具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种含补偿环Z分量多接收线圈扩频航空电磁勘探装置，该勘探装置包括发射机、发射元件、接收线圈以及接收机以及发射电缆，发射元件由发射机控制，接收线圈为多个互相独立的接收线圈与接收机并行连接；其中多个互相独立的接收线圈在发射线圈所在平面的投影不超过发射线圈所边缘所包围的范围，且多个互相独立的接收线圈任意两个之间的互感为零。

这里的发射元件可以是发射线圈、地面大回线或地空接地长导线。若是发射线圈，对线圈的形状可以是圆形，或者其他的正多边形。当发射元件为发射线圈时，发射线圈在接收线圈产生的一次场为零。

当发射线圈与接收线圈距离较近时，需要包括补偿线圈去除多接收线圈一次场。当需要包括补偿线圈时，补偿线圈通过发射线缆与发射线圈串联由发射机控制，发射线圈与补偿线圈共面且中心重合，并电流反向，其中多个互相独立的接收线圈在补偿线圈所在平面的投影不超过补偿线圈所边缘所包围的范围，发射线圈和补偿线圈在接收线圈产生的一次场同时为零。

对于接收线圈，不限定接收线圈的形状，数量至少是两个，需要满足任意两者之间的互感为零，当发射元件为发射线圈时，则还需要满足发射线圈或发射线圈与补偿线圈在所有接收线圈内的一次场为零。作为一个例子，接收线圈包括至少一个大尺寸接收线圈与至少两个小尺寸接收线圈，大尺寸接收线圈与发射线圈和补偿线圈共面且中心重合，所述小尺寸接收线圈与大尺寸接收线圈之间偏心设计，所有小尺寸接收线圈在一个平面内，与大尺寸接收线圈所在平面平行但不重合。这种情况下，为了满足约束条件：任意两个接收线圈之间的互感为零，以及发射线圈或发射线圈与补偿线圈在所有接收线圈内的一次场为零。通过偏心设计，即小尺寸接收线圈与大尺寸接收线圈之间中心不重合，以及小尺寸接收线圈所在平面内，与大尺寸接收线圈所在平面之间有高度差，通过调整偏心的距离以及高度差可以找到一个位置使得所有接收线圈之间的互感为零，线圈尺寸是根据实际需求设计的，目前常用的尺寸大概有1.2米直径，0.5米直径等等，本领域的技术人员可以根据实际的探测深度、面积等情况，根据现有的需求以及本发明所要满足的约束条件可以设计出所需要的尺寸。所有的小尺寸接收线圈尺寸均相同。匝数可以与大尺寸发射线圈相同或者不同。

发射线圈为多匝或单匝回线；多个接收线圈为多匝，尺寸与匝数相同或不同。补偿线圈为多匝或单匝回线。

作为另一种特殊情况，当高度差为零时，接收线圈至少为两个，尺寸相同，匝数相同或不同，形成中心对称图形，多个接收线圈形成的整体与发射线圈、或者与发射线圈和补偿线圈共面，且中心重合。例如，当接收线圈为三个，三个接收线圈中心间距满足等边三角形。

多个接收线圈互相独立，多匝、尺寸可相同也可不同，并且皆水平放置，测量Z分量磁场信号。

为保证多个接收线圈互相独立，任意两个接收线圈的位置应使得二者之间互感为零。根据安培定则可知水平通电导线左右两边产生的垂直磁场方向相反，因此对于对称结构水平放置的线圈在任意位置同时存在垂直向上和向下方向的磁场，部分向上方向磁场强，部分为零，部分向下磁场强，从而可通过有限元方法根据毕奥-萨伐尔定律计算得到两个线圈之间互感为零的位置关系。

多个接收线圈水平高度接近时，可实现两个或三个线圈保证任意两个接收线圈间互感为零，两个线圈之间互感为零的中心间距由通过计算确定，不同尺寸接收线圈互感为零的中心间距不同。当三个接收线圈中心间距满足等腰三角形(等边三角形)时可实现任意两个线圈间互感为零。

当发射线圈与接收线圈距离较近时(航空，地面拖曳等电磁法)，通常需要补偿环作为补偿线圈去除一次场对接收线圈的影响。对于尺寸相同的两个接收线圈或三个接收线圈装置，当发射线圈、补偿线圈以及接收线圈共面并且中心重合时，可针对多个接收线圈中的一个计算一次场为零的发射线圈、补偿线圈的尺寸与匝数。对于一大一小或一大两小多个接收线圈，以较大的接收线圈与发射线圈和补偿线圈共面，中心重合，计算一次场的为零的发射线圈、补偿环的尺寸与匝数，之后以较大接收线圈中心为基准点，逐步改变较小线圈的高度与偏离中心的水平距离，使得任意两个接收线圈间互感以及两个线圈内一次场皆为零。在满足互感为零的条件下，可根据实际需求调整线圈的尺寸与匝数改变信噪比与带宽。

实施例1

图1是本发明一种含补偿环Z分量多接收线圈扩频航空电磁勘探装置示意图，包括第一接收线圈4、第二接收线圈5、第三接收线圈6以及发射线圈2和补偿线圈3，发射线圈与补偿线圈通过线缆8串联一起，电流互相反向由发射机控制，接收机为多通道采集，所有接收线圈互相独立与接收机相连。

在本实施例中，以不同尺寸三个圆形接收线圈为例，实际形状可不为圆形并且数量可为两个或多个，满足约束条件即可无需限于此实例，约束条件为尺寸较大接收线圈与发射线圈、补偿线圈共面且中心重合，较小尺寸的接收线圈互相等效。

图2是图1中所述多个接收线圈的空间位置，第一接收线圈4尺寸较大与图1中发射线圈2和补偿线圈3共面且中心重合，因此可以确定发射线圈2、补偿线圈3的直径与匝数使得第一接收线圈4一次场磁通为零，由于线圈装置在附近产生的电磁波不是平面波，在周围产生的磁场方向部分向上、部分为零、部分向下，因此可以找到一个位置，使得第二接收线圈5与第一接收线圈4互感为零，并且发射线圈2与补偿线圈3在接收线圈5产生的一次场同时为零，具体描述为接收线圈5与接收线圈4偏心并且存在高度差，第三接收线圈6与第二接收线圈5尺寸相同、高度相同并且与第一接收线圈4的偏心距也相同，在面积上部分重合，进而调整第二接收线圈5与第三接收线圈6的距离可以满足第一接收线圈4、第二接收线圈5与第三接收线圈6任意两个线圈间互感为零，并且一次场同时为零。

图4给出了实施例1装置的设计流程，首先根据装置结构确定发射线圈的直径与匝数，根据深层勘探需求确定中心较大接收线圈的直径(例如：如果针对深层勘探，需要线圈的尺寸大些，匝数多些，针对浅层勘探需要线圈尺寸小些，匝数少些)，然后以大尺寸接收线圈为参考，以毕奥-萨伐尔定律为理论依据通过有限元方法计算得到补偿线圈的直径、匝数，之后根据浅层勘探需求确定较小接收线圈的直径并调整与较大接收线圈的相对位置和高度，使得互感与一次场皆为零，最后可以根据实际需求调整接收线圈的匝数。

实施例2

图3是本发明一种含补偿环Z分量多接收线圈扩频航空电磁勘探装置(相同尺寸接收线圈)，本发明包括为第一接收线圈4、第二接收线圈5、第三接收线圈6以及发射线圈2和补偿线圈3，发射线圈与补偿线圈通过发射线缆8串联一起，电流互相反向由发射机控制，所述接收机为多通道采集，所有接收线圈互相独立与接收机相连。

本实施例以相同尺寸三个圆形接收线圈为例，实际形状不限于圆形并且数量可为两个或多个，满足约束条件即可无需限于此实例，所有接收线圈互相等效。

本实施例中接收线圈中心距离呈现等边三角形的特点，并且整体与发射线圈2、补偿线圈3共面，中心重合，对于三个接收线圈，调整任意两个接收线圈距离使得互感为零，以此距离形成的等边三角形，那么自然三个接收线圈中任意两个互感为零，并且互相等效，因此可针对其中一个接收线圈计算发射线圈、补偿线圈的尺寸与匝数使其一次场为零，从而使的全部接收线圈一次场为零。

图5给出实施例2装置的设计流程，首先确定发射线圈的直径与匝数，根据勘探需求确定接收线圈直径，进而计算得到互感为零的条件，以此为基础实现多线圈组合装置，然后以其中一个接收线圈为参考计算补偿线圈的尺寸、匝数使得一次场为零，由于装置结构对于其他接收线圈等效，因此可同时满足全部接收线圈一次场为零。

实施例3

实施例1与实施例2给出了类似航空电磁法这种发射线圈与接收线圈距离较近，需要补偿线圈去除一次场的多接收线圈的装置结构，对于地面大回线或地空接地长导线的电性源，不设置补偿装置，不需要满足一次场为零，因为发射与接收距离远，一次场信号较小，本发明所述的多接收线圈装置结构同样适合，并且相比航空电磁法的装置结构，少了一次场为零的约束条件，更易实现。

图6给出了空心线圈的集总等效电路，包含线圈的等效电阻、电感与电容，感应电动势E以及接收机测量电压信号U，U与E关系如下式表示：

式中ω为信号的角频率。

线圈的等效面积如下式表示：

线圈等效面积＝π×半径×半径×匝数

图7和图8给出了不同参数接收线圈的幅频特性，不难看出，等效电阻、电感与电容大的线圈带宽更低，线圈的骨架材质、缠绕导线材质与绝缘层材质、线圈直径、匝数以及缠绕方式都会影响线圈的电性参数，通常随着线圈尺寸增大、匝数增多使得等效面积增大进而提升信噪比，但是伴随带来的等效电感的增加，降低了测量信号的带宽，使得勘探纵向分辨出现盲区。

本发明所述的多个接收线圈互相独立，因此可根据需求设计具备不同信噪比与带宽的接收线圈，从而一次勘探等同于单个线圈多次勘探，大大降低勘探的盲区与提升勘探效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。