对勘察资源多深度消耗加上探查投入的不足，我国许多生产矿山逐步出现不同程度的资源短缺.为了解决矿山资源短缺问题，我国把提高矿山经济效益，延长矿山服务年限作为矿山开采政策之一，至此，深部找矿已成为矿产勘查的一个主要方向(刘国栋，1994；严加永等，2008)进而实现国家矿产的持续开发与不断应用.而对矿藏预测区的选择，物探测线部署和地球物理异常解释以及工程验证方案的选取都非常重要.针对性的优化勘察技术，提升矿山开采的预测理论，提高地质-地球物理模型的精度，提高地质矿藏的电性结构的分辨率成为近些年来解决生产矿深度消耗、资源短缺的重要手段(王家映，1997；徐建华，1997).固然，探矿的新理论、新方法、新技术的综合应用与联合攻关迫在眉睫，这也是当代地磁学研究的一重要发展方向(张寿庭等，1999).

甚低频法与软件无线电技术进行组合应用是一种新的物探方法.它是利用俄罗斯甚低频Alpha导航系统发射的大功率高精度的甚低频(VLF)信号作为发射源，共有3个发射台，它们分别是位居在新西伯利亚的主台、位居在格拉斯那达尔的西副台和和位居在哈巴罗夫斯克的东副台，发射信号频率均是为11.9 kHz、12.6 kHz和14.9 kHz的甚低频波段的信号，共九条路径的信号可供选择接收.如图 1，A西副发射台B主发射台C东副发射台D河南豫北地区.可以根据不同电阻率的地质矿藏和信噪比与接收机的灵敏度合理的对发射台做出选择，当然也可以同时利用三个不同发射台的频率，最后由天线分波段的合理接受.合理选择电台且把电台发射的电磁波作为场源，在地表、空中或地下探测场的参数变化，从而得到电性局部差异或地下构造的信息(周平等，2009).但是由于矿藏的深度不同，当前的探矿接收机不能完全确定隐伏矿体的地下位置，于是本研究对二者进行组合应用，把接收机的天线看作是垂直电偶极子，多方位更加有效的分析探索地下多深度的低阻异常体，提高电性结构探测的分辨率，提升隐伏矿体探矿定位的准确性和有效性.

图 1

Fig. 1

图 1俄罗斯Alpha导航系统三个发射台的 甚低频电磁波信号的发射与接收 Fig. 1 Transmitting and receiving the Russian Alpha navigation system three transmitting stations of the VLF electromagnetic wave signal

矿床中所有或部分矿体出露现代地表，称出露矿床.而在现代地表没有矿体直接露头的矿床一般称隐伏矿床.地表没有直接露头的矿体称盲矿体.隐伏矿床中，全部矿体都是盲矿休，出露矿床中，可有部分盲矿体. 当前，隐伏矿体的定义方案和分类方法在国内外尚未统一.池三川将隐伏矿体定义为 :“埋藏于基岩中受到或未受到现代切割作用，受到或未受到沉积物覆盖的所有矿床(体)”(池三川，1988).隐伏矿体(池三川，1988；曹令敏，2010)一般包括半隐伏矿体和全隐伏矿体.其中半隐伏矿体，有几米自积累物体掩盖，矿产成因类型多为内生矿产，如夕卡岩型、热液型矿床；全隐伏矿体的隐伏深度甚深，有较厚的运积物掩盖，地表无任何矿化标志的地球化学异常，矿产成因类型多为各类原生矿产，发现的难度很大(许令兵，2001).当今世界的隐伏矿体的构造成分错综复杂，内含有大量的金属硫化物，还有各种铜矿与铁矿的混杂状态等.在地表的形成与运动中构成形态各异，颜色迥异的矿体.在地下就像一个大磁石依附在地表，对围岩而言，这些矿藏可视为良导体，当电磁波遇到这种矿体的时候将会产生较大的电流，因此可以采取物探的方式并且利用这些隐伏矿体带与围岩之间存在着明显的物性差异，这些为本次接收机的甚低频测量提供了良好的地电条件，从而为隐伏矿体的空间定位预测提供了依据(徐旃章等，1993).

图 2为接收机的电台信号接收框图(图中波浪线为矿横向界面带；A，B分别为两侧界面).图 3软件无线电甚低频法接收机的原理框图.基于软件无线电甚低频接收机凭借软件无线电的设计思想，用硬件简单可靠的设备作为探矿信息接收装置的平台，通过配置不同的软件模块来接收不同类型的VLF波段的探矿信号.随着数字信号处理技术的发展以及高速高精度A/D器件、高速高性能DSP器件的出现，使得运用软件加载来实现甚低频探矿成为可能.天线用于接收VLF信号的电场强度在垂直方向上的分量.由天线接收的射频信号包含很多频段的甚低频信号.经放大器对信号放大再接收，然后进入A/D转换器.由数字信号分析仪计算校对出该接收机所接收到的VLF信号相位和幅度的变化量，进一步反演出水平分量Hy及垂直分量Hz和椭圆极化倾角D.由于VLF信号会产生干扰，必须对射频信号进行抗混叠滤波.放大器采用增益可调的放大电路，主要是为了满足在不同地点接收时信号强弱不同的需要.

图 2

Fig. 2

图 2 隐伏矿体的接收机三个电台信号简图 Fig. 2 The three radio signal receiver of the sketch of concealed ore body

图 3

Fig. 3

图 3 基于软件无线电的VLF法接收机原理框图 Fig. 3 The principle diagram of the VLF receiver based on Software Radio

该系统的技术指标要求为：动态范围：50 dB；灵敏度：1 μV；幅度失真度：<15%；相位测量精度：±1 cec(百分周).

硬件部分主要由鞭状天线、铷原子频率标准、抗混叠滤波器、放大器、AD采集卡和通用计算机等部分组成.首先，天线采用鞭状天线，用于接收VLF信号的电场强度在垂直方向上的分量.由天线输出的射频信号包含很多频段的各种电磁波信号，直接对信号进行采样将会把一些无用的信号引入到所接收的甚低频波段上来，这样就会对后续的VLF信号处理造成干扰，因此，必须对射频信号进行抗混叠滤波.其次，铷原子频标内含有分频电路与整形电路.铷原子频标可以输出高稳定度的正弦波信号，经分频与整形电路后变为稳定的脉冲信号，为A/D采集卡提供50 kHz的采样脉冲信号.其频率稳定度高达±1×10^-11/日.最后，放大器部分，放大电路采用增益可调的由AD7520组成的放大电路，放大倍数可以从8到128可调.这是因为信号强度不同的信号接收会受到接收地点的影响.信号强时用较小的放大量，信号弱时则反之，这样可以充分利用A/D卡的量程(Reed，2004；杨小牛等，2010).

软件的加载是对VLF信号的采集、3个发射台九路VLF信号的水平分量，垂直分量，极化椭圆倾角等数据的提取和分析.倾角D的处理校对使零交点的有效位置得到确定.

基于软件无线电的甚低频法既可以使用甚低频信号的磁场分量，也可使用其电场分量.使用磁场分量的甚低频测探方法是基于电磁感应的应用，对地下局部电性异常做出分析研究，从而勘探出地下良导体或者矿体的存在；使用电场分量的甚低频测探方法是基于研究大地电性，进行电阻率填图(陈伟军和刘红涛，2009).此接收机设计方法的目的是对隐伏矿体的定位探测，利用其磁场分量的测量就可以达到效果.

俄罗斯的Alpha导航系统发放的大功率高精度的VLF信号，投射地表后，可以认为其传播方向是竖直向下的.如果遇到地下埋藏的导体物质或磁性感应体时，会产生感应电流(娄德波等，2008)，此时的电流是一种涡流.由于一次场是变化的，所以涡流也是变化的，于是将使其极化而产生二次场，二次场又可以分为垂直分量与水平分量(熊皓，2004).很显然，磁场垂直分量的出现是地下局部电性差异的标致.在多半情况下，由于振幅、传播方向和相位会有所不同致使一次场与二次场在传导过程中的叠加而成的总场与电磁波的传播方向必定会成一定夹角，即为椭圆极化倾角(田育庶和牛有田，1995；熊皓，2004).图 4为椭圆极化倾角.

图 4

Fig. 4

图 4 椭圆极化倾角 Fig. 4 Elliptic polarization angle

电磁波水平分量用Hy表示，电磁波垂直分量Hz表示，H₀为正常值.极化倾角用D表示.用百分比表示相对异常，Hy/H₀表示磁场水平分量曲线，Hz/Hy表示磁场竖直分量曲线，极化倾角曲线用D表示.有几何关系可知，D的正切值与二次场的垂直分量成正比，即tanD=kHz其中k为比例系数.所以椭圆极化倾角的变化既可以反演二次场垂直分量的变化.从而可以确定矿藏物质的电性差异.用水平分量的极大值，垂直分量的极小值，零交点来预测矿藏的有效位置(史保连，1986).

基于软件无线电的甚低频法探矿接收机可以把甚低频电磁波的感应信号的相位和幅度等信息量由数据存储器自动记录下来，通过电子显示器可以观察对比，最后有信号处理分析仪进行分析计算出磁场的振幅和相位的异化(田育庶等，1996)及磁场水平分量极大值与垂直分量的极小值，进而推断出零交点的位置.图 5基于软件无线的VLF法接收机线路连接图.图 6、图 7为接受信号的相位与幅度随时间的变化量.正常情况下，零交点呈现在含水断裂带或其他低阻地质体的上方(刘光鼎和郝天珧，1990；曹新志等，2009)，若将各剖面正峰值连接便可确定出矿化带的延长倾向.布线原则是测线方向尽量垂直矿化带方向.为了避免地形等因素的干扰，致使导体物质的上方出现假零交点的现象，在信号处理上采取Fraser数字滤波.其Fraser滤波数学表达式为

图 5

Fig. 5

图 5 基于软件无线电的VLF法接收机线路连接图 Fig. 5 Connection diagram of VLF receiver circuit based on Software

图 6

Fig. 6

图 6 接收信号的相位与幅度曲线(一)(11.9 kHz) Fig. 6 Amplitude and phase of the received signal curve(11.9 kHz)

图 7

Fig. 7

图 7 接收信号的相位与幅度曲线(二)(11.9 kHz) Fig. 7 Amplitude and phase of the received signal curve(11.9 kHz)

通过图 6与图 7的对比、数字滤波结果分析可对真假零交点做出判断，结合地质矿藏与围岩电性差异，加上地质-地球物理勘察和异常工程的研究分析可以确定隐伏矿体的存在.

本文提出了基于软件无线电的甚低频法探矿的研究方法，是甚低频与软件无线电技术的组合应用.在发射源方面，利用俄罗斯甚低频Alpha导航系统发射的大功率高精度的甚低频(VLF)信号，在电磁方面，利用矿化带与围岩在电性方面的差异性与准确的地质分析，在数据处理上，采用了高端的计算机软件从甚低频相位和幅度的变化曲线反演出感应电磁场的水平和垂直分量及椭圆极化倾角，并且采用了数字滤波，推断出零交点的正确位置.从地球物理特征的相似性可以推测隐伏矿体的存在.所以，该基于软件无线电的甚低频法探矿是可行的，为隐伏矿藏良导体的寻找奠定基础，为人类今后的探矿事业提供了很好的依据.