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。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于天然电场理想化的深部资源高 精度测量探测仪,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。
为实现上述目的,本实用新型的探测仪,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。
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 (如图3所示);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。
探测仪探测的方法包括以下步骤:
1)在地质信息近于零地段,设固定参考基点0,采用硫酸铜电极 测得电极间(两电极间的距离至少20米)电位差设为ΔV0;
2)设待测点为i,采用硫酸铜电极测电极间(两电极间的距离至 少20米)电位差设为ΔVi;
3)在t0-tx时间段(测量时间根据具体测量要求来定)内固定参 考基点和待测点进行同步采样,得到ΔVi、ΔV0的离散序列;
4)采样完毕,参考探测仪(放置在参考基点的探测仪)和测量参 测仪(放置在被测点的探测仪)根据步骤3采样结果自动计算 功率谱 并保存计算结果,同时保存GPS时间和坐标信息;
5)把测量参测仪放置到下一个被测点重复3、4步骤,直到完成整 个测量过程。根据实际情况,待测点的选取和测量可以采用常 用的平行移动法(图5a)、垂向移动法(图5b)、
正交观测法(图 5c)或其他方法;
6)用PC机对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,待测点的视电阻率为:
本实用新型的有益效果:由于利用参考基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
实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为本实用新型探测仪实施例的结构原理
框图。
图2为本实用新型的观测方法原理框图。
图3为图1探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。
如图1至图5所示,本实用新型的探测仪包括测量电极3及由模拟电 路1和数字电路2两部分组成的数据采集处理器系统,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。
本探测仪的测量原理如下(图2):
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:
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、Δ V0、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:
ρi≈ρ0(ΔVi/ΔV0)2 (3)
在TDL条件下,上式为:
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:
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1 误差一览表 地点 1 2 3 4 5 6 TDL观 测法相 1.2% 0.36% 0.9% 0.37% 1.3% 0.41% 对误差
从上表可以看到,采用TDL观测法观测精度很高。
本实用新型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。
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。
天然电场探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。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。