瞬變電磁法弱信號檢測技術研究

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法（ Transient Electromagnetic Method簡稱TEM）是探測地下介質電性參數等信息的重要方法之一，在礦產勘探、地下水探測、工程監(jiān)測和土壤鹽堿化調查等領域具有廣闊的應用前景。它以向接地導線或不接地回路發(fā)射雙極性矩形脈沖電流做為激勵場源（稱為一次場） ，當發(fā)射電流關斷時，在地下導電性的介質或地質體中感生渦流形成瞬變二次磁場。在一次場間隙時間內測量二次場隨時間衰減響應，即TEM二次場感應信號，通過選擇不同的時間窗口進行觀測，獲得不同勘探深度地質體的電性參數.

在TEM方法中，一種稱為中心回線的組合方式應用較廣，即在發(fā)射回線的中心點，用可視為偶極的小型線圈Rx接收（即中心回線裝置，見圖1a）。當發(fā)射回線Tx中的電流由I突然階躍下降為零時，在其周圍產生急劇的磁場，必然在周圍介質中激發(fā)產生感應電流，納比吉安（ Dabighian， 1979）所建立的“煙圈”理論指出，與發(fā)射電流同向的環(huán)形感應電流環(huán)，其極大值隨著時間向下向外以速度ν（t）擴散，形象地比喻象發(fā)射回線吹出的“煙圈”。在地表引起的瞬變磁場響應鏡像等效于該時刻地下某一深度電流環(huán)。設均勻半空間的電阻率為ρ，得到電流環(huán)向下傳播的速度

在晚延時段，發(fā)射回線中心點瞬變電磁場垂直分量Hz（t）及感應電動勢近似表達式

式中I為發(fā)射電流， μ₀= 4P×10- 7 H/ m（空氣中導磁率） ， b為發(fā)射回線邊長， AR為接收線圈有效面積。當I、b、A R為常數，若能高精度地檢測瞬變電磁場或感應電動勢E（ t） ，即TEM信號，就能計算出不同勘探深度電阻率，由此可推斷出某些地下地質信息。早延時段的E（ t）信號反映淺層電阻率，晚延時段反映深部電阻率信息[ 2].2 TEM弱信號檢測TEM法屬于時間域電磁法，要測量的是隨時間衰減的二次場瞬變信號。TEM信號頻帶為0～n×103 Hz，動態(tài)范圍大于130 dB，晚延時幅度處于nV量級，遠小于外部噪聲。因此， TEM信號檢測器不僅要動態(tài)范圍大、頻帶寬，而且要有高信噪比，能夠在較強、較復雜的干擾及噪聲背景下提取微弱的TEM信號，從而精確地觀測出整個瞬變過程。特別是晚延時（ TEM響應尾部）信號，富含低頻成分，直接與深部探測目標的電性參數有關，能從干擾、噪聲中提取晚延時弱信號，是提高儀器探測深度的關鍵。

2.1野外電磁噪聲分析

在TEM信號檢測中，采用低噪聲電子器件和必要低噪聲設計技術，儀器本身的噪聲已遠低于外部電磁噪聲。如圖2所示，自行研制儀器短路噪聲有效值為0.875μV，而外部噪聲達到2.8 mV.表1歸納了外部噪聲的類型、特征及對信號檢測的影響。

2.2 TEM信號檢測方法與同步采集系統

對于一個給定量進行重復測量并取其平均值借以提高精度的原理可能與試驗科學本身具有同樣悠久的歷史。但是，只有電子儀器有了相當大的進展后，才能把這種簡單的方法直接用于物理學和化學的信號探測器中.

在TEM信號檢測中，采用方波電流激勵，將階躍激勵下的非周期信號檢測問題轉化成多次重復負階躍激勵下的周期信號檢測；必須引起注意的是方波的上升沿（前沿）同樣激發(fā)瞬變響應，因此設計激勵電流波形占空比為1∶1.TEM信號的頻率范圍為0～n×10³Hz，必須保留直流成份，故在整個放大電路中，不允許加隔直電容，否則前級的失調及溫度漂移到輸出級后會被放大。TEM信號檢測是采用雙極性同步取樣積分（疊加）技術，通過硬件換向開關或軟件相減來消除系統直流分量的。

模擬電子取樣積分器是獲取某個時間窗口弱信號檢測的經典技術，采用多個模擬電子取樣積分器，嚴格控制其取樣順序，可實現多個時間窗口信號的高精度檢測。然而，這種模擬式同步取樣積分檢測方法具有信號道數較少（受到積分器個數限制） ，時間窗口固定，對積分電路精度和一致性要求刻苛等缺點，特別是對TEM早期衰減信號分辨率低.采用高速高精度A/ D轉換器和數字信號處理器，實現同步采集與數字迭加軟件積分是新型TEM儀器的主要技術。充分運用數字信號處理技術，實現線性和非線性處理算法相結合、現場實時處理和非實時處理相結合，簡化了儀器硬件，可根據需要由軟件靈活設置TEM信號采集長度及時間窗口。