01地球物理仪器历史现状与发展.doc

地球物理仪器课概述及地球物理仪器历史、现状及发展10本门课概述地球物理学在本质上是一门观测科学，需要采集大量的有效信息，可靠信息和信息量的缺乏或不足则是任何数学技巧和图像显示无法弥补的。高精度和高分辨率的观测与实验仪器和设备乃是在地球物理学发展进程中的“前哨”。为此，在我国地球物理学领域里，在对仪器和设备的研究中必须转变观念，即在引进技术，仿造和合作研制的基点上发展自己的研究与研制体系，并在不断深化的进程中，逐步开创中国地球物理仪器研究和研制的新局面，形成具有中国特色的，并具有独立主权和品牌的地球物理仪器及设备的创新研究和研制体制，进而开拓新市场，走向世界，并独立于世界科技之林在地球物理学领域，地球物理场主体上分为重力场、地磁场(包括航磁)、电场、地热场、放射性辐射场和地震波场。对矿产资源、油气能源和环境的勘察与监测，对地震灾害的预测与预防，对地球深部圈、层结构以及物质组成和空间状态的探测等都是通过物理场完成的。随着地球物理学在理论、方法和应用方面的不断进步，科学与技术发展的需求日益增加，相应学科的仪器与设备得到了迅速发展，物理学、力学、信息学和计算技术中的一些新成就得到了广泛应用，地球物理观测的精度和对信息的分辨率不断提高。地球物理勘查仪器的基本要求与特点：众所周知，在野外进行地球物理勘查要求所使用的仪器重量轻、体积小、坚固耐用，要能防潮、防晒、不怕振动，无论在寒冷的北极或是在炎热的赤道地区都能正常工作。同时还要求仪器有多种功能，即能同时测量多种参数，例如不仅能测重力值、磁场值，而且还能测定它们的梯度；不仅能用来做电阻率法，也能用来做激发极化法、交流电法等。我国是一个多山国家，在固体矿产资源勘查中迫切需要有轻便多功能的地球物理仪器；同时，我国又是一个幅员辽阔的国家，海洋及西部的沙漠戈壁石油资源有待于开发，城市与环境物探方兴未艾，也迫切需要功能强，精度高，运用现代物理、电子与计算机技术的地球物理仪器装备。为了反映地球物理仪器的技术性能，人们常用灵敏度、精密度、准确度、稳定性、测量范围等各种技术参数来描述它们。灵敏度：指仪器反映地球物理场参数，如强度等最小变化的能力（敏感程度）。有时也称分辨率。对于用数码显示器读取地球物理场参数的仪器，在其读数装置上估读的最小可分辨的变化，称为显示灵敏度（读数能力），如质子磁力仪1nT/字，0.1nT/字等。由于仪器有一个噪声水平问题，因此灵敏度与显示灵敏度在概念上是有区别的。精密度：它是衡量仪器重复性的指示，是指仪器自身测定地球物理场的各种参数所能达到的最小可靠值。由一组测定值与平均值的偏差表示。在仪器说明书上，称为自身重复精度。准确度：系指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。通过地球物理仪器课的学习，掌握地球物理传感器的原理、地球物理仪器基本电路方框图和地球物理仪器正确使用的基本技能，掌握一般地球物理仪器采集信号的特点和使用注意事项，熟悉其参数指标。在工程实践中，根据所用地球物理方法不同，能正确地选用仪器，正确地操作仪器，获得准确、全面的地球物理信息。1.1重磁仪器1.1.1 磁力仪我国第一台光学机械式磁力仪悬丝式磁力仪(磁秤)是1958年由原地质部物探仪器修造所仿制成功的，而正式批量投产是在北京地质仪器厂建成之后的1960年，到1961年底，两年生产了1704台，此后一直到1991年该厂共生产了11种不同型号的光学机械式磁力仪，包括刃口式、水平定向式、袖珍式、地磁日变仪等近11000台，灵敏度由1020nT格逐步提高到12nT格，完全满足了近30年我国大规模地面磁测的需要，它们所测的量是地磁场的垂直分量，但是随着时间的推移，这类仪器从操作使用来看，在每一个测点，要摆三脚架、用罗盘定向、用水泡调平，在一个像显微镜的镜筒里读格数、全手工记录数据；从制造工艺上讲，要采用精度很高的设备加工机械零件和光学零件，调试过程也比较复杂。总之，操作使用和制造工艺，比起电子式磁力仪来，明显呈现出其劣势，于1991年停产，代之而来的是各种各样的电子式磁力仪。我国从上个世纪的50年代末开始探索测量垂直分量的磁通门磁力仪，60年代初开始研制质子磁力仪等电子式磁力仪，但限于当时的条件，如主要器件只能使用电子管，电源只有干电池，探头和电路设计水平也极其有限，仪器的体积、重量远比光学机械式磁力仪大许多，无法推广使用。到1962年，研制出了用锗晶体管为主要器件的质子磁力仪，到1983年共推出6个型号，生产了1500多台，“发”到了全国的物探队，几经推广，却未得到普遍应用，主要原因是可靠性差，故障率太高，另外，广大物探工作者也还不太熟悉所测的总向量的推断解释方法。1983年，达到国外70年代后期水平的灵敏度达到lnT的CZM-2型质子磁力仪的问世，使我国物探界正式开始使用电子式磁力仪，特别是在地震预报领域得到大面积推广使用，到目前，这种仪器及其改进型号CZM-2A 已经生产近600台。1986年，我国地矿和核工业系统分别引进了加拿大的IGS-2MP-4型和美国的G-856A型的“微机质子磁力仪”，灵敏度为01nT，观测精度达到25nT或更高，自动记录数据、自动进行日变改正、数据可以直接传送到其他计算机作进一步处理，同时，地质系统为推广使用MP-4仪器，在方法技术，推断解释等方面作了大量工作，出版了“高精度磁法勘探“等书籍、制定了相应的规程，使我国的地面磁法勘探水平在短时间内达到国际先进水平，并得到全面推广。MP-4型仪器逐步国产化，到1993年共生产近300台，少部分仪器被我国计量部门采用当作标准仪器。G856A经过不断改进，如采用锂电池做电源，一直生产到今天，在各个系统得到广泛应用。虽然在1975年及以后的一段时间生产了200多台测量垂直分量CCM-12型地面磁通门磁力仪，因其精度并不比光学机械式磁力仪高，还要使用多节干电池，使用维护成本高、可靠性差，使其没有达到取代机械式磁力仪的设计初衷，没有得到推广使用。但是，近20年后这种仪器得到了新生，当把升级换代后的磁通门系统做成CCM-4磁力仪并在遵化地区推广后，得到农民找矿者的欢迎，数十台仪器很快售完，形成供不应求的局面。此后，物化探所的CBT-1型便携式探矿磁力仪和廊坊瑞星仪器有限公司的MCL-2微机磁力仪相继投放市场，后者从2004年4月已销售200余台。 进入21世纪以来，随着国家对地质事业投资力度的加大，以及铁矿和多金属矿产资源的短缺，对质子磁力仪的需求猛增，北京地质仪器厂在MP-4经验的基础上、开发了全新的CZM-3型仪器，2005年投入市场。核工业系统的京核鑫隆公司在G856A 的基础上，不断改进，推出了G856F高精度智能质子磁力仪，采用锂电池供电，外形保持了传统的结构。据悉，该系列产品已出口上千台，国内销售也达到几百台，在地震、有色、地质、环保、冶金、石油勘探、煤田、科研等领域广泛应用。2006年3月重庆奔腾数控技术研究所重庆万马物探仪器有限公司在参照国外仪器的基础上，根据本国国情开发的WCZ-1质子磁力仪投产，灵敏度01nT，至今已售出数百台。2006年，廊坊瑞星仪器有限公司推出了灵敏度01nT的PM-1A型质子磁力仪，其特点是带有GPS，可外接GPS，存储测点坐标值，信号质量实时监控，信号质量下降可及时发现以便采取措施补救。1.1.2 重力仪在地面使用的重力仪有两大类，即绝对重力仪和相对重力仪，上个世纪60年代后期至70年代初期，我国地质仪器企业曾仿制加拿大和前苏联的石英弹簧和金属弹簧重力仪，并投入小批量生产，因精度较低，未大量投产推广。70年代中期北京地质仪器厂建成了重力车间，设有专门设计的石英系统加工和调试室、高低温实验室、精密机械加工车间，具备了大批量生产的条件。与此同时，ZSM-3型仪器(灵敏度10 GaL研制成功并投入生产，连同此后的ZSM-4型-大测程重力仪和ZSM-5型恒温重力仪，到80年代后期，共生产千余台，最高年产量达到百余台，虽然这些产品只具有中等精度水平，但也基本上满足了我国野外重力测量和部队的需要，特别是我国两次登上珠峰的重力测量都是使用国产重力仪完成的。令人遗憾的是，进入90年代，随着地质事业投资的锐减，物探工作的萎缩，重力仪的需求量也随之大降，北京地质仪器厂被迫撤销了重力车间，技术人员和技术工人纷纷转行或流失，为了保住这个在全世界产量曾经是第三位(1000台以上，第一和第二位是I &R 1500台和Worden 1500台)、在亚洲乃至整个第三世界仅有的一个石英弹簧重力仪生产基地，工厂坚持保留下了一个重力组，到2005年，仅有两名技术工人留守阵地，年产量仅10台左右，在技术上也几乎没有太大变化，这种状态，远远不能满足近几年来国内外猛增的市场需求，如伊朗的客户开口订5台，厂方却无法供货。从2005年底，北京地质仪器厂启动了全自动电子重力仪的研制工作，目前正在攻克传感器难关，相信在不久的将来，我国自行研制的具有自主知识产权的电子重力仪的投产，将会使目前电子重力仪完全依靠进口的形势会有根本性的扭转。当前，国内的用户呈现出多元化趋势，换言之，使用重磁仪器的群体，由于地质市场的变化，已从过去单一的物探专业工作者发展到地质工作者、非地质工作者、民营企业甚至农民兄弟，测量的精度也因目标的不同，高、中、低并存，这就使重磁仪器，特别是磁力仪，从磁通门、质子、光泵都有各自的市场。很多专业的物探队，到国外承包物探、地质工程甚至是买下一片土地进行风险开发，工作的地点多在东南亚、南半球各国，于是出现了“准国外市场”，这些单位和个人，从国内买了仪器到国外工作，所以，我们的仪器性能必须满足在全世界均能正常工作，这是前几年设计仪器时没有考虑到的。另外，也必须瞄准国际市场，特别是第三世界国家，过去都是用美国或加拿大的仪器，如果我国的仪器水平和质量能和国外水平相当，价格低于国外水平，就会有条件拿到国外的订单。CZM-2曾出口到日本、CZM-3出口到伊朗、MP-4出口到越南，G856AF通过返销出口到很多国家。1.2 地震勘探仪器1.2.1模拟地震仪时期我国的模拟地震仪器时期是从建国初期到七十年代末，大致分为光点和磁带记录二个阶段。建国初期，我国使用的模拟光点记录地震仪是从原苏联、匈牙利进口的。1951年我国成立第一个地震队，在西北地区工作，使用CC-2651凸型地震仪， 1957年西安仪器厂仿照进口仪器研制生产了DZ571模拟光点地震仪，1965年原646厂仪修站(现为物探局仪器厂)也生产了该种仪器。这种仪器的研制生产始于40年代末，50年代初。当时先进的电子元器件是电子管、变压器，是电子管发展的鼎盛时期。模拟光点地震仪是用电子管和变压器组装的，记录采用照相纸一次曝光。模拟光点记录地震仪原理框图如图2所示，放大器增益由自动增益和半自动增益控制，虽然输入信号有大约120dB的动态，但由于记录用人眼观看，人工解释，只有用自动和半自动的非线性增益控制，才能使其动态限定在照相纸的范围之内，这样就只有1020dB左右的动态范围，使地震信号畸变，破坏了地震波的动力学特征。滤波器分几档，由高截和低截滤波器构成20、30、40、50Hz中心频率的带通滤波器，用电阻、电容、电感组成的无源滤波器。记录用光点示波仪，一道一个检流计，有一定比例的混波。在放炮的67秒时间里，操作员要用手、嘴、眼、耳、脑同时运作，精神高度集中。手要搬动五个开关，嘴要喊：预备!注意!放!眼要直盯示波仪光点，耳朵听炮声，头脑要注意协调配合，稍有不注意，就会出废品。布置排列、操作仪器、放炮、洗相、解释，层层由人来把关，哪一个环节疏忽，都是不行的。在零下2O3O0C的气温下，洗出来的每张记录都要“眉清目秀”，一个冬季施工期下来洗相员的手裂开道道血口子。仪器不稳定要时时刻刻地凋校，人们戏称“调不完的仪器”。模拟光点地震仪使用到60年代初，逐渐被模拟磁带记录地震仪所代替, 同时在5O年代未晶体管在各个领域被应用，电子管地震仪也逐渐被晶体管地震仪所代替，从而进入了模拟磁带地震仪阶段，其特征是晶体管电路加上模拟磁带记录。6O年代初，西安石油仪器厂和山东牛庄207队开始研制模拟磁带记录地震仪，到1966年底研制成功，1967年通过石油部级鉴定，批准批量生产，型号为DZ661。1969年改进为DZ663，1970年又改进为DZ701。当时配备了相应的回放系统DZ662和DZ664。石油物探局仪器厂在大修的基础上也开始制造了模拟磁带地震仪。模拟磁带地震仪单道原理框图如图3所示。模拟磁带记录地震仪比模拟光点记录地震仪有很大提高，主要表现在：1野外获得的结果是一张磁带记录。信号可以在较宽范围内记录，回来在回放仪上精细选取，可进行6次或者l2次覆盖，可以进行信号处理，如计算速度谱等。可进行半自动处理获得时间剖面。2记录的动态范围扩大到40dB，采用能量曲线可定性地了解排列平均能量的变化。3 频带为15120Hz，回放可选最佳滤波。4 采用晶体管电路，体积小、重量轻、耗电小，提高了稳定性和可靠性。1.2.2数字地震仪时期我国从1966年开始研制数字地震仪，1974年引进第一台SN338，而后进入了数字地震仪时期，该时期大约分三个阶段，即模拟放大器数字磁带记录地震仪，二进制增益放大器的数字磁带记录地震仪和瞬时浮点放大器数字磁带记录地震仪。1960年美国研制第一台模拟放大器数字磁带记录地震仪，型号为GS- 1型, 我国物探局仪器厂于1965年开始研制GCl型就是这种放大器的仪器， 1966年、1967年进行了野外试验，其原理框图如图4所示。整体线路用晶体管组装而成，增益也是公控，多个地震道的并行信号经采样保持电路，变成多道串行，经12位模数转换和格式编排而记在数字磁带上。当时没有国外的样机也没有资料可供参考，从电路到磁带机、显示器全部是白行设计、制造。由于采用l2位模数转换器，使其动态分辨率达72dB，记录的动态范围扩大到4050dB 也方便了计算机的数字处理，我国的150计算机就是那时开始研制的。由于采用模拟的增益控制放大器，其增益不能进行数字恢复，动态范围也没有增加多少，波形的动力学特征仍然没有全部保存下来。这种仪器仅用于数字化的试尝，没有批量生产，而转入研制数字式放大器的仪器。随着电子元器件的不断发展，运算放大器和数字集成电路已经问世。1968年国外已有了二进制增益控制的放大器运用到地震勘探仪器中 如Sercel的SN328和Ti的DFSI，我国石油物探局仪器厂也在1970年前后开始研制了SCD-2型二进制增益放大器的地震仪，其原理框图如图5所示，检波器信号经输入放大器、滤波器进入二进制增益放大器 这种放大器有四个放大节，每个放大节增益有二个状态，它们分别是20或21、20或2 2、22或2420或28 ，四个放大节的增益可在20215 内变化，由逻辑控制电路控制，增益按二进制方式变化。数字地震仪进入二进制增益放大器阶段算是进入了数字化时代。又由于采用的是地球物理工作者协会(SECT)的标准记录格式，与处理机之间的联系也就形成了标准，处理资料非常标准、也很方便。二进制增益放大器看来增益是在20215 范围变化，实际上其速度是很慢的，每相临样增益只能变化6dB，而且是前一个样的大小决定后一个样的增益，即增益调节滞后一个样，在高频信号或过零点附近的样会产生增益失调。1.2.3 瞬时浮点放大器数字记录地震仪1970年美国首先推出DFSIV型浮点放大器仪器，1971年法国也生产了SN338浮点放大器仪器。1975年西安石油仪器总厂和物探局仪器厂也开始研制浮点放大器数字磁带记录地震仪，并先后于1978年和1980年研制出SDZ-751A型数字地震仪和SK-8000数控型地震仪 浮点放大器的框图分别如图6、7所示。图6为游标式瞬时浮点放大器，物探局仪器厂的SK- 8000采用这种方式，其增益调节方式是先粗调后细调，恰像游标卡尺一样。粗调增益以24 为阶，共三阶，调三次，可调212 。细调增益以2为阶，共三阶，即20、2 1、22 、2 4调三次。粗调和细调完成增益调节215 ，阶差为2 ，其调节过程如图7所示由图7可以看出，增益调节粗调为3次，细调也是3次，共用6次可以将一个样的增益确定。放大器调节增益范围为84dB或90dB，加以15位尾数的模数转换器，理论上动态分辨率可达180dB，去掉噪音其动态范围也能达到120dB，可见瞬时浮点放大器，已经完全适应地震信号数字化的要求，可充分发挥数字计算机的优势 归纳起来，数字地震记录时期的仪器有如下特点：(1)采用通用记录格式的数字地震记录便于计算机的处理，多次读取，不影响记录质量。(2)由于采用阶码加尾数的浮点记录格式，记录的动态范围达到120dB，提高了记录的精度，为地震波的动力学解释创造了更充分的条件。(3)可进行宽频带(3250Hz)接收，提高了地震勘探的分辨率。(4)采用大规模集成电路，减少体积，增加了道数，操作自动化，提高了野外工作效率。数字地震仪的缺点是：(1)所有地震道的部件，都集中在仪器车上，不利于扩展道数。上千道、上万道，仪器车很难容纳下这么多道的设备， 野外的排列要宽要长，数十公里的长线传输小于1V的信号，衰减太大。外界电磁波，大地电磁场等都干扰了微小信号的传递 为此提出要进行数字信号传输，不用模拟信号传输。(2)瞬时浮点放大器看起来有90dB增益调节范围，但真动态确实达不到90dB，原因是浮点放大器对大信号是不放大的，对于大信号背景上寄生的小信号，被放大器认为是大信号而不能被放大，这个小信号就被大信号淹没了，这对高分辨率勘探是不利的。4 、遥测地震仪时期所谓遥测地震仪就是将采集过程中，数字化以前的电路放在采集站里，布置在排列上，这样采集站是由中央单元遥控，就由模拟信号传输变为数字信号传输。1.2.4 瞬时浮点增益放大器遥测地震仪阶段为了解决和克服集中式浮点放大器仪器的弊端，首先由美国GUS公司在1975年研制出192道1ms的GUSBUS遥测地震仪，1977年法国的SerceL公司和其他厂家也先后研制出遥测仪器。我国石油物探局仪器厂和西安石油仪器总厂也分别研制出SK一1004和YKZ-480遥测仪，并于1991年3月10日通过“七五”国家重点科技攻关项目的鉴定和验收，从此便开始了批量生产遥测仪器。SK-1004仪器，采用当时先进的小型机PDP1124作为整机控制，单总线结构，每线21ms采样192道，最大8线输入达1536道，单站6道，可进行现场处理，用2. 5字节SEG- D格式,数传编码类似于IOI、II仪器。YKZ-480仪器采用PCAT主机做为整机控制，VME总线，基本单元2ms，采样480道可扩展到960道，用25字节SEGD格式，用SC-1或SN368仪器的采集站，单站单道，数传编码采用SN368、SN388仪器的方式。现代遥测地震仪的主机与地面站(包括采集站、交叉站、电源站、中继站)之间的数据和命令要进行传输，为了保证其可靠性，要进行编码和解码。其方式很多，不管那种方式，主要采用的手段是窄带传输和冗余校验IO系统I、仪器：命令线采用美国标准代码(ASC)码，传输率256KHz 数据线采用交替标志反相码(AM1)传输率为5MHz。SN388仪器：命令与数据均用AIMI码，传输率为896MHz。VISION仪器：命令线采用曼彻斯特码，传输率为2IMttz，数据线采用密勒码(MILLER)传输率。SK-1005仪器从硬件到软件完全是采用二次开发的思想，是自行设计和开发的新一代仪器。说明到这个时期，我国已完全有能力自行开发世界先进水平的仪器 其研制特点是尽量采用当时世界上最先进的电子和计算机技术。用奔腾486微机，可以升级到586，以活动硬盘代替磁带机记录(可选用磁带机)，大胆开发了32位浮点数字信号处理(DSP)器，应用i860的64位精减指令集处理器(RISC)，采用可编程阵列(FPGA)、多媒体和网络技术采用工作站做现场处理和质量实时控制。道能力1536道2 ms 可扩展3072道2 ms线能力8线 可扩展16线可进行实时全精度频率域相关和快速离散HARTLEY变换相关，采用积木式结构。1.2.5 24位模数转换器遥测地震仪阶段1992年2月，美国Crastal公司为迎合地震仪器和声纳的需要开发出具有 技术的24位模数转换器，后来改进提高形成CS5321和CS5322产品。法国Sercel公司与Ahalog Device公司合作开发出将前放和模数转换器做在一起的芯片。紧接着Serecel、IO、HGS等其他公司相继开发出具有-技术的24位模数转换器的遥测仪SN388、SYSTWO、VISION，而后，其他公司也慢慢的开发出来。物探局仪器厂于1995年开始研究24位模数转换器的地震仪器，型号为SK- 1006，在塔克拉玛干沙漠腹地和边缘进行野外试验，获得较好的记录、剖面。于1997年底，进行了鉴定，鉴定会认为该仪器模数转换器主要是由二块芯片组成，第一块CS5321是调制器，第二块CS5322是有限长单元脉冲响应(FIR)滤波器。图l2是-技术的调制器原理框图,V1 是一个差分器，它是将输入信号与模数转换器的输出求差，即取，在V2积分累加器里求和，即取，V3 是一比较器，输出一位数据流，经多次运行就完成- 的过程，产生模数转换器的一位数据流输出 ,调制器采用了过采样技术，往往采样速率是被采样信号最高频率的二百倍以上。做为个实例，达到国际同类产品的先进水平。与此同时西安石油勘探仪器总厂也开发出来并在胜利油田进行了试验。1.3 电法仪器1.3.1 电法仪器概述目前电磁法、电法仪器种类繁多，但应用最普遍、效果最佳的不外乎三类仪器，即大地电磁测深仪(MT仪)、瞬变电磁仪和高密度电法仪。当今一流的电磁法和电法仪器必然是硬件和软件的完美结合，以达到：高分辨率，高信噪比； 宽频带，大动态范围；高集成，多功能，低功耗；操作简单，轻便灵活，现场实时显示结果。一、大地电磁测深仪(MT仪)近年来，MT 方法面临的主要问题是如何提高野外数据采集质量，以获取高质量的视电阻率和相位曲线并提高生产效率，以及如何有效地消除静位移和获得最接近实际的反演模型。提高野外数据采集质量和提高生产率，与磁场传感器的信噪比、数据采集单元的分辨率以及MT法的观测排列形式和数据处理方法等紧密相关。GMS-06磁场传感器是德国Metrinix公司最新研制的感应式FMS一06型磁场传感器，重约8kg，长12m，直径75mm，很轻便。由于采用了特殊结构的磁芯材料，计算机模拟设计的线圈结构和磁反馈前置放大，FMS-06的频带范围扩展到10000Hz10000s，达8个数量级，其信噪比(即天然场低活动水平与传感器的噪声之比)高达1O100倍，在高频段的噪声低至5* 10-7 nTHz-2，并且没有温漂和时漂，见图1。这是当今世界上性能最好的感应式磁场传感器。该传感器保证了在天然场活动最平静的日子也能记录到高质量、全频段电磁信号。GMS-06的数据采集单元ADUO6即主机带宽20 kHz 直流，其高频段和低频段各有一个24位AD转换器，以保证全频段都具有最高的分辨率和最大的动态范围。除三个固定频段外，还设有一个自由频段，用户可根据需要选择自己最感兴趣的记录频段。ADUO6内部设有5OOMB的闪烁存储器，可存储大量的野外记录数据。ADUO6重约5kg，5道功耗712W。如果把FMSO7感应式传感器(频响20kHz1000s)与微型的磁通门磁力仪FGS一01结合起来，GMS-06的频带范围可以扩展到20kHz100000s。图2和图3是配有FMSO6磁传感器的GMSO6系统所记录的MT 曲线，其高频端达10000Hz，低频端达10000s。如果局部噪声很强，消除这种噪声的最好方法是采用远参考道观测。此外，GMS一06的软件系统MAPROS具有很强的去噪功能，例如剔除干扰尖峰技术和Robust评估算法。Windows系统下的MAPROS软件可实时处理观测数据并获得多种大地电磁参数，例如时间系列、原始谱、计算谱、叠加谱、视电阻曲线、相位曲线、倾子、相干度、走向、二维偏离度和各向异性系数等。提高生产效率的有效途径是采用网络式或阵列式MT观测排列形式。GMSO6可以容纳32个移动单位与基站共同组成这种观测排列。此时，可以采用GPS钟同步或同轴电缆同步。在这种排列下，如果与远参考道结合并采用EMAP数据处理方法，既可以有效地压制局部噪声，又可以有效地消除静位移。二、瞬变电磁仪瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它以局部场做场源，分辨率高于以平面波场做场源的频率域电磁法，近些年来发展很快，在很多领域得到广泛应用。瞬变电磁法对浅层分辨率很高，但随深度加大而降低。PROTEM 可应用于地面观测、井中观测、巷道和掌子面观测。对瞬变电磁仪所关心的主要问题是如何减少关断时间以获得更早期的瞬变场，如何提高晚期瞬变场的信噪比以增加勘探深度，如何从瞬变场信息中提取更多的地质信息，以及如何适应多种观测排列形式等。加拿大Geonics公司生产的PROTEM 瞬变电磁仪系统，由于在发射机的关断线路设计和加工工艺上采取了特殊的技术，其关断时间只有05s，在使用40m40m 的发射线框情况下，关断时间也只有25s，是当今世界关断时间最小的瞬变电磁仪，它可以获得浅至几米的地下信息 。提高瞬变电磁法的勘探深度是大家所关心的问题之一。瞬变电磁法的最大勘探深度H 可近似地由下式确定。其中： M为发射磁矩，M=I*S( I为发射电流，S为发射线圈面积)；乘积RmN 为最小可分辨信号电平。从上式可见，提高勘探深度的途径包括提高发射电流I ，加大发射线圈尺寸S和降低可分辨信号电平，即提高信噪比。提高发射电流I 是最容易的方式，但它带来很大弊端。首先是一次场消失时间显著加大，大大增加了关断时间，淹没了有效的瞬变电磁场信号；此外还很难保持发射场的稳定，导致观测结果不重复。一般来说，最大发射电流在3O40A范围。加大发射线圈面积S是提高勘探深度的最好方法之一。其中加大发射线框边长最好，因为它不会导致关断时间的明显增加，如果靠增加发射线圈匝数来增加发射线圈有效面积，将导致关断时间明显增加。降低可分辨信号电平有多种方法，首先是有效地抑制各种噪声，包括天然电磁噪声，人为电磁噪声，感应噪声等。抑制随机噪声的有效方法是多次叠加，抑制工频及其谐波噪声的有效办法是模拟滤波以及剔除坏值。选择接收机最佳的测量增益也是提高信噪比的一种方法。测点尽量靠近发射线框中心，发射线框与高压线斜交，也可改善信噪比。为了适应不同勘探深度的需要，Geonics公司研发了三种不同的发射系统，即PROTEM47，其勘探深度可达100150m； PROTEM57一MK2，其勘探浑度可达500m； PROTEM-67的勘探深度达l500m 当然这里所说的勘探深度是指地层为中等电阻率的情况下地层电阻率高勘探深度加大地层电阻率低勘探深度减小。接收机需要有很高的频带接收机需要有很高的频带、很窄的早期门和极大的动态范围以及很高的分辨率才能满足高质量观测的需要。 PROTEM 瞬变电磁仪频宽高达270kHz，早期门窄为6s，有30个观测门，动态范围达132dB，仪器分辨率为23位，PROTEM 瞬变电磁仪可以同时观测瞬变电磁场的三分量信号，而不是仅仅观测垂直分量信号 当地下为非均匀水平层状构造时瞬变场中便会产生x,y水平分量它们包含着地下构造的更多信息，例如构造走向、倾向、倾角等等。 所 以三分量观测有助于全面了解地下构造情况也为日后实现多维反演创造条件。PROTEM 瞬变电磁仪适合十多种野外观测装置例如同点装置、偶极装置、大定同线源装置和井中装置，不同装置适台于不同勘探目的和深度，均可在现场实时显示瞬变曲线。三、高密度电法仪高密度电法勘探是近些年来发展起来的一种应用地球物理方法，2O世纪70年代末期，有人提出阵列电探的模式。高密度电法勘探就是在常规电法勘探基础上借助阵列思想发展起来的一种勘探方式，是集测深和剖面法于一体的多装置、多极距的组合方法，具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求比值参数而能突出异常信息的特点；且采集效率大大提高，信息量更为丰富。80年代中期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度的电法资料采集以来，随着现代物理学、电子学、计算机和信号处理技术的突飞猛进的发展，高密度电法勘探无论在仪器研制，或是数据采集、处理技术与反演、解释方法的研究，都融合了当代先进的科学理论和高新技术。电法勘探仪器都小型化、轻便化、自动化、智能化和高效化发展。目前，国内外多个厂家推出了不同性能和特色的高密度电法仪器。分析目前最为常用的最新高密度电法仪器的采集基本方法。同时，通过借鉴其他地球物理仪器采集方法，并结合电子和计算机信息技术的发展和电法勘探的自身特点，对高密度采集方法进行了瞻望。1.3.2 高密度电法仪基本原理高密度电法测量系统包括数据采集和资料处理两大部分。最新推出的高密度电法仪大多具有现场资料预处理或处理功能，高密度电法勘探实质仍然是电法勘探，是以研究对象与围岩存在的电性差异为物性基础和前提条件。传统的电法勘探是在直流电法勘探的基础上发展起来的，其仪器结构一般是普通电测仪+电极转换开关组成。直流电法勘探仪器(电测仪)是用于观测测量电极M，N间电位差U 和供电电极A，B回路中电流强度IAB两个参数的专门仪器(如图1)。根据供电电极A、B和测量电极M、N四个电极的不同排列方式和极距大小，分为多种测量排列装置(如对称四极对称四极a、偶极一偶极J3、单极一偶极、单极一单极7及其这些方式的各种演变)，阵列思想就是在勘探测量时同时把全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用转换开关并按设定好的模式对接地电极切换到普通电测仪的供电A、B和测量M、N的任何一端。高密度电法勘探实质是对传统的常规电法仪野外采集的改进，是一个多电极测量系统，其结构一般由电极+连接导线或多芯电缆+电极转换开关+工程电测仪(常规电法仪)。可以看出：要实现常规电法勘探仪器到高密度电法仪器的改进，其关键就是如何实现测量主机与众多电极之间的连接，通过电极转换大大提高了常规电法仪的野外采集效率。如：一系列的接地电极同时接入大地，某一测点的接地电极通过转换开关切换为供电电源的A，同时另一测点切换为供电电源B，按照不同的测量装置的要求，另外相应的电极通过电极转换开关转换为测量电极MN。这样，按预设置的模式进行转换，实现高密度电法采集，如图2所示。1.3.3 高密度电法仪特点相对与常规电法仪器，高密度电法勘探具有以下优点：(1)电极布设一次完成，降低了野外工作强度，减少了因电极设置而引起的故障和干扰，为野外数据的快速和自动测量奠定了基础；(2)能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较为丰富的地电断面结构特征的地质信息；(3)数据采集实现了自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作所出现的失误；可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，甚至可以实时自动绘制和打印各种成果图件；(4)与传统的电阻率法比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便，勘探能力显著提高。显然，高密度电阻率勘探技术的运用与发展，使电法勘探的智能化程度大大向前迈进了一步。从以上仪器的采集原理分析可知，传统的高密度电法采集仪器除了常规的电法测量仪外，另一核心功能就是电极转换。早期高密度仪器的发展，就是不同厂家推出的各式各样的电极转换开关的发展。电极转换开关方面主要分为3类：机械式电极转换、电子式电极转换及分布式智能电极。其中机械式电极转换开关见于早期的高密度电法仪，并由人工手工电极转换，之后发展为由微机控制的步进电机的电极转换而实现野外数据的自动采集；后期随着电子技术的发展，实现了电子电极转换；有部分厂家把电极转换部分分布在各个电极，甚至把信号转换部分(AD转换部分)分布在各个电极。后两类电极转换开关仍在广泛使用，且不同厂家推出的电法仪及其转换开关种类繁多、性能各异、各有千秋。在集中式的仪器中，每个电极都分别用一条电缆与主机的电极转换箱相连#这样做不仅使得仪器的电极转换部分体积庞大，而且野外施工时所铺的电缆数量极多，使工作效率和可靠性下降，为此采用分布式电极转换装置，其基本思路是在每个电极上放置一个转换装置，所有电极通过一条8芯电缆（VCC、GND、A、B、M、N、TXD、RXD）与电阻率仪相连。其中分布式智能电极是近些年来推出的新型高密度电法勘探仪器，正在不断发展和改进之中。结合收集的资料，对国内外仪器的采集方法分析如下：(1)国外主要仪器分析国外生产高密度电法仪的主要有日本的OYO公司、瑞典的ABEM公司、法国的IRIS公司、美国的AGI公司和ZONGE公司、德国的DMT公司等。国外大多数传统式高密度电法仪结构(图12所示)。其中ZONGE公司推出的GDP-32仪器可以进行多种方式的野外测量(Resistivity，TDFD-IP，CR，CSAMT等)，其高密度电法采集功能可达16通道同时测量，GDP-32是将电测量主机与转换开关组合为一个箱体。2002年12月份，美国的AGI公司出品一款新仪器将电极与转换开关结合在一起，即把转换开关分布在各个电极，实现分布式高密度电法测量。由于分布式高密度电法测量是未来发展的主流，功能最突出的应属德国DMT公司研制生产的RESECS高密度电法仪。RESECS仪是将开关单元分布在各个电极(解码器)，其主机有一个电流测量通道和能够扩展为6个电位测量的通道。在工作时，主机发送命令(编码)给各个解码器，由解码器根据编码命令把任何一对接地电极切换为供电电极，而把最高可达6对其他接地电极切换为电位测量通道，并实现实时采集。在单道和多道工作情况下均可最高控制960个电极。在国内有利用RESECS仪地面高密度电法测量和井间电法测量的实例，应用效果明显，可接入最高外部转换电源为440V，AD转换精度为16位。国内自引进高密度电法以来，有不少单位投入了该方法的理论、方法技术和仪器准备的研制。1994年地学仪器杂志上发表文章，报道了原地质矿产部机电研究所研制的GHI高密度电法仪，其结构将机械电极转换开关改进成由单片机控制的电子开关。国内重庆地质仪器厂和重庆奔腾数控研究所等厂家生产的高密度电法仪就是引用该技术。其中武汉地大高科资源探测研究所推出的CUGBGM-密度电法仪采用了8通道采集技术。西安澳立华公司推出的flashRes64高密度直流电法仪可高达61通道同时采集数据，野外采集效率大大提高。从结构分析，国内生成的高密度电法仪属于电测主机和多级转换开关集中组合式的集中式采集系统。一些分布式高密度电法测量仪思想仅见诸一些学术期刊等论文中，鲜见实际应用。从资料分析，大多数厂家采用嵌入式微处理器(MCU)作处理器和采集电路模块作为电法仪器的主机系统，个别厂家采用PC工控机集成采集板构成电测主机。多路转换开关亦采用微处理器(MCU)控制。从结构分析，大多数属于集中式，即由测量主机和电极转换集中(如图2所示)。电极与电缆一一对应，需要多芯电缆(一般达30芯以上)与转换开关相连。部分厂家推出的分布式高密度电法仪器把电极转换开关分布在各个电极上(如RESECS仪器的解码器)，电缆数目大大的减少(如图3所示)。大多厂家推出的仪器都能自动对自然电位(SP)、漂移即电极极化进行自动补偿；采用滤波和信号增强技术提高抗干扰能力等。但鲜见有哪家仪器具有性能自检功能(如串音干扰、共模抑制、一致性等检测)。特别指出的是：对于直流电法测量中存在的供电后极化长时间的不稳，有的厂家推开的仪器除了可直流供电外，也可采用正弦或方波激电供电，从而消除或减少极化对测量精度的影响。不言而喻，高密度电法勘探发展至今，也不过二十多年。其中仪器的发展总是融合了其他学科和技术(如电子学、计算机、信息技术、机械制造等)的发展。然而，随着我国大规模的经济建设，资源勘查、环境检测和工程地质和质量检测为地球物理勘探提出了新的挑战，也提供了广阔的扩展空间和发展机遇。地球物理新方法的改进离不开仪器设计的创新发展。汲取当代其他学科的最新成果，借鉴其他先进仪器的设计思想。高密度电法仪器仍具有广阔的发展空间。瞻望未来，高密度电法可以从以下几个方面取得发展和改进：(1)二维测量的数据采集中，将可以进行直流电阻率和时间域激发极化法测量。该方法在传统的高密度电法仪中难以实现，其中难点是：传统的高密度采集对时间的精确测量和控制。(2)多通道、大数据量采集将会在野外数据采集中占主导地位。传统的数据采集一般采用四极或三极数据采集(无论对称四级、偶一偶极、单极一偶极方式)，新型的高密度电法仪将能够同时采集多种观测装置的数据。国外GDP-32高密度电法仪器可16通道同时采集，德国DMT的RESECS高密度电法仪器可以6道同时采集，国内已有厂家推出了能够61通道同时采集的高密度直流电法仪器。(3)多通道和大数据量的采集将在三维高密度电法测量中有所应用。由于其测量时间和反演运算时间长等原因，三维高密度电法目前仅限于研究和实验阶段。随着仪器水平的提高，软件水平的进步，三维高密度电法将会得到广泛的应用。特别指出：地球物理方法中的地震采集取得了惊人进步，地震采集已经实现野外成千上万道数据采集，并能够对时间进行精确控制。其发展融合了最新的其他学科的发展。受采集方法和采集道控制技术以及通讯方法等启发，结合电法勘探的特点设计的新型分布式高密度电法仪器将是未来发展的主要思路。将电极转换和信号转换(AD转换)分布在各个电极，连接电缆将主要由通讯电缆和供电电源组成，由微机(PC机)作为中央控制系统新型高密度电法仪正在研制之中，不久的将来，以上的3种方法的发展和改进设想能够取得突破，实现高密度电法采集的又一次革新，为软件开发方面的发展特别是三维立体成像(包括电阻率和激发极化法等)软件开发及其应用提供可靠的装备保证。相对于其他地球物理方法，高密度电法发展历史仍然比较短，除了在采集方法上需要借鉴其他学科的最近发展和其他物理方法的最新发展之外，随之配套的是其正演和反演的研究及其软件开发。此外，由于勘探仪器大多在野外作业，环境恶劣，需要多次搬迁，难免风吹雨淋磕碰，在研制过程中，除了基本功能的实现以外，防震、防雨等制造工艺也需要重点考虑，这也正是一些厂商和科研机构推出的仪器性能不够稳定，难以胜任野外工作，造成了市场推广的失败的原因。 1.4、核辐射仪器测量地质体中天然放射性元素发出的，或通过人工激发由非放射性元素发出的射线的核探测仪器。在放射性勘探中,用于放射性矿床和某些非放射性矿床的勘查,以及解决某些地学问题。 1.4.1基本原理及探测器探测的基本原理是粒子或射线通过构成探测器的物质时，直接或经次级效应产生的电离、激发效应使其能量转换为可观测的物理量信号，用电子线路或特定的设备处理这些信号，以便测定。核法勘探仪器的种类繁多，性能、功能各异，然而它们通常都是由探测器、信号处理、分析、显示、输出等部件构成，其中最重要的、决定仪器基本性能的是探测器，常用的有以下几类。 气体探测器包括电离室、正比计数器、盖革-弥勒计数器（G- M计数器）等。大多是由圆柱状阴极和中央丝状阳极构成，其间为气体介质，并加有稳定电压，形成电场。带电粒子 、可直接使气体电离;X、射线通过与阴极等物质的次级效应产生的高能电子使气体电离,n与所充的三氟化硼(BF3)、氦(3He)、氢(H)等气体的核反应产生带电粒子，使气体电离。电离形成的电子和正离子在电场中漂移。在阳极上产生感应电荷，从而把射线能转换为平均电流或脉冲信号输出。 正比计数器电极间电场强度大，电子在其漂移的路径中可引起次级电离，阳极上感应的电荷量比初始电离电荷量大，形成“气体放大”现象。对确定的电场强度，其放大倍数基本为定值。输出的脉冲信号幅度与入射射线的能量成正比。 G-M计数器电极间电场强度更大,次级电离形成雪崩现象，大量正离子产生了空间电荷效应，减弱了电场强度，使阳极上的感应电荷量基本饱和，其输出脉冲信号幅度大，但与入射射线能量无关。 闪烁探测器由闪烁体和光电倍增管构成。可做为闪烁体的已知物质有固体、液体、气体，以及有机物、无机物等多种多类，其中广为应用的是无机透明固体碘化钠（铊）NaI(Tl)闪烁体，常用于 射线探测器。闪烁体吸收射线后的次级效应产生的电子使闪烁体受激发射光子，光子通过光电倍增管转换为电子，并倍增约105108倍，被阳极收集,输出脉冲信号。其幅度与被吸收的射线能量成正比，单位时间的脉冲计数与入射射线强度相关。 锗酸铋（Bi4Ge3O12）闪烁体对 射线的吸收能力是NaI(Tl)的2.3倍,高能响应好,可用于高能探测器。然而其发光温度系数较大，对野外现场能谱测量不利。硫化锌（银）ZnS(Ag)闪烁体常用于 粒子探测器。 半导体探测器半导体探测器与电离室相似，不同的是半导体中不是空气介质,而是其P-N结区(耗尽区)或补偿区的高电阻率固体介质。常用的有金硅面叠型、硅(锂)Si(Li)、锗(锂)Ge(Li)、高纯锗(HpGe)等，后3种对X、射线有极好的能量分辨率，是能谱测量的最佳探测器，但需在低温下工作，限制了其在野外现场的应用。化合物半导体碲化镉(CdTe)、碘化汞(HgI2)在高温下也具有良好的能量分辨率，然而其晶体生长困难，尺寸大小约 2立方厘米。但随着材料科学的进展仍不失为有前景的一类探测器。固体径迹探测器 粒子可使具有很低阈值的硝酸纤维绝缘片产生辐射损伤，损伤面只能在数万倍电子显微镜下观察到。通常对有辐射损伤的绝缘片进行强酸或强碱的化学蚀刻，形成直径约200纳米的蚀坑,用数十倍的光学显微镜观测蚀坑数量。这种探测观测方法常用来测量氡浓度。1.4.2 分立元件及小规模集成电路辐射仪我国70年代开始进行野外伽玛射线能谱测量技术及应用研究。上海电子仪器厂研制出FD-71 数字伽玛辐射仪，FD-31型的2道能谱仪。80年代，我国先后推出FD-3003，FD-840，FD-3022等多种型号的四道伽玛能谱仪，通过模拟电路或数字电路运算，给出铀、钍、锂的含量值，后期生产的仪器带有单片微机，可以将测量数据记录下来。仪器通过Cs-137或Ba-133放射性核素源进行自动硬件稳谱。1989年，贾文懿等人研究成功CD-3微机化四道地面伽玛能谱仪，它采用袖珍式计算机为核心进行数据采集和现场数据处理，而且可以逐道自动进行256道伽玛射线能谱测量和数据存储工作，能在现场直接获得伽玛射线全谱数据。90年代初，贾文懿等人又研究成功地面放射性测量工作站，把伽玛射线能谱测量的数据处理工作引上新的台阶，使得过去需要数月甚至数年进行整理成图的资料，可以在数天的时间内完成大量的数据处理