廖水平，張益勝，龍祥忠，劉旭川，彭祥，陳紅

（重慶地質(zhì)儀器廠，重慶400033）

1 引言

大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)從方法來講，就是利用人工場源，對人工建立于地下的電場進行觀測和研究?？梢圆捎脙蓚€途徑實現(xiàn)對目標體的精細探測，一是通過加大發(fā)射系統(tǒng)的功率，實現(xiàn)高精度測量；二是通過最大限度的提高接收系統(tǒng)的分辨率，在同等發(fā)射功率條件下，實現(xiàn)高精度測量。我們的設(shè)計思路是采用兩者兼顧的辦法，實現(xiàn)對目標體的精細探測。有兩個問題需要考慮，第一接收機和發(fā)送機的同步問題，因為采集二次場電壓信號是在發(fā)送機斷電后，經(jīng)過延時某段時間進行采集的，所以必須保證接收機和發(fā)送機的嚴格同步。第二確保采集到的數(shù)據(jù)的可靠性，穩(wěn)定性和重復(fù)性，應(yīng)能滿足野外技術(shù)規(guī)范的要求。同時也要保證多臺接收機的一致性，因為大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)的工作方式大多采用一臺發(fā)送機和多臺接收機同時工作。

2 大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)的工作原理

大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)主要由發(fā)送機，接收機，整流源三部分組成。

由發(fā)送機通過A、B供電電極向大地供占空比為1∶1的正負方波電流信號如圖1所示，地下極化體被激化后產(chǎn)生二次場V2，接收機接收到理想波形如圖2所示。待接收機和發(fā)送機同步后，按預(yù)置時間測量一次場電位V1（VP）和二次場電壓信號V2，按照視極化率計算公式求出極化率值。

圖1 發(fā)射波形

圖2 接收波形

根據(jù)接收機采集到一次場電壓信號V1（VP）和二次場電壓信號V2，按照視極化率計算公式求出極化率值。

公式：視極化率＝（100×V2／V1）%

3 發(fā)送機系統(tǒng)設(shè)計特點

如圖3所示，上半部分是高壓部分，下半部分是低壓部分，高壓與低壓之間隔離。

圖3 發(fā)送機面板

3．1 關(guān)鍵技術(shù)

大功率激電儀的突出特點是一次場電位、二次場電位幅值的高精度測量，實時數(shù)據(jù)處理，供電波形快速關(guān)斷，為了實現(xiàn)這一目標，采用以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）增設(shè)高精度GPS同步技術(shù)，是視極化率測量的核心技術(shù)。發(fā)射與接收能否精確同步，是關(guān)系到視極化率測量的關(guān)鍵。

（2）大動態(tài)（程控放大器），高精度的16位A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)，是提高弱信號檢測和信號分辨能力的關(guān)鍵。在同一供電電流的條件下，可以獲得較大的勘探深度，有利于節(jié)省供電功率，減少發(fā)送機體積和重量，實現(xiàn)儀器的輕便化。

（3）高壓條件下供電波形快速關(guān)斷和逆變器保護技術(shù)。采用先進的IGBT模塊，具有耐高壓，電流容量大，開關(guān)速度快等優(yōu)點，保證供電波形快速上升和下降，多種保護技術(shù)，保證發(fā)送機可靠工作。

（4）塑料密封箱體輕便堅固，適合野外工作。

（5）接觸牢靠的接線柱，特點是接線柱上有穿線孔，接線柱的塑料螺帽內(nèi)嵌有銅螺帽，比塑料螺帽高出一些，確保A、B供電線接觸牢靠。

（6）實時記錄發(fā)送機供電電流強度和對應(yīng)的時間，以便處理軟件計算視電阻率。

（7）去掉原有的環(huán)形變壓器，內(nèi)部供電電源分三種方式：內(nèi)部鋰電池供電；外接電池供電；接入220V（交流）供電。

（8）利用鍵盤專用鍵調(diào)節(jié)顯示器的灰度。

（9）如果儀器發(fā)生故障，故障指示燈亮，同時蜂鳴器發(fā)出叫聲。

（10）供電極性指示用液晶顯示。

3．2 發(fā)送機主要技術(shù)指標

（1）輸入電壓：220V、50Hz交流電（用市電或發(fā)電機）；

（2）輸出電壓：50～70V、100～145V、200～280V、300～400V、500～680V、700～950V、850～1100V、1000～1200V；

（3）節(jié)拍選擇：T＝1～64s；

（4）最大輸出功率：10k W；

（5）輸出電流：0．1～10A；

（6）電壓紋波系數(shù)：＜5%；

（7）帶供電極性指示和直流電壓指示；

（8）儀器使用環(huán)境條件：－10～＋45℃，相對濕度小于93%；

（9）過流保護：電流大于10A時保護。

3．3 發(fā)送機原理框圖（圖4）

發(fā)送機系統(tǒng)所采用的CPU為NXP的P89V51單片機，它控制數(shù)據(jù)信號的采集、處理、傳輸、程控放大器及IGBT等，A／D采用TI公司的16位A／D轉(zhuǎn)換器ADS7813，IGBT是采用日本三菱公司的產(chǎn)品。

圖4 發(fā)送機框圖

發(fā)送機采用脈沖后延時與接收機實現(xiàn)軟件（主動）同步方式；發(fā)送機上裝有高精度石英鐘模塊、高精度GPS模塊，實現(xiàn)發(fā)送機與接收機精確同步。

4 整流電源

整流源由變壓器部分、整流部分、濾波部分和輸出部分組分（圖5）。

圖5 整流源框圖

5 接收機系統(tǒng)DJS－9的設(shè)計特點

5．1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）增設(shè)GPS同步技術(shù)。

（2）采用大動態(tài)程控放大器，高精度的A／D轉(zhuǎn)換器，提高系統(tǒng)的分辨率，實現(xiàn)高精度測量。

（3）保留軟件同步和內(nèi)部時鐘同步測量方式，方便野外測量和室內(nèi)檢驗儀器或室內(nèi)標本測量。另一方面GPS同步技術(shù)易受遮檔物的影響從而使同步失敗，有了軟件同步和內(nèi)部時鐘同步測量方式就能保證測量工作正常進行。在室內(nèi)進行標本測量或檢驗儀器，如果采用GPS同步方式，效率會很低，所以此時適合采用軟件同步方式。

（4）采用緩沖數(shù)據(jù)采集技術(shù)，提高采樣率。系統(tǒng)對測量電場信號幅值的分辨能力提高，有利于提高接收系統(tǒng)的測量精度。

（5）利用科學(xué)采樣計算法采樣，可以消除在采樣過程中自然電位漂移的影響。

（6）優(yōu)化提升硬件電路的技術(shù)含量，巧妙合理設(shè)計印刷電路版，在模擬板上將數(shù)字器件和模擬器件分開走線，最大化擴大地線面積，將數(shù)字地和模擬地分開最后一點接地。最大化擴大電源線面積，將電源線與地線分別放置在印刷電路板兩面，并利用敷銅工藝。

圖6 DJS－9接收機

圖7 中間梯度裝置示意圖

（7）根據(jù)某一個測點的坐標位置，采用激電處理軟件可以計算出該測點的K值（中梯），再參考發(fā)送機測量的電流和接收機測量一次場電位V1（VP），根據(jù)視電阻率公式計算出視電阻率。該項工作可在激電處理軟件上完成。其（X，Y）坐標系是以供電電極A為原點，主測線為X軸，垂直X軸為Y軸，不僅可以做視極化率剖面曲線圖，還可以做視電阻率剖面曲線圖。

5．2 主要技術(shù)指標

（1）一次場VP：測量范圍±6V；

（2）測量誤差：當VP＞3m V時，為±1%±1個字；

當VP＜3m V時，±2%±1個字；

（3）VP分辨率：10u V；

（4）視極化率測量誤差：當 MS＜3%時，±0．1；當MS＞3%時，±2%；

（5）自然電位Vsp測量范圍：±1000m V；

自然電位Vsp測量精度：Vsp＜10m V時，±2%；Vsp＞10m V時，±1．5%；

（6）50 Hz工頻壓制60d B；

（7）輸入阻抗大于5MΩ。

5．3 接收機原理框圖（圖8）

接收機由機箱、面板、模擬通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換，同步系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，人機接口，電源系統(tǒng)等組成。

圖8 接收機原理框圖

內(nèi)部集成了CPU模塊、GPS模塊、ADC模塊、高精度石英鐘模塊以及模擬信號調(diào)理模塊等。

5．4 DJS－9主要功能

可以實現(xiàn)SP自然電位法和TDIP（時間域激電）激發(fā)極化法測量，既可以獨立完成SP測量工作，也可以與發(fā)射機一起完成TDIP人工場方法測量工作。

能自動調(diào)節(jié)增益，補償、計算、測量及預(yù)置有關(guān)數(shù)據(jù)。

參數(shù)測量能直讀，通過面板上液晶顯示器直接顯示一次場VP，視極化率M1～M4。

具有三種授時功能：①手動授時；②發(fā)送機同步授時；③GPS同步授時。

具有三種同步測量方式：①軟件同步；②內(nèi)部時鐘同步；③GPS同步測量方式。

6 在重慶某地野外工作實例

根據(jù)該測量系統(tǒng)多年的野外使用過程中反映的情況，如主動同步存在的問題、采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定跳動大、重復(fù)性差和嚴重超差的問題。針對上述問題，對該系統(tǒng)軟硬件進行全面提升。本次野外工作是對該測量系統(tǒng)提升后各方面指標進行全面檢驗。

工作方法：中間梯度法；

地形：平坦

儀器類型：DJS－9

供電脈寬T＝4s；

取樣寬度40ms；

延遲時間200ms；

測量次數(shù)：1次；

同步方式：GPS同步

供電極距AB：1000m；

接收極距MN：20m；

點距：20m；

測點數(shù)：18個；

供電電壓：300V，供電電流：1．88A；

測量一次場的強度為2～10m V；

表1 儀器編號：Z1100101同步方式：GPS同步（固體不極化電極）

（續(xù)表）

視極化率MS的均方相對誤差公式為（計算結(jié)果乘100%）：

式中：Msi——第i點原始觀測數(shù)據(jù)；M′si——第i點系統(tǒng)檢查觀測數(shù)據(jù)——Msi與和M′si的平均值；n——參加統(tǒng)計計算的測點數(shù)。

計算結(jié)果 M＝5．37%（小于野外技術(shù)規(guī)范10%）。

表2 儀器編號：Z1100102同步方式：GPS同步（固體不極化電極）

（續(xù)表）

視極化率MS的均方相對誤差公式為（計算結(jié)果乘100%）：

式中：Msi——第i點原始觀測數(shù)據(jù)；M′si——第i點系統(tǒng)檢查觀測數(shù)據(jù)；——Msi與和M′si的平均值；n——參加統(tǒng)計計算的測點數(shù)。

計算結(jié)果M＝5．2%（小于野外技術(shù)規(guī)范10%）

7 結(jié)論

為了達到設(shè)計的要求，滿足用戶的需求，進一步提高儀器同步的可靠性，提高數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性，該產(chǎn)品對軟件，硬件進行了大量的升級工作，增加GPS同步方式（發(fā)射機，接收機）。

經(jīng)本次整改升級后的大功率激電測量系統(tǒng)質(zhì)量有了很大幅度的提高，其結(jié)果如下：

在小信號2～10mV，視極化率為1%左右背景值情況下，新儀器的三種同步方式均滿足設(shè)計要求，一次場信號的重復(fù)性變化小于1%。多臺儀器的一致性小于1%（一次場），數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性好，總均方相對誤差在5%左右，完全符合野外要求。

在整個實驗過程中，GPS同步，時鐘同步和軟件同步三種同步方式正常。本系統(tǒng)在野外某單位使用過程中，利用軟件同步方式測量高視極化率值效果良好。

實踐證明本大功率數(shù)字激電測量系統(tǒng)設(shè)計是成功的，并取得很好的地質(zhì)效果。