CN1945358A - 基于天然电场理想化的深部资源高精度测量方法及探测仪 - Google Patents

Abstract

一种基于天然电场理想化的深部资源高精度测量方法及探测仪，测量方法是在现有的天然电场测量原理的基础上采用DSP和FPGA进行数字信号处理，增加GPS同步装置，通过GPS同步测量和数字积分，有效地利用天然场源和人工干扰电场，实现天然电场的理想化测量。探测仪有四个通道，可以连接四对测量地电极，提高了测量速度。通过天然电场理想化观测法，大大提高了观测精度。天然电场理想化方法探测系统的硬件主要分为模拟部分、A/D转换部分和数字部分。其中模拟部分的功能主要是完成对输入信号的放大和滤波滤除工频干扰；A/D转换部分采用24位Δ－∑A/D转换器，完成高分辨率的模拟信号到数字信号的转换；数字部分完成对经A/D转换后的信号的处理，其中包括信号的数字滤波、功率谱计算以及存储等功能。

Description

基于天然电场理想化的 深部资源高精度测量方法及探测仪

技术领域

本发明涉及一种深部资源测量方法，尤其是一种基于天然电场理想化的深部资源高精度测量方法。本发明还涉及实现该方法的测量装置。

背景技术

天然电场主要来源于全球性的雷电及其它电磁过程感生的大地游散电流。它频谱宽、能量丰富、遍布全球。用于地球物理勘探有大深度、装备轻便、适用于地震监测等多项优势，吸引着地球物理界长年的探索。天然低频电场法是利用雷电场和游散电流场作为场源。以岩矿石电阻率差异为基础，在地面沿一定的剖面测量大地电场的水平分量的变化来研究地电断面，从而达到探测地质构造，找矿和找水的目的。

传统的天然电场的测量装置的测量方法为：在地质信息近于零地段，设固定参考基点0，网状分布的各待测点为i，天然电场在0、i点的电位差分别为ΔV0、ΔVi，i点的地质信息为：

                   M＝ΔVi-ΔV0                        (1)

天然电场的来源，表明ΔV0、ΔVi是小而多的噪声，其随机误差常常淹没M。M的可靠性取决于高精度观测ΔV0、ΔVi。已有的天然电场法缺少有效的提高观测精度的方法，所以观测精度不佳，难得应有的地质效果。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种基于天然电场理想化的深部资源高精度测量方法，其有效地提高了观测的精度，获得有用的地质效果，且待测点离参考点之间的距离不受限制。

实现上述发明目的方法包括以下步骤：

1)在不含矿物质的地质信息近于零的地段，设固定参考基点0，将电压探测仪的两个硫酸铜电极间隔至少20米放置在参考基点两侧，其电位差设为ΔV0；

2)另设至少一点被测点为i，将电压探测仪的两个硫酸铜电极间隔至少20米放置在参考基点两侧，其电位差设为ΔVi；

3)在至少一分钟的t0-tx时间段内对固定参考基点和被测点进行同步测量，得到ΔV0、ΔVi的离散序列；

4)根据步骤3测量结果计算基点及被测点功率谱

并保存计算结果及其坐标和时间；

5)重复2、3、4步骤，被测点选取采用平行移动法、垂向移动法或正交观测法，直到测完所需测量区域；

6)根据得到的功率谱和基点的视电阻率计算被测点的视电阻率为： ${\mathrm{\ρ}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)\≈{\mathrm{\ρ}}_o\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\widehat{P_i}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\widehat{P_o}\left(\mathrm{\ω}\right),}$ 然后绘制观测断面的ρi的等值线断面图。

根据观测断面的ρi的等值线断面图，即可探测地质构造，达到找矿或找水的目的。

本发明还提供了实现上述方法的探测仪，包括测量电极及数据采集处理器系统，其特征是：所述的测量电极为硫酸铜电极，所述的数据采集处理器系统由模拟电路和数字电路两部分组成，由相互独立的电源分别对两部分供电，模拟电路的供电电压为±6V，数字电路的供电电压为+6V；

电极的信号首先经过前级保护电路和抗混叠滤波器输入到增益可调的斩波放大器进行放大(前级放大)；斩波放大器的输出信号经过陷波器滤除50HZ工频信号；陷波器的输出信号经过一个与前级放大相同的放大器(后级放大)得到所要的模拟信号；然后模拟信号经过24位Δ∑模数转换芯片被转化成数字信号；数字信号通过硬件滤波器进行采样、信号抽样和滤波(前级数字信号处理)后至可编程逻辑阵列；

可编程逻辑阵列完成时序的转换并把硬件滤波器的输出结果传给DSP、同时还把GPS时间信息和秒脉冲传给DSP；DSP主要完成整个同步采样过程的控制和功率谱估计以及数据存储。

所述的同步采样过程的控制采用GPS授时，GPS接收机把时间信息和秒脉冲传给FPGA，FPGA并且在GPS接收机失锁或受到干扰时进行计时。

所述的FPGA以恒温晶振对GPS时钟进行补偿和校正。

为了适应大地电磁高密度、面积性、大数据量采集的需要，本电场仪器具有小型、轻便、多道的优点。参考基点和被测点之间需要高度同步，本仪器采用GPS同步，可用于卫星同步测量和网络型或分布式组合系统；针对GPS本身固有的误差和信号不稳定的缺点，利用恒温晶振，采用数理统计的方法进行时间补偿，并且在GPS接收机失锁或受到干扰时自动计时，大大提高了系统精度。

发明的有益效果：由于利用参考基点与被测点进行同步测量并采取功率谱估计的数字信号处理方法，克服了已有天然电场法观测精度低的缺陷，有效地提高了观测的精度，获得有用的地质效果，同步控制采用GPS授时方式使得待测点离参考点之间的距离不受限制，提高了现有天然电场的观测效率和自动化程度，减轻工人的体力劳动，提供了一种理想化的测量仪器和测量手段。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明观测仪实施例的结构原理框图。

图2为本发明的观测方法原理框图。

图3为图1观测仪的分布式测量过程示意图。

图4为DSP软件框图。

图5为探测仪实测方法图。

图1中：1模拟电路电源，2数字电路电源，3电极，4抗混叠滤波器和保护电路，5斩波放大器，6陷波器，7数模转换器，8可编程逻辑阵列，9GPS接收机，10恒温晶振，11可电擦除只读存储器，12数字信号处理器，13随机存储器，14闪存，15显示及输入输出模块，16硬件滤波器。

具体实施方式

本发明基于天然电场理想化的深部资源高精度测量方法实施例包括以下步骤：

1)在不含矿物质的地质信息近于零的地段，设固定参考基点0，将电压探测仪的两个硫酸铜电极间隔30米放置在参考基点两侧，其电位差设为ΔV0；

2)另设被测点为i(待测点的分布要根据实际的测量要求来决定)，将电压探测仪的两个硫酸铜电极间隔30米放置在参考基点两侧，其电位差设为ΔVi；

3)在5分钟的t0-tx时间段内对固定参考基点和被测点进行同步测量，得到ΔV0、ΔVi的离散序列；

4)根据步骤3测量结果计算基点及被测点功率谱

并保存计算结果及其坐标和时间；

5)重复2、3、4步骤，被测点选取采用平行移动法、垂向移动法或正交观测法，直到测完所需测量区域；

6)用PC机根据各观测仪器采集到的数据进行综合处理，在天然电场理想化条件下，根据得到的功率谱和基点的视电阻率计算被测点的视电阻率为： ${\mathrm{\ρ}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)\≈{\mathrm{\ρ}}_o\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\widehat{P_i}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\widehat{P_o}\left(\mathrm{\ω}\right),}$ 然后绘制观测断面的ρi的等值线断面图。

根据观测断面的ρi的等值线断面图，即可探测地质构造，达到找矿或找水的目的。

本方法的测量原理如图2所示。

若ΔV0为足够大且稳定，即标志了场源的理想化，它是高精度观测的最佳条件，由此可得到理想的高精度观测值。本文的天然电场理想化观测(TDL)，依不定积分观测值，取代了ΔV0、ΔVi，模拟了天然电场理想化，求得了高精度的积分观测值：

$M={\∫}_{t0}^{\mathrm{tx}}K\left|{\mathrm{\ΔV}}_1\left(t\right)\right|\mathrm{dt}-{\∫}_{t0}^{\mathrm{tx}}K\left|{\mathrm{\ΔV}}_0\left(t\right)\right|\mathrm{dt}---\left(2\right)$

上式表达了TDL观测机理。

天然电场观测仪分别被放置在参考点和被测点(如图2所示)，在定时器的控制下，系统在t0-tx时间段进行同步采样滤波，得到天然电场的时间序列，采样结束之后，两台仪器分别对数据进行功率谱计算，然后保存计算结果，以便于以后的分析计算。Δt＝tx-t0应足够大，有利于观测精度的提高。

与

为精度同权观测值，随着积分时间的增加，其随机误差也趋于零。两积分值的随机误差与所用电子元件噪声、ΔV0、ΔVi原始幅值、极距差相关，其相对误差为≤0.2％。

TDL的高精度观测为TD优势的全面利用带来了可行性。它预示了主动源电法的大变革，变革后的相关方法-TDL电阻率法具备大深度、装备最轻便，优质、优效、低消耗的优势。

设0、i点的卡尼亚电阻率分别为ρ0、ρi，ρ0代表正常场电阻率，ρi的表达式为：

              ρ_i≈ρ₀(ΔV_i/ΔV₀)²                      (3)

在TDL条件下，上式为：

${\mathrm{\ρ}}_i\≈{\mathrm{\ρ}}_0{\left(\frac{{\∫}_{t0}^{\mathrm{tx}}\left|{\mathrm{\ΔV}}_i\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\∫}_{t0}^{\mathrm{tx}}\left|\mathrm{\Δ}{V}_0\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}\right)}^2---\left(4\right)$

TDL电阻率法，观测某单一频率的ρi，观测值经过离散化，又根据功率谱的定义，上式可转化为：

${\mathrm{\ρ}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)\≈{\mathrm{\ρ}}_0\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\widehat{P_i}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\widehat{P_o}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(5\right)$

观测多个频率的ρi，即为频率测深观测值。所用频率的周期表示了反映深度。可绘制观测断面的ρi等值线断面图，表示ρi地质体断面分布形态。

专门在8HZ频率处进行了观测精度的实验，原始信号0-2.4mV无规律出现，测量同一地点的视电阻率，测得的相对误差见下表：

                        表2误差一览表

地点	1	2	3	4	5	6
							TDL观测法相对误差	1.2％	0.36％	0.9％	0.37％	1.3％	0.41％

从上表可以看到，采用TDL观测法观测精度很高。

本发明围绕基于天然电场法仪器和系统的研究，为深部资源探测、低成本地质找矿、研究局部地区地球内部结构、地震预报、数据收集提供合适的应用方法，主要研究内容和解决的关键技术包括：

1.高精度、极低微弱信号检测

高分辨率地质勘探要求大地电磁场信号的动态范围高达120dB，这就要求数据采集系统A/D转换器不低于20位，这在传统数据采集系统中是无法实现的。因为传统数据采集系统先将连续的信号进行采样，之后再对多路串行的离散样电压(子样电压)进行A/D量化，A/D转换器位数越多，每个子样电压的量化时间越长，要求采样率就越低，致使更高频率的信号得不到记录，这是无法满足高分辨率地质勘探需要的。另外较多位数的传统A/D，需要由模拟电路产生众多的一系列标准权电压，用它们逐个与子样电压进行比较，靠模拟电路来保证这些权电压的精度是很难做到的。

上述两方面的问题都由Δ-∑A/D转换技术的应用而得到解决。Δ-∑A/D转换器工作的基本动作仅仅是将信号相邻离散点的差值(Δ)转换为一位二进制代码(0或1)，也即现时子样电压A/D转换的结果仅由前一子样(已被转换成数字量)末位加1或减1而成。Δ-∑A/D转换技术在系统中的应用，使得天然电场理想化方法探测系统中的数据采集系统即能有一个更多位数(高达24位)的模数转换器，又能记录更高频率成分(高达10KHz)的电磁场信号，从而保证了数据采集系统在较宽的频率范围内有一个大的瞬时动态范围(高达120dB)。

2.高度一致性多通道数字滤波单元设计

一致性问题是系统精度方面的一个重要影响，必需给与解决。我们采取一些措施包括温度补偿的方法主要补偿温度的影响、硬件电路方面和软件方面相结合的方法提高了系统的一致性。天然电场理想化法测深系统中存在4个相互独立的相同通道。系统各通道的一致性如果不能满足要求，则不同通道的测量数据就没有可比性，从而失去了处理得意义。不一致性产生的系统误差可以主要归结为接收通道的幅值和相位误差。它们是由于各通道中元器件参数的误差、温度以及馈线长度等因素引起。对幅值和相位误差的校正包括有源校正和无源校正。有源校正需要外设辅助信号，通过代数求解等手段得到通道误差。无源校正也就是自校正，它毋需外设辅助信号，在一定的初始条件下，通过多元非线性优化的技术得到通道误差信息。然而，该技术不仅耗时大，且容易收敛到局部极值点。我们从温度补偿、硬件电路以及软件方面入手提高系统的一致性。

3.自动化遥控、遥感、网络技术

GPRS在测量系统中的应用，主要用于自动化测试，结合GPS授时，实现整个网络的同步采样、数据的传输以及远程控制。整个系统的工作原理如下：

TDL分析仪按规定的方向和距离被放置在被测量区域；PC机具有固定IP，它执行远程监控的功能。TDL分析仪工作之后会通过电信网络的GPRS服务与PC机建立一个TCP连接，TDL分析仪通过GPS接收机得到自己的坐标，然后把坐标上传给PC机；PC机通过各个TCP通道下达同步采样的指令；TDL分析仪接收到指令后，在下一个同步脉冲(同步脉冲是由GPS接收机的妙脉冲演变得到的，周期根据GPRS网络延时的具体情况而设定)到来之时执行指令，各TDL分析仪同步采样；TDL分析仪采样完成之后，把分析结果上传给PC机；PC机对各个TDL分析仪的分析结果进行综合处理。

4.高同步性异地时序逻辑触发方法

TDL分析仪采用GPS授时和定位，实现异地时序逻辑触发，但受干扰、卫星失锁等因素的影响，全球定位系统(GPS)时钟难以满足高可靠性同步控制领域的要求。我们根据高精度晶振与GPS时钟精度互补的特点，采用高精度晶振对GPS时钟进行监测，建立了最小二乘估计模型，估计出GPS时钟的方差及晶振的累计误差，给出了GPS时钟误差的在线修正方法，研制出高精度的时钟发生方法，并成功地应用于大地电磁测量。具体分析和实现如下：

GPS接受机在正常工作条件下，其s时钟的误差服从正态分布，只存在单个s脉冲(1PPs)左右的漂移，从一段时间来看，GPS时钟并不存在累计误差。而通常计时的钟表、晶振，时间间隔的漂移较小，单位时间的误差较稳定，但存在较大的累计误差。GPS时钟与晶振时钟的精度是互补的，如果把二者进行比较分析，使二者互为参考，采用数理统计的方法可以分别估计出二者的误差，进而对误差进行在线主动补偿，可以实现高精度时钟，上述功能是在FPGA内部实现的。

探测仪特点包括：高精度斩波放大器；温度补偿；自校正；专用地听放大器，AD采用Δ∑调制器+硬件数字滤波器，DSP数字滤波，FPGA实现外设通信和GPS时间补偿，GPRS通信。功能：网络同步积分功能，采用GPS同步；液晶显示；能通过GPRS把数据自动上传；网络同步功能；增益可调；分为125SPS，200SPS，250SPS，333SPS，500SPS，1000SPS，2000SPS，4000SPS，1SPS，5SPS，10SPS，20SPS，25SPS，40SPS，50SPS，100SPS 16个档位；频率测量范围0.001-2KHZ；存储功能：最多可存储30组采样数据。

本发明还给出了实现上述方法的测量装置，包括测量电极3、模拟电路1和数字电路2两部分组成，由相互独立的电源分别对两部分供电，模拟电路的供电电压为±6V，数字电路的供电电压为+6V；电极的信号首先经过前级保护电路和抗混叠滤波器输入到增益可调的斩波放大器进行放大(前级放大)；斩波放大器的输出信号经过陷波器滤除50HZ工频信号；陷波器的输出信号经过一个与前级放大相同的放大器(后级放大)得到所需要的模拟信号；然后模拟信号经过24位Δ∑模数转换芯片被转化成数字信号；数字信号通过硬件滤波器进行采样、信号抽样和滤波(前级数字信号处理)后至可编程逻辑阵列；可编程逻辑阵列完成时序的转换并把硬件滤波器的输出结果传给DSP、同时还把GPS时间信息和秒脉冲传给DSP；DSP主要完成整个同步采样过程的控制和功率谱估计以及数据存储。

同步控制采用GPS授时+恒温晶振补偿的方式。GPS接收机(采用UBLOX公司的SBR-LS)把时间信息和秒脉冲传给FPGA，FPGA利用恒温晶振的输出为参考对GPS时钟进行时间补偿和校正，并且在GPS接收机失锁或受到干扰时自动进行计时。

其中DSP采用TI公司的TMS320C6713；GPS接收机采用UBLOX公司的SBR-LS；FPGA采用ALTERA公司的EP1C12Q240C8；硬件滤波器采用CIRRUS公司的CS5376A。

进行天然电场观测时至少需要两台观测仪，更多台观测仪器同时运行可以提高观测速度。观测完毕之后，利用PC机对各观测仪器采集到的数据进行综合处理。

天然电场观测仪分别被放置在参考点和被测点，在定时器的控制下，系统在t0-tx时间段进行同步采样滤波，得到天然电场的时间序列，采样结束之后，两台仪器分别对数据进行功率谱计算，然后把计算结果存储到EEPROM，以便于PC机进行分析计算。Δt＝tx-t0应足够大，有利于观测精度的提高。

在系统的后级信号处理技术中，采用了DSP和FPGA。DSP是系统的核心，它的主要功能是完成数据的处理运算。FPGA主要控制硬件滤波器完成对信号的提取、GPS同步、以及各种时序的产生。利用FPGA的并行处理能力解决了MT数据的实时采集与DSP有限逻辑控制能力之间的矛盾；利用DSP强大的计算能力解决了MT数据处理算法复杂与FPGA计算能力有限之间的矛盾；利用SDRAM的单片高密度解决了FPGA和DSP内部RAM空间有限、无法实现大量数据存储之间的矛盾。DSP还完成系统的初始化、数据滤波以及储存等功能。FPGA部分主要完成与外围电路的接口功能，为外围电路提供必要的逻辑控制。数字信号处理电路是由数字信号处理器(DSP)电路、现场可编程门阵列(FPGA)电路、硬件滤波器电路、GPS模块、存储器(包括ROM、RAM和FLASH)电路等部分组成。完成对经过A/D转换后的天然电场信号的处理。

Claims (4)

1、一种基于天然电场理想化的深部资源高精度测量方法，包括以下步骤：

1)在不含矿物质的地质信息近于零的地段，设固定参考基点0，将电压探测仪的两个硫酸铜电极间隔至少20米放置在参考基点两侧，其电位差设为ΔV0；

2)另设被测点为i，将电压探测仪的两个硫酸铜电极间隔至少20米放置在参考基点两侧，其电位差设为ΔVi；

3)在至少一分钟的t0-tx时间段内对固定参考基点和被测点进行同步测量，得到ΔV0、ΔVi的离散序列；

4)根据步骤3测量结果计算基点及被测点功率谱 并保存计算结果及其坐标和时间；

5)重复2、3、4步骤，被测点选取采用平行移动法、垂向移动法或正交观测法，直到测完所需测量区域；

6)根据得到的功率谱和基点的视电阻率计算被测点的视电阻率为： ${\mathrm{\ρ}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)\≈{\mathrm{\ρ}}_0\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{{\hat{P}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\hat{P}}_o\left(\mathrm{\ω}\right)},$ 然后绘制观测断面的ρi的等值线断面图。

2、一种基于天然电场理想化的深部资源高精度探测仪，包括测量电极及数据采集处理器系统，其特征是：所述的测量电极为硫酸铜电极，所述的数据采集处理器系统由模拟电路和数字电路两部分组成，由相互独立的电源分别对两部分供电，模拟电路的供电电压为±6V，数字电路的供电电压为+6V；

电极的信号首先经过前级保护电路和抗混叠滤波器输入到增益可调的斩波放大器进行前级放大；斩波放大器的输出信号经过陷波器滤除50HZ工频信号；陷波器的输出信号经过一个与前级放大相同的后级放大得到所需要的模拟信号；然后模拟信号经过24位Δ∑模数转换芯片被转化成数字信号；数字信号通过硬件滤波器进行采样、信号抽样和滤波的前级数字信号处理后至可编程逻辑阵列；可编程逻辑阵列完成时序的转换并把硬件滤波器的输出结果传给DSP、同时还把GPS时间信息和秒脉冲传给DSP；DSP完成整个同步采样过程的控制和功率谱估计以及数据存储。

3、根据权利要求2所述的基于天然电场理想化的深部资源高精度探测仪，其特征是：所述的同步采样过程的控制采用GPS授时，GPS接收机把时间信息和秒脉冲传给FPGA，FPGA并且在GPS接收机失锁或受到干扰时自动计时。

4、根据权利要求3所述的基于天然电场理想化的深部资源高精度探测仪，其特征是：所述的FPGA以恒温晶振的输出为参考对GPS时钟进行补偿和校正。

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