激电绝对相位测量及时频激电多参数同时测量的技术方案

摘要

“激电绝对相位测量及时频激电多参数同时测量的技术方案”属国土资源科学方法技术开发与应用研究领域，具体地说，属地质勘查物探应用技术开发领域。所要解决的技术问题是激发极化法测量绝对相位及一次供电同时测量时间域和频率域激电多参数的方案，即：用时间域的方法同步记录供电电极发送的方波在测量电极间形成的电位差→通过计算求出基波的实部与虚部→进而求出激发极化的绝对相位，并实现一次供电时频激电多参数同时测量，方案还论述了压制干扰的措施和效果。应用该方案必将大大降低研制激发极化法仪器的难度，该仪器将以其多频、多参数、低成本的特点，在激发极化理论和应用领域发挥独特的作用。

说明书

一、技术领域

本发明《即“激电绝对相位测量及时频激电多参数同时测量的技术方案”》属国土资源科学方法技术开发与应用研究领域。具体地说，属地质勘查物探应用技术开发领域。

二、背景技术

“激电绝对相位测量及时频激电多参数同时测量的技术方案”是我们独立研究成功的，在国内外具有自主知识产权。

(一)国内现状

迄今为止，国内大多为时间域激电仪器。而频率域仅有分别测量两个频率的电位差通过计算得到视频散率的仪器，如原青海物探队的变频仪(1974年)、中南工大的双频仪(1977年)、成都地院的幅频仪(2000年)，此外中南工大研制了三频激电仪，是测量相对相位的，且未投产。目前，国内没有测量绝对相位的仪器，更没有时频激电多参数同时测量的仪器。

(二)国外现状

国外具有代表性的仪器有：加拿大凤凰公司的V-6和美国钟氏公司的GDP-32等，它们大多为多功能电法仪。就其激电功能而言，测量频率域和时间域激电参数是作为两种方法分开独立进行的。不仅仪器测量绝对相位的技术方案与我们不同，而且不能时频激电多参数同时测量。

(三)查新结论

我们委托了“国土资源部物化探查新咨询中心”，对使用本发明而实现的“频率域激发极化普查型幅相仪研制及应用研究”进行了科技查新，结论是：

“FX-1型幅相仪及其相应的勘查方法技术具有理论和实用意义的如下特点，在迄今检索到的文献中未见报导：

一次观测给定频率的电位差曲线数据，可同时获得频率域的视电阻率和视相位，以及时间域的视极化率、视充电率和衰减曲线等多种激电参数；

实时显示电位差曲线，即时判断数据质量；”。

三、发明内容

(一)所要解决的技术问题

1.激电绝对相位测量

当向地下供以不同频率的电流时，由矿体产生的激发极化效应，将导致测量电极间的电位差滞后于供电电流于是，视复电阻率可表示为

$>>>>\rho >~>>s>>>(>f>)>>=>K>>>\Delta >>U>~>>>(>f>)>>>>>I>~>>>(>f>)>>>>=>>U>>\rho >s>>>>(>f>)>>+>i>>V>>\rho >s>>>>(>f>)>>->->->>(>3>->1>->1>)>>>s>$

其幅值或模为

$>>|>>>\rho >~>>s>>>(>f>)>>|>=>>>U>>\rho >s>>>>>(>f>)>>2>>+>>V>>\rho >s>>>>>(>f>)>>2>\; >->->->>(>3>->1>->2>)>>>s>$

其视相位角为

式中    K-装置系数(实数)。

测量此激电绝对相位(视相位角)和视电阻率(视复电阻率的模)是本发明首先要解决的技术问题。

2.时频激电多参数同时测量

在测量激电绝对相位和视电阻率的同时，求取时间域的激电参数：视极化率、视充电率和衰减曲线等。达到一次供电同时测得频率域和时间域多种激电参数的目的，这是本发明要解决的另一个技术问题。

(二)技术方案

1.激电绝对相位测量

激电绝对相位测量技术方案是指在保证供电与测量同步的条件下，由发送机通过供电电极AB向地下供出一定频率的连续矩形波，波形如图1：

接收机通过测量电极MN用时间域的方法记录并显示给定频率下的电位差，波形如图2：

通过富里哀分析求取基波的实部和虚部，进而计算出视复电阻率的幅值(模)和绝对相位。具体计算公式是：

实部： $>>Re\Delta V>=>>2>T>sup>>\int >0>Tsup>>\Delta V>>(>t>)>>sin>2>\pi >>t>T>>dt>->->->>(>3>->2>->1>)>>>s>$

虚部： $>>Im\Delta V>=>>2>T>sup>>\int >0>Tsup>>\Delta V>>(>t>)>>cos>2>\pi >>t>T>>dt>->->->>(>3>->2>->2>)>>>s>$

幅值(模)： $>>|>\Delta V>|>=>>Re>>\Delta V>2>>+>Im>>\Delta V>2>\; >\approx >Re\Delta V>->->->>(>3>->2>->3>)>>>s>$

于是

视电阻率(模)为

$>>|>>>\rho >~>>s>>|>=>K>>>|>\Delta V>|>>I>>>(>\Omega m>)>>->->->>(>3>->2>->4>)>>>s>$

视(绝对)相位为

这样，就完成了激电绝对相位测量。

2.时频激电多参数同时测量

在测量视电阻率和视相位的同时，根据在线性范围内激发极化效应的充电过程和放电过程是等效的这一原理，利用一次供电测得的给定频率(频率≤0.25Hz时)的电位差曲线(相当于时间域的正反向充电曲线，在时间域，一般供电单向脉冲宽度2S～8S)，可计算出时间域激电参数视极化率、视充电率和衰减曲线等，公式如下：

(1)视极化率

$>>>\eta >s>>=>>(>t>)>>=>>>\Delta >>V>2>>>(>t>)>>>>\Delta >>V>>1>+>2>>>>>\times >100>>(>\%>)>>->->->>(>3>->2>->6>)>>>s>$

其中η_s(t)、ΔV₂(t)分别为t时刻的极化率和二次场值，ΔV₁₊₂为总场值。

(2)视充电率

$>>>M>s>>>(>t>)>>=>>sup>>\int >>->\Delta t>>>t>+>\Delta t>sup>>>\Delta V>2>>>(>t>)>>dt>>>\Delta V>>1>+>2>>>>>(>ms>)>>->->->>(>3>->2>->7>)>>>s>$

其中：M_s(t)为t时刻的视充电率值，Δt为积分半区间。

(3)衰减曲线

取不同时刻的视充电率或视极化率即可描绘衰减曲线。

频率域参数：

(4)视电阻率：如公式(3-2-4)。

(5)视(绝对)相位：如公式(3-2-5)。

这就是一次观测实现时频激电多参数同时测量的技术方案。

如果两次(或一次)供电，测两个频率，还可求得：

(6)视幅散率

观测两个频率的电位差幅值，视幅散率可由下式计算：

$>>>F>s>>=>>>|>\Delta >>V>>f>1>>>|>->|>\Delta >>V>>f>2>>>|>>>|>\Delta >>V>>f>2>>>|>>>\times >100>->->->>(>3>->2>->8>)>>>s>$

式中F_s为视幅散率；|ΔV_f1|、|ΔV_f2|分别为低频、高频电位差幅值。

(7)视相散率

观测两个频率的视相位，视相散率可由下式计算：

式中X_s为视相散率；φ_g、φ_d分别为高频、低频的视相位。

这样，就实现了激电全参数测量。

3.关于压制干扰问题

在微弱信号测量中常用到相关函数分析法。所谓相关函数分为互相关函数和自相关函数，互相关函数可表示为：

$>>>R>xx>>>(>\tau >)>>=>>lim>>T>\to >\infty >\; >>1>>2>T>>sup>>\int >>->T>>Tsup>>x>>(>t>)>>y>>(>t>+>\tau >)>>dt>->->->>(>3>->2>->10>)>>>s>$

自相关函数可表示为：

$>>>R>xx>>>(>\tau >)>>=>>lim>>T>\to >\infty >\; >>1>>2>T>>sup>>\int >>->T>>Tsup>>x>>(>t>)>>x>>(>t>+>\tau >)>>dt>->->->>(>3>->2>->11>)>>>s>$

将(3-2-10)和(3-2-11)二公式与(3-2-1)和(3-2-2)相比较，我们发现：它们形式相同，只是差一常数“τ”。只要实现了同步，就可使得τ＝0，这样一来，它们的形式就完全相同了。所以说，我们提出的谐波分析法就是一种相关函数测量。

在理想情况下，只需一个周期信号，用公式(3-2-1)、(3-2-2)和(3-2-5)就可求出精度满意的绝对相位值。

但在野外通常都有较强的干扰，可采用多周期叠加的办法来提高信噪比。我们把这种做法叫做“同步多周期叠加法”。在微弱信号测量中，“同步多周期叠加法”就是具有最大信噪比的匹配滤波器，传输特性表明其具有较强的压制干扰能力。

在这里，我们略去烦琐的数学推导，只给出“同步多周期叠加法”的传输特性曲线。沿用以传输特性表述排除干扰能力的办法，我们计算了噪声信号与被测信号相位相同时的传输特性，如图3。

当噪声信号与被测信号间存在相位差时，因传输特性随相位而变，我们取不同相位最大值的绝对值作估计，结果如图4

从图中可以看出，同步多周期叠加法的滤波效果是很好的：叠加次数越多其通频带越窄，尤其是高频端，随着叠加次数的增加，衰减非常迅速；低频段略差一些。

我们还可归纳出一个明显特点，就是不管信号的相位如何变化，只要信号频率为工作频率的如下倍数：

$>>f>>>/>f>>>0>i>>>=>i>+>>1>n>>+>>2>n>>+>\Lambda >+>>>n>->1>>n>>->->->i>=>0,1,2>,>\Lambda >->->->>(>3>->2>->8>)>>>s>$

就都被衰减为0。就是说，当叠加观测时间为被测信号周期的整倍数时，被测信号被消除掉，只有工作频率信号被保留下来。可见，只要迭加观测时间≥0.5秒，50Hz工频干扰就能很好地去除。

应该指出，传输特性图4是最大估计，实际上，工作频率以外频率的实际衰减会比估计的数据更强烈一些，压制干扰的效果会更好。

(三)有益效果

1.本发明的优点

(1)激电“绝对相位”就是测量电极间的电位差滞后于供电电流的相位差，它是激发极化效应的“纯异常”，因此，只要观测到一个适当频率的视相位角，就可描绘大地的极化效应；

(2)按照本方案，只要用时间域的方法同步记录测量电极间的电位差，就可求得绝对相位，避开了难度较大的直接测量相位的问题，大大降低了研制仪器的难度；

(3)只需一次测量、一个频率，即可得到频率域的视电阻率和视绝对相位，时间域的视极化率、视充电率和衰减曲线。不仅有利于理论研究和正反演计算，也使野外工作效率大大提高，并能根据任务目标和测量结果灵活选择参数，从而取得最佳地质效果；

(4)绝对相位的计算过程及“同步多周期叠加法”具有较强的压制干扰的能力，有利于提高测量精度；

(5)不同岩矿石，其相频特性曲线的极大值对应着不同的“峰值频率”，同时，具有不同的视幅散率，可以为区分异常性质提供新的参数；

(6)由于测量的是视复电阻率幅值和相位，当频率较多时，还可进行复电阻率法(CR)和谱激电法(SIP)测量，而目前常用的测量频散率和相对相位的方法是不能做到这一点的；

(7)本方案中，时域激电参数的测量时间大大提前，激电特性将更加突出，有利于衰减特性的研究，预期在以研究衰减特性为基础的找水等工作中会有更好的效果。

2.本发明的前景

(1)由于避开了直接测量相位的困难，利用本发明的技术方案有把握研制出幅相仪，它将是国内首台测量激发极化效应绝对相位的激电仪，也将是国际上首台一次观测同时获得“双域”多参数的激电仪；

(2)结合70年代研制轻便变频仪的经验，能研制出普查型激电仪，它将改变地面电法不能搞普查的历史。可以期待，通过1/5万以小比例尺的相位激电普查的推广应用，一定能够迅速找到、特别是在复盖区发现一批铜、多金属、硫化物型和斑岩型各类矿床，为资源开发和地质大调查做出应有的贡献；

(3)“双域”多参数激电仪的研制成功，将以其多频、多参数的特点使得原本难以研究的问题得以实施，促进理论研究的深入，同时，为利用激电参数本身研究区分矿与非矿异常提供了可能性，还可用于寻找地下水、石油和天然气等矿藏；

(4)仪器以其优良性能及价格优势必将为更多的生产单位所拥有，从而为西部找矿和解决危机矿山周围及其深部找矿问题等提供新的方法技术手段。

四、附图说明

图1：发送机通过供电电极AB向地下供出的一定频率的连续矩形波的波形；

图2：接收机通过测量电极MN用时间域的方法记录并显示给定频率下的电位差波形；

图3：噪声信号与被测信号相位相同时的传输特性；

图4：噪声信号与被测信号间存在相位差时，传输特性最大值的绝对值估计；

图5：发送机发送波形图；

图6：脉冲调宽式稳流(PWM)电路；

图7：发送机原理框图；

图8：接收机原理框图。

五、具体实施方式

欲使本发明的技术方案得以实现，必须有一个载体，比较现实的就是研制激电幅相仪。我们已经研制成功的普查型FX-1幅相仪就是一个很好的范例。下面主要介绍FX-1幅相仪发送机、接收机和同步三个方面内容。

(一)发送机

1.可以发送多频(128Hz-128s，以2ⁿ幂递减，n＝7--7取整数，可有15个频率)、频率稳定性好的连续矩形波(见图5)；

2.该矩形波电流必须是稳定的，如负载或电压变化10％，其电流变化应小于0.5％，为此要设计稳流电路，如脉冲调宽式稳流(PWM)电路，见图6。

3.发送机的功率要足够大，不能小于400瓦，同时要求体积小、重量轻，适于普查；

4.发送机原理框图，见图7

(二)接收机

1.接收机的短路噪声要尽量小，一般应不大于0.5μv(微伏)；

2.内有嵌入式PC104微机，可以实现大量数据的存储、传输、多次叠加和实时处理；还有24位A/D，用来进行模数转换和数字滤波；

3.接收机的荧光屏要实时显示测量电位差曲线和主要参数值；

4.接收机原理框图，见图8

(三)同步方法

保证供电和测量同步的方法有三：

1.线同步：用导线将发送机和接收机连接起来，以达到同时发收的目的，方法简单，适于在室内工作，但因有导线，移动不方便；

2.石英钟晶体同步：由于对石英晶体温度稳定性要求高，须采取恒温措施，一般较笨重，仪器不易做得轻便；

3.GPS同步：轻便、授时精度高，一般时间精度达□400ns，可满足相位测量的要求。缺点是受遮盖的影响，如在森林覆盖区、坑道和室内因接收不到卫星信号而不能工作。