CSAMT测量原理.docx

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CSAMT测量原理

CSAMT测量原理（共30页）

一.国内外电法勘探仪器发展概况

电法勘探仪器主要用於地质部门寻找矿床,工程部门中勘测地层结构,水利部门中寻找地下水.电法勘探方法是桉被测电信号的频率高低划分为:

1.超低频:

（0HZ–20HZ）

*.直流电阻率法.测量大地剖面不同深度的电阻率（视电阻率）.

*.时间域激发极化法.洌量大地剖面不同深度的极化率（二次电位/一次电位）%.

*.频率域频谱激发极化法.洌量大地剖面不同深度的复数电阻率,即对不同频率的频率响应;包括幅度响应（电压幅度/电流幅度）和相位响应（电压相位-电流相位）.

2.音频:

（20HZ–20KHZ）

*.可控源音频大地电磁法（CSAMT）.用大功率电法发送机向大地供电（频率改变范围20HZ–8KHZ）,用测量大地表面的交流磁埸方法测出电流的频谱（某频率的幅度与相位）

同时测量大地某测站点上的电压频谱（某频率的幅度与相位）.计算出幅度响应（电压幅度/电流幅度）和相位响应（电压相位-电流相位）.

*.天然埸大地电磁法（MT）.利用大地内本身具有的天然交流电流（一般由远方的大功率无线电发送电台发出的甚低频（几十KHZ-几百KHZ）电流信号）.用计算机数理统计方法测大地某测站的电位.算出大地的频谱响应.

3.高频:

（20KHZ–500KHZ）

*.瞬变埸法.

*.电磁感应法

4.射频:

（500KHZ–20MHZ）

*.无线电透视法.

5.超高频:

（20MHZ–2GHZ）

*.测地雷达.

国外概况;

以上各种仪器国外都有专业公司生产,国内进口的仪器最多的是加拿大凤凰公司生产的多功能（IP,CSMT,MT）仪器.还有美国的各种电法仪器.

国内发展概况;

电法勘探仪器在国内最近二十年里走过了艰难的道路,自我开发能力与二十年前相比没有得到发展.仪器的使用部门大多使用国外进口的仪器（加拿大,美国占多数）.原有国内的专业地质仪器厂都在退出地质仪器领域.特别是主要生产电法仪器的上海地质仪器厂在十年前己告破产.现在只有重庆地质仪器厂还在生产电法仪器.高校中,长春地质大学也在少量生产电法仪器（高密度电阻率仪）.国土资沅部的物化探研究所也在研制和试销电法仪器（频谱激电仪）.国内仪器生产箪位主要生产的仪器品种是直流电阻率法和时间域激发极化法.频谱激电法的仪器在十五年前由中国科学院地球物理研究所与无锡电子技术应用研究所合作生产过6套.2005年由中国科学院地质与地球物理研究所与上海绿海电脑科技有限公司合作研制了2套二总线高密度电阻率仪.2006年元月中国科学院地质与地球物理研究所与北京中科天丰测控技术公司合作研制多功能电法勘探仪,目前已完成仪器中的1.十千瓦大功率发送机一台.2.多功能电法接收机五台.3.二总线通讯控制的数据采集器十台.

二.仪器发展方向

1.发现新的地球物理化学参数,研制新参数野外测量专用仪器.

2.提高参数测量的精确度,提高测量信号的信澡比（提高发送机功率扩大供地电流密度）,提高接收机的抗干扰能力,提高信号测量的稳定性和分辩率,加强对信号模拟滤波和数字滤波.模拟信号传送短导线化,长导线传送模数转换后得到的数字信号.

3.提高野外工作效率:

自动化操作,多机并发同步测量,多机通讯罔络化工作,数据库共享.野外数据现埸后处理（成图,打印,成档）

三.野外局域罔可控源音频磁大地电流法电法勘探仪研制项目的意义

1.学术思想创新.

为大面积深部找矿提供野外实用仪器.为工程物探提供高效率的仪器.实现计算机罔络化把物探专业知识封装在仪器的软件中提高野外数据的可靠性.野外数据现场处理成图成档提高了野外工作效率.为大面积自动化遥控遥测提供仪器设备.

2.技术思想创新.

把工业自动化控制与测量新方案_现场总线局域罔运用到野外物探工地现场.

3.技术集成创新.

把当今世界上的先进技术:

计算机数字信号处理技术（数字滤玻器,DFT离散数字富里叶变换）,

微弱模拟电信号放大和预处理技术（有源滤玻器）,

微弱模拟磁场信号放大和预处理技术（磁探头）,

高速高分辨率数字化技术（高速1兆16位模数转换器）,

大容量数据存储技术（Flashmemory）,

长距离（10公里）抗干扰二总线通讯罔（CANBUS）技术,

全球卫星定位系统技术（GPS）,

箪片微型计算机实时控制硬件软件系统技术,（C51软件）

大功率变频器技术（30KWIGBT桥式逆变器）

和数字频率合成器锁相环技术（连续扫频发生器）,

高压隔离抗干扰浮空电源技术,

高压隔离模拟量测量技术,

数据库通讯下载与后处理系统技术（VC++_RS232通讯处理软件WARTER）,

把以上新技术集成到一套仪器中.

4.项目组现有技术.

计算机数字信号处理技术（数字滤玻器,DFT离散数字富里叶变换）,

微弱模拟信号放大和预处理技术（有源滤玻器）,

中速中分辨率数字化技术（中速500KPS12位模数转换器）,

中容量数据存储技术（Flashmemory29f010）,

中距离（1公里）二总线通讯罔（RS485BUS）技术,

箪片微型计算机实时控制硬件软件系统技术,（C51软件）

中功率变频器技术（10KWIGBT桥式逆变器）

和数字频率合成器锁相环技术（连续扫频发生器）,

高压隔离抗干扰浮空电源技术,

高压隔离模拟量测量技术,

数据库通讯下载与后处理系统技术（VC++_RS232通讯处理软件）,

4.要求研究掌握新技术.

微弱模拟磁场信号放大和预处理技术（磁探头）

*长距离（10公里）抗干扰二总线通讯罔（CANBUS）技术,

*全球卫星定位系统技术（GPS）,

*大功率变频器技术（30KWIGBT桥式逆变器）

*数据库通讯下载与后处理系统技术（VC++_USB接口通讯处理软件与专用电法数据处理软件SAFA接口的应用软件DS06）,

*仪器的外型和内部结构设计,

*专用测试校验设备研制

*野外附助器件研制与配备（专用电榄,供电电极,测量电极,充电器,发电机组,汽车）

5.预期成果与效益

为我国填补了一种新仪器的空白,先进性超过加拿大的凤凰公司同类仪器.可替代进口设备,同时可向国外出口.

预期生产量年产值5000千万元.增值75%.

四.研制项目基础建设

1.实验室建设.

建立一个小而全的产品开发实验室,室内面积200平米,室外场地300平米.室内分为硬件开发室,软件开发室,机械结构设计与样机试制室,总体设计室.

室外具有卡车停车场,30KW发电机组工作棚,水漕模型试验工作棚.

2.项目组成员配备.

*.项目经理一名.负责与外箪位联系,负责经费的使用,设备材料采购,项目中杂务.

*仪器总体设计师一名.负责系统设计,硬件原理图设计,软件方框流程图设计,硬件软件总调试.

*.方法指导师一名.负责仪器室内和野外试验,向仪器人员提出方法上的要求.

*硬件工程师二名:

一名主要负责弱信号仪器电路（计算机板,放大器板,数据采集器）

一名负责强电部分（发电机组使用,大功率变频器制作,电源部件制作）.

软件工程师二名:

一名负责仪器实时操作系统软件编写与调试,要求熟练掌握C51箪片机程序编制.

一名负责仪器的数据库程序编制与调试,要求熟练掌握VC++通讯和数据库程序编制.

*机械结构设计与试制技师一名.负责设计与试装仪器整机结构与外壳.

*电装工一名.负责焊接电路板和机内机外电气联线.负责室内外清洁卫生.

五.研究内容.

1.总体方块图设计.（总体设计师负责）

2.现有工作基础

*已研制成功10KW中功率发送机一台.频率范围–8khz.电流最大10A,电压最高为800V.

3.主要新研制关键技术与攻关方法.

*研制大功率高压高速IGBT桥式逆变器.要求耐压最高为1600伏,电流最大为50A.为此要寻找该IGBT模块.做大量冒险性试验.研制可靠的过压过电流和欠电流保护电路.该工作是本项目中最难的关键技术.好在本项目负责人曾经成功地大修与改装过T3030KW加拿大进口的电法勘探发送机.为本项目结累了一些经验.为了分担工作量还需寻找一位会搞大功率试验的硬件工程师合作工作.要求在3个月内做大量试验.

*研制长距离10公里的二总线通讯方法（CAN总线）.该技术在国际上已经成熟,硬件有专用蕊片,通讯协议是国际标准.但本项目负责人未用过该技术,因此要花3个月专门研究时间,为了分担工作量还需寻找一位年青工程师专门攻关.

*研究用GPS全球定位系统使整套仪器同步工作.该技术主要研究降低成本,要用市场上现有的GPS模板装入本仪器中的数据采集器中.要掌握接口技术.本项目负责人未用过该技术,因此要花3个月专门研究时间,为了分担工作量还需寻找一位年青工程师专门攻关.

*研制高速高精度数据采集器.选用16bit1000kps的A/D转换器使它与箪片机接口.要使用FIFO先进先出的寄存器耒快速采样.放大器的指标也要相应提高,电路板上布线艺术也要求完美.电源澡声干扰也要大大提高.该项研制费时至少半年.

*研制测量大地表面的交流磁场信号的探头.该项研制很费时间,可先使用进口的磁探头配套.待项目成功后对此再专题研制.

*软件要求全面更新,实时控制软件估计要新编一万行C51语言指令,工作量是一人一年.

数据库与数据后处理软件要新编VC++工程软件,需要VC++程序员6个月工作量.

五.经费预算明细表.

1.实验场地租借费:

200平米室内,300平米室外,二年.6万6千元

2.实验场地装修费:

三相电源,空调设备,卫生设备,办公设备.3万元

水漕模型试验设备.

3.员工宿舍租借费:

2万4千元

4.实验室仪器设备添置费:

*.大功率晶体管图示仪8千元

*.采样示波器1万元

*.DSP开发仿真器1万2千元

*.CAN总线箪片机开发系统1万2千元

*.高压绝缘测试仪6千元

*.恒温箱8千元

*.工业控制PC机2台2万8千元

*.大功率稳压电源6千元

*.函数信号发生器8千元

*.数字频率计3千元

*.数字电压表（6位）6千元

*.数字电感电容表1千元

*.通用编程器6千元

*.彩色激光打印机1万2千元

5.办公费用:

*.电话费:

300元/月*247千2百元

*.上罔费:

150元/月*243千6百元

*.文具纸张费100元/月*242千4百元

*.书刊资料费100元/月*242千4百元

*.电脑耗材费100元/月*242千4百元

*.经理手机通讯补贴费250元/月*246千元

*.旅差费2000元/月*244万8千元

*.交际费500元/月*241万2千元

*.市内交通费300元/月*247千2百元

*.箪位机构登记注册及上交管理费1万元

6.税费（桉小额纳税人）6%10万元

7.固定人员工资费:

*总体设计师一人10万元/年*220万元

*物探电法专家顾问一人3万元/年*26万元

*项目经理（兼会计出纳员）一人4万元/年*28万元

*办公室主任（兼采购员）一人2万元/年*24万元

*硬件工程师二人3万元/年*2*212万元

*软件工程师二人3万元/年*2*212万元

*电装工一人1万2千元/年*22万4千元

*钳装工一人1万5千元/年*23万元

8.样机材料费及外加工费:

*.仪器车一辆15万元

*.三相30KW柴油发电机组二台4万/台4万元

*.30KW电法勘探发送机（包括变压器）15万元/台*230万元

*.AB供电电极控制器（30A,+-1200V）6百/台*321万9千2百元

*.多功能电法勘探接收机（内装GPS）2台3万元/台*26万元

*.野外数据采集器（内装GPS）8千元/台*6451万2千元

*.通讯电榄10公里,供电线（30A）2公里.包括绕线架3万元

*.30KW假负载2台4千元/台8千元

*.野外模拟信号发生器2台5千元/台1万元

9.室内测试水漕试验费1万元

10.野外试验费5万元/次*2次10万元

六.经费使用:

项目成立之日,50%资金到位.一年后35%资金到位,项目交付验收附清15%.

七.验收方法:

1.室内模拟野外条件测试为主,参考野外试验资料.

2.主要技术指标

*.接收机技术指标.

（1）.在整套仪器中作为主机控制发送机和所有的数据采集器同步工作.同步方法采用有线或无线电遥控.或者用（GPS）同步.同步时间精确度为1微秒.

（2）.提供CAN总线通讯接口,可与所有的数据采集器通讯收集各从机的测量数据.

（3）.机内装有flash存储器容量为1兆字节.可存放1万个野外测站的数据记录.

（4）.仪器面板上装有摸拟电表和中屏幕（320*240点阵）LCD显示器.模拟表头用来监视接收机附近的MNN电极上的信号.LCD用来显示采集得的数据记录和波形图.

（5）.提供RS232串行通讯口,可与PC机通讯向PC机下载野外数据记录.

（6）.提供USB2高速串行通讯口,可与PC机通讯向PC机下载野外数据记录.

（7）.提供无线电通讯口,可同步各从机和发送机工作

（8）.提供GPS接口.可同步各从机和发送机工作

（9）.内装二道放大器和A/D转换器,在没有数据采集器情况下可独立工作.测量电压和电流的幅度和相位.

*仪器发送机技术指标

（1）.最大输出功率:

30KW.

（2）.最高输出电压:

1000V.

（3）.最大输出电流:

40A.

（4）输出波形:

方波,正负脉冲波.

（5）.波形频率范围:

HEZ_8000HEZ.

（6）.有过流自动保护功能,保护速度高,不会损坏大功率器件.

（7）.有欠流保护功能,AB电极被人和动物碰断时,自动停止输出高压,保护人和动物.

（8）.内装微机控制大功率部件工作.使发送机能人工操作,也能在接收机（主机）用有线或无线通讯控制下自动化工作.

（9）.面板上有模拟电压表指示输入和输出电压,有模拟电流表指示输出电流.

（10）.面板上有中屏幕液晶显示器.可显示仪器工作参数和波形.

（11）.面板上有密封轻触键盘,可人机对话.

*数据采集器技术指标

（1）.仪器的量程:

+-10微伏到+-5000毫伏.放大器增益可控范围1_1000倍,增益自动调节,自然电位与放大器的零点漂移自动补偿

（2）.仪器的最高分辨率:

1微伏.

（3）.仪器的精确度:

1/1000.

（4）.模数转换器分辨率16bit,采样速率1000khez.

（5）.用离散富里叶变换可同时测得MN不极化电极上DELTAV1和磁探头上来的DELTAI信号的幅度和相位.从而得到大地系统的复电阻率的幅度和相位移.

（4）.仪器的工作坏境:

野外条件,气温在零下-20摄氏度到+45摄氏度.空气湿度低於80%相对湿度.能经受长途运输和野外使用中的振动.

（5）.仪器用CAN串行二总线通信最大距离为10公里,从机可寻地址的数量无限止{一般不要超过128台}.

（6）.仪器的重量和体积:

约2公斤,30厘米*20厘米*25厘米.

（7）.仪器的备电使用指标:

仪器内装可充电的1号镍氢电池10节,串联使用,总电压13伏,仪正常工作电流约500毫安,在充足电池容量（4000MA/H）后可速续工作8小时.当电池用到输出电压降到11伏时,要进行充电,要使用仪器配套提供的充电器连续充电12小时（充电电流500ma）.超过12小时后充电器会自动停止充电.仪器在使用时也可补充电,但是仪器测量指标会降低,这是50HZ工业电干扰信号会进入电池影响高灵度放大器的工作状态造成的,所以提倡仪器工作时不要充电.

*AB供电电极控制器主要技术指标

（1）.可编码寻址32个地址.

（2）.可被主机控制使供电电极与A供电线”通”或与B供电线”通”,或与A线B线都”不通”.

（3）.通断开关能承受+-1200伏直流电压和30A电流.开关寿命10万次.

可控源音频大地电磁法（CSAMT）

　　利用人工场源激发地下岩石，在电流流过时产生的电位差，接收不同供电频率形成的一次场电位，由于不同频率的场在地层中的传播深度不同，所反映深度也就与频率构成一个数学关系，不同电导率的岩石在电流流过时所产生的电位和磁场是不同的，CSAMT方法就是利用不同岩石的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法。

　　CSAMT采用可控制人工场源。

测量由电偶极源传送到地下的电磁场分量，两个电极电源的距离为1-2km。

测量是在距离场源5—10km以外的范畴进行．此时场源可以近似为一个平面波。

编辑本段优点

　　由于该方法的探测深度较大（通常可达2km），并且兼有剖面和测深双重性质，因此具有诸多优点：

　　第一。

使用可控制的人工场源，测量参数为电场与磁场之比——卡尼亚电阻率．增强了抗干扰能力，并减少地形的影响。

　　第二，利用改变频率而非改变几何尺寸进行不同深度的电测深．提高了工作效率．一次发射町同时完成7个点的电磁测深。

　　第三．探测深度范围大，一般可达1~2km。

　　第四，横向分辨率高。

可以灵敏地发现断层。

第五，高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻层。

与MT和AMT法相同，CSAMT法也受静态效应和近场效应的影响．可以通过多种静态校正方法来消除“静态效应”的影响。

可控源音频大地电磁法测量原理

离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform，缩写为DFT），是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。

在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。

即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作其周期延拓的变换。

在实际应用中通常采用快速傅里叶变换计算DFT。

下面给出离散傅里叶变换的变换对：

对于N点序列

，它的离散傅里叶变换（DFT）为

其中e是自然对数的底数，i是虚数单位。

通常以符号

表示这一变换，即

离散傅里叶变换的逆变换（IDFT）为：

可以记为：

实际上，DFT和IDFT变换式中和式前面的归一化系数并不重要。

在上面的定义中，DFT和IDFT前的系数分别为1和1/N。

有时会将这两个系数都改成

。

[编辑]从连续到离散

连续时间信号x（t）以及对应的连续傅里叶变换

都是连续函数。

由于数字系统只能处理有限长的离散信号，因此必须将x和

都离散化，并且建立对应的傅里叶变换。

假设x（t）时限于[0,L]，再通过时域采样将x（t）离散化，就可以得到有限长离散信号，记为xdiscrete（t）。

设采样周期为T，则时域采样点数N=L/T。

它的傅里叶变换为

这就是x（t）在时域采样后的连续傅里叶变换，也就是离散时间傅里叶变换，它在频域依然是连续的。

下面将频域信号转化为有限长离散信号。

与对时域信号的处理类似，假设频域信号是带限的，再经过离散化，即可得到有限长离散信号。

依据采样定理，时域采样若要能完全重建原信号，频域信号

应当带限于（0,1/T）。

由于时域信号时限于[0,L]，由采样定理以及时频对偶的关系，频域的采样间隔应为1/L。

故，频域采样点数为：

即频域采样的点数和时域采样同为N，频域采样点为

在DTFT频域上采样：

令T=1，将其归一化，就得到前面定义的离散傅里叶变换。

因此，DFT就是先将信号在时域离散化，求其连续傅里叶变换后，再在频域离散化的结果。

DFT与CT

下面考察离散傅里叶变换与连续傅里叶变换（CT，ContinuousFourierTransform）的关系。

连续傅里叶变换

的采样为：

将这个积分以黎曼和的形式近似，有：

这一结论指出离散傅里叶变换确实是连续傅里叶变换在某种意义上的近似。

不过必须注意以下两点：

时域采样必须满足采样定理

离散傅里叶变换的处理对象是时限的

为此，通常对连续信号的时域采样再做一次加窗处理（Windowing），这样就得到带限的有限长离散信号。

DFT与DTFT

离散时间傅里叶变换（DTFT）是在时域上对连续傅里叶变换的采样。

DFT则是在频域上对DTFT的均匀采样。

离散信号x[n]（n=0,...,N-1）的DTFT为：

对

在离散的频点

上采样

即为x的DFT。

由于DTFT在频域是周期的，所以在DTFT频域上的均匀采样也应是周期的。

实际上是这个周期序列的主值序列。

栅栏效应

N点序列的DFT只能在有限的N个频点上观察频谱，这相当于从栅栏的缝隙中观察景色，对于了解信号在整个频域上的特性是不够的。

为了观察到其他频率的信息，需要对原信号x[n]做一些处理，以便在不同的频点上采样。

将原来在DTFT频域上的采样点数增加到M点，这样采样点位置变为

。

则对应的DFT成为

若在序列x[n]之后补上M-N个零，设为x'[n]，则上式变为

因此将x[n]补零再做DFT就可以得到x[n]的DTFT在其他频率上的值，相当于移动了栅栏，因而能够从其他位置进行观察。

频谱分辨率

N点DFT的频谱分辨率是2π/N。

栅栏效应一节指出可以通过补零观察到更多的频点，但是这并不意味着补零能够提高真正的频谱分辨率。

这是因为x[n]实际上是x（t）采样的主值序列，而将x[n]补零得到的x'[n]周期延拓之后与原来的序列并不相同，也不是x（t）的采样。

因此

与

是不同离散信号的频谱。

对于补零至M点的x'的DFT，只能说它的分辨率2π/M仅具有计算上的意义，

并不是真正的、物理意义上的频谱。

频谱分辨率的提高只能在满足采样定理的条件下增加时域采样长度来实现。

从空间的角度分析

周期为N的离散信号构成一个N维欧几里得空间

。

在这一空间上两个信号x和y的内积定义为

下面给出

上的一组正交基：

将信号x在这组正交基上分解，得

令

此即为离散傅里叶变换。

又

则有

此即为离散傅里叶变换的逆变换。

由此可知，在正交分解的角度上说，离散周期信号x的离散傅里叶变换

实质上是x在正交基{ek}上的分量。

而从线性变换的角度上说，{ek}是圆周卷积的特征矢量，

则是对应的特征值。

[编辑]DFT与圆周卷积

根据卷积定理，离散信号x与y的圆周卷积对偶于频域上x与y离散傅里叶变换的乘积。

下面揭示DFT与圆周卷积的内在关系。

对长为N的离散信号

与

，如果要计算它们的卷积，就必须定义

与

在0≤n

如果将

与

作周期为N的延拓，则有

如此，周期为N的圆周卷积：

卷积的结