频率域电磁法仪[1]

1、1频率域电磁法仪的最新进展The New Development of Frequency Domain Electromagnetometer刘国栋 Liu Guodong摘要 Abstract从上世纪 50 年代末第一台 MT 仪在前苏联问世至今已 50 多年。在此阶段，世界很多国家包括美国、加拿大、德国、法国、瑞典、中国等都研发了 MT 仪或频率域电磁系统。最近德国 Metronix 公司新研制成功的 GMS-07 是频率域电磁仪的最新代表。本文简要的介 绍了 GMS-07 的电路原理，传感器的特点和开放性的软件概念。It has been more than 50 years that the first MT came into the world in USSR in late 1950s. During this period, many countries including the USA, Canada, Germany, Sweden and China have developed MT or Frequency Domain Electromagnetic S

2、ystem. The GMS-07 which has been successfully developed by Germany recently is the representation of Frequency Domain Electromagnetometer up to the minute. This paper introduced the circuitous philosophy of GMS-07 in brief as well as features of the sensor and the open software concept. 沿革电磁法分为频率域电磁法和时间域电磁法。以天然场做场源的频率域电磁法包括:标准的大地 电磁法（MT），远参道法（RFMT）， 电磁阵列法（EMAP），带远参道的 电磁阵列法，以人工场做场源的声频大地电磁法（CSAMT）和频率域测深法（ FDS）。众所周知，频率域电磁法的基本原理是以平面波入射的不同频率的天然电磁场向地下传播过程中，在地球介质中感生出二次电磁场，通过在地面观测入射的和感生的不同频率的电磁场信号 Hx、Hy

3、、Hz、Ex，Ey，求解地下 电阻率分布及有关电性结构参数。由于电磁波的穿透深度 ，所以勘探深度随电磁波0.5/Pf2频率的降低而加深。由于地下介质通常都是非均匀的二维体或三维体，电阻率为张量。为了求取不同深度的张量阻抗，需要 观测不同频率的、具有不同极化 类型的电磁场分量。由于可控源声频大地电磁法和频域测深法，利用的人工发射源无法发射不同极化类型的电磁波，所以只能适应对一维均匀结构的探测，但是人工场源可以获得高信噪比的观测数据。天然电磁场活动的频率范围为 10KHz4*10-4秒，在磁平静日 时的活动谱为 ，磁暴期间活动谱可增加十至数十倍。人工场源发射的510nTHz10nTz电磁波频率可扩展至 250KHz。因此一套全 频段的频 率域电磁法仪，其覆盖的频率范围应为 250KHz-4*10-4秒， 动态范围应大于 130dB，磁 场传感器的最低噪声不大于 。610/nTHz上世纪 50 年代提出频率域大地电磁法，50 年代末前苏联出现首个 MT 仪，它用悬丝式磁场传感器，通 过光电倍增管转换成电信号，再通过检流计打印在感光照片上。它频带上限为 0.1Hz，记录仪的动态范围约 20dB

4、。上世 纪 60 年代美国采用感应式磁场传感器和模拟磁带记录仪，其频带上限达 100Hz，最高灵敏度0.01nT，动态 范围 40dB 以上。70 年代出现瞬时浮点放大技术和以磁带为记录介质的数字记录仪，动态范围 达 6080dB。至此， MT 仪仍需大型仪器车装载，随后出现固体存储器，使 MT 仪的体积大大缩小。 80 年代初，德国 Metronix 公司和加拿大凤凰公司推出车载大地电磁现场实时处理系统，频带范围扩展至 384Hz-4096 秒，法国推出以超导 磁力仪做磁场传感器的 MT 系统。由于计算机水平的快速提高和新的 -A/D转换 器技术的出现，80 年代末车载 MT 实时处理系统被便携式 MT 实时处理系统所替代。此时的代表产品有加拿大凤凰公司的 V5，德国 Metronix 公司的 MMS-05 以及美国公司的 MT1。MMS-05 的频带范围扩展至38192Hz-4096 秒，动态范围达 120dB。上世纪 90 年代由于压制局部噪声的远参数道方法和滤除静位移的 EMAP 方法的提出，以及 GPS 同步技术的采用，频率域的大地电磁仪由单道系统发展为多台或网络系统，如 G

5、MS-06 和 V5 2000。这使得 MT 的数据质量和应用效果得到显著提高。进入 21 世纪以来，频率域电磁仪向两个方向发展。一个方向是把原有的频率域电磁法仪，时间域电磁法仪和直流电法仪组合成多功能电磁法仪，例如凤凰公司的 V8 和 Zonge 公司的 GDP-32；另一个方面是沿着专业道路向更高层次发展，例如 Metronix 公司最新推出的 GMS-07 频率域综合 电磁法仪。本文 仅就 GMS-07 做一介绍，关于 PROTEM 瞬变电磁仪可参阅另文。二、GSM-07 频率域综合电磁法仪1功能GSM-07 综合电磁法仪也叫 GSM-07 综合电磁观测系统，它是德国 Metronix公司在研发和生产电磁法仪近 30 年的经验基础上，最近开发出来的最新一代电磁法仪。GSM-07 可实现如下功能： 标准的 MT 和 AMT 观测 远参考道观测 电磁阵列法 EMAP 观测 可控源 CSAMT 和多道可控源 CSEMM 观测 天然源和可控源联合观测，类似 EH4 功能2独特优点：GSM-07 与目前世界上的频率域电磁仪相比，有如下独特优点：41) 主机 ADU-07 的频带宽达 250

6、KHzDC，覆盖了从地表至上地幔勘探中的全频段电磁波范围。图 1 是主机 ADU-07 外观图。图 1：主机 ADU-07 外观图2) 数据采集通道多达 10 个，它们可分别切换为： 10 个高频道：带宽 250KHz1Hz，可 扩展至 0.01Hz，对应的勘探深度 0m3000m； 10 个低频道：带宽 500HzDC，对应的勘探深度 300m上地幔内部； 10 个高频和低频混合配置：带宽 250KHzDC。 在全部配置高频道时，其中 2 个高频道为磁道，8 个高频道为电道，于是1 台 GSM-07 可以同时进行 4 个测点的高频 MT 测 量任务或 9 个测点的CSAMT 任务（一个通道为磁道，另外 9 个通道为与磁道垂直的电道）。工作效率比标准大地电磁仪提高 4 倍，比标准 CSAMT 仪提高 9 倍。 在全部配置低频道时，应用效果同上，但勘探深度在 300m 以下。 在高、低频混合配置时，其中 3 个高频道配置感应式磁场传感器， 3 个低频道配置磁通门磁场传感器（频响 20 秒10 万秒），另外四道分别配置两个高频电道和两个低频电道。这种配置的勘探深度为 0m上地幔内5部。图

7、2：一台 ADU-07 同时完成四个测点观测3) 每个通道有两个不同类型的 24 位 A/D 转换器，保证在全频段内都有最高的信号分辨率，以有效的分辨天然电磁场的最小变化。4) 动态范围130dB，涵盖了全部天然 电磁场的变动 范围，包括强磁暴。5) 包括传感器在内的自动检测，自动校正极化电位，自动显示故障。6) 用户可编程 FIR 滤波器（高通、低通、滤波、带通），以滤除人文噪声干扰。7) 可组成多达 32 个 ADU-07 的网络观测系统，由高精度 GPS 或网络同步。8) 可通过局域网，Internet 网，优盘等安装软件系统和测量参数，控制仪器操作和下载数据。遥控，无人执守。9) 主机 ADU07 内置 4G 闪存（可扩展），实时数据处理、显示和存储，无需笔记本电脑。10) 主机重 8Kg，功耗 35W（低频），15W（高频），工作温度-40+70，防潮，防水，防震。3线路原理1）ADU-07 方框图6下图是 ADU-07 方框图。数据采集通道 110 可任意与磁场传感器和电场传感器连接。来自磁场传感器和电场传感器的模拟信号，首先进入高频通路 HF或低频通路 LF（统称 ADC

8、 板）进行放大、 滤波、标 定、极化电位补偿等一系列过程，形成时间序列并存储。时间序列经 24 位 A/D 转换后变为数字信号，并对其进行一系列计算和处理后， 获得各种功率谱以及反映地下电性结构的各种电性参数和视电阻率及阻抗相位曲线。图 3：ADU-07 方框图主机 ADU-07 由主板 CPU 控制，它根据预先设置的工作参数，通过 USB 总线设置 AD 板的频带、增益、系统标定、极化 补偿、 A/D 运行、数据计算、 处理、存储、显示、下载 等等。可通 过遥控，局域网，优盘等给 CPU 安装软件系统，设置测点的工作参数。2）ADC 板线路原理图7图 4 是低频 ADC 线路原理图来自于不极化电极和磁场传感器的电磁场信号进入 ADC 板的输入端，经由无线电频率滤波后进行第一次放大（110 倍），然后由可编程 FIR 滤波器滤除人文电磁噪声后再进行第二次放大（1，10， 100），最后馈电给 24 位 A/D 转换器。标定和极化补偿功能也包括在 ADC 板之中。所有上述过程和工作参数选择均由CPU 通 过总线控制。ADC 板的模拟线路和数字线路均有电流去耦，以防止相互干扰。 低频 AD

9、C 板的频带为 250HzDC，采样率 1Hz 和 4000Hz，噪声 14/nvHz，功耗 0.25W。高频 ADC 板的频带 250KHz1Hz，如果关掉 1Hz 高通滤波器，其低频可扩展至 0.01Hz，采样率 10KHz 和 600KHz，噪声 。由于0/VzADC 板中的放大器采用了独特的斩波稳幅放大器，其噪声比无斩波放大器低5100 倍8（图 5）图 5：斩波稳度放大器与无斩波器放大器的噪声比较4. 开放性软件系统：只有优越的硬件功能是不够的，必须要有相适应的、先进的软件系统。考 虑到现今电磁测量的复杂性， Metronix 公司决定将 ADU07 中的软件模块（CPU 板）分成若干个开放性模块，以便用户控制作业流程，如图 3。1) 硬件隔离层 HAL：这是 Metronix 特有的 ADU 硬件 C/C+应用程序接口。该接口把硬件部分与管理性软件分离开，这样就便于厂商根据新的发展或用户根据自身需求，随时修改和增补新的软件功能，而又不至于影响硬件的正常运行，反之亦然。2) 主控程序 MCP：MCP 是软件主体，它 经由 C/C+应用程序接口与 HAL 通讯，以设置硬件状态、控制硬件运行。3) 软件隔离层 SAL：数据库内所有登录动作均为 XML 格式（可扩展标记语言）；用户发送 XML 格式数据到数据库（即设置测量参数的 过程），之后由主控程9序来解析这些信息。可以通过 TCP 端口 3306 访问数据库，也可以使用其他工具访问，如 Metronix 为用户专门提供的可与主控程序直接联系的phpMyAdmin 功能；Metronix 还为用户提供了易于扩展的与数据库接口的PHP 网。最终用户可以用 ssh, sftp 和 SAMBA 共享驱动使 ADU07 作为文件服务器。XML Concept 可扩展标记语言概念XML (eXtensible Markup Language)可扩展标记语 言，可 读、可操作、可检测格式是否正确，无需重写软件即可对程序进行扩展。可以用 Metronix的 PHP 接口轻松创建文件，且没有强制性要求。XML 文件格式包括主机、传感器和标定

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