專(zhuān)利名稱(chēng):雙頻道多參數(shù)頻譜激電觀測(cè)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(cè)方案及適用于這種方案的觀測(cè)儀器。
頻率域方式的激發(fā)極化觀測(cè)法,是用電極向地下送入激勵(lì)電流,并從測(cè)量電極得到的電位差(電位)來(lái)觀測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)的頻率特性,進(jìn)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(shí)用的觀測(cè)方案中,有一種為變頻方案,是在同一測(cè)點(diǎn)上,改變激勵(lì)電流的頻率,計(jì)算百分頻率效應(yīng)PFE(即視頻散率Ps),或測(cè)基頻的振幅相位。這個(gè)方案的好處是可以使用較簡(jiǎn)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(jī)掃描控制發(fā)送機(jī)改變供電頻率,測(cè)量多頻振幅相位。然而,由于不同頻率的信號(hào)是在不同時(shí)間測(cè)量的,發(fā)送機(jī)的工作穩(wěn)定性將影響觀測(cè)結(jié)果,如在測(cè)視頻散率時(shí),高、低頻電流的不穩(wěn)定便造成視頻散率的誤差。而在進(jìn)行頻譜測(cè)量時(shí),測(cè)量低頻信號(hào)所用時(shí)間較長(zhǎng),一個(gè)個(gè)頻率作逐個(gè)測(cè)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(jī)發(fā)送一定頻率的矩形波電流,接受機(jī)同時(shí)接收基波和一個(gè)或多個(gè)高次諧波(只有奇次波)測(cè)量基波和高次諧波的實(shí)分量和虛分量。美國(guó)ZONGE公司的GDP-12型復(fù)電阻率儀,就屬于這種類(lèi)型。奇次諧波方案可以實(shí)現(xiàn)多頻信號(hào)同時(shí)觀測(cè),然而,這也帶來(lái)一個(gè)難以克服的缺點(diǎn),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(cè)量高次諧波例如13次諧波時(shí),幅值只有基波的1/13,要達(dá)到必要的信號(hào)強(qiáng)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(fèi),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(cè)量的視頻散率或相對(duì)相位差,因異常太小致使觀測(cè)精度低。
本發(fā)明的目的,是使被同時(shí)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(cè)量。
本發(fā)明的技術(shù)方案是由發(fā)送機(jī)發(fā)送高、低頻復(fù)合信號(hào)的矩形波電流,并可經(jīng)變換得到多組頻率不同的頻率對(duì),且每對(duì)頻率的高、低頻差可以任意選定;而接收機(jī)將接收的復(fù)合信號(hào)用模擬富氏變換相干器直接變換成高、低頻的實(shí)分量、虛分量,再作模數(shù)轉(zhuǎn)換,由計(jì)算機(jī)處理得到最終觀測(cè)參數(shù)。
現(xiàn)予以進(jìn)一步說(shuō)明一.發(fā)送機(jī)其核心部分是雙頻形成電路,主要由觸發(fā)器和模擬開(kāi)關(guān)組成。由晶體振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)經(jīng)分頻電路分頻得到較低頻率的高頻和低頻信號(hào),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(duì)。一般頻差選為9或13倍頻,頻率對(duì)之間以2倍頻關(guān)系形成比較簡(jiǎn)單。上述信號(hào)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(hào),經(jīng)一驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器作大功率的復(fù)合信號(hào)輸出。
二.接收機(jī)模擬通道。主要包括放大器和濾波器。放大器由多個(gè)放大級(jí)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(jī)輸出信號(hào)的頻寬。
富里埃變換相干器。這是一個(gè)將模擬量直接變換的功能單元。對(duì)接收到的高低頻復(fù)合信號(hào),用其中低頻的一個(gè)周期T,分別經(jīng)富氏變換可得到四個(gè)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(shí)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(shí)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(hào);T為周期。
以上變換完全是由富氏變換相干器實(shí)現(xiàn)的。該功能單元有一個(gè)模擬正弦波發(fā)生器,若利用控制信號(hào)移動(dòng)1/4T,即可實(shí)現(xiàn)90°移位得到余弦波。
如果將復(fù)合信號(hào)直接加到正弦波發(fā)生器的入端,又控制其輸入為一個(gè)低頻周期,同時(shí)發(fā)出計(jì)數(shù)脈沖,就可實(shí)現(xiàn)低頻正弦波與一個(gè)低頻周期復(fù)合信號(hào)的相乘,其結(jié)果送入積分器積分一個(gè)低頻周期,得到ReL。同理,可實(shí)現(xiàn)低頻余弦波與一低頻周期復(fù)合信號(hào)的相乘,得到ImL。
如果控制輸入為一個(gè)高頻信號(hào)周期,同時(shí)發(fā)出計(jì)數(shù)脈沖,就可實(shí)現(xiàn)高頻正弦波或高頻余弦波與一個(gè)高頻周期復(fù)合信號(hào)的相乘,其結(jié)果送入積分器也需積分一個(gè)低頻周期得到Reh和Imh。
微處理機(jī)及其接口部分。作為接收機(jī)構(gòu)成部件的微處理機(jī)原則上可采用任何機(jī)型,實(shí)際上選用一個(gè)八位的單片機(jī)。計(jì)算機(jī)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(gè)低頻周期的值為零點(diǎn),當(dāng)輸出值不為零時(shí),即視為自然電位SP+零點(diǎn)之和,由微機(jī)控制將此值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后貯存,再通過(guò)接口由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量送入放大器對(duì)SP+零點(diǎn)予以補(bǔ)償??刂聘哳l、低頻的實(shí)分量、虛分量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算,得出所需觀測(cè)參數(shù),并予以貯存,以備調(diào)用。
同步信號(hào)傳送器是實(shí)現(xiàn)高壓與低壓隔離,傳送同步信號(hào)給接收機(jī)作為測(cè)量基準(zhǔn)。
本發(fā)明采用雙頻發(fā)送、雙頻同時(shí)接收處理取得觀測(cè)參數(shù)的方式,可保證觀測(cè)精度,避免了使設(shè)備擴(kuò)大加重的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了多功能激電觀測(cè)儀器的小型化。可用一對(duì)頻率做普查工作,也可選用多對(duì)頻率做激電頻譜測(cè)量以滿足詳查需要。
附
圖1為本發(fā)明的發(fā)送機(jī)的電路聯(lián)系圖;
附圖2為本發(fā)明的發(fā)送機(jī)的電路波形圖;
附圖3為本發(fā)明的接收機(jī)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(jì)算機(jī)程序框圖。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(jī)振蕩器1為石英晶體振蕩器,其標(biāo)稱(chēng)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(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器和10個(gè)D觸發(fā)器組成。由一個(gè)波段開(kāi)關(guān)改變接線,得到9分頻與13分頻,另一個(gè)波段開(kāi)關(guān)控制形成8個(gè)不同的頻率對(duì)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(gè)觸發(fā)器組成,產(chǎn)生兩組復(fù)合信號(hào)(如附圖2中a、b所示),輸出控制驅(qū)動(dòng)電路5,并取出一部分輸出到測(cè)標(biāo)本電路7。
測(cè)標(biāo)本電路12由4組16個(gè)觸發(fā)器組成。
驅(qū)動(dòng)電路5由7個(gè)晶體管組成電流放大器和射隨器,復(fù)合信號(hào)經(jīng)延時(shí)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(shí)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(guò)采樣電阻8和電流測(cè)量電路9測(cè)量供電電流。
第一過(guò)流保護(hù)電路10設(shè)定值為額定電流的1.25倍,過(guò)流時(shí)由一個(gè)3CT1KC的可控硅封鎖驅(qū)動(dòng)電路5及電流開(kāi)關(guān)電路7,以切斷主回路。
第二過(guò)流保護(hù)電路11設(shè)定值為1.3倍額定值,過(guò)流時(shí)由CR55導(dǎo)通短路高壓,使保險(xiǎn)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(jī)前置放大器14主要由CMOS四運(yùn)算放大器、2個(gè)C544模擬開(kāi)關(guān)、2個(gè)反相器組成。其中的兩個(gè)放大器并聯(lián)再接一組差動(dòng)放大器。輸入阻抗>50MΩ,增益調(diào)節(jié)范為20~25,由模擬開(kāi)關(guān)控制。微機(jī)控制使前放增益KF=1時(shí)輸出的自然電位SP加前置零點(diǎn)值,經(jīng)調(diào)零積分器15積分一個(gè)低頻周期后,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量在微機(jī)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(diǎn)”的補(bǔ)償。八種不同頻率對(duì)的補(bǔ)償信號(hào)通過(guò)改變積分時(shí)間常數(shù)或通過(guò)信號(hào)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(jí)16由兩級(jí)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(jí)110Hz的有源低通濾波器組成。對(duì)工頻的壓制>40db。
主放大級(jí)17是一個(gè)2進(jìn)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(dòng)增益控制放大器。增益(及調(diào)節(jié)范圍)為20~27。前置級(jí)“SP+零點(diǎn)”補(bǔ)償后的剩余值和主放級(jí)本身零點(diǎn),經(jīng)過(guò)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(jí)再次進(jìn)行補(bǔ)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(shí)分量的富氏變換相干器由27可預(yù)置四位二進(jìn)制可逆計(jì)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(mén)40,或門(mén)41,及跟隨器31,反相器33,開(kāi)關(guān)42、43等組成。在31的輸入端加一個(gè)正直流電平,將計(jì)數(shù)脈沖加到27CP端,在32的輸出端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正弦波,其周期由計(jì)數(shù)脈沖的頻率決定。將放大后的復(fù)合雙頻信號(hào),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(jì)算機(jī)控制輸入雙頻信號(hào)為一個(gè)低頻周期,同時(shí)通過(guò)微機(jī)根據(jù)同步脈沖(電流相位基準(zhǔn))發(fā)頻率為32fL的計(jì)數(shù)脈沖,得到低頻正弦波與一個(gè)低頻周期雙頻信號(hào)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(yùn)算放大器,積分電阻46,積分電容48,積分輸入開(kāi)關(guān)44,輸入短路開(kāi)關(guān)457,積分抹去開(kāi)關(guān)478及觸發(fā)器30等組成。積分時(shí)間1、2、3、4組頻率對(duì)以最低頻的第4組的一個(gè)低頻周期長(zhǎng)為準(zhǔn);而5、6、7、8組的輸入信號(hào)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(gè)低頻周期的雙頻信號(hào)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(shí)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(hào)中的高頻部分。而積分時(shí)間仍與低頻的相等。
微處理機(jī)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(jī)上的P20-P22接口。儀器的所有控制軟件均存在27C16的2KEPROM中,運(yùn)行中的ROM由80C39本身提供。另有6116隨機(jī)貯存器來(lái)存貯野外觀測(cè)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(gè)共16個(gè)外圍接口,由80C39的P25-P27的信號(hào)經(jīng)三-八譯碼C301譯碼來(lái)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(jī)與儀器各部分的聯(lián)系。
微處理機(jī)軟件。與硬件結(jié)合作為本機(jī)的控制中心,可按需要設(shè)置、編程,以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種反饋信號(hào)的檢則、比較,發(fā)布控制信號(hào),協(xié)調(diào)儀器各部分工作,根據(jù)各種反饋信號(hào),控制接收機(jī)完成不同的檢測(cè)功能。對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)貯存,以供觀測(cè)時(shí)的人機(jī)對(duì)話及工后數(shù)據(jù)回放處理(軟件基本框圖見(jiàn)附圖5)1.根據(jù)整機(jī)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(jí)和主放級(jí)的SP及儀器零點(diǎn)的補(bǔ)償。
2.為使主放級(jí)輸出信號(hào)在800mv-2000mv之間,微機(jī)自動(dòng)調(diào)整前置放大級(jí)和主放大級(jí)的增益碼,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)算和檢測(cè)。
4.實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相,消除相移和Rs的底數(shù)。
5.存放各測(cè)量參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)(如各組電源電壓,前置放大級(jí)增益,主放級(jí)增益,積分周數(shù)),以備調(diào)用顯示。
6.掃描觸摸開(kāi)關(guān),使觸摸開(kāi)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(shí)分量Reh;低頻實(shí)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(shí)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(dòng)器C306,一塊四異或門(mén)C660,一個(gè)82C43接口,兩個(gè)二分頻器,三個(gè)反相器及電阻,電容組成。由微機(jī)軟件控制,將測(cè)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(cè)量積分周數(shù),觀測(cè)的頻率對(duì)組號(hào)通過(guò)接口送到三塊七段譯碼器/液晶顯示驅(qū)動(dòng)器至顯示屏顯示。個(gè)位、十位、百位數(shù)、千位、符號(hào)和小數(shù)點(diǎn)均是由接口JS通過(guò)四異或門(mén)C660送液晶屏顯示。液晶顯示頻率是由電阻,電容和三個(gè)反相器組成振蕩器經(jīng)四分頻后提供的。
同步信號(hào)傳送器26是采用光電隔離器。
鍵盤(pán)25本機(jī)采用觸模開(kāi)關(guān)式鍵盤(pán),由微機(jī)軟件控制,實(shí)現(xiàn)雙擋功能。在鍵盤(pán)上實(shí)現(xiàn)八組頻率對(duì)測(cè)量的啟動(dòng),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(jī)的線路需要±6v電源,單片微處理機(jī)及其外圍芯片需要+3v、-2v電源。因此整機(jī)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(cè)系統(tǒng),包括通過(guò)電極向被測(cè)系統(tǒng)發(fā)送激發(fā)電流的發(fā)送機(jī)和接收電位或電位差的接收機(jī),所述接收機(jī)的微處理機(jī)部分在軟件的支持下,通過(guò)接口電路完成如下功能進(jìn)行自然電位補(bǔ)償和儀器零點(diǎn)補(bǔ)償;實(shí)現(xiàn)放大級(jí)的自動(dòng)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(cè)量;實(shí)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(jī)有一個(gè)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(hào)復(fù)合,再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路和逆變器作大功率輸出;2)所述接收機(jī)設(shè)有模擬量富氏變換相干器,接收的信號(hào)經(jīng)放大級(jí)、濾波級(jí)處理后,分別由富氏變換相干器直接從中提取高頻實(shí)分量,高頻虛分量,低頻實(shí)分量,低頻虛分量;3)所述接收機(jī)有一個(gè)同步信號(hào)傳送器與發(fā)送機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)送機(jī),其特征在于,所述的雙頻形成電路之前有一個(gè)分頻電路,將輸入的固定高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成至少一對(duì)固定頻差的高頻和低頻信號(hào),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(jī),其特征在于經(jīng)分頻電路轉(zhuǎn)換的高頻和低頻信號(hào)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(jī),其特征在于,轉(zhuǎn)換的高、低頻信號(hào)對(duì)在分頻電路控制下可按倍頻關(guān)系形成8組不同級(jí)別的頻率對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收機(jī),其特征在于,所述的富氏變換相干器包括一個(gè)模擬正弦波發(fā)生器或余弦波發(fā)生器,在電子開(kāi)關(guān)的控制下,進(jìn)行正弦或余弦信號(hào)與被放大信號(hào)中的高頻或低頻信號(hào)的乘法運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)富氏變換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收機(jī),其特征在于,富氏變換相干器由可預(yù)置四位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器,八通道模擬轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器、電阻衰減器、與門(mén)、或門(mén)、跟隨器、反相器、電子開(kāi)關(guān)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激電觀測(cè)系統(tǒng),其特征在于觀測(cè)參數(shù)為高頻實(shí)分量、低頻實(shí)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(cè)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(cè)方案。觀測(cè)儀器采用雙頻復(fù)合信號(hào)發(fā)送、雙頻同時(shí)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(duì),一次測(cè)量可得到ReL、Reh、φL、φh、Rs、Sp、Psh、PsL八個(gè)觀測(cè)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(hào)G01V3/02GK1034276SQ8810565
公開(kāi)日1989年7月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中南工業(yè)大學(xué)