瞬變電磁傳感器阻尼特性的標(biāo)定研究

張爽，劉紫秀，陳曙東

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012

1 引言

近年來(lái)，隨著瞬變電磁法（TEM）在工程環(huán)境勘查、水文地質(zhì)調(diào)查等淺層探測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（張保祥和劉春華，2004；嵇艷鞠等，2005；薛國(guó)強(qiáng)等，2007），對(duì)TEM系統(tǒng)的淺層探測(cè)能力提出了更高的要求.目前提高淺層探測(cè)能力的研究主要集中在兩個(gè)方面：（1）通過(guò)縮短發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)早期觀測(cè)（付志紅等，2008；于生寶等，2006）；（2）通過(guò)提高接收系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)早期觀測(cè).提高接收系統(tǒng)響應(yīng)速度的具體實(shí)現(xiàn)方法有：通過(guò)提高接收線圈帶寬降低高頻信號(hào)失真，從而降低早期信號(hào)畸變，實(shí)現(xiàn)淺層探測(cè)（Lee，1982；周逢道等，2006）；通過(guò)垂直放置收發(fā)線圈（Tie，2001），將發(fā)射線圈置于接收回線正上方（S?rensen and Auken，2004），利用磁抵消線圈（Chen，2012）等技術(shù)降低發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感，實(shí)現(xiàn)純二次場(chǎng)觀測(cè)；將理論計(jì)算的一次場(chǎng)從實(shí)測(cè)總場(chǎng)中剔除，實(shí)現(xiàn)純二次場(chǎng)提取（嵇艷鞠等，2006；嵇艷鞠等，2007a，b）；調(diào)整傳感器阻尼匹配狀態(tài)，降低阻尼特性引起的二次場(chǎng)響應(yīng)畸變（王華軍，2010；蔣邦遠(yuǎn)，1998；王世隆等，2011；林君等，2013；錢(qián)鑌，1982；Chu，2012）.

針對(duì)傳感器阻尼匹配問(wèn)題，傳統(tǒng)TEM普遍認(rèn)為臨界阻尼為最佳匹配狀態(tài)（王華軍，2010；蔣邦遠(yuǎn)，1998；王世隆等，2011；林君等，2013），依據(jù)是“響應(yīng)快，無(wú)振蕩”，蔣邦遠(yuǎn)（1998）還特別強(qiáng)調(diào)：“為了避免其它因素導(dǎo)致欠阻尼振蕩，最好選擇略過(guò)阻尼匹配”.雖有文獻(xiàn)提出“適當(dāng)欠阻尼可以使傳感器獲得最佳傳輸特性”（錢(qián)鑌，1982；Chu，2012），但由于缺乏理論和實(shí)驗(yàn)證明，至今未得到公認(rèn).傳統(tǒng)針對(duì)阻尼特性的研究存在兩個(gè)不足：沒(méi)有給出“響應(yīng)快”的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；沒(méi)有通過(guò)響應(yīng)已知的目標(biāo)體進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證.針對(duì)這兩個(gè)不足，本文定義了“響應(yīng)時(shí)間”，使響應(yīng)快慢可以定量評(píng)價(jià)；本文將由導(dǎo)線串聯(lián)電阻構(gòu)成的標(biāo)定環(huán)作為目標(biāo)體（Davis and Macnae，2008；Yin and Hodges，2009；嵇艷鞠等，2011；張爽等，2012；Liu，1998；陳曙東等，2012），由于標(biāo)定環(huán)響應(yīng)呈指數(shù)衰減規(guī)律，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果偏離指數(shù)規(guī)律的程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

本文利用標(biāo)定研究阻尼特性對(duì)TEM早期響應(yīng)影響規(guī)律的方法同樣適用于對(duì)其它各種響應(yīng)畸變規(guī)律的研究，該標(biāo)定方法對(duì)發(fā)現(xiàn)和研究早期信號(hào)畸變及其機(jī)理、提高TEM系統(tǒng)淺層探測(cè)能力具有重要意義.

2 TEM系統(tǒng)標(biāo)定模型與自由空間響應(yīng)

2.1 TEM系統(tǒng)標(biāo)定模型

如圖1所示建立TEM系統(tǒng)的標(biāo)定模型，該模型由發(fā)射線圈（Transmitting coil）、接收線圈（Receiving coil）和標(biāo)定環(huán)（Loop）組成.圖1a測(cè)得的響應(yīng)為包含一次場(chǎng)響應(yīng)（TR）和標(biāo)定環(huán)響應(yīng)（TLR）的總場(chǎng)響應(yīng)；圖1b測(cè)得的響應(yīng)為標(biāo)定環(huán)移除后的一次場(chǎng)響應(yīng)（TR）.下面將分別計(jì)算TR、TLR和TR＋TLR響應(yīng)，討論不同阻尼匹配狀態(tài)下三種響應(yīng)的畸變規(guī)律.

圖1 自由空間標(biāo)定模型（a）總場(chǎng)響應(yīng)模型；（b）一次場(chǎng)響應(yīng)模型.Fig.1 Calibration models in free space（a）Model of total responses；（b）Model of primary response.

2.2 一次場(chǎng)TR響應(yīng)

如圖2所示，發(fā)射線圈中的電流幅值為I0，關(guān)斷時(shí)間為Δ.

圖2 系統(tǒng)發(fā)射電流波形Fig.2 Transmitter current waveform

發(fā)射電流的時(shí)域表達(dá)式為

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，圖1b的TR響應(yīng)可表示為

其中εTR（t）為接收線圈中的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，MTR為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感.設(shè)發(fā)射回線為邊長(zhǎng)aT的方形回線，按發(fā)射回線的中心磁場(chǎng)近似計(jì)算MTR，則

其中SR＝nRsR為接收線圈的有效面積，sR為單匝接收線圈的面積，nR為接收線圈的匝數(shù)，nT為發(fā)射線圈的匝數(shù)，μ0＝4π×10－7H／m為真空磁導(dǎo)率.

2.3 二次場(chǎng)TLR響應(yīng)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，發(fā)射電流在標(biāo)定環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

設(shè)標(biāo)定環(huán)中感應(yīng)電流為iL（t），則

由（1）、（4）、（5）式得標(biāo)定環(huán)中的電流為

其中MTL為發(fā)射線圈與標(biāo)定環(huán)之間的互感，按（3）式的方法計(jì)算MTL，則

其中SL＝nLsL為標(biāo)定環(huán)的有效面積，sL為單匝標(biāo)定環(huán)的面積，nL為標(biāo)定環(huán)的匝數(shù)，τ＝LL／RL為時(shí)間常數(shù)，LL為標(biāo)定環(huán)的電感，RL為標(biāo)定環(huán)的電阻.

標(biāo)定環(huán)中感應(yīng)電流iL（t）在接收線圈中產(chǎn)生的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即TLR響應(yīng)為

將（6）式代入（8）式得

由（9）式可見(jiàn)，TLR響應(yīng)按指數(shù)規(guī)律衰減，MLR為標(biāo)定環(huán)與接收線圈之間的互感，設(shè)接收線圈為邊長(zhǎng)2b的方形回線，匝數(shù)為n1，標(biāo)定環(huán)為邊長(zhǎng)2a的方形回線，匝數(shù)為n2.如圖3所示，建立直角坐標(biāo)系.

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律及互感的定義可得

3 不同阻尼匹配狀態(tài)下傳感器的響應(yīng)

3.1 傳感器的沖擊響應(yīng)

TEM傳感器接收線圈的等效電路模型如圖4所示，其中ε（t）為接收線圈接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，L為接收線圈的電感，r為接收線圈內(nèi)阻，R為并聯(lián)在接收線圈上的阻尼電阻，C為接收線圈的分布電容，V（t）為T(mén)EM傳感器前置放大器觀測(cè)到的電壓.根據(jù)二階電路的特點(diǎn)，輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，接收到的信號(hào)V（t）并不是接收線圈由法拉第電磁感應(yīng)定律直接感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)ε（t）（王華軍，2010）.由圖4可得

由式（11），設(shè)輸入信號(hào)為δ（t），則系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)h（t）為

圖3 接收線圈和標(biāo)定環(huán)之間的互感模型Fig.3 Mutual induction model between the receiving coil and the calibration loop

圖4 接收線圈等效電路Fig.4 Equivalent circuit of receiving coil

3.2 不同阻尼匹配狀態(tài)下傳感器的響應(yīng)

發(fā)射電流iT（t）直接在接收線圈中感應(yīng)出的是一次電動(dòng)勢(shì)εTR（t），而接收線圈的輸出電壓VTR（t）是εTR（t）與h（t）的卷積

同理，標(biāo)定線圈中的感應(yīng)電流iL（t）在接收線圈中感應(yīng)出的是二次電動(dòng)勢(shì)εTLR（t），接收線圈的輸出電壓VTLR（t）是εTLR（t）與h（t）的卷積

理論上，一次場(chǎng)響應(yīng)（TR）和二次場(chǎng)響應(yīng)（TLR）同時(shí)被接收線圈接收，接收線圈輸出的電壓為（16）式和（17）式之和

由（16）—（18）式可見(jiàn)，由于接收線圈帶寬有限，使得一次場(chǎng)響應(yīng)和二次場(chǎng)響應(yīng)均存在過(guò)渡過(guò)程，兩個(gè)影響的共同作用導(dǎo)致早期二次場(chǎng)響應(yīng)偏離指數(shù)衰減.

4 最佳阻尼特性的仿真研究

本文根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真分析：發(fā)射電流的幅值為IT＝2.6A，關(guān)斷時(shí)間為64μs.發(fā)射線圈邊長(zhǎng)為aT＝18m，匝數(shù)nT＝2；標(biāo)定線圈邊長(zhǎng)為aL＝0.48m，匝數(shù)nL＝26，內(nèi)阻rL＝2.0Ω，串聯(lián)電阻R＝5.0Ω，電感LL＝1.0mH，時(shí)間常數(shù)為0.15 ms；接收線圈單匝面積sR＝1.2m2，匝數(shù)nR＝20，內(nèi)阻rR＝5.1Ω，電感LR＝1.4mH，線圈固有諧振頻率f0＝100kHz.為方便對(duì)響應(yīng)的研究，將發(fā)射電流關(guān)斷Δ時(shí)刻作為0時(shí)刻.

根據(jù)（2）、（9）、（13）—（18）式，得到不同阻尼匹配狀態(tài)下的一次場(chǎng)TR響應(yīng)、標(biāo)定環(huán)TLR響應(yīng)和總場(chǎng)TR＋TLR響應(yīng)如圖5（a、b、c）所示，為方便分析，將圖5（b、c）中部分曲線合并到圖5d.

由于接收線圈的傳輸特性為二階低通特性，使得接收到的響應(yīng)存在過(guò)渡過(guò)程.圖5（a、b、c）分別反映接收線圈不同阻尼匹配狀態(tài)對(duì)TR、TLR以及總場(chǎng)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的影響.由圖可見(jiàn)，欠阻尼時(shí)響應(yīng)快但存在振蕩，臨界阻尼時(shí)響應(yīng)無(wú)振蕩，過(guò)阻尼時(shí)響應(yīng)緩慢.傳統(tǒng)觀點(diǎn)將“無(wú)振蕩”作為傳感器響應(yīng)快慢的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，認(rèn)為臨界阻尼匹配時(shí)響應(yīng)快且無(wú)振蕩，為最佳匹配狀態(tài).響應(yīng)快慢應(yīng)以實(shí)際響應(yīng)接近真實(shí)響應(yīng)的所需的時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)（鄢景華，2006），傳統(tǒng)方法顯然違背了這一原則.針對(duì)傳統(tǒng)方法對(duì)響應(yīng)快慢進(jìn)行評(píng)價(jià)存在的不足，本文給出了響應(yīng)快慢的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：在參考響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)線上，用穩(wěn)態(tài)值的5%作一個(gè)允許的誤差范圍，過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)入并永遠(yuǎn)保持在這一允許誤差范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間叫做過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（即響應(yīng)時(shí)間）（鄢景華，2006），響應(yīng)時(shí)間越短，則響應(yīng)速度越快，具體方法如圖6所示，t0為響應(yīng)時(shí)間.

按照?qǐng)D6所示的定量評(píng)價(jià)方法，得到圖5中各響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間如表1所示.

表1 不同阻尼匹配狀態(tài)下的理論響應(yīng)時(shí)間Table 1 Theoretical response time under different damping states

由表1可見(jiàn)，無(wú)論是TR、TLR響應(yīng)，還是TR＋TLR響應(yīng)，采用0.8≤ζ≤0.9的略欠阻尼匹配，響應(yīng)時(shí)間最短、響應(yīng)畸變最小，為傳感器最佳匹配方式.由表1數(shù)據(jù)可知，圖5d中四種響應(yīng)中TR＋TLR臨界阻尼匹配的響應(yīng)時(shí)間為15.77μs，在四種觀測(cè)方式中響應(yīng)最慢、畸變最大；而TLR略欠阻尼（ζ＝0.9）匹配的響應(yīng)時(shí)間為7.20μs，在四種觀測(cè)方式中響應(yīng)時(shí)間最短，時(shí)域畸變最小.因此，二次場(chǎng)觀測(cè)方式下采用略欠阻尼匹配可以顯著降低早期信號(hào)畸變，提高淺層探測(cè)能力.

5 最佳阻尼特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上面從理論上證明了0.8≤ζ≤0.9的略欠阻尼匹配為傳感器的最佳匹配狀態(tài)，然而一個(gè)實(shí)際的TEM測(cè)量系統(tǒng)與圖1和圖2所示的理想系統(tǒng)之間存在一定差異，實(shí)際系統(tǒng)阻尼匹配所遵循的原則應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以研究.本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)射線圈、接收線圈、標(biāo)定線圈的參數(shù)與理論計(jì)算部分相同.如圖1a所示鋪設(shè)測(cè)量系統(tǒng)，放置標(biāo)定線圈時(shí)測(cè)量的總場(chǎng)響應(yīng)（TR＋TLR）如圖7a所示.然后如圖1b所示將標(biāo)定線圈移除，測(cè)量得到的背景場(chǎng)響應(yīng)如圖7b所示，背景場(chǎng)中主要包含一次場(chǎng)響應(yīng)TR和大地響應(yīng)TER.為了得到實(shí)測(cè)TLR響應(yīng)，本文采用基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的背景場(chǎng)剔除方法，即將圖7a的總場(chǎng)響應(yīng)減去圖7b的背景場(chǎng)響應(yīng)，得到圖7c的實(shí)測(cè)TLR響應(yīng).為對(duì)比二次場(chǎng)觀測(cè)方式和總場(chǎng)觀測(cè)方式下不同阻尼匹配狀態(tài)的響應(yīng)特性，將圖7a和圖7c中的臨界阻尼匹配和欠阻尼（ζ＝0.6）匹配曲線合并到一起，如圖7d所示.

依據(jù)本文提出的響應(yīng)時(shí)間定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)測(cè)響應(yīng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表2.

圖5 理論計(jì)算不同匹配狀態(tài)下傳感器的響應(yīng)（a）TR響應(yīng)；（b）TLR響應(yīng)；（c）TR＋TLR響應(yīng)；（d）TR＋TLR與TLR響應(yīng)對(duì)比.Fig.5 Theoretical responses of TEM sensor under different damping states（a）TR response；（b）TLR response；（c）TR＋TLR responses；（d）comparison between TR＋TLR and TLR responses

圖6 （a）TR響應(yīng)的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；（b）TLR響應(yīng)的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；（c）TR＋TLR響應(yīng)的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Fig.6 （a）Quantitative evaluation standard of TR response；（b）Quantitative evaluation standard of TLR response；（c）Quantitative evaluation standard of TR＋TLR responses

圖7 實(shí)測(cè)不同匹配狀態(tài)下傳感器的響應(yīng)（a）TR＋TLR響應(yīng)；（b）TR響應(yīng)；（c）TLR響應(yīng)；（d）TR＋TLR與TLR響應(yīng)對(duì)比.Fig.7 Measured time domain responses of TEM sensor under different damping states（a）TR＋TLR response；（b）TR response；（c）TLR response；（d）comparison between TR＋TLR and TLR responses.

表2 實(shí)測(cè)不同阻尼匹配狀態(tài)下的響應(yīng)時(shí)間Table 2 Measured response time under different damping states

由表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)圖7d中“總場(chǎng)觀測(cè)”下臨界阻尼匹配（ζ＝1）、略欠阻尼匹配（ζ＝0.9）和“二次場(chǎng)觀測(cè)”下臨界阻尼匹配（ζ＝1）、略欠阻尼匹配（ζ＝0.9）的響應(yīng)時(shí)間分別為20.86、19.99、15.51、13.82μs，其中“二次場(chǎng)觀測(cè)”下阻尼系數(shù)ζ＝0.9的略欠阻尼匹配是四種觀測(cè)方式中響應(yīng)最快、畸變最小的.這與理論計(jì)算的“二次場(chǎng)觀測(cè)”下阻尼系數(shù)ζ＝0.9的略欠阻尼匹配是四種觀測(cè)方式中響應(yīng)最快、畸變最小的結(jié)論吻合.實(shí)測(cè)結(jié)果還表明，ζ＝0.6的欠阻尼狀態(tài)下，TR響應(yīng)和TR＋TLR響應(yīng)并沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)沖或振蕩，此種匹配狀態(tài)比阻尼為0.9時(shí)響應(yīng)速度更快，信號(hào)畸變更小.實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果存在差異的原因在于，實(shí)際發(fā)射電流在臨近關(guān)斷時(shí)呈類(lèi)指數(shù)規(guī)律衰減，并非理想的線性關(guān)斷.針對(duì)這一問(wèn)題，本文將略欠阻尼0.8時(shí)的實(shí)測(cè)TR響應(yīng)、基于實(shí)測(cè)發(fā)射電流計(jì)算得到的TR響應(yīng)與基于理論發(fā)射電流計(jì)算得到的TR響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示.

圖8中曲線（a）為理想發(fā)射電流，（b）為實(shí)測(cè)發(fā)射電流，（c）為基于理想發(fā)射電流計(jì)算得到的TR響應(yīng)，（d）為基于實(shí)測(cè)發(fā)射電流計(jì)算得到的TR響應(yīng)，（e）為實(shí)測(cè)TR響應(yīng).由圖8可見(jiàn)，由于實(shí)測(cè)發(fā)射電流存在類(lèi)指數(shù)拖尾，所以基于實(shí)測(cè)發(fā)射電流計(jì)算的響應(yīng)（d）未出現(xiàn)明顯的振蕩，又由于大地響應(yīng)的影響使得實(shí)測(cè)響應(yīng)（e）更加平緩.由圖7c可見(jiàn)ζ＝0.6的欠阻尼狀態(tài)的TLR響應(yīng)有輕微的振蕩，但是這種輕微振蕩滿足5%誤差的限制條件，并不影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.綜上，阻尼匹配設(shè)置與發(fā)射電流波形密切相關(guān)，發(fā)射電流類(lèi)指數(shù)拖尾會(huì)使傳感器接收信號(hào)中的高頻分量減少，使得傳感器匹配在較低阻尼系數(shù)時(shí)依然可以保證測(cè)量結(jié)果在限定的誤差范圍內(nèi).因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)通過(guò)標(biāo)定來(lái)確定某一特定系統(tǒng)的最佳阻尼匹配狀態(tài).

本文使用的自制傳感器接收線圈具有精心設(shè)計(jì)的屏蔽層，接地的屏蔽層隔絕了接收線圈與其它導(dǎo)體（包括大地）之間的靜電耦合，使得接收線圈的分布電容不受鄰近導(dǎo)體和大地的影響，阻尼特性與無(wú)屏蔽層的接收線圈相比更穩(wěn)定，阻尼電阻一旦確定一般無(wú)需實(shí)時(shí)調(diào)整.而傳統(tǒng)的TEM重疊回線系統(tǒng)其接收線圈沒(méi)有屏蔽，阻尼特性受鄰近導(dǎo)體和大地的影響較為嚴(yán)重，此時(shí)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性與具有良好屏蔽性能的系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性之間存在較大差距.

本文采用2匝18m×18m發(fā)射回線進(jìn)行研究，若發(fā)射回線減小將使一次場(chǎng)顯著增強(qiáng)，一次場(chǎng)幅度和欠阻尼振蕩幅度均顯著增大，這種小回線的阻尼特性與大回線情況原則上是一致的但實(shí)際情況較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、響應(yīng)幅度過(guò)大將導(dǎo)致前置放大器輸出信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重畸變甚至飽和，使問(wèn)題變得更復(fù)雜；二、小回線發(fā)射時(shí)，電流關(guān)斷速度快、信號(hào)高頻分量多，同樣阻尼匹配條件下，欠阻尼振蕩幅度更大，此時(shí)需要提高阻尼系數(shù)來(lái)減小振蕩；三、一次場(chǎng)響應(yīng)振蕩幅度變大使得滿足5%誤差限制條件的響應(yīng)時(shí)間顯著變長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了總場(chǎng)觀測(cè)方式下二次場(chǎng)的觀測(cè).綜上，小回線TEM系統(tǒng)的阻尼系數(shù)應(yīng)通過(guò)本文采用的標(biāo)定方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)加以確定.如果采用一次場(chǎng)抵消技術(shù)實(shí)現(xiàn)純二次場(chǎng)觀測(cè)，將克服小回線系統(tǒng)的上述弊端，此時(shí)采用略欠阻尼匹配就可以實(shí)現(xiàn)純二次場(chǎng)響應(yīng)的最佳早期觀測(cè).

理論研究中通常采用斜階躍發(fā)射電流，而實(shí)際發(fā)射電流為非理想關(guān)斷，存在類(lèi)指數(shù)拖尾，針對(duì)這一實(shí)際情況，本文采用卷積方法對(duì)兩種發(fā)射電流引起的響應(yīng)進(jìn)行了大量的計(jì)算和仿真，結(jié)果表明，同一種阻尼系數(shù)匹配時(shí)，電流的類(lèi)指數(shù)拖尾使得響應(yīng)的欠阻尼振蕩幅度比電流斜階躍關(guān)斷時(shí)的振蕩幅度小，再次證明圖8實(shí)際系統(tǒng)采用更低的阻尼系數(shù)可以使系統(tǒng)響應(yīng)更快這一結(jié)論.同時(shí)，本文的結(jié)論與加拿大Geonics公司3D－3低頻TEM傳感器采用ζ＝0.8的略欠阻尼匹配這一設(shè)計(jì)思想吻合.

6 結(jié)論

圖8 發(fā)射電流波形與TR響應(yīng)關(guān)系對(duì)比Fig.8 Comparison of the relationship between transmitter current waveform and TR response

傳統(tǒng)TEM認(rèn)為臨界阻尼匹配狀態(tài)“響應(yīng)快，無(wú)振蕩”，為最佳匹配方式.本文定義了響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)標(biāo)定理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)TEM系統(tǒng)進(jìn)行定量標(biāo)定研究發(fā)現(xiàn)，“響應(yīng)快”和“無(wú)振蕩”沒(méi)有必然的聯(lián)系，響應(yīng)快慢的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以實(shí)際響應(yīng)接近理論參考響應(yīng)所需的響應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量，響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快.響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)可以最早觀測(cè)的時(shí)間，通過(guò)定量標(biāo)定可以確定第一個(gè)道的起始時(shí)間，為評(píng)價(jià)系統(tǒng)淺層探測(cè)能力提供了有效的手段.

理論證明了阻尼系數(shù)ζ在0.8～0.9左右的略欠阻尼狀態(tài)，傳感器響應(yīng)最快，時(shí)域畸變最小.實(shí)際中，由于發(fā)射電流存在類(lèi)指數(shù)拖尾，導(dǎo)致阻尼系數(shù)在0.6時(shí)并未觀察到明顯的振蕩.因此，實(shí)際情況下可根據(jù)實(shí)際發(fā)射電流選擇更低的阻尼系數(shù)，使傳感器響應(yīng)速度更快.本文提出的基于標(biāo)定環(huán)的定量標(biāo)定方法可以確定某一特定TEM傳感器的最佳阻尼系數(shù).

在總場(chǎng)響應(yīng)中觀測(cè)二次場(chǎng)響應(yīng)時(shí)線圈中的一次場(chǎng)過(guò)渡過(guò)程幅度大，二次場(chǎng)響應(yīng)畸變規(guī)律被掩蓋；在純二次場(chǎng)觀測(cè)方式下，一次場(chǎng)的過(guò)渡過(guò)程被剔除，臨界阻尼匹配與略欠阻尼匹配時(shí)二次場(chǎng)響應(yīng)的差異明顯表現(xiàn)出來(lái)，因此發(fā)展具有固定結(jié)構(gòu)的拖拽式TEM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)純二次場(chǎng)觀測(cè)以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，將是我國(guó)TEM系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì).

本文采用標(biāo)定的方法對(duì)影響TEM信號(hào)畸變的因素進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，有助于發(fā)現(xiàn)TEM系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成中存在的響應(yīng)畸變問(wèn)題，對(duì)于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果具有重要的意義.

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