DDS-6数字式甚低频电磁仪的研制

龙祥忠，刘明文，张益胜，阮科，刘旭川，彭祥，范春甫，刘小川

(1.重庆地质仪器厂，重庆 400033；2.中国地质装备集团有限公司，北京 100102)

DDS-6数字式甚低频电磁仪的研制

龙祥忠1，刘明文2，张益胜1，阮科1，刘旭川1，彭祥1，范春甫1，刘小川1

(1.重庆地质仪器厂，重庆 400033；2.中国地质装备集团有限公司，北京 100102)

DDS-6数字式甚低频电磁仪是重庆地质仪器厂在DDS-4的基础上全新升级的用来测定甚低频电磁场多种参数的一种小型轻便化仪器，除了具有原甚低频DDS-4电磁仪的功能外，还集成了天然电场的功能，实现一机多用。本文主要介绍了该仪器的物探方法原理、用途、技术指标、仪器设计原理、野外工作方法及资料处理以及与DDS-4野外对比试验。通过对比充分地说明了该仪器的先进性与野外实际作业的实用性。

甚低频；电磁仪；微机技术；测量精度；抗干扰

1 概述

甚低频(VLF)电磁法是一种被动源电探方法，利用超长波通讯电台发射的电磁波作为场源。重庆地质仪器厂生产的甚低频电磁仪选定日本(NDT)和澳大利亚(NWC)海军通讯电台发射的电磁波为场源，其工作频率分别为17.4 kHz和22.3 kHz，具有强大的辐射功率。所用甚低频电台由于具有距离远、衰减小、场强均匀、噪音低、工作时间较长(昼夜发射)等特点，在我国大部分地区都能提供足够的场强以便接收。电磁波在传播过程中碰到良导体或磁性感应体时，将其极化产生二次电流，从而引起感应二次场。一般情况下，二次场与一次场合成后的总场与一次场的振幅、方向和相位均不同，即引起一次场的畸变。而测量某些参数的畸变，即可发现地下的良导体或磁性感应体的存在。

在普查找矿或水文地质、工程地质工作中，使用该仪器能圈定矿体、岩溶发育带、地下河、含水或矿化断裂带、隐伏构造，以及进行快速电阻率填图，并可探测地下管道、地下电缆的位置等，具有轻便、操作简单、稳定可靠、一机多用，成本低、效率高。

2 主要技术指标

(1)工作频率：17.4 kHz和22.3 kHz两种任选。

(2)测量参数：①电场水平分量Ex；②磁场水平分量Hy；③磁场垂直分量Hz；④极化椭圆倾角D。

(3)测量范围及分辨率：①磁场0.28～56 pT；②电场5～1000 μV；③极化椭圆倾角测量范围±45°；④测量磁场强度分辨率0.02 pT；⑤测量电场强度分辨率0.033 μV；⑥倾角读数误差≤±1°。

(4)天线灵敏度≥1.8 V/pT。

(5)仪器放大倍数33000。

(6)输入阻抗≥1 MΩ(测电场时)。

(7)内部噪声：小于20个字(折合到仪器输入端<0.5 μV)。

(8)供电电压：11.1 V(锂电池) 。

(9)使用环境：温度0～45 ℃，相对湿度85%。

(10)质量：约3.5 kg(包括电极、电缆)。

(11)外形尺寸：260 mm×95 mm×190 mm。

图1 DDS6数字甚低频电磁仪

3 设计原理及操作面板介绍

3.1 设计原理

DDS-6数字甚低频电磁仪设计原理见图2。

3.2 操作面板介绍

DDS-6数字甚低频电磁仪操作面板见图3。仪器面板上有一个“接口”插座、电源开关和20个键的键盘(包括数字键和功能键两类)。

图2 DDS-6数字甚低频电磁仪设计原理框图

图3 DDS-6数字甚低频电磁仪操作面板

3.2.1 接口插座

用于仪器内置锂电池充电、测量电场的电极和传输数据。

3.2.2 电源开关

用于仪器的开关机，显示开机欢迎界面及等待操作界面(见图4)。

图4 等待操作界面

其中E(22.3)表示测量参数是电场，频率为22.3 kHz。

3.2.3 数字键

0～9，用于输入数字。

3.2.4 功能键

功能键介绍见图5。

4 甚低频野外工作方法及资料整理和解释

4.1 甚低频野外工作方法

野外工作方法可分为“倾角法”和“波阻抗法”两种。当所探测对象为低阻体时，最好使用“倾角法”进行甚低频测量，尤其在接地条件不良时更应如此。如需要了解测区内水平方向上电阻率的变化，则最好使用“波阻抗法”进行电阻率填图。

图5 功能键使用介绍

4.1.1 倾角法

应根据地质体走向选择合适的甚低频发射台(即选择频率)，发射台的方向最好和地质体走向的方向一致。这样测线的方向(一般与地质体走向垂直布置)刚好是一次场的磁场最大的方向，工作时首先应在正常场地区测定正常场(把读数记录或存储待用)。然后在各测点测量参数Hy、Hz和D的值，把各测点的读数记录或存储(待用)，点距通常取10～15 m。

4.1.2 波阻抗法

最好选择在测线方向上或者与该方向夹角最小的发射台，沿测线方向测量电场水平分量Ex，读数NE即为电场水平分量。然后将仪器(磁性天线)垂直于测线方向，测量磁场水平分量Hy的大小，读取磁场水平分量NH，把读数记录或存储(待用)。

4.2 资料整理和解释

4.2.1 倾角法

采用此法工作时所测磁场水平分量在良导体上方应有最大值；磁场垂直分量(垂直分量幅度通常为水平场幅度的5%以上)的存在表明地下有良导体，曲线形态为双峰式，最小值在良导体的正上方；在倾角法所测参数中，倾角D值最灵敏，地质效果较好。

但由于本方法所用工作频率高，易引起较大的地质噪音，而使倾角曲线杂乱。为了消除地质噪音，减小地形影响，突出异常，通常采用一维数字滤波的办法对所测倾角值进行处理。其滤波计算见公式(1)。

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

(1)

式中：f2.3—测点f2与测点f3之间的中点(半点)的中间值D′；

M1、M2、M3、M4—各测点的观测倾角值。

滤波处理后的曲线交零点或拐点(即异常点)被转变成了极大值，便于勾绘等值线平面图。具体滤波改正步骤及解释如下：

(1)按公式(1)计算各半点的滤波后D′值，然后描点连成线；

(2)用D′曲线的最小点向原观测倾角曲线上投影，把所得的几个交点圆滑成线，即为零值线(背景线)；

(3)各测点上原观测的倾角D值减去所对应的背景值，把各点所得值连线，即为所求的剩余倾角曲线；

(4)剩余倾角曲线与坐标轴的正交点，即为低阻异常所在位置。

4.2.2 波阻抗法

采用这种方法工作时测量参数为Hy和Ex，然后根据公式(2)计算介质的视电阻率ρs。

(2)

式中：ρs—视电阻率，Ωm；

f—测量时所用电台的工作频率，Hz；

Ks—测量电场时的衰减倍数(与测磁场相比较)；

SA—磁性天线的灵敏度，V/μT；

R—测量电极MN间的距离，m；

NE—电场水平分量Ex；

NH—磁场水平分量Hy。

计算出的ρs可绘成剖面曲线图，当进行面积测量时可绘成ρs等值线平面图。

5 野外对比试验

5.1 试验一

5.1.1 试验条件

试验地点在江西省于都县东方红水泥厂某水井旁，布置长50 m，点距为5 m的一条测线，共设置10个测点，其中6号点是水井位置。试验使用的电台是澳大利亚甚低频电台，频率22.3 kHz；试验仪器为DDS-6型微机化甚低频电磁仪、DDS-4模拟式甚低频电磁仪。

DDS-4甚低频磁场是指针读数，所以单位归一化为“格”，一般认为，异常场的格值是正常场的三倍及以上。DDS-6甚低频磁场是数字读数，所以单位归一化为“mV”，一般认为，异常场的mV值是正常场的三倍及以上。

5.1.2 试验数据

用DDS-4模拟式甚低频电磁仪测量，归一化到仪器1挡，所测量的每点磁场水平分量值见表1。

表1 试验一DDS-4电磁仪测量数据

用表1中的数据作图如图6。

图6 试验一DDS-4电磁仪测量剖面曲线

用DDS-6数字甚低频电磁仪，在上述同一剖面上，所测量每点的磁场水平分量值见表2。

表2 试验一DDS-6电磁仪测量数据

用表二中的数据作图如图7。

图7 试验一DDS-6电磁仪测量剖面曲线

5.1.3 结果分析

由DDS-4模拟式甚低频电磁仪测量的结果可见，在第6号点出现明显的磁场异常值，仪器设置在1挡，其异常幅度>100格。

DDS-6数字甚低频电磁仪的测量结果在第6号点出现明显的磁场异常值，其异常幅度>1700 mV，位置在井旁(井口处)。

该井处在一条地质断裂带上，深度90 m左右，含水量约1100 t。6号点处的异常是由地下的地质断裂带中所含的水形成的。通过对上面两个仪器测量的数据和绘制的曲线图的对比可见，两种型号仪器测量所得到的曲线形态和异常点的位置是完全一致的，这也说明了DDS-6数字甚低频电磁仪的野外试验效果是良好的。

5.2 试验二

5.2.1 试验条件

试验地点为重庆某工业园某地下管线处，在地下管线上方垂直于管线走向布置一条剖面线，做9个测点，点距5 m。试验仪器为DDS-6型微机化甚低频电磁仪、DDS-4模拟式甚低频电磁仪。

5.2.2 试验数据

用DDS-4模拟式甚低频电磁仪测量，归一化到仪器1挡，所测量的每点磁场水平分量值和极化椭圆倾角D见表3。

表3 试验二DDS-4电磁仪测量数据

用表3中的数据作图如图8。

图8 试验二DDS-4电磁仪测量剖面曲线

用DDS-6甚低频电磁仪，在上述同一剖面上，所测量每点的磁场水平分量值和极化椭圆倾角D见表4。

表4 试验二DDS-6电磁仪测量数据

用表4中的数据作图如图9。

5.2.3 结果分析

根据两种型号仪器(DDS-4与DDS-6)的测量数据和由测量的数据所绘制的曲线图可见，两条曲线的形态和异常点的位置是一致的。异常的位置在第5号点上，下面放的就是管线。同时在异常点上极化椭圆倾角D=320°～330°，两种型号仪器基本上是吻合的。

图9 试验二DDS-6电磁仪测量剖面曲线

6 结论

从上述两次野外试验来看，DDS-4型和DDS-6型甚低频电磁仪所测量的数据和由这些数据所绘制的实测曲线，都能直观、清楚地反映地下低阻地质体(含水破碎带)的位置，两种型号仪器的曲线形态和异常的位置都非常吻合。结合室内试验结果，基本上可以得出以下结论：

(1)利用微机技术升级设计出的DDS-6型数字甚低频电磁仪，结合触摸键盘和图型液晶显示，自动化程度高，操作方便。通过改变前放和主放的增益，以保证被测信号经放大后幅度在满量程的1/3～2/3，从而提高仪器的测量精度。

(2)该仪器在参照国内外先进技术的基础上，进行模拟电路部分的屏蔽和选频信号处理放大的技术，多重抗干扰设计，经过仪器的选频和数字处理后抗干扰能力更强。

(3)仪器的性能、稳定性和所测数据的重复性以及仪器野外工作的适用性等都达到了预期的设计要求。

[1] 史保连.甚低频电磁法[M]. 北京:地质出版社,1986.

[2] 武汉地质学院金属物探教研室. 电法勘探教程[M]. 北京: 地质出版社,1983.

2017-09-20

龙祥忠(1979- )，男，重庆人，重庆地质仪器厂工程师，主要从事仪器研发工作，重庆市沙坪坝区先锋2号；Tel:023-89863101，E-mail:netmankind@126.com。

P631.33

A

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