徐哈寧， 肖 慧， 黎正根， 曾正軍

(東華理工大學核工程與地球物理學院，江西撫州 344000)

電法勘探理論和儀器研究隨著科學技術(shù)的發(fā)展和找礦工作的需要日臻完善。尤其是大規(guī)模集成電路的應用和計算速度的進一步提高，使電法勘探已開始向三維方向發(fā)展(楊振威等，2012;張彬等，2011;湯洪志等，2011;孫大明等，2002)?，F(xiàn)階段國內(nèi)、外比較先進的電法勘探儀器有:德國的DMT公司生產(chǎn)的RESECSⅡ高密度電法儀、美國AGI公司的SUPERSTING-R8和法國IRIS公司的SYSCAL Pro。上述儀器都屬于典型的第三代二維和準三維電阻率測量儀器，均難以滿足三維電阻率采集過程中大量電極管理和海量高精度數(shù)據(jù)并行采集的要求。

二維電法的數(shù)據(jù)采集采用單一順次方式，測量效率低，且地質(zhì)目標體多為三維地電結(jié)構(gòu)，對三維體若僅進行一維或二維數(shù)據(jù)采集與反演解釋，不可避免會產(chǎn)生偏差(Shore，1992;Sasaki，1994;Lokem et al.，1996，1994;趙亮等，2010;邱航等，2010)。目前只有美國、法國和瑞典等少數(shù)幾個國家開展了三維電阻率采集系統(tǒng)和三維反演成像技術(shù)的研究工作，我國尚未掌握相應的關(guān)鍵技術(shù)(周立功等，2005)。因此，三維電法勘探領(lǐng)域需要大量電極的同步管理和海量數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為資源勘查技術(shù)的重要研究方向(李昊，2012;劉鑫明等，2013)。

1 總體設計

針對國內(nèi)、外常見的二維電阻率采集系統(tǒng)存在著電極管理集中、信號測讀集中，不能并行快速采集數(shù)據(jù)和軟硬件系統(tǒng)集成差等不足(張衛(wèi)等，2011;魯晶津等，2010;Shima，1990)。本文設計一種三維并行直流電法勘探系統(tǒng):LQC-II型三維電阻率采集系統(tǒng)(我校與美國勞雷工業(yè)公司合作研制的新型三維電阻率采集系統(tǒng))。該系統(tǒng)由主機、電測子站、多模式智能電極等組成。主機通過CAN總線與各電測子站相連控制各電測子站16通道、24位電性數(shù)據(jù)的并行采集和傳輸;每個電測子站管理16個智能電極組成的電極系，所有電極通過一條24芯(VCC、GND、A、B、M、N、RA、RB、信號 1、…、信號16)的電纜與電測子站相連，每個電極上使用電纜上的9根線(VCC、GND、A、B、M、N、RA、RB 和1 根數(shù)據(jù)信號線)，通過控制電極完成電極狀態(tài)在供電電極、普通測量電極、不極化測量電極或空置之間的自動轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)可以管理n×16個電極。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

2 采集系統(tǒng)硬件設計

硬件電路設計主要由模擬信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號處理及傳輸電路組成。

模擬信號調(diào)理電路模塊如圖2所示。16路電極采集信號經(jīng)過+15 V、－15 V過壓保護后輸入多路模擬開關(guān)，實現(xiàn)多路信號的16選1通道，采用具有失調(diào)電壓低，導通電阻小的集成芯片ADG526。帶阻模塊針對50 Hz的工頻干擾，濾波除去48～52 Hz干擾信號，有效提高采集系統(tǒng)在野外環(huán)境下使用的抗干擾性能?？紤]輸入信號頻率低，幅值小的特點，先對信號進行一階小倍率放大，選用可編程增益放大器PGA205，放大倍數(shù)可編程設定為2、4和8。信號二階放大選用與 PGA205同系列的PGA204，放大倍數(shù)可設定為10、100和1000。通過兩階放大電路之后，輸入信號調(diào)整在ADS1258的最佳轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。

模擬量采集選用美國TI公司高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1258，通過程序控制設計數(shù)據(jù)速率達到125kSPS，采樣誤差小于0.000 3%;應用高速32位ARM7TDMI(LPC2378)處理器作為主控芯片，主頻頻率可達72 MHz;ADS1258采用雙極性±2.5 V的電壓差模采集方式，有效避免了前端引入的基準誤差;采集方式設定固定通道模式，避免因通道差異引入的干擾誤差整體采用4層PCB板設計，綜合考慮采集板的電磁兼容性、信號完整性和電源完整性，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

圖2 信號調(diào)理電路模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagam of signal conditioning circuit

目標體電性信號經(jīng)過兩個8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1258采集，轉(zhuǎn)化為24位數(shù)字量，通過SPI總線傳輸?shù)街魈幚砥骷嗀RM7，其中每次測量的第一個數(shù)據(jù)為自然電位，采集程序編寫時定義為一個全局變量，通過ARM7控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使其轉(zhuǎn)換成模擬量輸入到一階程控放大器PGA205的基準端，與之后采集的目標體電性信息相減;由于ADS1258跨接模擬電路和數(shù)字電路兩端，為了減少信號受到的干擾，采用光耦隔離模擬開關(guān)的控制信號，使用ADuM1200ARZ隔LPC2378與A/D的數(shù)字信號。LQC－II型三維電阻率采集系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

數(shù)字電路模塊以LPC2378微處理器為核心，外圍配有復位控制電路、CAN總線接口、RS485通信接口。主機通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)子站與主機通信，通過RS485總線實現(xiàn)子站與智能電極通信，子站根據(jù)測量需要轉(zhuǎn)換智能電極的狀態(tài)。

3 采集系統(tǒng)軟件設計

采集過程如圖4所示。首先對系統(tǒng)進行初始化設置，并完成對所有電測子站和智能電極的測試(檢驗其是否能夠正常工作);然后設置系統(tǒng)的各個參數(shù)，包括:采樣時間，工作方式，裝置類型等;主機發(fā)送采集開始指令，系統(tǒng)進行采集并傳輸數(shù)據(jù)。

4 測試試驗

圖3 LQC－II型三維電阻率采集系統(tǒng)實物圖Fig.3 LQC-Ⅱ three-dimensional resistivity collection system

圖4 采集系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Software flowchart of collection system

低阻體模型試驗在三維電法水池內(nèi)進行。水池設計尺寸為6 000 mm×6 000 mm×3 000 mm。布置16×16的三維測量網(wǎng)格，電極間距為20 cm，試驗模型銅球直徑38.2 cm。銅球處于網(wǎng)格中央，埋深8 cm。采用全三維E－SACN測量方式，見圖5。電極按行列式形式編號成1～256號電極。

試驗過程:主機向16個電測子站發(fā)送采集開始指令;1號電測子站控制1號電極轉(zhuǎn)換為供電電極，其余255個電極轉(zhuǎn)換成測量電極;16個子站同時采集電性數(shù)據(jù)，采集完成后將255個數(shù)據(jù)通過CAN總線傳到主機;主機接收完畢發(fā)送第二次采集指令，2號電極轉(zhuǎn)換成供電電極，其余255個電極轉(zhuǎn)換為測量電極，進行測量;重復上述過程直到完成256號電極供電，其余電極轉(zhuǎn)換為測量電極，整個測量過程完畢。

圖5 電極網(wǎng)格布置圖Fig.5 Electrode grid layout

整個測量過程共計得到65 280個數(shù)據(jù)，根據(jù)電位互換原理，同一深度點數(shù)據(jù)進行平均處理，實際數(shù)據(jù)點為32 640個。在一次性布置完電極后，測量時間僅約30 min。

5 結(jié)論

本文介紹的LQC－II型三維電阻率采集系統(tǒng)，可根據(jù)需要擴展為由主機并行控制N個電測子站，每個電測子站控制16個智能電極，在較短的時間內(nèi)，實現(xiàn)N×16個點的電性數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)可廣泛應用于水、工、環(huán)地質(zhì)勘查和礦產(chǎn)資源勘探。

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