抗干擾AMT/MT和擴(kuò)頻激電的探索與突破

王武

一路追風(fēng)趕月，向著自己的目標(biāo)前行，在中南大學(xué)就有這樣一位堅(jiān)定的探索者。當(dāng)電磁干擾嚴(yán)重影響勘探質(zhì)量和效果的時(shí)候，他，又一次，走在了探索的前沿。通過(guò)20多年的努力，抗干擾AMT/MT和擴(kuò)頻激電誕生了。他就是中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院副教授——陳儒軍。

抗干擾AMT/MT的破局之路

心中有星辰大海，才能沖破阻礙，乘風(fēng)破浪。始終關(guān)注著勘探工作的陳儒軍，在抗干擾AMT/MT的探索中，不妥協(xié)，不停歇，他的科研成果不僅可以自動(dòng)識(shí)別和分離近場(chǎng)干擾，還可以在強(qiáng)電磁干擾區(qū)采集到高質(zhì)量大地電磁阻抗數(shù)據(jù)。其應(yīng)用效果達(dá)到了科研的預(yù)期。

從事勘探領(lǐng)域的人都知道，大地電磁法是一種通過(guò)測(cè)量正交的天然電磁信號(hào)來(lái)探測(cè)地下目標(biāo)介質(zhì)的一種電磁法分支方法，它具有勘探深度大、施工便捷、勘探效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、油氣勘探、工程勘探及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

然而天然電磁場(chǎng)信號(hào)隨機(jī)性強(qiáng)、能量微弱、易受干擾，因此大地電磁法勘探效果的好壞很大程度取決于采集設(shè)備的靈敏度、噪音水平及抗干擾能力等指標(biāo)。

針對(duì)大地電磁法的信號(hào)特點(diǎn)，陳儒軍團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)10余年研究，在儀器技術(shù)上進(jìn)行了大量創(chuàng)新，將最新的電子電路技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及通信技術(shù)應(yīng)用到了大地電磁儀器中，研發(fā)出了一套抗干擾大地電磁儀GSEM-W10，并聯(lián)合俄羅斯科學(xué)院大地電磁數(shù)據(jù)處理專家合作研發(fā)了大地電磁處理軟件GSEM-PROS。

新的技術(shù)要想走向市場(chǎng)，就需要有自己的創(chuàng)新，相對(duì)于常規(guī)大地電磁設(shè)備，陳儒軍團(tuán)隊(duì)的GSEM-W10設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

1.噪音低。采用差分低噪音模擬電路、多級(jí)濾波算法及高精度校準(zhǔn)電路實(shí)現(xiàn)了低噪音電磁信號(hào)采集，在24 kHz采樣率下0 dB增益的等效短路輸入噪音有效值為2.5 uV。

2.功耗小。采用ARM主控芯片、模塊化定制的Linux系統(tǒng)及獨(dú)特的電源模塊設(shè)計(jì)，使得單機(jī)功耗小于2.5W（不包括磁場(chǎng)傳感器功耗），利用普通20000 mAh充電寶可持續(xù)工作約20個(gè)小時(shí)。

3.抗干擾能力強(qiáng)。在硬件上利用硬件濾波及多重陷波技術(shù)，最大限度剔除了混雜在天然電磁信號(hào)中的干擾信號(hào)；在軟件上利用自適應(yīng)除噪、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別和壓制強(qiáng)電磁干擾，在98%情況下輸出比專家編輯更準(zhǔn)確的大地電磁視電阻率和相位估計(jì)結(jié)果；在空間上利用無(wú)線分布式陣列式同步采集技術(shù)，對(duì)電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行多相關(guān)計(jì)算，大大壓制非相關(guān)噪聲。

4.效率高。在采集方法上，采用了多頻段并行采集技術(shù)，在不損失數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，大大提高采集效率；在操作方式上，采用了Wi—Fi及ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，最大可視通信距離達(dá)到1.6 km，能夠進(jìn)行多設(shè)備的分布式陣列控制和采集，1名技術(shù)員即可以完成所有儀器的參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控操作；在處理軟件上，利用細(xì)粒度多核多線程并行計(jì)算技術(shù)，將阻抗計(jì)算時(shí)間降到了同類軟件的5 % ～ 10 %，同時(shí)利用一鍵導(dǎo)出檢查點(diǎn)誤差、一致性誤差、曲線冊(cè)等功能，大大提高了數(shù)據(jù)處理和資料整理效率。

5.施工便利。利用多層電路板設(shè)計(jì)及特殊的電路優(yōu)化技術(shù)，大大減小了設(shè)備體積；支持外置充電寶供電，便于設(shè)備的航空運(yùn)輸和攜帶。

從技術(shù)到施工，陳儒軍團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了較為全面的創(chuàng)新。正是這樣的用心探索，讓他們的設(shè)備在實(shí)踐中，優(yōu)勢(shì)明顯，取得了較好的應(yīng)用效果。

比如，利用GSEM-W10設(shè)備在貴州豬拱塘特大型鉛鋅礦的AMT探測(cè)，測(cè)線總長(zhǎng)1280米，AMT測(cè)點(diǎn)數(shù)量為61個(gè)，點(diǎn)距20 m，測(cè)量的頻率范圍為1～10400 Hz。結(jié)果顯示，電阻率梯度變化帶和低阻異常頂部是鉛鋅礦成礦有利區(qū)，且剖面中的異常與礦體的形態(tài)和位置都吻合得很好。

類似的實(shí)踐案例還有很多，“最初的目標(biāo)，就是為了更好地勘探，而現(xiàn)在這個(gè)目標(biāo)達(dá)到了預(yù)期。”為此，陳儒軍在感到驕傲的同時(shí)，更感受到了責(zé)任兩個(gè)字的重量。所以，他在科研路上，從未停歇。

擴(kuò)頻激電——另辟蹊徑的探索之路

不同的勘探方式，有不同的應(yīng)用場(chǎng)所。通過(guò)研究時(shí)間域或頻率域電場(chǎng)作用下巖礦石電阻率及極化率的差異，來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的激電法就是被廣泛應(yīng)用的一種地球物理勘探方法。

激電法在很多方面上有極大的便捷及優(yōu)越性，相比于其它的電法和電磁法在固體礦產(chǎn)方面的勘探上，它能夠探測(cè)到浸染狀金屬硫化物引起的異常。但這并不能掩蓋它的不足，比如存在勘探深度較淺、施工效率低、勘探成本高及無(wú)法區(qū)分金屬礦與碳化圍巖等缺陷。

針對(duì)上述問(wèn)題，陳儒軍團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)性地結(jié)合擴(kuò)頻通信信號(hào)處理技術(shù)和微弱地球物理信號(hào)采集技術(shù)，研發(fā)出擴(kuò)頻激電探測(cè)技術(shù)與裝備，并將這項(xiàng)技術(shù)命名為擴(kuò)頻激電（SSIP）。擴(kuò)頻激電具有大深度、高精度、抗干擾、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用廣泛，并產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，于2022年獲得了中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。

人文電磁干擾強(qiáng)、礦致異常與非礦致異常的區(qū)分、弱信息提取及大深度激電信息探測(cè)是地球物理在有色金屬礦產(chǎn)勘探中的主要難題。擴(kuò)頻激電法采用m序列擴(kuò)頻信號(hào)，具有抗強(qiáng)電磁干擾能力，在1000米以上深度范圍內(nèi)可以測(cè)得激電參數(shù)，可以有效識(shí)別有色金屬礦致異常。本技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，已在國(guó)內(nèi)西藏、甘肅、云南、貴州、河南和江蘇等地多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了應(yīng)用。

如，在河南楸樹灣銅鉬礦工區(qū)，地形復(fù)雜，淺部黃鐵礦發(fā)育，實(shí)施了擴(kuò)頻激電測(cè)深，勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)礦體部位存在低阻，但多個(gè)低阻區(qū)無(wú)礦體；低頻激電響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了許多與斑巖型銅鉬礦不相關(guān)的非礦致異常，例如淺部黃鐵礦暈和矽卡巖型礦體引起的激電異常。利用中頻激電響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)淺部黃鐵礦暈和矽卡巖型礦體引起的激電異常較低頻段大大減弱，而斑巖型礦體引起的激電異常大大增強(qiáng)，異常范圍和礦體范圍基本一致，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)了深部斑巖型銅鉬礦體，其中，鉬資源量達(dá)10萬(wàn)噸，潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值200多億元。

或許，這才是科研真正的意義，它用科學(xué)的方法，進(jìn)行更精準(zhǔn)的判斷，減少了不必要的人力和物力付出，而這也是陳儒軍的追求。

這就是陳儒軍，這就是中國(guó)的科研人。未來(lái)的他，將繼續(xù)深耕探索，用更多的科研成果，助力中國(guó)地質(zhì)勘探事業(yè)的發(fā)展。不忘初心，方得始終，陳儒軍這樣說(shuō)，也這樣做。