CN1163764C - 一种主动源频率域电法勘探方法 - Google Patents

Abstract

一种主动源频率域电法勘探方法，本发明通过向地下发送包含2ⁿ+1(n为≥1的实数)个按2ⁿ分布的主频率的伪随机波形的电流作为激励场源，同时通过接收并测量地面各主频率的电位差、振幅和相位(或实分量和虚分量)，各主频率间的相对相位，并计算出各主频率的视电阻率、各频率间的幅频率等多种参数。利用本发明，不但可以分别取代已有的各种主动源频率域电法勘探方法(包括可控源音频大地电磁法CSAMT、频率域测深法、交流(频率域)激发极化法、频谱激发极化法、复电阻率法等)，而且可以将整个主动源频率域电法勘探方法统一起来，具有方便、高效、多参数和高精度的特点。

Description

一种主动源频率域电法勘探方法

技术领域

本发明涉及一种勘探地球物理方法，特别是一种主动源频率域电法勘探方法。

背景技术

频率域电法勘探是寻找金属矿产资源最有效方法之一，并在地下水资源勘查，及在地基探测等工程中有很好的成效，亦在探查油气田方面发挥很好的作用。人工场源频率域激电法和电磁法有很多种，如变频法、复电阻率法、频谱激电法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、频率测深法等等。就其所测的物理量而言，它们有一个共同点：在本质上都是测量复视电阻率随频率的变化，也就是测量复视电阻率的频谱，即测量复视电阻率的振幅谱、相位谱(或实谱和虚谱)中的一种或几种。变频激电法则是测量振幅谱上两个特定的频点。除绝对精度之外，测定频谱的关键是同一量(如振幅)在各频点测定所具有的相对精度，以保证谱的精度。

目前国内外应用的各种人工场源频率域激电法和电磁法，其激励场源均为方波电流，测量方式仅为2种：变频法和奇次谐波法。

变频法是一个频率、一个频率地逐个进行测量，除了工作效率低之外，每个频率所对应的物理量是在不同的时间测量的，所供电流的波形态、幅度的大小很难保持完全不变，不同时间所受到的干扰程度也不相同。因此，所测结果的精度就难于提高，特别是当相邻两频点相差不大时，精度更难满足要求。

奇次谐波法虽然可以用同一时间测量不同频点的量，然而，它有两个致命的弱点；一是相邻频点的频差是固定的，且随着谐波次数的升高，相邻频点的频率越来越近；二是供电电流强度是随着谐波次数的升高而下降的，例如；13次谐波电流的强度只有基波的1/13。在野外条件下，干扰噪声一定时，信噪比随信号减小而降低，因此，各次谐波是在不等精度下测量的。如果供电电流强度只能保证基波的测量精度，那末，高次谐波精度将不能满足要求。如果加大供电电流使最高次谐波保证了精度，那末，对于基波和其它较低次谐波则是浪费。例如，假设供电电流强度为10A便可保证基波所需要的信噪比，又假设最高测到13次谐波，那幺为了保证13次谐波的信噪比，则所需供电电流为130A，在野外条件下要达到这样大的电流，不但需要很大功率的发电机和发送机，而且还要很小的接地电阻。这不仅仅是浪费，限于设备和地质条件，有时甚至是做不到的。

双频电流法是用频差为任意数，而振幅值相当一对频率的电流激励大地，进行激电或电磁测深，使两频点的相对测量精度大为提高。这方法不足之处为每次所观测频率仅为两个。

发明内容

为了克服变频法、奇次谐波法及双频电流法的不足，特提出本发明。

本发明通过向地下发送包含2ⁿ+1(n为≥1的实数)个按2ⁿ分布的主频率的伪随机波形的电流作为激励场源，通过同时接收并测量地面(或钻井中、坑道中)各主频率的电位差的振幅和相位(或实分量和虚分量)，各主频率间的相对相位，并计算出各主频率的视电阻率、各频率间的幅频率等多种参数，从而实现探测地下资源的目的。

本发明采用的激励场源--2ⁿ系列伪随机波形电流，其波形电流既有随机波形电流的特征，又能重复产生，该波形电流包含多个主频率f₁，f₂，f₃...f_i均按2ⁿ步进，如(1、2、4、8...2ⁿ)，相邻两个主频率的频比为f_(i)/f_(i-1)为2，因此这些主频率在对数坐标上呈均匀分布。该波形电流中各个主频率振幅值相差不大，当n＞2时，相邻主频的振幅相对差小于10％；该波形电流中的各个主频率起始相位相同；每种2ⁿ系进制伪随机波形电流所含主频率的个数可以预先给定，如3、5、7...157...个主频率。

本发明的观测系统由发送机和接收机组成，发送机用于一次性发送2ⁿ系列中某一组频率的伪随机波形电流信号，电流信号可设多组频率，各组频率的主频可以部分重迭，也可以不相互重迭，在需要加密频点时，伪随机波形电流信号可采用1.5和1.25倍频点分布。

采用1.5和1.25倍频点时，发送方式为：首先发送最低频率为f₀的一组2ⁿ系列伪随机电流，然后再发送最低频率为αf₀的2ⁿ系列伪随机电流(α＝1.5或1.25，1.5或1.75)，形成1.5倍频点分布，或1.25倍频点分布。例如，第一次发送1Hz，2Hz，4Hz，8Hz，16Hz，...，第二次发送1.5Hz，3Hz，6Hz，12Hz，24Hz，...，组成1Hz，1.5Hz，3Hz，4Hz，6Hz，8Hz，12Hz，16Hz，24Hz，...，的1.5倍频点分布。

接收机可一次性同时接收由发送机发送的2ⁿ系列或加密频点的伪随机信号中的各个主频率的电位差，包括从电位差中分别检测出它们的实分量、虚分量、振幅、相位并可计算各导出参数，包括：

(1)各个主频率电位差的实分量，即实分量谱；

(2)各个主频率电位差的虚分量，即虚分量谱；

(3)各个主频率电位差的振幅，即振幅谱；

(4)各个主频率电位差的绝对相位(绝对相位是指相对于发送电流的相位，即以发送电流的初始相位为零的相位)，即相位谱；

(5)各主频率中任意两个主频率的电位差之间的绝对电位差之差；

(6)用各主频率中任意两个主频的电位差按下式计算“幅频率”(F_s(i，j))

$F_s(i,j)=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_i-{\mathrm{\ΔV}}_j}{{\mathrm{\ΔV}}_i}\×100\%$

式中ΔV表示电位差，i和j为主频率的顺序数，i＜j；

(7)发送的各主频率的电流(I)和接收的各主频率的电位差ΔV，按下式计算各个主频率的视电阻率ρ_s

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{\mathrm{\ΔV}}{I}\×K$ (式中K为装置系数)。

本发明采用的2ⁿ系列伪随机波形电流最低频率为2^-9＝0.0019531Hz，最高频率为2¹⁶＝65536Hz，在实际工作中可选择2^-9Hz～2¹⁶Hz中的某频段。

利用本发明，不但可以分别取代已有的各种主动源频率域电法勘探方法(包括可控源音频大地电磁法CSAMT、频率域测深法、交流(频率域)激发极化法、频谱激发极化法、复电阻率法等)，而且可以将整个主动源频率域电法勘探方法统一起来，具有方便、高效、多参数和高精度的特点。相对于目前普遍以方波为场源的频率域电法勘探，本发明用2ⁿ系列伪随机信号作为频率域电法勘探的场源，不但频点分布十分合理，在供电电流增大为以方波为场源时供电电流的1倍到3.8倍的情况下提高工作效率2倍到14倍。2ⁿ系列伪随机信号的n越大，对工作效率的提高就越明显。特别是由于伪随机信号频率域电法勘探是在一次观测中完成多个频率的测量，这样就将环境温度、湿度、仪器参数、各种干扰和噪声、发送机供电电流等随时间而变化的因素对观测结果的影响降低到最低限度，从而提高了观测结果的有效精度和可信度。接收机将所观测的2ⁿ系列伪随机信号离散成数字信号后送到通用计算机上进行数字滤波、多个周期信号迭加等高精度浮点运算，进一步提高了观测信号的信噪比。

本发明用于频谱激电法，可以快速区分矿与非矿异常；用于电磁法可以快速获得测深数据。

附图说明

图1：本发明发送机电原理方框图；

图2：本发明接收机电原理方框图；

图3：伪随机波形及振幅谱示例(三频波)；

图4：伪随机波形及振幅谱示例(五频波)；

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

1.本发明的观测系统由发送机和接收机组成，观测系统输入阻抗≥40MΩ，发送机与接收机之间采用光电同步控制，发送机由：80C32单片机1-1，波形合成及驱动电路1-2，供电主回路(逆变器)1-3，过流保护电路1-4，电流采样电路1-5，欠压检测电路1-6，频率选择电路1-7，光电同步电路1-8，音响电路1-9，电源电路1-10，驱动同步电路1-11以及取样电阻R组成，如图1所示。

接收机由接地电阻均衡电路2-1，功能转换开关电路2-2，阻抗变换电路2-3，50Hz双T陷波电路2-4，高通及低通滤波电路2-5，程控放大电路2-6，16位A/D转换电路2-7，光电同步电路2-8，欠压检测电路2-9，频率选择电路2-10，80C32单片机系统2-11，电源部分2-12组成，如图2所示。

发送机和接收机均设8组频率，每个频点代表1组频率，每组频率中含有5个主频率，可根据实际的需要加以选择。5个主频率任何相邻两个主频率之间的频比为2。接收机采集到一个周期的信号后，传送到计算机进行处理，即时得到每组信号的5个主频率的电位差ΔV、视幅频率F_s、绝对相位φ及相对相位Δφ，观测系统设有双T陷波、数字滤波和多次迭加等信号处理技术，以提高观测系统抗干扰能力和观测精度。五频波波形及振幅谱如图4所示。

当作激发极化法(IP)、频谱激电(SIP)时其频点与频率对应关系如表1所示。

从表1可以看出其频率范围为：0.015625Hz～32Hz。

当作激电普查工作时可选择1组频率如4频点；当作频谱激电时只需用0、4、7三组频率即可得到12个不同的2′进制频率，其频率范围为0.015625Hz～32Hz的频谱。三频波波形及振幅谱如图3所示。

观测系统发送机的发送频率和接收机的接收频率均采用单片机控制，只需改变软件程序即可改变每个频点的主频率，如作CSAMT法时可采用表2所示的频率组合，其频率范围为0.000967Hz～8192Hz。

表1：本发明当作激发极化法(IP)、频谱激电(SIP)时其频点与频率对应关系

频点号	主频f1(Hz)	主频f2(Hz)	主频f3(Hz)	主频f4(Hz)	主频f5(Hz)
						0	2-6＝0.015625	2-5＝0.03125	2-4＝0.0625	2-3＝0.415	2-2＝0.25
1	2-5＝0.03125	2-4＝0.0625	2-3＝0.125	2-2＝0.25	2-1＝0.5
						2	2-4＝0.0625	2-3＝0.125	2-2＝0.25	2-1＝0.5	20＝1
3	2-3＝0.125	2-2＝0.25	2-1＝0.5	20＝1	21＝2
						4	2-2＝0.25	2-1＝0.5	20＝1	21＝2	22＝4
5	2-1＝0.5	20＝1	21＝2	22＝4	23＝8
						6	20＝1	21＝2	22＝4	23＝8	24＝16
7	21＝2	22＝4	23＝8	24＝16	25＝32

表2：本发明用作CSAMT法时采用的频率组合

频点号	主基频f1(Hz)	主基频f2(Hz)	主基频f3(Hz)	主基频f4(Hz)	主基频f5(Hz)
						0	2-10＝0.000967	2-9＝0.001953125	2-8＝0.0039625	2-7＝0.0078125	2-6＝0.015625
1	2-6＝0.015625	2-5＝0.03125	2-4＝0.0625	2-3＝0.125	2-2＝0.25
						2	2-2＝0.25	2-1＝0.25	20＝1	21＝2	22＝4
3	22＝4	23＝8	24＝16	25＝32	26＝64
						4	26＝64	27＝128	28＝256	29＝512	210＝1024
5	210＝1024	211＝2048	212＝4096	213＝8192	214＝16348

Claims (2)

1.一种主动源频率域电法勘探方法，其特征在于：通过向地下发送包含2ⁿ+1个按2ⁿ分布的主频率的伪随机波形的电流作为激励场源，通过同时接收并测量地面各主频率的电位差的振幅和相位，各主频率间的相对相位，并计算出各主频率的视电阻率、各频率间的幅频率等多种参数；其中：

采用的激励场源的波形电流包含多个主频率f₁，f₂，f₃...f_i均按2ⁿ步进，相邻两个主频率的频比为f_(i)/f_(i-1)为2，该波形电流中各个主频率振幅值相差不大，当n＞2时，相邻主频的振幅相对差小于10％；该波形电流中的各个主频率起始相位相同；每种2ⁿ系进制伪随机波形电流所含主频率的个数可以预先给定，如3、5、7...157...个主频率；

采用的2ⁿ系列伪随机波形电流最低频率为2^-9＝0.0019531Hz，最高频率为2¹⁶＝65536Hz，最好的频率范围为2^-9Hz～2¹⁶Hz。

2.一种实现权利要求1所述方法的观测系统，包括发送机和接收机，其特征在于：观测系统输入阻抗≥40MΩ，发送机与接收机之间采用光电同步控制，发送机包括80C32单片机，波形合成及驱动电路，供电主回路，过流保护电路，电流采样电路，欠压检测电路，频率选择电路，光电同步电路，音响电路，电源电路，驱动同步电路以及取样电阻R；

接收机包括接地电阻均衡电路，功能转换开关电路，阻抗变换电路，50Hz双T陷波电路，高通及低通滤波电路，程控放大电路，16位A/D转换电路，光电同步电路，欠压检测电路，频率选择电路，80C32单片机系统，电源部分；

发送机和接收机均设8组频率，每个频点代表1组频率，每组频率中含有5个主频率；5个主频率任何相邻两个主频率之间的频比为2，接收机采集到一个周期的信号后，传送到计算机进行处理，即时得到每组信号的5个主频率的电位差ΔV、视幅频率F_s、绝对相位φ及相对相位Δφ，观测系统设有双T陷波、数字滤波和多次迭加等信号处理技术；

发送机用于一次性发送2ⁿ系列中某一组频率的伪随机波形电流信号，电流信号可设多组频率，各组频率的主频可以部分重迭，也可以不相互重迭，在需要加密频点时，伪随机波形电流信号可采用1.5和1.25倍频点分布；

采用1.5和1.25倍频点时，发送方式为：首先发送最低频率为f₀的一组2ⁿ系列伪随机电流，然后再发送最低频率为αf₀的2ⁿ系列伪随机电流，其中α＝1.5或1.25，1.5或1.75，形成1.5倍频点分布，或1.25倍频点分布；

接收机用于接收由发送机发送的2ⁿ系列或加密频点的伪随机信号中的各个主频率的电位差，包括从电位差中分别检测出它们的实分量、虚分量、振幅、相位并可计算各导出参数，包括：

(1)各个主频率电位差的实分量，即实分量谱；

(2)各个主频率电位差的虚分量，即虚分量谱；

(3)各个主频率电位差的振幅，即振幅谱；

(4)各个主频率电位差的绝对相位；

(5)各主频率中任意两个主频率的电位差之间的绝对电位差之差；

(6)用各主频率中任意两个主频的电位差按下式计算“幅频率”F_s(i，j)

$F_S(i,j)=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_i-{\mathrm{\ΔV}}_j}{{\mathrm{\ΔV}}_i}\×100\%$

式中ΔV表示电位差，i和j为主频率的顺序数，i＜j；

(7)发送的各主频率的电流I和接收的各主频率的电位差ΔV，按下式计算各个主频率的视电阻率ρ_s ${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{\mathrm{\ΔV}}{I}\×K$ 式中K为装置系数。