CN1292265C

CN1292265C - 一种地电场伪随机三频地电响应测量装置

Info

Publication number: CN1292265C
Application number: CN 200510031324
Authority: CN
Inventors: 何继善
Original assignee: JISHAN HIGH TECH Co Ltd HUNAN PROV
Current assignee: JISHAN HIGH TECH Co Ltd HUNAN PROV
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: CN1683941A

Abstract

本发明公开了一种地电场伪随机三频地电响应测量装置，其包括伪随机三频信号发送机和伪随机双道三频地电场信号采集接收机，所述伪随机三频信号发送机包括单片机系统、驱动器、逆变器、直流高压电源、取样电阻、过流保护电路、电流测量电路、同步电路、频率选择电路，欠压检测电路和声音报警电路；所述伪随机双道三频地电场信号采集接收机由参数完全相同的至少两个三频波信号提取通道和单片机系统组成。利用本发明进行伪随机三频电法勘探，可大大提高频率域电法勘探的效率，节省能源，降低成本，可同时获得数个通道三个频率的相对相位资料，为发现硫化矿产的激电异常、分辨异常引起的原因和确定异常的性质，提供现有电探方法无法提供的宝贵资料。

Description

一种地电场伪随机三频地电响应测量装置

技术领域

本发明涉及一种地电场伪随机三频地电响应测量装置，尤其是涉及一种地球物理勘查中能同时提供含有三个主频率的电流，同时测量三个主频率的地电响应，包括响应电位差的振幅和相对相位的测量装置。

背景技术

现有的频率域电法勘探方法，不论是频率域电磁法，还是频率域激电法，采用的供电电流大多只含有一个主频率，例如变频法和奇次谐波法。为了获得不同频率的地电场响应(这意味着不同的探测深度或者不同的地电化学特点)，或者需要改变频率(变频法)，或者因获得的信号太弱而需要提供强大的电流(奇次谐波法)。这两类方案都不利于提高地电场观测的效率和精度，也无法获得相对相位的资料，不能提供分辨矿体和/或非矿的信息。本发明者曾经提出过一次同时供、测两个频率地电场响应的双频电法，但其观测效率仍然较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有勘查地球物理电法勘探所使用的地电场供电方式与测量装置的缺陷，提供一种勘探效率高，劳动强度低，节省能源的地电场伪随机三频双通道地电响应测量装置。

本发明的技术方案如下。

本发明之地电场伪随机三频地电响应测量装置包括伪随机三频信号发送机和伪随机双道三频地电场信号采集接收机。

所述伪随机三频信号发送机包括单片机系统、驱动器、逆变器、直流高压电源、取样电阻、过流保护电路、电流测量电路、同步电路、频率选择电路；优选方案还包括有欠压检测电路和声音报警电路。所述同步电路的输出端连接到单片机系统的中断输入端，频率选择电路的输出端连接到单片机系统的I/O口，单片机系统通过I/O口控制驱动器，驱动器连接到逆变器，直流高压电源与逆变器连接，逆变器的输出端与接线柱A和接线柱B连接。取样电阻与直流高压电源和逆变器连接，取样电阻的输出分两路，一路与过流保护电路连接，另一路与电流测量电路连接，过流保护电路的输出端通过信号线连接到驱动器，并通过另一信号线连接到单片机系统。电路测量电路的输出连接到单片机系统的I/O口。所述欠压检测电路的输出端也连接到单片，机系统的I/O口，单片机系统通过I/O口连接到声音报警电路。

所述直流高压电源电压可在20-1000V间(含两个端点)选择，优选200--600V。

所述伪随机双道三频地电场信号采集接收机由参数完全相同的至少两个三频波信号提取通道和单片机系统组成，每个信号提取通道由电场传感器、共同通道、低频通道、中频通道、高频通道、A/D转换电路和定时与控制逻辑电路组成，所述电场传感器的输出端连接到共同通道的输入端，共同通道的输出端分别连接到低频通道、中频通道和高频通道的输入端，低频通道、中频通道和高频通道的输出端分别连接到A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端通过I/O接口线再连接到单片机系统，单片机系统通过I/O接口线连接到定时与控制逻辑电路。

以下所述为信号提取通道更具体的一种结构。

电场传感器的输出端连接到高通滤波电路的输入端，高通滤波电路的输出端连接到前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接到低通滤波电路的输入端，中级放大电路的输入端连接到低通滤波电路的输出端，中级放大电路的输出端通过信号线分别连接到低频带通滤波电路、中频带通滤波电路、高频带通滤波电路的输入端；低频带通滤波电路的输出端连接到低频放大器的输入端，低频放大器的输出端连接到低频检波与积分电路的输入端，低频检波与积分电路输出端连接到积分式A/D转换电路的输入端；中频带通滤波电路的输出端连接到中频放大器的输入端，中频放大器的输出端连接到中频检波与积分电路的输入端，中频检波与积分电路输出端连接到积分式A/D转换电路的输入端；高频带通滤波电路的输出端连接到高频放大器的输入端，高频放大器的输出端连接到高频检波与积分电路的输入端，高频检波与积分电路输出端连接到积分式A/D转换电路的输入端；积分式A/D转换电路的输出端连接到单片机系统的输入端，单片机系统40通过I/O接口线连接到定时与控制逻辑电路。

共同通道由高通滤波电路、前置放大电路、低通滤波电路、中级放大电路依次串联组成。

所述信号提取通道一般为两个，也可以为三个或更多个。

以上所述各种电路均可从有关公知电路中选用。

测量时宜采用如附图1所示的电流波形作为测量电流波形，使供入地下的电流按图1(a)或(b)所示的波形变化，在数学上，图1(a)所示的波形可写为：

I₀ -T/2＜t＜-T/8

I(t)＝-I₀ -T/8＜t＜0 (1)

I₀ 0＜t＜T/8

-I₀ T/8＜t＜T/2

而图1(b)的波形可写为：

I₀ -T/2＜t＜-11T/32

-I₀ -11T/32＜t＜-10T/32

I₀ -10T/32＜t＜-9T/32

-I₀ -9T/32＜t＜-8T/32

I₀ -8T/32＜t＜-3T/32

-I₀ -3T/32＜t＜-2T/32

I₀ -2T/32＜t＜-T/32

I(t)＝-I₀ -T/32＜t＜0 (2)

I₀ 0＜t＜T/32

-I₀ T/32＜t＜2T/32

I₀ 2T/32＜t＜3T/32

-I₀ 3T/32＜t＜8T/32

I₀ 8T/32＜t＜9T/32

-I₀ 9T/32＜t＜10T/32

I₀ 10T/32＜t＜11T/32

-I₀ 11T/32＜t＜T/2

公式(1)表示的电流，三个主频率分别是f、2f和4f，三者的振幅分别是0.9003I₀、0.6366I₀和0.6366I₀，三者在总能量中占有的份额分别是40.53％、20.26％和20.26％，三者能量之和占了供入地下的总能量的80％以上。

公式(2)表示的电流，三个主频率分别是f、4f和16f，三者的振幅分别是0.6626I₀、0.6366I_o和0.6366I₀，三者在总能量中占有的份额分别是21.95％、20.26％和20.26％，三者能量之和占了供入地下总能量的60％以上。

还可以设计其他多种频率间隔和/或能量分配与公式(1)、(2)不同的伪随机三频电流。但经过实验筛选，以上述两种形式的伪随机三频电流更加适合勘查地球物理的需要。

伪随机三频振幅及相对相位测量的原理如下：

在频率域电磁法中，探测深度与供入地下的电流的频率有如下关系：

D＝356ρ/f (3)

(3)式中，D是探测深度，ρ是被探测物质的电阻率，f是供入地下的电流的频率。(3)式表明，送入地下的电流的频率越低，探测深度越大。将如图1所示的含有三个主频率的人工电流供入地下，就能一次获得三个深度的地电响应信息。

在频率域激电法中，地下是否存在金属矿产一类的地质目标，一方面反映为地电场电位差响应的振幅的差异，这种差异可用下式定义的叫做幅频率的参数来衡量：

F_s＝(|ΔV_D|-|ΔV_G|)/|ΔV_G| (4)

(4)式中，F_s-幅频率，ΔV_D-低频响应电位差，ΔV_G-高频响应电位差。

另一方面，也反映为高、中、低频响应的相对相位差：

Δ_D-z＝_D-_z Δ_z-G＝_z-_G (5)

(5)式中，_D-低频电位差响应的相位，_z-中频电位差响应的相位，_G-高频电位差响应的相位，Δ_D-z-低频电位差响应相对于中频电位差响应的相位差，Δ_z-G-中频电位差响应相对于高频电位差响应的相对相位差。根据已知的实验结果，这种相对相位差能够提供分辨矿抑或非矿的信息。

本发明之测量装置及方法既可以进行频率域视复电阻率的测量，又可以进行频率域激发激化的测量，其测量电流提供方式能够一次提供同时含有三个主频率成分的电流，这三个主频率成分含有的能量大体相等，三者之和占了总供电能量的大部分；这种测量方式能够同时测量三个主频率的地电响应的信息，包括振幅和相对相位，尤其是能够从三个频率的相对相位资料获得分辨矿和/或非矿，查明地下目标体性质的重要信息。

由于本发明测量装置每一个通道都能同时测量三个频率的地电场响应，从而做到一次获得3个频率地电场响应的信息组合，包括视复电阻率、视幅频率和相对相位，大大提高了电法勘探的工作效率，克服了以往人工源电法勘探效率低下的缺点。

本发明还克服了现有电法勘探需要改变频率，或者能量分布不平衡，除了一个主频率以外其他奇次谐波信号强度过小，难以观测的缺陷。

利用本发明进行伪随机三频电法勘探，由于能够同时获得两个通道或更多通道三个频率的地电资料，大大提高了频率域电法勘探的效率，缩短物探野外工作的时间，降低劳动强度，节省能源，降低成本。尤其重要的是，同时获得数个通道三个频率的相对相位资料，为发现硫化矿产的激电异常、分辨异常引起的原因和确定异常的性质，提供了现有电探方法无法提供的宝贵资料。

附图说明

图1为本发明实施例的伪随机三频电流波形图；

图2为本发明实施例之伪随机三频信号发送机构成方框图；

图3为图2所示实施例之伪随机双道三频地电场信号接收机构成方框图；

图4为图3所示通道1三频地电场信号采集接收原理示意框图；

图5黄铁矿与石墨标本的F_s-ln(w)曲线；

图6伪随机三频相对相位测量的理论分析；

图7伪随机三频相对相位测量区分硫化矿与石墨的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图2-4，本实施例之地电场伪随机三频地电响应测量装置包括伪随机三频信号发送机和伪随机双道三频地电场信号采集接收机。

所述伪随机三频信号发送机的结构如图2所示，由80C32单片机系统54、驱动器56、逆变器66、直流直流高压电源74、取样电阻68、过流保护电路62、电流测量电路64、同步电路50、频率选择电路52、欠压检测电路58和声音报警电路60组成。

同步电路50的输出端连接到80C32单片机系统54的中断输入端，频率选择电路52的输出端连接到80C32单片机系统54的I/O口，80C32单片机系统54通过I/O口控制驱动器56，驱动器56连接到逆变器66，直流高压电源74与逆变器66连接，逆变器66的输出端与接线柱A 70和接线柱B 72连接。取样电阻68与直流高压电源74和逆变器66连接，取样电阻68的输出端分两路，一路与过流保护电路62连接，另一路与电流测量电路64连接，过流保护电路62的输出端通过信号线621连接到驱动器56，通过信号线6222连接到80C32单片机系统54。电路测量电路64的输出端连接到80C32单片机系统的I/O口。欠压检测电路58的输出端连接到80C32单片机系统54的I/O口。80C32单片机系统54通过I/O口连接到声音报警电路60。

80C32单片机系统54根据同步电路50和频率选择电路52的输入端，产生一定频率和相位的伪随机三频波信号，三频信号通过驱动器56控制逆变器66工作，逆变器将直流高压电源74变换成三频波信号，通过接线柱A 70和接线柱B 72供入大地。

供电电流信号通过取样电阻68产生，电流测量电路64对供电电流放大和A/D转换后输入端80C32单片机系统54，由80C32单片机系统54显示供电电流大小。同时，取样电阻68产生的供电电流信号送入过流保护电路62，过流保护电路62的输出端通过信号线621连接到驱动器56，如果供电电流超过发送机允许值，过流保护电路62向驱动器发出锁定信号，让驱动器66停止工作，同时通过信号线622通知单片机系统54，单片机系统54收到过流信号后，停止三频波的发送工作，同时通过声音报警电路60发出报警信号。

欠压检测电路58监控发送机的各种电源电压，当电压电源低于设定值时，欠压检测电路58向80C32单片机系统54发出报警信号。80C32单片机系统54收到报警信号后发出声音报警，提示用户关机，停止三频波的发送工作。

所述伪随机双道三频地电场信号采集接收机构成如图3所示，由参数完全相同的两个三频波信号提取通道(通道1和通道2)和80C32单片机系统40组成，通道1由电场传感器10、共同通道12、低频通道14、中频通道16、高频通道18、A/D转换电路20和定时与控制逻辑电路22组成，电场传感器10的输出端连接到共同通道12的输入端，共同通道12的输出端分别连接到低频通道14、中频通道16和高频通道18的输入端，低频通道14、中频通道16和高频通道18的输出端分别连接到A/D转换电路20的输入端，A/D转换电路20的输出端通过I/O接口线201连接到单片机系统40，单片机系统40通过I/O接口线连接到定时与控制逻辑电路22。通道2由电场传感器24、共同通道26、低频通道28、中频通道30、高频通道32、A/D转换电路34和定时与控制逻辑电路32组成，在参数和结构上与通道1完全相同。通道1的测量结果通过数据线201送到80C32单片机系统40，通道2的测量结果通过数据线202送到80C32单片机系统40。

由于两个通道的工作原理完全相同，现仅就通道1的工作原理作出说明。电场传感器10将三频波地电场信号转换成需要的三频电位差信号，该信号经共同通道12放大和滤波后，分三路分别进入低频通道14、中频通道16、高频通道18。低频通道14将三频波中的低频信号分离和提取出来，中频通道16将三频波中的中频信号分离和提取出来，高频通道18将三频波中的中频信号分离和提取出来，在定时与控制逻辑电路22的控制下，低频通道14、中频通道16、和高频通道18的输出端依次进入A/D转换电路20，A/D转换电路20的输出端通过数据线201进入单片机系统40，由单片机系统40计算和显示测量结果。

图4是图3所示的通道1三频波地电场信号采集部分结构的更详细的示意图。

电场传感器10的输出端连接到高通滤波电路121的输入端，高通滤波电路121的输出端连接到前置放大电路122的输入端，前置放大电路122的输出端连接到低通滤波电路123的输入端，中级放大电路124的输入端连接到低通滤波电路123的输出端，中级放大电路124的输出端通过信号线1241、信号线1242、信号线1243分别连接到低频带通滤波电路143、中频带通滤波电路163、高频带通滤波电路183的输入端；低频带通滤波电路143的输出端连接到低频放大器142的输入端，低频放大器142的输出端连接到低频检波与积分电路141的输入端，低频检波与积分电路141连接到积分式A/D转换电路20的输入端；中频带通滤波电路163的输出端连接到中频放大器162的输入端，中频放大器162的输出端连接到中频检波与积分电路161的输入端，中频检波与积分电路161连接到积分式A/D转换电路20的输入端；高频带通滤波电路183的输出端连接到高频放大器182的输入端，高频放大器182的输出端连接到高频检波与积分电路181的输入端，高频检波与积分电路181输出端连接到积分式A/D转换电路20的输入端；积分式A/D转换电路20的输出端连接到单片机系统40的输入端，单片机系统40通过I/O接口线连接到定时与控制逻辑电路22。

共同通道12由高频滤波电路121、前置放大电路122、低通滤波电路123、中级放大电路124依次串联组成。

电场传感器10的输出端连接到高通滤波电路121，高通滤波电路121压制了三频波地电场信号中的直流和低频干扰，前置放大电路122对信号进行放大后，进入低通滤波电路123，该电路压制信号中的高频干扰，信号中的高频干扰压制后，中级放大电路124对三频波地电场信号进行进一步放大。中级放大器124的输出端通过信号线1241、信号线1242和信号线1243分别连接到低频带通滤波电路143、中频带通滤波电路163和高频带通滤波电路183。因此共同通道12的作用是对三频波地电场信号中所有三个频率的信号进行滤波和放大，压制信号中的低频和高频干扰，使三频波信号得到有效放大。

低频通道14、中频通道16和高频通道18的电路结构相同，但电路参数不同，它们的作用是将三频波信号中的低频、中频和高频信号提取出来。现仅说明低频通道14的工作原理。

低频带通滤波电路143将三频波信号中的低频信号分离出来，通过低频放大器142放大到需要的幅度，然后进入低频检波与积分电路141，该电路将三频波中的低频信号转换成直流信号，积分式A/D转换电路20对低频检波与积分电路的输出端进行A/D转换，转换结果进入单片机系统40。

单片机系统40通过定时与控制逻辑电路22对共同通道12、低频通道14、中频通道16和高频通道18的中的放大器、积分式A/D转换电路20进行控制，使测量过程按设计要求进行。

直流高压电源74电压为500V。

使用本发明之伪随机三频双通道地电响应测量装置进行地电响应的振幅和相对相位的测量可在不改变频率的条件下一次获得三个频点两个通道包括视电阻率、视幅频率、相对相位在内的六组共18个参数，大大提高电法勘探的工作效率，节省工作时间，减轻劳动强度，节约能源，降低成本。在频率域电磁法中，能够一次获得三个深度的视电阻率。而在频率域激电法中，能够一次获得三个频点的视幅频率和相对相位。

采用本发明的最大优点是能够提供区分矿和/或非矿的宝贵资料。下面举例说明。

图5是黄铁矿与石墨的F_s-ln(w)曲线，两条曲线具有类似的特征，单凭F_s-ln(w)曲线难以区分二者的性质。但是，黄铁矿和石墨各自具有不同的激电相位特征，如图6。黄铁矿的j-lnf曲线的峰值在较高的频率，而石墨的j-lnf曲线的峰值出现的频率要低得多。因此对于黄铁矿而言三个频率相位的相对关系为j_G＞j_Z＞j_D，石墨三个频率相位的相对关系为j_D＞j_Z＞j_G。它们不同的频率特性使得可以用伪随机三频相对相位测量来区分它们。附图7是用伪随机三频相对相位测量区分硫化矿与石墨的实验结果，在磁黄铁矿上的实验结果(附图7(a))和石墨上的实验结果(附图7(b))分别具有前述的相对相位特征，而当黄铁矿与石墨共存时二者的相对相位特征仍很清楚，彼此能够很好地区分。

Claims

1、一种地电场伪随机三频地电响应测量装置，其特征在于，其由伪随机三频信号发送机和伪随机双道三频地电场信号采集接收机构成，所述伪随机三频信号发送机包括单片机系统、驱动器、逆变器、直流高压电源、取样电阻、过流保护电路、电流测量电路、同步电路、频率选择电路，所述同步电路的输出端连接到单片机系统的中断输入端，频率选择电路的输出端连接到单片机系统的I/O口，单片机系统通过I/O口控制驱动器，驱动器连接到逆变器，直流高压电源与逆变器连接，逆变器的输出端与接线柱A和接线柱B连接，取样电阻与直流高压电源和逆变器连接，取样电阻的输出分两路，一路与过流保护电路连接，另一路与电流测量电路连接，过流保护电路的输出端通过信号线连接到驱动器，并通过另一信号线连接到单片机系统，电路测量电路的输出端连接到单片机系统的I/O口；所述伪随机双道三频地电场信号采集接收机由参数完全相同的至少两个三频波信号提取通道和单片机系统组成，每个信号提取通道由电场传感器、共同通道、低频通道、中频通道、高频通道、A/D转换电路和定时与控制逻辑电路组成，所述电场传感器的输出端连接到共同通道的输入端，共同通道的输出端分别连接到低频通道、中频通道和高频通道的输入端，低频通道、中频通道和高频通道的输出端分别连接到A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端通过I/O接口线再连接到单片机系统，单片机系统通过I/O接口线连接到定时与控制逻辑电路；所述直流高压电源电压为20-1000V。

2、根据权利要求1所述的地电场伪随机三频地电响应测量装置，其特征在于，所述伪随机三频信号发送机还包括有欠压检测电路和声音报警电路，所述欠压检测电路的输出端连接到单片机系统的I/O口，单片机系统通过I/O口连接到声音报警电路。

3、根据权利要求1或2所述的地电场伪随机三频地电响应测量装置，其特征在于，所述三频波信号提取通道之电场传感器的输出端连接到高通滤波电路的输入端，高通滤波电路的输出端连接到前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接到低通滤波电路的输入端，中级放大电路的输入端连接到低通滤波电路的输出端，中级放大电路的输出端通过信号线分别连接到低频带通滤波电路、中频带通滤波电路、高频带通滤波电路的输入端；低频带通滤波电路的输出端连接到低频放大器的输入端，低频放大器的输出端连接到低频检波与积分电路的输入端，低频检波与积分电路输出端连接到积分式A/D转换电路的输入端；中频带通滤波电路的输出端连接到中频放大器的输入端，中频放大器的输出端连接到中频检波与积分电路的输入端，中频检波与积分电路输出端连接到积分式A/D转换电路的输入端；高频带通滤波电路的输出端连接到高频放大器的输入端，高频放大器的输出端连接到高频检波与积分电路的输入端，高频检波与积分电路输出端连接到积分式A/D转换电路的输入端；积分式A/D转换电路的输出端连接到单片机系统的输入端，单片机系统通过I/O接口线连接到定时与控制逻辑电路；所述共同通道由高频滤波电路、前置放大电路、低通滤波电路、中级放大电路依次串联组成。

4、根据权利要求1或2所述的地电场伪随机三频地电响应测量装置，其特征在于，所述直流高压电源电压为200-600V。

5、根据权利要求3所述的地电场伪随机三频地电响应测量装置，其特征在于，所述直流高压电源电压为200-600V。