基于传输线模型的瞬变电磁发射脉冲电流关断机理研究

Transmitting pulse current turn-off is one of the key problems of transient electromagnetic (TEM) system. Taking the horizontal ungrounded loop of magnetic source as the research object, the traditional lumped parameter model considers that the current of any position on the loop is equal. According to the theory of electromagnetic wave, when the wavelength is comparable to the length of the transmitting loop, the transmission line effect can not be ignored. At this time, the lumped parameter model is no longer fully applicable. The current on the loop will follow the wave equation. Currents at different locations are unequal and have strong position dependence..For the current turn-off problem,breaking through the traditional lumped parameter model, this project intends to carry out in-depth research on the mechanism of transient electromagnetic pulse current turn-off based on transmission line model. The equivalent transmission line model of horizontal ungrounded transmitting loop is established, and the parameters of the model are extracted and analyzed. The current’s transfer functions of transmission line are deduced, the turn off current waveforms at each point of transmission line and the current propagation characteristics are analyzed theoretically.The transient electromagnetic response under transmission line effect is theoretically calculated and its early mixed field electromagnetic response is analyzed. These work and results will provide a new research idea and theory support for the development of TEM.

发射脉冲电流关断是瞬变电磁（TEM）探测系统的关键核心问题之一。以磁性源水平不接地回线为研究对象，传统集总参数模型认为，回线上任意位置的电流均相等。根据电磁波理论，当信号波长与发射回线的长度可比拟时，导线与其下方的大地将组成传输线，其传输线效应不可忽视，此时集总参数模型不再适用，回线上的电流将遵循波动方程，不同位置处电流均不相等，具有很强的位置依耐性。 .针对电流关断问题，突破传统集总参数模型，开展基于传输线分布参数模型的瞬变电磁电流关断机理这一新课题的深入研究。建立水平不接地回线的传输线等效模型，理论分析并提取其模型参数；推导传输线的电流传递函数，理论分析回线上各点的电流关断波形和分布电流的传播特性；理论计算传输线效应下瞬变电磁响应，并重点分析其早期混合场电磁响应。该研究工作及成果将为TEM的发展提供新的研究思路和重要的理论支撑。

瞬变电磁（TEM）法广泛应用于资源勘探与工程勘查等领域，是一种重要的电磁探测方法和技术手段。发射脉冲电流关断问题是瞬变电磁系统最关键的核心问题之一，其电流关断过程直接影响和决定瞬变电磁系统的电磁响应和探测效果。本项目以瞬变电磁系统最常用的水平不接地回线磁性源作为研究对象，针对传统集总参数模型无法解释实际电流关断过程的问题，创新性提出了传输线理论模型及其传输线效应，并开展了基于传输线分布参数模型的瞬变电磁发射电流关断机理这一新课题的深入研究。.本项目建立水平不接地回线的传输线等效模型，理论分析并提取其模型参数；推导了传输线的电流传递函数，理论分析了回线上各点的电流关断波形和分布电流的传播特性；基于高斯-勒让德积分，理论计算了传输线效应下瞬变电磁响应，并重点分析了对早期瞬变电磁响应的影响；通过多次野外实验，验证了传输线效应对关断电流与电磁响应的影响。.基于传输线模型理论分析与数学推导，对200m×200m单匝发射回线上多观测点电流进行理论计算，获得了关断电流理论仿真结果，证明了磁性源传输线模型的正确性以及传输线效应的存在。在此基础上，进一步理论分析计算，获得了回线中不同观点位置处的瞬变电磁响应理论仿真结果，证明了传输线效应对回线上几何对称观测点早期瞬变电磁响应的影响。.为了进一步验证传输线模型，在北京京郊和河北怀来分别进行了200m×200m单匝发射回线的发射关断电流野外实验，获得了丰富的电流关断实测数据，并将实测电流关断数据与基于传输线模型的理论仿真数据进行了分析对比，数据结果表明：仿真数据与实测数据结果一致性较高，从而验证了传输线模型的正确性和实用性，为数据反演解释过程中考虑传输线效应对瞬变电磁早期响应数据的影响提供了理论基础。.本项目研究工作及其研究成果为浅层高频TEM探测理论与技术的发展提供了新的研究思路与理论支撑，并对未来瞬变电磁探测新方法、新理论的扩展与应用具有重要科学意义和工程价值。