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高精度多频电法数据采集系统


  27 卷第 5 期 第   2003 年 10 月

物        探 与 化 探
GEOPH YSICAL & GEOCHEM ICAL EXPLORA TION

Vol. 27 ,No. 5   Oct . ,2003  

高精度多频电法数据采集系统
陈儒军1 ,罗维炳2 ,何

继善1 ,白宜诚1 ,汤井田1
( 1. 中南大学 信息物理工程学院 ,湖南 长沙   410083 ;2. 石油物探局 技术发展中心战略研究部 , 河北 涿州   072751)
摘 要 : 开发了新一代高精度多频电法数据采集系统 。该系统在硬件上采用 24 位 A/ D 转换器 、 大规模可编程门阵 列和低功耗 PEN TIUM2166 PC2104 工控机 ; 在软件上采用面向对象软件设计与分析 、 WINDOWS 编程及多种程序 设计语言混合编程技术 ; 在数据处理中采用数字滤波 、 相关检测等信噪比增强技术 ,有效地压制了各种干扰 ; 可开 展电阻率法 、 激电法 ( 时间域或频率域) 、 复电阻率法 、 CSAM T 等多种电法勘探 。 关键词 : 高精度多频电法 ; 数据采集系统 ; 微弱信号 ; 中图分类号 : P631. 3     文献标识码 : A     文章编号 : 1000 - 8918 ( 2003) 05 - 0375 - 04

   目前 ,大量的电法勘探工作在城镇 、 矿山及其附 近展开 ,人文干扰十分严重 。传统电法仪器的抗干 扰能力严重制约了电法勘探在工程和环境地球物理

中低频型的标准设置为 3 道 , 主要用于电阻率 法、 激发极化法 ( 频率域或时间域 ) 、 复电阻率法 ( 或 称为谱激电法) 、 标量 CSAM T 等数据的采集 。选用 高灵敏度 、 低噪声 、 低功耗的国外进口元器件 。数据 采集频率高 , 最高 0. 25 ms 采样 ,采集周期长 , 连续 采集设计为 240 h 。为适应野外数据采集需要 ,要求 采集器稳定性好 、 功耗低 、 体积小 、 存储容量大 、 精度 高 。基于以上原则 , 数据采集系统的设计中采用了 一系列高新技术 : ① 采用嵌入式工控机 PC/ 104 , 该 机与常用的微计算机相比具有体积小 、 功耗低 、 工作 可靠性高 、 功能强大等特点 ; ② 采用 CS5321/ 22 组 件组成 24 位模数转换器 , 动态范围大 ( 最高可达 120 dB) ,抽样率可选 ,且该组件耗电量小 ,适合微伏 级信号的采集 ; ③ 采用了两片大规模的芯片 ,用于地 址锁存 、 、 选通 数据串 — 并格式转换 、 计数 、 分频 、 逻 辑控制等 ,从而使仪器小型化 、 轻便化 ,便于保存 ,便 于升级 ; ④ 采用 F IFO 缓存器及大容量笔记本硬盘 , 保证了地球物理的快速采集和全信息存储 。 电法勘探涉及的方法众多 , 每种方法又对应多 种测量装置 ,测量参数总记有 20 多个[ 6 ] , 再考虑到 多道测量 ,就显得更加复杂 。在软件设计中既要考 虑到实现电法勘探的多种方法 , 又要保证用户能够 方便地使用 ,还要考虑到软件在不同仪器上的移植 成本 ,以及扩充软件功能的方便性 。为了达到上述 要求 , 我们采用了面向对象的系统设计和分析方

中的进一步深入应用 。高精度多频电法数据采集系 统就是在这一背景下研制出来的 。该仪器以提高电 法勘探的效率和抗干扰能力为目的 , 着眼于未来电 法仪器的发展趋势以及工程和环境领域对电法勘探 日益增高的需求 。在提高电法勘探效率方面 ,用 2 n 系列伪随机信号作场源 , 其测量效率比常规仪器快 了数倍 [ 1 ] 。采用数字滤波 、 数字相关检测等信噪比 [2 ] 增强技术 ,有效地提高了仪器的抗干扰能力 。

1  采集系统设计思路

高性能 24 位 A/ D 转换器是高精度电法仪器的 首选 ,其有效工作频率范围在 DC~ 1 000 Hz[ 3 ] ; 但 电法勘探工作的频率范围从 DC~ n × k Hz ,现阶 10 段没有一种高性能的 24 位 A/ D 转换器能够在上述 频率范围内工作 。针对这种情况 , 我们将采集系统

分成中低频型和高频型 , 研制了中低频型和高频型 两种高精度多频电法数据采集系统 。中低频型采用 高性能 24 位 A/ D ,高频型采用 24 位采样为 48 k Hz 的声卡用 A/ D 转器或其它具有更高采样频率的 A/ D 转换器 , 如 M TU 系列 [ 4 ] 和 M T24 [ 5 ] 。这里主要

介绍中低频型高精度多频电法数据采集系统的硬 、 软件技术及试验结果 。
收稿日期 :2003 - 01 - 16 基金项目 : 国家” 十五” 科技攻关计划 (2001BA609A25)

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法 [ 7 ,8 ] 。在多种语言混和编程中 , 汇编语言用在软 件的数据采集部分 ,保证了数据的快速采集要求 ,采 用 V ISUAL C + + 设计界面 , MA TCOM 用于数据 处理和绘图显示 。

3  硬件原理
采集系统主要由以下 5 个部分组成 ( 图 1) 。

2  采集系统主要技术指标及特点
多 频电法数据采集系统可用于采集从 DC ~
1 000 Hz 频率范围内的任何电法或电磁法数据 。在

设计中着重于软件的灵活性 、 健壮性和可扩展性 ,以 及最优的数据质量 、 恶劣野外条件下仪器的实用性 和抗干扰能力 。其主要技术指标如下 。 信号频带宽 :DC~1 000 Hz ;通道数 :3 道 ( 可扩 充到 6 道) ; 可开展方法 : 电阻率法 、 激发极化法 ( 频 率域与时间域) 、 复电阻率法 ( 或称为谱激电法 ) 、 可 控源 音 频 大 地 电 磁 法 ( CSAM T ) 、 率 域 电 磁 法 频
( FEM) 、 变 电 磁 法 ( TEM ) 、 然 源 大 地 电 磁 法 瞬 天 ( M T) 等电法勘探方法的数据 ; 可采集波形 : 任意占

空比方波 、 双频波 、 伪随机多频波 ( 如三频波 、 五频 波、 七频波等 ) 、 其它波形 ; 软件语言 : V ISUAL C + + 、 TCOM 和汇编语言 ; 输入阻抗 : 20 M ; 滤波 MA 器 :50 Hz 双 T 陷波 , 可控 F IR 数字低通 、 高通 、 带 通、 带阻滤波 ;A/ D : 24 位 CS5321/ 5322 ; 采样率 : 0. 25 ms ,0. 5 ms , 1 ms , 2 ms , 4 ms , 8 ms , 16 ms 可 控 ;CPU : PEN TIUM2MMX 166 M Hz ; 内存容量 : 32 MB ; 硬盘容量 :8~30 G; 重量 :6 kg ; 电源 :12V 充电 电池 。 测量 。 ( 5) 使用方便 、 简单易学 。 ( 6) 仪器轻便 、 精度高 。

图1  伪随机多频电法数据采集系统硬件原理框图

( 1) 模拟通道 ( 2 个电通道 、 个磁通道) ,包括三 1

采集系统具有如下特点 。 ( 1) 多功能 。可采集多种电法勘探数据 。 ( 2) 适应多种电法勘探场源 。可采集多种信 号 ,除方波信号外 , 还可采集双频波 、 三频波 、 五频 波、 七频波等一系列伪随机多频信号 。适用发送机 包括 ZON GE 工程公司的各种发送机 、 双频激电仪 发送机 、 多功能伪随机多频信号发送机等 。 ( 3) 自适应同步 。采用了自适应相关同步和互 功率谱技术 ,无须发送机与接收机之间同步 ,就可以 开展多种频率域电法勘探 。 ( 4) 抗干扰能力强 。采集系统内部保存了没有 干扰的各种参考信号波形 ( 如双频波 、 三频波 、 五频 波等) ,测量时利用参考信号与被测信号进行互相关 计算 。互相关计算可以有效压制测量信号中的各种 噪声 ,可以在噪声比信号大 1 000 倍的极端环境下

道 INA128 仪表放大 、 Hz 双 T 陷波和可编程增益 50 主放 。 ( 2) 三道模数转换 、 数据转换门阵列及 F IFO 缓 存器 。该部分主要由 Δ - 6 A/ D 数字调制器 、 I2 F FO 缓存器和逻辑电路组成 , 其作用是 A/ D 转换及 对 A/ D 转换后的数据提供先进先出缓存 。逻辑电 路为整机提供控制逻辑 。电路设计采用大规模的可 编程门阵列 。 ( 3) 精密时钟电路 。高精度的时钟发生器 ,为整 机控制和Δ - 6 A/ D 转换器提供标准时钟 。 ( 4) PC2104 工控机系统 。数据存贮器选用内置 式硬盘 ,指挥 、 控制整套仪器系统 , 并存贮所采集到 的电磁数据和仪器状态信息 。 ( 5) 仪器工作电源 ,提供所有所需电源 。

4  软件原理

根据电法勘探的分类 、 工作方法 、 原理及面向对 象设计与分析技术 ,我们将软件设计成发送机设置 、 接收机设置 、 装置设置 、 原始数据采集 、 电法数据采 集、 时间域数据处理 、 频率域数据处理 、 电法参数计 算、 、 绘图 数据输入输出等 10 个相互作用的对象协 同工作的系统 ( 图 2) 。

  期 5

陈儒军等 : 高精度多频电法数据采集系统

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的各种数据成图 。如原始时间序列数据曲线 、 处理 后的时间序列数据曲线 、 傅立叶变换后的频率域数 据曲线 、 视电阻率 、 相位等各种电法勘探参数的剖面 图、 断面图 、 立体图等 。 ( 10) 数据输入输出 。 上述 10 个对象通过 M FC 提供的文档对象 、 视 图对象和框架对象 , 在数据采集软件中形成相互作 用的整体 。

5   网络试验 RC
仪器研制完成后 , 开展了一系列试验 , 包括 RC 网络试验 、 水槽试验 、 水槽抗干扰试验 ( 50 Hz 电力 线干 扰 ) 、 长 沙 市 打 靶 场 开 展 的 多 频 激 电 和 在
CSAM T 试验 。这些试验表明仪器工作正常 、 观测

精度高 、 抗干扰能力强 。这里主要介绍 RC 网络试 验的结果 。数据采集软件按仪器操作者设置的参数
图2  伪随机多频电法数据采集软件原理框图

( 1) 发送机设置 。处理有关发送机的信息 。包

括发送机发送的波形 、 电流和电压 。波形参数包括 波的类型 、 波形频率 、 主频率频比等 。 ( 2) 接收机设置 。用于设置有关接收机的各种 参数 ,包括采样频率 、 放大倍数 、 滤波器控制 、 通道数 量、 各通道采集信号类型 ( 如电场 、 磁场 、 发送机电 流、 同步信号 、 环境参数等) 、 以及各通道对应的传感 器。 ( 3) 装置设置 。各种电法勘探方法都对应着某 一种装置 ,如电阻率法中的二极 、 、 三极 对称四级 、 中 梯、 偶极等装置 。装置设置对象根据所要开展的电 法勘探方法 ,为用户提供所需的参数设置 。 ( 4) 原始数据采集 。直接控制仪器的硬件 ,它根 据接收机设置对象提供的参数 , 对仪器的硬件提供 完整的控制 ,完成原始时间域数据的采集 。 ( 5) 电法数据采集 。对各种电法勘探的数据采 集提供支持 。 ( 6) 时间域数据处理 。实现了电法勘探所需的 时间域信号处理与分析方法 ,如趋势项消除 、 数字滤 波、 、 相关 小波分析等多种方法 。 ( 7) 频率域数据处理 。实现了电法勘探所需的 频率域信号处理与分析方法 ,如傅立叶变换 、 功率谱 估计等多种方法 。 ( 8) 电法参数计算 。计算各种电法勘探方法所 须的参数 , 如视电阻率 、 阻抗相位 、 极化率 、 相对相 位、 频散率等各种参数 。 ( 9) 绘图显示 。对数据采集和处理过程中产生

启动 A/ D 转换器工作 — F IFO 缓冲器中读出数 从 据— 将采集的数据进行标度变换 — 消除趋势项 — 相 关同步 — 频谱分析 — 计算观测参数 , 任何部分出现 错误 ,都得不到正确的结果 。 试验用的 RC 网络电路如图 3 所示 。信号的输 入端为 M 、 , 测量端为 M ’ N ’ N 、 ,RC 网络的激励信 号为标准双频信号 ( 4/ 13 Hz 和 4 Hz) , 电阻电容值 所对应的双频激电 Fs 理论值为 19. 22 % ,相对相位 理论值为 - 5. 67 mrad 。

图 3  RC 网络模型

图 4  RC 网络双频激电测量结果

图 4 为频谱激电数据采集软件界面及其对上 述 RC 网络的测量结果 , 从中可以看出 , 3 次测量

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后, 相对 相 位 平 均 值 为 - 6 . 0 3 mrad , Fs 的 平 均 值 为
19. 4 % 。相对相位测量误差为 0. 55 mrad , Fs 测量

采集 。 参考文献 :
[1 ]   何继善 . 2 n 系列伪随机信号及应用 [ A ] . 中国地球物理学会 . 中

误差为 0. 09 % ( Fs 的绝对误差 ) 。而模型的 Fs 理 论值为 19. 22 % , 相对相位理论值为 - 5. 67 mrad 。 因此仪器所测数据在误差容许范围内 , 可以认为仪 器达到了设计要求 。 我们还在水槽中进行了采集系统抗干扰试验 , 当信号为 0. 6 mV 、 干扰为信号的 2 250 倍时 , 采集 系统仍然可以正常工作 ,采集到可靠的激电异常 。

国地球 物 理 年 会 年 刊 ( 1998 ) [ C ] . 西 安 : 西 安 地 图 出 版 社 ,
1998. [2]   Butt kus B. Spectral analysis and filter t heory in applied geophysics [ M ] . Berlin :Springer ,2000. [3 ]   刘益成 , 罗维炳 . 信号处理与过抽样转换器 [ M ] . 北京 : 电子工

业出版社 ,1997.
[4 ]  Phoenix Geophysics. The M TU data acquisition units [ OL ] . http :/ / WWW. phoenix2geophysics. com/ Products/ M TU . ht ml , WWW. emiinc. com/ mt24. ht ml ,2002.

6  结论
伪随机多频电法数据采集系统在多个方面达到 了较高水平 。在硬件上提高了仪器动态范围和观测 精度 ,减轻了重量 , 提高了信号处理速度 ; 软件界面 友好 ,使用方便 ,易于维护 ,易于移植 ,易于升级 。实 验说明仪器使用效果良好 。该仪器可以在城镇 、 矿 山等人文干扰十分严重的地区进行有效的电法数据

2002.

[ 5 ]  ElectroMagnetic Instruments , Inc. M T24 system [ OL ] . http :/ /

[6 ]   日丹诺夫 . 电法勘探 [ M ] . 潘玉玲 , 王守坦 , 译 . 武汉 : 中国地质

大学出版社 ,1990.

( 1 . College of I nf orm ation Physical Engi neeri ng , Cent ral Sout h U niversity , Changsha   410083 , Chi na ; 2 . Depart ment of S t rategic Research , Technical Develop ment Center of Pet roleu m and Physical Ex ploration B ureau , Zhuoz hou   072751 , Chi na)

of interference in an effective way. This system can be used in varied electric exploration techniques such as resistivity met hod , IP met hod ( time domain or frequency domain) , complex resistivity met hod and CSAM T met hod.

DOWS programming and mixed programming technique characterized by diversified programming languages. In data2processing , such

作者简介 : 陈儒军 ( 1973 - ) ,男 ,贵州思南人 。中南大学博士生 ,研究方向为地电场理论及观测系统 ,发表学术论文 8 篇 。

更正 :

测区 ρ 等值线平面 。在此向读者和作者表示歉意 。 s

means for strengt hening t he signal2to2noise ratio as digital filtering and correction detection are utilized so as to suppress various kinds Key words :high2precision multi2frequency electric met hod ; data acquisition system ; weak signal

hardware , t he system adopts 242bit A/ D conversion device , large2scale programmable gate array and low power dissipation PEN2 TIUM2166 PC2104 embedded industrial computer. In software , it employs object2oriented software designing and analysis , WIN2

Abstract : A new generation of data acquisition system for t he high2precision multi2frequency electric met hod has been developed. In

   

本刊 2003 年 ( 27 卷) 第 3 期第 182 页 “西藏厅宫铜矿激电异常特征及找矿效果的初步研究” , 一文中图 3 的名称应为 : 厅宫

CHEN Ru2jun1 , L UO Wei2bing2 , HE Ji2shan1 , BA I Yi2cheng1 , TAN G Jing2tian1

THE DATA ACQUISITION SYSTEM IN THE HIHG PRECISION 2
   

M UL TI2FREQUENCY EL ECTRIC METHOD
       

[7 ]  Coad P , Yourdon E. Object2oriented design [ M ] . Englewood Cliffs , NJ : Prentice Hall , 1991. wood Cliffs , NJ : Prentice Hall , 1991.

[8]   Coad P , Yourdon E. Object2oriented analysis(2 nd ed) [ M ] . Engle2

   

   

本刊编辑部


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