龍祥忠，劉明文，張益勝，阮科，劉旭川，彭祥，范春甫，劉小川

(1.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033；2.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀的研制

龍祥忠1，劉明文2，張益勝1，阮科1，劉旭川1，彭祥1，范春甫1，劉小川1

(1.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033；2.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀是重慶地質(zhì)儀器廠在DDS-4的基礎(chǔ)上全新升級(jí)的用來測定甚低頻電磁場多種參數(shù)的一種小型輕便化儀器，除了具有原甚低頻DDS-4電磁儀的功能外，還集成了天然電場的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。本文主要介紹了該儀器的物探方法原理、用途、技術(shù)指標(biāo)、儀器設(shè)計(jì)原理、野外工作方法及資料處理以及與DDS-4野外對(duì)比試驗(yàn)。通過對(duì)比充分地說明了該儀器的先進(jìn)性與野外實(shí)際作業(yè)的實(shí)用性。

甚低頻；電磁儀；微機(jī)技術(shù)；測量精度；抗干擾

1 概述

甚低頻(VLF)電磁法是一種被動(dòng)源電探方法，利用超長波通訊電臺(tái)發(fā)射的電磁波作為場源。重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的甚低頻電磁儀選定日本(NDT)和澳大利亞(NWC)海軍通訊電臺(tái)發(fā)射的電磁波為場源，其工作頻率分別為17.4 kHz和22.3 kHz，具有強(qiáng)大的輻射功率。所用甚低頻電臺(tái)由于具有距離遠(yuǎn)、衰減小、場強(qiáng)均勻、噪音低、工作時(shí)間較長(晝夜發(fā)射)等特點(diǎn)，在我國大部分地區(qū)都能提供足夠的場強(qiáng)以便接收。電磁波在傳播過程中碰到良導(dǎo)體或磁性感應(yīng)體時(shí)，將其極化產(chǎn)生二次電流，從而引起感應(yīng)二次場。一般情況下，二次場與一次場合成后的總場與一次場的振幅、方向和相位均不同，即引起一次場的畸變。而測量某些參數(shù)的畸變，即可發(fā)現(xiàn)地下的良導(dǎo)體或磁性感應(yīng)體的存在。

在普查找礦或水文地質(zhì)、工程地質(zhì)工作中，使用該儀器能圈定礦體、巖溶發(fā)育帶、地下河、含水或礦化斷裂帶、隱伏構(gòu)造，以及進(jìn)行快速電阻率填圖，并可探測地下管道、地下電纜的位置等，具有輕便、操作簡單、穩(wěn)定可靠、一機(jī)多用，成本低、效率高。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)工作頻率：17.4 kHz和22.3 kHz兩種任選。

(2)測量參數(shù)：①電場水平分量Ex；②磁場水平分量Hy；③磁場垂直分量Hz；④極化橢圓傾角D。

(3)測量范圍及分辨率：①磁場0.28～56 pT；②電場5～1000 μV；③極化橢圓傾角測量范圍±45°；④測量磁場強(qiáng)度分辨率0.02 pT；⑤測量電場強(qiáng)度分辨率0.033 μV；⑥傾角讀數(shù)誤差≤±1°。

(4)天線靈敏度≥1.8 V/pT。

(5)儀器放大倍數(shù)33000。

(6)輸入阻抗≥1 MΩ(測電場時(shí))。

(7)內(nèi)部噪聲：小于20個(gè)字(折合到儀器輸入端<0.5 μV)。

(8)供電電壓：11.1 V(鋰電池) 。

(9)使用環(huán)境：溫度0～45 ℃，相對(duì)濕度85%。

(10)質(zhì)量：約3.5 kg(包括電極、電纜)。

(11)外形尺寸：260 mm×95 mm×190 mm。

圖1 DDS6數(shù)字甚低頻電磁儀

3 設(shè)計(jì)原理及操作面板介紹

3.1 設(shè)計(jì)原理

DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀設(shè)計(jì)原理見圖2。

3.2 操作面板介紹

DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀操作面板見圖3。儀器面板上有一個(gè)“接口”插座、電源開關(guān)和20個(gè)鍵的鍵盤(包括數(shù)字鍵和功能鍵兩類)。

圖2 DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀設(shè)計(jì)原理框圖

圖3 DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀操作面板

3.2.1 接口插座

用于儀器內(nèi)置鋰電池充電、測量電場的電極和傳輸數(shù)據(jù)。

3.2.2 電源開關(guān)

用于儀器的開關(guān)機(jī)，顯示開機(jī)歡迎界面及等待操作界面(見圖4)。

圖4 等待操作界面

其中E(22.3)表示測量參數(shù)是電場，頻率為22.3 kHz。

3.2.3 數(shù)字鍵

0～9，用于輸入數(shù)字。

3.2.4 功能鍵

功能鍵介紹見圖5。

4 甚低頻野外工作方法及資料整理和解釋

4.1 甚低頻野外工作方法

野外工作方法可分為“傾角法”和“波阻抗法”兩種。當(dāng)所探測對(duì)象為低阻體時(shí)，最好使用“傾角法”進(jìn)行甚低頻測量，尤其在接地條件不良時(shí)更應(yīng)如此。如需要了解測區(qū)內(nèi)水平方向上電阻率的變化，則最好使用“波阻抗法”進(jìn)行電阻率填圖。

圖5 功能鍵使用介紹

4.1.1 傾角法

應(yīng)根據(jù)地質(zhì)體走向選擇合適的甚低頻發(fā)射臺(tái)(即選擇頻率)，發(fā)射臺(tái)的方向最好和地質(zhì)體走向的方向一致。這樣測線的方向(一般與地質(zhì)體走向垂直布置)剛好是一次場的磁場最大的方向，工作時(shí)首先應(yīng)在正常場地區(qū)測定正常場(把讀數(shù)記錄或存儲(chǔ)待用)。然后在各測點(diǎn)測量參數(shù)Hy、Hz和D的值，把各測點(diǎn)的讀數(shù)記錄或存儲(chǔ)(待用)，點(diǎn)距通常取10～15 m。

4.1.2 波阻抗法

最好選擇在測線方向上或者與該方向夾角最小的發(fā)射臺(tái)，沿測線方向測量電場水平分量Ex，讀數(shù)NE即為電場水平分量。然后將儀器(磁性天線)垂直于測線方向，測量磁場水平分量Hy的大小，讀取磁場水平分量NH，把讀數(shù)記錄或存儲(chǔ)(待用)。

4.2 資料整理和解釋

4.2.1 傾角法

采用此法工作時(shí)所測磁場水平分量在良導(dǎo)體上方應(yīng)有最大值；磁場垂直分量(垂直分量幅度通常為水平場幅度的5%以上)的存在表明地下有良導(dǎo)體，曲線形態(tài)為雙峰式，最小值在良導(dǎo)體的正上方；在傾角法所測參數(shù)中，傾角D值最靈敏，地質(zhì)效果較好。

但由于本方法所用工作頻率高，易引起較大的地質(zhì)噪音，而使傾角曲線雜亂。為了消除地質(zhì)噪音，減小地形影響，突出異常，通常采用一維數(shù)字濾波的辦法對(duì)所測傾角值進(jìn)行處理。其濾波計(jì)算見公式(1)。

f2.3=(M4+M3)-(M2+M1)

(1)

式中：f2.3—測點(diǎn)f2與測點(diǎn)f3之間的中點(diǎn)(半點(diǎn))的中間值D′；

M1、M2、M3、M4—各測點(diǎn)的觀測傾角值。

濾波處理后的曲線交零點(diǎn)或拐點(diǎn)(即異常點(diǎn))被轉(zhuǎn)變成了極大值，便于勾繪等值線平面圖。具體濾波改正步驟及解釋如下：

(1)按公式(1)計(jì)算各半點(diǎn)的濾波后D′值，然后描點(diǎn)連成線；

(2)用D′曲線的最小點(diǎn)向原觀測傾角曲線上投影，把所得的幾個(gè)交點(diǎn)圓滑成線，即為零值線(背景線)；

(3)各測點(diǎn)上原觀測的傾角D值減去所對(duì)應(yīng)的背景值，把各點(diǎn)所得值連線，即為所求的剩余傾角曲線；

(4)剩余傾角曲線與坐標(biāo)軸的正交點(diǎn)，即為低阻異常所在位置。

4.2.2 波阻抗法

采用這種方法工作時(shí)測量參數(shù)為Hy和Ex，然后根據(jù)公式(2)計(jì)算介質(zhì)的視電阻率ρs。

(2)

式中：ρs—視電阻率，Ωm；

f—測量時(shí)所用電臺(tái)的工作頻率，Hz；

Ks—測量電場時(shí)的衰減倍數(shù)(與測磁場相比較)；

SA—磁性天線的靈敏度，V/μT；

R—測量電極MN間的距離，m；

NE—電場水平分量Ex；

NH—磁場水平分量Hy。

計(jì)算出的ρs可繪成剖面曲線圖，當(dāng)進(jìn)行面積測量時(shí)可繪成ρs等值線平面圖。

5 野外對(duì)比試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)一

5.1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在江西省于都縣東方紅水泥廠某水井旁，布置長50 m，點(diǎn)距為5 m的一條測線，共設(shè)置10個(gè)測點(diǎn)，其中6號(hào)點(diǎn)是水井位置。試驗(yàn)使用的電臺(tái)是澳大利亞甚低頻電臺(tái)，頻率22.3 kHz；試驗(yàn)儀器為DDS-6型微機(jī)化甚低頻電磁儀、DDS-4模擬式甚低頻電磁儀。

DDS-4甚低頻磁場是指針讀數(shù)，所以單位歸一化為“格”，一般認(rèn)為，異常場的格值是正常場的三倍及以上。DDS-6甚低頻磁場是數(shù)字讀數(shù)，所以單位歸一化為“mV”，一般認(rèn)為，異常場的mV值是正常場的三倍及以上。

5.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

用DDS-4模擬式甚低頻電磁儀測量，歸一化到儀器1擋，所測量的每點(diǎn)磁場水平分量值見表1。

表1 試驗(yàn)一DDS-4電磁儀測量數(shù)據(jù)

用表1中的數(shù)據(jù)作圖如圖6。

圖6 試驗(yàn)一DDS-4電磁儀測量剖面曲線

用DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀，在上述同一剖面上，所測量每點(diǎn)的磁場水平分量值見表2。

表2 試驗(yàn)一DDS-6電磁儀測量數(shù)據(jù)

用表二中的數(shù)據(jù)作圖如圖7。

圖7 試驗(yàn)一DDS-6電磁儀測量剖面曲線

5.1.3 結(jié)果分析

由DDS-4模擬式甚低頻電磁儀測量的結(jié)果可見，在第6號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)明顯的磁場異常值，儀器設(shè)置在1擋，其異常幅度>100格。

DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀的測量結(jié)果在第6號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)明顯的磁場異常值，其異常幅度>1700 mV，位置在井旁(井口處)。

該井處在一條地質(zhì)斷裂帶上，深度90 m左右，含水量約1100 t。6號(hào)點(diǎn)處的異常是由地下的地質(zhì)斷裂帶中所含的水形成的。通過對(duì)上面兩個(gè)儀器測量的數(shù)據(jù)和繪制的曲線圖的對(duì)比可見，兩種型號(hào)儀器測量所得到的曲線形態(tài)和異常點(diǎn)的位置是完全一致的，這也說明了DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀的野外試驗(yàn)效果是良好的。

5.2 試驗(yàn)二

5.2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為重慶某工業(yè)園某地下管線處，在地下管線上方垂直于管線走向布置一條剖面線，做9個(gè)測點(diǎn)，點(diǎn)距5 m。試驗(yàn)儀器為DDS-6型微機(jī)化甚低頻電磁儀、DDS-4模擬式甚低頻電磁儀。

5.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

用DDS-4模擬式甚低頻電磁儀測量，歸一化到儀器1擋，所測量的每點(diǎn)磁場水平分量值和極化橢圓傾角D見表3。

表3 試驗(yàn)二DDS-4電磁儀測量數(shù)據(jù)

用表3中的數(shù)據(jù)作圖如圖8。

圖8 試驗(yàn)二DDS-4電磁儀測量剖面曲線

用DDS-6甚低頻電磁儀，在上述同一剖面上，所測量每點(diǎn)的磁場水平分量值和極化橢圓傾角D見表4。

表4 試驗(yàn)二DDS-6電磁儀測量數(shù)據(jù)

用表4中的數(shù)據(jù)作圖如圖9。

5.2.3 結(jié)果分析

根據(jù)兩種型號(hào)儀器(DDS-4與DDS-6)的測量數(shù)據(jù)和由測量的數(shù)據(jù)所繪制的曲線圖可見，兩條曲線的形態(tài)和異常點(diǎn)的位置是一致的。異常的位置在第5號(hào)點(diǎn)上，下面放的就是管線。同時(shí)在異常點(diǎn)上極化橢圓傾角D=320°～330°，兩種型號(hào)儀器基本上是吻合的。

圖9 試驗(yàn)二DDS-6電磁儀測量剖面曲線

6 結(jié)論

從上述兩次野外試驗(yàn)來看，DDS-4型和DDS-6型甚低頻電磁儀所測量的數(shù)據(jù)和由這些數(shù)據(jù)所繪制的實(shí)測曲線，都能直觀、清楚地反映地下低阻地質(zhì)體(含水破碎帶)的位置，兩種型號(hào)儀器的曲線形態(tài)和異常的位置都非常吻合。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，基本上可以得出以下結(jié)論：

(1)利用微機(jī)技術(shù)升級(jí)設(shè)計(jì)出的DDS-6型數(shù)字甚低頻電磁儀，結(jié)合觸摸鍵盤和圖型液晶顯示，自動(dòng)化程度高，操作方便。通過改變前放和主放的增益，以保證被測信號(hào)經(jīng)放大后幅度在滿量程的1/3～2/3，從而提高儀器的測量精度。

(2)該儀器在參照國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬電路部分的屏蔽和選頻信號(hào)處理放大的技術(shù)，多重抗干擾設(shè)計(jì)，經(jīng)過儀器的選頻和數(shù)字處理后抗干擾能力更強(qiáng)。

(3)儀器的性能、穩(wěn)定性和所測數(shù)據(jù)的重復(fù)性以及儀器野外工作的適用性等都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

[1] 史保連.甚低頻電磁法[M]. 北京:地質(zhì)出版社,1986.

[2] 武漢地質(zhì)學(xué)院金屬物探教研室. 電法勘探教程[M]. 北京: 地質(zhì)出版社,1983.

2017-09-20

龍祥忠(1979- )，男，重慶人，重慶地質(zhì)儀器廠工程師，主要從事儀器研發(fā)工作，重慶市沙坪壩區(qū)先鋒2號(hào)；Tel:023-89863101，E-mail:netmankind@126.com。

P631.33

A

1009-282X(2017)06-0024-05