黃 河， 烏效鳴， 張 峰， 許 潔， 楊 暉

(1.中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074； 2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

基于地下VLF人工信號源的定位技術研究

黃 河1， 烏效鳴1， 張 峰1， 許 潔2， 楊 暉1

(1.中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074； 2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

基于甚低頻電磁波(VLF)穿透地層能力，研究地層對信號造成的影響，評估頻率、功率和信號穿透能力的關系；從信號源、天線、信號處理濾波等方面討論其實現的原理及關鍵技術；篩選適合地下-地表單向通信的合理方式和載波機制；建立簡化的磁偶子定位模型，完成信號源的定向和定深?？偨Y甚低頻定位技術的關鍵方案，為煤層氣水平井、水平對接孔、定向鉆進導向孔、礦井救援等鉆探領域中孔內信號傳輸提供一種新的通訊技術。

甚低頻電磁波；穿透地層；磁偶子模型；定位技術；孔內信號傳輸

0 引言

甚低頻(VLF)電磁法是利用分布在世界各地的長波電臺發(fā)射的信號在大地上建立的電磁場(頻率為3～30 kHz)作為場源，在地表、空中或地下測量其電磁場的空間分布，從而獲得電性局部差異或地下構造信息的一種電磁法。由于甚低頻不需自己建立場源，同時該法具有成本低、效率高、儀器輕便、測量參數多等優(yōu)點，因此具有廣闊的應用領域，在探礦領域可用于磁法勘探。在工程地領域可用于尋找?guī)r溶,地下暗河、斷層、含水破碎帶、巖層界線等，在市政建設領域，可用于探測地下管線。根據甚低頻電磁法特點，可將其推廣應用到煤層氣水平井、水平對接孔、定向鉆進導向孔、礦井救援等鉆探領域的孔內信號傳輸，用于定向和定位。

電磁波按照頻率分類，從低頻率到高頻率，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X射線和伽馬射線等[1-4]。甚低頻(VLF)，頻率范圍為3～30 kHz，波長范圍為100～10000 m，由于較長的波長，在空間傳輸過程中位移變形較小，海水、建筑、樹木、山體對它都不構成干擾，因此非常適合潛艇、地下空間通信，并且大量應用于地質災害救援等方面。

1 甚低頻透地能力

電磁波在空間中傳播，各種媒質(空氣，水，固態(tài)介質等)必然要對所傳輸的電信號產生影響，從而造成信號的衰減、失真、畸化，這種影響主要是由于介質對電磁波能量的干擾造成的，尤其是能量損耗。障礙物使電磁波產生繞射和折射，使得其接收場強小于在自由空間傳播時的場強。

電磁波在大地中傳播，主要受不同地層電磁性質的影響，尤其是相對介電系數和電導率。大地是很好的半導電介質，其電導率必然會對電場敏感，影響電磁波的傳輸；大地的電導率越大，對電磁波的影響越大。干土的電導率在0.001 s/m左右，濕土相對較大。由于地層復雜，其衰減的準確規(guī)律無法總結，只能以理想構成進行分析。

圖1是信號頻率和傳輸距離的關系[2]。從圖1可以知道，頻率越高，波長越短，受地層能量吸收越多，產生的滿衰落越嚴重。因此頻率越低，越適合在地層中穿透，尤其是甚低頻、極低頻波段的電磁波，有較大的研究價值。

圖1 地層衰減程度和距離的關系

圖2是信號頻率和衰減程度之間的關系。從圖2可以看出，信號頻率越高，地層衰減程度越大。

圖2 地層衰減程度和頻率的關系

2 人工信號源

2.1 基振

地下信號源以地下管線為渠道，考慮其穿透距離，深度在50 m之內，衰減程度在50%左右最優(yōu)，以保證地表可以捕捉到信號源。選擇10 kHz作為中心頻率，采用高精度晶振電路分頻獲得。震蕩源應穩(wěn)定，帶寬要窄，防止不同頻率的電磁波因為色散效應產生失真，影響后期檢波頻率的確定。正弦振蕩信號經過功率放大之后，提高振蕩幅值和負載能力，再經過電容耦合，組成LC振蕩器。

2.2 發(fā)射天線

天線實現了能量的轉換，決定了信號源發(fā)射的效率，保證磁場線充分延伸到較遠的距離。與高頻信號不同，甚低頻信號發(fā)射天線屬于電小天線，天線系統(tǒng)Q值較高，系統(tǒng)是一個窄帶系統(tǒng)[3]，適合調制的模式為ASK，FSK，考慮到地下空間限制，不方便采用傘型天線和T型天線。鐵氧體磁性線圈作為發(fā)射天線已經在中頻波段大量使用，結構簡單，便于調整，適合地下甚低頻信號源。低頻鐵氧磁棒，采用合適的絕緣子，漆包線纏繞，制作成通用天線，就能夠連接經過功率放大的信號源。

磁棒成分，長短，漆包線的直徑、匝數和在磁棒上的位置，均會影響發(fā)射強度和電能消耗量。通過計算可以獲得線圈的電感值，匹配合適的電容后自激，能夠高效率的發(fā)射信號。

2.3 功率放大

功率和發(fā)射距離是正相關的，最大程度的提高發(fā)射功率能夠有效地提高儀器性能。功率放大可以采用達林頓管推挽，也可以采用功放芯片。功率放大的目標為信號不失真，提高發(fā)射電流。但當電路停振時，過高的電流可能會造成破壞，同時影響線圈和電容的充放電時間。信號發(fā)射功率<30 W即可，較大的功率必然會造成散熱問題，影響儀器和地層穩(wěn)定。

2.4 編碼調制

在甚低頻發(fā)射系統(tǒng)中使用MSK調制方式的系統(tǒng)匹配效率較高,在發(fā)射機允許一定的反射能量情況下,MSK調制方式的天線系統(tǒng)輻射效率較高[4]。但是在地下信號源測量過程中，MSK調制方式的色散效應會較為嚴重，而且對頻率帶寬要求較高，不利于地表信號的處理。OOK調制模式簡單，但是數據量有限，抗干擾能力有限。采用ASK編碼方式，較為適合地下信號源的調制，但鍵控周期不能太長，否則就會產生拖尾粘連現象。

3 地面檢波

3.1 接收天線

接收天線必須與該頻率匹配，采用低頻磁棒，纏繞直徑在0.2 mm左右的漆包線纏繞，線圈匝數不宜過多，以免產生較大自激。采用次級線圈纏繞在主線圈一側，匝數在20圈左右，用來感應主線圈產生的磁場，有效地減少主線圈自激的影響。線圈在纏繞過程中應盡量做成可滑動式，以便于調整匹配頻率。接收天線實物見圖3。

圖3 接收天線實物

3.2 信號放大和濾波

天線捕捉到的信號往往是很微弱的，必須經過放大才能進行有效的處理。信號采用差分輸入，放大倍數在1000倍左右，適合大部分管道埋藏深度。信號放大電路應采用穩(wěn)定的基準和電源。放大后的信號采用帶通濾波器進行濾波，中心頻率為10 kHz，帶寬控制在1 kHz，濾掉干擾信號在線圈中產生的抖動。帶寬、相位和頻率的關系如圖4所示。

圖4 帶寬、相位和頻率的關系

3.3 超外差混頻

這種接收方式的性能優(yōu)于直接放大式接收，廣泛應用于中頻波段通信，對于甚低頻通信，我們可以借鑒。選擇性能穩(wěn)定的乘法器，混入合適的等幅值正弦信號，這樣信號的中心頻率便轉化成了差分頻率。差分后的信號頻譜結構和原信號完全相同，但波形更清澈，高頻增益顯著。除了混頻器之前的天線回路和高頻放大器的調諧回路需要與本地振蕩器的諧振回路統(tǒng)一調諧之外，中頻放大器的負載回路或濾波器是固定的，在接收不同頻率的輸入信號時不需再調整，這樣就讓儀器更可靠簡便[5-9]。差分低頻信號再重新進行放大等處理，進行解調，誤碼率降低，效率提高。

3.4 解調

經過層層篩選的信號，已經滿足了后期運算處理的要求。選擇合適的解調電路或芯片，就能將載波信號所攜帶的數據提取出來，從而直接得到地下信號源所攜帶的測量數據，如溫度、管道變形或損傷。如地下管線探傷，無需時刻保持通信，這樣就極大地簡化了調制解調的連續(xù)性，僅僅需要在關鍵位置進行透地通信即可。在鉆井領域通信效率比MWD等技術要高，這種方法可以有效地在淺層地表實現數據采集[6]。

3.5 信號強度

信號強度是我們定位的基礎，就像水柱壓力一樣，作為深度的標定基準。接收機自激產生的振蕩電流要通過檢波電路整合成直流信號[10]，這樣就能直接采集輸入運算。對于放大信號的整流，須先剔除半邊對稱電壓，獲取連續(xù)的有效值。有效值可以是電壓信號，也可是電流信號，應反應信號峰峰值與距離的線性關系。

4 磁偶子模型定位

電磁場理論中唯一性定理[11-15]可以為我們進行信號定位提供基礎，該定理給出的前提是只要電磁場滿足波動方程，又能確定其各個方向切向分量的邊界條件，所解得的結果是唯一的。只要建立合適的定位模型，采集到確定的磁場分量，就能解算出磁場分布的規(guī)律，從而確定信號源。

為了簡化模型，我們可以將信號源瞬間看作是正負兩個電荷產生的磁場，雖然在載體中產生的并不是直流電，都是基于諧變磁偶極子作為發(fā)射源，但是我們定位所采用的信號強度是穩(wěn)定的，這是我們定位的關鍵。在接收電路中必須對信號規(guī)整，整合成穩(wěn)定的直流源來判別磁場強度。圖5是等效的靜態(tài)磁偶子模型。

圖5 靜態(tài)磁偶極子等矢位線分布

采用定向和定深結合的方法進行定位，由于發(fā)射天線是通用天線，磁力線分布和磁棒水平，只要選擇固定的參考方向，測量其分量就能得到該點的磁場強度。首先沿縱向利用線圈進行定向，獲得沿豎直方向磁場分量，隨著δ的增大，其Z方向的分量減小，而且出現零點，零點介于兩個峰值之間。實際中零點分布在一條直線上，該直線與磁力線垂直，磁棒中心軸向平面上。圖6為豎直方向磁場分量分布。

圖6 豎直方向磁場分量及其分布

獲得的縱向分量值Bz為：

Bz=B0sin4δcosδ

(1)

式中：Bz——縱向分量值，H/H0；B0——xy平面內測點的磁場強度，H/H0；δ——磁感應線到原點連線與x軸正方向夾角，(°)。

采用水平線圈可以檢測X方向的磁場分量，理論上正上方的磁力線與軸線平行，而且是最內層，故所測得的強度最大，在Bz為零的前提下，測的該處的水平最大場強，就能和標定的數據進行對比，獲得該處豎直下方的信號源的深度。圖7為水平方向磁場分量分布。

圖7 水平方向磁場分量及其分布

獲得的水平方向分量值BX為：

BX=B0(2cos2δ-sin2δ)

(2)

式中：BX——水平方向分量值，H/H0；B0——XY平面內測點的磁場強度，H/H0；δ——磁感應線到原點連線與X軸正方向夾角，(°)。

通過2個方向的分量，我們就能以平面為基礎獲得一點的信號強度，但是現實中還需要考慮Y方向的分量，以及電磁波在地表傳播的距離，以及穿透地層進入空氣時所產生的折射。

在室內進行實驗，探頭與接收天線距離10 m，對探頭發(fā)射碼和地表跟蹤器進行解調，得出的圖像如圖8所示。

5 結論

甚低頻信號的地面處理較為簡單，但是其穿越土層的能力和其測深能力的關系還沒有進行相關研究，無法確定最終的技術參數。同時還要考慮水池效應等對甚低頻信號的影響，推導相應的校準方法。針對強電強磁環(huán)境下的屏蔽問題，通過提高功率可以緩解，但是無法進行根本上的解決。在受鋼板等屏蔽材料影響時，最優(yōu)的方法就是調整頻率，以實現最大程度的透地能力。甚低頻定位技術已經在煤層氣水平井、水平對接孔、定向鉆進導向孔、礦井救援等孔內信號傳輸方面開始應用，還有很大的研究空間和價值。

圖8 探頭發(fā)射碼和地表跟蹤器解調出的對應碼信號

[1] 吳太權,焦志偉.《電動力學》課程中引入普通物理知識的探索[J].教育教學論壇，2012，(1):58-60.

[2] 徐濤.水平定向鉆進隨鉆測量方法及定位技術研究[D].湖南長沙：國防科學技術大學，2006.

[3] 張敬倫.基于MSK無線通信的深井隨鉆數據傳輸技術研究[D].四川成都：成都理工大學,2012.

[4] 黃金輝.不同調制方式下甚低頻發(fā)射天線系統(tǒng)效率研究[J].艦船電子工程，2011,(1):80-82.

[5] 譚琦耀.高頻小信號放大器的設計[J].煤炭技術，2012，(7):49-51.

[6] 劉國衛(wèi).MWD無線隨鉆測斜儀在鉆井中的應用[J].西部探礦工程，2011，(3):49-50.

[7] 梁培艷.微弱直流電壓信號檢測[D].四川成都：電子科技大學，2013.

[8] 雷銀照，徐紀安.時變電磁場唯一性定理的完整表述[J].電工技術學報，2000,(1):16-20.

[9] 荀楊,鄭龍根,許暢.海水中VLF傳播特性分析[J].微計算機信息,2012，(2):131-132,85.

[10] 陸洪,潘威炎.海浪對水下甚低頻最小頻移鍵控信號解調的影響[J].電波科學學報,2011，(4):731-734.

[11] 金國慶,董穎輝.甚低頻發(fā)射系統(tǒng)同步調諧研究[J].現代電子技術,2011,34(10):82-84.

[12] 繆飛飛,朱俊杰,周大方,等.用磁場極值信號定位磁源的方法與實驗[J].微型電腦應用,2014，(5):21-24.

[13] 凌青,芮國勝,張洋,等.甚低頻信道小波調制方式研究[J].無線電通信技術,2012,38(4):38-41.

[14] 吳華寧,柳超.基于Labview的甚低頻場強遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2012(2):28-29,44.

[15] 齊海銘,葉金蕊,張曉華,等.管內移動機器人定位技術與定位系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].高技術通訊,2010,20(11):1167-1172.

Research on Localization Technology Based on Underground Artificial VLF Signal Source/

HUANGHe1,WUXiao-ming1,ZHANGFeng1,XUJie2,YANGHui1

(1.School of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China; 2.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

Based on the ability of VLF electromagnetic waves passing through the stratum, the study is made on the impact of the earth to signals to evaluate the relationship between the frequency, power and signal passing ability, discuss the realization principles of signal localization in signal source, antenna, signal processing and filtering as well as the key technologies, select a reasonable way and carrier mechanism for underground-surface communication, build a simplified magnetic dipole sub-localization model to complete the orientation and depth determination. This paper summarizes the key programs of very low frequency electromagnetic waves localization technology to provide a new communication technology for in-hole signal transmission in drilling field, such as CBM horizontal well, horizontal butted hole, pilot hole of directional drilling and mine rescue.

VLF electromagnetic waves; passing through stratum; magnetic dipole sub-model; localization technology; in-hole signal transmission

2016-06-24；

2017-01-11

黃河，男，漢族，1992年生，碩士研究生在讀，地質工程專業(yè)，主要從事鉆探與鉆井工程、非開挖工程方面的研究，湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號，cug_hh@hotmail.com。

P

A

1672-7428(2017)04-0049-04