（地球探测与信息技术专业论文）针对双频激电仪数字同步测控技术的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 多年来，电法理论在寻找国民经济发展急需的各种矿藏方面做 出了很大的贡献。作为电法理论载体的物探仪器，也随着理论的发展 及与电子技术、信号处理技术和计算机技术的结合而日趋成熟。 由何继善院士研究实现的双频道激电法，将特殊波形的高、低 两种频率信号电流同时发送和接收，与其他电法相比具有抗干扰能力 强、受电流变化影响小、测量精度高、观测速度快、工作效率高、装 置轻便等多种优点。随着电法勘探工作的纵深发展，快速准确寻找地 球深部隐伏矿床的物探方法和技术需求，对目前使用的电法仪器的功 能和性能提出了更高的要求。 本文就双频激电系统的技术发展现状，以双频激电理论、相干 检波理论、通信原理、伪随机编码理论、微机原理等理论为基本理论 构架通过对何继善院士研制的双频激电仪的应用研究，提出了一种在 双频激电仪中实现同步控制、同步测量的方法：通过在激发极化信号 电流源中加载一种经伪随机编码调制的数字通讯信号，实现双频激电 系统同步控制、同步测量的功能，并对在双频激电仪中进行同步测控 技术的意义及该技术的实现进行了系统的论述。通过该技术达到了提 高物探电法仪器的勘探精度，满足勘探地球深部隐伏矿床的技术需求 的目的。 关键词：同步测控，同步测量，伪随机，双频激电，扩频通信 中南大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，t h ee l e c t r i c a le x p l o r a t i o nt h e o r yh a sc o n t r i b u t e d g r e a t l yt oe x p l o r i n gv a r i o u sm i n e r a lr e s o u r c e sw h i c ha r ei nu r g e n tn e e d f o rt h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y a st h ev e h i c l eo fe l e c t r i c a l e x p l o r a t i o nt h e o r y , g e o p h y s i c si n s t r u m e n th a sb e c o m em a t u r e ra n d m a t u r e rw i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a le x p l o r a t i o nt h e o r ya n dt h e c o m b i n a t i o no ft h et h e o r yw i t he l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo f s i g n a lp r o c e s s o ra n dm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y t h et h e o r yo fd u a l - f r e q u e n c yi pm e t h o di n v e n t e db ya c a d e m i c i a nh e j i s h a nc a ns i m u l t a n e o u s l ys e n da n dr e c e i v eb o t ht h ee l e c t r i cc u r r e n to f h i g h - f r e q u e n c ys i g n a la n dt h a t o fl o w - f r e q u e n c ys i g n a l ，w h i c h ，i n c o n t r a s tt oo t h e re l e c t r i c a le x p l o r a t i o nt h e o r i e s ，h a v ev a r i o u sm e r i t ss u c h a sg r e a t e rc a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ，l e s si n f l u e n c ef r o mt h ev a r i a t i o no f e l e c t r i cc u r r e n t ，h i g h e ra c c u r a c yo fe x p l o r a t i o n ，f a s t e rs p e e do fs e a r c h i n g i n f o r m a t i o n , h i g h e re f f i c i e n c y , m o r ec o n v e n i e n ta n ds oo n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a le x p l o r a t i o na n dt h ed e m a n do fg e o p h y s i c s e x p l o r i n gm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sf o rf a s t a n da c c u r a t e l ys e a r c h i n g d e p o s i ti nt h ed e e pe a r t h ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sh a v eb e e nr a i s e do u ti nt h e f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ep r e s e n t - u s i n ge l e c t r i c a l e x p l o r a t i o n i n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo ft h et e c h n o l o g i cd e v e l o p m e n to ft h e d u a l - f r e q u e n c yi pt h e o r y , w i t hd u a l - f r e q u e n c yi pt h e o r y , t h ep r i n c i p l eo f c o h e r e n td e t e c t i o nm e t h o d ，c o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e s ，p s e u d o - r a n d o m p r i n c i p l e s ，m i c r o - c o m p u t e rp r i n c i p l ea n do t h e rr e l e v a n tt h e o r i e sa st h e t h e o r e t i cf r a m et os t u d yt h ed u a l f r e q u e n c yi pi n s t r u m e n ti n v e n t e db y a c a d e m i c i a nh ej i s h a n ，t h i st h e s i sh a sp r o p o s e dak e yt e c h n o l o g yt o r e a l i z es i m u l t a n e o u sc o n t r o la n ds i m u l t a n e o u sm e a s u r ei nd u a l - f r e q u e n c y i pi n s t r u m e n t , w h i c h t h r o u g ha d d i n gt od o u b l ew a v eah n do fd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns i g n a lm o d u l a t e db yp s e u d o r a n d o mc o d et e c h n o l o g y , c a nm e e tt h et e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t so fs i m u l t a n e o u sc o n t r o la n d i i 中南大学硕士学位论文摘要 s i m u l t a n e o u sm e a s u r ei nt h es y s t e mo fd u a l - f r e q u e n c yi p t h ep u r p o s eo f t h i st e c h n o l o g yi st oi m p r o v et h ee x p l o r i n ga c c u r a c yo ft h eg e o p h y s i c s i n s t r u m e n t sb a s e do nt h ee l e c t r i c a le x p l o r a t i o nt h e o r ya n dt om e e tt h e t e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t so f e x p l o r i n gt h ed e p o s i tb e n e a t ht h ed e e pe a r t h k e yw o r d s ：s i m u l t a n e o u s c o n t r o l ， s i m u l t a n e o u s m e a s u r e ， p s e u d o r a n d o m ，d u a l - f r e q u e n c yi n d u c e dp o l a r i z a t i o nm e t h o d ，s p r e a d s p e c t r u m 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：鲨辟月9 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：她翩签名蚌吼缈血珥日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 在地球物理学中，电法勘探是一门方法多、实用性强的分支学科，被广泛的 用于找矿、找水、工程检测、地质勘查等方面，在方法理论、方法技术上都形 成了比较成熟的体系“m 1 。双频道激电法是由中国工程院院士、中南大学何继善 院士研究实现的一种新的激发极化“变频法”，该方法的核心是将特殊波形的 高、低两种频率信号电流同时发送和接收，因此与其他激发极化法相比具有抗 干扰能力强、受电流变化影响小、测量精度高、观测速度快、工作效率高、装 置轻便等优点。 随着地表矿多已被发现，现在面临寻找深部隐伏矿床的重要任务。常规激发 极化法的勘探深度一般为2 0 0 5 0 0 米，不能满足与时俱进的勘探要求。况且要 解决寻找深部隐伏矿床，在研究多功能信号源、大功率发送机的同时，提高数 据采集系统的灵敏度和测控精度的研究工作，也成为广大物探科研工作者的当 务之急。 经考察和调研在众多物探仪器中，目前采用数字通讯实现同步测控技术的并 不多。对于双频激电仪，通过采用数字通信技术，实现同步测控数字信息传递， 对提高及完善仪器的性能具有十分重要的意义。 一方面，双频激电仪虽然已经非常好地实现了对大地信号的振幅变化信 号的获取，但是要实现相频变化信号的获取，达到通过物探仪器为物探工作者 提供更精确的数据采集，则需要在双频仪中实现收发信号的适时同步和相干检 测技术。 另一方面，双频激电仪在野外进行探测时，发送机在发送双频波的过程中， 发送机所发送的电流、电压幅度都会随着探测环境和时间的不同而有所不同， 这些值的变化对接收机所获取的m 信号都有一定的参考价值。 因此，在双频激电仪中，如果接收机能够接收到更多的信号，如同步信号、 发送机的电流信号、电压信号等辅助信号，将可以实现仪器对所接收的信号进 行同步测量及同步控制，从而提高信号的获取质量。 随着通信理论的发展，尤其是近几十年来，数字通信和信息论等技术的飞速 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 发展，使诸多理论如：相干检波、扩频通信、伪随机编码等理论在提高通信质 量，减小通信误差等方面的实践应用上日趋成熟。这些技术使得在双频激电仪 中调制一定频率的同步测控信号，实现在双频激电仪发送机与接收机之间进行 通信成为可行。 正是在这种背景下，我们提出并实现了一种新颖的在不增加原有双频激电仪 硬件开销的基础上，在双频波中调制通信代码，以岩土做为传输媒介，实现接 收机与发送机之间通过大地进行通信的地电场瞬时通信方法。 1 2 国内外研究现状 电法仪器作为电法勘探的主要工具它随着微电子技术、计算机科学技术与电 法勘探理论知识的发展而日趋完善。与此同时，电磁法仪器的发展反过来又促进 了电法理论研究的深入。伴随着每一次信息科学的巨大进步都使得电法勘探仪 器的性能进一步提高。 1 2 1 国内外电法仪器的发展 电法仪器的发展与电子技术、信号处理技术和计算机技术的发展密切相关。 电子技术、信号处理技术和计算机技术对电法仪器的结构、功能和性能具有决 定的影响。随着现代物理学、电子学、特别是计算机技术的发展，仪器都向着 小型化、轻便化、自动化、智能化和高效化发展。 最早的电法仪器是简单的机械式电压表和电流表。5 0 年代后，有了基于电 子管和晶体管的电法仪器，采用机械式表针读数。六十年代，集成电路开始应 用到电法仪器中，但仪器的读数还是模拟式的。7 0 年代，激发极化法在理论上 有了重大的突破，同时电子技术进一步发展，集成电路的应用更加广泛，电法 仪器的读数形式变成了数字式，这样就比指针式的有了更高分辨率。8 0 年代， 由于微处理器和微控制器、a d 和d a 技术的应用，电法仪器得到了快速发展， 智能化和多功能化得到提高，主要特点是多参数、多窗口、测量过程自动控制、 发送接收趋于一体化“1 。如美国z o n g e 公司的g d p 1 6 多功能电法仪，采用了2 个1 6 位c m o s 微处理机，能开展电阻率法、激发极化法、c s a m t 、m t 、t e m 、 f e m 等多种电法勘探方法。9 0 年代后，电子技术和计算机技术快速发展，使得 激电法数据处理软件与微处理器新电法仪的有机结合成为可能，这必然大大提 高电法勘探的工作效率和野外数据的可靠性5 1 ，现就仪器的主要进步分别说明如 下： ( 1 ) 仪器分辨率和观测精度越来越高。仪器使用a d 转换器的位数从1 2 位升 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 级到1 6 位、1 8 位和2 4 位，保证了仪器分辨率的提高，为观测精度的提高提供保 障。在保证仪器观测精度方面，采用了多层电路板、光电隔离、分离电源、超 大规模集成电路、门阵列等手段压制仪器内部干扰和提高仪器稳定性”1 。 ( 2 ) 仪器的智能化程度及人机交互界面，日趋完善。仪器的仪器人机界面 从操作复杂的开关、旋钮、表针读数界面发展成界面友好、操作方便、以液晶 显示和键盘为核心的虚拟界面。目前大部分仪器都采用虚拟仪器界面，仪器设 计者可提供一个虚拟仪器界面，能对仪器操作者的所有错误操作都提供适当的 反馈，对所有错误操作都提供相应的处理措施，使错误操作不影响仪器的正常 工作和测量结果，还可以对仪器操作提供在线帮助。实现了友好的人机交互， 并能实现仪器的智能化处理，使仪器的操作更加简单方便。 ( 3 ) 仪器的信号处理能力以及实时响应能力随着高性能微处理器的发展而 大大增强。早期的电法仪器，只能够对测量的地球物理信号做模拟信号处理。 如滤波、放大、积分、微分等处理工作。7 0 年代开始，部分电法仪器开始采用 分辨率高的数字表头。但仪器对信号的处理还是处于模拟信号处理阶段。8 0 年 代以后，计算机技术取得了飞速发展，特别是低成本微处理器和海量存储器的 快速发展，使电法仪器进入了微处理器时代。高性能微处理器和海量存储器的 应用不仅使地球物理信号的实时采集、处理和存储成为可能，还使电法仪器具 有开展多种电法勘探工作的能力。 1 2 2 新技术在电法仪器中的应用 随着各种新技术在电法仪器的发展及应用，电法仪器的性能得到了极大的 完善。有的技术在电法仪器的应用e j i j p j l i 开始，将在电法仪器中取得广泛的应用。 这些技术包括：同步技术、电力电子器件、高速微处理器、可编程逻辑器件、 高速 o 转换器、数字信号处理、统计信号处理、计算机网络技术、虚拟仪器 技术等。 1 2 2 1 同步技术： 要高效的在野外开展物探工作，研究一个高速、高灵活性、高精度且抗干 扰能力强的物探仪器是相当关键的。例如在使用激发极化法( 激电法) 过程中， 激电异常的评价与识别和分离激电与电磁效应一直是困扰物探工作者的两大难 题”1 。相干检测技术是提高物探仪器测量精度和抗干扰能力的有效方法，其前提 是确保发送机与接收机的同步。目前，对于信号进行相干检测或同步检测时提 供参考信号或者同步信号的方法有以下几种“： ( 1 ) 采用光电转换技术。也就是说发送端的电流经过光电转换以后再由光 缆或者电缆送到接收端作为同步信号。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 在发送端与接收端同时采用高精度的晶体振荡器作为时钟信号，通过 调节使它们同步。这种方法比较便利，安装简单若精度能够得到保证， 这种办法容易在仪器上安装。这种同步方式在国外一些著名的电法仪 器上得到了应用。如美国z o n g ee n g i n e e r i n gr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n 的 g d p 1 6 ，g d p 3 2 以及加拿大风凰公司所生产的v - 5 系统都是采用这 种同步措施【l o l 。 ( 3 ) 采用g p s 技术。也就是说利用g p s 全球卫星定位系统的高精度卫星 授时信号作为同步信号“1 1 。发送设备和接收设备利用g p s 接收终端同 时接收g p s 全球卫星定位系统的授时信号，并以之为标准校正自身系 统时钟，使得发送设备和接收设备保持同步“”。 ( 4 ) 采用无线电共时钟的同步检测方案。这种方案是将发送设备与接收设 备两个定时系统共用一个时钟信号“”。即将发送设备定时系统用的时 钟信号通过无线电波向空中发射，接收设备接收此时钟信号作为自己 的时钟信号供定时系统使用，形成发射端与接收端定时系统共用时钟 同步方案“”。 以上所论述的同步方法，在实现同步测量方面都起到了十分重要的作用。 但它们也有各自的不足之处。其中光电转换技术，由于需要电缆或光缆，在接 收端和发送端之间传送同步信号，因而在野外实践中的实用价值不大。而无线 同步和g p s 同步是进行授时同步，并没有真正实现真正的瞬时同步，并且都增 添了额外的模块用于实现同步，这使得仪器所需耗费的电量也比较大，同样不 利于野外探测工作。本文所提出的通过在双频激电仪的双频波中加入伪随机数 字信号，实现双频激电仪的同步测控的方法。由于此方法是通过在双频信号中 加入高频信号，不会对仪器的硬件有额外的要求，因而在功能上克服了上述方 法的不足。 1 2 2 2 电力电子器件 无论是激电还是电磁法勘探，大功率发送机相对于用中小功率发送机能更 好地解决干扰和探测深度的问题。尤其是大的探测深度要求和干扰强烈的地区， 采用大功率发送机在一定程度上可以解决上述问题。因此，大功率发送机成为 研究的热点，电力电子器件是大功率发送技术的首要选择。 电力电子是一门用电子的手段控制电气主回路的电流，以进行功率变换和 控制的相关技术，为电子技术、控制技术的边缘区域“”。对电法勘探发送机有 价值的技术有： ( 1 ) 电力半导体器件。如晶闸管、功率晶体管、g t 0 , m o s f e t ，s i t ( 静电效应 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 晶体管) 、i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 等新器件。 ( 2 ) 电力变换电路。整流电路，逆变、斩波、变频等基本电路以及控制电 路、保护、滤波电路等。电力变换电路是电子电路的一种，为了高效处理功率， 构成电路的半导体器件工作在开关状态，得到所需要的电压电流波形以实现电 力变换。 我国于9 0 年代开始将电力电子器件用于电法勘探场源中，相继推出一些产 品和科研样机。1 9 9 1 - 1 9 9 3 年期间，煤炭科学研究院西安分院研制了d d 一1 型大 功率电磁频测仪“。逆变器中开关元件采用3 0 a 1 2 0 0 v 高频晶闸管串联使用，供 电电压可升至1 0 0 0 v ，供电电流可达4 0 a 。原长春科技大学采用i g b t 实现了五 千瓦电磁法发射机系统，关断时间达1 2 u s “”。原中南工业大学采用i g b t 实现 了1 0 千瓦d f - i 微机程控多功能大功率发送机“”。 1 2 2 3 高速微处理器 微处理器的广泛应用对物探仪器革新的影响是决定性的。速度更快、功能 更强的微处理器是物探仪器设计者首要追求“”。因为功能强大的微处理器不仅 可以对各种地球物理信号进行复杂的处理和控制，而且为用户提供更好的仪器 操作环境提供了可能。有了功能强大的微处理器，我们就有能力研制能够开展 多种地球物理方法的虚拟地球仪器，因为仪器的功能由软件来定义和完成：我们 就有能力在物探仪器中采用计算机网络技术，实现远程调试、诊断及数据采集。 表( 1 - 1 ) 微处理器的发展历史及其在物探仪器中的应用 。 l i i 1 l 卿l 卿 且似管开 鬟c 点簋式奠片 台立斗墨帆( c s - 1 0 ) 夏 4 在c p u- l 删) 8 位c p - 1 硼 m ， - ( z 1 6 位c l 町- 棚6 m 翻口， z ， 盐爱咖 棚6 ( m 田咖 【z j ， - ( 4 鲇) e 位- 地匿位 矗a l 琬a n l 2c b 耵m m c s s - i 蹦o y z - 屯毪位暑 s i r s c a l ( i r l 勒 n s c 口 s a s 3 0 0 ( a b 珈 m 6 8 轴瓣硼们t o 】 翮井杖 g 阳b m o l 憧点匿仪 s 蛐9 0 ( b i $ o m m 朝o m s e i 1 硼o y m - 电皓仪器 m c a h m 2 1 c o y c bm m 拓憧地匿仅 s e m ，2 4 0 四b 咖 m r e r r a l o cm a r k 6 ( b i 弼砷0 4 墨 黜2 4 0 1 f c e o m m i c s ) 啦n 耐g m m i c s ) d s i ( o y o 船 c 日t 吣 翻筹杖 旺l l 瑚 c c 】强岫 3 * | m b m f m 口 表( i - i ) 有力地说明了微处理器对物探仪器改进的决定性作用。近年来， 3 2 位微处理器在新一代高性能电法仪器中取得了广泛应用。如g d p 3 2 1 和e h 一4 采用t 8 0 4 8 6 c p u ，v s 一2 0 0 0 和们2 4 也采用t 3 2 位微处理器。由此可见，在 电法仪器采用高速的微处理器，是电法仪器的发展趋势。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 4 数字信号处理 数字信号处理技术在最近二十多年来得到了快速的发展，这主要是由于各 种信号处理快速算法的出现以及计算机技术的飞速发展，使得数字信号处理的 实时性大大增强，能够处理更高频率的信号。利用先进的数字信号处理器，可 以处理数百兆赫兹的信号。这使得它在越来越多的领域取代了模拟信号处理技 术。数字信号处理技术有一系列的优点旧： ( 1 ) 它的精度高，用1 6 位字长的数字系统的精度可接近1 0 。5 ，而模拟网络器件 的精度要达到1 0 。已经是相当困难的了。 ( 2 ) 数字信号处理系统的可靠性高。模拟系统中各种参数与温度等条件密切 相关，因此处理的结果要随环境条件的变化而变化，产生不稳定现象。 数字信号处理系统受环境的影响小，甚至可以消除环境的影响，因此比 较稳定，可靠性高。 ( 3 ) 数字信号处理比较灵活，并可以分时复用。一个数字信号处理系统的主 要特性是由输入到乘法器的各个系数决定的，而这些系数预先己存放在 储存器中。因此，只要改变这些系数或储存单元，就可以改变系统的特 性，故比较灵活。这种灵活性也提供了分时多路复用的可能性。 ( 4 ) 数字处理系统便于大规模集成。对于模拟网络，实现大规模集成是比较 困难的，因为诸多元件的参数值很难做得一致。尤其是低频网络，l c 的 数值很大，很难集成化。另外在低频时，与模拟网络相比，数字网络体 积、重量较小。频率越低，这种优点越显著。 ( 5 ) 有限冲激响应滤波器容易实现精确的线性相位滤波。 ( 6 ) 数字信号处理系统可以实现多维滤波。数字系统可以有庞大的存储器， 将图象信号的一帧或数帧存储起来，实现数字图象的二维滤波或帧间滤 波。 现代数字信号处理技术广泛地应用于雷达、声纳、通信、地球物理、生 物医学、图象处理、自动控制、人工智能、振动工程等几乎一切技术领域。 随着计算机技术的发展，发展数字化的高精度物探仪器己经成为大势所趋。 数字信号处理技术在地震勘探、大地电磁勘探等领域的应用将更加深入。 1 3同步测控技术的主要研究内容 本文针对于双频激电仪的研究，通过在仪器中加入数字通信技术，实现同步 测控信息的有效传递，从而提高及完善仪器的性能以适应当前对物探仪器越来 越高的要求。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 论文在双频激电理论、相干检波理论、数字通信原理、伪随机编码、微机原 理等理论为基本理论构架上，对在双频激电仪中加入同步测控信号的方法进行 了系统的论述。 第一章以物探行业的发展为背景，论述电法仪器的进展及新技术在电法仪器 中的应用。讨论随着物探行业的发展，对物探仪器所提出的提高数据采集的灵 敏度和精度的要求。通过对何继善院士研制的双频激电仪的研究提出了在双频 激电仪中实现同步测控技术的方法。 第二、三章介绍双频激电法的理论，论述在双频激电系统中采用数字通信的 方法传输同步测控信号的意义；研究了以岩土作为双频激电仪的通信媒介，讨 论大地做为线性时不变系统在双频波的基础上进行数字信号传输的可行性；对 同步测控信号与双频信号间相互影响进行了分析；介绍了扩展频谱及伪随机编 码技术，通过对调制在双频波中的高频信号进行伪随机编码，降低系统信号误 码率保证信号高速有效地进行传输；建立在双频激电系统中实现数字通信的系 统模型；通过接收机的对所收到的测控信号进行解码得到所需同步测控信号。 第四至六章介绍了同步测控技术的软硬件实现；研究了该系统的仿真及实 验；并对该论文进行综述、总结。讨论在该课题研究中所需进一步研究发展的 地方，并对该课题后续研究的发展方向进行展望。 中南大学硕士学位论文第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 双频道激电仪多年来已在地球物理勘查方面得到广泛应用，取得显著地质效 果。为了适应目前寻找埋藏深的隐伏矿的地质勘查工作的需要，本章在双频激 电法的理论基础上，对在双频激电仪上通过数字通信实现测控技术的作用及意 义进行了系统的论述。 2 1 双频激电法理论及同步测控技术概述 双频道激电法是由中国工程院院士、中南大学何继善教授研究实现的一种 新的激发极化“变频法”。多年来该方法及仪器先后在我国除台湾、西藏地区外 的二十几个省( 区) 市的有色、冶金、地质、核工业等部门得到推广应用，为我国 的有色金属矿产资源勘探做出贡献，找到大量的铜、铅、锌、钨、钥、金等国 家急需矿藏。该方法仪器及应用技术己获国家专利、国家发明奖，1 9 9 5 年获得 国家科技进步一等奖。”。该方法实质是发送机将两种频率不同的高频和低频电 流，合成为特殊的双频电流波形向大地供电，作为极化场的激励场源，仪器对 高、低两种频率信号电流同时发送和接收，因此与其它激发极化法相比具有抗 干扰能力强、受电流变化影响小、测量精度高、观测速度快、工作效率高、装 置轻便等优点。“2 。 双频激电仪所发送的两种电流的频率是相干的，并可以根据需要加以变换， 通常高频频率为4 h z ，低频频率为4 1 3 h z 。接收机同时接收经过大地传导后的 两种频率电流的响应即高频电位差( a v h ) 和低频电位差( x v l ) ，以及计算显示视 幅频率f s ，而f s 计算公式为 f ：a v l - - a v h 1 0 0 4 屹 ( 2 1 ) 并可根据高频电位差v h 、供电电流i 和装置系数k ，计算出视电阻率b 值。 本文所提出的同步测控技术是指在仪器中通过采用数字通信的方法，实现 同步测控信息的传递，从而使双频激电仪实现适时同步测控的功能。它对于提 高双频激电仪的性能具有十分重要的作用。仪器所传送的同步测控信息包括： 发送机发送双频电流波的同步信号、发送机所发送的电流、电压等辅助信号。 8 中南大学硕士学位论文第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 这些信息对于双频激电仪接收机提高它的数据处理能力及对信号进行智能化处 理都具有十分重要的意义。 2 2 在双频激电系统中传输同步信号的意义 在双频激电系统中采用同步技术对于进一步完善双频激电系统具有十分重 要的意义。在双频激电系统的发送系统中发送同步测控信号与双频信号，同步 测控信号与双频信号一同经由大地进行传输，在双频激电的接收系统中，接收 到双频信号的同时也获得同步测控信号，即可实现对双频激电信号中同步信息、 发送机的电流信号等辅助信号的获取。可根据所获得的同步信号实现对激电相 位的检测及激电信号的相干检测，实现更好地提取激电信号，克服电磁感应耦 合等干扰信号对激电信号的影响。 2 2 1 双频激电系统中相位信号的意义及同步信号的作用 在频率域激发极化效应中，振幅的变化和相位的变化是同时发生的，是同 一物理现象的两个不同侧面。激发极化引起矩形波振幅升高的同时必定要引起 波形的重心向右平移，产生相应的相位差。即没有只引起振幅变化而不产生相 位差的激发极化，也没有只引起相位平移而不伴随振幅升高的激发极化。理论 上，就反映激发极化的能力而言，相位变化与振幅变化是相当的。然而相频特 性也有独到之处1 。 如图( 2 1 ) 所示，在激发极化的中等频段，幅频特性的拐点不够明显，而 相频特性的极值却很突出，成为识别区分目标体性质的重要手段。 氇o ln o lil 蔷 堇 搿 罴 图( 2 - i ) 幅频特性和相频特性示意图 由以上分析我们可以知道，相位变化与振幅变化同样具有重要的实用意义。 相位是一个与极化率、时间常数以及频率相关的复杂表达式，为了测量精确相 9 中南大学硕+ 学位论文第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 位，必须消除发送机与接收机之间因时间不同步而引起的测量误差“1 。同步测 控信号中的同步信号将发送机的发送波形的起点时间传送给接收机，为它们的 同步提供了一个时间基准。 2 2 2 同步信号对于双频激电中消除和利用电磁效应的意义 频率域激电法中电磁感应耦合效应( 简称e m 效应) 的压制和消除是一个重 要研究课题。主要因为：电磁感应耦合效应与激电效应同时存在而成为干扰。 在有宽频谱测量或用激电非线性效应评价激电异常时，由于感应耦合效应常 常使频谱测量难以应用。为此必须有效地消除电磁感应耦合效应。然而，仅管 对激电的观测而言，电磁耦合是一种干扰，但是对于解决地质任务来说，电磁 耦合是一种与地下介质导电性质密切相关的物理现象，同样携带了关于地下岩 石导电性质的信息，可以并且应当加以利用。 针对激电效应的这些情况，中国工程院院士何继善院士通过从理论上系统 地研究激电效应( i p ) 和电磁效应( e m ) 在时间域和频率域各自的特征和规律 性，利用激电效应和电磁效应在双频波测量波形上不同的特殊表现形态，提出 了方波相干的方法理论，实现对i p 和e m 信息的直接、同时、分别提取。 在双频激电法中使用相干检测的方法，就是使发送机发送一个具有特殊频 比的双频电流波( f l l ，f h l ) 并提供相应的参考信号即同步信号，利用已知同步 信号对待测信号进行相干检测，达到高质量、高精度地采集到微弱的物探数据 的目的。 2 2 2 1 电磁耦合效应的概念及影响 激发极化测量中的电磁耦合分为两类：电容耦合和电磁耦合。电容耦合是 指通过线地之间或线线之间的分布电容进行电能量转移，从而在测量 回路中引起与探测目标无关的畸变信号的效应；电磁耦合是供电回路中电流的 变化，产生电磁感应，经由大地耦合到测量回路，引起激电测量的观测信号畸 变的效应。 电容耦合和电磁耦合在激发极化测量都将产生一定的影响，从而对观测数 据造成干扰。 ( 1 ) 、电容耦合：在频率域中，供电电流刚一开通时电位差a v 出现尖锐的 锋值，电流断开时出现呈指数规律衰减的，并由非激发极化现象引起的以，由 于电位差a v 与k 符号相同，所以电容耦合将影响观测系统中测量到的电位。 并且这种耦合因频率而变，出现假幅频率，频率越高，电容耦合产生的电位差 越大。在一般情况下，电容耦合引起的假幅频率很小，大约不超过0 1 。对激 电测量不构成明显的畸变，但在某些潮湿地区，电容耦合的影响会变得很严重。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 在频率域激电中，电容耦合引起的假幅频率为： 州呦“继喘蒜等世 z ， 矿南c ( 吼) 是低频分量流经分布电容c 的电流t 产生的电位差，嗡。( n _ ) 是 高频分量流经分布电容c 的电流产生的电位差，嗌( 卯_ ) 是流经接地电阻 的电流j 。产生的电位差。 ( 2 ) 、电磁耦合：电磁耦合发生在恒定电流刚一开通或切断的瞬间。在激 电测量中的电磁耦合，是供入地下的电流随时间的变化引起的，发生在电流变 化的时间段。由于双频激电法采用的波型是矩形波，其电磁耦合发生在电流的 上升沿和下降沿。 以偶极装置为例来说明电磁耦合的影响。偶极子的电磁耦合对测量产生的 影响如下： 电磁耦合的规律，表现为信号到达的滞后，电磁耦合的本质是电磁感应， 感应产生的二次电流，总是反抗、抵消一次电流的变化。在矩形电流开通时， 它使矩形的上升沿变成“陡坡”，在矩形电流下降时，使其下降沿变成“斜坡”。 很明显，在激电测量中电磁耦合产生的场必然与待测的激电信号叠加在一起对 激电的测量形成干扰。 电磁发生及过程持续的时间与大地电导率的平方根和距离的乘积正相关。 观察点到偶极源的距离越远，大地导电性越好，电磁耦合就越强，其信号到达 就越晚。 如果地下介质的电导率不是很大( 口茎o o l s l m ) ，观察点到偶极源的距离 也不很大( ，l k m ) ，则电流开通和关断时电磁耦合效应发生和持续的时间大约 为1 0 4 | 0 - 2 s ，当电导率和距离有所改变时，这一时间也有相应改变。 频率域激电是在供电时测量总场，根据拉普拉斯变换原理，可知高频时电 磁耦合效应使总场电位减小比低频更多，电磁耦合引起的假视幅频率为正。 大地电导率盯、距离r 、时间t 并不独立地影响时间特性函数，又f ) 或 f 谚i f ) ，对于不同的盯、t 、r 而言，只要口f 相同，电磁耦合的影响就是一 样的。 2 2 2 2双频激电法中的电磁耦合效应的意义 尽管在直流电流和激电测量中电磁耦合成为干扰，但在电磁法中这一耦合 恰恰是要探测的有用信号。对激电的观测而言，电磁耦合是一种干扰，但是对 于解决地质任务来说，电磁耦合是一种与地下介质导电性质密切相关的物理现 象，同样携带了关于地下岩石导电性质的信息，可以并且应当加以利用。 中南大学硕士学位论文 第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 以偶极装置为例加以说明，大地的传播系数k 值为： k2 = 一i t 0 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，l 为导磁率，盯为地下介质的电导率，为供入电流的角频 率。在距离为定值的点上，导磁率一般变化不大，在电导率口大的良导介质 中，电磁耦合到达和历经的时间更长；对于电导率盯小的高阻介质，时间t 更 短。电磁信号在良导介质中传播更慢。其次，设介质的电导率口为一定，就一 定大小的影响而言，电磁耦合到达距离更远的点上，需要的时间更多。而当时 间t 为定值时，在仃小的非良导介质中，电磁耦合可以传播更远。 由此可知电磁信号在大地中的传播特性与大地本身的电导率盯有密切的关 系。存在于激电测量波形中的电磁耦合效应，同样含有关于地下介质电导率盯分 布的信息。 由以上分析可以看出，把电磁耦合中含有的这些有用信息提取出来，而不 是简单地加以“抛弃”，无疑是很有意义的。 2 2 2 3 方波相干、斩波方案及同步信号的应用 双频激电法中，用双频激电仪所发送的具有特殊频比的电流波形具有其他 波形所没有的、不可替代的优点。在双频率激电仪中，消除电磁耦合的干扰作 用，我们既可以通过对双频波进行方波相干，实现直接、同时、分别提出和利 用激电效应( i p ) 和电磁效应( e m ) 的目的，又可以采取斩波方案实现电磁耦 合干扰的消除。对于这两种方案的实现，同步信号具有十分重要的意义。现就 两种方法，及同步信号的应用论述如下。 ( 1 ) 方波相干原理 相干检测技术是利用参考信号与有用信号具有相关性，而与噪声不相关的 性质，从而通过互相关系运算来削弱噪声，达到提高信噪比的信息检测技术嘶1 。 相干波是两列频率相同、相位差恒定、两个波的叠加处振动方向相同的波o ”。 在双频激电法中，激电效应( i p ) 和电磁效应( e m ) 在双频测量波形上的表现 如图( a ) 所示，如果用与低频频率和相位都相同的方波与测量波形相干( 简 称方波相干) ，就可得到如图( b ) 所示波形。同时，若用与低频频率相同而相 位相差9 0 0 的正反向方波与测量波形相干，则可得到如图( c ) 所示的波形。同 样，用与高频频率相同，相位相同或相差9 0 0 的方波对测量波形作方波相干，可 分别得到图( d ) 和图( e ) 所示的波形。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 ( a ) i p 和e m 共存时的双频测量波形 ( b ) 方波相干低频实分量 ( c ) 方波相干低频虚分量 匠h hhhh h h h 瞳hh ： ( d ) 方波相干高频实分量 ( e ) 方波相干高频虚分量 图( 2 - 2 ) 方波相干原理示意图 如果取方波幅度为1 ，那么从图( b - e ) 的图形的积分结果即可得到测量波 中南大学硕士学位论文 第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 形的低频和高频成分的实、虚分量，记为r e ( l ) 、i m ( l ) 、r e ( h ) 和i m ( h ) 。 分析上图可以看出，对低频实分量r e ( l ) 波形积分时，i p 效应几乎全部保 留下来，而e m 效应则由于正、负相消的结果，积分后e m 效应为零。所以r e ( c o l ) 中仅包含一次场和i p 效应。同样，在对低频虚分量进行积分后i m ( 仿l ) 中，也将 不含e m 效应。 对于高频实分量和虚分量波形积分后，由于方波相干作用，使得其波形上 升、下降沿处产生的e m 效应符号相同，这样，积分后使得e m 效应完整地保留 在r e ( m h ) 和i m ( m r ) 中，此时i p 效应大部分抵消，而且当频率相对较高时，仅留 的很小部分的i p 效应可以忽略。因此，我们得到的r e ( h ) 和i m ( h ) 可以被看作 是e m 效应的异常。 由以上论述，我们可以看出，在对双频激电法中对双频波进行方波相干， 我们可以很好地实现对激电效应( i p ) 和电磁效应( e m ) 进行直接、分别、同时 提取。 ( 2 ) 斩波去耦原理 斩波去耦是根据电磁耦合的规律所设计的对激电接收的波形进行斩波，消 去电磁耦合的同时保留激电信息的方法。它的最大特点是在野外采集激电数据 的同时，直接地消去了电磁耦合，又基本不损失激电的信息，即不需要增加野 外工作量，也不需要室内计算改正，因而是一种先进实用的方法。 斩波去耦基于激电效应与电磁耦合效应具有时间特点的差异。激发极化法 是发生在电子导体与离子溶液界面上，或者发生在岩石及其孔隙与周围溶液之 间的一种电化学过程。它不像电磁波那样传递迅速，在时间上表现为电化学过 程的迟滞性。实验表明，激发极化过程为数秒到数分钟，需要比较长的时间才 能达到或接近饱和。与此相比，电容耦合和电磁耦合的过程要短得多。具体表 现形态如图( 2 3 ) 所示： t 图( 2 - 3 ) 激发极化与电容耦合、电磁耦合共存时的波形及斩波示意图 由图( 2 - 3 ) 可以看到，在激电观测的供电阶段，激发极化形成的电位差a v ， 1 4 中南大学硕士学位论文第二章在双频激电仪上实现测控技术的作用及意义 与电磁耦合所形成的电位差v 。( v f a v 自t + a v 自# ) ，数值虽然叠加在一起， 时间却有先后之分。刚一充电电磁耦合a v e m 猛然达到最大，随后很快衰减。这 时激发极化电位v 。，刚开始形成，非常微弱。充电较久，接近尾声时，v - r 接 近或达到饱和，非常强烈，而此时v 蹦已衰减完毕。斩波去耦方法就是根据上 述特性，将供电时电位