頻譜激電測量儀器關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)

石加玉，郭鵬，李勇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；3.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

頻譜激電法(spectrum induced polarization，SIP，簡稱譜激電)是直流電法勘探的一種，其基于幾何原理實現(xiàn)測深，是恒流情況下時間域激電法的一種擴展，為針對交變電磁場實施的頻率域激發(fā)極化方法。譜激電測量的是交流電場作用下巖(礦)石的電化學(xué)極化效應(yīng)，即接收電極間總場電位差相對于發(fā)射電流的相位差—復(fù)電阻率的相位角，它反映的是極化效應(yīng)的“純異?！盵1-3]。近年來，譜激電在資源、環(huán)境和工程等領(lǐng)域得到前所未有的發(fā)展和應(yīng)用，越來越被工程技術(shù)人員和學(xué)者所重視。利用譜激電可以得到Cole-Cole模型復(fù)電阻率表達(dá)式中4個表征被探測目標(biāo)的物性參數(shù)：零頻率時的電阻率、極化率、時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，這4個參數(shù)為區(qū)分礦與非礦以及不同類型的礦種提供了重要信息[4-5]。其中，極化率等價于譜激電的極化相位，這是一個重要參數(shù)：在低頻工作條件下，相位的大小可以反映地下介質(zhì)激電效應(yīng)的強弱，對于一定的頻率，激電效應(yīng)越強，負(fù)相位的絕對值越大；反之，激電效應(yīng)越弱，負(fù)相位的絕對值越小。

“十一五”期間，在中國地質(zhì)調(diào)查局的支持下研制了頻譜激電測量儀器原型機，并利用原型機在福建、海南、云南、西藏、新疆、內(nèi)蒙古等礦區(qū)開展了方法技術(shù)應(yīng)用示范，取得了良好的應(yīng)用效果，尤其在弱極化區(qū)、接地困難區(qū)和干擾區(qū)，頻譜激電法顯示出比常規(guī)激電法更強的異常發(fā)現(xiàn)能力和抗干擾能力。為了充分發(fā)揮頻譜激電法在資源、環(huán)境和工程等領(lǐng)域的作用，“十二五”期間對頻譜激電原型機進行了完善和改進，形成可供推廣的實用化儀器，并將該技術(shù)向全國進行推廣。本文對頻譜激電測量中的關(guān)鍵技術(shù)，如高精度同步技術(shù)、高精度穩(wěn)流技術(shù)、相位提取技術(shù)和弱信號同步相關(guān)檢測技術(shù)等做了充分探討并給出了實現(xiàn)方法，最后對實用化儀器和原型機在內(nèi)蒙古某礦區(qū)的對比試驗結(jié)果進行了分析，結(jié)果表明：基于本文所述技術(shù)方案設(shè)計的頻譜激電測量儀器實用化程度高，相位測量重現(xiàn)性好。目前，該儀器已向全國推廣，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

1 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

Cole-Cole模型復(fù)電阻率表達(dá)式中的4個物性參數(shù)，只有極化相位必須通過測量才能獲得，其他幾個參數(shù)可通過電位差的幅值、裝置系數(shù)和發(fā)射電流等計算得到；因此，頻譜激電測量儀器的關(guān)鍵技術(shù)就集中體現(xiàn)在相位測量這一環(huán)節(jié)。相位測量涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括高精度同步技術(shù)、恒流供電技術(shù)和相位檢測技術(shù)等。

譜激電測量儀器屬于野外工作設(shè)備，發(fā)射機和接收機常常需要分開工作，某些觀測裝置甚至要求發(fā)射與接收之間相隔數(shù)千米。本文研究一種基于同步相關(guān)檢測的絕對相位測量技術(shù)，發(fā)射與接收之間不受距離限制，接收電路的結(jié)構(gòu)也相對簡單。由于采用了數(shù)字式窄帶選頻與相位提取技術(shù)，提高了測量儀器的抗干擾能力和實用性。該技術(shù)實現(xiàn)的前提是：①發(fā)射與接收之間在時間上嚴(yán)格同步；②發(fā)射電流要維持恒定。

1.1 高精度同步技術(shù)

常規(guī)的基于硬件電路的相位測量方式需要在同一塊電路板上對發(fā)射電流和接收電壓進行比較，譜激電測量儀器屬于野外工作設(shè)備，發(fā)射機和接收機相距較遠(yuǎn)，這種相位測量方法不再是最優(yōu)方案。本研究方案采用高精度同步技術(shù)，使發(fā)射機和接收機在時間上嚴(yán)格同步，實現(xiàn)高精度絕對相位的測量。

同步精度設(shè)計規(guī)則是以滿足譜激電法對相位觀測的最高精度為原則，計算公式為

(1)

式中：f為最高工作頻率，單位Hz；n為譜激電觀測系統(tǒng)要求的相位分辨率，單位mRad；t為同步精度，單位s。本文研究的相位測量儀器，其相位觀測精度要求為1 mRad，最高工作頻率為128 Hz，通過上式計算出t=1.24 μs。實際設(shè)計電路時，同步精度應(yīng)留有足夠的余量，亦即t<1.24 μs。

常用的同步方式包括有線同步、恒溫晶振同步、電臺同步和GPS同步等。有線同步中的長導(dǎo)線會產(chǎn)生延時，距離越遠(yuǎn)延時越大，同步距離較遠(yuǎn)時施工很不方便；采用恒溫晶體的晶體同步方式精度較高，但由于各個晶體之間始終存在頻差，頻差引起的時間誤差會不斷累積，所以經(jīng)常需要對鐘以消除該誤差，當(dāng)同步鐘的數(shù)量超過3臺時，同步和對鐘將很繁瑣；電臺同步的精度較低，發(fā)射機和各個接收機之間容易受障礙物遮擋，同步距離有限[6-8]。本方案基于GPS+溫補晶振同步設(shè)計，GPS 秒脈沖只具有隨機誤差、不具有累積誤差的優(yōu)點可以消除同步時鐘源的誤差，溫補晶振與恒溫晶振相比功耗顯著降低，可有效降低儀器的體積和重量。該設(shè)計無啟動時間，可提高儀器的工作效率[9-10]；在保證同步精度的同時，可降低儀器設(shè)備的成本，便于推廣應(yīng)用[11]。同步原理框圖如圖1所示，GPS模塊為U-BLOX公司的LEA-5T，授時精度為30 ns，溫補晶振的頻率準(zhǔn)確度為1×10-7，同步系統(tǒng)的最大誤差為GPS授時精度與晶振的1個時鐘周期之和。本方案中GPS授時精度為30 ns，晶體頻率為16.384 000 MHz，對應(yīng)的時鐘周期為1/163 840 00 s=61 ns，故最大同步誤差為30+61=91 ns，遠(yuǎn)小于測量儀器要求的1.24 μs，滿足最高工作頻率為128 Hz時的相位測量精度。

圖1 高精度同步原理框圖

采用GPS同步時，同步時鐘由1 PPS的上升沿觸發(fā)，主控單片機讀取GPS模塊的授時信息，通過PA口設(shè)置同步時序控制電路的工作方式，產(chǎn)生發(fā)射機的工作頻率。采用外同步時，同步時鐘由外同步脈沖的上升沿觸發(fā)。發(fā)射機和接收機采用相同的同步方案，保證發(fā)射電流和接收電壓之間嚴(yán)格同步，如圖2所示。在圖2a同步時鐘的驅(qū)動下，發(fā)射機以恒流方式供出圖2b所示的理想方波電流。接收機的接收電壓波形如圖2c所示，與發(fā)射電流波形相比，上升沿變得圓滑，這是地下地質(zhì)體的極化效應(yīng)所致。頻譜激電的觀測參數(shù)之一就是該極化相位，因此，高精度的同步技術(shù)是相位測量的重要保證。

圖2 同步時鐘、發(fā)射電流和接收電壓時序圖

1.2 高精度穩(wěn)流技術(shù)

基于同步相關(guān)檢測的相位提取技術(shù)中，將發(fā)射電流方波作為參考基準(zhǔn)，要求發(fā)射電流為理想方波(如圖2b)。實際工作中，供電電極深埋于地下，受極化作用的影響接地電阻(發(fā)射機的負(fù)載)隨時間發(fā)生變化，為保持發(fā)射電流恒定，使其不受負(fù)載效應(yīng)和源效應(yīng)(電源電壓波動)的影響，發(fā)射機必須具有良好的穩(wěn)流機制。實踐表明，穩(wěn)流精度應(yīng)達(dá)到0.1% 或更高[12]，觀測到的絕對相位才有實際意義。換言之，如果發(fā)射電流不穩(wěn)定，接收端觀測到的相位可能是發(fā)射電流不穩(wěn)定導(dǎo)致的偽相位，而不是地下目標(biāo)體的真實極化相位。

圖3是基于ARM單片機和IGBT功率開關(guān)設(shè)計的高精度穩(wěn)流原理框圖，由穩(wěn)流ARM、隔離驅(qū)動、IGBT功率開關(guān)、電流隔離檢測和低通濾波等組成。逆變橋及連接在AB端的大地或假負(fù)載構(gòu)成穩(wěn)流電路的負(fù)載。為了避免調(diào)制脈沖(PWM)與發(fā)射電流波形(AB輸出)之間由于時鐘源的差異產(chǎn)生系統(tǒng)相位差，本方案中的主控CPU和穩(wěn)流ARM采用同一個溫補晶振作為工作時鐘，以消除系統(tǒng)自身相位誤差。該工作時鐘由同步時序控制電路產(chǎn)生。

圖3 高精度穩(wěn)流原理框圖

工作時，穩(wěn)流ARM(STM32F103VBT6)根據(jù)主控CPU設(shè)定的電流值啟動穩(wěn)流功能。STM32控制內(nèi)部的ADC(12位)進行電流采樣，對電流樣進行數(shù)字濾波并與設(shè)定的電流值進行比較，若供電輸出電流小于設(shè)定的電流，STM32將增加調(diào)制脈沖的寬度(片內(nèi)16位PWM控制器)，使輸出電流增大；反之，若供電輸出電流大于設(shè)定的電流，STM32將會減小調(diào)制脈沖的寬度，使輸出電流變小。此過程無限循環(huán)，保持供電電流恒定。

穩(wěn)流精度按照(1/2N)×100%計算，N為ADC的位數(shù)；這里N=12，故穩(wěn)流精度的理論值為0.02%，實際精度達(dá)到了0.1%。由于電流采樣、電流濾波、脈寬調(diào)制均為數(shù)字形式，因此本穩(wěn)流方案的抗干擾能力強、穩(wěn)流精度高。

1.3 相位提取技術(shù)

常規(guī)相位測量方法如圖4所示，硬件電路同時對圖4a所示發(fā)射電流波形和圖4b所示接收電壓波形做上升沿檢測，得到如圖4d、e所示的脈沖，測量這兩個脈沖的時間差，再將其換算為對應(yīng)供電周期的相位差，如圖4e中的φ1。圖4b是一種理想的接收電壓波形,實際工作中，由于接收電極埋設(shè)于大地，電極接收到的是包含天然電磁場和各種人文干擾的混合信號(如圖4c)，這種包含噪聲的信號經(jīng)放大整形和上升沿檢測后如圖4f所示；該脈沖與發(fā)射電流脈沖圖4d比較，測得的相位如圖4f的φ2所示，并非目標(biāo)體的極化相位。由于干擾和噪聲的頻率和幅度不固定，導(dǎo)致相位測量發(fā)生偏差；在測量電路中加入工頻陷波器，效果改善也不明顯，而陷波器帶來的相位移將使處理電路變得更為復(fù)雜，增加調(diào)試工作量和儀器成本。

圖4 基于硬件電路的相位檢測原理

野外觀測時，被測信號常常淹沒于噪聲中，為了從干擾環(huán)境中有效提取微弱信號，本文開發(fā)了一種基于高精度同步的弱信號相關(guān)檢測技術(shù)——同步數(shù)字相關(guān)檢測技術(shù)，該技術(shù)實現(xiàn)的前提條件是發(fā)射電流恒定、發(fā)射與接收之間在時間上嚴(yán)格同步，其原理框圖見圖5。

圖5 數(shù)字同步相關(guān)檢測原理框圖

接收電極MN兩端的信號經(jīng)過阻抗變換、信號放大，直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行轉(zhuǎn)換。同步時序控制電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和參考信號發(fā)生器提供同步工作時鐘，該時鐘與發(fā)射機端的發(fā)射電流嚴(yán)格同步。ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在相關(guān)檢測器中進行同頻正弦變換和余弦變換，由于正弦函數(shù)和余弦函數(shù)是一對正交基，所以經(jīng)過變換就可得到被測信號的實分量和虛分量，再利用實分量和虛分量計算出被測信號的幅值和相位。相關(guān)檢測器中的乘法器和積分器可以采用硬件實現(xiàn)，也可以采用軟件實現(xiàn)，由于ARM處理器的運算速度足夠快，故本方案中采用軟件實現(xiàn)。接收電壓信號經(jīng)過正弦和余弦變換后，若實部表示為A、虛部表示為B，則該信號的幅值、相位及電阻率的計算公式如下：

(2)

信號相位：φ=1000×arctan(B/A)，

(3)

(4)

式中：R為信號幅值，單位V；φ為接收電壓滯后于發(fā)射電流的絕對相位，單位mRad；K為裝置系數(shù)；I為發(fā)射電流，單位A；ρ為視電阻率，單位Ω·m。

本方案與常規(guī)相位測量電路相比，接收機省去了陷波器、信號整形、時間測量、乘法器和積分器等，接收機電路結(jié)構(gòu)更簡單、調(diào)試工作量小，采用同步相關(guān)檢測和窄帶數(shù)字濾波技術(shù)可有效濾除工作頻率之外的干擾信號，具有更強的抗干擾能力。場地試驗結(jié)果表明：該技術(shù)可在強干擾背景下有效提取周期性弱信號，效果優(yōu)于基于硬件電路的信號檢測方法；在弱極化區(qū)工作時極化相位的幅度更大，反映異常的效果更明顯[13]。

2 與原型儀器的對比試驗

2.1 試驗技術(shù)條件

基于上述方案對原型儀器進行了改進和完善，形成實用化的頻譜激電測量儀器，并在內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗某礦區(qū)開展了實用化儀器與原型儀器的對比試驗。

試驗采用陣列方式的偶極—偶極觀測裝置，如圖6所示：AB為供電電極，MN為接收電極，接收機為雙通道，2個通道對應(yīng)的接收電極分別為M1-N1和M2-N2。發(fā)射與接收間采用高精度GPS同步方式，一臺發(fā)射機供電，多臺雙通道接收機按陣列方式同時測量，一次供電過程就可獲得多個深度的觀測信息，觀測深度根據(jù)工作需要選擇相應(yīng)的隔離系數(shù)1，2，…，n；發(fā)射機和接收機沿測線跑極一遍，就可獲得該測線的相位和電阻率等地電斷面資料。

圖6 野外工作示意

儀器主要指標(biāo)：工作頻率128、64、…、2、1、1/2、…、1/128 Hz；最高供電電壓600 V；最大發(fā)射電流1.5A；相位測量精度優(yōu)于1 mRad；GPS同步精度±30 ns；功率高壓電源采用24 V鋰電池升壓產(chǎn)生。

試驗參數(shù)：實用化儀器和原型儀器各投入1臺發(fā)射機，實用化接收機2臺(編號1、2)，原型接收機3臺(編號16、17、18)。工作方式：軸向偶極—偶極裝置；AB=MN=80 m；點距40 m；工作頻率4、1、0.25 Hz。實用化儀器和原型儀器的隔離系數(shù)均為n=1、2、3、4。

2.2 一致性檢測

實用化儀器和原型儀器的一致性對比在測量工作開始之前進行。在相位異常較大的地段選11個測點，每臺儀器均在相同條件下進行往返多次觀測，隔離系數(shù)選用1和2，每臺儀器的第1道與第1道對比、第2道與第2道對比。視電阻率采用均方相對誤差衡量，視相位采用總均方誤差衡量，一致性對比結(jié)果列于表1。評判依據(jù)為《陣列相位激電法工作手冊》(試用稿，2008年9月由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所編制)，該手冊規(guī)定儀器的相位誤差不應(yīng)大于設(shè)計總精度的2/3。從表中數(shù)據(jù)可看出，5臺儀器的一致性檢測結(jié)果均滿足手冊要求。

表1 儀器一致性檢測結(jié)果

2.3 工作量及工作質(zhì)量

實用化儀器和原型儀器均完成3條剖面的測量工作，有效剖面長度4 440 m，總測點數(shù)114個。實用化儀器和原型儀器檢查點數(shù)分別為12個和10個，檢查點數(shù)占總測點數(shù)比例分別為10.53%和 8.77%。經(jīng)計算，實用化儀器視電阻率均方相對誤差為2.17%，視相位總均方誤差為0.30 mRad；原型儀器視電阻率均方相對誤差為3.38%，視相位總均方誤差為0.60 mRad，滿足《陣列相位激電法工作手冊》檢查觀測點數(shù)占總觀測點數(shù)的3%～5%、視電阻率檢查觀測的均方相對誤差應(yīng)小于5%、視相位檢查觀測的總均方誤差應(yīng)小于1 mRad之要求。

2.4 剖面對比結(jié)果

為了客觀反映實用化儀器和原型儀器對相位異常的發(fā)現(xiàn)能力，兩種儀器開展了同測線、同測點、同深度的對比觀測，并繪制成剖面圖，相位和電阻率均為原始數(shù)據(jù)，未經(jīng)任何處理或編輯。由于篇幅所限，僅給出124號線的對比情況，圖7為2種儀器在124號線的視電阻率和視相位觀測結(jié)果對比，該圖展示了3個頻率的觀測結(jié)果，每個頻率均包括3個隔離系數(shù)的觀測數(shù)據(jù)。黑色曲線表示實用化儀器的測量結(jié)果，紅色曲線表示原型儀器的測量結(jié)果，兩種儀器觀測的曲線形態(tài)相同，數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系較好。

圖7 124線實用化儀器與原型儀器視電阻率、視相位測量結(jié)果對比

對比試驗表明，采用數(shù)字式同步相關(guān)檢測技術(shù)設(shè)計的相位測量儀器，具有輕便、快速、觀測精度高和抗干擾能力強等特點，能夠在接地條件差、人文干擾強等常規(guī)激電難以開展工作的地區(qū)開展工作。在發(fā)射電流小、接收信號弱、強干擾等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，可實現(xiàn)對激電異常的有效探測[14]。

3 結(jié)論

深入研究了頻譜激電測量儀器的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對原型樣機做了改進和完善，形成實用化的適合推廣的頻譜激電測量儀器。全新設(shè)計的數(shù)字式弱信號同步相關(guān)檢測技術(shù)方案，省去了接收機中的陷波器、信號整形、時間測量、乘法器和積分器等硬件電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了相位檢測的穩(wěn)定性，降低了儀器的成本，減小了儀器調(diào)試的工作量，更適合推廣應(yīng)用。礦區(qū)對比試驗表明，基于新方案設(shè)計的實用化儀器與原型儀器相比，具有同等發(fā)現(xiàn)異常的能力和更強的抗干擾能力。希望本文所述關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方案對同行及同類儀器研制有借鑒意義。