引用本文
贺宁波. 质子磁力仪梯度容限增强技术[J]. 物探与化探, 2016,40(4): 820-825.
HE Ning-Bo. Technology for enhancing gradient tolerate of proton magnetometer[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(4): 820-825.
Doi:10.11720/wtyht.2016.4.29  
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质子磁力仪梯度容限增强技术
贺宁波
北京地质仪器厂 北京奥地探测仪器有限公司,北京 100015

作者简介: 贺宁波(1965-),男,1986年毕业于西安地质学院物探系,高级工程师,现主要从事磁法勘探仪器的研发工作。E-mail:henb@sina.com

收稿日期: 2014-10-14
基金: 国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2014AA06A611)
摘要

为解决传统质子磁力仪梯度容限偏低,在地磁场不均匀地区磁测精度得不到保证这一难题,笔者深入研究了改进的信号测周方法提高质子磁力仪梯度容限的可行性,并筛选功能强大的32位嵌入式ARM芯片作为主控单元,研制出新型高精度质子磁力仪。经与CZM-5质子磁力仪对比测试,证明新型高精度质子磁力仪的梯度容限指标不低于8 000 nT/m,满足课题任务书设计要求,改进的信号测周方法可显著地提高传统质子磁力仪的梯度容限这一重要技术指标。

关键词: 质子磁力仪; 梯度容限; 旋进信号; 测周方法; 测频精度
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)04-0820-06 doi: 10.11720/wtyht.2016.4.29
Technology for enhancing gradient tolerate of proton magnetometer
HE Ning-Bo
Beijing Geological Instrument Factory,Beijing AODI Detective Instrument Co.,Ltd.,Beijing 100015,China
Abstract

Because the gradient tolerate of the traditional proton magnetometer on the low side,so that cannot be guaranteed accuracy of magnetic survey in the region of geomagnetic field is inhomogeneous to resolve this difficulty,this paper deeply research the feasibility of enhancing gradient tolerate of the proton magnetometer by improved method of measure signal cycle.And filtrate powerful functions 32 bit embedded ARM IC as main control unit,developed new type high precision proton magnetometer.Through comparison test with CZM-5 proton magnetometer,prove the index of gradient tolerate of the new type high precision proton magnetometer not lower than 8 000 nT/m,satisfy design requirements of the project assignment book.Conclusion is that improved method of measure signal cycle can notably enhance gradient tolerate of the traditional proton magnetometer that is important technology index.

Keyword: proton magnetometer; gradient tolerate; spinning signal; cycle-measuring method; frequency-measuring precision

质子磁力仪的梯度容限又称最大可工作梯度, 是指在仪器尚能够正常工作(不一定是最好的读数重复性)的情况下, 被测磁场的最大梯度, 单位nT/m。例如当仪器的梯度容限为5 000 nT/m时, 其读数的重复性可能由原来的0.2~0.3 nT下降至 2~3 nT, 但仍能正常工作(未超过高精度磁测标准 5 nT要求)。

由于地面质子磁力仪仅在磁异常体露头或边界处才表现出读数的重复性变差, 即受到地磁场梯度变化的影响, 所以用户在一般情况下对质子磁力仪的水平梯度容限不敏感。但在井中磁测工作中, 由于探头紧贴孔壁, 而孔壁岩层的不均匀磁性会对磁测结果产生巨大影响, 所以井中质子磁力仪的梯度容限是其非常重要的技术指标之一。

当前, 国产直流极化质子磁力仪的标称梯度容限≤ 5 000 nT/m, 实测≤ 2 000 nT/m。在磁测探头尺寸无法进一步减小的情况下(探头尺寸减小, 意味着信号强度减弱), 若要大幅提高这项关键技术指标, 就必须在信号测频技术方面挖掘潜力。

国家高技术研究发展计划(“ 863” 计划)“ 资源环境” 技术领域“ 深部矿产资源勘探技术” 项目中的“ 高精度地面量子磁测技术与装备” 课题研究重点之一就是探索提高质子磁力仪梯度容限的技术。

笔者将从测频方法和测频器件的改进这两方面提出解决方案, 并通过实验验证解决方案的有效性。

1 技术背景

高精度直流极化质子磁力仪的测量原理是将拉莫尔进动效应产生的质子旋进信号放大整形成方波, 然后通过“ 等精度测频法” (图1)测量出方波的频率f, 再依据公式T=23.4874× f计算出地磁场值T。

图1 等精度测频示意

在“ 等精度测频法” 中, 提高基准信号频率或者加大计数窗口(同时增大计数个数)都可以提高测频精度。但在磁场梯度较大的情况下, 质子旋进信号衰减很快, 可用于计数的方波个数很少, 导致测频精度明显降低。

当前, 直流极化质子磁力仪的磁测梯度容限较小, 主要原因是探头尺寸偏大。在磁梯度较大的情况下, 在探头的有限空间范围内, 磁场已呈现出较大的不均匀性, 在探头各点所收到旋进信号的频率都会有差异, 继而使相位也随时间的推移, 产生较大差别, 严重时, 会使信号出现“ 差拍” 现象。在测量周期(0.7~0.9 s)内很快衰减, 形成衰减振荡的波形(图2), 从而降低了信噪比, 使读数跳动增大。若探头轴向长度为15 cm, 磁场梯度为5 000 nT/m时, 在探头两端的场强差Δ T=750 nT, 相应的频率差Δ f=Δ T/23.4874=31.932 Hz, 差拍的周期是1/Δ f≈ 31.3 ms, 这个时间远小于总的观测时间0.8 s, 在观测时间窗口内会形成多次忽大忽小的振幅波动, 使信噪比在某些时候降得很低, 从而影响读数的重复性。

图2 梯度较大时旋进信号的差拍现象

当地磁场垂直梯度较大时, 探头采集的质子旋进信号波形已发生严重畸变(图3)。图3中纵轴为信号的电压幅度, 单位为mV; 横轴为信号的A/D采样序号, 最大采样个数为10 000。由图3可见:畸变的旋进信号的包络线不是按指数规律衰减的, 而是变成“ 葫芦” 形状。将波形横向放大, 可见到局部正弦波信号的频率已发生改变。

图3 地磁场垂直梯度较大时探头采集的质子旋进信号波形

因此, 在磁场梯度较大、质子旋进信号波形畸变严重的情况下, 如何准确测量信号频率, 从而得出重复性满足精度要求的磁测读数, 亦即提高仪器的梯度容限, 是本文的主要研究内容。

2 改进方案
2.1 测周方法

提高磁测梯度容限的常规办法是尽可能减小传感器的体积, 从而减小传感器两端所收到的旋进信号的“ 频差” 。而在传感器的结构和体积没有更大挖掘潜力的情况下, 改变测频方法来提高磁测梯度容限是比较可行的办法。

本方案在早期测周法的基础上, 充分发挥新型32位计数器的特点和功能, 提出一种改良的测周方法。这种方法比简单地改变计数器的窗口时间(亦即缩短计数时间、减少计数个数)来取得重复性满足要求的读数, 从而提高磁测梯度容限的方法更科学。具体方法描述如下:

若质子磁力仪的量程为20 000~100 000 nT, 则对应质子旋进信号的频率为851.52~4 257.6 Hz。由于低频信号振幅小、衰减快, 所以选择850 Hz的低频信号在振幅最大时的120 ms计数时间窗内仅有102个方波这种极端情况进行测周研究。

图4 方波信号测周法示意

如图4所示:依次测量每个方波的上升沿相对于计数窗口开启的时刻t1、t2、t3……tn-1、tn, 即可求出每个方波的周期T1=t2-t1、T2=t3-t2、……、Tn-1=tn-tn-1。

连续测量102个方波信号的周期, 然后计算这102个方波周期的均方差以分析其离散性。由数理统计理论可知, 样本的均方差越小, 其离散性也越小, 表明样本的测量精度也高, 反之测量精度也低。所以可按均方差大小将信号的测量质量分成好、中、差三级。相应地, 方波信号的周期测量结果可根据信号质量等级和信号衰减特点分为三种处理方法:①当信号质量好时, 取102个方波周期的平均值; ②当信号质量中等时, 取前61个(60%)方波周期的平均值; ③当信号质量差时, 取前20个(20%)方波周期的平均值。

同时将信号质量等级同步记录下来, 可以作为后续处理数据时的重要依据(数据质量高低标识)。

这种信号周期测量方法有2个优点: ①在信号抖动不严重的情况下, 总可以在短时间内测量出信号的周期, 从而可以克服“ 等精度测频法” 中因信号抖动而无法精确地开关计数窗口所带来的测频精度不高的问题; ②测量信号周期的精度不受计时芯片温度漂移的影响。这是因为测量每一个方波的周期时, 用方波第二个上升沿的时刻减去第一个上升沿的时刻, 已经将温度漂移带来的影响消除掉了。

2.2 电路实现

图5为实现本方法的磁测电路原理框图, 主控CPU采用NXP公司出品的LPC2300系列ARM7单片机。该系列芯片最高工作主频达到72 MHz, 内部集成了容量高达512 KB的FLASH存贮器、98 KB的SRAM存贮器; USB 2.0、I2C、SPI、SSP、SD/MMC串行接口; 4个32位定时器/计数器、1个PWM/定时器单元; 8路10位A/D和1路10位D/A等多种常用外设; 该系列芯片工作电压单一 为3.3V, 工作温度-40~85℃, 满足野外工作环境条件要求; 封装形式为LQFP100, 易于小批量手工焊接。

图5 质子磁力仪总体结构框

由于该系列芯片集成度很高, 无需用户扩展外部程序存贮器、程序运行RAM和通讯接口, 采用一颗CPU芯片即可完成绝大部分逻辑控制和数据处理任务, 所以大大简化了本机数字电路设计, 减少了器件数量, 从而提高了系统工作的稳定性和可靠性。因本机模拟电路设计不是笔者讨论的重点, 故不在此赘述。

主控CPU对放大整形后的质子旋进信号进行连续的方波测周操作:在120 ms采样窗口内, 利用高速定时器的“ 快照” 功能, 记录下102个方波的上升沿相对于“ 门控信号” 起始点的时刻, 然后计算出每个方波的周期, 并对所有数据按照上述算法进行处理, 最终得到待测信号的准确频率。

由于高速定时器的时钟频率为72 MHz, 测量方波信号的一个上升沿所需时间为27.8 ns, 两个相邻上升沿所需时间为55.6 ns, 所以测量一个850 Hz方波信号的频率时所带来的相对误差为十万分之 4.72。若将高速定时器的时钟频率提高到180 MHz, 则测量二个上升沿所需时间为22.2 ns, 那么测量一个850 Hz方波信号的频率时所带来的相对误差为十万分之1.89, 测频精度可提高59.96%。

这种测频精度相对于“ 等精度测频法” 在理想条件下不低于千万分之一的高精度来说并不高, 但在磁场梯度变化较大的地段, 采用测周法可以获得满足磁测精度要求的原始数据。

依据上述改进的磁测原理, 在已定型生产的CZM-5质子磁力仪的基础上, 我们研制出CZM-863T质子磁力仪工程样机。该样机的操作面板和测量显示界面如图6所示, 样机内部电路板和机械结构如图7所示。

图6 仪器面板和测量显示界面

图7 仪器内部电路板和机械结构

3 仪器实验
3.1 室内信号测周实验

将12 MHz AT切型晶振产生的时钟信号经6倍频后作为72 MHz高频计数器的标准时钟; 用标准信号源产生低频待测信号, 在室温下进行低频信号测周实验, 实验结果见表1~表4。

表1 测周数:10
表2 测周数:50
表3 测周数:100
表4 测周数:200

由表1~表4可见, 测周数增加并没有提高标准信号的测频精度, 相对误差基本维持在十万分之9.3(约为理论误差的2倍)。换言之, 当磁场梯度较大时, 若能够准确测量出质子旋进信号最强时的连续10个周期的方波频率, 并且测频绝对精度不低于0.079 Hz, 即可保证磁测误差不超过1.86 nT, 符合高精度磁测标准5 nT要求。

表5是预先对用作高速计数器时钟的晶振频率进行校准后的实测结果。由此可见, 将用作高速计数器标准时钟的晶振频率预先校准后, 在全量程范围内可以达到媲美“ 等精度测频法” 的预期效果。

表5 测周数200晶振频率校准后的实测结果
3.2 野外对比实验

目前, 国内外尚未见到权威机构发布的梯度容限测试标准, 并且找不到一个可以定量测试梯度容限的基准点。我们依据中国地质科学院地球物理与地球化学研究所磁测专家曾经使用过的测试方法, 自行设计了一套简单易行的梯度容限测试方案, 并在野外进行了如下对比试验。

3.2.1 CZM-5梯度容限测试

在北京市怀柔区北务镇一处远离工业干扰的小树林中, 选取了一块地磁场平稳地段, 从侧面将探头(离地面1.5 m高)逐步(步距0.5 m)靠近金杯面包车车身, 每测点读取5个数据, 直至5个读数的重复性超过5 nT(高精度磁测标准)为止。然后计算相邻两组读数的梯度值并列表分析(读数未作日变改正)。

表6 CZM-5梯度容限实验数据

图8 梯度试验磁测数据剖面曲线

由表6和图8可见, 从汽车侧面13 m处开始逐步靠近, 磁场读数剖面曲线平滑变化, 依据读数计算出的磁场梯度的绝对值逐渐增大, 到4.0 m和3.5 m处出现拐点, 最终离汽车不足3 m处不能正常读数, 表明此处磁场梯度已超过CZM-5磁测梯度容限。由于靠近汽车时移动探头的步距不够精细(最好是0.05 m间距), 所以未能准确测量出仪器的梯度容限, 大致估计CZM-5质子磁力仪的磁测梯度容限不高于2 000 nT/m。

3.2.2 CZM-863T梯度容限测试

在上一试验过程中, 由于产生磁场不均匀性的磁性体(汽车)体积较大, 离磁性体稍远时, 磁场梯度较小, 靠近时磁场梯度才迅速增大, 所以测试时间较长, 导致日变因素也对读数产生了一定的影响。

本次试验在总结上次试验经验的基础上, 进行了两点改进:①将产生磁场不均匀性的磁性体改为体积很小的磁钢, 这样的点源磁场梯度很大, 可明显缩短测试时间; ②固定探头位置, 以一厘米步距朝着探头逐步移动磁钢, 这样可以较为精细地测量磁场变化趋势。具体测试方法如下:

测试地点与上次试验相同, 探头轴向沿地理南北向放置在一块细长的木板上, 木板距离地面约 0.5 m; 磁场点源由一铁块另加两块磁钢组成, 由南向北逐步靠近探头, 移动步距为1 cm; 每测点重复读数5次以上, 当最大读数与最小读数之差超过 20 nT 时停止测试(由于磁钢产生的磁场梯度很大, 所以适当放宽读数重复性要求)。

表7 CZM-863T梯度容限实验数据

由表7所列数据可见, 随着磁钢边缘与探头边缘逐步靠近, 读取的磁场平均值逐渐增大, 相应的磁场梯度值也由小变大, 并且达到最大值后又变小(图9)。这是因为仪器读取的磁场值是地磁场与磁钢产生的磁场的叠加值, 随着磁钢逐步靠近探头, 地磁场矢量与磁钢磁场矢量在探头处的合成矢量的大小和方向也在逐渐变化, 从而形成由小变大、再由大变小的磁测剖面曲线形态, 而磁场梯度值又灵敏地反应出磁场值变化的趋势, 进一步证明测试数据与理论分析是高度吻合的。

图9 磁场梯度剖面曲线

考虑到地磁场的方向性, 我们又进行了磁场源由北向南逐步靠近探头的实验, 实验数据与表7相似, 故不再罗列。

通过表7中的6组数据可以确认, 采用改良“ 测周法” 的CZM-863T质子磁力仪的梯度容限达到 8 000 nT/m 以上, 比采用“ 等精度测频法” 的CZM-5质子磁力仪的梯度容限提高四倍。

4 结论

笔者提出了一种提高质子磁力仪梯度容限的新方法, 并依据该方法研制出新型磁法测量仪器。利用该仪器在室内和野外进行了多次实验, 实验数据证明改良的测周方法可以显著地提高直流极化质子磁力仪的梯度容限指标。传统的质子磁力仪采用这一方法可成倍提高磁测梯度容限, 这也是对当前高精度磁测方法的有益补充, 可广泛应用于地磁场不均匀地区的高精度磁测试验工作。

The authors have declared that no competing interests exist.

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