专利名称：广谱激电测量系统及测量方式的制作方法
技术领域：
本发明属于物探设备，是一种测量电变量找矿的装置及方式。
背景技术：
地下介质，包括油藏、金属矿、地下水、天然气等，从电性角度看，可被认为是阻容网络。不同的物质成份其阻容特征值不同。当受外电场作用，地下有限空间内将产生类似于充放电的随时间变化的附加电场。这一现象被称为岩石的激发极化效应。利用这一物理机理进行地质勘探的方法叫做激发极化法，简称激电法。实施激电探测的基本作业方式是，在探测区域内向地下提供大功率的人工电场，沿地面或井下进行信号测量。
针对阻容网络受激发后会产生相移，可设计出相关仪器测量网络响应信号的实部和虚部，进而求出相移量。传统的设计思想是，向地下提供两种频率的方波脉冲，通常高端频率为4Hz，低端频率为0.308Hz。先进行高端测量，后进行低端测量。求出高低端的相移量后，进行相减运算，得到所谓的频散率。依据频散率推断地下的物质成份。已有专利CN 88105655双频道多参数频谱激电观测系统；CN 93224922差异激电接收机。
传统激电法的不足之处是
1、用单频脉冲(单谱)或双频脉冲(双谱)向地下供电，其探测深度范围受到限制。一种固定频率在某一地区可测达数十米深，而在另一地区可能只有数米的深度。
2、不能清晰反映地下异常地质体的边缘，只能刻划出地下异常体的大致范围，精度较低。
3、传统激电法在向大地供电时，正负供电电极相隔距离较大，其跨度要远大于被测矿区。有效的信号测量范围被限制在两供电电极之间的三分之一地段内。其原因是，该地段的地下可被认是均匀电场分布，数学模型较易建立，异常解较容易得到；而更为主要的原因是，若不在上述地段测量，譬如将测点移到正负供电电极所跨的区间之外，则测量电路不容易检测到附加电场的起始时刻。

发明内容
本发明是提供一种广谱激电测量系统，它由发送机和接收机组成，其特征是提供两种供电方波脉冲，一种是正向、停、负向，且占空比为1∶1∶1，另一种是正向、正向、负向、正向、负向、负向、正向、负向；提供4～8种脉宽的方波向地下供电，脉宽的变化范围为62.5ms、125ms、250ms、500ms、1s、2s、4s、8s八种。发送时，从高频开始，每送出一个周期的方波后，自动改变脉宽，送出宽度加倍的脉冲。方波从高到低扫频输出，循环往复。发送机与接收机通过无线信号取得同步，在每次供电方波的上升沿，由发送机发出同步信号，与远处的接收机进行同步。由于发送机和接收机内部都预置了运行程序，收发之间只要同步问题解决，接收机自动判断断电时刻以及改变脉宽时刻，使测量工作有序进行。通过测量多频率不同脉宽供电时的激电信号，经数据处理，可获取自地表浅部到地下深部的激电信息，从立体角度反演出地下的电性成像。


图1是供电制式1供电波形。
图2是供电制式2供电波形。
图3是发送机电原理框图。
图4是发送机逻辑控制电路。
图5是发送机开关电路。
图6是发送机电源示意图。
图7是接收机工作原理框图。
图8是接收机模拟电路。
图9是接收机A/D转换电路。
图10是接收机逻辑控制电路。
图11是接收机电源电路图。
图12是接收机模拟电路及接收机A/D转换工作原理图。
图13是采用正交布极与多道同步采集数据示意图。
具体实施例方式见图3～图11，本发明的广谱激电测量系统，由发送机和接收机组成，其特征在于发送机提供变频与扫频输出供电方波脉冲，发送时，从高频开始，每送出一个周期的方波后，自动改变脉宽，送出宽度加倍的脉冲，方波从高到低扫频输出，循环往复。发送机由单片机N3、逻辑控制电路、开关电路和电源组成；接收机由单片机U1、模拟电路、A/D转换电路、逻辑控制电路及电源电路组成。
见图1、图2，本广谱激电测量系统的发送机提供两种制式供电方波脉冲，一种是正向、停、负向，且占空比为1∶1∶1，另一种是正向、正向、负向、正向、负向、负向、正向、负向；提供4～8种脉宽的方波向地下供电，脉宽的变化范围为62.5ms、125ms、250ms、500ms、1s、2s、4s、8s八种。具体的制式选择由发送机控制逻辑电路的数码拨盘M和数码拨盘T指定(见图4)，M拨盘的输出为M1、M2、M3、M4，四种模式；T拨盘决定脉宽。M拨盘定义的工作模式见下表

见图4～图6，现对发送机进一步说明如下发送机逻辑控制电路中设有同步开关N22，同步开关N22的第3脚经电阻R15接光电耦合器N9的第9脚，其输出端发出同步信号。
运行程序存储在程序存储器N1中。
M拨盘的选择内容送至模拟开关N11，T拨盘的选择内容送至模拟开关N12。
单片机(8031)的P11和P13轮流置逻辑“1”，P14～P17读入M拨盘和T拨盘的选项，决定发送机在何种模式。发送机开始工作时，通过RXD、TXD、INTI、INTO等引脚向扩展口N4送入有关的控制字。
扩展口N4的P4口和P5口输出显示信息，送给后续的显示器。P6口输出同步信号。N5是驱动器，用它驱动后面的光电耦合器N6～N9。
本发送机设计了四路触发信号，每路信号可驱动一个无线同步开关，这是为今后遥控多台接收机准备的。目前只用一路触发信号TP4，此路信号通过光电耦合器N9输出，控制并驱动同步开关N22开启或关闭，使其发出同步信号遥控远处的接收机。按照不同的模式，P70和P71送相应的逻辑信号Z和F。
见图4，Z信号和F信号经与门N21及驱动器N13后，分别为Z1和F1，其逻辑电平与Z和F相同。Z1电平的高低决定了光电耦合器N15、N16的通断。当Z1为“1”、F1为“0”时，F1G与F1S、F3G与F3S不导通。场效应管Q1和场效应管Q3的栅源之间有分压(分别由H+和Q+提供)，从而场效应管Q1和Q3形成漏源通路。外接的高压电源E+经Q1-D1-A-B-Q3-D5，返回E-，实现从A至B的正向供电。当F1为“1”、Z1为“0”时，与上述过程相仿，场效应管Q2、Q4导通，场效应管Q1、Q3截止，实现从B至A的负向供电。而当F1和Z1皆为“0”时，F1G与F1S、F2G与F2S、F3G与F3S、F4G与F4S分别都形成短路，场效应管Q1～Q4的栅源间均无分压，全部关断，A、B之间无功率输出，此为停止供电状态。
见图5，考虑到安全性，专门设计有保护措施，保护电路由电阻R47、放大器N19、电压比较器N20及与门N21等组成。R47为取样电阻，当供电电流大于5A时，取样电压为2V，经放大器N19，送至电压比较器N20，使其反转，输出“0”电平，封锁与门N21，并使得Z1、F1都为“0”，停止向大地供电。
见附图6可了解发送机电源电路的工作情况。反向器N10、电阻R17、R18、电容C4组成多谐振荡器。经三极管P1～P4推挽放大，形成具有负载能力的振荡波形。在变压器的次级，有多组绕组，其输出经整流成直流电压。其中，H+、I+、Q+分别被送至各场效应管，作为各场效应管的开关电压，并受控于Z1和F1。K+、K-为同步开关的电源，S+和S-作为隔离放大器的电源。它们均不与Vcc共地。
接收机具体工作过程如下接收机工作原理见图7，接收机可同时测量5个通道的数据。同步开关N22接收发送机的无线信号，实现接收与发送的同步，上位机接收到同步信号后，通过并口J9启动单片机U1进行同步采集。单片机U1向五个通道同时发出控制信号，并通过P1口来接收采集数据。最终将采集的数据通过并口J9传给上位机进行现场处理。实际应用时，其中一个通道作为备用。
每个通道模拟电路见图8，A/D转换电路见图9，其对应的工作原理见图12。其中，U101组成前置放大电路；U111为运算放大器。一级陷波电路和二级陷波电路均为双T型陷波电路。
一级低通滤波和二级低通滤波分别由运算放大器U111C和运算放大器U111B组成，均为低通滤波电路。模拟开关U112和模拟开关U113用于控制低通通带范围的选择，LP0、LP1为其逻辑控制信号，LP0、LP1的四种控制状态可实现截止频率为80Hz、800Hz、4kHz和8kHz的低通。模拟开关U121用于控制模拟电路的输出选择，NS0、NS1为其逻辑控制信号，选择见下表

见图9为A/D转换电路原理图，U141为A/D转换器，其中MCLK为系统时钟，用于控制A/D转换器U141的采样率及内部工作时序，采样率为2kHz。SCLK为串行时钟，用于控制A/D转换器U141数据的串行输出。单片机U1可以通过控制SCLK来实现对A/D转换器U141的数据读取。
由于A/D转换器U141为双端输入，故需用U131运算放大器把单端输入转换为双端输入信号，若输入信号电压为AOUT，则运算放大器U131的7脚输出为Vref-AOUT，8脚输出为Vref+AOUT，从而实现A/D转换器U141的双端输入。
图中，精密电压基准源U132和运算放大器U133用于产生2.5V电压，供A/D转换器U141作基准电压。
接收机的逻辑控制电路原理图见图9，接收机逻辑控制电路中设有同步开关U5，通过天线接收发送机发射的同步信号，同步开关U5输出端第3脚与并口J9第13脚连接，该信号使接收机与发送机同步工作。单片机U1第30脚产生的周期序列经U4触发器分频后形成3.072MHz的时钟信号。此时钟信号经U2反相器后分出三路时钟信号MCLK1、MCLK2、MCLK3。P34--P36用于产生模数转换器U141的串行时钟控制信号SCLK1--SCLK3。第一通道和第二通道模数转换器U141的系统时钟和串行时钟为MCLK1和SCLK1，第三通道和第四通道串行时钟为MCLK2和SCLK2，第五通道为MCLK3和SCLK3。
J9为并口，其中第13脚用于接收同步开关U5的同步信号(同步开关U5通过天线接收发送机中同步开关N22发送来的同步信号)。
单片机U1的P1口用于接收A/D转换器U141转换后的五个通道的数据，P0口为基于EPP模式的并行通讯的数据口，P20--P22为状态口，P32、P33和P23为控制口。
EPP模式并行通讯过程如下(1)、开始采集数据时，计算机向单片机的9脚(RTS)发复位信号。
(2)、单片机复位，进入主程序，初始化单片机。(设置栈顶SP，屏蔽所有中断，P0～P3口全置为OFFH，“等待信号”WAIT置“0”，单片机与计算机“同步信号”FSYNC置“0”。)(3)、计算机使nWRITE为“0”，nDSTR为“0”，向P0口写入参数PARA。
(4)、nWRITE为“0”时，单片机从P0读数据PARA。(细节当nWRITE为“0”时，单片机将WAIT置高，表示其做好了锁存数据的准备，计算机将nDSTR置高，使单片机锁存数据，当单片机做好读入下一字节的准备后，将WAIT置“0”。)(5)、单片机设置滤波参数PARA。
(6)、单片机复位A/D转换器，使AD同步工作。(SCLK1～SCLK4在8ms高电平后产生下降沿。)(7)、当P1.0脚产生上升沿时，向下执行，否则在此不断等待。
(8)、开始进行数据采集。(细节在SCLK下降沿时锁存数据，低电平时读数据。)(9)、单片机向计算机发同步信号使FSYNC为“0”(表示从单片机读取数据)。
(10)、计算机接收到同步信号FSYNC＝0时，使nWRITE置高，数据选通信号nDSTR置“0”(表示从计算机读取数据)。
(11)、单片机读nWRITE为高时，开始发送数据。
(12)、单片机向P0口写数据，读数据选通信号nDSTR为0时，表示数据已准备好。单片机使INTR产生下降沿，请求计算机读数据。
(13)、计算机判断出INTR产生下降沿，开始读数据。
(14)、单片机使准备信号WAIT信号置“0”，请求计算机等待。
(15)、循环执行(12)～(14)步骤，直至计算机读完24位×5通道的数据。
(16)、判断P1.0脚为高时，向下执行，否则在此不断等待。
(17)、循环执行(7)～(16)步骤利用本广谱激电测量系统探矿时，可使用传统的供电与测量方法，即测量范围限制在A、B两供电电极之间，进行单道数据采集，还可采用传统的供电与非传统的测量方法，即在A、B两供电电极之间以正交布极与多道同步数据采集的方式，在同一个地面测量点附近同时进行多个方向的电场信号观测，将多组被测信号进行沿x方向和y方向且在同一时间轴上的差分处理，这种做法可将背景值和异常值的差异拉大。当地面被测点远离地质目标体边缘时，差分结果没有异常形态，即背景值不反映异常。而当测量点逐渐靠近目标地质体边缘时，差分异常形态逐渐变大，在目标体边缘正上方地面位置的差分异常值为最大，以此可较准确地圈定目标地质体的规模及范围。
另外，还可采用非传统的供电与测量方法，即用电偶极子作人工场源，在电偶极子外围区域进行正交布极与多道同步数据采集。电偶极子正负电极A、B的距离较短，野外常用的是200m～300m。这一场源建场方便，基本不受地形环境的影响。其数学模型较均匀场复杂，但借助当今先进的计算机及数字信号处理技术，可完全解决场源分布及传播问题。理论和实验均可证明，利用偶极子场源同样可获得满意的勘探效果。
见图13，表示正交布极与多道同步数据采集。X轴表示地面，A、B代表供电电偶极子，M1、M2、M3、M4、N代表测量电极，其中，N为公共极。用电偶极子A、B作人工场源，用M1、M2、M3、M4、N五个测量电极组成接地观测点，接收机测取的是两个正交轴，x轴和y轴上的四路大地电场信号，通常X1＝X2，y1＝y2，四路电场信号被同步检测，接收机中同时记录到四条放电曲线。接收机与便携式计算机通过并口交互通讯，将测量结果实时传送到便携式计算机中。将x轴和y轴上的信号差分运算结果显示或打印成图，实现现场显示测量结果。
附图标记N1 程序存储器 EPROM 2732； N2锁存器 74ALS373；N3 单片机 8031；N4并行扩展口 8242；N5 驱动器 4049；N6～N9光电耦合器 TIL117；N10 反向器 4069；N11、N12 模拟开关4066；
N13、N14 驱动器 4049； N15～N18 光电耦合器 TIL117；N19放大器 ISO122；N20 电压比较器 LM119；N21与门4081； N22 同步开关 ZJY-12A；J9 并口LPT25； U1单片机 AT89C51；U2 非门74HCT04； U3光电耦合器 TIL117；U4 D触发器 74HCT74； U5同步开关 ZJY-12B；U6 三端稳压块 79M05； U7直流电压转换器 12D12D；U8 三端稳压块 7805； U9三端稳压块 78M05；U101 仪表放大器 INA128；U111 运算放大器 OPA4350；U112～U121 模拟开关MAX309；U132 精密电压基准源 MAX6225；U133 运算放大器 OPA4350； U141 A/D转换器 ADS1252。
权利要求
1.一种广谱激电测量系统，由发送机和接收机组成，其特征在于发送机提供变频与扫频输出供电方波脉冲，发送时，从高频开始，每送出一个周期的方波后，自动改变脉宽，送出宽度加倍的脉冲，方波从高到低扫频输出，循环往复。
2.按权利要求1所述的广谱激电测量系统，其特征在于提供两种制式供电方波脉冲，一种是正向、停、负向，且占空比为1∶1∶1，另一种是正向、正向、负向、正向、负向、负向、正向、负向；提供4～8种脉宽的方波向地下供电，脉宽的变化范围为62.5ms、125ms、250ms、500ms、1s、2s、4s、8s八种。
3.按权利要求1所述的广谱激电测量系统，其特征在于发送机由单片机(N3)、逻辑控制电路、开关电路和电源组成；接收机由单片机(U1)、模拟电路、A/D转换电路、逻辑控制电路及电源电路组成。
4.按权利要求3所述的广谱激电测量系统，其特征在于发送机逻辑控制电路中设有同步开关(N22)，同步开关(N22)的第3脚经电阻(R15)接光电耦合器(N9)的第9脚；接收机逻辑控制电路中设有同步开关电路(N23)，通过天线接收发送机发射的同步信号，其输出端3脚与并口(J9)的13脚连接。
5.按权利要求1所述的广谱激电测量系统的测量方式，其特征在于可在A、B两供电电极范围之外进行探矿测量。
6.按权利要求1所述的广谱激电测量系统的测量方式，其特征在于可在A、B两供电电极范围之内采用正交布极与多道同步采集数据方式进行探矿测量。
7.按权利要求1所述的广谱激电测量系统的测量方式，其特征在于还可采用激电信号的差分测量方法探矿。
8.按权利要求1所述的广谱激电测量系统的测量方式，其特征在于采用正交布极与多道同步采集数据，用电偶极子A、B作人工场源，用M1、M2、M3、M4、N五个测量电极组成的接地观测点，接收机测取的是两个正交轴，x轴和y轴上的四路大地电场信号，通常X1＝X2，Y1＝Y2，四路电场信号被同步检测，接收机中同时记录到四条放电曲线。
全文摘要
本发明是一种广谱激电测量系统，由发送机和接收机组成，其中，发送机由单片机、逻辑控制电路、开关电路和电源组成；接收机由模拟电路、A/D转换电路、控制逻辑电路及电源电路组成；发送机可提供变频与扫频输出供电方波脉冲，发送时，从高频开始，每送出一个周期的方波后，自动改变脉宽，送出宽度加倍的脉冲，方波从高到低扫频输出，循环往复；发送机提供两种制式供电方波脉冲，一种是正向、停、负向，且占空比为1∶1∶1，另一种是正向、正向、负向、正向、负向、负向、正向、负向；提供4～8种脉宽的方波向地下供电，脉宽的变化范围为62.5ms、125ms、250ms、500ms、1s、2s、4s、8s八种。接收机通过接收发送机发出的无线同步信号与发送机取得时间上的同步，按照从高频到低频的顺序，同步采集四个通道的大地广谱激电信号。
文档编号G01V3/02GK1544960SQ20031011545
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月25日 优先权日2003年11月25日
发明者邓明, 杨进, 张启升, 彭爱民, 杜刚, 邓 明 申请人:中国地质大学(北京)