在有色金属物探中,常规的时间域激电法为勘查解释工作提供了很多重要依据,达到了预期的找矿效果,但其中仍有相当数量的激电数值异常是由于地层中存在石墨等干扰而产生,因此在寻找铜、铅、锌等有色金属矿的异常验证中失败。时间域激电应用遇到瓶颈。近年来,随着物探设备的更新换代,频谱激电法和相位激电法在区分石墨异常和矿致异常中得到了有效的验证^[1,2],但这些频率域激电的原理复杂,成本高,野外操作要求严,效率低。本文根据相位激电的原理和物探施工的特点,介绍一种简单快捷和低成本的正弦波相位激电的方法以及实现这个方法的原理和措施,既能解决时间域激电的瓶颈问题,又能在频率域激电的方法应用上有所补充和改进。

根据W.H.Pelton 等通过对大量岩矿石标本和露头测量以及Cole-Cole模型对激电效应的频率特性描述,复电阻率表达式为:

ρ(iω)=ρ01-m1-11+(iωτ)c;ω=2πf,

其中:ρ₀表示零频率时的电阻率,m、τ、c分别表示极化率(或充电率)、时间常数和频率相关系数。

频率域激电有频谱激电和相位激电两个分支。频谱激电(SIP)依据柯尔理论,在10^-3~10² Hz的广域内观测,近几年来发展较快。野外测量中,频谱激电一般用0.031 3~256 Hz宽频段内的27个频点来供电发射,接收机对接收的信号,先经过工频干扰信号的陷波器处理,然后在宽频带的范围内做信号放大和A/D采集,经过傅里叶变换和DSP运算,得出零频电阻率ρ_s0和各个频点的电阻率ρ_s、充电率(激化率)m_s、时间常数τ_s、频率相关系数C_s。根据实验和野外实践,地质上金属硫化物矿和矿化为高极化、低电阻率、中等时间常数(τ_s=0.5~2 s)、小频率相关系数(C_s<0.2)特征,石墨等碳质干扰为低阻、高极化、大时间常数(τ_s>n.10 s),较大频率相关系数(C_s>0.3)特征。以此作为物探找矿的依据,实践中取得了较好的效果,并且对区分铜、铅、锌等矿体异常和石墨干扰方法有效,解决了时间域激电的瓶颈问题,其中,时间常数τ_s和矿体的结晶颗粒大小相关,结晶颗粒越小越致密则τ值越大,电测深τ等值线异常的二维断面,能和矿体产状良好对应,指示效果明显。

由于频谱激电技术复杂,仪器信号通道要求精密低漂移,信号采集要求高精度,数字信号处理需要DSP运算,所以成本较高;而信号通道采用陷波器滤除工频干扰,不仅工频干扰压制不彻底,而且滤波会导致相近频率点出现物理相移,致使测量误差加大;扫频测量所用频点多、时间长,以进口V-8仪器为例,扫频25个频点,一个轮转自动采集需35 min,加上跑极等辅助工作,完成单点测量,所用时间不小于42 min,而且接收机采集极低频信号,受大地电场和自然电位影响,电极接地条件要求比时间域激电和相位激电都严格,施工难度大。诸多因素,导致频谱激电适合室内研究和地质详查,不适合大面积的物探普查。

柯尔理论复电阻率公式展开有实部和虚部两部分,在交变电场中,实部和虚部之间存在相位差,使得地质体上测得的电位差ΔU_MN较发射电流I_AB有一定的相位滞后φ,当频率一定时,激电效应越强则相位φ越大。相位激电测量延迟相位φ,测量某一频率供电的延迟相位,称之(绝对)相位测量;测量不同频率的相位差,称之相对相位差测量。目前,国内研发的相位激电仪,如DJX-2/FX-1/WSJ-3,有测绝对相位,也有测相对相位,它们使用频率相干技术,即用同步信号和同步正交信号分别与测量信号相乘再滤波,得复电阻率变量的直流实变量和直流虚变量,然后相除求反切得相位,做实虚变量的均方根运算得复振幅。相比频谱激电,现有相位激电的原理有所简化,频点测量有所减少,但最低工作频点仍然在0.03 Hz。对比时间域激电,现有的相位激电仍然是原理复杂、抗工频干扰能力差、接地条件差、测点周期长,野外的实用性有待进一步提高。

目前,频谱激电和相位激电的研究成果较多,但找矿实用普及不足,矛盾的焦点主要体现在极低频信号测量。因为极低频导致:① 大量的干扰信号无法排除(包括大地电场、自然电位、工业游散直流干扰、电极激化不均匀等);② 接地条件差,布置电极需要深挖坑浇盐水,劳动强度大;③ 测量周期长;④ 要求仪器精密低漂移,成本高。

根据前人的研究,复电阻率ρ随着交变电场的频率f增大而减小,而相位φ在低频和高频时趋近与零,在频率的对数坐标上,随着不同地质体结晶颗粒形状的不同,其τ值和c值都不同,对应延迟相位峰值φ_max的频率f_c不同,峰值两边,相位谱数值大小似正态分布。根据矿石标本测试统计,松散侵染状黄铁矿的f_c大于10 Hz(某细粒分散黄铁矿侵染亚黏土f_c在16 Hz^[3]),细脉或块状侵染硫化物矿体的f_c范围大概在1 Hz~10 Hz之间(某细脉含铜黄铁矿f_c在10 Hz^[3]),块状硫化物矿的f_c在1 Hz左右(辉钼矿f_c在1.8 Hz^[4]),致密块状硫化物富矿体的f_c在0.5 Hz左右(某块状黄铜矿f_c在0.4 Hz^[4]),而石墨相位峰值f_c的频率小于10^-2 Hz。在激电可用的频率段中,石墨的相位总是随着频率的增大而减小,当频率在10^-1 Hz附近,石墨和其他金属硫化物矿体的相位大小区别不大;当大于1 Hz时,石墨的相位有显著的比例减小^[4]。因此,根据找矿目标不同,野外的实际物探就可以有针对性,相位激电测量的频率点可以在相应的目标地质体的f_c附近工作,现场可以大幅度减少其他频率点的测量,特别是避开极低频率的频点测量,这是改善目前频谱激电和相位激电存在不足的突破方向。

根据中南工业大学的理论计算和实验^[5],在32 Hz以下频率段,金属硫化矿体激化频谱延迟相位的绝对值随着频率的增加而增大,而石墨的延迟相位绝对值随频率的增大而减小。图1a、b为某硫化物矿与石墨的理论计算频谱曲线,图1c、d为某黄铁矿硫化物与石墨的试验频谱曲线,在频率为0.1 Hz左右,硫化物矿与石墨的绝对相位非常接近,当频率大于10 Hz时,二者反差巨大。以往常规的时间域激电,使用等间隔的脉冲方波正反向供电,宽度分别为2、4、10 s,由于方波中基频的幅度占主体,这些基频在0.1 Hz左右,物探的结果不能有效区分硫化物矿体和石墨碳质非矿,其结果也和图1显示一致。

因此,在要求避免石墨干扰和减少野外物探劳动强度的情况下,相位激电的测量频率段宜在1~50 Hz之间;在这之间,频率越低,测量信号幅度越大信噪比越高,但野外工作效率会越低;而频率越高,测量中的电磁干扰越大。正弦波相位激电所选频段为1~12.5 Hz,满足理论需求,符合野外物探实际,在这之间,单纯的石墨异常同比例显著减小。虽然相位激电频率选择趋向相位峰值频率f_c,但不一定就是f_c,需要根据找矿目标、地质环境和工作效率综合确定,较低的频率适合寻找块状金属硫化物,频率高一点适合寻找侵染状硫化物和与黄铁矿伴生的金银等贵金属。

目前我国尚没有简单可靠的绝对相位激电测量仪器,除了传统的相干技术难度大以外,其实还有一个关键的问题,就是没有解决和处理好既要降低50 Hz的工频干扰、又要避免滤波引起信号物理相移的矛盾,为了安全降低工频干扰,一般相位激电只能工作在较低的频率范围。本文的正弦波信号相位激电着重解决信号通道物理相移和大分贝降低工频干扰的矛盾问题,在这个基础上,相位激电的工作频率可以根据地质需要和野外施工需要自由设计。

正弦波相位激电的特征是:① 接收信号通道在同一时间只有一个频率的正弦波,由于频带很窄,可以用大分贝衰减滤波其他无用信号,通道滤波导致有用信号的物理相移可以补偿。② 正弦波相位激电仪既没有采用复杂的宽频段傅里叶变换技术,也没有采用传统的频率相干检波技术,其绝对相位和振幅是直接测量的。③ 正弦波相位激电接收,有配合正弦波发射的单通道相位激电仪和配合对称方波发射的三通道正弦波相位激电仪共两种子方案型号,前者串行接收单频点或多频点正弦波信号,使用公共的信号滤波通道,后者并行采集3个频率点的信号,每个频点各有自己的信号滤波,其信号处理的方式和单通道接收仪的方式完全一样。④ 正弦波逆变发射,发射机发射标准正弦波,可以是单频率连续发射,也可是多频率组合顺序循环发射。对称方波连续发射时,根据方波傅里叶级数展开,发射机同时合成发射了基频信号1/3/5次谐波的正弦波,满足三通道正弦波相位激电仪可同时完成3个频点的绝对相位和振幅测量。⑤ 在分析符合激电目标、降低现场操作难度、减少设备成本的基础上,将正弦波相位激电的工作频率设计在1~12.5 Hz的范围内,单点多频测量的时间可在数秒之间完成。⑥ 根据激电相位谱的分布规律,通过3个以上频点的相位φ测量,通过数学手段(高斯正态曲线反演或简单一元二次方程反演)近似计算f_c和φ_max,可以实现用最少工作量和最省力的方式,实现逼近频谱激电的物探效果。⑦ 正弦波相位激电仪,抗工频干扰和抗游散直流干扰的能力强,特别适合开展矿山(区)物探。

正弦波相位激电的信号发射有两种形式。一种是正弦波波形发射,可以单频率连续发射,也可以多频率顺序循环发射,发射频率1~12.5 Hz,顺序发射时每频点连续发射3个周期,例如1248四频正弦波发射为:1 Hz、1 Hz、1 Hz、2 Hz、2 Hz、2 Hz、4 Hz、4 Hz、4 Hz、8 Hz、8 Hz、8 Hz、1 Hz、1 Hz、…,各周期在360°和0°之间衔接无间隔。另一种是固定频率对称方波连续发射,方波基频1.5 Hz或2 Hz,由于供电方式简单,供电方波电压可超过±1 000 V,容易实现大极距深度物探。

正弦波波形的激电发射机原理框图见图2a, 其中发射机组成分前后两级开关电源,前级为输入输出高频变压器隔离升压式,控制着正弦波的输出电压,后级开关电源负责正弦波波形的逆变,为四管桥式,其中开关管{S1,S1’}同时开关,{S2,S2’}同时开关,开关占空比见图2b。正弦波逆变中,开关管{S1,S1’}和{S2,S2’}交替开关,0°~180°时{S1,S1’}开{S2,S2’}关,{S2,S2’}管集成的反向二极管续流,180°~360°时{S2,S2’}开{S1,S1’}关,{S1,S1’}管集成的反向二极管续流。后级开关电源输出经两级LC滤波,把开关电源的高频开关信号滤除,变成低频正弦波。

发射机逆变正弦波,其波形校正由单片机(配耐高温和高稳定度的石英晶体时钟源)控制完成。逆变的正弦波输出,经过无感电阻分压采样和ISO122运放隔离,与单片机的A/D信号输入端相连。单片机采集数据后,与标准正弦波的信号比对,根据比对结果,随时改变和控制后级开关电源逆变输出的占空比,以达到和保持输出的正弦波信号完整不变形。

发射机输出电流的同步信号经过分流计电流采样,用ISO122运放隔离并变成电压信号后,一方面经过大电流运放驱动,输出到同步小电缆,另一方面经过零比较,得到发射电流的方波逻辑脉冲。该脉冲送无线发射同步,送电流信号的绝对值转换器,也送单片机,并通过单片机控制A/D对发射电流信号的幅值进行采集,根据实测的电流大小,与系统设置的输出电流对比,实时反馈控制和调整前级开关电源的输出电压,保持逆变输出的电流稳定。同时,单片机不断地通过过零脉冲与GPS授时校对,调整输出正弦波起始相位,实时保证输出电流同步与GPS授时一致。

固定频率对称方波连续发射的原理见图3。由于这种发射机一般为大功率发射机,输出功率动辄几十千瓦,因此从系统散热和方便维护和降低成本的角度考虑,前级开关电源采用两个0~600 V直流输出的常规商用开关电源产品串联,比如单体15 kW的GEN600-25。对称方波输出的后级为一般IGBT全桥倒相,因为倒相开关频率1.5 Hz或2 Hz非常低,所以器件选型要求不高,满足高压即可。对称方波激电发射的无线发射同步或GPS同步,是激电发射机输出的脉冲电压信号同步;但小电缆同步,是真实采集发射机发射的电流信号。

2.2.1 单通道正弦波相位激电仪

正弦波相位激电接收机的核心是一款高速低功耗的16位或32位单片机,比如dsPIC30Fxxxx系列、STM32F103xx系列等,要求具有I2C/SPI/USART/USB等接口,具备高速的宽脉冲上下边沿定位的捕捉能力,可以准确捕获过零比较器的相位时间,具备正弦波波峰定位做A/D采样的能力,A/D分辨率不小于二进制12位,具备32/32或32/16硬件除法指令,可以即时计算复杂的物探装置下各测点的电阻率、相位等参数。正弦波相位激电的工作频率可以用键盘手动输入,也可以根据发射频率在测量同步时实际测定,接收机测量的参数为视电阻率ρ_s和绝对相位φ_s,ΔU_MN接收信号范围(0.01~2 000) mV(峰-峰值),其中允许最大叠加工频干扰超过1 000 mV,相位测量量程(0~±1 500) mrad,相位分辨率小于0.01 mrad。

为了保证接收机在野外各种恶劣的环境下能够正常工作,对接收机电路各元器件的温度指标设计成符合汽车级的标准,即在-40℃~+125℃温度下工作时各参数性能不改变(最低条件必须满足工业级-40℃~+85℃的温度要求),包括各个芯片、电阻、电容、石英晶体等,以及使用的印制板和焊锡,而且其中的元器件在焊装之前要经过参数筛选和老化处理,所有器件在焊装之前的库存中,要密封和恒温保存,这样可保证最终仪器产品的工作参数在使用中不受环境温度影响而发生变化。

图4是单通道正弦波相位激电接收机的电路原理示意。测量电极M、N的差分信号ΔU_MN接入接收机信号引入端时,首先经过C₀(0.1 μF)和R₀(10 MΩ)入口将1 Hz以下直流信号阻挡在外,进入第一级运放U₀A时,有一个2倍的固定增益,然后经过线性数字电位计RW1分压,再进入第二级固定增益运放U₀B,数字电位计RW1由单片机通过I²C总线控制,分256级变化,和固定增益运放一起组成程控自动增益的前级控制。系统分前、后两处程控增益,后级程控增益由数字电位计RW2和固定增益运放U₄B组成,方式和前级的一样,目的是在工频干扰幅度较小时尽可能在前级提高增益,以保证有足够的信噪比,但如果工频干扰幅度偏大以至于前级信号阻塞,那么U5比较器判断其信号幅度,当大于3.3 V时,给单片机CPU提供一个下降沿的脉冲信号,CPU根据这个信号逐级降低前级增益,使前级放大的总信号幅度小于3.3 V;如果前级放大后的总信号里含有较高幅度的工频干扰,那么在后面的低通滤波中会尽数衰减,低通滤波器通道对50 Hz以上频率衰减-147.4 dB;之后有用信号的幅度减小,再经后级程控增益提高。单片机根据A/D转换的结果做总的自动增益控制,当A/D转换结果大于3.8 V(V_ref=4 V)时使电位计线性减档,当A/D结果小于3.0 V(V_ref=4 V)时,使电位计线性加档。经过程控增益和低通滤波输出的信号,通过隔直校零和精密运放A2驱动,与电子开关SWA及高速过零比较器A3相连,相位激电仪测量的正弦波信号通过过零比较后,输出和正弦波0°~180°相对应的高电平方波,该方波在正弦波180°~360°时为零电平,这个方波直接和CPU的脉冲信号输入捕捉的接口相连,其上升沿和下降沿的精确时间都会被CPU捕捉;同时,过零比较器输出方波的反相电平控制SWA电子开关,联合差分输入的精密运放A5(AD8422),将A2输出的交流正弦波做绝对值转换成单向直流信号,再送入单片机的A/D输入接口。

在接收机正常测量之前,接收机首先要捕捉AB供电的发射同步。当接收机工作在捕捉发射同步模式时,同步的正弦波信号经过滤波器和过零比较器变成方波信号之后,接入CPU的脉冲捕捉的接口,CPU采集脉冲电平的上升和下降时间,计算出实际发射正弦波的频率及发射时刻,然后CPU通过修改片内定时器周期数,保持着和AB发射的正弦波时钟同步,而这个周期数的大小,是32位二进制,周期数的个数单位,是单片机指令周期,一般都能达到高频的数十兆赫兹,所以对正弦波相位的分辨率很高。由于单片机时钟是耐高温石英晶体振荡器,稳定度和精确度都很高,只要AB电流的相移φ_AB(V_AB和I_AB的相位差)稳定不变,只要单片机运行不关机,那么单片机就和AB的发射信号稳定地保持着频率锁定和同步。

单片机捕捉同步之后,在接收机转入一般物探测量时,通过键盘,将接收机调到正常测量模式。在测量模式,MN接入的信号经滤波放大和高速过零比较,一方面以方波的形式接入CPU的脉冲捕捉接口,通过脉冲边沿变化定位读取锁定同步信号的定时器的计数值,计算出激电相位;同时,根据捕捉的相位时间,延时1/4发射周期,等到正弦波信号从0°变化到90°时,打开单片机的A/D采样,取得ΔU_MN信号的正向峰值电压,根据捕捉的相位时间,延时3/4发射周期,等到正弦波信号变化到270°时,再打开单片机的A/D采样,取得ΔU_MN信号的负向峰值电压,取得A/D采样的正负峰值平均后,与物探装置系数相乘,再除以AB发射供电电流,得到当前测点的视电阻率。由于在正弦波的波峰处进行A/D采集,信号幅度较大,不需要正弦波信号绝对值转换后的平均滤波,电阻率采集无延迟,结果是信噪比高而且速度快(图5)。

图6a为单通道接收机的信号滤波通道的电路仿真曲线。其中:1~12.5 Hz范围信号增益-0.4 dB~+2.4 dB,工频50 Hz以上频率衰减大于-147.4 dB,小于0.1 Hz的低频信号衰减大于-79.4 dB。因滤波的关系,测量信号的波形要滞后,信号经过滤波通道有物理的相位延迟(图6b)。但接收机电路选用抗温度变化的元器件,经过老化处理后,滤波电路的各项参数不会随环境温度变化而改变,那么固定的频率其物理相移也是固定的;而正弦波相位激电仪的滤波通道只有固定频率的正弦波,而且测量同步和小电缆同步获得的发射同步信号,和在各测点测量的是同频信号,都经过了一个公共的滤波通道,其物理相移相同,在单片机上自动补偿抵消;因此,这种通道滤波不会对测点激电相位的测量结果产生影响,这是正弦波相位激电接收机的特点。

正弦波相位激电接收机有4种方式获得发射信号源的同步信号,按优选顺序,分别是接收获得无线发射同步、接收GPS同步、接入小电缆同步、测量同步,前两种为数字脉冲信号,与单片机的脉冲接口直接相连,后两种为模拟信号,通过MN端口和信号滤波通道输入。测量同步是在其他同步方式都不方便使用的情况下,现场简易处置的一种特殊方式:将接收机设置成测量同步的模式,在强场源区公共的物探背景异常点,通过MN电极接地测量获得的发射同步。小电缆同步是系统的基本同步方式,其测量方式也是在测量同步模式下,但MN输入的是发射机端引出的小电缆信号;小电缆信号是发射机采样和隔离输出的发射电流波形信号,信号的大小为峰峰值1~2 V,小电缆的末端有一个100 Ω的匹配电阻。无线发射同步和GPS同步可保持接收机的同步实时更新,比如在测量跑极的过程中联系同步,不影响正常的测量时间,但这两种同步,使用前必须经过用小电缆做物理相移刻度,刻度数值被单片机掉电保存;相位激电测量中,单片机将无线同步或GPS同步接收到的逻辑时刻与刻度的物理相移相加,然后再与各测点不同频率的正弦波过零比较信号的逻辑时序比较,得到各测点不同频率的绝对相位。

在相位激电测量过程中,如果AB供电电极接地较好,相移φ_AB稳定不变,那么接收机获得同步后,只要发射机和接收机都不关停,后续测量中发射机和接收机都通过石英钟保持频率锁定和同步一致,接收机无需再寻找同步。石英钟经过出厂调校,其同步误差在许可范畴;如果使用无线同步或GPS同步,即便是因为山谷地形等影响无线同步的信号传递,或因密林、因坑道等遮挡原因影响GPS的接收,也不会影响激电测量的正常进行。测量中,如果在每一个测点都做小电缆同步或无线发射同步或GPS同步,可使正弦波相位激电在AB电极接地条件稍差、φ_AB相位漂移不稳定的情况下也能够正常工作;如果φ_AB相位漂移不稳定,同时又不方便做无线同步和GPS同步和小电缆同步,那么可以用另外一台接收机在发射机附近实时监控测量小电缆的φ_AB参数,根据时间轴记录,可以对其他接收机采集的相位参数进行室内改正处理,这样正弦波相位激电仍然能够正常开展。

2.2.2 三通道正弦波相位激电仪:

对称方波发射的频率为1.5 Hz/2 Hz,其傅里叶级数展开有基频1.5 Hz/2 Hz、三倍频4.5 Hz/6 Hz、五倍频7.5 H/10 Hz、七倍频10.5 H/14 Hz、…等多次谐波的正弦波,但除了一、三、五倍频信号的幅值较大以外,其他高次谐波的幅度占发射机输出功率很小一部分,可以忽略。三通道正弦波相位激电仪利用发射机发射的一、三、五倍频的正弦波信号进行测量,可同时得到3个频点的视电阻率ρ_s、视绝对相位φ_s 。

三通道正弦波相位激电仪采集3个频点的信号,分别通过3个专用的十阶巴特沃兹窄带滤波器通道。如:接收发射1.5 Hz的方波时,设计第一通道滤波器通带(-3 dB at 700 mHz),阻带(-40 dB at 1.8 Hz),大于4.5 Hz的信号衰减大于-75 dB,小于0.35 Hz的信号衰减大于-95 dB,0.9~2 Hz范围内的信号增益(1.7±1) dB;设计第二通道滤波器通带(-3 dB at 700 mHz),阻带(-45 dB at 2 Hz),中心4.5 Hz信号增益3V/V倍,(4.5±0.3) Hz范围内增益+9.0 dB~+9.6 dB,对频率小于2.8 Hz和大于7.2 Hz的信号衰减均大于-70 dB;设计第三通道滤波器通带(-3 dB at 1 Hz),阻带(-40 dB at 2.6 Hz),中心7.5 Hz增益5 V/V倍,对频率小于 4.5 Hz的信号衰减大于-73.38 dB,对10 Hz的信号衰减大于-44 dB,大于12 Hz的衰减大于-68 dB。图7为三通道滤波参数和通道物理相移的仿真曲线,图8为三通道正弦波相位激电仪接收机的整机电路。

三通道正弦波相位激电仪对独立的3个信号通道分别各自同步,分别做信号滤波,分别进行程控自动增益,分别进行正弦波信号高速过零比较,分别做用电子开关倒相来完成绝对值转换,并分别在正弦波90°和270°时进行A/D转换,3个通道3个频点的激电相位和振幅(转电阻率)的数据采集方式和单通道正弦波相位激电仪的完全一样。

三通道正弦波相位激电仪单纯使用小电缆同步,其要求和操作与单通道相位激电仪一样;如果启用无线同步或GPS同步信号,也和单通道相位激电仪一样,使用前必须经过小电缆物理相移刻度;但是,对称方波发射的无线同步和GPS同步,是发射脉冲的电压V_AB信号同步(不是I_AB),刻度的数据包含有φ_AB变量,而φ_AB随AB供电电极接地不同而不同,所以每次AB电极接地改变后,三通道相位激电接收机要重新做小电缆刻度,综合校订三频点的(φ_AB+物理相移),或者需要用某一台接收机对小电缆做三频点的Δφ_AB测量,测出AB电极接地改变后三个频率点φ_AB的变化量,然后对所有接收机采集的φ_s参数做偏移修正。

20世纪60年代,前苏联最早研制相位激电仪器^[3]。哈萨克地球物理仪器厂曾经研制出ИНφA3 BЛ车载基站和BЛ-Ф轻便基站,前者可以完成电场、磁场的绝对相位测量和两种频率的相对相位测量,后者只能完成两种频率的相对相位测量。前苏联的激电发射采用可控硅单频脉冲方波发射,测量中使用方波的一次和三次谐波。测量两个频点的相对相位差时,他们使用了一种近似计算的方法,在基频余弦值近似等于1和基频正弦值与频率弦角近似相等的条件下,以一种特殊的手段,计算三次谐波与一次基频谐波的相对相位差,计算相对相位差时,不需要发射同步基准。接收机用两个信号通道,同时滤波选频两个频率点,一个选频发射方波的基频并压制方波的三次谐波,另一个选频三次谐波并压制基频,然后两个频点的信号各自整形为方波;之后两个通道相互比较各自方波边沿的时序,在石英振荡器和脉冲模拟计数的条件下测量相对相位。每个测点的相对相位需要多次重复测量并累计平均,累计算子2~256次。ИНφA3 BЛ基站进行绝对相位激电测量时,每次测量一个频点,无线发射的同步逻辑,在发射基站经过对发射电流采样的选频处理,针对方波基频或三次谐波;接收机在测量绝对相位时,先将无线同步导入接收通道,测出相位底数,然后再将测点信号导入接收通道,测出经过底数补偿的绝对相位。

ИНφA3BЛ和BЛ-Ф相位激电仪对工频干扰有选择性地滤波或不滤波,在没有工频干扰的地方,信号直通滤波模块不介入,有干扰时滤波模块介入,并压制50 Hz信号-40 dB(1/100)。

前苏联的相位激电测量,依仗石英晶体振荡器模拟计数和机械手动开关繁琐切换的使用方法,在当时的技术条件下制造出了比较先进的设备,在野外进行了大量成功的实践,并在相位激电的发射和接收的多种供电与测量的物探装置方法上进行了系统的研究,A.B.库里科夫和E.A.舍米亚金合著《相位激发极化法》^[3]对我国相位激电的发展起了重要推动做用。苏联人相位激电的原理清楚、方法简单、设备笨重、测量以经验公式为先导,使用非常落后的电子技术,放在现在已经完全不适合;但其方法简单,和正弦波相位激电的思想一致,其野外实践结果对正弦波相位激电有重要的借鉴作用。

我国90年代曾研制过DJX-1/2幅相仪^[6],没有推广,其测量参数是视电阻率ρ_s和绝对相位φ_s,可选工作频率0.1 Hz、0.3 Hz、1 Hz、3 Hz、10 Hz、30 Hz、100 Hz,最大发射电压150 V,功率只有40 W,最大接收信号幅度16.7 mV,使用中大部分测点信号小于 1 mV,信噪比严重不足。在矿区的实际应用中,在高频时出现背景相位异常偏高和矿体上方出现负相位的问题,推测其系统物理相移处理不彻底(包括接收机通道物理相移、AB供电的发射电流相移φ_AB等),致使矿异常上测量的延迟相位超过180°,导致低频正常但高频有虚假相位负延迟(超前)的现象出现。

FX-1型福相仪^[7]是时间域激电向频率域激电发展的一个中间典型,它连续发射频率小于0.25 Hz的单频矩形波(对称方波),因为没有了时间域激电的停电间隔,测量的时间效率有所提高,测量参数有时间域的激化率η_s、电阻率ρ_s和频率域的绝对相位φ_s。由于FX-1在10^-1 Hz频段测量,所测极化率η_s和相位φ_s的性质相仿,有用信息提升不多,并面临和时间域激电一样的瓶颈问题,对区分硫化物矿异常和石墨碳质干扰没有实质意义。

现在国内常用的相位激电仪器主要是中南工业大学的三频、五频相位激电仪,测量不同频率的振幅F_Vs和相对相位差Δφ_s,其中最新型的WSJ-3五频激电仪在0.031 25~8 Hz范围内划分9个频点(8 Hz,4 Hz,2 Hz,1 Hz,0.5 Hz,0.25 Hz,0.125 Hz,0.062 5 Hz,0.031 25 Hz)并划分5组,每组均是以相邻5个频点为一组,每次发射选其中一组,将五频点以伪随机二进制的形式组合,按正负方波恒流脉冲发射。接收机对宽频带的信号,经过抗工频干扰的信号滤波后,采用频率相干检波技术,对选择发射的一组五频点宽带信号分十路做相干处理,其中每一个频点有两路相乘的相干信号,分别是该频点同步信号的正弦波和余弦波(或用同步逻辑和同步正交逻辑分别做电子开关快速倒相),相乘后积分滤掉交流信号,得该频点的直流实分量(同步相乘结果)和直流虚分量(正交相乘结果),然后经A/D转换,在CPU内做实虚除法运算和反正切运算,得该频点的激电相位,再做实虚均方根运算得复振幅。WSJ相位激电的测量结果,通过高频段的相对相位差和与低频段的相对相位差对比,可以区分硫化物异常与石墨干扰,解决了时间域激电的瓶颈问题,在野外物探中应用较好。但是,由于WSJ激电仪和频谱激电仪一样,要在宽频段内采集极低频等多频混叠信号,电极接地条件差和现场劳动强度大的主要缺点没有改善,而且仪器要用积分滤波消除频率相干后的交流信号,这种办法因极低频信号处理测量周期长、物探测量速度慢,改良空间较小,虽然仪器成本稍有降低,但对比频谱激电没有技术优势。

目前国内有使用进口仪器做相位激电测量的,如V-8和GDP-32Ⅱ多功能电法仪器。实际上它们虽然做相位激电测量,叫法上仍称之为CR(复电阻率)或SIP(频谱激电)测量,因为不管是测量φ_s的相位激电或是测量ρ、m、τ、c的频谱激电,其数据采集方式和数据处理实质上是一样的,输出不同的参数仅因为使用软件的输出模块不同而已,在设备成本和工程造价上没有区别。例如V-8仪器,最快单测一个频点1 Hz的相位需时间1 min,实际使用时要测多个频点,累计总耗时和频谱激电一样,所以使用进口型号的多功能电法仪器做地质普查性质的相位激电测量,从经济上很不划算。

1)正弦波相位激电具有原理简单快捷、设备经济实用、仪器轻便、数据采样速度快的特点。由于AB电极发射频率较高,物探单点测量可以在数秒内完成,比较其他激电仪,至少提高10倍以上的工作效率。

2)正弦波相位激电工作频率大于1 Hz,可有效排除石墨碳质干扰,对金属硫化物矿体的相位反应灵敏。

3) 正弦波相位激电,其接收机的相位采集不受通道滤波影响,数据采集准确可靠。

4)和其他频谱激电和相位激电不同,正弦波相位激电的信号发射是以稳压源的方式发射的。正弦波发射不存在任何高频信号,对称方波发射,因为没有采用其他激电采用的恒流源方式,在脉冲方向改变时,因电流突变导致的电压尖脉冲辐射、和辐射引起的电磁干扰显著减小。正弦波相位激电接收信号的频率在1~12.5 Hz之间,其他信号不被关注,也不受影响,可避开任何高频尖脉冲辐射的影响,所以正弦波相位激电不仅绿色环保,而且对电磁干扰的抗噪和适应能力强,能在强工频干扰和强游散直流干扰地区正常工作,适合矿山物探。

5)正弦波相位激电的信号发射与接收的同步方式,比其他频谱激电和相位激电的都灵活,而且无线同步和GPS同步的方式,受外界条件的变化影响小,对各种现场的适应能力强。

6)由于采用全交流测量,正弦波相位激电自动排除了直流和极低频不稳定因素的影响,其接地条件比频谱激电、其他相位激电以及时间域激电的要求都低,现场操作的电极安装速度快、质量好。

7)对称方波发射的正弦波相位激电的设备成本低、功率大,方便做大极距深度物探。

正弦波相位激电是在总结现有频谱激电和相位激电优缺点的基础上,本着便宜操作的需要提出的一种新方法,其测量速度快、接地条件相对要求低,具有简单快捷、经济高效的特点,可作为频谱激电的重要补充,有望替换现有的相位激电,为地质普查和详查的找矿服务。

正弦波相位激电适合矿山(区)物探。现有的频谱激电和相位激电只能在矿山(区)停止工业用电的‘午休时间’开展地面物探,而正弦波相位激电可在工业电网、轨道交通、升降电梯、电磁起重的环境中开展激电工作,不仅能做地面物探,也可以在不可能停止工业用电的深部坑道开展井下激电,现场指示储矿空间,引导坑道生产。

由于基于低频正弦波,正弦波相位激电对尖脉冲电磁干扰信号不敏感,相关的电磁耦合干扰校正和其他恒流脉冲供电的相位激电有多大区别需要进一步分析研究。另外,该项研究的一个新课题,就是怎样用最少野外工作量和最省力的方式获取最大的权值。本文提出用3个以上频点的绝对相位和电阻率的测量,近似反演最大相位和它对应的频率,是否有其他更好的办法来准确反演,建议有兴趣的同行来进行研究、论证。