2013, Vol. 56
2. 中国科学院电子学研究所, 北京 100190;
3. 北京工业大学, 北京 100022
2. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
3. Beijing University of Technology, Beijing 100022, China
地下电性结构探测是地球物理勘探的主要任务之一，它服务于地球内部结构的探测以及与此相关的地下油气、矿产资源等地下资源的探测.地球内部结构和地下资源的探测是一门观测科学，离不开可靠的观测设备系统.
在国际上，随着先进电子技术的不断进步，电磁观测设备系统有了飞速的发展.加拿大凤凰公司从20世纪80年代中叶至今推出了大地电磁（MT）和可控源音频大地电磁（CSAMT）测深为主的V4、V5、V5-2000、V6、V8系统，可用作频率域和时间域的大地电性结构探测及地下资源探测.美国Zonge公司、EMI公司等从20世纪90年代初开始至今，推出了GDP16、GDP32，增强型GDP32 II多功能电磁系统，MT1、MT24等大地电磁系统，也可用作频率域和时间域的大地电性结构探测及地下资源探测.德国Metronix公司则几乎同一时期推出了GMS05、GMS06、GMS07系统，主要用于大地电性结构探测.
新中国成立以来百废待兴，急需油气矿产等资源，因此急需研制各种电性观测设备，但我国工业基础薄弱，仪器研制尚不可能做到面面俱到，在地下资源探测方面，首先重点突破了轻型直流电法、瞬变电磁法（TEM）和激电方法（IP）仪器的研制.这些国内自行研制的轻型电法仪器在浅层金属矿勘探中发挥了重要作用，但对于大型的深层电法找矿和地球深部的电法探测设备尚无力顾及，基本上处于跟踪和研发探索阶段[1-16].自改革开放以来，对深部找矿的需求日益增加以及地震预报等地球深部电性结构探测的渴求加深，急需各种类型的重型电法探测设备问世.然而受当时国力不足，大型电法仪器设备研制费用可能超过进口国外仪器的费用，在不得己的情况下，从20世纪90年代到21世纪初进口了大量的地面电磁观测系统，服务于油气、矿产、地下水等资源的探测[17-22].
在使用国外仪器的实践过程中，一方面感到国外设备很先进，很好用，另一方面，针对我国的地质特点，也感到了某些不方便之处.例如发射设备比较笨重，在山区移动很不方便[23]；有的仪器分辨率满足不了实际需要.解决这一问题的唯一途径是针对我国具体的地质条件进行电磁观测设备的自行研制，发展更好更有效的地球深部电性结构和资源的探测方法，提高电性结构探测的分辨率[24].从2010年开始，我们在国土资源部探测技术与实验研究专项（SinoProbe）中承担了《地面电磁探测（SEP）系统研制》项目的研究[25-26].
2 系统研究目标和总体设计针对我国深部探测专项的需要，地面电磁探测（SEP）系统研制项目主要任务是自主研制适合于深部电性结构探测和深部找矿所需的电磁测深设备系统，在设备性能上争取赶上现有的国外同类仪器的指标.能应用于CSAMT找矿，深度达到2 km，MT方法探测深度可达100 km.
一般来说，人工源电磁法研究发射和接收系统接收到的电磁信号，在频率域中包含了发射系统的效应、大地的响应以及信号采集系统的响应，其中采集系统的响应又包括传感器的响应和记录设备的响应，如图 1所示.
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图 1 电磁发射接收系统响应 Fig. 1 System response of electromagnetic transmitter and receiver |
若在频率域中发射系统的输入电流为I（ω），记录为R（ω），大地的响应为HD（ω），发射和采集系统的响应分别为Hf（ω）和Hj（ω），则
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(1) |
我们的目标是通过采集记录的信号R（ω），恢复大地的信号为HD（ω）.由恢复的大地响应信息反推大地的电性结构.
由于大地介质对电磁波来说是一个强吸收介质，在MT和CSAMT方法的观测频率范围（1000 s-10 kHz）内，电磁波满足扩散方程.波数k=α-iβ和
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(2) |
（2）式表明电磁波探测的有效深度随频率增加而减小，因此我们要获得大地随深度的电性结构信息，必须得到宽频的大地响应HD（ω）.为了提高探测结果的纵向分辨率，必须有高分辨率的采样率，此外如果能提高发射电流I（ω）的强度，使得在大于趋肤深度δ的深度上返回的电磁信号仍能被接收系统接收到，这样也能在提高探测结果的纵向分辨率的同时，提高探测的深度.
为了由采集的记录R（ω）得到可靠的高采样率大地电磁响应HD（ω），必须要求发射电流I（ω）是宽频的，且是宽频采样率的，保证能在宽频带范围内，有各种频率的有效信号激发大地的各种深度各种尺度的电性体的二次电场.因此要求设计的发射设备是宽频的和大功率的，此外采用多种脉冲宽度的编码源有利于实现频率高采样率的目的.
为了由采集的记录R（ω）得到可能的高频率采样率的大地电磁响应HD（ω），还必须要求采集系统的响应Hj（ω）是宽频的和高频率采样率的，保证被宽频和频率高采样率信号激发的宽频和高频率采样率的电磁二次信号不被采样系统拒绝或截断，而被全部接收采集.采集系统的响应分为传感器响应和记录设备响应.目前的数字记录设备要做到宽频和高频率采样率已不难达到，而电传感器的响应很难再有改进的余地，因此重点是保证磁感应器具有宽频和高频采样率特性.此外为了提高观测结果的横向分辨率和便于采用信息多次覆盖技术以进一步增强二次源信号的强度，采用多道接收是唯一的选择，即采用国际上通用的分布式多道多采集站系统.
自主研制的地面电磁探测（SEP）系统还包括三维成像资料处理软件以及可视化的数据管理软件系统，以保证采集的资料能转换成探测区下可能的高分辨率电性细结构的3D图像.
据上述系统的研究目标和大地电磁波的特征，自主研制的地面电磁探测系统（SEP）总体设计要求可以归纳如下.
对于MT方法探测设计的频率范围为1000 s-400 Hz，CSAMT法探测设计的频率范围为16 s-10 kHz.人工源的地面电磁探测系统很难做到全部可采频率范围区间，因此自主研制的地面电磁探测系统可分为两部分：对于MT主要研制1000 s-400 Hz内的磁感应器及接收系统，对于CSAMT研制完整的发射、磁场传感器、分布式采集站系统以及质量监控系统.
3 SEP发射系统的研制结果大功率发射机的输出功率选为50-100 kW，频率范围选为16 s-10 kHz.首先对国外主流发射机进行了调研，借鉴相关领域的新技术，在认真分析国内现有供应条件的基础上，确定了发射机双交直电能变换的主回路拓扑结构，如图 2所示，接着建立了SEP发射机的仿真模型，如图 3所示.
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图 2 发射机主回路原理图 Fig. 2 The main circuit of transmitter |
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图 3 发射机的仿真模型 Fig. 3 Simulation model of transmitter |
发射机输出端前后电压波形的仿真波形如图 4所示，通过模型的仿真模拟获得各个电路和器件的设计参数指标[28].
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图 4 发射机输出端前后直流电压及发射电压波形 Fig. 4 Output waveforms and DC bus voltage |
通过两轮对各功能模块是否能达到各自的设计指标以及模块间协调匹配的反复台面试验，完成了50 kW发射机硬件平台的搭建和三层结构组装.三层结构中，第一层主要安置工频条件下的元器件，包括保险丝、交流接触器、软启动电路、继电器等；第二层主要安置电力电子元器件，包括三相整流桥、两个H桥、滤波电容、驱动电路、吸收电容、散热器和风扇等；第三层主要安置控制电路、GPS电路等.系统确保了全自动稳压，实现了宽频带范围内不同频率波形电流信号的高频率采样的变频发射.系统具有过热、过压、短路、过流等报警和自动停止发射等安全功能.大功率发射电流的反馈闭环和SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）控制方法增强了系统的鲁棒性及发射电流的稳定性，发射电压和电流波形如图 5所示.
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图 5 发射电流电压波形 Fig. 5 Transmitted voltage and current waveforms |
图 5表明发射电流电压已满足设计要求.此外系统采用了DDS技术增加时钟信号的频点数，允许发射时间域、频率域和伪随机时序脉冲信号；人机交互的软件可远程控制发射机，而且实时显示发射参数和运行状态；GPS时间信号的获取使得发射与接收信号的精确同步成为现实；发射机具有自动或手动发射功能；最大发射电流可达50 A，发射功率达到50 kW，可拓展到100 kW.发射系统在河北固安、张北、辽宁兴城进行了三次可靠性野外实测，并和国际主流发射设备进行了相同条件下的发射对比.图 6a和图 6b给出了对比情况.一系列的野外实测对比表明自行研制的SEP发射机主要性能指标与国际主流产品相当.
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图 6 （a）国际主流设备发射电压电流波形；（b）SEP发射电压电流波形 Fig. 6 (a) Voltage and current waveforms of commercial product; (b) Voltage and current waveforms of SEP transmitter |
MT和CSAMT的磁传感器是MT方法和CSAMT方法的核心部件之一，也是过去地球物理电磁测深法仪器国产化的瓶颈所在.在SinoProbe专项的支持下，在SEP系统研究中进行了磁场传感器的自主研制.对于磁传感器的研制在本刊中已有另文专门介绍[29]，这里只概括介绍研制的目标和部分进展.
为了达到SEP系统的总体目标，两种类型的磁传感器的设计参数设定如下.
对于MT型，工作频率选定为1000 s-400 Hz，噪音水平选为
磁传感器设备的关键部分有两个：一个是微弱信号放大电路，另一个是磁芯材料及线圈绕制.研制中，磁芯采用高磁导率的坡莫合金带材叠装而成，带材之间采用高温绝缘氧化物涂层，经过高温氧化炉退火，初始磁导率高于50000，带材厚度在数十个微米级，该结构有效降低了磁场能量的损耗.经过计算和测试，所研制的磁芯磁场损耗小于6.75 W/kg.实现了微弱磁场能量低损耗的目的.磁芯线圈采用特殊的绕制方式，有效降低了其分布电容，在16000匝时，线圈分布电容小于90 pF，噪声低于
磁传感器研制有很大的突破，通过了在实验室和野外多地（固安、张北、兴城，茶陵等）测试，并与国际高端某传感器进行了对比，测试结果表明，自主研制的MT和CSAMT磁传感器已经在噪声压制、频率范围、测量精度、野外数据质量等方面与国际同类产品性能相当.
5 分布式电磁数据采集系统采集系统要求既要能从事CSAMT观测也能从事MT观测.按总体要求，为便于三维观测，采用分布式采集方式，预期目标采集站总数≥200道.分布式SEP采集站的设计指标频率范围：DC-10 kHz；A/D转换：24位；动态范围：＞120 dB；工业压制优于70 dB.
采集系统方案设计研究中，吸收了国际高端某些接收设备的优点，形成了一套完善的SEP采集系统方案.通过实验室样机调试研究和野外测试，SEP数据采集站的研制已取得了重大进展.
（1）工作模式
为结合SEP系统2D、3D阵列式观测的要求，采集站采用分布式工作模式，采集站数据采集在同一时间进行.采集站之间，由于某种需要，例如地形障碍，可以相隔较远，采用若干手持终端来对就近的采集站进行配置、监督和管理.手持终端可以按照要求批量配置无线覆盖区域内的所有采集站或抽检区域内任意采集站的工作状况，对区域内各采集站进行监控和管理.
（2）设计方案
SEP采集站包括人机接口板、电源板、数据存储板、时钟板、采集板、采集信号前置处理板、Wi-Fi无线通信板，通信背板.
SEP采集站控制部分的核心控制处理器采用OMAP3530处理器.OMAP3530处理器是一款集成ARM和DSP处理器的双核处理器，通过嵌入式Linux操作系统可以对采集站采集数据进行实时预处理，并实施任务调度等管理工作.采集站采用高速SDHC卡作为数据存储介质.采用MSP430单片机进行电源管理和按键管理.采用USB HUB扩展两个USB口，其一用于无线通信，另一用于扩展存储设备.
采集控制采用高性能的FPGA XC3S200芯片，来控制与时间相关的任务调度与执行，包括采样时钟生成、CSAMT方法相关策略调度、实时时钟等，来控制传感器数据采集的电压、电流、温度等参数，来控制采集系统和数据缓冲器.
另外，由一块FPGA芯片控制自动标定和压控恒温晶振频率校准.用于生成稳定且相位一致的频率信号和标定信号.
（3）数据采集站软件研究
SEP采集站软件包括：设备内运行软件、平板电脑设备控制软件、工作方式设置软件、数据预处理软件四部分.设备内运行软件用作采集站的控制与管理，又可分为运行在ARM处理器及Linux操作系统上的控制软件和运行在DSP中的数据处理软件.
平板电脑设备控制软件为运行在平板电脑，即手持终端上的控制软件，负责采集站现场管理、数据质量监控等功能，工作方式设置软件可运行在主机电脑，也可运行在手持平板电脑上，用于生成采集站配置文件，设定工作信息.
数据预处理软件包括信号采集标定及数据预处理方法及算法研究和软件编制.数据采集包括MT数据采集功能和CSAMT数据采集功能两种工作情况.数据采集中采用一个低采样率和两个高采样率方案.低采样率采用连续方式，两个高采样率采用间歇方式进行信号采集与存储.由于使用三个采样率，采用数据降采集算法，并同时保证信号的保真度.
数据预处理包括时间序列预览、去坏数据点、时宽选择、傅里叶变换、计算复功率谱、磁棒及主机标定、选择评估频点、频点间平滑、去噪、叠加、转换系数计算、EDI标准化数据等.
经过实验室和野外测试的检验，单站采集系统已基本达到设计指标，并通过SEP和国际高端产品的野外采集结果对比，SEP结果和国际高端产品结果相当.但在同步性能、抗漂移方面有待进一步提高.
6 3D EM数据正反演成像软件和可视化数据管理软件通过近20至30年的努力，3D EM数据的正反演成像的理论方法已经比较成熟[30-35].在SEP研究中，主要是按照3D积分方程法正反演理论开发该方法的软件系统.针对油气和找矿的复杂仿真模型开展了3D软件的正演数据模拟，下面是这两个算例的研究结果.
算例1 含油气箕状断陷湖盆模型.如图 7所示，地层由老到新依次为古近系玉皇顶组（Ey）、大仓房组（Ed）、下第三系核桃园组（Eh）、廖庄组（E1），新近系上寺组及晚第三系和第四系（N+Q）.其中，玉皇顶组和大仓房组（Ey+Ed）的岩性组合为砂泥岩，电阻率为30 Ωm；核桃园组下段地层（Eh3）的岩性组合为砂泥岩、油页岩，沉积厚度可达3500 m，电阻率为200 Ωm，是油气勘探的主要目的层；（Eh2+ Eh1）为砂泥岩组合，电阻率为10 Ωm；（E1）岩性组合为砂泥岩，电阻率为15 Ωm；（N+Q）主要由粘土、砂岩及砂砾岩组成，电阻率60 Ωm.
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图 7 油田模型示意图 Fig. 7 A model for oil-bearing structure |
在模型正上方沿着剖面方向布置一条40 km长的测线，点距500 m，用自行研制的正演软件计算的频率-视电阻率拟断面如图 8所示.频率视电阻率拟断面图表示，频率视电阻率特征能很好地反映出模型的层状构造以及湖盆的箕状形态.
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图 8 复杂油田模型频率-视电阻率拟断面图 Fig. 8 Frequency-apparent resistivity pesudosection for the model in Fig. 10 |
算例2 一个矿体模型，如图 9所示.矿区位于内蒙古-大兴安岭成矿带内缘，以钼矿化为主.矿区出露主要岩石为灰岩，电阻率相对较低.矿区主要侵入中细粒黑云母花岗岩，电阻率较高.与钼矿化关系密切的是燕山早期二次侵入的花岗斑岩侵入体，电阻率较低.模型设计如图 9所示.图中透明部分表示灰岩，电阻率取2000 Ωm；下部黄色部分为侵入的黑云母花岗岩，电阻率为5000 Ωm；右侧青色部分为二次侵入的花岗斑岩赋矿岩体，电阻率为100 Ωm；灰岩和花岗岩接触的蓝色部分为钼矿化带，电阻率为200 Ωm.
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图 9 典型钼矿花岗岩体模型示意图 Fig. 9 Sketch of a typical molybdenum mineral granite rock mass |
图 10是用自行研发的正演软件处理的中心剖面处的频率-视电阻率拟断面图.表明正演的频率视电阻率结果能很好地反映赋矿体和钼矿化带两个低阻带体的位置和形态.
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图 10 钼矿模型CSAMT模式正演频率-视电阻率拟断面图 Fig. 10 Frequency-apparent resistivity pesudosection for the model in Fig. 12 |
SEP系统独立自主研制的发射机、磁场传感器、采集站、数据传输等器件在系统集成前都是单功能的独立单元，必须将各单元集成为完整的系统.按照将各个仪器单元集成为有机整体的原理，在实验室安排检测单个设备单元，协调设备间的接口参数等进行反复测试.例如信号电平、接口标准、时序标准等测试.重点进行实际野外测试，将SEP系统和国际高端商业仪器进行对比，找出SEP系统现阶段存在的问题和如何改进的措施.因此野外对比选择在构造背景和已知地质信息比较详细的矿区或已知区标准剖面上进行.这样不仅可以对比相应设备单元的优劣，而且可以对比整体集成系统在探测地质体方面的适应性和可靠性.对比单个设备时，其他设备系统保持恒定.例如，要对比SEP和国际高端某发射系统时，将传感器和采集站固定为国际高端某传感器和采集站或者固定为SEP的传感器和采集站.在对比单个传感器或单个采集站时，也采用同样的规则.在对比系统的整体性能时，通过对比SEP系统和国际高端某系统采集的CSAMT剖面、并进行反演计算，对系统总体效果进行评价.
发射系统、磁传感器等单个设备的对比在前面已经提及.采集站的效果对比实际上在对比发射机和磁传感器时就已反映出来，因为在对比发射机和磁传感器时也需要有采集站的参与，这里将进一步阐述SEP和国际高端某系统总体效果的对比.已经在固安、张北、兴城等多地进行了野外测试.其中在辽宁兴城完成了四条剖面的测试，图 11是过JK-1号钻孔的第2测线的测试对比结果.对比结果表明SEP系统用于CSAMT探测时其总体质量已达到国际高端某系统的探测效果.其他三条测线的结果类似，这里不再展示.
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图 11 辽宁兴城2号测线SEP与国际高端某系统反演结果对比图 Fig. 11 Comparison of inversed resistivity along survey line No.2 in Xingcheng, Liaoning province by SEP CSAMT system and commercial product |
任何仪器系统的研制都是阶段性的、质量和性能逐步提高的，因此有第一款、第二款、第三款产品.上面阐述的可以说是SEP的第一款仪器.为了SEP的不断升级，在研究和研制SEP系统时，还进行了磁通门磁传感器，高温超导磁传感器、芯片级原子钟、退磁炉、3D电磁反演与偏移成像、可视化管理等方面的研究，另外还会增加IP、SIP及TDEM等功能.就已研制的上述第一款SEP系统而言，可以有如下结论：
（1）SEP系统的发射设备的性能已和国际高端某系统的发射设备性能相当；
（2）SEP感应式磁传感器的性能已和国际高端某系统感应式磁传感器性能相当；
（3）SEP单采集站的性能已和国际高端某系统采集站系统的性能相当；
（4）研制的3D积分方程正演模拟系统能够模拟含油气、含矿等复杂结构的CSAMT电磁响应；
（5）通过实验室和野外测试考核，自主研制的SEP系统已达到设计的预期目标.
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