專利名稱：電磁波束定向發(fā)射勘查技術(shù)的制作方法
應(yīng)用地球物理勘查電磁勘探法以往地質(zhì)地球物理勘查中所采用的電磁方法主要包括三大類(A)接地源方法、(B)感應(yīng)源方法及(C)電磁波反射法；接地源方法指通過(guò)兩個(gè)接地電極向地下供(具有一定頻率的交流)電作為發(fā)射場(chǎng)源(如可控源音頻大地電磁法、遠(yuǎn)瞬變場(chǎng)法等)；感應(yīng)源方法則以不接地回線(具一定幾何形狀的單匝或多匝線圈)中交變電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)作為發(fā)射源(如電磁感應(yīng)法、瞬變電磁法等)，這兩類方法的發(fā)射信號(hào)具有較大的作用空間，信號(hào)分布方向難于準(zhǔn)確控制，其觀測(cè)信號(hào)主要為一定區(qū)域、深度范圍內(nèi)(一定體積空間)大地受發(fā)射場(chǎng)作用所形成的綜合二次(電、磁)場(chǎng)，因而對(duì)其進(jìn)行推斷解釋則不可避免地存在由體積效應(yīng)引起的不確定性即多解性；電磁波反射法(地質(zhì)雷達(dá))以不接地發(fā)射天線作為場(chǎng)源，向地下發(fā)射具有較高頻率、較寬頻帶的電磁波脈沖，通過(guò)分析脈沖的反射結(jié)果以達(dá)到勘查目的，由于該方法發(fā)射的電磁脈沖方向性較差(具有較大的擴(kuò)散張角，多在120度左右)，其反射結(jié)果亦為一定區(qū)域、深度范圍內(nèi)多種反射結(jié)果的疊加，必須采用數(shù)字濾波、反褶積、偏移(指反射點(diǎn)歸位)等多種處理手段進(jìn)行分析，為保證精度難以使用較低頻率進(jìn)行較大深度的勘查(目前其勘探深度多在50米左右)，因而限制了該方法的應(yīng)用范圍。上述各類方法的詳細(xì)情況請(qǐng)參見(jiàn)以下資料①《探地雷達(dá)方法與應(yīng)用》李大心著地質(zhì)出版社1994.12②《工程與環(huán)境物探教程》陳仲侯、王興泰、杜世漢著地質(zhì)出版社1996.11由于上述各類方法均有不同性質(zhì)的局限性，難以達(dá)到高精度、大深度勘查的目的，因而研究開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。
電磁波在地下傳播過(guò)程中，遇到介電常數(shù)、電阻率存在差異的兩類介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射(或散射)、透射或折射現(xiàn)象，通過(guò)觀察反射波信號(hào)則可以分析該界面的深度等參數(shù)，形成勘探意圖；若嚴(yán)格控制所發(fā)射的脈沖電磁波頻率及方位，使其沿某一特定方向以窄波束的形式傳播，同時(shí)控制接收天線相對(duì)于發(fā)射天線的位置及方位，則發(fā)射電磁波及接收到的反射波傳播路徑比較明確，為利用反射波初至?xí)r間、波速準(zhǔn)確計(jì)算反射界面的位置提供了依據(jù)；由于發(fā)射脈沖波束強(qiáng)度、反射波強(qiáng)度可知，因而可以計(jì)算各反射界面間介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減系數(shù)及相對(duì)電阻率大小，為分析介質(zhì)的地質(zhì)、地球物理性質(zhì)提供了可靠資料。具體應(yīng)用中可視勘探深度、精度等情況采用不同的頻率及處理手段以便達(dá)到更好的勘查效果(1)淺表勘查時(shí)可使用較高頻率(100MHz—1000MHz)，采用較成熟的數(shù)字濾波、反褶積等處理手段對(duì)反射波的初至?xí)r間、相位等性質(zhì)加以分析解釋；(2)中——深部勘查時(shí)可使用較低頻率(1KHz—100KHz)，精確控制發(fā)射頻率及特定發(fā)射波形(正玄波、方波及其他具有一定特征易于分辨的波形)，采用電磁波分離技術(shù)將所觀測(cè)的合成波分解為各個(gè)獨(dú)立的反射波，分析各反射波的初至?xí)r間及其幅值(可換算出衰減系數(shù))，以達(dá)到勘查目的；(3)對(duì)一些目標(biāo)明確的工程勘查(金屬、非金屬人文活動(dòng)目標(biāo)如地下管線、洞穴等的勘查)可采用發(fā)射高頻(50M—500MHz)連續(xù)電磁波束(與(1)、(2)不同之處在于發(fā)射的并非脈沖電磁波束、接收時(shí)不考慮單個(gè)反射脈沖而考慮反射波最大強(qiáng)度)同點(diǎn)(或保持發(fā)射-接收位置相對(duì)不變)接收方式進(jìn)行剖面測(cè)量，通過(guò)分析不同地點(diǎn)的反射波極大值強(qiáng)弱判定目標(biāo)體的平面位置，其埋深可由不同地點(diǎn)、不同發(fā)射角度的觀測(cè)結(jié)果利用幾何原理計(jì)算得出(在確定了目標(biāo)體的平面位置Z1后，將儀器的發(fā)射、接收方位控制為傾角45度并指向目標(biāo)體做剖面觀測(cè)，尋找信號(hào)突變點(diǎn)的平面位置Z2，則Z1至Z2的距離約等于目標(biāo)體埋深；這種方法可以省去儀器中的時(shí)鐘控制部分，降低儀器成本)。
與以往的電磁方法相比，電磁波束定向發(fā)射勘查技術(shù)具有方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、結(jié)果可靠、成本低廉等特點(diǎn)，其勘探深度范圍較大、適用范圍廣、無(wú)地形影響；可根據(jù)地質(zhì)勘查、工程勘查、地下管網(wǎng)探測(cè)等的具體特點(diǎn)制造出一系列的相應(yīng)儀器加以應(yīng)用。
電磁波束定向發(fā)射勘查技術(shù)的方法原理及實(shí)現(xiàn)該方法技術(shù)所使用的儀器設(shè)備特征參見(jiàn)附

圖1，圖1中的儀器部分(A-O)為中剖圖，即儀器的發(fā)射、接收天線以發(fā)射線圈(H)為軸呈軸對(duì)稱形式(以發(fā)射線圈為軸旋轉(zhuǎn)一周)，對(duì)圖中各組成部分說(shuō)明如下A控制系統(tǒng)儀器的中樞部分，用于控制發(fā)射、接收、輸出各個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括主處理器部分、輸入輸出參數(shù)部分、控制時(shí)鐘部分、通訊部分等。
B輸出系統(tǒng)用于將接收電路所輸出的數(shù)據(jù)加以處理，以特定的格式輸出至磁盤、表頭、喇叭及外設(shè)計(jì)算機(jī)等。
C接收電路用于處理接收天線(水平、豎直接收線圈)所接收到的信號(hào)。
D發(fā)射電路為發(fā)射天線提供一定頻率、波形、強(qiáng)度的電流。
E內(nèi)支撐架呈長(zhǎng)桶狀并帶有頂蓋，用于封閉并固定發(fā)射天線，其內(nèi)壁渡以光滑的強(qiáng)電磁波反射材料，可防止發(fā)射信號(hào)擴(kuò)散至接收天線。
F倒磁圓桶用導(dǎo)磁材料制成，桶頂蓋中心與發(fā)射線圈中心導(dǎo)磁棒聯(lián)成一體以起到倒磁作用。
G環(huán)透鏡環(huán)形電磁波透鏡，輔以電磁波反相裝置。
H發(fā)射線圈細(xì)長(zhǎng)棒狀(或長(zhǎng)錐狀、錐頂位于主透鏡的焦點(diǎn))線圈，內(nèi)為細(xì)導(dǎo)磁棒，棒頂位于主透鏡(K)的焦點(diǎn)上。
I反射鏡電磁波反射鏡，用于將主透鏡反射回的電磁波再反射回主透鏡。
J吸收環(huán)球環(huán)狀電磁波吸收器，與環(huán)透鏡配套使用，若環(huán)透鏡之電磁波反相裝置設(shè)計(jì)困難，可將環(huán)透鏡及吸收環(huán)同時(shí)去掉。
K主透鏡將發(fā)射線圈頂端生成的球面電磁波轉(zhuǎn)換為平行電磁波束，為形成平面電磁波束的主要部件，可用聚氯乙烯(PVC)材料(對(duì)電磁波呈透明特性即反射系數(shù)、吸收系數(shù)均很低)制成，單、雙(折射)面透鏡均可(圖中所示為單面透鏡，其上表面為球面，下表面為橢球面，環(huán)透鏡的原理與此相同)，透鏡及其焦距大小可根據(jù)儀器情況加以調(diào)整。
L水平接收線圈帶有缺口的導(dǎo)磁圓環(huán)上纏有線圈，水平放置(與儀器中軸垂直)，可用于接收由發(fā)射信號(hào)所感應(yīng)的二次電磁場(chǎng)，確定電阻率高低。
M儀器外殼。
N液體傾角計(jì)用于確定發(fā)射傾角(方位)的傾角計(jì)，采用浮力原理制成，即在裝滿水的餅形容器內(nèi)放置浮標(biāo)并密封，因浮標(biāo)應(yīng)總是處于容器頂部而達(dá)到計(jì)量?jī)A角的目的，具體情況見(jiàn)附圖2，附圖2中的兩部分為A浮標(biāo)(由塑料制成特定形狀、涂以特定顏色)B餅形容器(由透明塑料制成、印刷刻度、圖案)O豎直接收線圈將線圈纏于帶有缺口的導(dǎo)磁環(huán)柱上，套于發(fā)射天線外支撐架(E)之外，右部虛方框內(nèi)為其總體形態(tài)及導(dǎo)線纏繞方式a導(dǎo)磁環(huán)柱b漆包線及其纏繞方式P地下目標(biāo)體可以是天然的，也可以是人文的。
圖中虛線部分為電磁波信號(hào)的傳播路徑1發(fā)射(脈沖)電磁波束2反射或散射(脈沖)電磁波3透射(脈沖)電磁波以上A-O為儀器的主要組成部分，依其性質(zhì)可歸并為以下四大部分1、控制系統(tǒng)A
2、發(fā)射系統(tǒng)D＋E＋F＋G＋H＋I(xiàn)＋J＋K＋N發(fā)射天線E＋F＋G＋H＋I(xiàn)＋J＋K3、接收系統(tǒng)C＋L＋O＋N接收天線L＋O4、輸出系統(tǒng)B儀器設(shè)計(jì)制造時(shí)可視勘查目的不同(制作的儀器針對(duì)性不同)加以調(diào)整(增補(bǔ)、省略或發(fā)收分體)。
由發(fā)射線圈發(fā)射的電磁波(球面波)經(jīng)主透鏡、環(huán)透鏡(帶有反相器)后轉(zhuǎn)化為平行電磁波束并以特定方向傳播，遇介質(zhì)界面時(shí)發(fā)生反射(散射)、透射、折射等現(xiàn)象，其反射波中的特定部分被豎直接收天線所接收，同理透射波中的特定再反射部分亦可被豎直接收天線所接收，這些反射波的初至?xí)r間、振幅不受周圍介質(zhì)差異的影響(不存在由臨近一定區(qū)域共同作用所引起的體積效應(yīng))，反映了地下地質(zhì)界面、地下埋藏物在特定點(diǎn)位的性質(zhì)及埋深。對(duì)本方法技術(shù)的核心部分——發(fā)射天線的設(shè)計(jì)，主要利用了光透鏡原理，其主透鏡、環(huán)透鏡均可采用由PVC材料制成的單、雙面透鏡；對(duì)于高頻發(fā)射信號(hào)，也可以采用電磁波反射鏡方法實(shí)現(xiàn)電磁波束的輸出。
權(quán)利要求
電磁波束定向發(fā)射勘查技術(shù)屬應(yīng)用地球物理勘查電磁勘探技術(shù)中的一種，與現(xiàn)有電磁勘探技術(shù)(主要為探地雷達(dá)技術(shù))類似之處在于發(fā)射信號(hào)皆為電磁波，并以電磁波在地下介質(zhì)中傳播遇介質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生的反射波作為探測(cè)信號(hào)，處理分析反射波信號(hào)，從而達(dá)到地質(zhì)勘查目的；但以往電磁勘探方法(探地雷達(dá))中發(fā)射信號(hào)方向性差(不考慮變換發(fā)射傾角)，因而存在體積效應(yīng)，其解釋結(jié)果具有較大程度的不確定(多解)性，同時(shí)由于發(fā)射信號(hào)頻率較高，使得勘探深度多不大于50米；本項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵特征在于發(fā)射某一特定方位、某一特定頻率、某一特定波形的平行(連續(xù)的或脈沖式)電磁波束，波束遇介質(zhì)界面時(shí)其反射波中的特定部分被接收天線所接收，由于反射波的初至?xí)r間、振幅及相位不受周圍介質(zhì)差異的影響(不存在體積效應(yīng))，故可反映地下埋藏物在特定點(diǎn)位的性質(zhì)及埋深，從而大大提高解釋結(jié)果的可靠性；電磁波束定向發(fā)射勘查技術(shù)的適用頻率寬(1KHz—1000MHz)，因而其勘探深度范圍大(頻率越低，勘探深度越大)，可采用發(fā)射脈沖式高頻電磁波束(10MHz—1000MHz)、脈沖式低頻電磁波束(1KHz—1MHz，采用電磁波分離技術(shù)進(jìn)行處理分析)、連續(xù)式高頻電磁波束(50MHz—500MHz)等方式分別用于地質(zhì)勘查、工程勘查、地下人文活動(dòng)產(chǎn)物(管網(wǎng)、墓穴等)探測(cè)；為實(shí)現(xiàn)上述勘查技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了電磁波(頻率相同、起始時(shí)間不同、特定波形的電磁波)分離處理方法用于中——深地質(zhì)勘查及液體傾角計(jì)(可不受電磁干擾)用于計(jì)量發(fā)射傾角。
全文摘要
電腦波束定向發(fā)射勘查技術(shù)屬應(yīng)用地球物理勘查電磁勘探技術(shù)中的一種，以往電磁勘探方法中發(fā)射信號(hào)方向性差，因而存在體積效應(yīng)，其解釋結(jié)果存在多解性；本項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于發(fā)射特定方位的平行電磁波束，分析波束遇介質(zhì)界面時(shí)的反射波初至?xí)r間、振幅及相位，則可獲得地下埋藏物在特定點(diǎn)位的性質(zhì)及埋深，從而大大提高解釋結(jié)果的可靠性。該項(xiàng)技術(shù)可用于地質(zhì)勘查、工程勘查、地下管網(wǎng)及墓穴探測(cè)等。
文檔編號(hào)G01V3/12GK1239778SQ9811533
公開(kāi)日1999年12月29日 申請(qǐng)日期1998年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月18日
發(fā)明者王惠琴, 張青杉 申請(qǐng)人:王惠琴, 張青杉