人工源频率域电磁测深装置及测量方法

摘要

本发明公开一种人工源频率域电磁测深装置及测量方法。包括发射系统和接收系统，发射系统根据测量需要实现变频比发射，接收系统是由主控站和多个采集站构成的主从分布式采集系统，可同时完成整条测线的测量。在进行人工源频率域电磁测深时，对测线先进行粗测，野外现场快速对测量结果进行处理和成图，找到异常体对应的频率范围，针对异常位置进行加密频点详查，逐步细化频点分布直至满足对异常体的分辨要求。在整个测量频段采取频点分布疏密有别的测量方法，只针对目标体加密频点，即提高了对目标体的分辨能力，又提高了工作效率。不但可以应用于可控源音频大地电磁法、频率电磁测深法，亦可推广到频谱激电法、复电阻率法等。

权利要求

1.一种人工源频率域电磁测深装置，是由发射系统和接收系统两部分组成，其特征在于：——发射系统是由单片机经波形合成单元、桥路驱动单元、逆变H桥电路与闭合不接地线圈或大地连接，逆变H桥电路的输出经电压电流检测单元与单片机连接，电池或发电机经直流电源与逆变H桥电路连接，同步触发单元与波形合成单元连接，键盘、液晶显示器分别与单片机连接构成；

——接收系统是主控站和采集站构成的主从分布式采集系统，其由主控站通过通信线向两侧分别连接两个终端匹配电阻，两个终端匹配电阻之间通过通信线顺序连接第1采集站、第2采集站……第128个采集站构成；

采集站是由1个以上乃至N个模拟调理电路分别经一个以上乃至N个独立的A/D转换器与现场可编程门阵列FPGA连接，现场可编程门阵列FPGA分别连接时钟同步电路、SRAM和单片机，单片机分别连接U盘存储器、RS485驱动器和液晶显示器构成，电池经DC-DC模块给采集站供电。

2.按照权利要求1所述的人工源频率域电磁测深装置的测量方法，其特征在于，按以下顺序和步骤工作：a、对测线先进行粗测,发射系统按相邻频点频率比值为2或4向地下供入恒定电流作为人工激励场源，主从分布式采集系统多点同步测量各频点电场或磁场的幅度和相位，计算各频点视电阻率及相位差，测量频段范围内所有频点均发射接收完毕时粗测结束；

b、野外现场快速对测量结果进行初步处理，绘制频率-视电阻率和频率—相位拟断面图,从图中对异常区域进行定位,找到异常区域对应的频率范围；

c、针对异常区域所在位置，在相应的频段范围内进行加密频点精细测量，即详查，详查

1/m

时相邻频点频率比值为2 ，其中m为大于1的整数；

d、详查结束后数据处理现场成图，根据测量结果决定是否继续加密频点测量，可多次重复步骤b和步骤c的过程，逐步细化频点分布直至满足对异常区域的分辨要求。

说明书

人工源频率域电磁测深装置及测量方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种地球物理勘探装置及方法，尤其是一种人工源频率域电磁测深装置及测量方法。背景技术：

[0002] 人工源频率域电磁测深方法是根据电磁波频率与穿透深度的对应关系，通过改变频率达到测深目的的一类电磁法，主要包括可控源音频大地电磁法(CSAMT)和频率电磁测深法等。该方法采用接地的水平电流源或者不接地回线形成的垂直磁偶源作为人工场源产生谐变电磁场，在远场区或非远区同步接收地下介质对各个频率电磁场的响应信号，通过计算获取被测大地的复视电阻率频谱。人工源频率域电磁测深方法与直流测深方法比较，具有减轻野外施工劳动强度、分辨率高、勘探深度较大的优点，因此人工源频率域电磁测深方法在寻找金属矿产资源、地下水资源、勘察工程地质结构乃至石油天然气探测中均发挥了重要的作用。

[0003] 人工源频率域电磁测深装置由发射机和接收机组成，发射机可以通过接地电极或不接地回线向地下发送从低到高多种频率的电流波形，波形模式为单一频率的双极性方波，或者是多个频率合成的脉冲序列以提高测量效率。接收机为单通道或多通道(通道数通常小于或等于8)数据采集系统，同步记录电磁场传感器拾取的地下介质对各频率电磁场的响应信号。由于单台接收机通道数目较少，要完成整条测线的测量，需要发射机多次重复发射，移动接收机逐点或分段测量，存在能量消耗大、野外工作效率低等缺点。由于分时分段测量，时变干扰对各测点的影响不同，难以保证相同的测量精度。分段测量覆盖的测线长度有限，每次测量只能获得该段测线的地下介质信息，野外现场无法实现对整条测线地下介质信息的整体全面了解。

[0004] 人工源频率域电磁测深方法需要多次改变频率测量，目前常用的测量方式有变频法、奇次谐波法和多频伪随机法。变频法采用逐个频率进行测量，频点个数即为测量次数，由于方波能量主要分布在基频，因此能量集中接收信号强，但测量效率低；奇次谐波法在同一时间测量发射方波的基波和奇次谐波，提高了效率但存在相邻频点频差固定和谐波次数升高能量减弱的缺点；CN1325031A公布了一种主动源频率域电法勘探方法，即多频伪随机法，发射电流波形包含多个振幅值相差不大的主频率，相邻主频频比固定，频点分布合理并可以实现小于2倍的频点分布，一次可以同时测量多个频点，效率高并且有利于消除干扰。因此对于人工源频率域电磁测深是一种较为理想的测量方式。

[0005] 由于频率域电磁测深的纵向分辨率取决于观测的频率密度或比值，当频率按2进制方式递增或递减时，纵向分辨率不高于29.3％，不能满足精细勘探的要求。无论采用上述哪种测量方式进行人工源频率域电磁测深时，测量者通常在测量前根据测区的电性情况及目标探测深度对测量的频段范围及频率间隔进行设计，这种在被测异常体信息未知的情况下将频点设定为固定的频率间隔，频率间隔设置的过大，则对异常体的分辨率低，如果野外测量结束后数据处理阶段发现分辨率不够，需要重新布极布线加密频点测量，既费时又费力。如果频率间隔设置的过密，虽然整体提高了分辨率，但野外测量效率低，同时对于电性均匀的覆盖层多个频率的测量结果相当于插值，浪费了测量时间和能量消耗。发明内容：

[0006] 本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种人工源频率域电磁测深装置及探测方法；

[0007] 本发明的另一目的，是提供一种人工源频率域电磁测深的测量方法。

[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0009] 人工源频率域电磁测深装置，是由发射系统和接收系统两部分组成：

[0010] ——发射系统是由单片机经波形合成单元、桥路驱动单元、逆变H桥电路与线圈或大地连接，逆变H桥电路输出经电压电流检测单元与单片机连接，电池或发电机经直流电源与逆变H桥电路连接，同步触发单元与波形合成单元连接，键盘、液晶显示器与单片机连接构成；

[0011] ——接收系统是由主控站和采集站构成的主从分布式采集系统，主控站通过通信线向两侧分别连接两个终端匹配电阻，两个终端匹配电阻之间通过通信线顺序连接第1采集站、第2采集站……第128个采集站构成。

[0012] 采集站是由1个以上乃至N个模拟调理电路分别经一个以上乃至N个独立的A/D转换器与现场可编程门阵列(FPGA)连接，FPGA分别连接时钟同步电路、SRAM和单片机，单片机分别连接U盘存储器、RS485驱动器和液晶显示器构成，电池经DC-DC模块给采集站供电。

[0013] 人工源频率域电磁测深装置的测量方法，按以下顺序和步骤工作：

[0014] a、对测线先进行粗测，发射机按相邻频点频率比值为2或4向地下供入恒定电流作为人工激励场源，分布式接收系统多点同步测量各频点电场或磁场的幅度和相位，计算各频点视电阻率及相位差。测量频段范围内所有频点均发射接收完毕时粗测结束；

[0015] b、野外现场快速对测量结果进行初步处理，绘制频率-视电阻率和频率-相位拟断面图，从图中对异常区域进行定位，找到异常体对应的频率范围；

[0016] c、针对异常位置，在相应的频段范围内进行加密频点精细测量，即详查，详查时相1/m
邻频点频率比值为2 (m为大于1的整数)；

[0017] d、详查结束后数据处理现场成图，根据测量结果决定是否继续加密频点测量，可多次重复步骤b和步骤c的过程，逐步细化频点分布直至满足对目标体的分辨要求。

[0018] 发射系统向地下供入单一频率或多个频率合成的方波信号，发射方式为单频多次或多频多组发射，多个频率合成的信号相邻频点频比相等，发射系统设置的可发射频点接1/32
近对数等间隔分布，相邻频率最小比值为2 ＝1.0219。接收系统是由主控站和采集站构成的主从分布式采集系统，可一次性布设在一条测线上，多点同步接收地下介质对发射系统供入大地的激励信号而产生的电磁响应信号。采集站将提取的幅度和相位等参数上传到主控站，原始时间序列数据本地保存待室内详细处理。主控站回收所有采集站上传的参数数据，进一步计算视电阻率、相位差等导出参数。

[0019] 人工源频率域电磁测深装置的测量方法，其野外现场快速成图方法为：主控站计算每个测点的视电阻率、相位差参数，按测点编号顺序排列形成文件，利用绘图软件分别绘制视电阻率和相位差拟断面图，横轴为测点编号，纵轴为对数坐标显示的频率，计算得到的参数根据值的大小以不同颜色填充于拟断面图的对应位置。

[0020] 有益效果：本发明克服了传统人工源频率域电磁测深方法在整个测量频段频率间隔固定的不足，通过“由粗到细，逐步细化”的测量方式实现了在整个测量频段频点间隔疏密合理的分布，只针对目标体加密频点，即提高了对目标体的分辨能力，又提高了工作效率。本发明不但可以应用于可控源音频大地电磁法(CSAMT)、频率电磁测深法，亦可推广到频谱激电法、复电阻率法等，具有高分辨、高效率的特点。附图说明：

[0021] 图1人工源频率域电磁测深装置发射系统结构框图

[0022] 图2人工源频率域电磁测深装置接收系统结构框图

[0023] 图3是附图2中采集站结构框图

[0024] 图4人工源频率域电磁测深测量方法示意图

[0025] 1被测目标体，2最高频率，3最低频率，4粗测频率，5粗侧异常区，6详查异常区。具体实施方式：

[0026] 下面结合附图和实例作进一步的详细说明：

[0027] 人工源频率域电磁测深装置，是由发射系统和接收系统两部分组成：

[0028] ——发射系统是由单片机经波形合成单元、桥路驱动单元、逆变H桥电路与线圈或大地连接，逆变H桥电路输出经电压电流检测单元与单片机连接，电池或发电机经直流电源与逆变H桥电路连接，同步触发单元与波形合成单元连接，键盘、液晶显示器与单片机连接构成；

[0029] ——接收系统是由主控站和采集站构成的主从分布式采集系统，主控站通过通信线向两侧分别连接两个终端匹配电阻，两个终端匹配电阻之间通过通信线顺序连接第1采集站、第2采集站……第128个采集站构成。

[0030] 采集站是由1个以上乃至N个模拟调理电路分别经一个以上乃至N个独立的A/D转换器与现场可编程门阵列(FPGA)连接，FPGA分别连接时钟同步电路、SRAM和单片机，单片机分别连接U盘存储器、RS485驱动器和液晶显示器构成，电池经DC-DC模块给采集站供电。

[0031] 人工源频率域电磁测深装置的测量方法，按以下顺序和步骤工作：

[0032] a、对测线先进行粗测，发射机按相邻频点频率比值为2或4向地下供入恒定电流作为人工激励场源，分布式接收系统多点同步测量各频点电场或磁场的幅度和相位，计算各频点视电阻率及相位差。测量频段范围内所有频点均发射接收完毕时粗测结束；

[0033] b、野外现场快速对测量结果进行初步处理，绘制频率-视电阻率和频率-相位拟断面图，从图中对异常区域进行定位，找到异常体对应的频率范围；

[0034] c、针对异常位置，在相应的频段范围内进行加密频点精细测量，即详查，详查时相1/m
邻频点频率比值为2 (m为大于1的整数)；

[0035] d、详查结束后数据处理现场成图，根据测量结果决定是否继续加密频点测量，可多次重复步骤b和步骤c的过程，逐步细化频点分布直至满足对目标体的分辨要求。

[0036] 实施例：

[0037] 发射系统是由MSP430单片机经波形合成单元、桥路驱动单元、逆变H桥电路与线圈或大地连接，逆变H桥电路输出经电压电流检测单元与单片机连接，电池或发电机经直流电源与逆变H桥电路连接，同步触发单元与波形合成单元连接，键盘、液晶显示器与单片机连接构成；

[0038] 接收系统是由一个主控站和多个采集站构成的主从分布式采集系统，主控站经通信线向两侧分别连接两个终端匹配电阻，两个终端匹配电阻之间通过通信线顺序连接第1采集站、第2采集站……第128个采集站构成。通讯线采用屏蔽双绞线，数据传输采用RS485通讯协议。采集站是由5个模拟调理电路分别经5个独立的A/D转换器与现场可编程门阵列(FPGA)连接，FPGA分别连接时钟同步电路、SRAM和单片机，单片机分别连接U盘存储器、RS485驱动器和液晶显示器构成，电池经DC-DC模块给采集站供电。不极化电极或磁场传感器拾取的微弱电磁场信号经过模拟调理电路进行放大、滤波、去工频等处理，以最佳的幅度送入模数转换器实现数字化，每个通道使用一个独立的模数转换器，保证精准的相位测量，FPGA提供A/D转换需要的时序，同时连接时钟同步电路保证数据采集与发射同步。单片机通过RS485驱动器接收主控站的命令并将采集的数据上传至主控站，同时将原始数据保存于本地的U盘中进行数据备份。

[0039] 在进行人工源频率域电磁测深方法测量时，根据测区的已知信息及目标探测深度确定测量的频段范围，其中最高频率如附图4中2所示，最低频率如附图4中3所示，按以下方法步骤工作：

[0040] a.对测线先进行粗测，即发射机按相对较稀疏的频点间隔(相邻频点频率比值为n n2或4，如1Hz，2Hz，4Hz…2Hz或1Hz，4Hz，16Hz…4Hz)单个频率或合成多频向地下供入恒定电流作为人工激励场源，频点要求以对数等间隔分布并覆盖整个测量频段，如附图4中4所示。分布式接收机多点同步测量各频点电场或磁场的幅度和相位，计算各频点视电阻率及相位差。待测量频段范围内所有频点均发射接收完毕时粗测结束；

[0041] b.野外现场快速对测量结果进行初步处理，绘制频率-视电阻率和频率-相位拟断面图，从图中对异常区域进行定位，找到异常体(附图4中1)对应的频率范围；

[0042] c.针对异常位置，在相应的频段范围内进行加密频点精细测量，即详查，详查时相1/m 1/4 n
邻频点频率比值为2 (m为大于1的整数)，如1Hz，1.189Hz，1.414Hz，1.682Hz…(2 )Hz，见附图4的5。

[0043] d.详查结束后数据处理现场成图，根据测量结果决定是否继续加密频点测量，见附图4的6，可多次重复上述步骤b和步骤c的过程，逐步细化频点分布直至满足对目标体的分辨要求。

[0044] 人工源频率域电磁测深装置的测量方法，其野外现场快速成图方法为：主控站计算每个测点的视电阻率、相位差参数，按测点编号顺序排列形成文件，利用绘图软件分别绘制视电阻率和相位差拟断面图，横轴为测点编号，纵轴为对数坐标显示的频率，计算得到的参数根据值的大小以不同颜色填充于平面图的对应位置。