CN1292266C - 激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法及仪器 - Google Patents

Abstract

“激电绝对相位测量及时频激电多参数同时测量的技术方案”属国土资源科学方法技术开发与应用研究领域，具体地说，属地质勘查物探应用技术开发领域。所要解决的技术问题是激发极化法测量绝对相位及一次供电同时测量时间域和频率域激电多参数的方案，即：用时间域的方法同步记录供电电极发送的方波在测量电极间形成的电位差→通过计算求出激发极化的绝对相位，并实现一次供电时频激电多参数同时测量，方案还论述了压制干扰的措施和效果。应用该方案必将大大降低研制激发极化法仪器的难度，该仪器将以其多频、多参数、低成本的特点，在激发极化理论和应用领域发挥独特的作用。

Description

激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法及仪器

技术领域

本发明涉及一种地质勘查物探参数的测量方法及仪器，尤其涉及一种激电绝对相位测量及时频激电多参数同时测量的方法和仪器。

背景技术

迄今为止，国内的地质勘探机构使用的国产测量仪器多为时间域激电仪器。而频率域仅有能分别测量两个频率的电位差通过计算得到视频散率的仪器，后来出现的三频激电仪，是测量相对相位的。目前，国内没有测量绝对相位的仪器，更没有时频激电多参数同时测量的仪器。国外具有代表性的仪器大多为多功能电法仪。就其激电功能而言，测量频率域和时间域激电参数是作为两种方法分开独立进行的，不能时频激电多参数同时测量。

发明内容

针对现有的测量仪器不能测量绝对相位，不能时频激电多参数同时测量的技术不足，本发明的目的在于提供一种激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法及仪器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法，其特征在于：测量方法为：

1、在保证供电与测量同步的条件下，由发送机通过供电电极向地下供出至少一个频率的连续矩形波；

2、接收机通过测量电极用时间域的方法记录并显示给定频率下的电位差及其曲线；

3、将步骤2中得到的电位差及曲线，通过富里哀分析法求取基波的实部和虚部，进而计算出视电阻率、视绝对相位；

4、在测量视电阻率和视绝对相位的同时，根据在线性范围内激发极化效应的充电过程和放电过程等效的原理，利用一次供电测得的频率≤0.25Hz的给定频率的电位差曲线，计算出时间域激电参数视极化率、视充电率、衰减曲线。

所述取不同时刻的视充电率或视极化率描绘出衰减曲线。

所述一次或两次供电，测得至少两个频率的电位差幅值，求得视幅散率，测得至少两个频率的视相位，求得视相散率。

所述将步骤2中得到的电位差及曲线，采用同步多周期叠加法提高信噪比，压制干扰信号。

所述采用叠加观测时间为被测信号周期的整倍数，叠加观测时间≥0.5秒，消除工频干扰信号。

一种激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的仪器，包括同步控制的发送机、接收机，发送机电路中设有工控机、电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块、同步方式控制模块、光电隔离模块、驱动器、V/F转换器、脉冲调宽式稳流电路、电流取样模块、VMOS逆变桥、供电电极、功率高压电源模块、仪用电池，接收机电路中设有工控机、时序控制模块、24位模数转换模块、同步方式控制模块、增益控制模块、前置放大模块、测量电极、仪用电池，其特征在于：在发送机电路中，电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块、同步方式控制模块分别与工控机相连，在电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块与两个驱动器和一个V/F转换器之间设有光电隔离模块，功率高压电源模块供出的电流经脉冲调宽式稳流电路、电流取样模块、V/F转换器、光电隔离模块、电流采样模块、电流控制模块，再经光电隔离模块、驱动器、脉冲调宽式稳流电路、电流取样模块，回到VMOS逆变桥，而供电波形经波形合成模块、光电隔离模块、驱动器，也到VMOS逆变桥，由VMOS逆变桥通过供电电极向地下供出若干个频率的稳定的连续矩形波电流；在接收机电路中，时序控制模块、24位模数转换模块、同步方式控制模块分别与工控机相连，电位差通过测量电极进入接收机的前置放大模块、24位模数转换模块、时序控制模块、增益控制模块。

所述工控机为PC104工控机，设有LCD显示屏、存储盘、串行口、并行口。

所述发送机与接收机的同步方式至少为线同步、石英钟晶体同步、卫星定位同步的三种方式之一

所述在脉冲调宽式稳流电路中，基准信号模块、电流设定模块、比较器、驱动器顺序连接并连入VMOS功率管，VMOS功率管输出端经滤波器、放大器连入比较器输入端，VMOS功率管输出端经一电阻接地；发射波形输入线经光电隔离模块、驱动器连入逆变桥模块。

本发明的有益效果为：只要观测到一个适当频率的视相位角，就可描绘大地的极化效应；可通过计算电位差求得绝对相位，避开了难度较大的直接测量相位的问题，大大降低了研制仪器的难度；只需一次测量、一个频率，即可得到频率域的视电阻率和视绝对相位，时间域的视极化率、视充电率和衰减曲线。不仅有利于理论研究和正反演计算，也使野外工作效率大大提高，并能根据任务目标和测量结果灵活选择参数，从而取得最佳地质效果；绝对相位的计算过程及“同步多周期叠加法”具有较强的压制干扰的能力，有利于提高测量精度；不同岩矿石，其相频特性曲线的极大值对应着不同的“峰值频率”，同时，具有不同的视相散率，可以为区分异常性质提供新的参数；由于测量的是视复电阻率幅值和相位，当频率较多时，还可进行复电阻率法(CR)和谱激电法(SIP)测量，而目前常用的测量频散率和相对相位的方法是不能做到这一点的；时域激电参数的测量时间大大提前，激电特性将更加突出，有利于衰减特性的研究，预期在以研究衰减特性为基础的找水等工作中会有更好的效果。

附图说明

图1为本发明的发送机通过供电电极AB向地下供出的定频率的连续矩形波的波形图。

图2为本发明的接收机通过测量电极MN用时间域的方法记录并显示给定频率下的电位差波形图。

图3为本发明的噪声信号与被测信号相位相同时的传输特性图。

图4为本发明的噪声信号与被测信号间存在相位差时传输特性最大值的绝对值的估计图。

图5为本发明的发送机发送波形图。

图6为本发明的脉冲调宽式稳流(PWM)电路原理图。

图7为本发明的发送机结构示意框图。

图8为本发明的接收机结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明不局限于下述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均在本发明的保护范围内。

如图1～图5所示，本发明的测量方法为：

1、激电绝对相位测量。

(1)、激电绝对相位测量技术方案是指在保证供电与测量同步的条件下，由发送机通过供电电极A、B向地下供出一定频率的连续矩形波，波形如图1。

(2)、接收机通过测量电极M、N用时间域的方法记录并显示给定频率下的电位差，波形如图2所示。

(3)、通过富里哀分析法求取基波的实部和虚部，进而计算出视复电阻率的幅值(模)和绝对相位。具体计算公式是：

实部为 $\mathrm{Re\ΔV}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T\mathrm{\ΔV}\left(t\right)\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\mathrm{dt}$ 公式1

虚部为 $\mathrm{Im\ΔV}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T\mathrm{\ΔV}\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\mathrm{dt}$ 公式2

幅值(模)为 $\left|\mathrm{\ΔV}\right|=\sqrt{{\mathrm{Re\ΔV}}^2+\mathrm{Im\Δ}{V}^2}\≈\mathrm{Re\ΔV}$ 公式3

于是，

视电阻率(模)为 $\left|{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_s\right|=K\frac{\left|\mathrm{\ΔV}\right|}{I}\left(\mathrm{\Ωm}\right)$ 公式4

视(绝对)相位为

公式5

这样，就完成了激电绝对相位测量。

2、时频激电多参数同时测量。

在测量视电阻率和视相位的同时，根据在线性范围内激发极化效应的充电过程和放电过程是等效的这一原理，利用一次供电测得的给定频率(频率≤0.25Hz时)的电位差曲线(相当于时间域的正反向充电曲线，在时间域，一般供电单向脉冲宽度2S～8S)，可计算出时间域激电参数视极化率、视充电率和衰减曲线等，公式如下：

(1)视极化率。

${\mathrm{\η}}_s\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_2\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}{V}_{1+2}}\×100(\%)$ 公式6

其中η_s(t)、ΔV₂(t)分别为t时刻的极化率和二次场值，ΔV₁₊₂为总场值。

(2)视充电率。 $M_s\left(t\right)=\frac{{\∫}_{-\mathrm{\Δt}}^{+\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δ}{V}_2\left(t\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ}{V}_{1+2}}\left(\mathrm{ms}\right)$ 公式7

其中：M_s(t)为t时刻的视充电率值，Δt为积分半区间。

(3)衰减曲线

取不同时刻的视充电率或视极化率即可描绘衰减曲线。

频率域参数：

(4)视电阻率：如公式4。

(5)视(绝对)相位：如公式5。

这就是一次观测实现时频激电多参数同时测量的技术方案。

如果两次(或一次)供电，测两个频率，还可求得：

(6)视幅散率。

观测两个频率的电位差幅值，视幅散率可由下式计算：

$F_s=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{V}_{f_1}\right|-\left|{\mathrm{\ΔV}}_{f_2}\right|}{\left|{\mathrm{\ΔV}}_{f_2}\right|}\×100$ 公式8

式中F_s为视幅散率；|Δ_f1|、|ΔV_f2|分别为低频、高频电位差幅值。

(7)视相散率。

观测两个频率的视相位，视相散率可由下式计算：

公式9

式中X_s为视相散率；φ_g、φ_d分别为高频、低频的视相位。这样，就实现了激电全参数测量。

3、关于压制干扰问题

在微弱信号测量中常用到相关函数分析法。所谓相关函数分为互相关函数和自相关函数，互相关函数可表示为：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ 公式10

自相关函数可表示为：

$R_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ 公式11

将公式10和公式11二公式与公式1和公式2相比较，我们发现：它们形式相同，只是差一常数“τ”。只要实现了同步，就可使得τ＝0，这样一来，它们的形式就完全相同了。所以说，我们提出的谐波分析法就是一种相关函数测量。

在理想情况下，只需一个周期信号，用公式1、公式2和公式5就可求出精度满意的绝对相位值。

但在野外通常都有较强的干扰，可采用多周期叠加的办法来提高信噪比。我们把这种做法叫做同步多周期叠加法。在微弱信号测量中，“同步多周期叠加法”就是具有最大信噪比的匹配滤波器，传输特性表明其具有较强的压制干扰能力。

在这里，我们略去烦琐的数学推导，只给出“同步多周期叠加法”的传输特性曲线。沿用以传输特性表述排除干扰能力的办法，我们计算了噪声信号与被测信号相位相同时的传输特性，如图3所示，其中，f为信号频率，f₀工作频率，n叠加次数，n＝1是叠加一次时的曲线，依次类推。

当噪声信号与被测信号间存在相位差时，因传输特性随相位而变，我们取不同相位最大值的绝对值作估计，结果如图4所示其中，f为信号频率，f₀工作频率，n叠加次数，n＝1是叠加一次时的曲线，依次类推。

同步多周期叠加法的滤波效果是很好的：叠加次数越多其通频带越窄，尤其是高频端，随着叠加次数的增加，衰减非常迅速；低频段略差一些。

我们还可归纳出一个明显特点，就是不管信号的相位如何变化，只要信号频率为工作频率的如下倍数：

$f/f_{0i}=i+\frac{1}{n}+\frac{2}{n}+\·\·\·+\frac{n-1}{n},i=\mathrm{0,1,2},\·\·\·$ 公式12

就都被衰减为0。就是说，当叠加观测时间为被测信号周期的整倍数时，被测信号被消除掉，只有工作频率信号被保留下来。可见，只要迭加观测时间≥0.5秒，50Hz工频干扰就能很好地去除。应该指出，图4中所示的传输特性是最大估计，实际上，工作频率以外频率的实际衰减会比估计的数据更强烈一些，压制干扰的效果会更好。

本发明仪器包括同步控制的发送机(如图7所示)、接收机(如图8所示)。

发送机电路中设有工控机、电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块、同步方式控制模块、光电隔离模块、驱动器、V/F转换器、脉冲调宽式稳流电路(PWM)、电流取样模块、VMOS逆变桥、供电电极AB、功率高压电源模块、仪用电池。在发送机电路中，电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块、同步方式控制模块分别与工控机(含键盘、LCD显示屏等)相连并由其控制，在电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块与两个驱动器和一个V/F转换器之间设有光电隔离模块，功率高压电源模块(12V-450V)供出的电流经脉冲调宽式稳流电路(PWM)中的电流取样模块、V/F转换器、光电隔离模块、电流采样模块、电流控制模块，再经光电隔离模块、驱动器、脉冲调宽式稳流电路(PWM)、电流取样模块、回到VMOS逆变桥，而供电波形经波形合成模块、光电隔离模块、驱动器，也到VMOS逆变桥，这样就可由VMOS逆变桥通过供电电极AB向地下供出多个频率的稳定的连续矩形波电流；在接收机电路中设有工控机、时序控制模块、24位模数转换模块、同步方式控制模块、增益控制模块、前置放大模块、测量电极MN、仪用电池。在接收机电路中，时序控制模块、24位模数转换模块、同步方式控制模块分别与工控机相连并由其控制，电位差通过测量电极MN进入接收机的前置放大模块、24位模数转换模块、时序控制模块、增益控制模块，其结果存储在工控机中并显示在LCD显示屏上，各激电参数由接收机内设软件计算求得；发送机与接收机的同步由同步方式控制模块控制；仪用电池供仪器内部正常工作使用。

如图6所示，在脉冲调宽式稳流电路(PWM)中，基准信号模块、电流设定模块、比较器、驱动器顺序连接并连入VMOS功率管，功率高压电源模块经逆变桥、VMOS功率管下的电流采样电阻，反馈到滤波器、放大器连入比较器输入端，回到VMOS功率管；发射波形输入线经光电隔离模块、驱动器连入逆变桥；两者相配合，通过调节脉冲宽度，达到稳定电流的目的。

具体要求：

发送机

1.发送机可以发送多频(128Hz-128s，以2ⁿ幂递减，n＝7-7取整数，可有15个频率)、频率稳定性好的连续矩形波，参见图5。

2.该矩形波电流必须是稳定的，如负载或电压变化10％，其电流变化应小于0.5％，为此要设计稳流电路，如脉冲调宽式稳流(PWM)电路，参见图6。

3.发送机的功率要足够大，不能小于400瓦，同时要求体积小、重量轻，适于普查。

接收机

1.接收机的短路噪声要尽量小，一般应不大于0.5μv(微伏)。

2.接收机内有嵌入式PC104微机，可以实现大量数据的存储、传输、多次叠加和实时处理；还有24位A/D，用来进行模数转换和数字滤波。

3.接收机的荧光屏要实时显示测量电位差曲线和主要参数值。

同步方法

保证供电和测量同步的方法为线同步或石英钟晶体同步或卫星定位同步，也可根据需要两者或三者兼而用之。

1.线同步：用导线将发送机和接收机连接起来，以达到同时发收的目的，方法简单，适于在室内工作，但因有导线，移动不方便；

2.石英钟晶体同步：由于对石英晶体温度稳定性要求高，须采取恒温措施，一般较笨重，仪器不易做得轻便；

3.卫星定位(GPS)同步：轻便、授时精度高，一般时间精度达≤400ns，可满足相位测量的要求。缺点是受遮盖的影响，如在森林覆盖区、坑道和室内因接收不到卫星信号而不能工作。

Claims (9)

1、一种激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法，其特征在于：测量方法为：

[1]、在保证供电与测量同步的条件下，由发送机通过供电电极向地下供出至少一个频率的连续矩形波；

[2]、接收机通过测量电极用时间域的方法记录并显示给定频率下的电位差及其曲线；

[3]、将步骤[2]中得到的电位差及曲线，通过富里哀分析法求取基波的实部和虚部，进而计算出视电阻率、视绝对相位；

[4]、在测量视电阻率和视绝对相位的同时，根据在线性范围内激发极化效应的充电过程和放电过程等效的原理，利用一次供电测得的频率≤0.25Hz的给定频率的电位差曲线，计算出时间域激电参数视极化率、视充电率、衰减曲线。

2、根据权利要求1所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法，其特征为：取不同时刻的视充电率或视极化率描绘出衰减曲线。

3、根据权利要求1所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法，其特征为：一次或两次供电，测得至少两个频率的电位差幅值，求得视幅散率，测得至少两个频率的视相位，求得视相散率。

4、根据权利要求1所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法，其特征为：将步骤[2]中得到的电位差及曲线，采用同步多周期叠加法提高信噪比，压制干扰信号。

5、根据权利要求1或3所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的方法，其特征为：采用叠加观测时间为被测信号周期的整倍数，叠加观测时间≥0.5秒，消除工频干扰信号。

6、一种激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的仪器，包括同步控制的发送机、接收机，发送机电路中设有工控机、电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块、同步方式控制模块、光电隔离模块、驱动器、V/F转换器、脉冲调宽式稳流电路、电流取样模块、VMOS逆变桥、供电电极、功率高压电源模块、仪用电池，接收机电路中设有工控机、时序控制模块、24位模数转换模块、同步方式控制模块、增益控制模块、前置放大模块、测量电极、仪用电池，其特征在于：在发送机电路中，电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块、同步方式控制模块分别与工控机相连，在电流控制模块、电流采样模块、波形合成模块与两个驱动器和一个V/F转换器之间设有光电隔离模块，功率高压电源模块供出的电流经脉冲调宽式稳流电路、电流取样模块、V/F转换器、光电隔离模块、电流采样模块、电流控制模块，再经光电隔离模块、驱动器、脉冲调宽式稳流电路、电流取样模块，回到VMOS逆变桥，而供电波形经波形合成模块、光电隔离模块、驱动器，也到VMOS逆变桥；在接收机电路中，时序控制模块、24位模数转换模块、同步方式控制模块分别与工控机相连，电位差通过测量电极进入接收机的前置放大模块、24位模数转换模块、时序控制模块、增益控制模块。

7、根据权利要求6所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的仪器，其特征为：工控机为PC104工控机，并设有LCD显示屏、存储盘、串行口、并行口。

8、根据权利要求6所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的仪器，其特征为：发送机与接收机的同步方式至少为线同步、石英钟晶体同步、卫星定位同步的三种方式之一。

9、根据权利要求6所述的激电绝对相位及时频激电多参数同时测量的仪器，其特征为：在脉冲调宽式稳流电路中，基准信号模块、电流设定模块、比较器、驱动器顺序连接并连入VMOS功率管，VMOS功率管输出端经滤波器、放大器连入比较器输入端，VMOS功率管输出端经一电阻接地；发射波形输入线经光电隔离模块、驱动器连入逆变桥模块。

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