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地空电磁探测系统运动噪声补偿系统、方法及探矿应用

191 编辑：北方有色网来源：中国科学院地质与地球物理研究所

2025-12-01 16:20:36

权利要求

1.一种地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿系统包括R线圈、调理组件、F线圈以及M线圈;其中，

所述R线圈用于获取运动噪声;

所述M线圈用于获取运动噪声以及被测磁场响应信号;

所述调理组件用于对所述R线圈获取的运动噪声进行调理，并将调理后的运动噪声传递给F线圈;

所述F线圈用于根据调理后的运动噪声产生补偿信号，并通过互感把补偿信号感应到M线圈中，从而在M线圈中产生反向运动噪声，通过反向运动噪声去除M线圈中的运动噪声。

2.如权利要求1所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿系统进一步包括放大器组件，所述放大器组件用于接收M线圈所传递的已经去除运动噪声后的被测磁场响应信号，并对被测磁场响应信号进行放大处理。

3.如权利要求1所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述R线圈、M线圈、F线圈以及调理组件同轴共面分布。

4.如权利要求3所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述R线圈灵敏度Sr是M线圈灵敏度Sc的1/Gb;其中，Gb为M线圈与R线圈的灵敏度倍数。

5.如权利要求1所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述F线圈在M线圈中产生的反馈电压为：

Vfm= -M·Gi·Gv·Vrc= -M·Gi·Gv·Sr·Yn;

其中，Vfm为F线圈在M线圈中产生的反馈电压;M为F线圈与M线圈之间的互感系数;Gi为电流放大电路的放大倍数;Gv锁相放大电路的放大倍数;Vrc为经过调理后的R线圈输出信号;Sr为R线圈的灵敏度;Yn为运动噪声信号;-表示反馈电压与M线圈中的运动噪声电压反向，实现抵消效果;

所述M线圈与R线圈的灵敏度倍数满足如下条件：

Gb= M·Gi·Gv。

6.如权利要求1所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述调理组件包括滤波器、锁相环、相位调理装置以及电流放大装置;

所述滤波器用于对R线圈获取的运动噪声进行低通滤波，从而获取滤波后的运动噪声;

所述锁相环用于对滤波后的运动噪声进行锁相放大，从而获取锁相放大后的运动噪声;

所述相位调理装置用于对锁相放大后的运动噪声进行相位调理，从而获取相位调理后的运动噪声;

所述电流放大装置用于对相位调理后的运动噪声进行电流放大，从而获取调理后的运动噪声。

7.如权利要求1所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，其特征在于，所述F线圈反向绕制在M线圈外侧。

8.一种地空电磁探测系统运动噪声补偿方法，其特征在于，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿方法包括：

通过R线圈获取运动噪声;

通过M线圈获取运动噪声以及地磁场中的被测信号;

对R线圈获取的所述运动噪声进行调理，并将调理后的运动噪声传递给F线圈;

9.一种如权利要求1至7中任意一项所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统在探矿中的应用。

说明书

技术领域

[0001]本申请涉及空电磁探测技术领域，尤其涉及一种地空电磁探测系统运动噪声补偿系统、方法及探矿应用。

背景技术

[0002]常规地空电磁探测系统运动噪声通常采用数据处理方法实现补偿或校正，如小波变换、多项式拟合、主成分分析、经验模态分解、最小二乘、人工智能算法等。此类方法虽然能够在一定程度上抵消部分运动噪声改善信噪比，但后处理方法并没有从根本上去除运动噪声。由于低频运动噪声幅度远高于信号幅度、甚至高于工频干扰强度，所以半航空电磁系统中磁场传感器的灵敏度及接收系统增益不能过高，否则会导致系统饱和，这无疑会损失接收系统对微弱磁场信号的检测能力。也就是说，强低频运动噪声的存在，一定程度上损失了半航空电磁信号接收系统的动态范围。为了解决上述问题，康利利等人提出基于相关映射的运动噪声抑制方法，利用低灵敏度R线圈获取纯运动噪声，实现运动噪声的相关映射与分离，该方法虽然有效提升了信噪比，但仍然属于后处理方法，还需要进一步提升系统本身微弱磁场信号检测能力。

发明内容

[0003]本发明的目的在于提供一种地空电磁探测系统运动噪声补偿系统来至少解决上述的一个技术问题。

[0004]本发明提供了下述方案：

根据本发明的一个方面，提供一种地空电磁探测系统运动噪声补偿系统，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿系统包括R线圈、调理组件、F线圈以及M线圈;其中，

所述R线圈用于获取运动噪声;

所述M线圈用于获取运动噪声以及被测磁场响应信号;

所述调理组件用于对所述R线圈获取的运动噪声进行调理，并将调理后的运动噪声传递给F线圈;

[0005]可选地，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿系统进一步包括放大器组件，所述放大器组件用于接收M线圈所传递的已经去除运动噪声后的被测磁场响应信号，并对被测磁场响应信号进行放大处理。

[0006]可选地，所述R线圈、M线圈、F线圈以及调理组件同轴共面分布。

[0007]可选地，所述R线圈灵敏度Sr是M线圈灵敏度Sc的1/Gb;其中，Gb为M线圈与R线圈的灵敏度倍数。

[0008]可选地，所述F线圈在M线圈中产生的反馈电压为：

Vfm= -M·Gi·Gv·Vrc=- M·Gi·Gv·Sr·Yn;

所述M线圈与R线圈的灵敏度倍数满足如下条件：

Gb= M·Gi·Gv。

[0009]可选地，所述调理组件包括滤波器、锁相环、相位调理装置以及电流放大装置;

所述滤波器用于对R线圈获取的运动噪声进行低通滤波，从而获取滤波后的运动噪声;

所述锁相环用于对滤波后的运动噪声进行锁相放大，从而获取锁相放大后的运动噪声;

所述相位调理装置用于对锁相放大后的运动噪声进行相位调理，从而获取相位调理后的运动噪声;

所述电流放大装置用于对相位调理后的运动噪声进行电流放大，从而获取调理后的运动噪声。

[0010]可选地，所述F线圈反向绕制在M线圈外侧。

[0011]本申请还提供了一种地空电磁探测系统运动噪声补偿方法，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿方法包括：

通过R线圈获取运动噪声;

通过M线圈获取运动噪声以及地磁场中的被测信号;

对R线圈获取的所述运动噪声进行调理，并将调理后的运动噪声传递给F线圈;

[0012]本申请还提供了一种如上所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统在探矿中的应用。

[0013]本申请的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统通过低灵敏度反向绕制的F线圈获取强运动噪声，并利用其与M线圈之间的互感在M线圈中形成运动噪声的负反馈，以此实现从磁场信号输入就补偿掉运动噪声的目的。补偿后，可以通过提升M线圈灵敏度和采集电路增益进一步提升微弱磁场信号检测能力，此时，系统可在更远的收发距处获取有效响应磁场信号，能够进一步提升系统的探测深度和精度，助力大深度矿产资源精细探测。

附图说明

[0014]图1是本申请一实施例中的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统的结构示意图。

[0015]图2是本申请一实施例中的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统的电路示意图。

[0016]图3是本申请一实施例中的混叠态与耦合态运动噪声对响应磁场信号的影响示意图。

[0017]图4是本申请一实施例中的运动噪声分离前后的磁场与真实响应磁场信号的比对示意图。

[0018]图5是本申请一实施例中的运动噪声分离前后磁场幅度与理想磁场信号幅度的相对误差示意图。

[0019]图6是本申请一实施例中的运动噪声分离前后的视电阻率幅度与理想视电阻率幅度的比对示意图。

[0020]图7是本申请一实施例中的运动噪声分离前后视电阻率幅度与理想视电阻率幅度的相对误差示意图。

具体实施方式

[0021]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022]如图1所示的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统包括R线圈、调理组件、F线圈以及M线圈;其中，

所述R线圈用于获取运动噪声;

所述M线圈用于获取运动噪声以及被测磁场响应信号;

所述调理组件用于对所述R线圈获取的运动噪声进行调理，并将调理后的运动噪声传递给F线圈;

[0023]在本实施例中，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿系统进一步包括放大器组件，所述放大器组件用于接收M线圈所传递的已经去除运动噪声后的被测磁场响应信号，并对被测磁场响应信号进行放大处理。

[0024]在本实施例中，所述R线圈、M线圈、F线圈以及调理组件同轴共面分布。

[0025]在本实施例中，所述R线圈灵敏度Sr是M线圈灵敏度Sc的1/Gb;其中，Gb为M线圈与R线圈的灵敏度倍数。

[0026]在本实施例中，所述F线圈在M线圈中产生的反馈电压为：

Vfm= -M·Gi·Gv·Vrc= -M·Gi·Gv·Sr·Yn;

所述M线圈与R线圈的灵敏度倍数满足如下条件：

Gb= M·Gi·Gv。

[0027]在本实施例中，所述调理组件包括滤波器、锁相环、相位调理装置以及电流放大装置;

所述滤波器用于对R线圈获取的运动噪声进行低通滤波，从而获取滤波后的运动噪声;

所述锁相环用于对滤波后的运动噪声进行锁相放大，从而获取锁相放大后的运动噪声;

所述相位调理装置用于对锁相放大后的运动噪声进行相位调理，从而获取相位调理后的运动噪声;

所述电流放大装置用于对相位调理后的运动噪声进行电流放大，从而获取调理后的运动噪声。

[0028]在本实施例中，所述F线圈反向绕制在M线圈外侧。

[0029]参见图1，本方案中地空电磁探测系统运动噪声补偿系统包括同轴共面分布的R线圈、M线圈、F线圈与后端的信号调理电路四部分组成，其中M线圈等效电路为虚线框内所示部分，其余部分为信号调理电路。

[0030]参见图2，M线圈用于获取含噪被测信号，其等效电路中Rm为等效内阻、Lm为等效电感、Cm为等效电容、Vs为M线圈中产生的感应电压信号。

[0031]R线圈用于获取运动噪声，其等效电路与M线圈等效电路结构相同，只是阻抗参数不同，其等效参数分别为Rr、Lr、Cr。

[0032]F线圈被反向绕制在M线圈外侧，用于补偿M线圈中的运动噪声，其等效电感为Lf，反馈电阻设置为Rf。

[0033]M线圈灵敏度最高可以同时获取被测信号与运动噪声，其输出端信号Vsc=Sc(Ys+Yn)，Sc为M线圈灵敏度，Ys为被测磁场感应电压，Yn为运动噪声。

[0034]R线圈灵敏度Sr是M线圈灵敏度Sc的1/Gb，只能获取高强度的运动噪声，其输出电压信号Vsr=Sr·Yn。

[0035]若要去除M线圈中的运动噪声，应在F线圈中产生等大反向的信号实现反馈补偿。将R线圈获取的运动噪声加低通之后得到运动基线作为锁相放大的参考信号，提取出R线圈中的高信噪比运动噪声，在经过电流放大，使得反馈回路的增益满足反馈信号要求。考虑到R线圈与M线圈获取的噪声信号有相位差，因此利用相位调理弥补相差得到同相运动噪声。

[0036]F线圈与M线圈存在互感M，利用F线圈在M线圈中产生等大反相的运动噪声，可抵消M线圈中的运动噪声。

[0037]F线圈在M线圈中产生的反馈电压为：

Vfm=-M·Gi·Gv·Vrc=- M·Gi·Gv·Sr·Yn;

因此当Gb= M·Gi·Gv时，M线圈输出端的运动噪声可被完全抵消。

[0038]本申请利用低灵敏度R线圈结合F线圈为M线圈提供磁通负反馈补偿，从输入端有效去除运动噪声并引入二级放大，从而消除运动噪声对接收系统动态范围的损失，提升被测信号的信噪比。

[0039]本申请的系统以及方法相比传统后处理方法，利用负反馈原理从模拟信号的输入端去除运动噪声并引入二级放大增强信号，将有效改善地空电磁探测系统微弱信号检测能力，进而增大地空电磁探测系统的探测深度和精度，在复杂地形区快速高精度探测领域具有重要应用价值。

[0040]下面以举例的方式对本申请进行进一步详细阐述，可以理解的是，该举例并不构成对本申请任何限制。

[0041]以埋深1500米、厚200米、电阻率为10欧姆米的低阻薄层置于背景电阻率为100欧姆米的地层中的一维地电模型为例，分析运动噪声对测量结果的影响，以及基于本专利所公开的方法分离了运动噪声后的应用效果。如图3所示，理想磁场信号在混叠态运动噪声作用下，观测频点处的实测磁场信号产生明显测量误差，尤其是小于10Hz频段，有效信号完全淹没于运动噪声中，这就导致系统信噪比降低，无法获取准确的响应磁场和视电阻率，导致系统无法获取准确的电性信息反演解释结果。

[0042]如图4所示，在运动噪声影响下，含噪磁场信号幅度与理想磁场信号差距明显，利用本专利公开的方法分离了运动噪声后，磁场信号幅度与理想磁场信号基本一致，有效分离了运动噪声的影响。如图5所示，运动噪声影响的含噪磁场信号与理想磁场信号的相对误差高达接近500%，而分离了运动噪声影响后磁场信号与理想磁场信号的相对误差小于1%，无限接近0，满足系统的测量精度要求。以上结果说明，本专利公开的系统及方法，可以有效的分离出磁场信号中的运动噪声，减小磁场测量误差并提升系统信噪比。

[0043]如图6所示，上述包含低阻薄层的一维地层，理想视电阻率曲线在50Hz以上表现为视电阻率接近100Ω·m的直线，对应低阻薄层以上的均匀层，50Hz以下，视电阻率表现出先增大再减小最终趋于直线的趋势，符合低阻分界面视电阻率的响应特征。因此，在理想状态下，1Hz~50Hz频段能够充分反映埋深1500米厚200米的低阻薄层分界面。但在运动噪声影响下，由含噪磁场信号计算的视电阻率幅度与理想视电阻率幅度相差明显，曲线形态及变化趋势与该模型理想视电阻率曲线完全不符，1Hz处更是出现了因过拟合导致的飞点。分离了运动噪声后，去噪后视电阻率幅度接近理想视电阻率幅度，曲线形态及趋势与理想视电阻率曲线基本一致，如图7所示，去噪后视电阻率幅度与理想视电阻率幅度的相对误差小于1%，在系统的误差许可范围内，满足系统测量精度要求。以上结果再一次说明了，本专利所提出的运动噪声分离技术可以有效抑制运动噪声影响，拓展系统有效探测低频，同时提升系统磁场测量精度及异常识别能力。基于本专利公开的运动噪声分离新技术，进一步提升地空电磁探测系统的探测深度和探测精度等性能指标，将有力的支撑复杂地形区深部矿产资源快速勘查。

[0044]在现有技术中，运动噪声影响下，视电阻率曲线在低频段呈现随频率缓慢减小的趋势，符合单层地层视电阻率曲线的变化规律，未能有效区分深部低阻薄矿层，利用本方法去除运动噪声干扰后，视电阻率曲线表现出明显的分层特征，能够识别深部低阻薄矿层。

[0045]本申请还提供了一种地空电磁探测系统运动噪声补偿方法，所述地空电磁探测系统运动噪声补偿方法包括：

通过R线圈获取运动噪声;

通过M线圈获取运动噪声以及被测磁场响应信号;

对R线圈获取的所述运动噪声进行调理，并将调理后的运动噪声传递给F线圈;

[0046]本申请还提供了一种如上所述的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统在探矿中的应用。

[0047]将本申请的地空电磁探测系统运动噪声补偿系统加入到地空电磁探测系统，能够去除运动噪声影响，改善地空电磁系统信噪比后，应用于地下低阻薄矿层探测，有效提升系统探测分辨率至埋藏深度的1/8。

[0048]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

说明书附图(7)