用于響應(yīng)于改變第一磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償磁傳感器的輸出的磁補(bǔ)償電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及磁場(chǎng)的測(cè)量，且特定來(lái)說(shuō)涉及用于在存在已知較強(qiáng)場(chǎng)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)弱散射磁場(chǎng)的存在的方法及設(shè)備。特定來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于經(jīng)改進(jìn)地球物理電磁勘測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器上的已知但非所要磁場(chǎng)的效應(yīng)的移除通常稱作補(bǔ)償，且有時(shí)被稱為抵消。補(bǔ)償可被視為具有兩種相異形式。在第一形式(有時(shí)稱為主動(dòng)抵消)中，通過(guò)形成與第一磁場(chǎng)相反的第二磁場(chǎng)而在一空間體積內(nèi)消除第一磁場(chǎng)。在第二種形式的補(bǔ)償(有時(shí)稱為被動(dòng)抵消)中，通過(guò)將與傳感器的輸出相反的電壓添加到所述傳感器的所述輸出而消除由傳感器檢測(cè)的磁場(chǎng)的效應(yīng)。
[0003]可存在想要從磁傳感器移除大的磁場(chǎng)信號(hào)的數(shù)個(gè)理由。特定來(lái)說(shuō)，通過(guò)移除大部分信號(hào)，借此降低由傳感器測(cè)量的信號(hào)，可擴(kuò)大傳感器的有效動(dòng)態(tài)范圍，因此允許比原本可能的場(chǎng)的放大率及分辨率大的場(chǎng)的放大率及分辨率。額外原因可包含經(jīng)改進(jìn)線性及經(jīng)減小轉(zhuǎn)換速率相關(guān)的噪聲。此外，如果補(bǔ)償致使傳感器附近的磁場(chǎng)減小，那么可存在由附近金屬組件中的渦流感應(yīng)及感應(yīng)磁化導(dǎo)致的噪聲的對(duì)應(yīng)減小。
[0004]出于本發(fā)明的目的，磁(H)傳感器可為磁力計(jì)(如由SQUID、反饋線圈、磁通門、原子蒸氣傳感器或直接對(duì)磁場(chǎng)敏感的類似裝置所例示)，或線圈、回路或類似電路元件(其借助法拉第(Faraday)定律對(duì)磁通量密度中的時(shí)間變化敏感)，或具有類似功能性的任何儀器。
[0005]補(bǔ)償方法已找到進(jìn)入若干多樣應(yīng)用的方式，其中之一者為抑制所發(fā)射電磁能量。舉例來(lái)說(shuō)，在羅伯森(Robertson)的文檔GB 2438057A中，通過(guò)磁傳感器進(jìn)行的電磁福射廣播受到抑制。在另一實(shí)例中，帕申(Paschen)等人在US 5，920，130A中揭示抑制發(fā)射線路噪聲的方式。在第三實(shí)例中，福爾摩斯(Holmes)及斯卡澤羅(Scarzello)在US 6，798，632B1中使用一組三個(gè)正交亥姆霍茲(Helmholtz)線圈來(lái)封圍電裝置，也來(lái)抑制所發(fā)射電力頻率輻射。
[0006]補(bǔ)償方法也可用于控制一體積(如常見(jiàn)于含有磁共振成像或電子束裝置的室)內(nèi)的磁場(chǎng)噪聲。在此些情形中，穿過(guò)亥姆霍茲線圈發(fā)送的電流圍繞待屏蔽的體積。一般來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償是通過(guò)將磁傳感器放置于經(jīng)屏蔽體積內(nèi)而實(shí)現(xiàn)，接著使用來(lái)自所述經(jīng)屏蔽體積的信號(hào)在線圈中產(chǎn)生電流且因此取消傳感器處的場(chǎng)。此方法用于唐南(Dunnam)的文檔US5465012A中，所述文檔使用三組正交亥姆霍茲線圈來(lái)補(bǔ)償線圈內(nèi)部的均勻磁場(chǎng)，如同克羅普(Kropp)等人(其考慮到補(bǔ)償梯度場(chǎng)的情形)在文檔US 2011/0144953中所使用。在美國(guó)文檔2005/0195551中，布什貝克(Buschbeck)等人觀察到在涉及粒子束的一些應(yīng)用中，難以將傳感器放置于其中場(chǎng)將被取消的體積中，且因此使用放置于兩個(gè)點(diǎn)處的兩個(gè)傳感器來(lái)內(nèi)插待消除的場(chǎng)值。吉爾賓(Gelbien)在美國(guó)文檔5，952，734中揭示一種用于通過(guò)采用由伺服回路激勵(lì)且受通量鎖定電路及磁傳感器控制的線圈來(lái)維持區(qū)域中的恒定磁通量的設(shè)備。布坎南(Buchannan)在美國(guó)文檔2004/0006267中提出一種采用線圈及磁屏蔽室兩者的補(bǔ)償方法。沃勞爾(Wallauer)在EP 2259081A1中提出一種運(yùn)用磁阻傳感器感測(cè)亥姆霍茲線圈內(nèi)的場(chǎng)的磁場(chǎng)補(bǔ)償方法。沃勞爾的發(fā)明將傳入的磁場(chǎng)信號(hào)分割成互補(bǔ)的高頻率分量及低頻率分量，其中低頻率分量通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字濾波器，接著通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，然后與高頻率分量重新組合且傳遞到亥姆霍茲線圈。
[0007]法利亞德(Farjadad)在美國(guó)文檔2011/0292977中揭示用于測(cè)井應(yīng)用的基于以太網(wǎng)的補(bǔ)償電路，其中共模信號(hào)經(jīng)輸入到控制器以產(chǎn)生供應(yīng)用于差分信號(hào)的補(bǔ)償信號(hào)。本發(fā)明的目的為預(yù)先補(bǔ)償差分信號(hào)以減小通信信道中的效應(yīng)或噪聲干擾或不平衡。
[0008]在其中地球的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)依據(jù)電磁(EM)場(chǎng)測(cè)量而推斷的地球物理測(cè)量的領(lǐng)域中，補(bǔ)償方法為常見(jiàn)的。此類補(bǔ)償?shù)钠毡閷?shí)例存在于主動(dòng)源電磁勘探系統(tǒng)中。在主動(dòng)EM系統(tǒng)中，發(fā)射器用周期性(穩(wěn)定重復(fù))時(shí)變電流激勵(lì)回路或線圈。此電流形成通常被稱為“初級(jí)”場(chǎng)的電磁場(chǎng)，其激勵(lì)地球內(nèi)的電流。
[0009]這些地球電流形成由附接到EM系統(tǒng)的接收器檢測(cè)的“散射”電磁場(chǎng)。在許多EM系統(tǒng)中，發(fā)射器及接收器按幾何級(jí)數(shù)配置，使得初級(jí)場(chǎng)為大于散射場(chǎng)的數(shù)量級(jí)。在此類情形中，采用補(bǔ)償方法來(lái)盡可能從傳感器移除初級(jí)場(chǎng)，從而允許檢測(cè)較小散射場(chǎng)為有利的。
[0010]在許多主動(dòng)源系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)現(xiàn)初級(jí)場(chǎng)與由抵消線圈形成的第二場(chǎng)之間的平衡來(lái)實(shí)施補(bǔ)償。這樣做，可在傳感器處大致取消來(lái)自所述兩個(gè)場(chǎng)的凈場(chǎng)。
[0011]與初級(jí)場(chǎng)的抵消的準(zhǔn)確平衡是在線圈幾何結(jié)構(gòu)為固定時(shí)最佳實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)榇艘彩拱l(fā)射器與抵消線圈之間的互感及其到體積(其中場(chǎng)將被取消)的耦合固定。在線圈的幾何結(jié)構(gòu)固定的情況下，單個(gè)點(diǎn)處的準(zhǔn)確補(bǔ)償可通過(guò)將抵消線圈放置于具有發(fā)射器線圈的串聯(lián)電路中且調(diào)整相應(yīng)線圈的力矩使得磁場(chǎng)完全相對(duì)而實(shí)現(xiàn)。此方法在其中場(chǎng)并不由其它散射源顯著干擾及其中線圈幾何結(jié)構(gòu)為剛性的情形中起到最好作用。所述方法在發(fā)射器及抵消線圈串聯(lián)且因此具有相同電流波形(至少以遠(yuǎn)低于線圈電容顯著影響負(fù)載阻抗的頻率的頻率)時(shí)尤其有效。
[0012]達(dá)維迪奇(Davydychev)等人提供補(bǔ)償?shù)膶?shí)例，其在美國(guó)文檔2010/0026280中揭示一種用于調(diào)整發(fā)射器及接收器線圈的互感的具有抵消線圈及修整線圈兩者的設(shè)備。包含修整線圈以準(zhǔn)許抵消線圈的場(chǎng)為可調(diào)整的，因此改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)的空值的質(zhì)量。另一實(shí)例參見(jiàn)于地面地球物理測(cè)量領(lǐng)域中，其中博斯納(Bosnar)在美國(guó)文檔2009/0295391 A1揭示一種用于同時(shí)測(cè)量靜磁場(chǎng)及地面的時(shí)變電磁(EM)響應(yīng)兩者的儀器。博斯納使用剛性幾何結(jié)構(gòu)，其中在用于檢測(cè)地球靜磁場(chǎng)的磁力計(jì)處，使用亥姆霍茲型補(bǔ)償線圈來(lái)取消時(shí)變初級(jí)電磁場(chǎng)。
[0013]出于上文所述原因，通常在其中采用受控制源發(fā)射器回路的航空電磁(AEM)測(cè)量中需要補(bǔ)償。在庫(kù)茲明(Kuzmin)及莫里森(Morrison)的美國(guó)文檔2010/0052685中提供采用補(bǔ)償?shù)腁EM系統(tǒng)的實(shí)例，所述實(shí)例揭示商業(yè)化為VTEM AEM系統(tǒng)的靈活A(yù)EM設(shè)備。在VTEM系統(tǒng)中，同心發(fā)射器及抵消線圈以接收器為中心。抵消也用于其中采用剛性幾何結(jié)構(gòu)的Aerotem AEM系統(tǒng)中，其中后一 AEM系統(tǒng)中的補(bǔ)償由于使用剛性線圈幾何結(jié)構(gòu)而往往比在前一系統(tǒng)中更有效。因此以額外重量(暗示較大的勘測(cè)費(fèi)用)及大的框架(如果損壞那么運(yùn)送及修復(fù)較昂貴)為代價(jià)獲得AeroTem對(duì)VTEM的更穩(wěn)定的抵消系統(tǒng)。用靈活幾何結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確補(bǔ)償系統(tǒng)的方法將為優(yōu)點(diǎn)。
[0014]剛剛討論的初級(jí)場(chǎng)抵消準(zhǔn)許以比在缺失補(bǔ)償?shù)那闆r下原本可能的增益大的增益操作電磁接收器，且相應(yīng)地準(zhǔn)許以較大敏感性測(cè)量地球的散射場(chǎng)。即使如此，AEM方法中的當(dāng)前技術(shù)水平中采用的補(bǔ)償系統(tǒng)僅補(bǔ)償發(fā)射器的初級(jí)場(chǎng)。然而，存在以各種噪聲形式的其它強(qiáng)磁場(chǎng)變化源，其也使測(cè)量的質(zhì)量降級(jí)且限制接收器的增益。這些強(qiáng)磁場(chǎng)變化源包含地球靜磁場(chǎng)中的磁傳感器旋轉(zhuǎn)、來(lái)自電力線路及地物源的輻射能量及天體噪聲的影響。在其中EM系統(tǒng)經(jīng)安裝于金屬交通工具上(例如GEOTEM AEM系統(tǒng))，或其中EM測(cè)量變得接近于大的導(dǎo)體(此在海洋處)，或在存在導(dǎo)電及/或可滲透礦石及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的礦山中的情形中，將動(dòng)態(tài)響應(yīng)于改變的導(dǎo)電環(huán)境的補(bǔ)償將為優(yōu)點(diǎn)。
[0015]由于發(fā)射器電流波形可花費(fèi)有限時(shí)間傳播穿過(guò)發(fā)射器回路，因此發(fā)生在時(shí)域中操作的一些AEM系統(tǒng)中發(fā)生的額外效應(yīng)，S卩，在用電流迅速激勵(lì)回路時(shí)可為在接收器處顯而易見(jiàn)的效應(yīng)。在此類情形中，與發(fā)射器線圈串聯(lián)安裝的補(bǔ)償線圈中的電流可不與發(fā)射器回路中的電流同相，因此可需要校正。
[0016]雖然抵消線圈打算增加AEM勘測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，但這些相同線圈可充當(dāng)天線且因此可拾取且重新發(fā)射背景噪聲源，從而在AEM數(shù)據(jù)集中形成額外噪聲源?？捎删€圈耦合相對(duì)于地球靜場(chǎng)的改變導(dǎo)致進(jìn)一步噪聲。如果與初級(jí)場(chǎng)完全相對(duì)的抵消場(chǎng)以足夠低的頻率以至于線圈電容并非因素，那么此類考慮將不會(huì)成為因素。然而在實(shí)踐中