时域电磁感应—极化分离方法与低温超导测量系统研制

论文摘要

时域电磁法是一种基于电磁感应原理的物探方法,在矿产资源探测、地质灾害勘察、环境监测等领域得到了广泛应用,尤其在对地面500米以下金属矿产资源的勘探中发挥着重要作用。其中,铅、锌、银等均是重要的工业材料,主要以硫化物的形式存在,在交变电磁场激励下,常表现出极化效应。极化效应在时域电磁响应中表现为电磁信号快速衰减到零、并呈现反号现象,晚期信号极其微弱。实际应用中,由于传统测量系统多采用感应线圈为前端传感器,线圈的带宽和灵敏度互限,导致测量系统不能有效、准确测量感应-极化效应。针对时域电磁探测时感应和极化效应识别、分离、测量都非常困难等问题,在吉林省科技支撑计划重点科技攻关项目“基于SQUID的磁极化-感应双场联合探测关键技术研究”,超导量子器件前沿应用探索子课题“低温超导瞬变电磁系统研制”等项目的资助下,本着理论与实践相结合的研究思路,论文深入研究了极化介质的磁源感应-极化响应数值模拟、极化效应识别和分离、感应-极化效应的测量方法。主要创新性工作如下:（1）针对时域电磁探测感应和极化效应分离难的问题,基于Debye模型的低频近似理论,采用频率域三维有限差分方法实现了电磁感应-极化响应数值模拟,分析了典型异常体的感应-极化响应特征,讨论了测量系统的工作参数等因素引起的非极化效应的反号现象,为准确认识和识别地下介质产生的极化效应提供了理论基础;（2）在分析时域电磁感应-极化响应特征的基础上,针对中、高阻异常目标体的感应和极化响应可以近似独立的特性,提出负值拟合补偿法,提取表征极化信息的时间常数,实现感应-极化信号的分离,有效地延长了感应信号的衰减时间;（3）针对实际时域电磁感应-极化效应的特征复杂、幅值极其微弱、难以准确测量等问题,利用低噪声大动态范围采集、电磁兼容等技术,研制了基于低温SQUID的高精度时域电磁感应-极化效应的测量系统,达到了7.5fT/√Hz@10kHz的测量精度,在强人文电磁干扰环境下,实现了低温SQUID磁传感器稳定工作;（4）采用自主研制的低温超导感应-极化测量系统,在上海市横沙岛、上海市内和内蒙古桃合木等地进行了野外实验,在强干扰环境中完成了测量系统的抗干扰性测试,在低阻地区实现了300ms磁场数据有效测量,在多金属矿极化区,国内首次成功测量到了fT量级感应-极化效应的磁场信号,并进行了异常环实验,验证了测量系统的稳定性和可靠性。论文的主要研究成果,有效地分离时域电磁探测中的感应-极化效应,提取地下介质的导电和极化信息,为感应-极化的多参数反演提供了理论基础。研制的基于低温超导传感器的感应-极化测量系统,一方面为研究感应-极化效应产生的机理提供新的测量装备,另一方面为实现地下第二深度空间的金属矿探测提供了技术保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 磁源TEM感应-极化的理论发展
•     1.2.2 基于感应线圈的TEM系统
•     1.2.3 基于超导传感器的TEM系统
•   1.3 研究目的与意义
•   1.4 论文研究思路及主要研究内容
•   1.5 论文的结构安排
• 第2章 磁源TEM感应-极化测量原理
•   2.1 激发极化效应
•   2.2 时间域电磁法工作原理
•     2.2.1 直流电阻率法
•     2.2.2 激发极化法
•     2.2.3 电性源TEM
•     2.2.4 磁源TEM
•   2.3 本章小结
• 第3章 频域有限差分方法和数值模拟
•   3.1 控制方程
•   3.2 频域有限差分的离散形式
•     3.2.1 空间的离散
•     3.2.2 非均匀网格剖分
•     3.2.3 控制方程的差分离散
•   3.3 控制方程的求解
•   3.4 数值模拟结果验证
•     3.4.1 频率域均匀半空间模型数值模拟
•     3.4.2 时间域均匀半空间模型数值模拟
•     3.4.3 频率域三维异常体模型的数值模拟
•     3.4.4 时间域层状大地模型的数值模拟
•     3.4.5 时间域三维异常体模型的数值模拟
•   3.5 本章小结
• 第4章 基于负值拟合补偿法的感应-极化信号分离
•   4.1 经典Debye模型理论分析
•   4.2 灯丝模型电路仿真
•   4.3 感应-极化电磁响应特征分析
•   4.4 负值拟合补偿法研究
•   4.5 本章小结
• 第5章 实测数据中的非极化效应识别与系统参数设计
•   5.1 双异常体的电磁响应特征分析
•   5.2 发射电流上升沿引起的反号现象
•   5.3 抗混叠滤波器引起的反号现象
•   5.4 不同场量传感器对极化信号的影响
•   5.5 对数抽道方法对感应-极化信号的影响
•   5.6 系统设计需求分析
•   5.7 本章小结
• 第6章 基于SQUID的感应-极化效应测量系统研制
•   6.1 脉宽可变自由沿发射机
•   6.2 低温超导传感器
•   6.3 信号调理电路设计
•   6.4 低噪声大动态范围接收机研制
•     6.4.1 硬件电路的实现
•     6.4.2 电磁兼容设计
•     6.4.3 接收机程序设计
•   6.5 系统测试
•     6.5.1 横沙岛测区电阻率模型数值模拟
•     6.5.2 实验装置
•     6.5.3 实验结果分析
•   6.6 系统抗干扰测试
•   6.7 本章小结
• 第7章 磁源TEM感应-极化实测数据分析
•   7.1 内蒙古桃合木极化区实验
•     7.1.1 实验区地质信息
•     7.1.2 实测曲线分析
•   7.2 负值拟合补偿法的应用与验证
•     7.2.1 实测感应-极化信号的分离
•     7.2.2 基于异常环的方法验证
•   7.3 本章小结
• 第8章 总结与展望
•   8.1 全文总结
•   8.2 创新点
•   8.3 存在的问题及展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杜尚宇

导师: 嵇艳鞠

关键词: 时域电磁法,极化效应,低温超导,频率域有限差分法,负值拟合补偿

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,自动化技术

单位: 吉林大学

基金: 吉林省科技支撑计划重点科技攻关项目“基于SQUID的磁极化-感应双场联合探测关键技术研究”,20160204061GX,超导量子器件前沿应用探索子课题“低温超导瞬变电磁系统研制”,2016220101000808

分类号: TP212;P631.325

总页数: 112

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