地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (10): 3772-3784   PDF    
分布式电磁法仪器系统设计及实现
郑采君1,2, 刘昕卓1,2, 林品荣1,2, 孙夫文1,2,3, 李勇1,2, 李建华1,2, 王珺璐1,2     
1. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北廊坊 065000;
2. 国土资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室, 河北廊坊 065000;
3. 北华航天工业学院, 河北廊坊 065000
摘要:本文介绍一种采用大功率稳流发射、低噪声测量、宽频带接收以及分布式同步等技术,自主研制的分布式多功能电磁法仪器系统.系统包括大功率电磁法发射机、分布式电磁法接收机、磁场传感器、整流源等设备.采用ARM芯片和FPGA芯片进行发射机的整机控制和信号整形发射,采用PC104工控机和FPGA芯片进行接收机的整机控制和信号处理.在人工场源模式下实现了可控源音频大地电磁法(CSAMT)、谱激电法(SIP)和时域激电法(TDIP)等测量功能;在天然场源模式下实现了大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)的测量功能.发射机在满功率发射的情况下连续可靠运行时间大于12 h,接收机的动态范围大于120 dB,接收机可接收信号频率范围是0.001 Hz~32 kHz.通过典型矿区的野外实验和应用,表明本系统的性能总体上达到了国际先进水平.
关键词: 大功率发射机      分布式接收机      磁场传感器      多参数测量     
Design and realization of the distributed electromagnetic instrument system
ZHENG CaiJun1,2, LIU XinZhuo1,2, LIN PinRong1,2, SUN FuWen1,2,3, LI Yong1,2, LI JianHua1,2, Wang JunLu1,2     
1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Science, Langfang Hebei 065000, China;
2. Laboratory of Geophysical Electromagnetic Probing Technologies, Ministry of Land and Resources, Langfang Hebei 065000, China;
3. North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang Hebei 065000, China
Abstract: This paper presents a distributed multi-function electromagnetic system developed by using the technology of high-power and steady current emission, low noise measurement, broadband reception, and distributed synchronization. The system consists of a high power electromagnetic transmitter, distributed electromagnetic receiver, magnetic field sensor, rectifier source and other equipment. It uses ARM chip and FPGA chip to control the transmitter and signal shaping, and PC104 industrial control computer and FPGA chip to complete the receiver's whole machine control and signal processing. On a artificial field source model, the measurement functions of controllable source audio-frequency magnetotelluric (CSAMT), frequency domain induced polarization (SIP) and time domain induced polarization (TDIP) are realized. On a natural source model, the measurement functions of magnetotelluric (MT) and audio magnetotelluric (AMT) are also realized. The transmitter can run for more than 12 hours in the case of full power transmission. The dynamic range of the receiver is greater than 120dB. The receiver can receive the signals from 0.001 Hz to 32 kHz. Field experiments and application to a typical mining area show that the performance of this system has reached the international advanced level overall.
Keywords: High power transmitter    Distributed receiver    Magnetic field sensor    Multi-parameter measurement    
0 引言

为提高探测效率,节约资源并拓展方法和功能,电磁法探测系统逐渐向集多种方法技术为一体的多功能电磁法探测系统转变(耿启立,2016),其仪器系统成为地球物理探测的重要仪器装备.国外多功能电磁探测系统仪器起步较早,并且发展迅速.而国内在此领域起步较晚,因此近年来国外生产的仪器设备占据国内市场的大部分份额(薛国强等,2017李建华等,2015),例如美国ZONGE公司的GDP-32多功能电法仪,加拿大Phoenix地球物理公司的V-8电磁系统,德国Metronix公司的GMS-07综合电磁法仪.因此加大多功能电磁法探测系统的仪器及其数据处理解释等方法技术的研究投入是提升我国勘探地球物理方法技术的自主创新能力和装备水平的重要手段(董树文等,2012何继善,1997).近年来,随着我国在这一领域投入的增加,取得的成果也较为显著.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所于2010年研制出国内首套大功率多功能电磁探测系统样机(林品荣等,2010).中国科学院地质与地球物理研究所于2012年研制出可控源音频大地电磁测深与大地电磁测深相结合的SEP系统仪器样机(底青云等,2013).

分布式电磁探测系统由多部接收系统组成,可将其放置在一条或多条测线上进行同步观测,协作完成数据采集,可提高通道容量,形成不同的收发组合,实现二、三维探测,测量效率进一步提高.加拿大Quantec Geoscience公司于2001年发布了Titan-24分布式测量系统,可进行IP和MT方法的联合测量(Nimeck和Koch,2005).GDP-32采用集中式数据采集模式,V-8通常可使用2个电场采集站(张文秀等,2012).中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所于2015年开展了分布式大深度多功能电磁法系统研究并进行了三维数据正反演处理应用,具有AMT、CSAMT和IP方法的电磁探测功能,填补国内这一领域内的空白(林品荣等,2015).

由此可见,由国外引进的电磁法仪器价格昂贵,并且有时不适合国内的方法技术的研究及应用,而国内相关单位研制的多功能电磁法仪器系统方法技术及功能还有待开发,并且大多停留在原理样机的阶段.因此本文基于“863”计划课题“分布式多参数高密度电磁探测系统”,通过对已有多功能电法系统仪器的成果进行综合与集成研究、配合新测量方法、技术设计,研发出新型分布式多功能电磁法仪器.该仪器系统结合二、三维电磁探测方法技术可以方便高效地获得5 km以上地下的地质体信息,为国家地质填图、深部找矿与地球深部结构研究提供基础技术支撑.

1 仪器设计及实现 1.1 大功率电磁法发射机仪器设计及实现

本系统中的大功率发射机是针对分布式多参数高密度电磁探测系统的特殊要求,发射时间域激电、频谱激电、相位激电、可控源音频大地电磁等多种电磁法工作模式所需的信号波形,具有综合编码自动循环发射模式,可将多种供电模式统一编码,自动循环发射.

1.1.1 大功率稳流发射技术

发射机的主控单元采用ARM+FPGA双核的设计模式,利用ARM芯片丰富的资源和快速的响应能力控制键盘、液晶、串口等外设,利用FPPA并行计算的优点控制波形即时发生,并由功率部分发射大功率波形,其功率部分的原理如图 1所示.信号由FPGA的I/O口输出四路PWM波后进入光耦隔离芯片后,进入IGBT驱动模块2SD315A-33,该模块可同时驱动两个IGBT模块,使用英飞凌公司生产的FF400R33KF2C IGBT半桥模块作为功率组合开关,其耐压值为3300V,额定集电极电流为400A,每个模块上集成了2个IGBT和2个续流二极管,2个IGBT驱动模块在控制时序的控制下驱动Q1-Q4 4个IGBT开关有序地轮流导通,将直流电变换成各种波形输出.

图 1 IGBT开关及驱动示意图 Fig. 1 Schematic showing IGBT switches and driving

在大功率发射(发射电流大于10 A)状态下,发射机只能实现1%左右的稳流精度,这一精度对于高精度测量来说是远远不够的,为此本系统采用大功率稳流发射与场源归一校正相结合的工作方式,在不明显增加发射机实现难度的条件下,达到与高精度稳流发射同样的测量效果.具体实现方案如下:

(1) 在发射机系统中,通过霍尔电流传感器对发射电流的幅度和相位参数进行采样,根据采样数据对接收机系统中接收信号的幅度和相位进行归一化校正处理,可以有效提高接收机端接收的发射电流精度,去除由于发射电流变化引入测量误差的大部分影响,可以有效提高接收机端测量数据的稳定性.

(2) 在发射机高压直流电源的输入回路中增加用于精确测量发射电流的霍尔电流传感器,用于实时测量发射机的发射电流值.这一部分电路流过的电流为固定值(等于发射电流),与发射波形和发射频率无关,因此更能将实时电流测准,有利于稳流精度的提高.将测量的电流数据反馈给整流源,控制整流源的输出电压,当实测电流高于设定电流值0.5%时,降低整流源输出电压;反之,当实测电流低于设定电流值0.5%时,则提高输出电压.以此完成电流反馈控制,将发射电流稳定在设定电流值的1%精度以内.校正输出电流,从而减小输出电流的波动,这样既不增加发射机的体积,还降低了系统的复杂度,同时在整流源输出之前进行控制,大大提高了稳流精度.

1.1.2 尖峰电压吸收技术

本设计中利用电容的充放电作用,在单个IGBT两端并联吸收电容,以抵消电路中由于杂散电感而产生的反向尖峰电压,从而提高系统的稳定性.在实际电路中,尖峰电压吸收电路会随着功率增大与直流母线杂散电感产生震荡,因此本系统中的吸收电容采用无感型或低感型电容.尖峰电压吸收电路的效果如图 2所示,从图中可以看出,设计中采用的电路可以对尖峰电压产生良好的抑制效果.

图 2 尖峰电压吸收效果仿真图 (a)尖峰电压吸收前;(b)尖峰电压吸收后. Fig. 2 Simulation diagrams showing effect of peak voltage absorption (a) Before absorption; (b) After absorption.
1.1.3 可靠性保障技术

为提高发射系统的可靠性,设计中采取的措施主要有:

(1) 双隔离技术.发射系统主控部分输出的PWM信号首先通过光耦隔离芯片TLP250输出,其隔离电压可达2500 V,转换频率大于2 MHz,远大于系统中发射信号的频率.光耦隔离芯片具有传输信号不失真,隔离电压高等优点.设计中利用其将主控单元和高压部分隔离,可有效防止低压电路受到强电干扰,同时可以保护操作人员的安全.然后信号进入高压部分的驱动保护模块2SD315A-33,模块内部具有脉冲变压器隔离电路,由此对信号进行了双重隔离,进一步提高了系统的可靠性与抗干扰能力.

(2) 过流与短路保护.本设计中采用的IGBT驱动模块2SD315A-33带有过流与短路保护功能,当任意通道中器件出现过流或短路现象时,模块会立即响应异常状态,输出故障信号并进入封锁状态,其间IGBT保持截止状态.

(3) 过温保护.发射系统内部装有多个温度传感器用以检测机箱体内温度,由主控芯片根据反馈回的温度数据控制机箱两侧散热风扇.设置两级温度门限,当温度超过第一门限40 ℃时,风扇进行散热工作;当温度超过第二门限80 ℃时,主控芯片直接发出截止信号控制IGBT驱动模块封锁IGBT,从而实现两级过温保护.

1.1.4 性能测试

本系统研制的大功率电磁法发射机仪器的工作频率范围在8 kHz~1/128 Hz,具有CSAMT、SIP/FDIP、IP方法同步发射功能,具有GPS+恒温晶体同步测量的能力,其同步精度优于30 ns,可单独或连续扫频发射单频方波、供停方波、多频(5频和7频)方波和3到7阶伪随机方波波形,具有过流、过压、过热和短路保护功能.在不同地区对本分布式电磁法发射机进行野外试验测试,依次连接发电机、整流源、发射机、60 Ω左右的模拟负载设备,使用万用表、示波器设备测量得到最高发射电压为1200 V,最大发射电流为50 A;在相同条件下,使用24 Ω左右的模拟负载进行测试,测得最大发射功率为60 kW;它既可以在最高气温达40 ℃的戈壁滩持续工作,也可在低于0 ℃的野外环境中持续工作.进行数据采集任务中,发射机每天持续工作8小时,可稳定持续地供电.以上涉及的主要技术指标测试结果已通过专家组测试验证,其具体功能及技术参数表如表 1所示.

表 1 EM-T60型大功率电磁法发射机系统功能及技术参数表 Table 1 Functions and technical parameters of high power electromagnetic transmitter system
1.2 分布式电磁法接收机仪器设计及实现

宽频多功能接收机电路主要由主控单元、高频通道板、低频通道板、母板等四部分组成,系统的每个部分都实现了单独供电,功能自成体系.主控单元完成对接收机系统的总体控制,它根据系统主机导入的控制文件或操作员通过接收机键盘置入的文件控制系统各电路协同工作,完成系统的测量、测试、自检、标定、信息处理与显示等功能.系统主控单元由工控机、GPS+恒温晶体模块、逻辑控制单元、标定信号合成与输出单元、LCD接口与显示单元、键盘接口与矩阵键盘单元、系统内部总线、主控板电源等几部分组成.其中工控机部分是主控单元的核心,其他各部分在其协调管理下开展工作,以下讨论仪器实现中所使用的关键技术.

1.2.1 低系统噪声保障技术

为实现改善系统噪声特性的目的,设计中采取的措施主要有:

(1) 优化电源电路设计,降低电源噪声.电源噪声是系统噪声的主要来源,将直接影响系统的噪声特性.本设计中,分别从电源模块的选取、电源容量设计、电源走线的设计等方面进行优化,同时采用RLC阻尼电路对电源的输出滤波电路进行优化(Hubing et al., 1999Park et al., 2006刘珺和邵亮,2007).

(2) 优化电路板设计.在电路板的设计阶段,根据噪声仿真结果确定最优设计,以求每一关键信号线都达到最佳效果,尽最大可能避免各信号间交叉干扰和通过信号线引入外界干扰;

(3) 选用噪声性能优良的元器件.设计中所选器件均为工业或军品级,噪声指标由原来的0.25 μVp-p提高到了0.07 μVp-p,提高3倍以上;漂移指标则从0.5 μV/℃提高到了0.03 μV/℃,提高超过一个量级.

分别进行原有系统和本系统的噪声水平测试,其实测对比曲线如图 3图 4所示.设置的采样频率为128 kHz和4 kHz,实测数据可以说明通过以上方案的改进,系统噪声特性改善明显,成果显著.

图 3 原有电磁法系统噪声实测曲线 (a)采样频率为128 kHz;(b)采样频率为4 kHz. Fig. 3 Measured curves of noise in the original electromagnetic system (a) Sampling frequency is 128 kHz; (b) Sampling frequency is 4 kHz.
图 4 研制的接收机系统噪声实测曲线 (a)采样频率为128 kHz;(b)采样频率为4 kHz. Fig. 4 Measured curves of noise in the developed receiver system (a) Sampling frequency is 128 kHz; (b) Sampling frequency is 4 kHz.
1.2.2 宽频带测量技术

系统拓展应用于深部地质结构探测的MT功能,设计频带下限应低于0.001 Hz,因此需要考虑的频率低于0.1 Hz的系统漂移及噪声.为此设计中采用提高系统长期稳定性和温度稳定性等措施扩展接收系统带宽.

(1) 抑制通道漂移,具体方案如下:

a.采用斩波稳零集成运算放大器设计系统低频模拟通道,使得由运放产生的漂移由毫伏级减小到纳伏级,通道稳定得到明显改善(吴祖国,2003);

b.采用低温度系数电阻.模拟通道中关键部位的电阻均换用温度系数小于10 ppm/℃标称精度0.1%的电阻,使得通道的温度系数减小到0.5 μV/℃以下;

c.采用低温度系数电容.模拟通道中关键部位的电容均换用温度系数小的电容,以进一步降低通道温度系数;

d.严格器件筛选工艺.对所有元件均经过严格的温度老化和筛选,保证器件质量和稳定性.

首先,分别进行原有系统和本系统的低频漂移测试,其实测对比曲线如图 5所示.原有电磁法接收机采样时间262 s,通道增益1600倍,输出直流漂移2 mV,折合到通道输入端为1.25 μV.系统输出漂移(折合到增益为64倍时)大于80 μV.经过上述技术改进后系统稳定性得到明显提高,新研制接收机,采样时间1640 s,通道增益64倍,输出直流漂移小于1 μV.相比之下,比较系统低频通道的漂移减小为1/80.

图 5 系统实测低频漂移对比曲线 (a)原有电磁法系统低频漂移实测曲线;(b)本设计低频漂移实测曲线. Fig. 5 Comparison of measured low frequency drift of system (a) Original system; (b) New system.

其次,在不同温度条件下测试不同陷波点对应的陷波深度,测试结果如表 2所示.从表中可见,电路中的陷波器在温度剧烈变化的情况下,陷波深度几乎保持不变,可见其稳定性极好.

表 2 陷波深度随温度的变化 Table 2 Variation of notch depth with temperature

(2) 优化电路板设计提高系统抗干扰能力.主要采取的技术措施有:

a.数字信号与模拟信号远离、信号线垂直交叉技术.通过数字信号与模拟信号的远离减小两种信号间的相互干扰;通过信号线的垂直交叉降低信号间的互相耦合;

b.模拟信号、数字信号的平衡传输技术.模拟信号平衡传输可以有效减小共模干扰信号对测量的影响;数字信号的平衡传输不仅可以减小共模信号干扰,还有利于减小数字信号电流包围的面积,降低数字信号辐射干扰,更重要的是可以提高数字信号的传输驱动能力,实现高速数字信号传输,提高系统可靠性(蔡国发等,2012);

c.关键信号包地处理.对于系统中的关键信号,全部采用包地处理技术,提高信号的抗干扰能力.

通过对上述抗干扰提高可靠性技术的综合应用,使得系统电路板得到优化,从而提高电路稳定性和抗干扰能力.

(3) 增加系统老化处理工艺,提高系统稳定性;系统加工完成后须经加电老化处理,并保证各项指标老化处理后检测合格.

通过对元件选择、电路优化、系统老化等系统稳定性保障技术的集成创新,使得仪器系统稳定性得到明显提升,达到任务目标要求,取得预期成果.

1.2.3 高精度分布式同步接收技术

面积性测量中,如果采用集中式系统结构,远距离传输被测模拟信号时模拟信号极容易受到干扰而影响测量精度(张文秀等,2012).为适合实现面积性三维电磁观测方法技术要求,本文对接收系统结构进行重新设计,将传统多通道自成系统的控制方式转变为多道分布式测量集中控制方式,实现系统的集中控制、多道分布式测量功能.

同步接收控制原理如下:将GPS模块的PPS秒脉冲信号连接到接收机的CPLD时序控制单元中.GPS定位授时后,接收机使用标准的PPS秒脉冲信号获取星历的准确时间,并结合高精度恒温晶振的时钟对各个接收机进行精准同步.GPS的天线由专门的SMD接头引入,将天线的外围地线屏蔽,防止GPS信号受到电磁干扰.同时,发射机需要与接收机同步工作,以保证发射信号的时间准确度和接收信号的一致性,其同步方法也是按照以上原理实现.设计中须保证同步方式的精度以确保系统内所有仪器的协同工作.由于石英晶体同步容易出现同步累积误差,本文设计实现以GPS的PPS秒脉冲信号来标定恒温晶体的工作频率,其时序图如图 6所示,图中T表示一个时钟周期.系统时钟由恒温晶体产生,根据标定的准确频率,计算出恒温晶体的同步累积误差,当同步累积误差达到半个时钟周期后,在CPLD中对累积误差予以消除,并输出校正后的采样时钟.最终使得在系统工作过程中,同步累积误差始终被控制在小于工作频率的半个周期之内,从而有效提高系统同步精度.

图 6 恒温晶体校频时序图 Fig. 6 Time sequence diagram of OCXO′s frequency correction
1.2.4 性能测试

本系统研制的分布式电磁法接收机AMT方法的频率范围在32 kHz~1 Hz,MT方法的频率范围在300~0.001 Hz,CSAMT方法的频率范围在21333.33~0.06975 Hz,SIP方法的频率范围在128~1/128 Hz,IP方法的频率范围在1/4~1/128 Hz;最大采样率512 kHz;具有自检查、自标定、自校准等功能.通过电阻分压将信号源发射的信号转为微弱信号输入接收机,通过信号的测量值计算出接收机在采样率小于4 kHz时的动态范围大于120 dB;通过同时观测两台任意两台接收机同步信号的上升沿,测量其时间差,测试接收机的同步一致性,同步精度优于30 ns;使用一干扰源在信号的输入端加入49~51 Hz的干扰信号,输入不同频率的有效信号,覆盖全频段,信噪比为-60 dB,计算出信号测量值的幅度相对误差和相位相对误差均在1%左右,测试结果表明数据质量满足测量方法的要求.以上涉及的主要技术指标测试结果已通过第三方专家组测试验证,其具体功能及技术参数表如表 3所示.

表 3 分布式多功能电磁法接收机系统功能及技术参数表 Table 3 Functions and technical parameters of distributed multi-function electromagnetic receiver system
1.3 磁传感器

为实现三维电磁法方法测量,需要在一定频率范围内准确、不失真的测量磁场信号(张林成等,2017De Silva et al., 2012),如基于天然场的音频大地电磁法(AMT)、基于人工场的可控源音频大地电磁法(CSAMT)等.在上述测量方法中,为了简化数据采集系统和数据处理解释方法,设计磁传感器能够在测量频率范围内(一般为10 Hz~10 kHz)输出灵敏度与频率无关,灵敏度大于0.1 V/nT.

1.3.1 感应线圈研制

感应式磁场传感器的输出信号大小主要取决于感应线圈的面积、匝数和磁芯的导磁率,因此在感应线圈的制作中应尽量加大线圈面积、增加线圈匝数、提高磁芯材料的导磁率(郑采君,2012).同时,在实际设计线圈匝数、面积及灵敏度时,需要考虑传感器体积、重量和工作频率等参数的限制.本文中研制感应线圈的方法具体分为如下几个步骤.

(1) 选择磁性材料.磁性材料选择的原则是有效导磁率高、涡流损耗小、频率响应适合传感器需要、温度特性稳定、易于加工.在本项目中主要研制适合音频应用的传感器,因此采用片状坡镆合金材料制作的磁芯,磁芯的外面再以温度系数较小的PVC管材作支撑形成棒状磁芯.

(2) 选取线圈骨架材料.其一,环境温度变化时,线圈骨架材料的温度形变系数越大,线圈本身形状、线圈与磁芯间的相对位置的改变越大,从而影响传感器的稳定.其二,应考虑获取方便、加工简单.因此我们选择PVC管材精密加工而成.

(3) 绕制线圈.过大的线圈电感量和线圈分布电容会使感应线圈自谐振频率降低,因此本设计中线圈绕制方法采用分组乱绕方法.此方法可以保证感应线圈的谐振频率在传感器设计频带的中间附近,并具有较高的灵敏度,即在相同的匝数下,分布电容减小一半或更多.

按以上步骤方法研制的感应线圈实测的幅频特性曲线如图 7所示,其谐振点为1500 Hz.

图 7 感应线圈实测幅频特性曲线 Fig. 7 Measured amplitude frequency characteristic curve of induction coil
1.3.2 信号调理电路设计

图 7中可以看出感应线圈输出为频率的函数,在谐振点附近最强,在其他频率上输出较弱,不能满足频率域磁场测量的需要.因此必须对其进行频率补偿调整.设计中采用开环调整方式,根据感应线圈输出灵敏度,动态调整信号的增益.图 8给出了根据上述开环调整原理设计的感应式磁传感器信号调理电路原理图及信号调理电路的幅频特性曲线.

图 8 信号调理电路原理图(a)及频响曲线(b) Fig. 8 Signal conditioning circuit (a) and frequency response curve (b)

图 8a中C1用以匹配感应线圈,调整C1的大小,使感应线圈在谐振点1500 Hz准确谐振;R1、L1、R2、C2、U1组成在感应线圈谐振点附近增益为400左右的低通反相放大器;C3、R3组成一阶高通滤波器,用以滤除电路前级的直流漂移信号和低频干扰信号;R4、R5、C4、U2组成一阶低通同相放大器,直流增益为4倍,通过调整C4,可使其转折频率在10 kHz以上微调.

1.3.3 传感器屏蔽技术研究

除了磁场信号可以在传感器的输出端产生感应输出外,电场信号也可以通过线圈直接在传感器的输出端产生输出信号,甚至电场干扰输出信号可能高于天然场磁场输出信号,因此,在研制频域天然场磁传感器时必须采用电场屏蔽技术,以便抑制电场干扰.为克服高电导材料包裹传感器会产生涡流损耗这一缺点,设计了如图 9所示的梳状电场屏蔽体.图中黑色部分为铜带制作的梳状电场屏蔽体,由于屏蔽体在其环绕感应线圈的方向上没有闭合回路,所以它不仅能够屏蔽电场的干扰信号,而且引入的涡流损耗很小.

图 9 电场梳状屏蔽示意图 Fig. 9 Sketch of comb shielded electric field
1.3.4 性能测试

研制的感应式磁传感器经第三方专家组进行性能测试,频率响应如图 10所示,其频带宽度为20 kHz~0.1 Hz,其灵敏度为100 mV/nT(@10 Hz),噪声水平为0.2 pT/(Hz)1/2.

图 10 感应式磁传感器频率特性曲线 Fig. 10 Frequency characteristic curve of induction magnetic sensor

在相同的室内环境中(多层坡莫合金屏蔽桶),采用动态分析仪测量本系统中自主研制的磁传感器和加拿大Phoenix地球物理公司引进的AMT30磁传感器的噪声对比曲线,如图 11所示.其中蓝色曲线为自主研发的磁传感器的噪声曲线,红色曲线为AMT30的噪声曲线.由曲线可以看出,自主研制的传感器噪声与国外商品化生产的传感器噪声曲线形态相同、数值大小相近,基本处于同一水平.

图 11 传感器噪声对比曲线 Fig. 11 Comparison curves of noise in sensors

采用加拿大Phoenix地球物理公司的磁传感器(49号)、德国Metronix公司的磁传感器(75号)及自主研制的磁传感器进行CSAMT方法对比实验.观测频段为1.116~8000 Hz,电场点距50 m,最小垂直收发距为9100 m,供电电流为17 A.不同测点的视电阻率与阻抗相位的曲线如图 12所示.从图中可以看出三个磁传感器测量结果形态一致,在中频段(1 kHz~10 Hz)吻合最好,在高频段和低频段存在细微差别;自主研制的磁传感器的测量结果基本位于另外两条曲线的中间,相对于国外两个磁传感器的曲线更光滑.

图 12 典型测点上CSAMT方法的磁传感器对比曲线 Fig. 12 Contrast curves of magnetic sensor for CSAMT method at typical measurement sites
2 仪器精度测试及其主要参数对比

使用本文中设计的分布式电磁法仪器系统在新疆哈密地区开展野外数据采集工作,对分布式系统中多台仪器的一致性精度、检查点误差统计精度进行测试.

2.1 仪器的一致性试验

在数据采集过程中,主要使用了四台仪器(编号分别为300、301、303、304),将300号仪器的观测数据作为参考数据,计算301、303、304三台仪器与其误差.表 4为接收机在发射周期16S和32S的IP测量方法的一致性对比结果,可见ρs均方相对误差均 < 5%,和ηs总均方误差均 < 1%.表 5为CSAMT测量方法的一致性对比结果,可见ρsφs的均方相对误差均 < 5%.由此说明,仪器在IP测量方法和CSAMT测量方法中可以满足评价标准,可以确保野外采集数据的可靠性.

表 4 IP测量仪器一致性检测精度统计表 Table 4 Statistics of detection accuracy for consistency of IP measurment instrument
表 5 CSAMT测量仪器一致性检测精度统计表 Table 5 Statistics of detection accuracy for consistency of CSAMT measurment instrument
2.2 检查观测

在IP和CSAMT测量中,要求质量检查量不低于总工作量的3%~5%.经统计,所开展的IP总测点数200个,检查点14个,检查点占总数的7%,误差统计结果如表 5所示.所开展的CSAMT总测点数200个,检查点8个,检查点占总数的4%,误差统计结果如表 6所示.

表 6 TDIP质量检查统计表 Table 6 Statistics of quality tests of TDIP

由以上检查结果可见,在IP和CSAMT测量中,检查点数与误差计算结果均满足评价标准,可以为资料处理与解释提供可靠的数据.

表 7 CSAMT质量检查统计表 Table 7 Statistics of quality tests of CSAMT
2.3 仪器主要参数对比

将研制的分布式多功能电法仪与国内外主流多功能电磁法仪进行主要参数对比,如表 8所示.

表 8 本系统与国内外主流多功能电法仪主要参数对比表 Table 8 Comparison of main parameters between this system and mainstream multifunctional electrical instrument at home and abroad

从表中可以看出本系统发射机覆盖频带宽度范围较广,发射功率较大,同步精度较高,接收机功能较多,采样率较高,其各项性能参数与国际上领先水平的仪器相当,可以说明本系统性能优良,达到了国际先进水平.

3 应用效果

研制的分布式电磁法系统已经在全国多个矿区开展了实际勘探工作,并取得了很好的应用效果.如在甘肃某铅锌多金属矿开展了三维大功率时间域激电测量研究,多角度、多细节显示了测区地下介质电阻率、极化率的分布情况,较好地显示电性突变界面的三维空间的延展状态,圈定的三维低阻高极化带与已知钻探工程控制的矿脉位置对应良好,为后续工作圈定了找矿靶区(Wang et al., 2017).

在内蒙古赤峰市某多金属矿开展了二维相位激电测量.结合电阻率与相位反演结果,调整了原设计钻孔.经钻孔验证,地表下180.4~263 m为泥质板岩,见少量黄铜矿;263~371 m为砂质板岩,底部见数条黄铁矿脉,反演结果与钻孔资料套合图如图 13所示.反演结果中的深部高极化异常与该位置的金属硫化物有关.

图 13 870线RPIP反演结果与钻孔资料套合图 (a)激电相位断面图;(b)电阻率断面图. Fig. 13 Combination of RPIP inversion in 870 line and borehole data (a) Profile of polarization phase; (b) Profile of resistivity.

在霸州—永清地区开展了大地电磁地下空间探测应用研究.测区位于盆地内部,具有明显的二维特征,在研究深度较浅时(1~5 km),采用了四元素的测量方式(Shireesha and Harinarayana, 2011).观测频带:10000 Hz~100 s.图 14a为霸州—永清地区某测线大地电磁TE和TM模式二维反演结果,测区中部的高阻凸起为牛坨凸起;图 14b为邻区反射地震剖面,从图中可以看出反演结果与地震解释结果吻合较好(杨海盟等,2014).

图 14 霸州—永清地区MT反演结果 (a) MT方法的二维反演结果;(b)已有地震资料. Fig. 14 Results of MT inversion in Bazhou-Yongqing area (a) Two-dimensional inversion results of MT method; (b) Existing seismic data.
4 结论

通过对已取得的多功能电法系统成果进行功能拓展、性能提高、多方法技术的研究及综合集成(包括MT、AMT、CSAMT、SIP及IP方法),研制出了满足二、三维电磁方法技术所需要的先进的具有自主知识产权的分布式电磁法探测系统.经过野外实验对其进行了一致性精度、检查点误差精度测试及时间域激电、相位激电、大地电磁等方法的应用,表明仪器系统在性能、方法技术及地质应用等方面的试验是成功的、有效的,为我国深地资源探测、三维地质填图等方面的工作提供了先进的多功能电法技术装备,支撑地学领域的科技创新,服务于我国经济和社会的发展.目前该仪器装备已经初步得到商品化开发和试验推广.

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