DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀的研制

龍祥忠，劉明文，張益勝，阮科，劉旭川，彭祥，范春甫，劉小川

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

DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀是重慶地質儀器廠在DDS-4的基礎上全新升級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，實現(xiàn)一機多用。本文主要介紹了該儀器的物探方法原理、用途、技術指標、儀器設計原理、野外工作方法及資料處理以及與DDS-4野外對比試驗。通過對比充分地說明了該儀器的先進性與野外實際作業(yè)的實用性。

甚低頻；電磁儀；微機技術；測量精度；抗干擾

1 概述

甚低頻(VLF)電磁法是一種被動源電探方法，利用超長波通訊電臺發(fā)射的電磁波作為場源。重慶地質儀器廠生產的甚低頻電磁儀選定日本(NDT)和澳大利亞(NWC)海軍通訊電臺發(fā)射的電磁波為場源，其工作頻率分別為17.4 kHz和22.3 kHz，具有強大的輻射功率。所用甚低頻電臺由于具有距離遠、衰減小、場強均勻、噪音低、工作時間較長(晝夜發(fā)射)等特點，在我國大部分地區(qū)都能提供足夠的場強以便接收。電磁波在傳播過程中碰到良導體或磁性感應體時，將其極化產生二次電流，從而引起感應二次場。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)地下的良導體或磁性感應體的存在。

在普查找礦或水文地質、工程地質工作中，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、隱伏構造，以及進行快速電阻率填圖，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、一機多用，成本低、效率高。

2 主要技術指標

(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測量磁場強度分辨率0.02 pT；⑤測量電場強度分辨率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)。

(7)內部噪聲：小于20個字(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 ℃，相對濕度85%。

(10)質量：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 設計原理及操作面板介紹

3.1 設計原理

DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀設計原理見圖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“接口”插座、電源開關和20個鍵的鍵盤(包括數(shù)字鍵和功能鍵兩類)。

圖2 DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀設計原理框圖

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

用于儀器的開關機，顯示開機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。當所探測對象為低阻體時，最好使用“傾角法”進行甚低頻測量，尤其在接地條件不良時更應如此。如需要了解測區(qū)內水平方向上電阻率的變化，則最好使用“波阻抗法”進行電阻率填圖。

圖5 功能鍵使用介紹

4.1.1 傾角法

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

4.2 資料整理和解釋

4.2.1 傾角法

采用此法工作時所測磁場水平分量在良導體上方應有最大值；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體，曲線形態(tài)為雙峰式，最小值在良導體的正上方；在傾角法所測參數(shù)中，傾角D值最靈敏，地質效果較好。

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

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

(1)

式中：f2.3—測點f2與測點f3之間的中點(半點)的中間值D′；

M1、M2、M3、M4—各測點的觀測傾角值。

濾波處理后的曲線交零點或拐點(即異常點)被轉變成了極大值，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)計算各半點的濾波后D′值，然后描點連成線；

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

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

(4)剩余傾角曲線與坐標軸的正交點，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測量參數(shù)為Hy和Ex，然后根據(jù)公式(2)計算介質的視電阻率ρs。

(2)

式中：ρs—視電阻率，Ωm；

f—測量時所用電臺的工作頻率，Hz；

Ks—測量電場時的衰減倍數(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。

計算出的ρs可繪成剖面曲線圖，當進行面積測量時可繪成ρs等值線平面圖。

5 野外對比試驗

5.1 試驗一

5.1.1 試驗條件

試驗地點在江西省于都縣東方紅水泥廠某水井旁，布置長50 m，點距為5 m的一條測線，共設置10個測點，其中6號點是水井位置。試驗使用的電臺是澳大利亞甚低頻電臺，頻率22.3 kHz；試驗儀器為DDS-6型微機化甚低頻電磁儀、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”，一般認為，異常場的mV值是正常場的三倍及以上。

5.1.2 試驗數(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，所測量的每點磁場水平分量值見表1。

表1 試驗一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，所測量每點的磁場水平分量值見表2。

表2 試驗一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 試驗一DDS-6電磁儀測量剖面曲線

5.1.3 結果分析

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

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

該井處在一條地質斷裂帶上，深度90 m左右，含水量約1100 t。6號點處的異常是由地下的地質斷裂帶中所含的水形成的。通過對上面兩個儀器測量的數(shù)據(jù)和繪制的曲線圖的對比可見，兩種型號儀器測量所得到的曲線形態(tài)和異常點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效果是良好的。

5.2 試驗二

5.2.1 試驗條件

試驗地點為重慶某工業(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個測點，點距5 m。試驗儀器為DDS-6型微機化甚低頻電磁儀、DDS-4模擬式甚低頻電磁儀。

5.2.2 試驗數(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，所測量的每點磁場水平分量值和極化橢圓傾角D見表3。

表3 試驗二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，所測量每點的磁場水平分量值和極化橢圓傾角D見表4。

表4 試驗二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 結果分析

根據(jù)兩種型號儀器(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)和異常點的位置是一致的。異常的位置在第5號點上，下面放的就是管線。同時在異常點上極化橢圓傾角D=320°～330°，兩種型號儀器基本上是吻合的。

圖9 試驗二DDS-6電磁儀測量剖面曲線

6 結論

從上述兩次野外試驗來看，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)所繪制的實測曲線，都能直觀、清楚地反映地下低阻地質體(含水破碎帶)的位置，兩種型號儀器的曲線形態(tài)和異常的位置都非常吻合。結合室內試驗結果，基本上可以得出以下結論：

(1)利用微機技術升級設計出的DDS-6型數(shù)字甚低頻電磁儀，結合觸摸鍵盤和圖型液晶顯示，自動化程度高，操作方便。通過改變前放和主放的增益，以保證被測信號經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)該儀器在參照國內外先進技術的基礎上，進行模擬電路部分的屏蔽和選頻信號處理放大的技術，多重抗干擾設計，經過儀器的選頻和數(shù)字處理后抗干擾能力更強。

(3)儀器的性能、穩(wěn)定性和所測數(shù)據(jù)的重復性以及儀器野外工作的適用性等都達到了預期的設計要求。

[1] 史保連.甚低頻電磁法[M]. 北京:地質出版社,1986.

[2] 武漢地質學院金屬物探教研室. 電法勘探教程[M]. 北京: 地質出版社,1983.

2017-09-20

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

P631.33

A

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