CN103941294A - 大功率频谱激电探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率频谱激电探测系统，发送机在主控平台的控制下输出伪随机信号电流或方波电流，通过发送电极发送至地下以激励大地产生激发极化电场，多通道接收机通过接收电极接收不同地层深度激发极化电场信息并转化为电压信号，并采集发送机的发送电流信号一起反馈给主控平台，主控平台采用基于FFT变换的采集数据处理方法对接收的信号进行处理后得到幅度谱和相位谱，并通过频谱激电法得到激电参数，完成勘探。本发明主要应用于陆地地质勘探，提高勘探效率和精度。

Description

大功率频谱激电探测系统

技术领域

本发明属于陆地地质勘探仪器技术领域，更为具体地讲，涉及一种大功率频谱激电探测系统。

背景技术

随着国民经济的发展，资源短缺和环境恶化是目前人类面临的重大问题。我国是矿业大国，矿产资源丰富，但总体探明率平均只为36％，待勘查矿产资源潜力巨大。随着全球矿产资源消耗量快速增长，地表及浅部矿产资源已越来越少，向第二深度空间(500-2000m)寻找矿产资源成为各国的发展趋势。必须利用先进的勘察和探测装备进行地下油气、矿产、地下水资源探查，工程探测和环境(地质灾害)监测，是解决第二深度空间矿产资源的勘探问题的重要途径，研究与发展先进的地下目标探测技术及仪器装备就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大功率频谱激电探测系统，提高勘探效率和精度。

为实现上述发明目的，包括主控平台、多通道接收机、发送机、交流发电机，其中：

主控平台生成发送控制信号和采集控制信号发送给多通道接收机，接收来自多通道接收机的电压信号和电流信号，将时域的电压信号和电流信号通过FFT变换得到频域信号，采用搜索峰值法提取得到基波和所需各次谐波的幅值和相位，采用频谱校正法对各谱线求出谱线校正量，再采用窗函数对幅度和相位进行校正，将各谐波分量的电压信号和电流信号的幅值相除得到电阻率值，将相位相减得到相位差值，再采用频谱激电法得到激电参数；

多通道接收机包括数字输出模块、模拟信号同步采集模块、同步时钟模块、电池供电单元，其中，数字输出模块接收发送控制信号，生成发送信号的PWM波，发送信号为伪随机信号或方波信号，数字输出模块将发送控制信号和PWM波输出至发送机；模拟信号同步采集模块接收采集控制信号，通过接收电极采集不同地层深度的激发极化信号并转化为电压信号，同步采集发送机的发送电流信号，模拟信号同步采集模块将电压信号和电流信号均反馈给主控平台；同步时钟模块生成同步时钟，发送给数字输出模块、模拟信号同步采集模块和发送机；电池供电单元向数字输出模块、模拟信号同步采集模块和同步时钟模块供电；

发送机接收来自接收机的发送控制信号、PWM波和同步时钟，以及来自交流发电机的激励动力源，根据发送控制信号中的控制参数，生成与PWM波同频同相的交变电流信号，通过发送电极发送至地下以激励大地产生激发极化电场；

交流发电机用于向发送机提供激励动力源。

本发明大功率频谱激电探测系统，发送机在主控平台的控制下输出伪随机信号电流或方波电流，通过发送电极发送至地下以激励大地产生激发极化电场，多通道接收机通过接收电极接收不同地层深度激发极化电场信息并转化为电压信号，并采集发送机的发送电流信号一起反馈给主控平台，主控平台采用基于FFT变换的采集数据处理方法对接收的信号进行处理后得到幅度谱和相位谱，并通过频谱激电法得到激电参数，完成勘探。本发明具有以下有益效果：

(1)本发明大功率频谱激电探测系统的电流发送采用伪随机信号，利用伪随机信号的特性，从而提高野外数据采集的效率和精度；

(2)主控平台采用基于FFT变换的采集数据处理方法，将接收机反馈的电压信号和电流信号变换成频域信号，可以利用大地噪声在频率域的分布特性，在频率域可以有效的避开大地噪声的干扰，这样就可以提高相位检测的抗干扰能力，从而提高相位检测的精度；

(3)主控平台在对采集数据处理时，采用频谱校正法和窗函数对中间数据进行校正，从而提高处理结果的准确度。

附图说明

图1是本发明大功率频谱激电探测系统的一种具体实施方式结构图；

图2是基于FFT变换的采集数据处理流程示意图；

图3是本发明大功率频谱激电探测系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明大功率频谱激电探测系统的一种具体实施方式结构图。如图1所示，本发明大功率频谱激电探测系统包括主控平台1、多通道接收机2、发送机3、交流发电机4，下面对几个组成部件进行详细说明。

(1)主控平台

主控平台1是大功率频谱激电探测系统的控制平台，主要完成对多通道接收机2和发送机3的控制，并对采集的数据进行处理与分析。本实施例中，采用LabVIEW开发基于虚拟仪器的SIP仪，作为主控平台。

在控制阶段，主控平台1生成发送控制信号和采集控制信号发送给多通道接收机2，其中发送控制信号包括激励电压信号、发送机启动信号等，由多通道接收机2转发给发送机3，发送控制信号主要用于控制发送机的开关的发送电压大小。在采集数据处理阶段，主控平台1接收来自多通道接收机2的电压信号和电流信号，将时域的电压信号和电流信号通过FFT变换得到频域信号，采用搜索峰值法提取得到基波和所需各次谐波的幅值和相位，采用频谱校正法对各谱线求出谱线校正量，再采用窗函数对幅度和相位进行校正，将各谐波分量的电压信号和电流信号的幅值相除得到电阻率值，将相位相减得到相位差值，再采用频谱激电法得到激电参数。图2是基于FFT变换的采集数据处理流程示意图。如图2所示，其具体步骤包括：

S201：对每路时域信号进行处理，包括电压信号和电流信号，去除直流分量。

S202：对每路时域信号进行低通滤波，滤除高频噪音。

S203：对每路时域信号进行FFT变换得到频域信号。在实际应用中，由于负频率没有意义，因此得到的频域信号要舍弃负频率部分，将正频率处分量加倍，即得到的频域信号为单边谱。

S204：通过搜索峰值法找到所需谐波分量(基波和所需各次谐波)在频域内的位置。

S205：根据搜索到的位置找到对应频率处的幅度值和相位值。

S206：采用频谱校正方法求出谱线校正量。频谱校正方法可以根据信号频段选择合适的方法，例如比值校正法：利用频率归一化后差值为1的主瓣峰顶附近二条谱线的窗谱函数比值，建立一个以校正频率为变量的方程，解出校正频率，进而进行幅值和相位校正；相位校正法：对连续时域信号分前后两段作傅立叶变换,利用其对应离散谱线的相位差校正出谱峰处的准确频率和相位；此外还有能量重心校正法、FFT+FT谱连续细化分析傅立叶变换等多种方法。

S207：采用窗函数对幅度和相位进行校正。窗函数可以根据需要选择矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗等。

S208：将各谐波分量的电压信号和电流信号的幅度相除得到电阻值，相位相减得到相位差值，根据电阻值和相应的装置系数计算得到电阻率值，根据电阻率值和相位差值即可得到电阻率谱和相位谱，再采用频谱激电法得到激电参数。本实施例中，由于有8路电压信号，因此每路电压信号都需要和电流信号进行计算。

本实施例中，主控平台1提供人机交互界面，以供操作人员对系统进行操作。发送和采集控制信号根据操作人员设置的仪器参数配置来生成，通常仪器参数包括：装置类型(对称四极或偶极)、信号类型(方波或伪随机信号)、信号频点(方波包括1/128Hz、1/8Hz、1/5Hz、2Hz、4Hz、14Hz，伪随机信号包括1/128Hz、9/320Hz、2Hz)、激励电压(100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V)、采集的通道号(根据现场装置类型和接收电极的排布选择)和极距(根据实际电极位置确定)。数据预处理即为从多通道接收机2的电压信号和电流信号中得到电阻率值和相位差值，本实施例中，主控平台1可以对相位谱和电阻率谱进行实时显示，以供操作人员观察。本实施例中，主控平台1集成有数据反演解释及成图软件，通过频谱激电法分析相位谱和电阻率谱的数据，用不同的模型做实测视频谱的拟合反演可以分离它们，进而达到去电磁谱(EM)响应(去耦)，并求取4个激电谱(IP)参数：ρs(视复电阻率)、ms(视充电率)、ts(视时间常数)、cs(视频率相关系数)，最终获得四个参数的解释成果拟断面图，以达到勘探的目的。通常主控平台1会将得到的历史数据和分析得到的图形进行存储以供后期查询和分析。

本实施例中，主控平台还配置有仪器状态监测功能，通过采集各部件模块的电压或电流信号等参数，对仪器的运行状态进行监测。

(2)多通道接收机

多通道接收机2包括数字输出模块201、模拟信号同步采集模块202、同步时钟模块203、电池供电单元204，本实施例中还包括同步卡槽205。其中，数字输出模块201接收主控平台1发送的发送控制信号，生成发送信号的PWM波，发送信号为伪随机信号或方波信号，数字输出模块201将发送控制信号和PWM波输出至发送机；模拟信号同步采集模块202接收采集控制信号，通过接收电极采集不同地层深度的激发极化信号并转化为电压信号，同步采集发送机3的发送电流信号，模拟信号同步采集模块202将电压信号和电流信号均反馈给主控平台1；同步时钟模块203生成同步时钟，发送给数字输出模块201、模拟信号同步采集模块202和发送机3，同步控制发送机3的电流发送和多通道接收机2的数据采集；电池供电单元204向数字输出模块201、模拟信号同步采集模块202和同步时钟模块203供电。

本发明在发送信号中加入了伪随机信号。本实施例通过采用LabVIEW中的数组vi构造出具有一定数学关系的伪随机信号序列。伪随机序列通过数字输出单元202输出时选择占空比和频率的组合方式，通过序列伪随机信号的游程编码算法可以求得一个周期的该伪随机信号的所有PWM波的组合参数。产生的伪随机信号幅度谱中频率具有在对数坐标上均匀分布的特点，非常适合应用于地球物理勘探。同时通过对伪随机序列进行设置，可以使得一个周期的伪随机电流信号的发送可以获得幅度相当的若干个频点的信息，既可保证野外数据采集的工作效率，又使得各个频点的幅度较大，信号的信噪比也较好，有效地解决了大功率频谱激电探测系统野外数据采集的效率和数据采集精度之间的矛盾。

本实施例中，数字输出单元201为数字输出卡，具有8个输出通道，每个通道均具有过压保护、过流保护和短路保护功能。模拟信号同步采集模块202为模拟输入采集卡，最多可同时采集16个差分通道，最大电压范围可以达到±10V。数字输出卡和模拟输入采集卡通过标准接口与同步卡槽205连接，同步卡槽205提供与主控平台1连接的通信接口，可以根据需要选择通信方案，例如RJ45网线通信或WIFI无线通信等。数字输出卡和模拟输入采集卡集成度较高，可以有效缩小多通道接收机的体积，进而缩小大功率频谱激电系统的体积。并且，采用同步卡槽205还可以提高同步精度。

本实施例中，同步时钟模块203包括恒温晶振时钟模块和GPS时钟模块。对于单台发送机和接收机，采用恒温晶振时钟模块，恒温晶振技术的同步控制精度可达皮秒级(10-12秒)。当采用多台接收机和发送机组成采集站时，同步可以采用基于GPS授时信号的分布式同步控制技术，即采用全球卫星定位系统所提供的授时信号对多台发送机和接收机进行时钟校准，这样可以有效保证多台接收机和发送机的同步工作，其控制精度可达纳秒级(10-9秒)。

接收电极(M0-M8)通过电缆连接模拟信号同步采集模块202，构成8个差分通道，从而得到8路电压信号。本实施例中，接收电极采用低频电场传感器，接收电极得到的信号会先通过信号处理电路进行预处理后，再送入模拟信号同步采集模块202。

(3)发送机

发送机3接收来自接收机2的发送控制信号、PWM波和同步时钟，以及来自交流发电机4的激励动力源，根据发送控制信号中的控制参数生成与PWM波同频同相的交变电流信号，通过发送电极(A和B)发送至地下以激励大地产生激发极化电场。本实施例中，发送机3的最大功率为30kW。如图1所示，本实施例中发送机3具体包括：

DSP控制器301，接收来自接收机数字输出模块201的发送控制信号、PWM波与检测电路的反馈信号，向电源管理电路302、驱动电路发送控制信号，并将PWM波发送给驱动电路。DSP控制器301配置有E2PROM存储模块，用于存储一些DSP控制信息和相关检测数据。

电源管理电路302，根据控制信号中的电源控制参数，分别向激励电源和驱动电源发送供电控制信号。

整流电路模块306，接收交流发电机4的电压，本实施例中为220V，输出设定电压值的电压信号至激励电源。该电压信号为后续激励逆变主电路模块307的母线直流电压，电压大小可由主控平台1进行控制，本实施例中可以输出100～1500V，每100V步进的电压值。

激励电源305，接收整流电路模块306发送的电压信号，发送给驱动电源304，并根据接收到的供电控制信号向激励逆变主电路307供电。

驱动电源304，接收激励电源305发送的电压信号，并根据接收到的供电控制信号向驱动电路303供电。

驱动电路303，接收PWM波，对激励逆变主电路模块307进行控制。增大PWM信号的电流，同时还可以使数字输出信号(PWM波)与激励逆变主电路模块307(即模拟电路部分)实现电气隔离。

激励逆变主电路模块307，在驱动电路303控制下产生交变电流信号，该交变电流信号的电压值大小与整流电路模块306输出的母线直流电压相同，与PWM波同频同相，该交变电流信号通过发送电极输出。本实施例中，激励逆变主电路模块307的开关管采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，交变电流信号的最大输出电流为20A。

检测电路308，采集激励逆变主电路模块307输出的交变电流信号的电压、电流、和频率，作为反馈信号发送给信号调理与处理模块309。这些反馈信号用于DSP控制器301判断发送机是否工作正常，如果不正常则发送控制指令进行调整。

信号调理与处理模块309，将反馈信号进行信号调理，发送给AD转换模块310。

AD转换模块310，将调理后的反馈信号转化为数字信号，发送给DSP控制器301。

本实施例中，发送机3还包括温度检测模块311，用于实时监测发送机3内部的温度，并将该检测值通过信号调理与处理模块309、AD转换模块310后传给DSP控制器，当检测值不正常时发出报警并做出相应的操作。

(4)交流发电机

交流发电机用于向发送机提供激励动力源。本实施例采用大功率交流发电机，可以输出稳定的220V交流电压，最大输出功率可以达到30kW，能够在恶劣的野外环境中持续工作。

在进行频谱激电探测前，首先需要对大功率频谱激电探测系统进行布置，根据需要安置发送电极、接收电极等。图3为本发明大功率频谱激电探测系统的工作流程图。如图3所示，本发明大功率频谱激电探测系统的工作流程包括以下步骤：

S301：参数配置：系统启动后，操作人员对系统参数进行配置，包括装置类型、信号类型、信号频点、发送机的激励电压大小、采集通道号、极距等。

S302：主控平台发出激励电压信号：

主控平台通过接收机的数字输出单元向发送机发送激励电压信号，对激励电压大小进行设置。

S303：发送机接收激励电压信号并设置：

发送机收到激励电压信号后，对整流电路进行设置，选择相应的电压变换档位。

S304：主控平台发送发送机启动信号：

系统启动时，发送机只是上电，处于待机状态，并未发送信号。主控平台通过接收机的数字输出单元向发送机发送启动信号。

S305：发送机启动内部转换电路：

发送机接收到启动信号后，启动内部电路，准备发送信号。

S306：发送PWM波并启动采集：

主控平台控制接收机的数字输出单元向发送机发送PWM波，同时主控平台向接收机发送采集控制信号使接收机开始采集信号。

S307：信号采集并存储：

接收机持续通过接收电极进行信号采集，并将采集得到的信号反馈给主控平台，由主控平台对采集信号进行预处理和存储。

S308：数据处理与分析：

主控平台对采集到的电压信号和电流信号采用FFT变换得到频域信号，提取基波和各次谐波的幅值和相位并进行校正，进而得到电阻率谱和相位谱，再采用频谱激电法得到激电参数，完成探测。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种大功率频谱激电探测系统，其特征在于，包括主控平台、多通道接收机、发送机、交流发电机，其中：

主控平台生成发送控制信号和采集控制信号发送给多通道接收机，接收来自多通道接收机的电压信号和电流信号，将时域的电压信号和电流信号通过FFT变换得到频域信号，采用搜索峰值法提取得到基波和所需各次谐波的幅值和相位，采用频谱校正法对各谱线求出谱线校正量，再采用窗函数对幅度和相位进行校正，将将各谐波分量的电压信号和电流信号的幅值相除得到电阻率值，将相位相减得到相位差值，再采用频谱激电法得到激电参数；

多通道接收机包括数字输出模块、模拟信号同步采集模块、同步时钟模块、电池供电单元，其中，数字输出模块接收发送控制信号，生成发送信号的PWM波，发送信号为伪随机信号或方波信号，数字输出模块将发送控制信号和PWM波输出至发送机；模拟信号同步采集模块接收采集控制信号，通过接收电极采集不同地层深度的激发极化信号并转化为电压信号，同步采集发送机的发送电流信号，模拟信号同步采集模块将电压信号和电流信号均反馈给主控平台；同步时钟模块生成同步时钟，发送给数字输出模块、模拟信号同步采集模块和发送机；电池供电单元向数字输出模块、模拟信号同步采集模块和同步时钟模块供电；

发送机接收来自接收机的发送控制信号、PWM波和同步时钟，以及来自交流发电机的激励动力源，根据发送控制信号中的控制参数，生成与PWM波同频同相的交变电流信号，通过发送电极发送至地下以激励大地产生激发极化电场；

交流发电机用于向发送机提供激励动力源。

2.根据权利要求1所述的大功率频谱探测系统，其特征在于，所述发送机包括：

DSP控制器，接收来自接收机数字输出模块的发送控制信号、PWM波与检测电路的反馈信号，向电源管理电路、驱动电路发送控制信号，并将PWM波发送给驱动电路；

电源管理电路，根据控制信号中的电源控制参数，分别向激励电源和驱动电源发送供电控制信号；

整流电路模块，接收交流发电机的电压，输出设定电压值的电压信号至激励电源；

激励电源，接收整流电路模块发送的电压信号，发送给驱动电源，并根据接收到的供电控制信号向激励逆变主电路供电；

驱动电源，接收激励电源发送的电压信号，并根据接收到的供电控制信号向驱动电路供电；

驱动电路，接收PWM波，对激励逆变主电路模块进行控制；

激励逆变主电路模块，在驱动电路控制下产生交变电流信号，该交变电流信号的电压值大小与整流电路输出的母线直流电压相同，与PWM波同频同相，该交变电流信号通过发送电极输出；

检测电路，采集激励逆变主电路模块输出的交变电流信号的电压、电流、和频率，作为反馈信号发送给信号调理与处理模块；

信号调理与处理模块，将反馈信号进行信号调理，发送给AD转换模块；

AD转换模块，将调理后的反馈信号转化为数字信号，发送给DSP控制器。

3.根据权利要求2所述的大功率频谱激电探测系统，其特征在于，所述激励逆变主电路模块中的开关管采用绝缘栅双极型晶体管。

4.根据权利要求1所述的大功率频谱激电探测系统，其特征在于，所述发送机还包括温度检测模块，用于实时监测发送机内部温度，将监测信号通过信号调理与处理模块、AD转换模块发送给DSP控制器。

5.根据权利要求1所述的大功率频谱激电探测系统，其特征在于，所述接收电极为低频电场传感器。

6.根据权利要求1所述的大功率频谱激电探测系统，其特征在于，所述接收机还包括同步卡槽，所述数字输出单元为数字输出卡，所述模拟信号同步采集模块为模拟输入采集卡，数字输出卡和模拟输入采集卡通过标准接口与同步卡槽连接，同步卡槽提供与主控平台连接的通信接口。

7.根据权利要求1所述的大功率频谱激电探测系统，其特征在于，所述同步时钟模块包括恒温晶振时钟模块和GPS时钟模块。