CN102809763B - 不接地激电测量方法与仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及不接地激电测量方法与仪器。测量方法为：发射机向地下一次供出包含多个频率成分的、幅值基本相等的方波；接收装置无需接地，采用三分量磁通门传感器、直流磁场补偿器与接收机，通过测量获得x、y、z三个方向的磁场强度及绝对相位；对获得的磁场强度，经过数据处理得出磁电阻率、磁频散率。测量仪器包括发射机和接收系统，发射机由高压功率电源、数字稳流单元、功率逆变、频率/波形合成、保护单元、隔离电源组、微处理器控制单元组成；接收系统由接收机和直流磁场补偿器组成。本发明探测深度大，分辨率高，能克服良导覆盖和较少受高、低阻中间屏蔽层的影响，测量不需接地，满足于在接地工作困难的地区，如低阻覆盖区、戈壁、沙漠地带、基岩出露地区激电信息提取的需要。

Description

不接地激电测量方法与仪器

技术领域

本发明涉及一种不接地激电测量方法与仪器，是一种地质勘查地球物理电性参数的测量方法和仪器，属于国土资源科学方法技术开发与应用领域。

背景技术

激电法一直是地质勘查的重要方法，尤其是在多金属硫化物的资源勘查中是不可或缺的主要方法。激电法可分为时间域激电法与频率域激电法，目前所采用的时间域或频率域激电法，均是通过接地的供电电极向地下供入一定频率的方波电流，并采用接地的不极化电极来采集数据，以获取激电信息。在接地条件良好的地区，利用上述传统的接地类测量技术，可以取得可靠的激电数据信息，并具有良好的找矿应用效果。但在不良接地条件下(沙漠戈壁滩、倒石堆发育区、沼洋湖泊区等)，传统的接地类激电测量技术难以获取有效的激电信息，其找矿应用效果不佳。而在我国的中西部(如新疆、西藏等地)，地表有大面积的戈壁沙漠或倒石堆覆盖，在我国的中东部，有不少的沼泽或湖泊分布，因此急需研究发明一种不接地的激电测量技术，以解决资源勘查中的技术难题。

发明内容

基于上述，本发明的目的在于提供一种可测量磁电阻率、磁频散率与绝对相位的无需接地的激电测量方法与仪器。应用该方案将解决不良接地条件下(沙漠戈壁滩、倒石堆发育区、沼洋湖泊区等)资源勘查中的激电信息获取难题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

测量方法：

1、发射机采用多频等幅同步供电技术，即通过供电电极向地下一次供出包含多个频率成分的、幅值基本相等的方波；

2、接收装置无需接地，接收系统主要包括三分量磁通门传感器、直流磁场补偿器与接收机，通过测量获得x、y、z三个方向的磁场强度及绝对相位。

3、通过步骤2中获得的磁场强度，经过数据处理后便可得出磁电阻率、磁频散率。

测量仪器：

适用于不接地激电法测量的仪器包括发射机、三分量接收机，以及与三分量磁通门传感器相配套使用的直流磁场补偿器。发射机由高压功率电源、数字稳流单元、功率逆变、频率/波形合成、保护单元、隔离电源组、微处理器控制单元等功能单元电路组成；接收机由三通道的前放、陷波、滤波、主放和ADC组成；直流磁场补偿器由电源和信号调理部分组成。

本发明的有益效果是：

由于观测的物理参数可以为三个分量的磁场强度，与常规电法中只能得到水平分量的平面矢量相比，该方法包含的信息更丰富。由于该方法测量的是磁场而不是电场，随着深度的增加，磁场的衰减相对电场慢，有利于反映更深层的地质体信息，实现较大深度探测；同时，由于磁场可以穿越空间介质，能够克服良导覆盖并较少受高、低阻中间屏蔽层的影响。由于接收装置无需接地，使得测量磁场空间矢量的方式变得相对简单和方便，大大提高野外工作效率；在测量装置中也避免了接地电极与大地之间的电化学作用不稳定而产生的影响；同时克服了不良接地条件下无法布设接收电极的困难，有望在一些传统电法工作困难的地区，如低阻覆盖区、戈壁、沙漠、冻土地带、基岩出露地区得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明的测量原理图；

图2为本发明的发射机原理图；

图3为本发明的直流磁场补偿器原理图；

图4为本发明的接收机原理图。

具体实施方式

本发明提供了一种不接地激电测量方法与仪器，包括提出了通过不接地的测量装置获取激电信息的方案，以及适宜该方法的测量仪器。

不接地激电测量方法是：发射机通过供电电极向地下一次供出包含多个频率成分的、幅值基本相等的方波；接收装置无需接地，采用三分量磁通门传感器、信号输出调理器与接收机，通过测量获得x、y、z三个方向的磁场强度及绝对相位；对获得的磁场强度，经过数据处理得出磁电阻率、磁频散率。

不接地激电测量仪器包括发射机和接收系统，其中：所述发射机实现激电发射功能；所述接收系统由接收机和直流磁场补偿器两部分组成，其中接收机对待测磁场信号进行测量，提取磁激电信息，直流磁场补偿器用于从传感器接收到的总磁场中扣除稳定磁场的成分，并对变化磁场进行放大，以提高待测变化磁场的信噪比，满足接收机对测量信号的要求。

下面结合附图详细说明。

一本发明的测量方法

本发明的不接地激电方法的工作原理：不接地激电法是一种属于观测磁场的传导类电法勘探方法，通过人工供电流于地下，通过不接地的接收装置观测介质中一次电流与二次电流产生的磁场，而获得地下极化体的激发极化信息。在供电电流的作用下，若地下存在着导电性不均匀岩、矿石时，流经岩、矿石的电流的正常分布状态遭到破坏，使电流密度分布不一致，在导电性较好的岩、矿石内使电流集中，相应的磁场强度增高，反之，磁场强度减弱，在地表就可观测到明显的磁电阻率异常，即通过观测介质中一次电流的磁场而研究地下导电率变化。当地下存在着可极化物体时，则会使其极化，产生二次电流，在地表测量其感应的二次磁场，就可发现地下极化体的存在，即测量介质中二次电流所形成的磁场。

如图1所示，测量时通常将供电电缆铺成“U”形或半方框，“U”形或半方框形的两个端点连接供电电极A和B，L为电极距，半方框范围为长L×宽L/2。供电电极AB沿推测矿体或构造走向布置，测线垂直于AB连线。测量工作沿测线进行，磁传感器布设方向与测线一致，且水平置于地面。发射电极A、B接地；接收装置无需接地，属点测。

在不接地激电法测量中，测量参数主要为x、y、z三个方向的磁场强度及绝对相位，通过对原始数据的数据处理可以得到解释参数，包括磁电阻率及磁频散率，磁电阻率表示岩矿石的导电能力，磁频散率与绝对相位表示岩矿石的极化效应。

(1)磁场强度与绝对相位

对时间序列信号h(n)进行以下傅里叶变换，得到

于是

磁场强度为：

绝对相位为：

H即为测量的磁场强度(纳特)， 为测量的绝对相位(毫弧度)。

(2)磁电阻率

为了计算和表示组合磁场的大小，如图1中所示，取AB中点为坐标原点，地面上X轴和Y轴的方向如图中所示，Z轴方向垂直地面向下。如令AB＝2l，采用图所示坐标系，可列出A、B供电时，在地表沿x轴方向的测点处入地电流和线电流共同产生的正常磁场分布公式：

$H_a=100I[\frac{y+l}{x^2+{(y+l)}^2}-\frac{y-l}{x^2+{(y-l)}^2}]$

式中：H_a--地面沿X轴方向任意点处的磁场强度(纳特)；I--供电电流强度(安培)；l(＝L/2)--半电极距(米)；x，y--xy平面坐标系中，任意点的坐标。

令上式中x＝0，y＝0，则可得到中心点0处的磁场H_a(0，0)：

$H_a\left(\mathrm{0,0}\right)=\frac{200I}{l}$

测量得到磁场强度H后，计算H与H_a的差相对于H_a(0，0)的比值，即可得到磁电阻率MMR，以百分数表示。

$\mathrm{MMR}=\frac{H-H_a}{H_a\left(\mathrm{0,0}\right)}\×100\%$

(3)磁频散率

测量中，一次可获得两个或三个频率的磁场强度，将相对高频时的磁场强度设为低频时的磁场强度设为H_f2，计算磁频散率PFE为：

$\mathrm{PFE}=\frac{H_{f1}-H_{f2}}{H_{f1}}\×100\%$

二本发明的仪器

本发明的不接地激电仪器包括发射机、三分量接收机，以及与三分量磁通门传感器相配套使用的直流磁场补偿器。发射机实现激电发射功能；直流磁场补偿器用于从传感器接收到的总磁场中扣除稳定场的成分，以提高待测变化磁场的信噪比，满足接收机对测量信号的要求；接收机用于对待测磁场信号进行测量，提取磁激电信息。

如图2所示，本发明的发射机硬件部分主要包括：高压功率电源、数字稳流单元、功率逆变、频率/波形合成、同步控制逻辑时序、保护单元、隔离电源组、微处理器控制单元。其中：高压功率电源为发射系统功率逆变输出提供具有一定功率的高压电源，高压电源由外部功率电源(10KW汽油发电机)提供，三相交流380V_AC经AC/DC升压变换后，输出电压为0～800V可调的直流电压，最大输出功率为8KW；数字式PWM稳流单元是发射系统供电控制电路的核心部分，对高压功率电源进行稳流或稳压方式调节，实现高精度稳流或稳压供电；频率/波形合成单元为发射系统综合逻辑控制电路，实现频率合成、供电波形合成、同步供电、控制时序合成等控制功能；保护单元对发射系统的供电电压、电流和温度等参数进行监测和保护，实现过压保护、过流保护和过热保护等功能；隔离电源组为发射系统提供低压工作电源和高压工作电源；逆变将直流电转换成设定的频率、幅值和波形可变的供电输出；控制部分由AT MEGA128、AT MEGA32、AT Tiny2313和AT Tiny13共4个单片机构成，其中，AT MEGA128为发射系统的控制核心，负责整个系统的实时控制和人机接口功能，如同步方式控制、供电波形控制、频率设定、电流设定、自动扫频供电、GPS-OEM控制、显示控制和温度控制等功能，AT MEGA32完成电流调整和数字式PWM稳流任务，AT Tiny2313负责键盘扫描控制，实时将键盘命令发送给主控计算机，AT Tiny13完成电源监控与报警等任务，确保整个系统工作在安全电压范围，多个处理器协同并行工作，提高了整个系统的实时性和可靠性。

如图3所示，本发明的直流补偿器的电路单元包括：x、y、z三个方向的磁场补偿、信号调理、输出缓冲、电压参考，LED显示。各方向的总磁场信号输入后，经相应的静磁场补偿、信号调理、输出缓冲，最后输出补偿后的磁场信号。其中：信号调理部分，由一个转折频率为1000Hz的四阶低通滤波器构成，同时该滤波器还完成对输出信号的近200倍的放大；由LT1019-4.5产生精确的电压参考信号(4.5V)，在电压参考信号和控制信号的共同作用下，每个通道的两个DAC8043分别产生输出范围为±4.5V的补偿信号输出，用于补偿静磁场信号；信息显示，用于显示补偿器的工作状态(如补偿过程、传感器方位角等)。

如图4所示，接收机中三个接收通道实现的功能和电路完全一样，由前放、陷波、滤波、主放和ADC组成。前放电路完成对补偿器输出信号的放大，用以提高信号的信噪比，使得输入信号在进入后续电路处理以前就具备一定的幅度，从而减小后续电路噪声对其影响；陷波和滤波电路用于抑制工频干扰信号和带外噪声信号，使得输出到后极的信号更加纯净、可靠；ADC电路用于将输入模拟信号转换成24位高精度数字信号。

上述的实施例并不对本发明所要求的保护范围构成任何形式的限制，本发明的权利要求书覆盖了所有的修改和变更，因此，针对上述实施例做出种种修改和变化均属于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种不接地激电测量仪器，包括发射机和接收系统，其特征在于：

所述发射机实现激电发射功能；

所述接收系统由接收机和直流磁场补偿器两部分组成，其中接收机对待测磁场信号进行测量，提取磁激电信息，直流磁场补偿器用于从传感器接收到的总磁场中扣除稳定磁场的成分，并对变化磁场进行放大，以提高待测变化磁场的信噪比，满足接收机对测量信号的要求。

2.如权利要求1所述的不接地激电测量仪器，其特征在于：

所述发射机由高压功率电源、数字稳流单元、功率逆变、频率/波形合成、保护单元、隔离电源组、微处理器控制单元组成；

所述直流磁场补偿器由电源和信号调理部分组成；

所述接收机由三通道的前放、陷波、滤波、主放和ADC组成。

3.如权利要求2所述的不接地激电测量仪器，其特征在于：

所述发射机中的数字式稳流单元对高压功率电源进行稳流调节，实现高精度稳流供电；

所述发射机中的频率/波形合成单元为发射系统综合逻辑控制电路，实现频率合成、供电波形合成、同步供电、控制时序合成的控制功能；

所述直流补偿器中的信号调理由一个转折频率为1000Hz的四阶低通滤波器构成，同时该滤波器还完成对输出信号的近200倍的放大；

所述接收机中的前放电路完成对直流补偿器输出信号的放大；

所述接收机中的陷波和滤波电路用于抑制工频干扰信号和带外噪声信号，使得输出到后极的信号更加纯净、可靠；

所述接收机中的ADC电路用于将模拟输入信号转换成高精度数字信号。