黃 河， 烏效鳴， 張 峰， 許 潔， 楊 暉

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

基于地下VLF人工信號(hào)源的定位技術(shù)研究

黃 河1， 烏效鳴1， 張 峰1， 許 潔2， 楊 暉1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)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(duì)信號(hào)造成的影響，評(píng)估頻率、功率和信號(hào)穿透能力的關(guān)系；從信號(hào)源、天線、信號(hào)處理濾波等方面討論其實(shí)現(xiàn)的原理及關(guān)鍵技術(shù)；篩選適合地下-地表單向通信的合理方式和載波機(jī)制；建立簡(jiǎn)化的磁偶子定位模型，完成信號(hào)源的定向和定深。總結(jié)甚低頻定位技術(shù)的關(guān)鍵方案，為煤層氣水平井、水平對(duì)接孔、定向鉆進(jìn)導(dǎo)向孔、礦井救援等鉆探領(lǐng)域中孔內(nèi)信號(hào)傳輸提供一種新的通訊技術(shù)。

甚低頻電磁波；穿透地層；磁偶子模型；定位技術(shù)；孔內(nèi)信號(hào)傳輸

0 引言

甚低頻(VLF)電磁法是利用分布在世界各地的長(zhǎng)波電臺(tái)發(fā)射的信號(hào)在大地上建立的電磁場(chǎng)(頻率為3～30 kHz)作為場(chǎng)源，在地表、空中或地下測(cè)量其電磁場(chǎng)的空間分布，從而獲得電性局部差異或地下構(gòu)造信息的一種電磁法。由于甚低頻不需自己建立場(chǎng)源，同時(shí)該法具有成本低、效率高、儀器輕便、測(cè)量參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，在探礦領(lǐng)域可用于磁法勘探。在工程地領(lǐng)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(shè)領(lǐng)域，可用于探測(cè)地下管線。根據(jù)甚低頻電磁法特點(diǎn)，可將其推廣應(yīng)用到煤層氣水平井、水平對(duì)接孔、定向鉆進(jìn)導(dǎo)向孔、礦井救援等鉆探領(lǐng)域的孔內(nèi)信號(hào)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(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)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(zhǎng)范圍為100～10000 m，由于較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，在空間傳輸過(guò)程中位移變形較小，海水、建筑、樹(shù)木、山體對(duì)它都不構(gòu)成干擾，因此非常適合潛艇、地下空間通信，并且大量應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)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(zhì)(空氣，水，固態(tài)介質(zhì)等)必然要對(duì)所傳輸?shù)碾娦盘?hào)產(chǎn)生影響，從而造成信號(hào)的衰減、失真、畸化，這種影響主要是由于介質(zhì)對(duì)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(chǎn)生繞射和折射，使得其接收?qǐng)鰪?qiáng)小于在自由空間傳播時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。

電磁波在大地中傳播，主要受不同地層電磁性質(zhì)的影響，尤其是相對(duì)介電系數(shù)和電導(dǎo)率。大地是很好的半導(dǎo)電介質(zhì)，其電導(dǎo)率必然會(huì)對(duì)電場(chǎng)敏感，影響電磁波的傳輸；大地的電導(dǎo)率越大，對(duì)電磁波的影響越大。干土的電導(dǎo)率在0.001 s/m左右，濕土相對(duì)較大。由于地層復(fù)雜，其衰減的準(zhǔn)確規(guī)律無(wú)法總結(jié)，只能以理想構(gòu)成進(jìn)行分析。

圖1是信號(hào)頻率和傳輸距離的關(guān)系[2]。從圖1可以知道，頻率越高，波長(zhǎng)越短，受地層能量吸收越多，產(chǎn)生的滿衰落越嚴(yán)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?jī)r(jià)值。

圖1 地層衰減程度和距離的關(guān)系

圖2是信號(hào)頻率和衰減程度之間的關(guān)系。從圖2可以看出，信號(hào)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(guān)系

2 人工信號(hào)源

2.1 基振

地下信號(hào)源以地下管線為渠道，考慮其穿透距離，深度在50 m之內(nèi)，衰減程度在50%左右最優(yōu)，以保證地表可以捕捉到信號(hào)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(yīng)穩(wěn)定，帶寬要窄，防止不同頻率的電磁波因?yàn)樯⑿?yīng)產(chǎn)生失真，影響后期檢波頻率的確定。正弦振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大之后，提高振蕩幅值和負(fù)載能力，再經(jīng)過(guò)電容耦合，組成LC振蕩器。

2.2 發(fā)射天線

天線實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換，決定了信號(hào)源發(fā)射的效率，保證磁場(chǎng)線充分延伸到較遠(yuǎn)的距離。與高頻信號(hào)不同，甚低頻信號(hào)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(gè)窄帶系統(tǒng)[3]，適合調(diào)制的模式為ASK，F(xiàn)SK，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(jīng)在中頻波段大量使用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整，適合地下甚低頻信號(hào)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(jīng)過(guò)功率放大的信號(hào)源。

磁棒成分，長(zhǎng)短，漆包線的直徑、匝數(shù)和在磁棒上的位置，均會(huì)影響發(fā)射強(qiáng)度和電能消耗量。通過(guò)計(jì)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(hào)。

2.3 功率放大

功率和發(fā)射距離是正相關(guān)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(dá)林頓管推挽，也可以采用功放芯片。功率放大的目標(biāo)為信號(hào)不失真，提高發(fā)射電流。但當(dāng)電路停振時(shí)，過(guò)高的電流可能會(huì)造成破壞，同時(shí)影響線圈和電容的充放電時(shí)間。信號(hào)發(fā)射功率<30 W即可，較大的功率必然會(huì)造成散熱問(wèn)題，影響儀器和地層穩(wěn)定。

2.4 編碼調(diào)制

在甚低頻發(fā)射系統(tǒng)中使用MSK調(diào)制方式的系統(tǒng)匹配效率較高,在發(fā)射機(jī)允許一定的反射能量情況下,MSK調(diào)制方式的天線系統(tǒng)輻射效率較高[4]。但是在地下信號(hào)源測(cè)量過(guò)程中，MSK調(diào)制方式的色散效應(yīng)會(huì)較為嚴(yán)重，而且對(duì)頻率帶寬要求較高，不利于地表信號(hào)的處理。OOK調(diào)制模式簡(jiǎn)單，但是數(shù)據(jù)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(hào)源的調(diào)制，但鍵控周期不能太長(zhǎng)，否則就會(huì)產(chǎn)生拖尾粘連現(xiàn)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(shù)不宜過(guò)多，以免產(chǎn)生較大自激。采用次級(jí)線圈纏繞在主線圈一側(cè)，匝數(shù)在20圈左右，用來(lái)感應(yīng)主線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，有效地減少主線圈自激的影響。線圈在纏繞過(guò)程中應(yīng)盡量做成可滑動(dòng)式，以便于調(diào)整匹配頻率。接收天線實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 接收天線實(shí)物

3.2 信號(hào)放大和濾波

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

圖4 帶寬、相位和頻率的關(guān)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(yīng)用于中頻波段通信，對(duì)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(hào)，這樣信號(hào)的中心頻率便轉(zhuǎn)化成了差分頻率。差分后的信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)和原信號(hào)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(diào)諧回路需要與本地振蕩器的諧振回路統(tǒng)一調(diào)諧之外，中頻放大器的負(fù)載回路或?yàn)V波器是固定的，在接收不同頻率的輸入信號(hào)時(shí)不需再調(diào)整，這樣就讓儀器更可靠簡(jiǎn)便[5-9]。差分低頻信號(hào)再重新進(jìn)行放大等處理，進(jìn)行解調(diào)，誤碼率降低，效率提高。

3.4 解調(diào)

經(jīng)過(guò)層層篩選的信號(hào)，已經(jīng)滿足了后期運(yùn)算處理的要求。選擇合適的解調(diào)電路或芯片，就能將載波信號(hào)所攜帶的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，從而直接得到地下信號(hào)源所攜帶的測(cè)量數(shù)據(jù)，如溫度、管道變形或損傷。如地下管線探傷，無(wú)需時(shí)刻保持通信，這樣就極大地簡(jiǎn)化了調(diào)制解調(diào)的連續(xù)性，僅僅需要在關(guān)鍵位置進(jìn)行透地通信即可。在鉆井領(lǐng)域通信效率比MWD等技術(shù)要高，這種方法可以有效地在淺層地表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[6]。

3.5 信號(hào)強(qiáng)度

信號(hào)強(qiáng)度是我們定位的基礎(chǔ)，就像水柱壓力一樣，作為深度的標(biāo)定基準(zhǔn)。接收機(jī)自激產(chǎn)生的振蕩電流要通過(guò)檢波電路整合成直流信號(hào)[10]，這樣就能直接采集輸入運(yùn)算。對(duì)于放大信號(hào)的整流，須先剔除半邊對(duì)稱電壓，獲取連續(xù)的有效值。有效值可以是電壓信號(hào)，也可是電流信號(hào)，應(yīng)反應(yīng)信號(hào)峰峰值與距離的線性關(guān)系。

4 磁偶子模型定位

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

為了簡(jiǎn)化模型，我們可以將信號(hào)源瞬間看作是正負(fù)兩個(gè)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)，雖然在載體中產(chǎn)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(hào)強(qiáng)度是穩(wěn)定的，這是我們定位的關(guān)鍵。在接收電路中必須對(duì)信號(hào)規(guī)整，整合成穩(wěn)定的直流源來(lái)判別磁場(chǎng)強(qiáng)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(jié)合的方法進(jìn)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(cè)量其分量就能得到該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。首先沿縱向利用線圈進(jìn)行定向，獲得沿豎直方向磁場(chǎng)分量，隨著δ的增大，其Z方向的分量減小，而且出現(xiàn)零點(diǎn)，零點(diǎn)介于兩個(gè)峰值之間。實(shí)際中零點(diǎn)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(chǎng)分量分布。

圖6 豎直方向磁場(chǎng)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(nèi)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，H/H0；δ——磁感應(yīng)線到原點(diǎn)連線與x軸正方向夾角，(°)。

采用水平線圈可以檢測(cè)X方向的磁場(chǎng)分量，理論上正上方的磁力線與軸線平行，而且是最內(nèi)層，故所測(cè)得的強(qiáng)度最大，在Bz為零的前提下，測(cè)的該處的水平最大場(chǎng)強(qiáng)，就能和標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得該處豎直下方的信號(hào)源的深度。圖7為水平方向磁場(chǎng)分量分布。

圖7 水平方向磁場(chǎng)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(nèi)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，H/H0；δ——磁感應(yīng)線到原點(diǎn)連線與X軸正方向夾角，(°)。

通過(guò)2個(gè)方向的分量，我們就能以平面為基礎(chǔ)獲得一點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，但是現(xiàn)實(shí)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(jìn)入空氣時(shí)所產(chǎn)生的折射。

在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探頭與接收天線距離10 m，對(duì)探頭發(fā)射碼和地表跟蹤器進(jìn)行解調(diào)，得出的圖像如圖8所示。

5 結(jié)論

甚低頻信號(hào)的地面處理較為簡(jiǎn)單，但是其穿越土層的能力和其測(cè)深能力的關(guān)系還沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)研究，無(wú)法確定最終的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)還要考慮水池效應(yīng)等對(duì)甚低頻信號(hào)的影響，推導(dǎo)相應(yīng)的校準(zhǔn)方法。針對(duì)強(qiáng)電強(qiáng)磁環(huán)境下的屏蔽問(wèn)題，通過(guò)提高功率可以緩解，但是無(wú)法進(jìn)行根本上的解決。在受鋼板等屏蔽材料影響時(shí)，最優(yōu)的方法就是調(diào)整頻率，以實(shí)現(xiàn)最大程度的透地能力。甚低頻定位技術(shù)已經(jīng)在煤層氣水平井、水平對(duì)接孔、定向鉆進(jìn)導(dǎo)向孔、礦井救援等孔內(nèi)信號(hào)傳輸方面開(kāi)始應(yīng)用，還有很大的研究空間和價(jià)值。

圖8 探頭發(fā)射碼和地表跟蹤器解調(diào)出的對(duì)應(yīng)碼信號(hào)

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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(zhì)工程專業(yè)，主要從事鉆探與鉆井工程、非開(kāi)挖工程方面的研究，湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號(hào)，cug_hh@hotmail.com。

P

A

1672-7428(2017)04-0049-04