CN1034276A

CN1034276A - 双频道多参数频谱激电观测系统

Info

Publication number: CN1034276A
Application number: CN 88105655
Authority: CN
Inventors: 何继善; 鲍光淑; 任宝琳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 1988-01-15
Filing date: 1988-01-15
Publication date: 1989-07-26
Also published as: CN1015673B

Abstract

双频道多参数频谱激电观测系统，适用于地质电法勘探中的频率域激发极化观测方案。观测仪器采用双频复合信号发送、双频同时接受、模拟量直接作富氏变换等技术措施，高、低频差可任意选定，且可形成多组不同的频率对，一次测量可得到ReL、Reh、 φL、φh、Rs、Sp、Psh、PsL八个观测参数。仪器轻便、功耗小，普查详查兼用，特别适于复杂地形的勘探作业。

Description

本发明涉及地球物理电法勘探中，采用频率域激发极化的观测方案及适用于这种方案的观测仪器。

频率域方式的激发极化观测法，是用电极向地下送入激励电流，并从测量电极得到的电位差（电位）来观测系统响应的频率特性，进一步利用响应电位差及频率特性出现的异常分析地下构造。在目前几种实用的观测方案中，有一种为变频方案，是在同一测点上，改变激励电流的频率，计算百分频率效应PFE（即视频散率Ps），或测基频的振幅相位。这个方案的好处是可以使用较简单的发送、接收装置，如加拿大风凰公司的IPV-3频谱激发极化仪，是用接受机扫描控制发送机改变供电频率，测量多频振幅相位。然而，由于不同频率的信号是在不同时间测量的，发送机的工作稳定性将影响观测结果，如在测视频散率时，高、低频电流的不稳定便造成视频散率的误差。而在进行频谱测量时，测量低频信号所用时间较长，一个个频率作逐个测量将很缓慢。

现有技术中，还有一种有代表性的奇次谐波方案，其发送机发送一定频率的矩形波电流，接受机同时接收基波和一个或多个高次谐波（只有奇次波）测量基波和高次谐波的实分量和虚分量。美国ZONGE公司的GDP-12型复电阻率仪，就属于这种类型。奇次谐波方案可以实现多频信号同时观测，然而，这也带来一个难以克服的缺点，即随着谐波次数的增高，谐波电流的幅度呈反比减小，在测量高次谐波例如13次谐波时，幅值只有基波的1/13，要达到必要的信号强度必须提高基波电流，而基波电流大幅度增加不仅造成浪费，还使发送设备加重。若取用次数较低的谐波，则使频率范围变窄，用于普查所需测量的视频散率或相对相位差，因异常太小致使观测精度低。

本发明的目的，是使被同时发送的激发电流有合适的频差，又保证高、低频的幅值接近，并且在此基础上作到多参数、特别是频谱的测量。

本发明的技术方案是：由发送机发送高、低频复合信号的矩形波电流，并可经变换得到多组频率不同的频率对，且每对频率的高、低频差可以任意选定;而接收机将接收的复合信号用模拟富氏变换相干器直接变换成高、低频的实分量、虚分量，再作模数转换，由计算机处理得到最终观测参数。

现予以进一步说明：

一.发送机

其核心部分是双频形成电路，主要由触发器和模拟开关组成。由晶体振荡器产生的高频信号经分频电路分频得到较低频率的高频和低频信号，改变分频器的组合，可得到任意固定频差的高低频和不同的频率对。一般频差选为9或13倍频，频率对之间以2倍频关系形成比较简单。上述信号送入双频形成电路，以一定的相位将高低频合成复合信号，经一驱动电路控制逆变器作大功率的复合信号输出。

二.接收机

模拟通道。主要包括放大器和滤波器。放大器由多个放大级组成，以得到高的输入阻抗（＞10MΩ），高的增益及大的增益调节范围（2°～2¹²）。滤波器包括工频陷波器和低通滤波器。低通滤波器的频宽应大于发送机输出信号的频宽。

富里埃变换相干器。这是一个将模拟量直接变换的功能单元。对接收到的高低频复合信号，用其中低频的一个周期T，分别经富氏变换可得到四个参数：

ReU（ω_L）＝ω_L∫^T _oU_双（t）·SinωLtdt

ImU（ω_L）＝ω_L∫^T _oU_双（t）·COsωLtdt

ReU（ω_h）＝ω_h∫^T _oU_双（t）·Sinωhtdt

ImU（ω_h）＝ω_h∫^T _oU_双（t）·COSωhtdt

其中：

ReU（ω_L）为低频实分量电压值;ω_L为低频圆频率;

ImU（ω_L）为低频虚分量电压值;ω_h为高频圆频率;

ReU（ω_h）为高频实分量电压值;

ImU（ω_h）为高频虚分量电压值;

U双为双频复合信号;T为周期。

以上变换完全是由富氏变换相干器实现的。该功能单元有一个模拟正弦波发生器，若利用控制信号移动1/4T，即可实现90°移位得到余弦波。

如果将复合信号直接加到正弦波发生器的入端，又控制其输入为一个低频周期，同时发出计数脉冲，就可实现低频正弦波与一个低频周期复合信号的相乘，其结果送入积分器积分一个低频周期，得到Re_L。同理，可实现低频余弦波与一低频周期复合信号的相乘，得到Im_L。

如果控制输入为一个高频信号周期，同时发出计数脉冲，就可实现高频正弦波或高频余弦波与一个高频周期复合信号的相乘，其结果送入积分器也需积分一个低频周期得到Reh和Imh。

微处理机及其接口部分。作为接收机构成部件的微处理机原则上可采用任何机型，实际上选用一个八位的单片机。计算机除了作为数据处理器件外，还作为控制器件完成如下功能：

模数或数模转换。仪器以积分一个低频周期的值为零点，当输出值不为零时，即视为自然电位SP+零点之和，由微机控制将此值经模数转换器转换后贮存，再通过接口由数模转换器转换成模拟量送入放大器对SP+零点予以补偿。控制高频、低频的实分量、虚分量进行模数转换和运算，得出所需观测参数，并予以贮存，以备调用。

同步信号传送器是实现高压与低压隔离，传送同步信号给接收机作为测量基准。

本发明采用双频发送、双频同时接收处理取得观测参数的方式，可保证观测精度，避免了使设备扩大加重的问题，实现了多功能激电观测仪器的小型化。可用一对频率做普查工作，也可选用多对频率做激电频谱测量以满足详查需要。

附图1为本发明的发送机的电路联系图;

附图2为本发明的发送机的电路波形图;

附图3为本发明的接收机的电路联系图;

附图4为本发明中的富氏变换相干器电原理图;

附图5为本发明中计算机程序框图。

本发明的一个实施例得到附图的支持。各部分电路构成和联系介绍如下：

一.发送机

振荡器1为石英晶体振荡器，其标称频率为32768HZ。

分频电路2及频率转换电路3由4片C186任意进制异步加法计数器和10个D触发器组成。由一个波段开关改变接线，得到9分频与13分频，另一个波段开关控制形成8个不同的频率对：0.028/0.25;0.056/0.5;……3.566/32Hz或0.019/0.25;0.038/0.5……2.462/32Hz。

双频形成电路4由4个触发器组成，产生两组复合信号（如附图2中a、b所示），输出控制驱动电路5，并取出一部分输出到测标本电路7。

测标本电路12由4组16个触发器组成。

驱动电路5由7个晶体管组成电流放大器和射随器，复合信号经延时后，再经射随器至一微分电路，最后经反相器输出控制逆变器6按时序导通，控制波形如附图2中e，f。逆变器6输出电压400v，波形如附图2中d。

采样电阻8。通过采样电阻8和电流测量电路9测量供电电流。

第一过流保护电路10设定值为额定电流的1.25倍，过流时由一个3CT1KC的可控硅封锁驱动电路5及电流开关电路7，以切断主回路。

第二过流保护电路11设定值为1.3倍额定值，过流时由CR55导通短路高压，使保险烧断，以切断主回路。

稳压电源13输出+8V和-8V两组电压。

二.接收机

前置放大器14主要由CMOS四运算放大器、2个C544模拟开关、2个反相器组成。其中的两个放大器并联再接一组差动放大器。输入阻抗＞50MΩ，增益调节范为2⁰～2⁵，由模拟开关控制。微机控制使前放增益KF＝1时输出的自然电位SP加前置零点值，经调零积分器15积分一个低频周期后，通过A/D转换变成数字量在微机中贮存，并经D/A₁转换将其模拟量送入前置放大器完成“SP+前置零点”的补偿。八种不同频率对的补偿信号通过改变积分时间常数或通过信号衰减器两种方法使其调零积分的结果保持一致。

滤波级16由两级陷波频率分别为49.5±0.2Hz和50.5±0.2Hz的有源工频陷波器与一级110Hz的有源低通滤波器组成。对工频的压制＞40db。

主放大级17是一个2进制增益放大器，由反相输入比例放大器、反馈电阻、接口及八通道模拟转换器构成的自动增益控制放大器。增益（及调节范围）为2⁰～2⁷。前置级“SP+零点”补偿后的剩余值和主放级本身零点，经过调零积分器18积分后，同样经A/D转换→存贮→D/A₂转换→主放级再次进行补偿。

富里埃变换相干器19，其具体电路如图4所示。其中低频实分量的富氏变换相干器由27可预置四位二进制可逆计数器5G14516和32单八通道转换器CH4051及CO43触发器28、29、30，电阻衰减器36，与门40，或门41，及跟随器31，反相器33，开关42、43等组成。在31的输入端加一个正直流电平，将计数脉冲加到27CP端，在32的输出端就会产生一个正弦波，其周期由计数脉冲的频率决定。将放大后的复合双频信号，经33检波反相后直接加到正弦波发生器的入端（即电阻衰减器入端），用计算机控制输入双频信号为一个低频周期，同时通过微机根据同步脉冲（电流相位基准）发频率为32f_L的计数脉冲，得到低频正弦波与一个低频周期双频信号的相乘结果，由32输出，送入34积分，即得到Re_L。低频积分器34是由ICL7650运算放大器，积分电阻46，积分电容48，积分输入开关44，输入短路开关457，积分抹去开关478及触发器30等组成。积分时间1、2、3、4组频率对以最低频的第4组的一个低频周期长为准;而5、6、7、8组的输入信号预先逐次按2的信数衰减，故每一大组中的积分值具有一致性。低频虚分量的富里埃变换相干器是由27、35、28、29、37、38、39、49、50、51、52、53、54、55等组成。35与电阻衰减器37的接法与32的接法相反，因此而可以输出一条余弦波。将一个低频周期的双频信号经33反相后送入余弦波发生器，即可从35输出端得到Im_L，由积分器积分输出。

高频实分量和高频虚分量的富里埃变换相器具有与上相同的电路，只是处理的为复合信号中的高频部分。而积分时间仍与低频的相等。

微处理机21。选用八位的80C39单片微处理器，具有4K的地址寻址功能，其引线12-19是数据总线，又是低八位地址总线，另外采用2块D4042作为地址锁存器。地址的高3位用单片机上的P20-P22接口。仪器的所有控制软件均存在27C16的2KEPROM中，运行中的ROM由80C39本身提供。另有6116随机贮存器来存贮野外观测数据，其高3位地址由80C39的接口P10-P12提供、低八位地址则由D4042提供。此外，还采用7块8243外围接口片子，每片提供4组4个共16个外围接口，由80C39的P25-P27的信号经三-八译码C301译码来控制。其输出、输入口接在仪器所需的各控制、反馈端上，从而完成微处理机与仪器各部分的联系。

微处理机软件。与硬件结合作为本机的控制中心，可按需要设置、编程，以实现对各种反馈信号的检则、比较，发布控制信号，协调仪器各部分工作，根据各种反馈信号，控制接收机完成不同的检测功能。对所测结果进行模数转换，数据贮存，以供观测时的人机对话及工后数据回放处理（软件基本框图见附图5）：

1.根据整机需要控制AD模数转换和DA1、DA2模数转换，完成前置放大级和主放级的SP及仪器零点的补偿。

2.为使主放级输出信号在800mv-2000mv之间，微机自动调整前置放大级和主放大级的增益码，实现自动增益控制。

3.控制富里埃变换相干器完成Re_L、Reh、Φ_L、Φ_h、R_s和SP的计算和检测。

4.实现数字移相，消除相移和R_s的底数。

5.存放各测量参数及状态参数（如各组电源电压，前置放大级增益，主放级增益，积分周数），以备调用显示。

6.扫描触摸开关，使触摸开关具有双档功能，以满足仪器操作和显示的需要。

本发明所得参数定为：

高频实分量Reh;低频实分量Re_L;

高频虚分量Imh;低频虚分量Im_L;

自然电位SP;

高频相移Φh＝tg^-1Imh/Reh

Imh/Reh;

低频相移Φl＝tg^-1Im_L/Re_L

Im_L/Re_L;

百分频率效应;

实幅频率R_s＝（（Re_L-Reh）/Reh）×100%。

液晶显示部分24。该电路包括一块3 1/2 液晶显示屏，三块七段译码器/液晶显示驱动器C306，一块四异或门C660，一个82C43接口，两个二分频器，三个反相器及电阻，电容组成。由微机软件控制，将测量参数SP，φ_L，φ_h，R_s，R_L，R_h，和±12v，±6v电源，以及状态参数，前置增益，主放增益，测量积分周数，观测的频率对组号通过接口送到三块七段译码器/液晶显示驱动器至显示屏显示。个位、十位、百位数、千位、符号和小数点均是由接口JS通过四异或门C660送液晶屏显示。液晶显示频率是由电阻，电容和三个反相器组成振荡器经四分频后提供的。

同步信号传送器26是采用光电隔离器。

键盘25本机采用触模开关式键盘，由微机软件控制，实现双挡功能。在键盘上实现八组频率对测量的启动，仪器工作状态、电源状态检查，选择显示所需参数等操作。

接收机的线路需要±6v电源，单片微处理机及其外围芯片需要+3v、-2v电源。因此整机共有四组稳压电源。

Claims

1、一种双频道多参数频谱激电观测系统，包括通过电极向被测系统发送激发电流的发送机和接收电位或电位差的接收机，所述接收机的微处理机部分在软件的支持下，通过接口电路完成如下功能：进行自然电位补偿和仪器零点补偿；实现放大级的自动增益控制；控制A/D和D/A转换器的转换；控制相关测量；实现数字移相，消除仪器本身各参数的底数；数据处理，本发明的特征在于：

1)所述发送机有一个双频形成电路，它将相差一定倍数的高、低两种频率的信号复合，再经驱动电路和逆变器作大功率输出；

2)所述接收机设有模拟量富氏变换相干器，接收的信号经放大级、滤波级处理后，分别由富氏变换相干器直接从中提取高频实分量，高频虚分量，低频实分量，低频虚分量；

3)所述接收机有一个同步信号传送器与发送机连接。

2、根据权利要求1所述的发送机，其特征在于，所述的双频形成电路之前有一个分频电路，将输入的固定高频信号转换成至少一对固定频差的高频和低频信号，分别输出给双频形成电路。

3、根据权利要求2所述的发送机，其特征在于经分频电路转换的高频和低频信号的频差为9∶1或13∶1。

4、根据权利要求3所述的发送机，其特征在于，转换的高、低频信号对在分频电路控制下可按倍频关系形成8组不同级别的频率对。

5、根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述的富氏变换相干器包括一个模拟正弦波发生器或余弦波发生器，在电子开关的控制下，进行正弦或余弦信号与被放大信号中的高频或低频信号的乘法运算，实现富氏变换。

6、根据权利要求5所述的接收机，其特征在于，富氏变换相干器由可预置四位二进制可逆计数器，八通道模拟转换器、触发器、电阻衰减器、与门、或门、跟随器、反相器、电子开关组成。

7、根据权利要求1所述的激电观测系统，其特征在于观测参数为高频实分量、低频实分量、高频虚分量、低频虚分量、高频相位、低频相位、百分频率效应、自然电位。