CN102236106A - 地面及坑道准三维测量地下介质电阻率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供一种地面及坑道准三维测量地下介质电阻率分布的装置及其方法，所述装置由传感器部件、分布式地面一坑道电磁接收机主机及辅助部件(装置其他附属部件)组成。各个部件间协同作业，实现了在地面及坑道中对地下介质电阻率准三维的精确测量；并具有大动态范围、抗干扰能力强、低功耗、高可靠性、多通道、智能化的特点。

Description

地面及坑道准三维测量地下介质电阻率的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种物质勘探装置及探测方法，具体涉及一种在地面及坑道中准三维测量以研究地下介质电阻率分布的装置及其方法。

背景技术：

目前，我国已进入经济快速增长时期，对矿产资源的需求量逐年增加。未来一段时期内，我国将面临矿产资源供给不足的不利局面。因此，在现有的条件下，开展物探新技术，特别地面及坑道电法勘探新技术的研究，加大找矿力度，成为尽快扭转这种不利局面的有效手段，对与解决我国矿产资源供需矛盾具有重要的实际意义。

长期以来，电法勘探(包括地面和井中电法)在我国的金属找矿事业中发挥着其它方法无法替代的作用，找矿效果明显。但是，受工作方式、仪器精度以及场源激发能量的限制，以往的勘探方法不利于找深部矿及异常微弱的浅部矿(如地表激发和接收的工作方式，降低了对地下矿体的激发能量，不利于在地面形成强的观测异常；井中或井间激发和接收的工作方式，限制了仪器的布置范围，不利于开展大面积的勘查工作)。针对目前固体矿产资源探测技术存在有效探测深度浅、精度和分辨率低、抗干扰能力差等问题，有必要结合矿山或勘探区现有的钻孔和坑道工程，研发大功率地面及坑道电阻率成像技术和仪器，通过在危机矿山深部资源探测试验、研究，建立具有我国自主知识产权，抗干扰能力强、大探测深度、高精度和高分辨率的矿产资源探测高新技术。为了实现这一目标，拟利用矿区或勘探区已有的坑道、矿井、钻井，将电法的激励场源和测量装置放在地面不同位置和地下，组合成地面动源发射，地面、地下(坑、井)准三维接收的技术装置。这种地面和地下相结合的观测方式可以从不同方位激励异常体，获取地下介质导电性的大量信息，因而有可能提高探测深度和分辨率，并减少资料解释的非唯一性。

国内外以往对井-地电磁法的研究，主要集中在跨孔电磁成像技术和井中激发、地面观测系统的研究，并没有涉及地面激发、地面与坑道准三维接收，以及坑道激发、地面与井中准三维接收的方法技术，也没有准三维数据采集与处理以及准三维反演成像方面的理论研究。现有井-地观测方法技术如瞬变电磁测井和井中无线电波透视等技术，均采用一对一的观测方式，即一个点发射一个点接收，因此，无法实现多测点同步测量，也无法获取直正意义上的电磁成像信息。本研究内容将在国内外现有研究成果的基础上，研究开发出一套可用于金属矿勘查、有较大实用性的准三维测量地下介质电阻率方法及装置，从而组成一套包括理论、技术、仪器和数据处理、反演、成像软件等内容的地面及坑道电阻率成像系统，为我国大深度金属矿勘探提供新的、高分辨率的方法技术。

具体地，所要求的仪器装置主要有以下技术难点：

1)地面及坑道准三维测量地下介质电阻率装置集成技术

利用地面及坑道进行准三维测量时，需要利用分布式地面-坑道电磁接收机接收混场源电磁信号(即天然大地电磁场信号和人工激励场源发出且经地下感应的电磁波信号)。利用接收机测量电磁场时，需要利用电场传感器、磁场传感器及其专用连接电缆，另外用于计时和同步的GPS模块和接收机采集电路也必不可少。上述所有部件，都应集成一体，既实现电磁场测量，又能保证多套设备同时正常运作。这样一套仪器系统，涉及理论物理学、电子学、电化学、机械制造、材料学等多种学科，具有复杂的技术含量。

2)GPS高精度时间同步技术

GPS的精确定位和高精度时间服务功能已经得到普遍使用。高精度同步技术包括发射机和接收机以及接收机之间的精确同步。在电磁后期数据处理过程中，要求发射和接收的波形尽可能能够在时间轴上准确对应；另外，多台接收机的同步采集便于在同一时间坐标系进行查看。因此，对于地球物理仪器而言，高精度同步技术十分重要。基于高精度温度补偿晶振和GPS模块的时间同步技术，可实现电磁测网定时自动化和高精度。

3)大动态范围的信号采集技术

对于混场源信号来说，其信号频带范围在1/1024Hz-1024Hz，信号幅度动态范围涵盖N×uV-N×100mV，N为自然数。只有满足上述大动态范围的采集电路，才能同时采集到人工源信号和天然场信号。

4)抗干扰低噪声信号采集技术

为了检测出微弱的有用信号，需要开发出更低噪声性能的信号采集器。一般情况下，在地面或坑道进行电磁场测量时，都会受到工频或其他人为操作的干扰，因此要求研制的分布式地面-坑道电磁接收机采集电路有相对较高的抗干扰能力，能够在强干扰区提取到有用的弱信号，要求仪器系统噪声小于1mVrms，测量动态范围达到120dB。

5)低功耗和高可靠性电磁信号采集技术

低功耗和高可靠性的设计可保证接收机在野外恶劣条件下长时间连续可靠工作，其中包括设计性能优越的采集电路和具有防晒、防潮、防尘和防震等功能的框架结构，另外保证仪器具有宽的工作温度范围(-40℃-+70℃)。

6)多通道的智能化电磁信号采集技术

对于野外的混场源信号采集而言，所有的操作都要求仪器能够自适应和智能化，自动进行数据分段采集和存储，且可测量仪器位置、内部温度等参数。

7)上位机数据交互软件开发

接收机将采集后的数据上传至便携式计算机，需要上位机数据回放软件进行查看和预处理。主要包括终端控制、时间序列回放浏览、数据频谱分析等部分。

这些技术问题一直困扰着地质探勘的技术进展，也是我国开展大规模探矿急需解决的问题。

发明内容：

为了克服地面及坑道准三维测量地下介质电阻率所面临的特殊问题，本发明正是围绕这些问题展开研究，攻克上述一系列技术难题，并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新，设计了一种在地面及坑道中测量地下介质电阻率的装置及其测量方法。

本发明为满足坑(井)-地电阻率法法对信号提取的技术要求-在工业强干扰的环境下获取幅值在N×uV～N×100mV范围、频带在1/1024Hz-1024Hz范围内的混场源电磁信号，并且考虑到仪器的可靠性、易用性、功耗等因素，设计了一种在地面及坑道准三维测量地下介质电阻率的装置及方法。

该装置主要包括传感器部件、分布式地面-坑道电磁接收机主机及其他装置辅助部件(装置其他附属部件)。具体内容如下：

传感部件，与分布式地面-坑道电磁接收机主机连接，用于将待测的电场和磁场信号转换为一定规律的且接收机能够识别的模拟信号；

分布式地面-坑道电磁接收机主机，与所述传感部件连接，用于接收所述电磁场信号，并将其转换为数字信号进行传输与存储，并控制整套仪器智能化运行；

其他装置辅助部件，与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机连接，用于提供电力、通讯、GPS时钟和位置信息以及数据存储等功能，完成与便携式计算机的命令和数据交互。

上述的在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的装置，其特征在于，所述传感器部件包括：

电场传感器，通过50米的电极线连接传感器与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于在地面及坑道中接收混场源中的电场信号并输出与电场变化相对应的模拟信号，由四个固态不极化电极组成的差分传感器测量水平正交的两路电场(Ex、Ey)，仪器外壳通过另外的中间电极接地；

磁场传感器，通过专用的电缆连接传感器与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于在地面及坑道中接收混场源的磁场信号并输出与磁场变化相对应的模拟信号，由三根感应式磁探头组成的传感器测量水平和垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)；

连接电缆，用于将所述电场和磁场传感器输出的信号连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机。

上述的在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的装置，其特征在于，所述分布式地面-坑道电磁接收机主机包括：

主机外壳，用于装载主机电路板和保护接收机内部电路，起到防晒、防潮、防尘和防震等作用；

外壳接插件和接口电路板，与所述连接电缆相连，用于将所述电场和磁场传感器输出的模拟信号连接至主机内部的模拟通道板，采用航空级别的镀锌铜导体接插件，能够满足多次插拔不变形且极微连通损耗的要求，接口电路板将接插件电缆转换为排线，方便后续连接；

屏蔽盒，装载主机内部的电路板，用于屏蔽测量环境中的电磁噪声；

模拟通道板，与所述接口电路板和后续的模拟数字转换板相连，主要完成通道内水平正交的两路电场(Ex、Ey)和水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)的模拟信号调理；

模拟数字转换板，与所述模拟通道板和后续采集主控板相连，用于将所述模拟通道板调理过的模拟信号在采集主控板的控制下转换为数字信号；

采集主控板，与所述GPS天线、移动存储U盘、模拟通道板、模拟数字转换板相连，用于完成GPS模块对钟和位置信息获取、控制温度传感器和工作状态指示完成相应功能、模拟通道板功能选择、模拟数字转换板的模式设置、数据采集存储与传输等，通过USB总线将采集到的数据存储至所述移动存储U盘，通过所述串口线和网线与便携式计算机连接；

电源转换板，用于铅酸电池的电源转换工作，为所述模拟通道板、模拟数字转换板、采集主控板提供电能支持。

上述的在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的装置，其特征在于，所述装置辅助部件包括：

铅酸电池，通过电源线连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，作为主机的电能供应；

便携式计算机，通过上位机数据交互软件控制所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，同时用于数据的存储、传输、显示、分析和处理；

移动存储U盘，连接至所述所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于存储主机采集到电磁场数据，待所有频段采集完成后，一并将采集到的数据通过以太网或移动存储U盘读取；

串口线和网线，用于便携式计算机与接收机主机之间的连接，建立命令和数据的交互通讯；

GPS天线，通过专用接口连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于获取GPS卫星信号。

上述的分布式地面-坑道电磁接收机主机，其特征在于，所述模拟通道板包括：

输入保护电路，与所述连接电缆相连，用于所述模拟通道板输出信号的保护，防止对后续的电路芯片产生影响；

低通滤波电路，与所述输入保护电路相连，截止频率为10KHz，用于去除无用的高频信号；

前置放大电路，与所述低通滤波电路相连，其放大倍数为10倍，用于模拟的信号的初始放大处理；

高通滤波电路，与所述前置放大电路相连，其截止频率为0.1Hz，用于去除无用的低频信号；

50Hz带阻滤波电路，与所述高通滤波电路相连，其带阻截止频率为50Hz，用于去除工频干扰；

可选截止频率的低通滤波电路，与所述50Hz带阻滤波电路相连，由所述采集主控板控制，实现不同带宽的切换；

数据复用器，与所述可选低通滤波电路相连，受所述模拟数字转换板的控制，实现不同通道的选择，用于切换不同截止频率(100Hz或10KHz)的低通滤波器。

上述的分布式地面-坑道电磁接收机主机，其特征在于，所述模拟数字转换板包括：

5片程控增益放大器与所述模拟通道板相连，可实现对所述模拟通道板的五路输出信号(Ex、Ey、Hx、Hy、Hz)进行程控放大，增益由复杂可编程逻辑器件扩展的IO选择控制(1倍、2倍、4倍、8倍)；

8通道的高速高精度模数转换芯片，与5片程控增益放大器连接，用来将所述五路信号转化为24位的数字串行数据，实现模拟数字的转换，采集主控板通过串行同步控制器数据总线完成对模拟数字转换芯片输出数据的读取；

高稳定度时钟源，频率稳定度达1×10^-8s/s(在-20℃-75℃温度范围内)，为复杂可编程逻辑器件提供高精度温度补偿时钟源；

复杂可编程逻辑器件，与程控增益放大器、高稳定度时钟源和采集主控板相连，控制数据复用器实现不同采样率之间的切换(24000Hz、2400Hz、150Hz三种选择)，对高稳定度时钟源输出的时钟信号进行分频，为采集主控板的实时钟模块提供32768Hz的时钟信号，在GPS信号有效情况下由GPS产生的时钟秒脉冲控制采集同步，当GPS时间信息无效时，由所述高稳定度时钟源提供控制采集同步的时钟脉冲实现多台仪器同步采集，复杂可编程逻辑器件通过串行外围总线与采集主控板进行通信。

上述的分布式地面-坑道电磁接收机主机，其特征在于，所述采集主控板包括：

ARM9主控芯片，与采集主控板的各个芯片相连，是所述采集主控板的控制核心，型号是AT91RM9200；

GPS模块，与ARM9主控芯片相连，用来获取接收机当前位置和时钟信息，为高稳定度时钟源提供准确的时钟沿基准，同时与发射机之间完成时间同步，另外保证各台接收机都能在预定的时间点开始同步采集，为后期信号处理提供便利；

实时钟模块，与ARM9主控芯片和高稳定度时钟源相连，高稳定度时钟源通过分频为其提供32768Hz的时钟信号，从而提供整个仪器的时间计量基准；

或非存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为16MB，用于存放系统程序；

非易失存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为16MB，用于存储ARM9主控芯片的启动程序；

静态存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为64MB，用于ARM9主控芯片的内存扩展；

与非存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为64MB用于存放系统数据；

温度传感器及工作状态指示，与ARM9主控芯片相连，用于ARM9主控芯片采集环境温度和通过LED灯指示仪器当前工作状态；

电源模块，实现对所述铅酸电池电压转换至所述采集主控电路所需电压(+5V、+3.3V、+1.8V)。

为更好地实现上述目的，本发明还提供了一种在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的方法，包括如下步骤：

(1)在探测工区的某一采集站点，借助森林罗盘，挖电极坑放电极线布下南北Ex、东西Ey两个水平正交的4个不极化电极电场传感器，仪器通过中心电极接地，另外挖探头坑将南北Hx、东西Hy、竖直Hz三个方向的磁传感器埋设完毕；

(2)架好GPS天线，接通铅酸电池给接收机主机上电，仪器上电后完成各个模块的初始化，便携式计算机通过串口线和网线访问和控制仪器；

(3)完成GPS对钟(由于坑道中无法接收GPS信号，故坑道作业时，先在地面实现仪器的GPS对钟，再将仪器布放至坑道中)，保证各台接收机和发射机之间以及接收机之间的时间同步，同步精度为10^-8s/s；

(4)便携式计算机通过数据交互软件对仪器进行设置，包括设置仪器工作方式、查看仪器运行状态、数据浏览、频谱分析、采集和现场分析试采样数据等；

(5)仪器设置好采集参数后，其工作的具体流程：初始化模拟数字转换芯片，在预定时刻启动采集，前端的模拟信号先经过输入保护、低通电路滤波、前置电路放大、高通电路滤波、50Hz带阻电路陷波、可选低通电路滤波和数据复用器等处理，然后进入模拟数字转换板，在采集主控板的控制下进行模数转换，当其中一缓冲区数据满后切换至另一缓冲区，通知应用程序将数据读取，并保存至移动存储U盘中。等待下一频段启动时间，重新初始化模拟数字转换芯片进行采集，如此循环直至所有频段采集结束。

(6)对于低频段数据采集，可以在设置采集参数后，将便携式计算机撤离，使仪器单独工作，待数据采集完毕，将数据通过网络传输至便携式计算机中进行后续分析与处理。

(7)数据采集过程中，仪器可通过LED灯指示其工作状态，可通过串口实时发送状态信息至便携式计算机。

(8)待所有预定频段数据采集完毕后，仪器中存储的数据可通过网络传输至便携式计算机，经数字信号处理，获得地下的岩石电性成像，从而推断被测区域的矿产资源分布。

本发明达到了如下技术指标：

频率范围：1/1024Hz-1024Hz；

测量电路中包含有五路数据采集通道，其中分别采集水平正交的两路电场(Ex、Ey)、水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)；

全频段采用高速度高精度24位模拟数字转换；

实现不同采样率切换(24000Hz、2400Hz、150Hz三档)；

采用32位嵌入式ARM9控制芯片，实现智能化自动操作、记录和存储；

测量动态范围：120dB；

系统噪声小于1μVrms；

存储空间大于1GB；

“GPS+高精度温度补偿晶振”方式同步误差小于20ns；

时钟稳定度优于10^-8s/s；

采用固态不极化电场电极；

采用感应式磁探头；

可测量仪器位置、内部温度、供电电源剩余电量等参数；

仪器整机最大功耗：4W；

仪器工作温度范围-40℃-+70℃，防晒、防潮、防尘和防震。

附图说明：

根据结合附图的本实施例的下面说明，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得清楚且更容易理解，其中附图：

图1为分布式地面-坑道电磁接收机装置结构框图；

图2为分布式地面-坑道电磁接收机作业示意图；

图3为分布式地面-坑道电磁接收机主机结构框图；

图4为模拟通道板原理框图；

图5为模拟数字转换板原理框图；

图6为采集主控板原理框图。

具体实施方法：

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理进行具体描述：

作为满足坑井电磁法对信号提取的技术要求-在工业强干扰的环境下获取幅值在N×uV～N×100mV范围、频带在1/1024Hz-1024Hz范围内的混场源电磁信号，并且考虑到仪器的可靠性、易用性、功耗等因素，设计了一种在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的装置，即分布式地面-坑道电磁接收机。

参见图1和图2，图1为分布式地面-坑道电磁接收机装置结构框图，图2为分布式地面-坑道电磁接收机作业示意图。本发明是利用坑(井)-地电阻率法在地面及坑道准三维测量地下介质电阻率的装置，包括传感部件1，与分布式地面-坑道电磁接收机主机2连接，用于能将待测的电场和磁场信号转换为一定规律的且接收机能够识别的模拟信号；分布式地面-坑道电磁接收机主机2，与所述传感部件1连接，用于接收所述电磁场信号，并将其转换为数字信号进行传输与存储，并控制整套仪器智能化运行；其他装置辅助部件3，与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2连接，用于提供电力、通讯、GPS时钟和位置信息以及数据存储等功能，完成与便携式计算机的命令和数据交互。

再参见图1、图2，所述传感部件1包括：电场传感器11，通过50米的电极线连接传感器与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2，用于在地面及坑道中接收混场源的电场信号并输出与电场变化相对应的模拟信号，由四个固态不极化电极组成的差分传感器测量水平正交的电场(Ex、Ey)，仪器外壳通过另外的中间电极接地；磁场传感器12，通过专用的电缆连接传感器与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2，用于在地面及坑道中接收混场源的磁场信号并输出与磁场变化相对应的模拟信号，由三根感应式磁探头组成的传感器测量水平和垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)；连接电缆13，用于将所述电场和磁场传感器输出的信号连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2。

再参见图1和图2，所述其他装置辅助部件3：铅酸电池31，通过电源线连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2，作为主机的电能供应；便携式计算机32，通过上位机数据交互软件控制所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2，同时用于数据的存储、传输、显示、分析和处理；移动存储U盘33，连接至所述所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2，用于存储主机采集到电磁场数据，待所有频段采集完成后，一并将采集到的数据通过以太网或直接移动存储U盘33读取；串口线34和网线35，用于便携式计算机32与接收机主机2之间的连接，辅助建立命令和数据的交互通讯；GPS天线36，通过专用接口连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2，用于获取GPS卫星信号。

参见图3，图3为分布式地面-坑道电磁接收机主机结构框图，所述分布式地面-坑道电磁接收机主机2包括：主机外壳21，用于装载主机电路板和保护接收机内部电路，起到防晒、防潮、防尘和防震等作用；外壳接插件22和接口电路板23，与所述连接电缆13相连，用于将所述电场和磁场传感器输出的模拟信号连接至主机内部的模拟通道板25，采用航空级别的镀锌铜导体接插件，能够满足多次插拔不变形且极微连通损耗的要求，接口电路板将接插件电缆转换为排线，方便后续连接；屏蔽盒24，装载主机内部电路板，用于屏蔽测量环境中的电磁噪声；模拟通道板25，与所述接口电路板23和后续的模拟数字转换板26相连，主要完成通道内水平正交的两路电场(Ex、Ey)和水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)的模拟信号调理；模拟数字转换板26，与所述模拟通道板25和后续采集主控板27相连，用于将所述模拟通道板调理过的模拟信号在采集主控板27的控制下转换为数字信号；采集主控板27，与所述GPS天线36、移动存储U盘33、模拟通道板25连接、模拟数字转换板26相连，用于完成GPS模块272对钟和位置信息获取、控制温度传感器和工作状态指示278完成相应功能、模拟通道板25功能选择、模拟数字转换板26的模式设置、数据采集存储与传输等；通过USB总线将采集到的数据存储至所述移动存储U盘33，通过所述串口线34和网线35与便携式计算机32连接；电源转换板28，用于铅酸电池31的电源转换工作，为所述模拟通道板25、模拟数字转换板26、采集主控板27提供电能支持。

参见图4，图4为模拟通道板原理框图，所述模拟通道板25包括：输入保护电路251，与所述连接电缆13相连，用于所述模拟通道板25输出信号的保护，防止对后续的电路芯片产生影响；低通滤波电路252，与所述输入保护电路251相连，截止频率为10KHz，用于去除无用的高频信号；前置放大电路253，与所述低通滤波电路252相连，其放大倍数为10倍，用于模拟的信号的初始放大处理，放大倍数由所述采集主控板27控制；高通滤波电路254，与所述前置放大电路253相连，其截止频率为0.1Hz，用于去除无用的低频信号；50Hz带阻滤波电路255，与所述高通滤波电路254相连，其带阻截止频率为50Hz，用于去除工频干扰；可选截止频率的低通滤波电路256与所述50Hz带阻滤波电路255相连，由所述采集主控板27控制，实现不同带宽的切换；数据复用器257，与所述可选低通滤波电路256相连，受所述模拟数字转换板26的控制，实现不同通道的选择，用于切换不同截止频率(100Hz或10KHz)的低通滤波器。

参见图5，图5为模拟数字转换板原理框图，包括：5片程控增益放大器261与所述模拟通道板25相连，可实现对所述模拟通道板25的五路输出信号(Ex、Ey、Hx、Hy、Hz)进行程控放大，增益由复杂可编程逻辑器件263扩展的IO选择控制(1倍、2倍、4倍、8倍)；8通道的高速高精度模数转换芯片262，与5片程控增益放大器261连接，用来将所述五路信号转化为24位的数字串行数据，实现模拟数字的转换，采集主控板27通过串行同步控制器265数据总线完成对模拟数字转换芯片262输出数据的读取；高稳定度时钟源264，频率稳定度达1×10^-8s/s(在-20℃-75℃温度范围内)，为复杂可编程逻辑器件263提供高精度温度补偿时钟源；复杂可编程逻辑器件263，与程控增益放大器261、高稳定度时钟源264和采集主控板27相连，控制数据复用器257实现不同采样率之间的切换(24000Hz、2400Hz、150Hz三种选择)，对高稳定度时钟源264输出的时钟信号进行分频，为采集主控板27的实时钟模块提供32768Hz的时钟信号，复杂可编程逻辑器件263在GPS信号有效情况下由GPS产生的时钟秒脉冲267控制采集同步，当GPS时间信息无效时，由所述高稳定度时钟源264提供控制采集同步的时钟脉冲实现多台仪器同步采集，复杂可编程逻辑器件263通过串行外围总线266与采集主控板27进行通信。

参见图6，图6为采集主控板原理框图，包括：ARM9主控芯片271，与采集主控板27的各个芯片相连，是所述采集主控板27的控制核心，型号是AT91RM9200，具体应用到的芯片硬件资源包括一路网络接口2711，用于便携式计算机32和采集主控板27之间的通信；三路串行外围总线接口2712，用于与复杂可编程逻辑器件263通讯；两路串口2713，一路串口用于接收GPS模块272发出的时间和位置信息，完成GPS对钟，另一路用于调试采集主控27；两路串行同步控制器接口2714，用于模拟数字转换板26的数据传输；通用串行总线接口2715，用于外接移动存储U盘33实现数据存储，容量最大支持8GB；三路外部中断2716和一路集成电路内部总线接口2717，用于实时钟模块273、非易失性存储器275和温度传感器及工作状态指示278等的访问；GPS模块272，与ARM9主控芯片271相连，用来获取接收机2当前位置和同步时钟信息，为高稳定度时钟源264提供准确的时钟沿基准，同时与发射机之间完成时间同步，另外，也可保证各台接收机都能在预定的时间点开始同步采集，为后期信号处理提供便利；实时钟模块273，与ARM9主控芯片271和高稳定度时钟源264相连，高稳定度时钟源264通过分频为其提供32768Hz的时钟信号，从而提供整个仪器的时间计量基准；或非存储器274，与ARM9主控芯片271相连，大小为16MB用于存放系统程序；非易失存储器275，与ARM9主控芯片271相连，大小为16MB，用于存储ARM9主控芯片271的启动程序；静态存储器276，与ARM9主控芯片271相连，大小为64MB，用于ARM9主控芯片271的内存扩展；与非存储器277，与ARM9主控芯片271相连，大小为64MB用于存放系统数据；温度传感器及工作状态指示278，与ARM9主控芯片271相连，用于ARM9主控芯片271采集环境温度和通过LED灯指示仪器当前工作状态；电源模块279，实现对所述铅酸电池31电压转换至所述采集主控电路27所需电压(+5V、+3.3V、+1.8V)。

再参见图2，分布式地面-坑道电磁接收机作业包括如下步骤：

1.在探测工区的某一采集站点，借助森林罗盘，挖电极坑放电极线布下南北Ex、东西Ey两个水平正交方向的4个不极化电极电场传感器11，仪器通过中心电极接地，另外挖探头坑将南北Hx、东西Hy、竖直Hz三个方向的磁传感器12埋设完毕；

2.架好GPS天线36，接通铅酸电池31给接收机主机2上电，仪器上电后完成各个模块的初始化，便携式计算机32通过串口线34和网线35访问和控制仪器；

3.完成GPS对钟(由于坑道中无法接收GPS信号，故坑道作业时，先在地面实现仪器的GPS对钟，再将仪器布放至坑道中)，保证各台接收机之间以及接收机和发射机之间的时间同步，同步精度为10^-8s/s

4.便携式计算机32通过数据交互软件对仪器进行设置，包括设置仪器工作方式、查看仪器运行状态、数据浏览、频谱分析、采集和现场分析试采样数据等；

5.仪器设置好采集参数后，具体工作流程是：初始化模拟数字转换板26，在预定时刻启动采集，前端的模拟信号先经过输入保护251、低通电路滤波252、前置电路放大253、高通电路滤波254、50Hz带阻电路陷波255、可选低通电路滤波256和数据复用器257等处理，然后进入模拟数字转换板26，在采集主控板27的控制下进行模数转换，当其中一缓冲区数据满后切换至另一缓冲区，通知应用程序将数据读取，并保存至移动存储U盘33中。等待下一频段启动时间，重新初始化模拟数字转换板26进行采集。如此循环直至所有频段采集结束；

6.对于低频段数据采集，可以在设置采集参数后，将便携式计算机32撤离，使仪器2单独工作，待数据采集完毕，将数据通过网络传输至便携式计算机32中进行后续分析与处理。

7.数据采集过程中，仪器可通过LED灯指示其工作状态，可通过串口实时发送状态信息至便携式计算机。

8.待所有预定频段数据采集完毕后，仪器中存储的数据可通过网络传输至便携式计算机，经数字信号处理，获得地下的岩石电性成像，从而推断被测区域的矿产资源分布。

如上述，已经清楚详细地描述了本发明提出的装置及方法，但是本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。因此，所有参考本发明技术方案所做出的各种各样的修改，均应当归入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的装置，其包括传感器部件、分布式地面-坑道电磁接收机主机及辅助部件，其特征在于：

传感部件，与分布式地面-坑道电磁接收机主机连接，其用于采集待测的电场和磁场信号并将这些信号转换为能够由分布式地面-坑道电磁接收机识别的模拟信号；

分布式地面-坑道电磁接收机主机，与所述传感部件连接，用于接收所述传感部件采集到的模拟信号，并将所述模拟信号转换为数字信号进行传输存储，并控制整套仪器智能化运行；

辅助部件(装置其他附属部件)，与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机连接，用于提供电力、通讯、GPS时钟和位置信息以及数据存储的功能，完成与便携式计算机的命令和数据交互。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器部件包括：

电场传感器，通过电极线连接传感器与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于在地面及坑道中接收混场源的电场信号并输出与电场变化相对应的模拟信号，由四个固态不极化电极组成的差分传感器测量水平正交的两路电场，传感器部件外壳通过另外的电极接地；

磁场传感器，通过专用的电缆连接传感器与所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于在地面及坑道中接收混场源的磁场信号并输出与磁场变化相对应的模拟信号，由三根感应式磁探头组成的传感器测量水平和垂直相互正交的三路磁场；

连接电缆，用于将所述电场和磁场传感器输出的信号连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述分布式地面-坑道电磁接收机主机包括：

主机外壳，用于装载主机电路板和保护接收机内部电路；

外壳接插件和接口电路板，与所述连接电缆相连，用于将所述电场和磁场传感器输出的模拟信号连接至主机内部的模拟通道板，采用航空级别的镀锌铜导体接插件，接口电路板将接插件电缆转换为排线；

屏蔽盒，装载主机内部的电路板，用于屏蔽测量环境中的电磁噪声；

模拟通道板，与所述接口电路板和后续的模拟数字转换板相连，主要完成通道内水平正交的两路电场和水平与垂直相互正交的三路磁场的模拟信号调理；

模拟数字转换板，与所述模拟通道板和后续采集主控板相连，用于将所述模拟通道板调理过的模拟信号在采集主控板的控制下转换为数字信号；

采集主控板，与所述GPS天线、移动存储U盘、模拟通道板、模拟数字转换板相连，用于完成GPS模块对钟和位置信息获取、控制温度传感器和工作状态指示完成模拟通道板功能选择、模拟数字转换板的模式设置、数据采集存储与传输，通过USB总线将采集到的数据存储至所述移动存储U盘，通过所述串口线和网线与便携式计算机连接；

电源转换板，用于铅酸电池的电源转换工作，为所述模拟通道板、模拟数字转换板、采集主控板提供电能支持。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述辅助部件包括：

铅酸电池，通过电源线连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，作为主机的电能供应；

便携式计算机，控制所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，同时用于数据的存储、传输、显示、分析和处理；

移动存储U盘，连接至所述所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于存储主机采集到电磁场数据，待所有频段采集完成后，一并将采集到的数据通过以太网或移动存储U盘读取；

串口线和网线，用于便携式计算机与接收机主机之间的连接，建立命令和数据的交互通讯；

GPS天线，通过专用接口连接至所述分布式地面-坑道电磁接收机主机，用于获取GPS卫星信号。

5.如权利要求3所述的装置，其中所述模拟通道板包括：

输入保护电路，与所述连接电缆相连，用于所述模拟通道板输出信号的保护，防止对后续的电路芯片产生影响；

低通滤波电路，与所述输入保护电路相连，截止频率为10KHz，用于去除无用的高频信号；

前置放大电路，与所述低通滤波电路相连，放大倍数为10倍，用于模拟的信号的初始放大处理；

高通滤波电路，与所述前置放大电路相连，截止频率为0.1Hz，用于去除无用的低频信号；

50Hz带阻滤波电路，与所述高通滤波电路相连，带阻截止频率为50Hz，用于去除工频干扰；

可选截止频率的低通滤波电路，与所述50Hz带阻滤波电路相连，由所述采集主控板控制，实现不同带宽的切换；

数据复用器，与所述可选低通滤波电路相连，受所述模拟数字转换板的控制，实现不同通道的选择，用于切换不同截止频率的低通滤波器。

6.如权利要求3所述的装置机，其中所述模拟数字转换板包括：

5片程控增益放大器与所述模拟通道板相连，可实现对所述模拟通道板的五路输出信号进行程控放大，增益由复杂可编程逻辑器件扩展的IO选择控制；

8通道的高速高精度模数转换芯片，与5片程控增益放大器连接，用来将所述五路信号转化为24位的数字串行数据，实现模拟数字的转换，采集主控板通过串行同步控制器数据总线完成对模拟数字转换芯片输出数据的读取；

时钟源，频率稳定度达1×10^-8s/s，为复杂可编程逻辑器件提供高精度温度补偿时钟源；

复杂可编程逻辑器件，与程控增益放大器、时钟源和采集主控板相连，控制数据复用器实现不同采样率之间的切换，对时钟源输出的时钟信号进行分频，为采集主控板的实时钟模块提供32768Hz的时钟信号，在GPS信号有效情况下由GPS产生的时钟秒脉冲控制采集同步，当GPS时间信息无效时，由所述时钟源提供控制采集同步的时钟脉冲实现多台仪器同步采集，复杂可编程逻辑器件通过串行外围总线与采集主控板进行通信。

7.如权利要求3所述的装置，其中所述采集主控板包括：

ARM9主控芯片，与采集主控板的各个芯片相连，是所述采集主控板的控制核心，型号是AT91RM9200；

GPS模块，与ARM9主控芯片相连，用来获取接收机当前位置和时钟信息，为时钟源提供准确的时钟沿基准，同时与发射机之间完成时间同步，另外保证各台接收机都能在预定的时间点开始同步采集，为后期信号处理提供便利；

实时钟模块，与ARM9主控芯片和时钟源相连，时钟源通过分频为其提供32768Hz的时钟信号，从而提供整个仪器的时间计量基准；

或非存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为16MB，用于存放系统程序；

非易失存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为16MB，用于存储ARM9主控芯片的启动程序；

静态存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为64MB，用于ARM9主控芯片的内存扩展；

与非存储器，与ARM9主控芯片相连，大小为64MB用于存放系统数据；

温度传感器及工作状态指示，与ARM9主控芯片相连，用于ARM9主控芯片采集环境温度和通过LED灯指示仪器当前工作状态；

电源模块，实现对所述铅酸电池电压转换至所述采集主控电路所需电压(+5V、+3.3V、+1.8V)。

8.使用权利要求1所述装置在地面及坑道中准三维测量地下介质电阻率分布的方法，包括步骤：

(1)在探测工区的某一采集站点，借助森林罗盘，挖电极坑放电极线布下南北Ex、东西Ey两个水平正交的4个不极化电极电场传感器，仪器通过中心电极接地，另外挖探头坑将南北Hx、东西Hy、竖直Hz三个方向的磁传感器埋设完毕；

(2)架好GPS天线，接通铅酸电池给接收机主机上电，仪器上电后完成各个模块的初始化，便携式计算机通过串口线和网线访问和控制仪器；

(3)完成GPS对钟：由于坑道中无法接收GPS信号，故坑道作业时，先在地面实现仪器的GPS对钟，再将仪器布放至坑道中；保证各台接收机和发射机之间以及接收机之间的时间同步，同步精度为10-8s/s；

(4)便携式计算机通过数据交互软件对仪器进行设置，包括设置仪器工作方式、查看仪器运行状态、数据浏览、频谱分析、采集和现场分析试采样数据；

(5)仪器设置好采集参数后，其工作具体流程如下：初始化模拟数字转换芯片，在预定时刻启动采集，前端的模拟信号先经过输入保护、低通电路滤波、前置电路放大、高通电路滤波、50Hz带阻电路陷波、可选低通电路滤波和数据复用器的处理，然后进入模拟数字转换板，在采集主控板的控制下进行模数转换，当其中一缓冲区数据满后切换至另一缓冲区，通知应用程序将数据读取，并保存至移动存储U盘中。等待下一频段启动时间，重新初始化模拟数字转换芯片进行采集，如此循环直至所有频段采集结束；

(6)对于低频段数据采集，可以在设置采集参数后，将便携式计算机撤离，使仪器单独工作，待数据采集完毕，将数据通过网络传输至便携式计算机中进行后续分析与处理；

(7)数据采集过程中，仪器可通过LED灯指示其工作状态，可通过串口实时发送状态信息至便携式计算机。

(8)待所有预定频段数据采集完毕后，仪器中存储的数据可通过网络传输至便携式计算机，经数字信号处理，获得地下的岩石电性成像，从而推断被测区域的矿产资源分布。

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