专利名称：具有正交天线的智能甚低频电磁仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电磁感应信号的测量仪器，尤其涉及一种测量甚低频电台发射的电磁波引起的电磁感应信号差异的数字式甚低频电磁仪，其具有正交天线。
背景技术：
位于地表的垂直电偶极子所产生的磁分量只有水平分量，如果在远区并考虑有限区域内的场，一次场通常接近于沿地表近乎成切线方向入射的横向磁场平面波。地下局部电性有差异的地质体或分界面，在水平一次场的作用下就会感应出二次场，则必然出现垂直分量，一次场与二次场频率相同，但相位和振幅不一致，它们的相互作用形成合成场，合成场在空间上椭圆极化(合成场的轨迹为椭圆)，其极化椭圆倾角D (椭圆短轴与垂直轴的夹角)的正切值与二次场垂直分量成正比，因此，测量极化椭圆倾角的变化，实际上就能反映出感应二次场垂直分量的变化。甚低频电磁仪正是通过测量甚低频电台发射的电磁波(15-25KHZ波段的无线电波)在地表、空中或地下探测场引起的电磁感应信号差异，从而获得测量区地质体的电性特征，进而判断地质体的电性异常或地下构造的异常信息。目前，甚低频电磁仪已成为地下水探测、矿床勘探和地质填图中重要的测量工具，尤其是在探测浅层隐伏金属矿化低阻带、 构造破碎带及含水断裂裂隙带等方面有非常大的作用。目前国内甚低频电磁测量设备采用单天线结构原理设计，这种设计使得在数据采集过程中，操作人员需要在找到水平测量分量最强信号后，保持测量位置不动，将仪器用双手托起，并保持仪器与地面垂直，然后以手腕为轴，转动仪器寻找垂直分量的最大值，然后记录该点的磁倾角。这种测量方式，一次测量结果需要分二步完成，不仅增加操作人员的工作强度，而且为保证测量精度，减少误差，要求一条测线尽可能一个人操作完成。此外该设备在测量过程中需要先由测量人员根据测量要求在测区内定好测线和测点，并在测点做好标记，然后甚低频操作人员再根据测量标记开始测量，这种方式不仅浪费时间和人力资源， 另一方在近距离测量中容易出错。同时，将测量结果投影到地图上也往往需要附加的GPS 测量数据。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有甚低频电磁仪单天线操作需分步进行且不能自动定位的缺陷，提供一种新型的数字式甚低频电磁仪，可以一次测量电磁感应信号水平分量和垂直分量，同时也自动测定方向和位置。具有正交天线的数字式甚低频电磁仪包括电磁感应信号接收单元、信号处理单元、输出单元、GPS定向单元和电子定向单元，GPS定向单元、电子定向单元和电磁感应信号接收单元连接信号处理单元，分别将GPS信号、方向信号和电磁感应信号传输给信号处理单元，信号处理单元连接输出单元并传输数据给输出单元；电磁感应信号接收单元包括正交接收天线和甚低频波段接收模块，正交接收天线感应电磁信号并将信号传输给甚低频波段接收模块，甚低频波段接收模块输出电磁信号的振幅值给信号处理单元，信号处理单元处理信号并发送数据给输出单元输出。所述电磁感应信号接收单元还包括用于稳定电磁信号频率的锁相环电路，锁相环电路与甚低频波段接收模块连接。所述电磁感应信号接收单元还包括用于测量磁倾角的倾角测量模块，倾角测量模块传输测量数据给信号处理单元。所述甚低频波段接收模块包括一滤波器、一混频器、DDS频率发生模块、AGC自动增益控制电路、中频放大电路、检波电路和滤波电路，用于电磁感应信号滤波的滤波器的输入端与接收天线的输出端连接，输出端连接混频器；DDS频率发生模块输出端与混频器连接；将滤波器输入的电磁感应信号与DDS频率发生模块产生的信号组成调谐信号的混频器的输出端连接用于中频信号放大的中频放大电路，中频放大电路与检波电路和滤波电路依次连接，滤波电路输出电磁感应信号的振幅值；AGC自动增益控制电路的输入端与检波电路的输出端连接，输出端与中频放大电路连接。接收天线接收到的电磁感应信号经滤波器过滤后输入混频器中，与DDS频率发生模块产生的电磁信号组成调谐信号，输入到中频放大电路进行中频信号放大，放大的中频信号经检波电路和滤波电路后转换为所选频率电磁感应信号的振幅值输出，AGC自动增益控制电路输入端接中频放大电路，输出端接滤波电路的输入端。接收天线端带滤波器，起到消除天线杂波干扰并预选长波频率。而混频器将滤波后信号与DDS频率发生模块产生的信号组成谐振信号，以选择不同频率的电台信号。然后调谐信号通过AGC自动增益控制电路解决固定中频信号放大倍数对小信号的放大不够， 对大信号的过饱和失真问题，达到保证中频信号不随电台信号强弱而变化，促使信号趋于稳定作用。最后信号通过检波电路和滤波电路输出电磁感应信号的振幅值。所述正交接收天线包括两互相垂直交叉的磁棒天线。所述磁棒天线为接收15-25KHZ波段的磁棒天线。所述信号处理单元包括用于数据处理和控制的主控制模块和用于数据存储的内部存储器，内部存储器与主控制模块连接。所述信号处理单元还包括用于连接外部存储器的外部扩展存储器接口部件，外部扩展存储器接口部件与主控制模块连接。所述输出单元包括显示组件和主机通讯接口，显示组件与主机通讯接口分别与主控制模块连接。显示组件显示数据，主机通讯接口实现与上位机通讯。所述GPS定向单元是D-GPS全球定位接收机。电子定向单元为电子定向罗盘。本实用新型的有益效果1、采用正交接收天线可在一个测量点上同时获得水平和垂直方向电磁信号，减少了人为操作产生的误差，也减少了测量人员的工作强度。2、采用GPS定向单元获取测点的定位信息，电子定向罗盘获取测线的方向，两者共同完成侧线和测点的确定，减少了人为误差。3、采用接收天线和甚低频波段接收模块，检测到的电磁感应信号杂波干扰小，通过信号处理单元和输出单元可以直接显示、读取和存储数据，减少了人工记录带来的错误， 也降低了人员劳动。[0021]4、甚低频波段接收模块中的各单元使检测信号稳定可靠，干扰小，检测数据准确。

图1是本实用新型的功能结构示意图；图2是本实用新型实施例的甚低频电磁仪的结构示意图；图3是图2中甚低频波段接收模块的结构示意图；图4是本实用新型实施例中接收天线结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的数字式甚低频电磁仪进行详细描述。具有正交天线的数字式自动定位甚低频电磁仪一般包括电磁感应信号接收单元 10、GPS定向单元40、电子定向单元50、信号处理单元20和输出单元30，电磁感应信号接收单元10、信号处理单元20和输出单元30依次连接。GPS定向单元、电子定向单元和电磁感应信号接收单元连接信号处理单元，分别将GPS信号、方向信号和电磁感应信号传输给信号处理单元，如图1所示。GPS定向单元40是D-GPS全球定位接收机。电子定向单元50为电子定向罗盘而电磁感应信号接收单元10包括正交接收天线1和两甚低频波段接收模块2，正交接收天线1将垂直电磁分量信号和水平电磁分量信号分别传输给两甚低频波段接收模块2，甚低频波段接收模块2输出电磁感应信号的振幅值给信号处理单元20。如图2所示。电磁感应信号单元还包括锁相环电路3和倾角测量模块4，锁相环电路3用于稳定甚低频波段接收模块2从接收天线获得的电磁感应信号的频率，与甚低频波段接收模块2 连接。同时锁相环电路3与主控制模块201连接，接受主控制模块201的控制。倾角测量模块4与主控制模块连接201，测量磁倾角数据并将测量数据传输给信号处理单元20的主控制模块201。参见图3，甚低频波段接收模块2包括一滤波器、一混频器、DDS频率发生模块、AGC 自动增益控制电路、中频放大电路、检波电路和滤波电路，接收天线接收到的电磁感应信号经滤波器过滤后通过输入回路输入混频器中，与DDS频率发生模块产生的电磁信号一起组成调谐信号，输入到中频放大电路进行中频信号放大，放大的中频信号经检波电路检波，后再经滤波电路滤波后输出所选频率电磁感应信号振幅值。而AGC自动增益控制电路输入端接检波电路输出端，输出端接中频放大电路。AGC自动增益控制电路保证中频信号不随电台信号强弱而变化，促使信号趋于稳定。 参见图2，信号处理单元20包括主控制模块201，内部存储器202，外部扩展存储器接口部件203，内部存储器202和外部扩展存储器接口部件分别与主控制模块201连接，主控制模块201进行数据处理和控制；内部存储器202存储数据；外部扩展存储接口 203连接外部存储器。用于扩展数据存储。信号处理单元20还可以包括一键盘组件204，键盘组件 204负责人机交互控制信号的输入。如图2所示。主控制模块201可以是单片机。 输出单元30包括显示组件301和主机通讯接口 302，显示组件301与主机通讯接口 302分别与主控制模块201连接。显示组件301显示数据，主机通讯接口 302实现与上位机通讯。[0033]数字式甚低频电磁仪还包括供电组件，为上述单元供电。参见图2和图4，本实施例采用的正交接收天线1为两互相垂直交叉的磁棒天线 11，该磁棒天线是接收15-25KHZ波段的磁棒天线。该磁棒天线11可以为直棒，也可以为环形棒。数字式甚低频电磁仪的工作原理采用的是工作于15-25KHZ波段的一种交流电磁法。实验表明，在低频(f< 105Hz)下，岩矿石的导电性主要表现为传导电流，岩矿石的导电性主要取决于它们的电导率σ。而岩矿石的电阻率特征表明，不同的岩石具有不同的电导率，这说明当研究区待探测地质体与其围岩的电性差异愈明显，则物探测量的异常特征也愈明显。此外，在构造破碎带发育地段，构造破碎带与其两侧围岩(弱变形地质体)的物化性质差异明显，尤其当构造破碎带中被多金属矿脉充填、矿化蚀变带发育，以及断层泥、 粘土矿物及地下水、裂隙水的相对发育与富集，通常在甚低频电磁测量中均有明显的低阻异常反映。甚低频电磁测量正是基于地质体空间组成(矿物、岩石)的电导率分布不均勻， 从而导致甚低频测量仪器的测量值即其测量极化椭圆倾角发生变化，来间接反映地下埋藏体的电性特征。将高精度GPS测量技术与甚低频测量技术融为一体不仅可以大大提高工作效率，而且可以大大促进甚低频技术的广泛应用。使用方法测量准备在测量点开机，机器自检并搜索甚低频电磁信号，待信号稳定后，锁定频率或手动设置测量频率。进入GPS模式，确定测量起点，然后根据测量设计，建立测线网格(可预先在室内完成)测量手持仪器并使仪器水平，身体直立，然后以身体为轴水平转动仪器，当听到仪器蜂鸣，水平测量结束；切换至导向模式，按显示屏提示方向前行，听到测点到达提示，停止，切换到测量模式开始下一测点测量，如此循环直到本测线完成，接着测量下一侧线。测量过程中可以从显示组件301上随时查看测量结果。测量结束，通过主机通讯接口 302将数据传输到上位机，也可以通过外部扩展存储接口 203将数据保存到外部存储器上。主机通讯接口 302可以是RS232接口 ；外部扩展存储接口 203可以是usb接口。
权利要求1.一种具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于包括电磁感应信号接收单元、 信号处理单元、输出单元、GPS定向单元和电子定向单元，GPS定向单元、电子定向单元和电磁感应信号接收单元连接信号处理单元，分别将GPS信号、方向信号和电磁感应信号传输给信号处理单元，信号处理单元连接输出单元并传输数据给输出单元；电磁感应信号接收单元包括正交接收天线和甚低频波段接收模块，正交接收天线感应电磁信号并将信号传输给甚低频波段接收模块，甚低频波段接收模块输出电磁信号的振幅值给信号处理单元，信号处理单元处理信号并发送数据给输出单元输出。
2.如权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述电磁感应信号接收单元还包括用于稳定电磁信号频率的锁相环电路，锁相环电路与甚低频波段接收模块连接。
3.如权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述电磁感应信号接收单元还包括用于测量磁倾角的倾角测量模块。
4.如权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述甚低频波段接收模块包括一滤波器、一混频器、DDS频率发生模块、AGC自动增益控制电路、中频放大电路、检波电路和滤波电路，用于电磁感应信号滤波的滤波器的输入端与接收天线的输出端连接，输出端连接混频器；DDS频率发生模块输出端与混频器连接；将滤波器输入的电磁感应信号与DDS频率发生模块产生的信号组成调谐信号的混频器的输出端连接用于中频信号放大的中频放大电路，中频放大电路与检波电路和滤波电路依次连接，滤波电路输出电磁感应信号的振幅值；AGC自动增益控制电路的输入端与检波电路的输出端连接，输出端与中频放大电路连接。
5.如权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述正交接收天线包括两互相垂直交叉的磁棒天线。
6.如权利要求5所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述磁棒天线为接收15-25KHZ波段的磁棒天线。
7.根据权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述信号处理单元包括用于数据处理和控制的主控制模块和用于数据存储的内部存储器，内部存储器与主控制模块连接。
8.根据权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述输出单元包括显示组件和主机通讯接口，显示组件与主机通讯接口分别与主控制模块连接。
9.根据权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述GPS定向单元是D-GPS全球定位接收机。
10.根据权利要求1所述的具有正交天线的智能甚低频电磁仪，其特征在于，所述电子定向单元为电子定向罗盘。
专利摘要本实用新型公开了一种具有正交天线的智能甚低频电磁仪，包括电磁感应信号接收单元、信号处理单元、输出单元、GPS定向单元和电子定向单元，GPS定向单元、电子定向单元和电磁感应信号接收单元连接信号处理单元，信号处理单元连接输出单元并传输数据给输出单元；电磁感应信号接收单元包括正交接收天线和甚低频波段接收模块，正交接收天线感应电磁信号并将信号传输给甚低频波段接收模块，甚低频波段接收模块输出电磁信号的振幅值给信号处理单元，信号处理单元处理信号并发送数据给输出单元输出。本实用新型采用正交接收天线可在一个测量点上同时获得水平和垂直方向电磁信号，可自动完成测线和测点的确定，减少了人为误差。
文档编号G01C17/32GK202230210SQ20112013155
公开日2012年5月23日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者于昌明, 刘建明, 周海涛, 李永兵, 石昆法, 马润波 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院研究生院