多功能電法找水儀

多功能電法儀是快速進行地下水源探測、水文地質工程地質勘查的專用設備，它是集發送機、接收機、數據處理、數據存儲、數據顯示於壹體的智能化電測工作站。本節所敘述的多功能電法儀可直接用於電阻率法和激發極化法的測量，可同屏顯示視電阻率、視極化率、半衰時、衰減度、偏離度、極化率累加和、自然電位、供電電流、壹次場等測量值。系統采用現代嵌入式系統技術、大規模集成技術、高精度轉換技術，使多功能電法儀在野外勘探時實現信號采集、數據處理、和成像顯示壹體化。

壹、DWZ－6A多功能電法儀的基本結構與工作原理

多功能電法儀利用視電阻率和激發極化參數，廣泛用於尋找地下水，解決工農業用水及生活用水問題。可用於尋找斷裂帶、陷落柱、采空區、山體滑坡等。可用於水文地質勘查、工程地質勘查、環境地質勘查，還可用於礦產勘查、能源勘查、地熱勘查、城市物探等。

如圖6－1－1所示，DWZ－6A多功能電法儀是由ARM控制的智能型電法儀，電信號從M、N輸入，經過阻抗變換和濾波後，通過雙T陷波和低通濾波，濾除市電幹擾和高頻幹擾信號。將弱信號放大後，模數轉換器把模擬信號轉換成數字量，存儲在數據存儲器中。發送控制信號經過高壓隔離後，驅動供電橋路進行正反向供電。電流信號由標準電阻采樣後，經過隔離放大與濾波，由程控放大器放大後分時進行模數轉換與存儲。ARM控制系統從數據存儲器中取出壹次場電位差、二次場位差、電流數據，進行計算與處理，然後顯示處理結果並存儲。最後將數據拷貝到U盤或傳輸到計算機中。鍵盤用於輸入各種參數。控制系統還可以監視儀器的工作狀態，監控儀器的故障狀態，當儀器內部或外部發生故障（如AB短路）時，儀器自動封鎖供電回路停止供電並報警顯示。

圖6－1－1 DWZ－6A多功能電法儀原理框圖

二、DWZ－6A多功能電法儀的硬件電路設計

（壹）硬件總體構架

DWZ－6A多功能電法儀的硬件電路總體構架如圖6－1－2所示，儀器主要由發送裝置、接收裝置及其主控單元組成。主控采用ARM7的S3C44BOX芯片，當需進行激電數據采集時，由主控向IPM模塊發送控制命令，實現由供電點A、B向大地供電。同時在測量電極M、N上接收激電信號，經激電信號處理電路，送入24位AD轉換器CS5532後轉換為數字信號，ARM7主控與CS5532進行信息交互實現對轉換後數據的讀取、存儲、處理和顯示。

圖6—1—2硬件總體構架

（二）DWZ－6A多功能電法儀發送電路設計

激電發送電路框圖如圖6－1－3所示。強電部分采用PowerEX公司的IPM智能功率模塊：PM10RSH120，其最高可控電壓為1200V，可控電流為10A，在實際應用中取最高值的2/3作為儀器實際電壓電流上限。本激電發送電路經實際測試其功率可達900V＠6.7A，即6kW，故高壓供電電池包的供電電壓範圍為0～900V。為了實現弱電控制強電，需在強弱電之間進行隔離，控制信號與IPM模塊之間采用多片光耦器件HCPL－4504和PC817實現隔離。在發送電路由A、B端向地下供電時，需監測其供電電流，采用高精度0.01Ω的取樣電阻Rs將電流轉換為電壓後送至AD202，AD202為高精度隔離放大器，其通過變壓器耦合方式將強電與弱電電路隔離開，並將放大後的信號Vout送至激電接收電路。

圖6－1－3DWZ－6A 多功能電法儀發送電路框圖

（三）DWZ－6A多功能電法儀接收電路設計

圖6－1－2中除IPM和高壓包之外的其他部分均為激電接收電路框圖。主控采用ARM7的S3C44B0X芯片，其存儲部分擴展了NorFlash芯片SST39VF16（存儲程序）、NandFlash芯片K9F2808（存儲數據）和SDRAM芯片HY57V2816（程序運行空間）。為了實現人機交互，采用鍵盤進行信息輸入，液晶顯示器（320×240像素）進行信息顯示。IPsignalprcessingcircuit主要包括防雷擊電路、前置放大、50Hz陷波、差分放大和低通濾波等電路，激電信號經此模塊後進入24位可編程增益A/D轉換芯片CS5532。DAC芯片AD5660輸出的模擬信號疊加到輸入激電信號上實現模擬電路的自動調零。當需要將數據上傳至上位機時，可采用USB（采用PDIUSBD12芯片）接口對接，上位機中將識別出激電儀中的存儲器為壹個U盤，同時還可以采用NetWork接口（RTL8019芯片）實現上位機與激電儀的信息交互。

三、DWZ－6A多功能電法儀的軟件程序設計

DWZ－6A多功能電法儀選擇了uClinux作為操作系統，uClinux是從Linux內核派生而來，沿襲了Linux的絕大部分特性。在GNU通用許可證的保證下，運行uClinux操作系統的用戶可使用幾乎所有的LinuxAPI函數。由於經過了裁剪和優化，uClinux具有體積小、穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、完備的對各種文件系統的支持及豐富的API函數等優點。

DWZ－6A多功能電法儀中嵌入式軟件開發的重點及難點就在於軟件部分中的操作系統的裁剪、驅動和應用程序的嵌入。而uClinux的裁剪及移植方法具有普遍性，在此不再贅述。DWZ－6A多功能電法儀中設備驅動及應用軟件主要包括系統對鍵盤、LCD、CS5532、數據處理及數據上傳的管理和控制。鍵盤、LCD是整個系統的輸入輸出設備，是進行人機交互的主要途徑。數據顯示程序可在LCD上繪制極化率、電阻率等曲線。數據上傳是通過USB和網絡方式進行的。以下重點敘述數據采集與數據處理程序。

（壹）DWZ－6A多功能電法儀的數據采集程序設計

數據采集程序設計主要是控制CS5532實現對數據的高精度采集，本部分包括uClinux系統中的CS5532的底層驅動程序和應用程序。在編寫CS5532的驅動程序時，依據芯片技術文檔，按照其芯片工作時序並結合激電儀的自身需求編寫程序。系統對CS5532的控制主要包括采樣率的控制、A/D增益的控制。CS5532底層驅動程序主要包括模擬SPI、CS5532初始化、填充uClinux系統字符設備驅動程序的file＿operations結構、定時中斷、外部中斷等。uClinux系統中字符設備的驅動主要是編寫子函數，並填充file＿operations的各個域。根據激電儀的實際需求，CS5532設備驅動程序只需要file＿operations結構中的open、ioctl、release、read函數。CS5532應用程序對底層驅動程序的操作包括設備文件的打開、設備文件的讀寫以及設備文件的關閉。主要函數調用如下：

地球物理找水方法技術與儀器

（二）DWZ－6A多功能電法儀的數據處理程序設計

DWZ－6A多功能電法儀中設計了地球物理電法中的各種裝置（中梯、測深、聯合剖面等）的采集方式，內置各種裝置常用的采集參數，並智能處理自然電位、壹次電位、供電電流、視電阻率、視極化率、半衰時等地球物理參數，而數據處理程序依據地球物理方法深入處理CS5532所采集的數據，由此計算出以上各地球物理參數。其中視電阻率和視極化率是激電儀中的重要參數，視電阻率ρS和視極化率ηS的計算公式如下：

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DWZ－6A多功能電法儀中主要參數的原理及公式請參照第二章。

DWZ－6A多功能電法儀所采集的信號中存在著壹定的噪聲，雖然在模擬電路中已進行了濾波去噪處理，但模擬濾波器性能有限，為了提高所設計激電儀中地球物理參數質量，在數據處理程序中加入了軟件數字濾波器，其為50Hz帶阻型FIR濾波器。

為了提高勘探效率、抑制野外測量中的幹擾信號並優化視極化率的測量精度，在數據采集時采用正負交替的矩形脈沖電流供電。正向供電、負向供電測量的二次電位差和總場電位差分別為：△V2p、△V2n、△Vp、△Vn，故DWZ－6A多功能電法儀中采用的視極化率計算公式如下：

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以上二次電位差是在發送電路斷電後延遲壹定時間所測量的結果，故二次電位差與延遲時間存在壹定的關系。不同型號的多功能電法儀因延遲時間不同，所測量的結果也不相同，DWZ－6A多功能電法儀中設置了5種斷電延遲時間，故其能處理出5種視極化率，同時還可人工輸入延遲時間來獲得預期斷電延時的視極化率參數。

四、DWZ－6A多功能電法儀的功能與技術指標

DWZ－6A多功能電法儀是為適應找水需求而開發的新型智能化的多功能電法儀。即可以找水、找地熱，又可以找礦，還可用於工程地質、環境地質、能源地質等方面的地質勘查。DWZ－6A多功能電法儀自配小功率發送機，還可以與10kW以上大功率發送機配套，以短導線的方式工作，用於深部找礦。外配高密度多路電極轉換器可以進行高密度電法測量，發送功率較小時用於水文地質勘查、工程地質勘查、環境地質勘查。配10kW以上大功率發送機時可以進行大功率或特大功率的高密度電法測量，用於深部快速找礦。目前，在國際上還沒有第二家開發出特大功率高密度電法測量系統（壹般只有幾百瓦）。DWZ－6A多功能電法儀具有功能多、性能好、參數多、功率大、技術指標高、應用面寬的特點。

DWZ－6A多功能電法儀測量與計算的參數有：視電阻率、視極化率、半衰時、衰減度、綜合參數、偏離度、激發比、相對衰減時、充電率。

DWZ－6A多功能電法儀的主要技術指標：

電壓測量範圍：±10V

電壓測量精度：±0.2％

電流測量範圍：±10A

電流測量精度：±0.2％

輸入阻抗：大於60MΩ

自電補償範圍：±2000mV

50Hz抑制：大於80dB

最大供電電壓：1200V

最大供電電流：10A

供電時間：1～99s範圍內可任選

接口：USB、RS232

工作溫度：－10℃～＋55℃

工作濕度：<95％RH

第二節 EH－4電磁儀

壹、EH－4電磁成像系統方法原理

EH－4電磁成像系統屬於可控源與天然源相結合的壹種大地電磁測探系統。深部構造通過天然背景場源成像（MT）。淺部構造則通過壹個便攜式低功率發射器發射500Hz～100kHz人工電磁訊號，補償天然訊號的不足，從而獲得高分辨率的成像。

將大地看作水平介質，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測到相互正交的電磁場分量為Ex，Hy；Hx，Ey。通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質的電阻率值。其計算公式為：

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式中：f為頻率，單位Hz；ρ為電阻率，單位Ω·m。由於地下介質是不均勻的，因而計算的ρ值稱為視電阻率值。探測深度理論上為壹個趨膚深度，計算公式為

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δ為趨膚深度。上式表明，電磁波的透入深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。

二、EH－4儀器系統

EH－4系統主要由發射、接收、資料處理三大部分組成。該系統的工作原理圖6－2－1所示，野外工作布置見圖6－2－2。

圖6－2－1 EH－4系統的工作原理圖

圖6－2－2 EH－4野外工作布置圖

（壹）接收部分

主要由主機、前置放大器（AFE）、磁傳感器、帶有緩沖器的電極及其附屬設備組成。

1）主機是整個系統的中心，主要用於文件管理、數據采集及資料處理等方面。它用IBM便攜式計算機，內存8MB，硬盤810MB，模數轉換18位，數字處理32位浮點，液晶VGA顯示，工作溫度0～50℃。

2）前置放大器對采集的電磁場信號進行濾波、放大，經傳送線傳至主機。設置四個通道（兩個電道，兩個磁道），內置可充電電池。

3）磁傳感器主要用於采集磁場信息，觀測頻率響應範圍：標準配置（BF－1M型），10Hz～100kHz；低頻配置（BF－2M型），0.1Hz～1kHz。

4）電極主要用於接收電信息，標準配置為BE－16型緩沖器電傳感器，配16m電纜及鈦鋼電極；低頻配置為BE－50型緩沖器電傳感器，配50m電纜及CuSO4不極化電極。

（二）發射部分

發射部分主要由發射天線、發射機及12V直流電源組成。發射天線采用構思新穎的兩個正交的半圓形天線，這是該系統的獨特處之壹。發射機本身的發射頻率為500Hz～100kHz，其與發射天線阻抗相匹配。采用不同的發射天線，其發射頻率不同。采用標準配置天線，發射頻率為1～64kHz；采用低頻配置天線，發射頻率為500Hz～32kHz。

發射機的定位至關重要。因為EH－4系統的數據處理軟件以場源遠離測點（即遠場區）為前提。發射機太近太遠，都會對測試結果有很大影響，甚至產生假異常，所以該系統的發射機可以快速、方便地移動，這又是該系統的獨特處之壹。原則上，發射機與接收機的距離取可控源探測最深目標的3～4倍。理論上，收發距（r）應是最低工作頻率時“趨膚深度”δ的3倍，即

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式中：r是收發距；δ是趨膚深度；ρ是大地平均電阻率；f是最低工作頻率。

（三）數據采集、資料處理

1.數據采集

該系統的數據采集方式是時域采集，然後進行傅立葉變換，轉換為頻率域信號，即首先在時間域將4道（2個電道，2個磁道）的電磁信號收集起來，進行傅立葉交換，轉換為電磁信號的實分量、虛分量功率譜，通過頻譜計算視電阻率、相位差、相關系數等。

對於標準配置，整個采樣頻段分為3個頻段：10Hz～1kHz（1頻段）；300Hz～3kHz（4頻段）；1.5～99kHz（7頻段）。每段可以人為地設置疊加次數。根據信號的質量確認疊加次數，信號質量好，疊加次數少。每個頻點采樣又分為三段，發射場部分的采樣時間每段為20ms，采樣點4096個，每段進行壹次傅立葉變換，其最終取數頻點為60個。對於低頻配置，采樣方式與標準配置類似，只是采樣時間相應加長。整個頻段為兩部分進行（50Hz～1kHz；0.1Hz～75Hz）。

2.輸出文件

該系統無論何種配置，輸出文件有4個，即標準配置：＠文件、Y文件、X文件、Z文件；低頻配置；＠L文件、V文件、U文件、W文件。＠（或＠L）文件是測量信息文件。主要包括工作頻率及起始文件號，發射機與接收機位置，x、y向電偶極距長度及16進制內部增益設置。Y（或V）文件是二進制的時序文件。X（或U）文件是互功率譜文件，每壹行由19列組成，每壹列長度11個字符，單位為H—nT，E—V/km，f—Hz。Z（或W）文件是文本阻抗文件。每壹頻點由12行組成，每壹列有8個字符，此文件是最終處理文件。主要內容有頻率，x、y方向上的標量視電阻率、相位、相關度以及8個實、虛分量的阻抗元素。

3.資料處理

資料處理有實時處理和後續處理兩種。實時處理，根據每個測點給出的視電阻率、相位、相關度及振幅曲線，進行數據質量的實時分析。對於壹些不可靠的數據可以從曲線中剔除，然後繼續測量，或者整條曲線的數據質量太差，采取措施，實施重復測量。在完成整條測線的連續觀測後，可在現場采用EMAP法（該法可以有效地消除靜態效應）給出擬二維反演解釋結果的灰度圖。後續處理是野外工作結束後在室內完成的壹項工作，壹般包括兩個內容：壹是在主機上對野外數據進行相關系數、濾波系數的調整或對時序資料（Y或V文件）進行逐個挑選或剔除等重新處理。盡量降低影響因素，突出有用異常，達到使用的目的。另外，在上述工作的基礎上，將最終處理後的結果文件（Z或W）拷貝到PC機上，進壹步做定量解釋及二維反演處理，進行彩色成圖等。

三、EH－4電磁成像系統的主要參數

工作原理：自然的和人工的磁大地電流張量場

標準頻率範圍：10Hz～100kHz

發射機：帶垂直天線線圈的TxIM2型發射機

頻率：500Hz～70KHz

沖量：400Amp－m2

天線尺寸：2個4m2的垂直交叉線圈

電源：12V，60Ah電瓶

電極：4個BE－26型帶緩沖器的有效高頻偶極子以及4個SSE不銹鋼電極，26m電纜

磁棒探頭：2個BF－1M磁感應棒（10Hz～100kHz），10m電纜

模擬終端：1臺AFE－EH－4模擬訊號調節器，用它將電極的信號傳至采集單元

壹對磁棒的帶寬：DC－96kHz