DSDT-1三维电阻率成像系统

张益胜，张春凤，刘明文，刘小川，龙祥忠，潘雷

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

1 引言

高密度电法于20世纪70年代最先出现在英国，不仅大大提高了电法勘探的工作效率，更为常规直流电法勘探提供了新的发展方向。根据地质勘探需要，我国于1990年从日本引进高密度电阻率法，并对其功能进行分析及吸收，自主研发了我国的新一代高密度仪器，由此大大提高了我国地质行业的工作效率。随着制造工艺、电子技术和计算机软件技术的发展，二维高密度的数据量及信息已无法满足我国日益增长的矿物能源勘查需求，为此三维电阻率法的采集与反演研究是我国地质勘探的行业需求。除我国外，目前只有美国、法国和瑞典等少数几个国家开展了三维电阻率采集系统和成像技术的研究工作。三维直流电阻率观测需采集海量数据，现有国内电法仪器还处于分时多道采集的二、三代仪器水平，采集效率低下，因此难于适应海量数据采集的要求，国外以AGI公司为代表的Supersting系列仪器采用可任意扩展的分布式电极系统和多通道并行采集技术实现了三维电阻率现场快速采集，但引入成本高，维护使用不方便。

DSDT-1三维电阻率成像系统由主站、子站、智能电极系统、传输电缆(总线)等组成，该系统采用主站集中管理控制，通过分布式子站、分布式智能电极和紧凑的“E-SCAN”观测方式，实现了多通道同时三维快速并行采集，推进了三维电阻率测量的实用化进程，很好地满足了三维电阻率测量对海量数据采集的要求。

2 三维电阻率成像基本原理

电法勘探是勘探地球物理学中的一个重要分支，由于地壳中多数岩矿石之间存在电学性质的差异，通过观测和研究由电性差异引起的人工或天然电磁场的空间和时间分布规律及变化特点，从而达到查明地下地质构造或矿产分布的一组勘探方法。电法勘探原理图见图1。电法勘探中常用于判断地质体电学性质的参数包括视电阻率ρs和视极化率ηs。

图1 电法勘探原理图

2.1 视电阻率ρs

视电阻率是描述物质导电性优劣的一个电性参数，视电阻率计算见公式(1)。

(1)

式中： ΔUMN—M、N两个测量电极之间的电势差；

I—流过地质体的电流；

k—电极装置系数，见公式(2)。

(2)

2.2 视极化率ηs

视极化率用于表示岩、矿石电化学活动性，其计算见公式(3)。

(3)

式中：ΔV(T)—供电一段时间T后在断电前测得的总电场电位差；

ΔV2(t)—断电后T时刻测得的二次场电位差。

2.3 电源三维电场的边值问题

电阻率各向同性，非均匀分布的地电三维情形中，由点电源产生的电位应满足的边值问题，见公式(4)。

(4)

式中：Γs—研究区域Ω的地表边界；

Γ∞—研究区域Ω的地下无穷远边界；

n—边界Γs外法线方向；

σ—电导率；

r—源点到计算点的距离；

I—供电电流。

由于研究区域Ω内部的电性差异界面满足自然边界条件，故不需考虑。

2.4 CT技术

CT(Copmuterized Tomography)在地球物理上被译为层析成像技术。层析成像是对物体进行逐层剖析成像，相当于把物体切成片，然后照相。层析成像技术是成像技术发展到目前的最高阶段。CT技术是根据物体外部的测量数据，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的分布图像。根据源的特性，CT技术可分为：X射线CT、γ射线CT、正电子CT、核磁共振CT、超声波CT、单质子发射CT、地震波CT、电阻率CT等。电阻率CT即为电阻率影像法(resistivity imaging profile)或电阻率成像。

DSDT-1三维电阻率成像系统正是基于以上基础理论及技术，采用阵列方式、并行三维测量以获得海量、高精度数据，再通过电阻率反演，CT数据处理，并配以计算机成像，使异常分辨率比常规的直流电阻率法有明显提高。

3 DSDT-1三维电阻率成像系统简介及关键技术

3.1 系统组成及工作原理

DSDT-1三维电阻率成像系统由1个主站、n个子站和n个智能电极系统采用两层分布式网络结构组成。系统组成结构简图见图2。

图2 DSDT-1三维电阻率成像系统基本结构示意图

在整个三维电阻率成像系统中，所有的操作控制均由用户通过主站完成，子站、智能电极系统都要服从主站的命令。整个系统的工作过程为：首先由用户通过主站启动通讯模块，并设定好各种通讯参数和采集参数；然后，发送检测各智能电极及子站是否正常的命令，等待子站和智能电极返回正确的执行结果，在确认整个系统各个部分的工作状态正常的情况下，再由主站发送开始一次数据采集的命令，所有在线采集子站和智能电极按照设定的采集参数各司其职，完成一次采样。用户还可通过主站设定多次采集序列，让主站自动完成多次采样并存储数据。

3.2 主要技术指标

①输入：16×16道同时测量输入；②阻抗：>50 MΩ；③SP补偿：±2 V；④输入电压范围：±6 V；⑤最大供电电压：1200 V；⑥最大供电电流：10 A；⑦电流通道：5 A；⑧灵敏度：电压通道优于10-6V，电流通道优于10-6A，对50 Hz工频干扰压制优于100 dB；⑨可视化输出：800×600 LCD图形显示，白天可视化选择显示；⑩存储容量：32 GB；工作温度：-20～+50℃。

3.3 关键技术及其实现

3.3.1 主站系统软件设计

主站需要测量的参数多，测量速度快，精确度高。不仅需要实时连续，长时间的数据采集，在采集的同时，还必须动态显示信号波形和各子站通信；在数据采集过程中还需要实时监测一些关键点，当有异常情况发生时能及时报警并做出相应的处理。但是Windows并不是实时操作系统，因而在其环境下开发实时测控系统需要采用一些技术。由于主站的多任务特点，需实现数据采集、实时控制，动态显示图形，数据存储和人机交互功能，而且各任务的运行速度和时间精度要求不同，采用多线程技术和消息传递的机制可有效地同步完成不同的任务，不受单个任务运行速度慢或时间长或出现异常而影响其他任务实时控制。因此在Windows环境下利用VC++多线程技术，结合工程实际，设计了主站系统软件。

3.3.2 系统网络结构设计

DSDT-1三维电阻率成像系统作为野外勘探仪器，要求系统连接简单，安装和使用方便，子站插入、移除比较方便并易于扩展，智能电极系统布极更加灵活。通过几种常用网络拓扑结构的对比分析，DSDT-1三维电阻率成像系统主站与子站之间采用总线拓扑结构相联，所有子站都通过相应的CAN接口直接连到总线上。总线结构所需要的电缆数量少、结构简单、可靠性高、易于扩充，增加或减少子站比较方便。

3.3.3 分布式子站和智能电极系统的智能编码技术

为了满足DSDT-1三维电阻率成像系统中各子站、智能电极系统可根据需要随机连接，避免子站和智能电极系统硬编码給用户造成的不便和错误，本系统采用智能软编码寻址技术对子站和智能电极进行动态地址分配，系统为一主多从总线型网络结构，主站作为主机节点，其余子站和智能电极为从结点，通过子站和智能电极前后接力连接的编码线完成系统结点智能编码。

3.3.4 CAN通信技术的应用

CAN总线通信网络以强抗干扰、高度可靠、实时高效、成本低廉等特征而著称，是公认的稳定、快速和抗干扰性强的串行总线通信网络，在工业过程控制、环境监测等众多领域中得到了广泛的应用。DSDT-1三维电阻率成像系统中各子站、智能电极系统选用内嵌CAN控制器的MCU作为核心电路，采用CAN接口连接到系统中组成总线型网络。系统通信稳定可靠，抗干扰能力强。

3.3.5 多通道同步采样技术的应用

DSDT-1三维电阻率成像系统为了满足高质、高效采集海量数据的要求，各个子站采用24位多通道同步转换AD作为核心电路，每个子站管理16个通道，所有子站在主站的统一管理下同步采集数据并分时上传。

4 模型实验

4.1 实验条件

DSDT-1三维电阻率成像系统研制完成后首先在室内进行了模型测试，过程如下：在6000 mm ×6000 mm×3000 mm的水池中放入直径38.2 cm铜球进行实验；布置16×16的三维测量网格，a=20 cm；铜球处于网格中央，埋深8 cm，电极编码见图3。

图3 电极网格布置图

采用pole-pole装置测量，共计得到65 280个数据，根据电位互换原理，同一深度点数据进行平均处理，实际数据点为32 640个。

4.2 垂直方向电阻率切片

图4显示了由浅到深9个水平电阻率切面。从垂直电阻率切面看，在第4层电阻率(图4d)、第5层电阻率(图4e)、第6层电阻率(图4f)可看到明显的圆形低阻异常。

(a)z=0.00～0.14 m；(b)z=0.14～0.30 m；(c)z=0.30～0.49 m；(d)z=0.49～0.70 m；(e)z=0.70～0.94 m；(f)z=0.94～1.23 m；(g)z=1.23～1.55 m；(h)z=1.55～1.95 m；(i)z=1.95～2.35m

从垂直方向的电阻率切面可看到，在接近球体位置时，呈现出明显的圆形低阻异常，从反演所得到的横、纵电阻率切面，可推断球体的具体位置。

4.3 x方向电阻率纵切片

图5显示了x方向(x-z截面)由上至下15个电阻率纵切片。从图5可以看出，(j)、(h)、(i)三个电阻率切片通过铜球，异常明显，且低阻等值线呈圆形封闭，与球的位置吻合。

(d)y=0.60～0.80 m；(e)y=0.80～1.00 m；(f)y=1.00～1.20 m；(g)y=1.20～1.40 m；(h)y=1.40～1.60 m；(i)y=1.60～1.80 m；(j)y=1.80～2.00 m；(k)y=1.80～2.00 m；(l)y=2.00～2.40 m

4.4 y方向电阻率纵切片

图6显示了y方向(y-z截面)由左至右15个电阻率纵切片。从图6可以看出，(j)、(h)、(i)三个电阻率切片通过铜球，异常明显，且低阻等值线呈圆形封闭，与球的位置吻合。其余切片为旁切片，越远离球体，异常越不明显。

(g)x=1.20～1.40 m；(h)x=1.40～1.60 m；(i)x=1.60～1.80 m；(j)x=1.80～2.00 m；(k)x=1.80～2.00 m；(l)x=2.00～2.40 m；(m)x=2.40～2.60 m；(n)x=2.60～2.80 m；(o)x=2.80～3.00 m

从水平、x、y方向电阻率垂直切片可见，在接近球体位置时，呈现出明显的圆形低阻异常，从反演所得到的横、纵电阻率切片，可推断球体的位置。

4.5 立体效果图

从图7立体效果图看，球体的形态基本正确，反演的效果明显。

图7 立体效果图

5 结论

通过对国内外三维电阻率仪器进行研究整合，我公司研制了适合我国国情、有利于促进我国矿产资源精细勘查的DSDT-1三维电阻率成像系统，填补了国内在三维电阻率多通道同时快速并行采集领域的空白，促进我国在三维电阻率采集系统与成像技术的发展。三维高密度成像系统能最大限度地提供地质体的电性特征，多道的设计不仅能大大提高工作效率，同时还能减少外界干扰。