感器需放置在关于线圈对称且磁场大小相等的位置。

相较于实施例1，在本实施例中，磁电传感器位置与线圈相对不变，且两个磁电传感器磁路为一体化设计，便于安装。

Claims (5)

1.一种同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1，启动探测装置，所述探测装置包括磁电传感器阵列及发射线圈，标定探测装置中各磁电传感器位置；

步骤2，确定待测区域的探测路线和测点，在探测路线起点位置放置标定完成的探测装置；

步骤3，通过信号发生电路产生不同频率的正弦波激励信号并通入所述发射线圈，产生一次磁场；

步骤4，使用磁电传感器阵列接收地下介质产生的二次场信号；

步骤5，测量完毕后，移动探测装置至下一测点，并重复步骤3和步骤4，直至探测完毕所有预定测点；

步骤6，通过分析各个测点磁电传感器阵列接收的感应电磁场的频谱特征，提取地下介质的电磁特征；

步骤7，根据得到的电磁特征，反演计算地下介质的空间分布；

所述发射线圈为矩形发射线圈或者圆形发射线圈；所述磁电传感器阵列包括若干组沿发射线圈设置的磁电传感器，两个磁电传感器为一组，分别放置在发射线圈内外两侧磁场大小相等位置。

2.根据权利要求1所述的同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，其特征在于，当发射线圈为矩形发射线圈时，每组磁电传感器所处位置连线应与线圈边线垂直；当发射线圈为圆形发射线圈时，每组磁电传感器所处位置应与线圈圆心三点共线。

3.根据权利要求1所述的同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，其特征在于，所述磁电传感器的磁电敏感单元为磁致伸缩材料/压电材料/磁致伸缩材料三层复合结构，层间使用环氧树脂胶进行粘接，并使用永磁体施加偏置磁场。

4.根据权利要求1所述的同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，其特征在于，所述磁电传感器敏感方向为其长度方向，所述磁电传感器长度方向垂直于发射线圈所在平面。

5.根据权利要求1所述的同频强磁干扰背景下微弱二次场信号探测方法，其特征在于，所述地下介质包括大地或探测目标层/体。

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