在电磁法的多测站分布式测量中, 要求不同仪器间的时钟严格同步, 以便保证各测站的数据采集是同时进行和同时完成, 因此研发高精度的同步技术是取得成功的保障^[2]。对比现有的几种同步技术(无线电同步、有线同步、石英钟同步、GPS同步等), 它们都各有特点和不足: 无线电同步易受地形等条件影响, 不宜用于远距离同步; 有线同步受同步线限制, 也不宜用于远距离同步; GPS同步具有同步精度高, 无误差累积, 但易受地形和遮挡的影响; 石英钟同步不受遮挡, 但却存在同步误差累积的不足。综合考虑上述同步方式的特点, 采用了将GPS同步和恒温晶体同步有机结合的方式 [3](图1), 形成本系统的同步技术。该技术的基本原理在于, 当GPS定位正常时(野外绝大多数都可满足该条件)自动进入GPS同步状态, 同时利用GPS秒脉冲实时不间断标定石英钟输出频率; 当GPS出现短暂不定位情况时, 将同步方式自动切换到石英钟同步, 以标定所得石英钟频率作为输出频率, 产生相对准确的同步脉冲。

图1

Fig.1

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	图1 GPS和恒温石英钟混合同步电路原理图Fig.1 GPS and quartz mixed synchronous circuit diagram

无线数据传输和控制是实现多测站组网工作和数据实时处理的基础, 而无线数据传输和控制极易受地形、植被等条件的影响, 难于实现远距离通信。为此, 开发了基于中继和AX.25 协议的无线数据传输与控制技术^[3], 较好地解决了数据校验远距离接力传输等技术难题。通过各测站中继接力方式实现了在主机通讯范围以外的测站与主机的传输控制, 使得原来需要最远传输3 000 m距离的要求降低到只需可靠传输100 m即可, 因此大大降低了地形对系统无线通讯的影响, 实现了可靠的数据传输与控制。

多功能电磁法接收机, 涉及的工作方法多(AMT、CSAMT、IP、SIP等), 接收信号的动态范围大, 有用信号强度从微伏到伏, 涵盖6个量级超过120 dB; 频率范围宽, 从32 kHz到近直流。因此对接收系统的动态范围和频带宽度提出了很高要求。为了保证在全频带范围内实现大动态信号数字化, 开发了双24位AD分频段数字化加数据缓存技术^{[3, 4]}(图2), 这样既保证了系统有足够的通带, 又保证了系统能够实现高灵敏度数据采集。

图2

Fig.2

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	图2 大动态信号数字化电路原理图Fig.2 Large dynamic signal digitization circuit diagram

将发电机励磁调压技术引入电磁法发射系统^{[5, 6]}, 在不采用调压变压器的条件下, 可大范围调节供电电压, 通过调节励磁实现稳压供电或稳流供电, 由于避开了笨重的变压器, 大功率电源利用率高、设备较轻便。其组成包括大功率发射机、励磁调压发电机、整流单元、电流传感器、模数转换器、励磁调节器和大功率负载。工作过程为: 励磁调压发电机在大功率发射机的控制下, 输出0~1 000 V的三相交流电压; 整流单元将交流电压变为直流电压, 并加载到大功率负载上; 电流传感器对供电电流进行隔离检测; 模数转换器将模拟信号转换为数字信号; 励磁调节器控制励磁调压发电机的输出电压, 使整个系统的供电电流保持在设定的电流值。高压励磁恒流供电技术的电路原理如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 高压励磁恒流供电电路原理图Fig.3 High voltage excitation constant current power supplying circuit diagram

在地球物理电磁法的变化磁场测量中, 通常采用感应线圈作为测磁传感器。由于感应线圈的灵敏度随接收信号的频率而变化, 在低频段灵敏度很低, 而低频段恰恰是反映地球深部的信息, 因此传统感应线圈法测量的低频信号信噪比低。而高温超导弱磁测量传感器用高温超导量子干涉器作为磁场强度传感器, 对磁场非常敏感, 它的灵敏度高而且频带宽, 在各频段灵敏度恒定, 低频响应好^[7]。在地球物理电磁法弱磁信号测量中, 可提高低频信号的信噪比, 使测量更准确, 以提高勘探深度。我们采用宽带低噪小信号的高频放大技术、高频信号的传输与屏蔽技术、光电隔离与自动补偿等技术, 开发出具弱磁信号检测的三分量高温超导磁传感器。其硬件主要由高温超导器件和锁相闭环电路组成, 锁相闭环电路由定向耦合器、高频放大器、混频器、低频放大器、高频振荡器、射频信号衰减器、积分器、反馈电路组成。工作原理为: 高温超导器件的输出经定向耦合器送至高频放大器; 高频放大器、混频器、低频放大器、积分器依次串联连接; 高频振荡器的输出分为两路, 一路接混频器的输入, 另一路经射频信号衰减器衰减后接定向耦合器; 积分器的输出经反馈电路反馈至定向耦合器(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 三分量高温超导传感器原理图Fig.4 Three component high temperature superconducting sensor circuit diagram

根据天然电磁场与人工发射电磁场的理论, 结合多功能电磁探测仪器(DEM-V)的特点, 研究了适合于分布式同步测量的数据采集方案。在AMT/MT、CSAMT、IP、SIP等各种方法的数据采集中, 均采集全波形的原始时间域数据, 为后期的数据处理提供全面的原始数据采样信息。图5为野外采集的一组阵列同步观测的天然电磁场时间域曲线。

图5

Fig.5

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	图5 阵列同步观测的天然电磁场时间域曲线Fig.5 Time domain curve of natural electromagnetic field in array

在采集的电磁法原始数据中, 既有所需要的有用信息, 同时也不可避免地包含环境电磁干扰、仪器本底噪声等信息, 如何压制干扰、提取有用信息, 是数据处理的关键。在对天然场电磁信号、人工电磁场发射信号、环境电磁干扰、接收系统噪声的观测分析基础上, 采用同步叠加、数字滤波、陷波、相关选频等技术 [8-9], 研究开发了适宜于多功能电磁系统的电磁多参量数据信息获取与处理技术。图6展示了大功率多功能探测仪器测量的CSAMT时间域数据处理前后的变化。

图6

Fig.6

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	图6 CSAMT接收电场和磁场的电压波形处理前后的变化图Fig.6 Voltage waveform changes for electric and magnetic fields of CSAMT through filtering and superposition

图7

Fig.7

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	图7 多功能电磁法数据处理与解释软件系统结构图Fig.7 Data processing and interpretation software structure diagram of the multi-function electromagnetic system

对地形条件下电磁法(AMT/MT、CSAMT、SIP)二、三维正反演模拟方法进行了研究 [10-14], 编制出相关程序, 并通过对程序相关接口、界面、数据成图的开发 [15, 分别形成了AMT/MT法、SIP法和CSAMT法正反演3个方法的软件子系统。软件系统的构建考虑了电磁勘探各方法的特性和共性, 根据前者, 将3种电法(AMT/MT、CSAMT和SIP)的功能软件集成在相对独立的3个子系统中; 根据后者, 在每一个子系统中将程序划分为专用功能软件模块和共用功能软件模块两大部分。专用功能软件模块包括各方法的数据处理和正反演模块, 共用功能模块包括数据的图示、人机交互建模等模块。多功能电磁法数据处理与解释软件系统结构如图7所示。

对研制的大功率多功能电磁探测样机系统, 经测试合格后, 在内蒙古某矿区开展了与国外同类系统(GDP-32^Ⅱ )的同发射源、同测线、同测点的CSAMT对比试验工作 16。从获取的原始视电阻率和阻抗相位的同测点对比数据(图8)可见, 两套系统获取的相同参数其数值大小相近、曲线形态一致且均光滑连续。

图8

Fig.8

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	图8 多功能电磁法仪器与GDP-32Ⅱ 同测点实测CSAMT数据对比Fig.8 Comparison of CSAMT results between DEM and GDP-32Ⅱ

选择内蒙古阿巴嘎旗某矿区, 开展了研制的多功能电磁法系统面积性试验与应用工作。该矿区矿床为岩浆多期侵入的脉状银铅锌矿, 容矿的似斑状花岗岩和粉砂质板岩与围岩具有电性差异 [17。在该区开展了10 km²的TDIP扫面和CSAMT剖面测深, 并在部分剖面开展了RPIP测深。TDIP测量中, 采用中间梯度装置, 技术参数为供电极距2 500 m、接收极距40 m、点距40 m、供电周期16 s、占空比1∶ 1、延时100 ms。CSAMT测深中, 采用标量测量方式, 技术参数为收发距≥ 9 000 m, 发射极距3 000 m, 频率范围8 000~1/3.2 Hz, 接收极距40 m, 点距40 m。RPIP测深中, 采用偶极-偶极装置, 技术参数为工作频率5个(4 Hz、2 Hz、1 Hz、2 s、4 s)、供电极距80 m、接收极距80 m、点距40 m、隔离系数n=1~12。

图9

Fig.9

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	图9 多功能电磁法仪器在某测线上获取的综合异常Fig.9 Comprehensive anomaly of multi-function electromagnetic instrument

通过多种电磁法的应用工作, 获取了矿区的多功能电法综合异常, 其异常除与已知矿体相对应外, 还发现了新的找矿线索, 为矿区的进一步地质勘查、钻孔布设和找矿突破提供了地球物理依据。图9显示了该区某测线的多种方法测量结果, 包括TDIP的视电阻率与视极化率剖面曲线、RPIP测深的反演电阻率与相位断面、CSAMT的反演电阻率断面, 以及钻孔验证的见矿情况。经对比可见, 自主研制的多功能电法仪器在测线上500号点获得明显的多功能电法综合异常, 与矿体相对应, 其电性表现为低阻高极化高相位的异常特征。同时在470号点附近还发现良好的多功能电法综合异常, 异常特征为低阻中高极化中高相位。