專利名稱：雙頻道多參數(shù)頻譜激電觀測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地球物理電法勘探中，采用頻率域激發(fā)極化的觀測方案及適用于這種方案的觀測儀器。
頻率域方式的激發(fā)極化觀測法，是用電極向地下送入激勵電流，并從測量電極得到的電位差(電位)來觀測系統(tǒng)響應(yīng)的頻率特性，進一步利用響應(yīng)電位差及頻率特性出現(xiàn)的異常分析地下構(gòu)造。在目前幾種實用的觀測方案中，有一種為變頻方案，是在同一測點上，改變激勵電流的頻率，計算百分頻率效應(yīng)PFE(即視頻散率Ps)，或測基頻的振幅相位。這個方案的好處是可以使用較簡單的發(fā)送、接收裝置，如加拿大風(fēng)凰公司的IPV-3頻譜激發(fā)極化儀，是用接受機掃描控制發(fā)送機改變供電頻率，測量多頻振幅相位。然而，由于不同頻率的信號是在不同時間測量的，發(fā)送機的工作穩(wěn)定性將影響觀測結(jié)果，如在測視頻散率時，高、低頻電流的不穩(wěn)定便造成視頻散率的誤差。而在進行頻譜測量時，測量低頻信號所用時間較長，一個個頻率作逐個測量將很緩慢。
現(xiàn)有技術(shù)中，還有一種有代表性的奇次諧波方案，其發(fā)送機發(fā)送一定頻率的矩形波電流，接受機同時接收基波和一個或多個高次諧波(只有奇次波)測量基波和高次諧波的實分量和虛分量。美國ZONGE公司的GDP-12型復(fù)電阻率儀，就屬于這種類型。奇次諧波方案可以實現(xiàn)多頻信號同時觀測，然而，這也帶來一個難以克服的缺點，即隨著諧波次數(shù)的增高，諧波電流的幅度呈反比減小，在測量高次諧波例如13次諧波時，幅值只有基波的1/13，要達到必要的信號強度必須提高基波電流，而基波電流大幅度增加不僅造成浪費，還使發(fā)送設(shè)備加重。若取用次數(shù)較低的諧波，則使頻率范圍變窄，用于普查所需測量的視頻散率或相對相位差，因異常太小致使觀測精度低。
本發(fā)明的目的，是使被同時發(fā)送的激發(fā)電流有合適的頻差，又保證高、低頻的幅值接近，并且在此基礎(chǔ)上作到多參數(shù)、特別是頻譜的測量。
本發(fā)明的技術(shù)方案是由發(fā)送機發(fā)送高、低頻復(fù)合信號的矩形波電流，并可經(jīng)變換得到多組頻率不同的頻率對，且每對頻率的高、低頻差可以任意選定;而接收機將接收的復(fù)合信號用模擬富氏變換相干器直接變換成高、低頻的實分量、虛分量，再作模數(shù)轉(zhuǎn)換，由計算機處理得到最終觀測參數(shù)。
現(xiàn)予以進一步說明一.發(fā)送機其核心部分是雙頻形成電路，主要由觸發(fā)器和模擬開關(guān)組成。由晶體振蕩器產(chǎn)生的高頻信號經(jīng)分頻電路分頻得到較低頻率的高頻和低頻信號，改變分頻器的組合，可得到任意固定頻差的高低頻和不同的頻率對。一般頻差選為9或13倍頻，頻率對之間以2倍頻關(guān)系形成比較簡單。上述信號送入雙頻形成電路，以一定的相位將高低頻合成復(fù)合信號，經(jīng)一驅(qū)動電路控制逆變器作大功率的復(fù)合信號輸出。
二.接收機模擬通道。主要包括放大器和濾波器。放大器由多個放大級組成，以得到高的輸入阻抗(＞10MΩ)，高的增益及大的增益調(diào)節(jié)范圍(2°～212)。濾波器包括工頻陷波器和低通濾波器。低通濾波器的頻寬應(yīng)大于發(fā)送機輸出信號的頻寬。
富里埃變換相干器。這是一個將模擬量直接變換的功能單元。對接收到的高低頻復(fù)合信號，用其中低頻的一個周期T，分別經(jīng)富氏變換可得到四個參數(shù)ReU(ωL)＝ωL∫ToU雙(t)·SinωLtdtImU(ωL)＝ωL∫ToU雙(t)·COsωLtdtReU(ωh)＝ωh∫ToU雙(t)·SinωhtdtImU(ωh)＝ωh∫ToU雙(t)·COSωhtdt其中ReU(ωL)為低頻實分量電壓值;ωL為低頻圓頻率;
ImU(ωL)為低頻虛分量電壓值;ωh為高頻圓頻率;
ReU(ωh)為高頻實分量電壓值;
ImU(ωh)為高頻虛分量電壓值;
U雙為雙頻復(fù)合信號;T為周期。
以上變換完全是由富氏變換相干器實現(xiàn)的。該功能單元有一個模擬正弦波發(fā)生器，若利用控制信號移動1/4T，即可實現(xiàn)90°移位得到余弦波。
如果將復(fù)合信號直接加到正弦波發(fā)生器的入端，又控制其輸入為一個低頻周期，同時發(fā)出計數(shù)脈沖，就可實現(xiàn)低頻正弦波與一個低頻周期復(fù)合信號的相乘，其結(jié)果送入積分器積分一個低頻周期，得到ReL。同理，可實現(xiàn)低頻余弦波與一低頻周期復(fù)合信號的相乘，得到ImL。
如果控制輸入為一個高頻信號周期，同時發(fā)出計數(shù)脈沖，就可實現(xiàn)高頻正弦波或高頻余弦波與一個高頻周期復(fù)合信號的相乘，其結(jié)果送入積分器也需積分一個低頻周期得到Reh和Imh。
微處理機及其接口部分。作為接收機構(gòu)成部件的微處理機原則上可采用任何機型，實際上選用一個八位的單片機。計算機除了作為數(shù)據(jù)處理器件外，還作為控制器件完成如下功能
模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換。儀器以積分一個低頻周期的值為零點，當(dāng)輸出值不為零時，即視為自然電位SP+零點之和，由微機控制將此值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后貯存，再通過接口由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量送入放大器對SP+零點予以補償。控制高頻、低頻的實分量、虛分量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和運算，得出所需觀測參數(shù)，并予以貯存，以備調(diào)用。
同步信號傳送器是實現(xiàn)高壓與低壓隔離，傳送同步信號給接收機作為測量基準(zhǔn)。
本發(fā)明采用雙頻發(fā)送、雙頻同時接收處理取得觀測參數(shù)的方式，可保證觀測精度，避免了使設(shè)備擴大加重的問題，實現(xiàn)了多功能激電觀測儀器的小型化。可用一對頻率做普查工作，也可選用多對頻率做激電頻譜測量以滿足詳查需要。
附

圖1為本發(fā)明的發(fā)送機的電路聯(lián)系圖;
附圖2為本發(fā)明的發(fā)送機的電路波形圖;
附圖3為本發(fā)明的接收機的電路聯(lián)系圖;
附圖4為本發(fā)明中的富氏變換相干器電原理圖;
附圖5為本發(fā)明中計算機程序框圖。
本發(fā)明的一個實施例得到附圖的支持。各部分電路構(gòu)成和聯(lián)系介紹如下一.發(fā)送機振蕩器1為石英晶體振蕩器，其標(biāo)稱頻率為32768HZ。
分頻電路2及頻率轉(zhuǎn)換電路3由4片C186任意進制異步加法計數(shù)器和10個D觸發(fā)器組成。由一個波段開關(guān)改變接線，得到9分頻與13分頻，另一個波段開關(guān)控制形成8個不同的頻率對0.028/0.25;0.056/0.5;……3.566/32Hz或0.019/0.25;0.038/0.5……2.462/32Hz。
雙頻形成電路4由4個觸發(fā)器組成，產(chǎn)生兩組復(fù)合信號(如附圖2中a、b所示)，輸出控制驅(qū)動電路5，并取出一部分輸出到測標(biāo)本電路7。
測標(biāo)本電路12由4組16個觸發(fā)器組成。
驅(qū)動電路5由7個晶體管組成電流放大器和射隨器，復(fù)合信號經(jīng)延時后，再經(jīng)射隨器至一微分電路，最后經(jīng)反相器輸出控制逆變器6按時序?qū)?，控制波形如附圖2中e，f。逆變器6輸出電壓400v，波形如附圖2中d。
采樣電阻8。通過采樣電阻8和電流測量電路9測量供電電流。
第一過流保護電路10設(shè)定值為額定電流的1.25倍，過流時由一個3CT1KC的可控硅封鎖驅(qū)動電路5及電流開關(guān)電路7，以切斷主回路。
第二過流保護電路11設(shè)定值為1.3倍額定值，過流時由CR55導(dǎo)通短路高壓，使保險燒斷，以切斷主回路。
穩(wěn)壓電源13輸出+8V和-8V兩組電壓。
二.接收機前置放大器14主要由CMOS四運算放大器、2個C544模擬開關(guān)、2個反相器組成。其中的兩個放大器并聯(lián)再接一組差動放大器。輸入阻抗＞50MΩ，增益調(diào)節(jié)范為20～25，由模擬開關(guān)控制。微機控制使前放增益KF＝1時輸出的自然電位SP加前置零點值，經(jīng)調(diào)零積分器15積分一個低頻周期后，通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量在微機中貯存，并經(jīng)D/A1轉(zhuǎn)換將其模擬量送入前置放大器完成“SP+前置零點”的補償。八種不同頻率對的補償信號通過改變積分時間常數(shù)或通過信號衰減器兩種方法使其調(diào)零積分的結(jié)果保持一致。
濾波級16由兩級陷波頻率分別為49.5±0.2Hz和50.5±0.2Hz的有源工頻陷波器與一級110Hz的有源低通濾波器組成。對工頻的壓制＞40db。
主放大級17是一個2進制增益放大器，由反相輸入比例放大器、反饋電阻、接口及八通道模擬轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的自動增益控制放大器。增益(及調(diào)節(jié)范圍)為20～27。前置級“SP+零點”補償后的剩余值和主放級本身零點，經(jīng)過調(diào)零積分器18積分后，同樣經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換→存貯→D/A2轉(zhuǎn)換→主放級再次進行補償。
富里埃變換相干器19，其具體電路如圖4所示。其中低頻實分量的富氏變換相干器由27可預(yù)置四位二進制可逆計數(shù)器5G14516和32單八通道轉(zhuǎn)換器CH4051及CO43觸發(fā)器28、29、30，電阻衰減器36，與門40，或門41，及跟隨器31，反相器33，開關(guān)42、43等組成。在31的輸入端加一個正直流電平，將計數(shù)脈沖加到27CP端，在32的輸出端就會產(chǎn)生一個正弦波，其周期由計數(shù)脈沖的頻率決定。將放大后的復(fù)合雙頻信號，經(jīng)33檢波反相后直接加到正弦波發(fā)生器的入端(即電阻衰減器入端)，用計算機控制輸入雙頻信號為一個低頻周期，同時通過微機根據(jù)同步脈沖(電流相位基準(zhǔn))發(fā)頻率為32fL的計數(shù)脈沖，得到低頻正弦波與一個低頻周期雙頻信號的相乘結(jié)果，由32輸出，送入34積分，即得到ReL。低頻積分器34是由ICL7650運算放大器，積分電阻46，積分電容48，積分輸入開關(guān)44，輸入短路開關(guān)457，積分抹去開關(guān)478及觸發(fā)器30等組成。積分時間1、2、3、4組頻率對以最低頻的第4組的一個低頻周期長為準(zhǔn);而5、6、7、8組的輸入信號預(yù)先逐次按2的信數(shù)衰減，故每一大組中的積分值具有一致性。低頻虛分量的富里埃變換相干器是由27、35、28、29、37、38、39、49、50、51、52、53、54、55等組成。35與電阻衰減器37的接法與32的接法相反，因此而可以輸出一條余弦波。將一個低頻周期的雙頻信號經(jīng)33反相后送入余弦波發(fā)生器，即可從35輸出端得到ImL，由積分器積分輸出。
高頻實分量和高頻虛分量的富里埃變換相器具有與上相同的電路，只是處理的為復(fù)合信號中的高頻部分。而積分時間仍與低頻的相等。
微處理機21。選用八位的80C39單片微處理器，具有4K的地址尋址功能，其引線12-19是數(shù)據(jù)總線，又是低八位地址總線，另外采用2塊D4042作為地址鎖存器。地址的高3位用單片機上的P20-P22接口。儀器的所有控制軟件均存在27C16的2KEPROM中，運行中的ROM由80C39本身提供。另有6116隨機貯存器來存貯野外觀測數(shù)據(jù)，其高3位地址由80C39的接口P10-P12提供、低八位地址則由D4042提供。此外，還采用7塊8243外圍接口片子，每片提供4組4個共16個外圍接口，由80C39的P25-P27的信號經(jīng)三-八譯碼C301譯碼來控制。其輸出、輸入口接在儀器所需的各控制、反饋端上，從而完成微處理機與儀器各部分的聯(lián)系。
微處理機軟件。與硬件結(jié)合作為本機的控制中心，可按需要設(shè)置、編程，以實現(xiàn)對各種反饋信號的檢則、比較，發(fā)布控制信號，協(xié)調(diào)儀器各部分工作，根據(jù)各種反饋信號，控制接收機完成不同的檢測功能。對所測結(jié)果進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)貯存，以供觀測時的人機對話及工后數(shù)據(jù)回放處理(軟件基本框圖見附圖5)1.根據(jù)整機需要控制AD模數(shù)轉(zhuǎn)換和DA1、DA2模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成前置放大級和主放級的SP及儀器零點的補償。
2.為使主放級輸出信號在800mv-2000mv之間，微機自動調(diào)整前置放大級和主放大級的增益碼，實現(xiàn)自動增益控制。
3.控制富里埃變換相干器完成ReL、Reh、ΦL、Φh、Rs和SP的計算和檢測。
4.實現(xiàn)數(shù)字移相，消除相移和Rs的底數(shù)。
5.存放各測量參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)(如各組電源電壓，前置放大級增益，主放級增益，積分周數(shù))，以備調(diào)用顯示。
6.掃描觸摸開關(guān)，使觸摸開關(guān)具有雙檔功能，以滿足儀器操作和顯示的需要。
本發(fā)明所得參數(shù)定為高頻實分量Reh;低頻實分量ReL;
高頻虛分量Imh;低頻虛分量ImL;
自然電位SP;
高頻相移Φh＝tg-1Imh/Reh
Imh/Reh;
低頻相移Φl＝tg-1ImL/ReL
ImL/ReL;
百分頻率效應(yīng);
實幅頻率Rs＝((ReL-Reh)/Reh)×100%。
液晶顯示部分24。該電路包括一塊3 1/2 液晶顯示屏，三塊七段譯碼器/液晶顯示驅(qū)動器C306，一塊四異或門C660，一個82C43接口，兩個二分頻器，三個反相器及電阻，電容組成。由微機軟件控制，將測量參數(shù)SP，φL，φh，Rs，RL，Rh，和±12v，±6v電源，以及狀態(tài)參數(shù)，前置增益，主放增益，測量積分周數(shù)，觀測的頻率對組號通過接口送到三塊七段譯碼器/液晶顯示驅(qū)動器至顯示屏顯示。個位、十位、百位數(shù)、千位、符號和小數(shù)點均是由接口JS通過四異或門C660送液晶屏顯示。液晶顯示頻率是由電阻，電容和三個反相器組成振蕩器經(jīng)四分頻后提供的。
同步信號傳送器26是采用光電隔離器。
鍵盤25本機采用觸模開關(guān)式鍵盤，由微機軟件控制，實現(xiàn)雙擋功能。在鍵盤上實現(xiàn)八組頻率對測量的啟動，儀器工作狀態(tài)、電源狀態(tài)檢查，選擇顯示所需參數(shù)等操作。
接收機的線路需要±6v電源，單片微處理機及其外圍芯片需要+3v、-2v電源。因此整機共有四組穩(wěn)壓電源。
權(quán)利要求
1.一種雙頻道多參數(shù)頻譜激電觀測系統(tǒng)，包括通過電極向被測系統(tǒng)發(fā)送激發(fā)電流的發(fā)送機和接收電位或電位差的接收機，所述接收機的微處理機部分在軟件的支持下，通過接口電路完成如下功能進行自然電位補償和儀器零點補償；實現(xiàn)放大級的自動增益控制；控制A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換；控制相關(guān)測量；實現(xiàn)數(shù)字移相，消除儀器本身各參數(shù)的底數(shù)；數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明的特征在于1)所述發(fā)送機有一個雙頻形成電路，它將相差一定倍數(shù)的高、低兩種頻率的信號復(fù)合，再經(jīng)驅(qū)動電路和逆變器作大功率輸出；2)所述接收機設(shè)有模擬量富氏變換相干器，接收的信號經(jīng)放大級、濾波級處理后，分別由富氏變換相干器直接從中提取高頻實分量，高頻虛分量，低頻實分量，低頻虛分量；3)所述接收機有一個同步信號傳送器與發(fā)送機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)送機，其特征在于，所述的雙頻形成電路之前有一個分頻電路，將輸入的固定高頻信號轉(zhuǎn)換成至少一對固定頻差的高頻和低頻信號，分別輸出給雙頻形成電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)送機，其特征在于經(jīng)分頻電路轉(zhuǎn)換的高頻和低頻信號的頻差為9∶1或13∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)送機，其特征在于，轉(zhuǎn)換的高、低頻信號對在分頻電路控制下可按倍頻關(guān)系形成8組不同級別的頻率對。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于，所述的富氏變換相干器包括一個模擬正弦波發(fā)生器或余弦波發(fā)生器，在電子開關(guān)的控制下，進行正弦或余弦信號與被放大信號中的高頻或低頻信號的乘法運算，實現(xiàn)富氏變換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收機，其特征在于，富氏變換相干器由可預(yù)置四位二進制可逆計數(shù)器，八通道模擬轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器、電阻衰減器、與門、或門、跟隨器、反相器、電子開關(guān)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激電觀測系統(tǒng)，其特征在于觀測參數(shù)為高頻實分量、低頻實分量、高頻虛分量、低頻虛分量、高頻相位、低頻相位、百分頻率效應(yīng)、自然電位。
全文摘要
雙頻道多參數(shù)頻譜激電觀測系統(tǒng)，適用于地質(zhì)電法勘探中的頻率域激發(fā)極化觀測方案。觀測儀器采用雙頻復(fù)合信號發(fā)送、雙頻同時接受、模擬量直接作富氏變換等技術(shù)措施，高、低頻差可任意選定，且可形成多組不同的頻率對，一次測量可得到ReL、Reh、φL、φh、Rs、Sp、Psh、PsL八個觀測參數(shù)。儀器輕便、功耗小，普查詳查兼用，特別適于復(fù)雜地形的勘探作業(yè)。
文檔編號G01V3/02GK1034276SQ8810565
公開日1989年7月26日 申請日期1988年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月15日
發(fā)明者何繼善, 鮑光淑, 任寶琳 申請人:中南工業(yè)大學(xué)