基于三分量电磁矢量传感器的波达角和极化参数估计

针对传统的降维四元数旋转不变子空间算法(Dimension Reduction Quaternion Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,DRQ-ESPRIT)存在"四元数模型相干"和孔径损失问题,改进了DRQ-ESPRIT算法,并提出了伪虚拟对称扩展孔径四元数旋转不变子空间算法(Fake Virtual Symmetrical Aperture Expansion Quaternion Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,FVSAEQ-ESPRIT).所提算法通过修正极化角度域导向矢量和阵元空间相移矢量的乘法顺序,解决了"四元数模型相干"问题,并利用导向矢量的虚拟对称操作和Khatri-Rao子空间方法,增加了极化敏感阵列的自由度,提高了波达角(Direction of Arrival,DOA)和极化参数的估计精度.最后,仿真实验验证了所提算法的有效性.

半航空频率域电磁探测三分量线圈传感器设计

半航空频率域电磁探测方法(semi-airborne frequency domain electromagnetic method,简称SAFEM)通常借助水平线圈传感器观测垂直分量磁场信号.然而,在实际探测过程中,观测单一分量磁场信号不仅缺失水平分量磁场信息,并且在磁场响应畸变区域难以校正,造成视电阻率解释结果精度低、误差大等问题.为此,本文设计并研制了一种能够用于SAFEM探测的三分量空心线圈传感器,采用三组相互垂直的接收线圈分别接收三个分量的磁场信号.首先,为满足旋翼机载重要求,设计0.5 m直径的小尺寸圆形线圈用于接收垂直方向磁场,两个0.01 m边长的方形线圈用于接收水平方向磁场,并对三组线圈的互耦情况进行分析,确定了线圈的最佳相对位置.其次,针对线圈传感器的物理结构特点,综合线圈的寄生电阻、电感和电容值大小的分析结果,确定最终的物理结构参数.进一步地,通过分析不同阻尼状态下的传感器及前置放大电路的频率响应特性,确定了最佳的阻尼系数调节范围.在此基础上,设计了带有阻尼状态调节的低噪声差分前置放大器电路作为SAFEM信号调理模块.最后,开展屏蔽室测试实验和野外探测实验验证三分量线圈传感器的可靠性.屏蔽室内对比测试结果表明,小尺寸的三分量线圈传感器带宽能够满足探测需求,能够提供与商用传感器相当的灵敏度和测量准确性.在野外探测实验中,使用该三分量线圈传感器获得了实验场地的三分量磁场响应信号,进一步证明了该三分量传感器的有效性.

航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器设计

航空瞬变电磁法(ATEM)是地球物理勘探中的主要方法之一,被广泛应用在油气、地下水等深地资源的勘查。瞬变电磁接收系统一般采用感应式空心线圈传感器接收瞬变电磁信号,其具有本身重量轻、固有线性频率的特点。线圈传感器仅对垂直于其孔径的磁通敏感,为了确定矢量磁场的所有方向分量,此次传感器设计成三个相互垂直的线圈。通过分析感应线圈灵敏度、信噪比等参数,对线圈尺寸、绕线方式进行了优化设计;选定本底电压、电流噪声较小的放大器,设计了接收信号前置放大电路。所研发的三分量ATEM感应式磁传感器工作带宽可达25 kHz,X、Y、Z三分量的本底噪声分别保持在:11.7、10.7、10.6(单位:nV/√Hz@1kHz),在其谐振频率处的灵敏度分别为4.3、6.5、6.4(单位:mV/nT)。本设计实现了高灵敏度三分量信号的采集,X、Y、Z三个分量完全对称分布,电参数基本一致,降低了传感器的本底噪声,有效地提高了灵敏度和信噪比。

坑(井)-地多参数电磁接收系统

坑(井)-地多参数电磁接收系统在地面、坑道、井中三维空间观测天然场源及人工源电磁信号,观测装置接近或穿过矿体,借助动源、大功率发射可获得更加明显的异常值,旨在加大探测深度的基础上提高深部分辨率,同时获取电阻率、极化率、复阻抗等参数.为坑(井)-地电磁成像方法现场数据采集提供硬件设备支持,针对坑道、井中电磁观测的特殊需求,开发了由不极化电极、非接触电极、小型感应式线圈、微型三分量音频磁传感器、地面-坑道电磁接收机、井中电磁接收机等组成的坑(井)-地多参数电磁接收系统,解决了传统不极化电极坑道硬岩表面接地困难和传统感应式磁传感器难以适应坑道狭窄空间的问题;通过多层次的室内、弱干扰条件下野外测试验证了接收系统的各项技术指标,接收机通道全频段噪声水平接近10nV/rt(Hz),微型三分量音频磁传感器体积压缩至32cm×32cm×32cm;强干扰条件下的矿山试验验证了接收系统的可靠性、适用性及先进性.