CN102305946A - 双域激电全参数同时测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双域激电全参数同时测量的方法，其用时间域的方法记录并显示由供电电极发送的周期重复信号在测量电极间形成的电位差及曲线；经数学处理，自动实现发、收信号间的同步；将得到的已同步的电位差及曲线，通过计算求取基波与谐波的实部和虚部，进而计算出视电阻率、视绝对相位、视幅散率和视相散率。在测量视电阻率和视绝对相位的同时，用充电曲线或放电曲线计算出视极化率、视充电率和衰减曲线。既可以单独采用时间域(间断矩形波)供电方式，也可以单独采用频率域(连续矩形波)供电方式，来实现一次供电双域激电全参数同时测量。本发明解决了在一次测量的短时间内，提供更多的反映极化体特征且互相关联信息的技术问题。

Description

双域激电全参数同时测量的方法

技术领域

本发明属于地质勘查物探应用技术研究领域，尤其涉及一种双域激电全参数同时测量的方法。

背景技术

迄今为止，国内的地质勘查机构使用的国产测量仪器多为时间域(即供一定频率的间断矩形波，占空比等于1)激电仪器，只能测量时间域激电参数(视电阻率、视极化率或视充电率等)；而现有的频率域(即供一定频率的连续矩形波)激电仪器仅能测量频率域激电参数(视电阻率、视绝对相位等)。目前，国内没有一次供电双域激电全参数同时测量的方法，更没有一次供电双域激电全参数同时测量的仪器。国外具有代表性的仪器大多为多功能电法仪。就其激电功能而言，测量频率域和时间域激电参数是作为两种方法分开独立进行的，不能一次供电同时测量双域激电全参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种双域激电全参数同时测量的方法，针对现有的测量方法和仪器不能双域激电全参数同时测量的技术不足，解决在一次测量的短时间内，提供更多的反映极化体特征且互相关联信息的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双域激电全参数同时测量的方法，其步骤如下：

1)由发送机通过供电电极向地下供出至少一个频率的周期重复信号；

2)接收机通过测量电极用时间域的方法记录步骤1所供出的给定频率/周期和波形下的电位差及其曲线；

3)将步骤2中得到的与发送信号已同步的电位差及曲线，通过付立叶分析法求取基波或谐波的实部和虚部，进而计算出视电阻率、视绝对相位。

4)在测量视电阻率和视绝对相位的同时，将步骤2)一次供电测得已同步的频率≤0.25Hz的给定频率/周期和波形的电位差曲线，在供以连续矩形波时，利用充电条件下的电位差曲线，获得极化场和二次场，进而计算出视极化率、视充电率；在供间断矩形波时，利用充、放电条件下的电位差曲线，获得极化场和二次场，进而计算出视极化率、视充电率；

5)将步骤4)中，取不同时刻的视极化率或视充电率描绘出衰减曲线；

6)将步骤3)中，一次供电求取至少两个频率的电位差幅值，求得视幅散率；

7)将步骤3)中，一次供电求取至少两个频率的视绝对相位，求得视相散率。

以上步骤即完成了双域激电全参数测量。

所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，由步骤2)中电位差曲线测得自然电场梯度值，进而计算出自然电位值。

所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，周期重复信号是连续矩形波或者间断矩形波且占空比等于1。

所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，步骤4)中的两个频率是指供出的两个不同的频率，或是一个频率的基波和其任意一个高次谐波。

所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，将所述步骤2)中得到的电位差及曲线，采用数字滤波的方法，消除干扰信号，提高信噪比。

所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，所述步骤3)中的同步，通过信号同步方法实现，至少包括线同步、石英钟晶体同步、卫星定位GPS同步三种方式之一，或通过数学分析的方法即“自同步”实现。

本发明有益效果：

1.将目前长期并行存在的时间域激电法和频率域激电法两种方法统一起来，成为“双域激电法”，达到一次供电双域激电全参数同时测量的目的。

2.既可以单独采用时间域(间断矩形波)供电方式，实现一次供电双域激电全参数同时测量，也可以单独采用频率域(连续矩形波)供电方式，实现一次供电双域激电全参数同时测量。

3.这种测量方法只需发送机供出间断矩形波或连续矩形波，只需接收机记录并显示电位差曲线即可(这是任何人工场电法勘探对仪器的基本要求)，因而，大大降低了研制仪器的难度。

4.只需一次测量、一个频率(亦即一个周期函数)，即可得到“双域激电全参数“，不仅有利于理论研究和正反演计算，也使野外工作效率大大提高，并能根据地质任务和测量结果灵活地选择最佳参数，从而取得满意的地质效果。

5.记录并显示电位差曲线，有利于操作人员现场识别，即时判断干扰情况、有无异常及其大小，以便提高观测质量，也有利于技术人员对异常可靠性的判断，更有利于建立数据库和资料的再利用。

6.本发明提出的“自同步”方法，可以与国内外现存大量的时间域大、中、小功率发送机(如北京和重庆仪器厂、奔腾和大地公司以及美国的GDP32和加拿大的V8等激电仪)和频率域发送机配合，实现一次供电双域激电全参数同时测量。这就大大扩展了本发明的应用前景。

7.对互相关联又不尽相同的激电全参数的研究，有可能使对激电特性的认识达到一个新的高度，为解决区分极化体性质或其它更多的地质问题提供新的途径。

8.由于测量的是视复电阻率幅值和相位，当频率较多时，还可进行复电阻率法(CR)和谱激电法(SIP)测量。

9.时域激电参数的测量时间大大提前，激电特性将更加突出，有利于衰减特性的研究，预期在以研究衰减特性为基础的寻找地下水等工作中会有更好的效果。

10.由于本发明是从双域的角度研究了人工电化学场(即激发极化场)，又测出了反映天然电化学场的自然电场值，如果将双域激电与自然电场相结合，进行电化学场组合勘查，一定会在寻找煤、石油和天然气方面展现更好的效果。

附图说明

图1为本发明的发送机通过供电电极AB向地下供出的一定频率(周期)的连续矩形波(图1a)或间断矩形波(占空比等于1)(图1b)的波形图。

图2为本发明的接收机通过测量电极MN用时间域的方法记录并显示的给定频率(周期)下连续矩形波(图2a)或间断矩形波(图2b)电位差波形图。

图3为本发明的发送机结构示意框图。

图4为本发明的接收机结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明不局限于下述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请等同或相近似的技术方案，均在本发明的保护范围内。

本发明的基本原理在于：

按照付立叶分析的原理，任何周期重复的信号都可表示为基波与各高次谐波之和。对频率域激电法正负交替的连续矩形波是这样，对时间域激电法占空比等于一的间断矩形波也是这样。既然一定频率(周期)的连续矩形波和间断矩形波，都可表示为其基波和各高次谐波之和，那末，我们就可通过付立叶分析法求取基波或高次谐波的实部和虚部，进而计算出视电阻率、视绝对相位、视幅散率和视相散率。这就完成了频率域激电参数的测量。

根据在线性范围内激发极化效应的充电过程和放电过程是等效的这一原理，当供以连续矩形波时，利用所测得的充电条件下的电位差曲线，获得极化场和二次场，进而计算出视极化率、视充电率和衰减曲线；当供以间断矩形波时(这就是现有时间域激电的供电方式)，即利用所测得的充、放电条件下的电位差曲线，获得极化场和二次场，进而计算出视极化率、视充电率和衰减曲线。这就完成了时间域激电参数的测量。

至此，我们就实现了双域激电全参数同时测量。

本发明的测量方法为：

1.激电视电阻率和视绝对相位测量。

(1)由发送机通过供电电极A、B向地下供出一定频率(周期)的连续矩形波或者间断矩形波(占空比等于1)，波形如图1a和图1b所示。

(2)接收机通过测量电极M、N用时间域的方法记录并显示上述(1)供出的给定频率(周期)和波形下的电位差及其曲线，波形如图2a和图2b所示。

(3)将上述(2)中得到的与发送信号已同步的电位差及曲线，通过付立叶分析法求取基波和谐波的实部和虚部，进而计算出视复电阻率的幅值(模)和绝对相位。具体计算公式是：

实部为 $\mathrm{Re\ΔV}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T\mathrm{\ΔV}\left(t\right)\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\mathrm{dt}$ 公式1

虚部为 $\mathrm{Im\ΔV}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T\mathrm{\ΔV}\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\mathrm{dt}$ 公式2

幅值(模)为 $\left|\mathrm{\ΔV}\right|=\sqrt{\mathrm{Re\Δ}{V}^2+\mathrm{Im\Δ}{V}^2}\≈\mathrm{Re\ΔV}$ 公式3

于是，

视电阻率(模)为 $\left|{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_s\right|=K\frac{\left|\mathrm{\ΔV}\right|}{I}\left(\mathrm{\Ωm}\right)$ 公式4

视(绝对)相位为公式5

这就在连续矩形波或者间断矩形波(占空比等于1)供电条件下，完成了激电视电阻率和视绝对相位测量。

2.激电视幅散率和视相散率测量

(1)视幅散率

我们把视复电阻率幅值随频率变化的特性叫做幅频特性，其在任意两个频率之间的变化率，称之为视幅散率(国外叫百分频率效应，国内又叫频散率)。由上述1之(2)中得到的已同步的电位差及曲线，计算该频率的基波和其某一高次谐波两个频率的电位差幅值，视幅散率可由下式计算：

$F_s=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{V}_{f_1}\right|-\left|\mathrm{\Δ}{V}_{f_2}\right|}{\left|\mathrm{\Δ}{V}_{f_2}\right|}\×100\%$ 公式6

式中F_s为视幅散率；

分别为低频(如基波)、高频(如高次谐波)电位差幅值。

(2)视相散率

我们把视复电阻率相位随频率变化的特性叫做相频特性，其在任意两个频率之间的变化率，称之为视相散率(目前国内外还没有该参数，是我们新提出的)。由上述1之(2)中得到的已同步的电位差及曲线，计算该频率的基波和其某一高次谐波两个频率的视相位值，视相散率可由下式计算：

公式7

式中X_s为视相散率；φ_g、φ_d分别为高频(如高次谐波)、低频(如基波)的视相位。

3.激电视极化率、视充电率和衰减曲线测量。

在测量视电阻率和视相位的同时，根据在线性范围内激发极化效应的充电过程和放电过程是等效的这一原理，将上述1之(2)中一次供电测得的已同步的频率≤0.25Hz(即周期不小于4S)的给定频率(周期)和波形的电位差曲线，利用充电曲线(供连续矩形波时)或放电曲线(供占空比等于1的间断矩形波时)，分别计算出时间域激电参数视极化率、视充电率和衰减曲线等，公式如下：

(1)视极化率。

${\mathrm{\η}}_s\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_2\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}{V}_{1+2}}\×100(\%)$ 公式8

其中η_s(t)、ΔV₂(t)分别为t时刻的极化率和二次场值，ΔV₁₊₂为极化场值。

(2)视充电率。

$M_s\left(t\right)=\frac{{\∫}_{t-\mathrm{\Δt}}^{t+\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δ}{V}_2\left(t\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ}{V}_{1+2}}\left(\mathrm{ms}\right)$ 公式9

其中：M_s(t)为t时刻的视充电率值，Δt为积分半区间。

(3)衰减曲线

取不同时刻的视极化率或视充电率即可描绘衰减曲线。

这就是一次供电、一个频率(周期)、一次观测实现双域激电全参数同时测量的方法。

“双域激电全参数同时测量的方法”的实施需要仪器作为载体。其仪器包括发送机和接收机，其参数的计算、数字滤波等数据处理及实时显示电位差曲线是通过软件由CPU来实现的。

本发明的发送机结构示意框图参见图3。

发送机的具体要求：

1.发送机可以发送多频(如1/4Hz、1/8Hz、1/16Hz、1/32Hz等)、频率稳定性好的连续矩形波或占空比等于1的间断矩形波(如周期为4S、8S、16S和32S等)。参见图1。

2.连续矩形波电流必须是稳定的，间断矩形波可以不稳流(框图中“PWM”模块可去掉)。

3.用于普查的发送机，要求体积小、重量轻，功率不能小于300瓦。

本发明的接收机结构示意框图参见图4。

接收机的具体要求：

1.接收机的短路噪声要尽量小。

2.接收机内有嵌入式系统(CPU)，可以实现大量数据的存储、传输和实时处理.

3.接收机有A/D，能高速采样，实现模数转换。

4.接收机的显示屏要实时显示电位差曲线和主要参数值。

实现发、收信号同步的方法有：

1.线同步：用导线将发送机和接收机连接起来，以达到同时发、收的目的，方法简单，适于在室内工作，但因有导线，移动不方便；

2.石英钟晶体同步：由于对石英晶体频率稳定性要求高，须采取恒温措施，一般耗电较大，仪器不易做得轻便；

3.卫星定位(GPS)同步：轻便、授时精度高，一般时间精度达≤400ns。缺点是受遮盖的影响，在森林覆盖区、坑道和室内因接收不到卫星信号而不能工作；

4.自同步：通过对接收信号的数学处理，实现发送和接收同步的方法，我们称之为“自同步”。其最大的好处是简单灵活，且可以全天候同步，不受遮盖影响，在森林覆盖区、坑道和室内均可正常工作。

当采用“自同步”时，发送机和接收机中的“信号同步”模块都可去掉。

Claims (10)

1.一种双域激电全参数同时测量的方法，其步骤如下：

1)由发送机通过供电电极向地下供出至少一个频率的周期重复信号；

2)接收机通过测量电极用时间域的方法记录步骤1)所供出的给定频率/周期和波形下的电位差及其曲线；

3)将步骤2)中得到的与发送信号已同步的电位差及曲线，通过付立叶分析法求取基波或谐波的实部和虚部，进而计算出视电阻率、视绝对相位。

2.根据权利要求1所述一种双域激电全参数同时测量的方法，

4)在测量视电阻率和视绝对相位的同时，将步骤2)一次供电测得已同步的频率≤0.25Hz的给定频率/周期和波形的电位差曲线，在供以连续矩形波时，利用充电条件下的电位差曲线，获得极化场和二次场，进而计算出视极化率或视充电率；在供间断矩形波时，利用充、放电条件下的电位差曲线，获得极化场和二次场，进而计算出视极化率或视充电率。

3.根据权利要求2所述一种双域激电全参数同时测量的方法，

5)将步骤4)中，取不同时刻的视极化率或视充电率即描绘出衰减曲线。

4.根据权利要求1所述一种双域激电全参数同时测量的方法，

6)将步骤3)中，一次供电求取至少两个频率的电位差幅值，求得视幅散率。

5.根据权利要求1所述一种双域激电全参数同时测量的方法，

7)将步骤3)中，一次供电求取至少两个频率的视绝对相位，求得视相散率。

6.根据权利要求1所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，其特征在于，由步骤2)中电位差曲线测得自然电场梯度值，进而计算出自然电位值。

7.根据权利要求1所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，其特征在于，所述周期重复信号是连续矩形波或者间断矩形波且占空比等于1。

8.根据权利要求4或5所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，其特征在于，所述步骤6)和7)中的两个频率是指供出的两个不同的频率，或是一个频率的基波和其任意一个高次谐波。

9.根据权利要求1所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，其特征在于，将所述步骤2)中得到的电位差及曲线，采用数字滤波的方法，消除干扰信号，提高信噪比。

10.根据权利要求1所述的一种双域激电全参数同时测量的方法，其特征在于，所述步骤3)中的同步，通过信号同步方法实现，至少包括线同步、石英钟晶体同步、卫星定位GPS同步三种方式之一，或通过数学分析的方法即自同步实现。

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