專利名稱：一種人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法及勘探系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種勘探地球物理方法，特別涉及一種人工隨機(jī)場(chǎng)源頻率域電法勘探方法及探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
頻率域電法勘探作為地質(zhì)勘探的重要手段之一，主要研究大地復(fù)視電阻率隨信號(hào)頻率的變化，其測(cè)深的基本原理可簡(jiǎn)單地歸結(jié)為電磁波的“集膚效應(yīng)”。當(dāng)電磁波在地下傳輸時(shí)會(huì)帶有所經(jīng)過(guò)地層的地電信息，而不同頻率的電磁波在地下傳播的深度是不同的，頻率較高的探測(cè)地層較淺，頻率較低的探測(cè)地層較深。頻率域電法在尋找地下金屬礦藏、水資源分布、煤炭、油氣等資源勘查方面都有著十分廣泛的應(yīng)用。目前比較常用的頻率域電法主要有變頻法、奇次諧波法、雙頻電流法、可控源大地音頻法(CSAMT)、頻率測(cè)深法、an序列偽隨機(jī)信號(hào)電法等。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的各種頻率域激電和電磁法均采用的是方波激勵(lì)場(chǎng)源， 測(cè)量的是大地復(fù)視電阻率振幅譜、相位譜(或?qū)嵶V和虛譜)中的一種或幾種。對(duì)于頻率域電法而言，我們主要關(guān)注的是大地對(duì)于不同頻率供電波形的響應(yīng)，因而頻率域勘測(cè)的理想場(chǎng)源信號(hào)應(yīng)該具有頻率范圍寬、諧波分量豐富、諧波能量分布均勻等特點(diǎn)。目前國(guó)外所采用的變頻法是一個(gè)頻率，一個(gè)頻率的逐個(gè)測(cè)量，不僅工作效率較低， 而且由于外界干擾的不確定性，造成其測(cè)量精度也難以提高，特別是在測(cè)量頻率相差不多時(shí)，誤差更大。國(guó)內(nèi)有采用軟件控制發(fā)射一系列頻率不同的脈沖進(jìn)行測(cè)量的方法，但其頻率是逐步由高到低或由低到高規(guī)律變化的，從其本質(zhì)上來(lái)說(shuō)仍然屬于變頻法的范疇，無(wú)法克服其固有的缺點(diǎn)。另外還有采用先測(cè)量外部干擾，后細(xì)化頻率進(jìn)行測(cè)量的方法，雖然一定程度提高了工作效率，但由于外界隨時(shí)間不確定變化干擾的存在，比如溫度、濕度以及其他地電干擾等因素，使得其測(cè)量精度受到很大的影響。針對(duì)變頻法的缺點(diǎn)，人們又提出了奇次諧波測(cè)量的方法，雖然可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)頻率，但是由于其測(cè)量頻率的頻差固定，并且隨著諧波次數(shù)的升高其電流強(qiáng)度不斷的降低， 無(wú)法保證高次諧波的測(cè)量精度。雙頻電流法是將兩個(gè)幅度相等、一高一低頻率不同的電流按一定的相位關(guān)系合成為雙頻電流供入地下，一次性地同時(shí)獲得兩個(gè)頻率的地電信息，雖然較之前兩種方法有了一定改善，但其測(cè)量效率仍然不高，一次只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)頻率。a11序列偽隨機(jī)信號(hào)電法是根據(jù)偽隨機(jī)信號(hào)編碼的數(shù)學(xué)原理，用_1，0和I三個(gè)碼元分別表示電流I = -1,0，I，將η個(gè)不同頻率的電流，組合為含有η個(gè)主要頻率成分的合成電流，同時(shí)供入地下。一次觀測(cè)可以從地下提取η個(gè)不同頻率的響應(yīng)。這種方法由于探測(cè)信號(hào)含有多個(gè)頻率成分，可同時(shí)測(cè)量，一定程度上提高了工作效率。以2η偽隨機(jī)信號(hào)為例， 其場(chǎng)源電流中含有的主頻率按2η步進(jìn)，主頻率的個(gè)數(shù)為3、5、7···157…等。根據(jù)頻率測(cè)深的原理，探測(cè)信號(hào)頻率的不連續(xù)性會(huì)造成地質(zhì)探測(cè)深度的不連續(xù)，分辨率較低，進(jìn)而影響地質(zhì)探測(cè)的效果；另外，當(dāng)外界信號(hào)與探測(cè)信號(hào)中某一頻率重合或接近時(shí)，極易影響整個(gè)波形的探測(cè)結(jié)果。為此，在采用這種方法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，人們不得不加大探測(cè)發(fā)射的功率，以提高接收信號(hào)的信噪比。但功率的加大造成其體積和重量的成倍的增長(zhǎng)，不利于野外和山區(qū)的勘測(cè)。綜合以上所述頻率域電法，其激勵(lì)場(chǎng)源信號(hào)均為方波信號(hào)，以其進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，關(guān)斷延時(shí)短、信號(hào)上升和下降沿線性度好，并且其諧波成分含量較多，這些都有利于進(jìn)行地電數(shù)據(jù)的分析。但以上頻率域電法由于其場(chǎng)源信號(hào)頻率較少，波形單一，為避免外界和本身的各種干擾，不得不采用提高儀器發(fā)送功率的方法來(lái)提高接收信號(hào)的信噪比，以達(dá)到改善探測(cè)分辨率，加深探測(cè)深度的目的，但功率的加大必然導(dǎo)致探測(cè)設(shè)備成本的提高和體積的增大，而裝備的笨重就會(huì)降低探測(cè)的效率。另外，考慮到我國(guó)礦產(chǎn)資源多深藏于山區(qū)等復(fù)雜地形，也不利于這種大型設(shè)備的運(yùn)輸和使用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)頻率域電法技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法及勘探系統(tǒng)。本發(fā)明基于頻率測(cè)深的基本原理，通過(guò)向地下供入一系列頻率隨機(jī)變化的波形電流信號(hào)作為人工激勵(lì)場(chǎng)源，所述的波形電流信號(hào)頻率變化的隨機(jī)性類似于白噪聲。同時(shí)同步記錄發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)，依據(jù)信號(hào)相關(guān)性的原理，根據(jù)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)相關(guān)的特性，去除與發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)相關(guān)性為O的干擾信號(hào)，進(jìn)而提高地質(zhì)探測(cè)信號(hào)的信噪比和地下探測(cè)的分辨率。本發(fā)明方法的步驟如下I)向地下供入一系列頻率隨機(jī)變化的波形電流信號(hào)作為人工激勵(lì)場(chǎng)源，同時(shí)記錄發(fā)射信號(hào)的頻率、幅度、相位等信息。由于外界和儀器本身電磁干擾隨時(shí)間不確定變化，本發(fā)明采用隨機(jī)的波形電流作為人工激勵(lì)場(chǎng)源以降低探測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)的相關(guān)性，其波形頻率可覆蓋整個(gè)頻率段，可重復(fù)產(chǎn)生，反復(fù)觀測(cè)。該波形電流中各頻率的振幅值大體相當(dāng)，相位連續(xù)，占空比可調(diào)，發(fā)送頻率范圍可預(yù)先設(shè)定，其頻率變化的隨機(jī)性與白噪聲相當(dāng)，在探測(cè)過(guò)程中設(shè)定有停止發(fā)送波形電流時(shí)間，以便于發(fā)送和接收波形相位的校準(zhǔn)?；诎l(fā)送電流頻率隨機(jī)變化的特性，場(chǎng)源信號(hào)頻率含量在整個(gè)頻率段內(nèi)連續(xù)，其頻譜連續(xù)，這樣在進(jìn)行勘測(cè)時(shí)所測(cè)得的地層深度也是連續(xù)的，提高了地下探測(cè)的分辨率，而且由于探測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)相關(guān)性為0，依據(jù)信號(hào)相關(guān)性的原理，去除與發(fā)送信號(hào)相關(guān)性為O的干擾信號(hào)，就可以有效地規(guī)避地電干擾，提高接收信號(hào)的信噪比，得到準(zhǔn)確的探測(cè)信號(hào)。2)在距離人工激勵(lì)場(chǎng)源數(shù)米到數(shù)十公里的范圍內(nèi)接收并采集記錄經(jīng)過(guò)地層傳播的地面電磁波信號(hào)，該接收信號(hào)的采集記錄是與發(fā)送信號(hào)的采集記錄同步進(jìn)行的。3)根據(jù)信號(hào)相關(guān)性原理，采集記錄的發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間是相關(guān)的，而由于探測(cè)信號(hào)頻率變化的隨機(jī)性，發(fā)送信號(hào)與外界干擾信號(hào)之間是不相關(guān)的，這樣通過(guò)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的相關(guān)性運(yùn)算就可以去除干擾信號(hào)的影響，得到我們所需要的含有地電信息的有用信號(hào)。信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算公式如下Rzf (t) = Z (t) * f (t) = (f (t) *e (t) *K (t)+n (t) ) * f (t)= Rff (t) *e (t) *Κ (t)+Rnf (t) (I)
式中*表示相關(guān)性運(yùn)算，*表示卷積運(yùn)算；Z(t)為接收信號(hào)，Z(t) = f(t)*e(t)*K(t)+n(t) ；f(t)為發(fā)送信號(hào)；e(t)為大地響應(yīng)；K(t)為探測(cè)儀器響應(yīng)，可直接測(cè)量得到；n(t)為外界的不確定干擾。Rzf(t)為Z(t) 與f(t)的互相關(guān)函數(shù),Rff (t)為f(t)的自相關(guān)函數(shù),Rnf (t)為n(t)與f(t)的互相關(guān)函數(shù)， 其中，Rzf(t)、Rff(t)、RKt(t)可直接計(jì)算得到，Rnf (t)由于干擾信號(hào)與探測(cè)信號(hào)不相關(guān)，故為
O。這樣根據(jù)相關(guān)性運(yùn)算的反運(yùn)算就可以得到大地響應(yīng)e(t)?？紤]到目前常用的場(chǎng)源探測(cè)信號(hào)為方波信號(hào)，上升與下降變化的時(shí)間很短，發(fā)送和接收信號(hào)高低電平變換時(shí)間段內(nèi)的采樣就變得十分重要。采樣頻率低，不利于信號(hào)之間的同步，極易丟失有用信息；而提高采樣頻率，又會(huì)加大儀器的復(fù)雜性和采集的數(shù)據(jù)量，不利于儀器安全可靠的運(yùn)行和后期的數(shù)據(jù)處理。針對(duì)于此，本發(fā)明還提出了采用隨機(jī)的鐘形波作為探測(cè)信號(hào)。鐘形波信號(hào)上升和下降延時(shí)長(zhǎng)，在采用同樣波形采樣率的情況下，鐘形波探測(cè)更不容易丟失有用信息。應(yīng)用本發(fā)明方法的勘探系統(tǒng)主要包括發(fā)送機(jī)與接收機(jī)。發(fā)送機(jī)用于發(fā)送預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)方波或鐘形波電流信號(hào)，發(fā)送機(jī)發(fā)送波形的頻率是隨機(jī)變化的，隨機(jī)性與白噪聲相當(dāng)，變化范圍覆蓋了整個(gè)頻率段，且該發(fā)送波形在發(fā)送時(shí)間段內(nèi)是周期性的，波形周期結(jié)束的標(biāo)志是預(yù)先設(shè)定好的定時(shí)的零波形信號(hào)。這樣一方面有利于發(fā)送波形的記錄，另一方面便于發(fā)送、接收波形之間進(jìn)行相位校準(zhǔn)和后期波形處理。發(fā)送機(jī)采用電極發(fā)射，主要包括供電電源電路、信號(hào)產(chǎn)生單元、信號(hào)同步單元、信號(hào)采集存儲(chǔ)電路和保護(hù)電路。供電電源電路采用蓄電池或小型發(fā)電機(jī)，經(jīng)升壓，整流濾波后給整個(gè)發(fā)送機(jī)系統(tǒng)提供電源。信號(hào)產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生所需要的隨機(jī)方波和鐘形波信號(hào)，還可針對(duì)關(guān)注的地層輸出特定的單一頻率方波或鐘形波信號(hào)。信號(hào)同步單元采用GPS，依靠GPS 的世界時(shí)秒脈沖信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行同步，在發(fā)送隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)的同時(shí)開始接收信號(hào)；信號(hào)采集存儲(chǔ)電路連接在信號(hào)產(chǎn)生單元上，用于在信號(hào)發(fā)射時(shí)長(zhǎng)時(shí)間記錄并大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)所發(fā)射的波形信號(hào)。保護(hù)電路連接在信號(hào)產(chǎn)生單元上，對(duì)發(fā)送機(jī)進(jìn)行過(guò)流和欠壓保護(hù)。接收機(jī)用于接收、記錄和存儲(chǔ)發(fā)送機(jī)所發(fā)送的帶有地電信息的隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)，可一次性同時(shí)接收整個(gè)預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的所有發(fā)送信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行精細(xì)采集和存儲(chǔ)。 接收機(jī)采用電極接收信號(hào)。接收機(jī)主要包括電源電路、阻抗匹配電路、信號(hào)濾波電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)采集存儲(chǔ)電路、信號(hào)同步電路和數(shù)據(jù)處理單元。電源電路給整個(gè)接收機(jī)提供電源。阻抗匹配電路用于對(duì)大地進(jìn)行阻抗匹配，便于信號(hào)接收，它通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線連接在電極上。接收電極上的信號(hào)經(jīng)阻抗匹配電路輸出以后，由信號(hào)濾波電路和信號(hào)放大電路對(duì)其進(jìn)行濾波和放大處理。信號(hào)采集存儲(chǔ)電路連接在信號(hào)放大電路之后，信號(hào)同步電路連接于信號(hào)采集存儲(chǔ)電路上，當(dāng)信號(hào)采集存儲(chǔ)電路從信號(hào)同步電路接收到同步信號(hào)以后，開始對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后存儲(chǔ)于大容量的存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)處理單元，即高性能的計(jì)算機(jī)連接在接收機(jī)的信號(hào)采集存儲(chǔ)電路上，從大容量存儲(chǔ)器中讀取存儲(chǔ)的接收信號(hào)并進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理。接收機(jī)可采用多組進(jìn)行接收，提高工作效率。本發(fā)明中采用的隨機(jī)波形信號(hào)的頻率范圍為0. OOlHz 65535Hz，在實(shí)際工作中也可選擇其中的某一頻段進(jìn)行探測(cè)。本發(fā)明不同于目前普遍應(yīng)用的以方波為場(chǎng)源的頻率域電法勘探，而采用隨機(jī)方波和鐘形波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，具有頻率范圍寬、探測(cè)頻點(diǎn)密、頻譜連續(xù)、探測(cè)效率高、方便靈活等特點(diǎn)，而且所用的鐘形波探測(cè)信號(hào)上升和下降較為緩慢，信號(hào)變化期間的采樣率很容易就能夠達(dá)到要求，更不易于丟失信號(hào)變化時(shí)的有用信息，可以極大提高地下探測(cè)的分辨率。在本發(fā)明方法中，多個(gè)頻率的同時(shí)段內(nèi)觀測(cè)以及頻率的隨機(jī)變化，可以減小信號(hào)與干擾的相關(guān)性，有效規(guī)避環(huán)境溫度和濕度、外界地電和天電干擾等隨時(shí)間而變化的因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，不用提高儀器的發(fā)送功率就可以改善接收信號(hào)的信噪比，提高觀測(cè)結(jié)果的可信度和有效性。另外，結(jié)合目前已有的各種主動(dòng)源頻率域電法勘探方法如可控源大地音頻法 (CSAMT)、頻率測(cè)深法、雙頻電流法、a11序列偽隨機(jī)信號(hào)電法等，利用其優(yōu)點(diǎn)，在接收端將接收到的隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)離散成數(shù)字信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波以后，再進(jìn)行多個(gè)周期迭加、計(jì)算機(jī)迭代等高精度浮點(diǎn)運(yùn)算，還可進(jìn)一步提高觀測(cè)信號(hào)的信噪比。這樣采用多種技術(shù)手段來(lái)替代原來(lái)采用提高系統(tǒng)發(fā)送功率以提高觀測(cè)信號(hào)信噪比的方法，既避免了功率提高所帶來(lái)的設(shè)備和器件問(wèn)題，又可以減小裝置體積，便于裝卸和運(yùn)輸，更適用于我國(guó)多山區(qū)礦藏貯備狀況的勘測(cè)。


圖I本發(fā)明發(fā)送機(jī)電原理方框圖2本發(fā)明接收機(jī)電原理方框圖3FPGA內(nèi)部模塊原理圖4脈寬調(diào)制波形圖5發(fā)送機(jī)主電路原理圖6隨機(jī)方波信號(hào)意圖7隨機(jī)鐘形波信號(hào)示意圖8隨機(jī)波形的幅頻圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
應(yīng)用本發(fā)明頻率域電法的勘測(cè)系統(tǒng)由發(fā)送機(jī)和接收機(jī)兩部分組成，勘探系統(tǒng)輸入阻抗彡40ΜΩ，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間采用GPS進(jìn)行同步控制。
所述的發(fā)送機(jī)原理如圖I所示。所述的發(fā)送機(jī)包括供電電源電路、信號(hào)產(chǎn)生單元、
信號(hào)同步單元、信號(hào)采集存儲(chǔ)電路和保護(hù)電路。供電電源電路給整個(gè)發(fā)送機(jī)供電，信號(hào)產(chǎn)生單元分為隨機(jī)波形發(fā)生器、PWM調(diào)制單元、隔離驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)管電路、濾波電路，它們順序相連。發(fā)送機(jī)的控制端和GPS信號(hào)同步單元連接在信號(hào)產(chǎn)生單元的隨機(jī)波形發(fā)生器上，控制端產(chǎn)生隨機(jī)波形發(fā)生器的控制信號(hào)，信號(hào)同步單元采用GPS同步控制隨機(jī)信號(hào)的輸出和信號(hào)的接收。隨機(jī)波形發(fā)生器產(chǎn)生所需要的隨機(jī)方波和鐘形波，該隨機(jī)波形傳輸至PWM調(diào)制單元進(jìn)行PWM調(diào)制，轉(zhuǎn)換為脈沖波形，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路隔離后，輸送給開關(guān)管電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作，開關(guān)管電路在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一系列高電壓、大電流的脈沖波形經(jīng)濾波電路濾波平滑后重新轉(zhuǎn)變?yōu)榈刭|(zhì)探測(cè)所需要的隨機(jī)電流波形供入地下。保護(hù)電路中的過(guò)流保護(hù)電路和欠壓檢測(cè)電路連接在開關(guān)管電路上對(duì)整個(gè)發(fā)送機(jī)的信號(hào)產(chǎn)生單元進(jìn)行過(guò)流和欠壓保護(hù)，信號(hào)采集存儲(chǔ)電路連接在濾波電路上對(duì)發(fā)送的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)在大容量的存儲(chǔ)器當(dāng)中。所述的接收機(jī)原理如圖2所示。所述的接收機(jī)包括電源電路、阻抗匹配電路、信號(hào)濾波電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)采集存儲(chǔ)電路、信號(hào)同步電路和數(shù)據(jù)處理單元。電源電路給整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)供電。阻抗匹配電路連接于接收機(jī)電極M、N之后，實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)大地阻抗的匹配；信號(hào)濾波電路包括陷波電路和高通和低通濾波電路，陷波電路的輸入端與阻抗匹配電路的輸出端相連，高通和低通濾波電路的輸入端與陷波電路的輸出端相連，信號(hào)放大電路的輸入端與高通和低通濾波電路的輸出端相連，信號(hào)采集存儲(chǔ)電路包括A/D采樣轉(zhuǎn)換電路和存儲(chǔ)單元，A/D采樣轉(zhuǎn)換電路的輸入端與信號(hào)放大電路的輸出端相連，存儲(chǔ)單元的輸入端與A/D采樣轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連、數(shù)據(jù)處理單元與存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器相連。接收到的信號(hào)傳遞順序是阻抗匹配電路、陷波電路、高通和低通濾波電路、信號(hào)放大電路、A/D采樣轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)處理單元。陷波電路濾除干擾較大的50Hz、150Hz信號(hào)，高通和低通濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高通和低通濾波，信號(hào)放大電路對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行高倍放大， A/D采樣轉(zhuǎn)換電路將放大后的模擬信號(hào)進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送給存儲(chǔ)單元進(jìn)行大容量存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理單元從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。功能轉(zhuǎn)換開關(guān)電路連接著高通和低通濾波電路和信號(hào)放大電路，實(shí)現(xiàn)不同頻率下電路參數(shù)以及放大倍數(shù)的選擇。GPS信號(hào)同步單元連接著A/D采樣轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)送隨機(jī)信號(hào)與接收隨機(jī)信號(hào)之間的同步。欠壓保護(hù)電路連接在數(shù)據(jù)處理單元上，并通過(guò)該單元實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的欠壓保護(hù)。所述的勘探系統(tǒng)采用隨機(jī)的方波和鐘形波信號(hào)，其在整個(gè)周期內(nèi)是與白噪聲信號(hào)具有同等隨機(jī)性的信號(hào)，在本實(shí)施例中是用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(簡(jiǎn)稱為FPGA)產(chǎn)生的。FPGA系統(tǒng)采用Altera公司的CYCLONE II系列芯片EP2C8Q208C8芯片作為核心芯片， EPCS16作為其配置芯片，整個(gè)FPGA系統(tǒng)的運(yùn)行由外部控制端控制。FPGA產(chǎn)生隨機(jī)波形的內(nèi)部模塊主要包括隨機(jī)頻率產(chǎn)生模塊、波形調(diào)整模塊、隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊、PWM調(diào)整模塊， 模塊連接圖如圖3所示。外部連接所述的外部控制端連接波形調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送隨機(jī)波形頻率范圍、波形形式的控制；GPS同步信號(hào)連接隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊，控制其輸出與信號(hào)接收之間的同步；PWM調(diào)整模塊連接隔離驅(qū)動(dòng)電路，其輸出作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作。 內(nèi)部連接隨機(jī)頻率產(chǎn)生模塊、波形調(diào)整模塊、隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊、PWM調(diào)整模塊順序連接。 其中，隨機(jī)頻率產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生隨機(jī)變化的頻率數(shù)，經(jīng)波形調(diào)整模塊后，將調(diào)整好的頻率數(shù)和波形控制信息輸送給隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊，當(dāng)GPS同步信號(hào)來(lái)臨時(shí)按照頻率數(shù)和控制信息輸出隨機(jī)波形，考慮到連續(xù)信號(hào)難以放大，采用PWM調(diào)整模塊對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)變成開關(guān)量由開關(guān)管進(jìn)行放大，提高了能量利用效率。隨機(jī)變化的頻率數(shù)可由各種隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生，這里是用線性反饋移位寄存器(LFSR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，由PWM模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制后的波形如圖4所示，其中虛線曲線為調(diào)制前隨機(jī)信號(hào)的其中一段，實(shí)線脈沖波形為該段隨機(jī)信號(hào)調(diào)制后信號(hào)。圖5所示為發(fā)送機(jī)的工作電路。其中電源采用12V蓄電池，F(xiàn)為過(guò)流保護(hù)，主電路中開關(guān)管采用IGBT，4-1為升壓、整流濾波電路，4-2為隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器和隔離驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電感L和電容Cl、C2共同構(gòu)成了濾波電路，用于平滑發(fā)送的電流信號(hào)、并濾除高頻干擾，&為大地的阻抗，Re為取樣電阻，4-3為信號(hào)采集電路和欠壓檢測(cè)電路。發(fā)送機(jī)發(fā)送信號(hào)的示意圖如圖6和圖7所示，圖8為隨機(jī)波形的幅頻圖，可以看出其頻譜與白噪聲類似，頻譜連續(xù)，根據(jù)頻率測(cè)深的原理其探測(cè)的地層也是連續(xù)的，探測(cè)分辨率聞。所述的發(fā)送機(jī)與接收機(jī)均設(shè)高頻和低頻兩個(gè)頻率范圍，低頻為O. IHz 102. 4Hz， 高頻為IOOHz 1024Hz，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。在進(jìn)行高頻或低頻的選擇之后，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)也會(huì)針對(duì)所選擇的頻率范圍進(jìn)行高頻電路和低頻電路參數(shù)的選擇。所述的勘探系統(tǒng)的信號(hào)采集存儲(chǔ)電路需要高速、高分辨率的A/D采樣，建議A/D轉(zhuǎn)換器在16位以上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要大容量的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間段的包括發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)在內(nèi)的數(shù)據(jù)。以IOOkHz數(shù)據(jù)采集為例，至少包括發(fā)送和接收信號(hào)在內(nèi)的兩路信號(hào)采集10 個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)為16 X 100000 X 60 X 60 X 10 = 5. 76 X IO10 (bit) ^ 6. 71(G)，所以建議存儲(chǔ)器容量彡IOG0所述的勘測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生一系列頻率隨機(jī)變化的波形電流信號(hào)供入地下，接收機(jī)在距離人工激勵(lì)場(chǎng)源數(shù)米到數(shù)十公里的范圍內(nèi)一次性接收整個(gè)預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的所有發(fā)送信號(hào)，同時(shí)對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行同步采集存儲(chǔ)，根據(jù)信號(hào)相關(guān)性原理， 將接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，相關(guān)性運(yùn)算的計(jì)算公式如下Rzf (t) = Z (t) * f (t) = (f(t)*e(t)*K(t)+n(t)) * f (t)= Rff (t) *e (t) *K (t) +Rnf (t)式中*表示相關(guān)性運(yùn)算，*表示卷積運(yùn)算；Z(t)為接收信號(hào)，Z(t) = f(t)*e(t)*K(t)+n(t) ；f(t)為發(fā)送信號(hào)；e(t)為大地響應(yīng)；K(t)為探測(cè)儀器響應(yīng)；n(t)為外界的不確定干擾；Rzf(t)為Z(t)與f(t)的互相關(guān)函數(shù)，Rff⑴為f(t)的自相關(guān)函數(shù)，Rnf⑴為n(t)與f(t)的互相關(guān)函數(shù)；干擾信號(hào)與發(fā)送信號(hào)不相關(guān)，Rnf (t)為0，去除與發(fā)送信號(hào)相關(guān)性為O的干擾信號(hào)，得到所需的地電信息。
權(quán)利要求
1.一種人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法，其特征在于所述的勘探方法通過(guò)向地下供入一系列頻率隨機(jī)變化的波形電流信號(hào)作為人工激勵(lì)場(chǎng)源，并在距離人工激勵(lì)場(chǎng)源數(shù)米到數(shù)十公里的范圍內(nèi)接收經(jīng)過(guò)地層傳播的地面電磁波信號(hào)，同時(shí)同步記錄發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)，依據(jù)信號(hào)相關(guān)性的原理，根據(jù)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)相關(guān)特性，去除與發(fā)送信號(hào)相關(guān)性為 O的干擾信號(hào)，得到地質(zhì)探測(cè)所需要的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法，其特征在于所述的波形電流信號(hào)是方波或鐘形波電流，所述的波形電流信號(hào)頻率變化的隨機(jī)性類似于白噪聲；所述的波形電流信號(hào)的波形頻率覆蓋整個(gè)頻率段，頻率含量在整個(gè)頻率段內(nèi)連續(xù)，并且具有波形電流發(fā)射時(shí)頻率隨機(jī)變化的特性；所述的波形電流信號(hào)中各頻率的振幅值相當(dāng)、相位連續(xù)，占空比可調(diào)，發(fā)送頻率范圍能夠預(yù)先設(shè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法，其特征在于在所述的勘測(cè)過(guò)程中設(shè)定有停止發(fā)送波形電流時(shí)間，以便于發(fā)送和接收波形相位的校準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法，其特征在于所述的方波和鐘形波電流的最低頻率為O. 001Hz，最高頻率為65535Hz，發(fā)送頻率為O. OOlHz 65535Hz 中的某一頻段。
5.一種應(yīng)用權(quán)利要求I所述方法的勘測(cè)系統(tǒng)，包括發(fā)送機(jī)與接收機(jī)，其特征在于所述的發(fā)送機(jī)用于發(fā)送預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)方波或鐘形波電流信號(hào)，并對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)；所述的發(fā)送機(jī)采用電極發(fā)送信號(hào)；所述的發(fā)送機(jī)包括供電電源電路、信號(hào)產(chǎn)生單元、信號(hào)同步單元和信號(hào)采集存儲(chǔ)電路和保護(hù)電路；供電電源電路給所述的發(fā)送機(jī)提供電源；信號(hào)產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生所述的隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)，并能針對(duì)關(guān)注的地層輸出特定的單一頻率方波或鐘形波信號(hào)；信號(hào)同步單元采用GPS，依靠GPS的世界時(shí)秒脈沖信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行同步，在發(fā)送隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)的同時(shí)接收信號(hào)；信號(hào)采集存儲(chǔ)電路連接在信號(hào)產(chǎn)生單元上，用于在信號(hào)發(fā)射時(shí)長(zhǎng)時(shí)間記錄并大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)所發(fā)射的波形信號(hào)；保護(hù)電路對(duì)發(fā)送機(jī)進(jìn)行過(guò)流和欠壓保護(hù)；所述的接收機(jī)用于接收、記錄和存儲(chǔ)發(fā)送機(jī)所發(fā)送的帶有地電信息的隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)；所述的接收機(jī)采用電極接收信號(hào)，包括電源電路、阻抗匹配電路、信號(hào)同步電路、信號(hào)濾波電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)采集存儲(chǔ)電路和數(shù)據(jù)處理單元；電源電路給接收機(jī)提供電源，阻抗匹配電路通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線連接在電極上，用于對(duì)大地進(jìn)行阻抗匹配；信號(hào)同步電路采用 GPS同步控制發(fā)送機(jī)和接收機(jī)；信號(hào)濾波電路和信號(hào)放大電路對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理；信號(hào)采集存儲(chǔ)電路連接在信號(hào)放大電路之后，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)處理單元連接在接收機(jī)的信號(hào)采集存儲(chǔ)電路上，對(duì)存儲(chǔ)的發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的勘測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的發(fā)送機(jī)與接收機(jī)均設(shè)高頻和低頻兩個(gè)發(fā)送頻率范圍，低頻為O. OOlHz 102. 3Hz，高頻為IOOHz 65535Hz。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的勘測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的勘測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA結(jié)合開關(guān)管電路和濾波電路產(chǎn)生所述的隨機(jī)方波和鐘形波信號(hào)，F(xiàn)PGA內(nèi)部模塊包括隨機(jī)頻率產(chǎn)生模塊、波形調(diào)整模塊、隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊和PWM調(diào)整模塊；隨機(jī)頻率產(chǎn)生模塊、波形調(diào)整模塊、隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊、PWM調(diào)整模塊順序連接；其中，隨機(jī)頻率產(chǎn)生模塊用隨機(jī)序列發(fā)生器設(shè)計(jì)，產(chǎn)生隨機(jī)變化的頻率數(shù)，波形調(diào)整模塊調(diào)整輸出波形的頻率和波形控制信息，隨機(jī)波形存儲(chǔ)模塊按照調(diào)整好的頻率數(shù)和波形控制信息輸出需要的隨機(jī)波形，PWM調(diào)整模塊對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)變成開關(guān)量輸送給開關(guān)管電路進(jìn)行放大，濾波電路連接在開關(guān)管電路之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑濾波。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的勘測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的勘測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生一系列頻率隨機(jī)變化的波形電流信號(hào)供入地下，接收機(jī)在距離人工激勵(lì)場(chǎng)源數(shù)米到數(shù)十公里的范圍內(nèi)一次性接收整個(gè)預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的所有發(fā)送信號(hào)，同時(shí)對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行同步采集存儲(chǔ)，根據(jù)信號(hào)相關(guān)性原理，將接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算Rzf (t) = Z (t) * f (t) = (f(t)*e(t)*K(t)+n(t)) * f (t) = Rff (t) *e (t) *K (t) +Rnf (t) 式中*表示相關(guān)性運(yùn)算，*表示卷積運(yùn)算；Z(t)為接收信號(hào)，Z(t) = f(t)*e(t)*K(t)+n(t) ；f(t)為發(fā)送信號(hào)；e(t)為大地響應(yīng)； K(t)為探測(cè)儀器響應(yīng)；n(t)為外界的不確定干擾；Rzf(t)為Z(t)與f(t)的互相關(guān)函數(shù)， Rff (t)為f(t)的自相關(guān)函數(shù)，Rnf⑴為n(t)與f(t)的互相關(guān)函數(shù)；干擾信號(hào)與發(fā)送信號(hào)不相關(guān)，Rnf(t)為0，去除與發(fā)送信號(hào)相關(guān)性為O的干擾信號(hào)，得到所需的地電信息。
全文摘要
一種人工場(chǎng)源頻率域電法勘探方法及勘探系統(tǒng)，通過(guò)向地下供入一系列頻率隨機(jī)變化的波形電流信號(hào)作為人工激勵(lì)場(chǎng)源，其頻率變化的隨機(jī)性類似于白噪聲，同時(shí)同步記錄發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)波形，依據(jù)信號(hào)相關(guān)性的原理，通過(guò)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)相關(guān)可去除與發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)相關(guān)性為0的干擾信號(hào)，得到地質(zhì)勘探所需要的信息，進(jìn)而提高地質(zhì)探測(cè)信號(hào)的信噪比和地下探測(cè)的分辨率。應(yīng)用本發(fā)明勘探方法的勘探系統(tǒng)，由發(fā)送機(jī)用于一次性發(fā)送整個(gè)預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)，由接收機(jī)接收發(fā)送機(jī)發(fā)送的帶有地電信息的隨機(jī)方波或鐘形波信號(hào)，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間采用GPS進(jìn)行同步控制。本發(fā)明更適用于我國(guó)多山區(qū)礦藏狀況的勘測(cè)。
文檔編號(hào)G01V3/06GK102590869SQ20121007332
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者劉國(guó)強(qiáng), 夏正武, 李士強(qiáng), 李艷紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所