專利名稱：具有正交天線的智能甚低頻電磁儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電磁感應信號的測量儀器，尤其涉及一種測量甚低頻電臺發(fā)射的電磁波引起的電磁感應信號差異的數(shù)字式甚低頻電磁儀，其具有正交天線。
背景技術：
位于地表的垂直電偶極子所產(chǎn)生的磁分量只有水平分量，如果在遠區(qū)并考慮有限區(qū)域內(nèi)的場，一次場通常接近于沿地表近乎成切線方向入射的橫向磁場平面波。地下局部電性有差異的地質(zhì)體或分界面，在水平一次場的作用下就會感應出二次場，則必然出現(xiàn)垂直分量，一次場與二次場頻率相同，但相位和振幅不一致，它們的相互作用形成合成場，合成場在空間上橢圓極化(合成場的軌跡為橢圓)，其極化橢圓傾角D (橢圓短軸與垂直軸的夾角)的正切值與二次場垂直分量成正比，因此，測量極化橢圓傾角的變化，實際上就能反映出感應二次場垂直分量的變化。甚低頻電磁儀正是通過測量甚低頻電臺發(fā)射的電磁波(15-25KHZ波段的無線電波)在地表、空中或地下探測場引起的電磁感應信號差異，從而獲得測量區(qū)地質(zhì)體的電性特征，進而判斷地質(zhì)體的電性異?；虻叵聵嬙斓漠惓Ｐ畔?。目前，甚低頻電磁儀已成為地下水探測、礦床勘探和地質(zhì)填圖中重要的測量工具，尤其是在探測淺層隱伏金屬礦化低阻帶、 構造破碎帶及含水斷裂裂隙帶等方面有非常大的作用。目前國內(nèi)甚低頻電磁測量設備采用單天線結構原理設計，這種設計使得在數(shù)據(jù)采集過程中，操作人員需要在找到水平測量分量最強信號后，保持測量位置不動，將儀器用雙手托起，并保持儀器與地面垂直，然后以手腕為軸，轉動儀器尋找垂直分量的最大值，然后記錄該點的磁傾角。這種測量方式，一次測量結果需要分二步完成，不僅增加操作人員的工作強度，而且為保證測量精度，減少誤差，要求一條測線盡可能一個人操作完成。此外該設備在測量過程中需要先由測量人員根據(jù)測量要求在測區(qū)內(nèi)定好測線和測點，并在測點做好標記，然后甚低頻操作人員再根據(jù)測量標記開始測量，這種方式不僅浪費時間和人力資源， 另一方在近距離測量中容易出錯。同時，將測量結果投影到地圖上也往往需要附加的GPS 測量數(shù)據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有甚低頻電磁儀單天線操作需分步進行且不能自動定位的缺陷，提供一種新型的數(shù)字式甚低頻電磁儀，可以一次測量電磁感應信號水平分量和垂直分量，同時也自動測定方向和位置。具有正交天線的數(shù)字式甚低頻電磁儀包括電磁感應信號接收單元、信號處理單元、輸出單元、GPS定向單元和電子定向單元，GPS定向單元、電子定向單元和電磁感應信號接收單元連接信號處理單元，分別將GPS信號、方向信號和電磁感應信號傳輸給信號處理單元，信號處理單元連接輸出單元并傳輸數(shù)據(jù)給輸出單元；電磁感應信號接收單元包括正交接收天線和甚低頻波段接收模塊，正交接收天線感應電磁信號并將信號傳輸給甚低頻波段接收模塊，甚低頻波段接收模塊輸出電磁信號的振幅值給信號處理單元，信號處理單元處理信號并發(fā)送數(shù)據(jù)給輸出單元輸出。所述電磁感應信號接收單元還包括用于穩(wěn)定電磁信號頻率的鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)電路與甚低頻波段接收模塊連接。所述電磁感應信號接收單元還包括用于測量磁傾角的傾角測量模塊，傾角測量模塊傳輸測量數(shù)據(jù)給信號處理單元。所述甚低頻波段接收模塊包括一濾波器、一混頻器、DDS頻率發(fā)生模塊、AGC自動增益控制電路、中頻放大電路、檢波電路和濾波電路，用于電磁感應信號濾波的濾波器的輸入端與接收天線的輸出端連接，輸出端連接混頻器；DDS頻率發(fā)生模塊輸出端與混頻器連接；將濾波器輸入的電磁感應信號與DDS頻率發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號組成調(diào)諧信號的混頻器的輸出端連接用于中頻信號放大的中頻放大電路，中頻放大電路與檢波電路和濾波電路依次連接，濾波電路輸出電磁感應信號的振幅值；AGC自動增益控制電路的輸入端與檢波電路的輸出端連接，輸出端與中頻放大電路連接。接收天線接收到的電磁感應信號經(jīng)濾波器過濾后輸入混頻器中，與DDS頻率發(fā)生模塊產(chǎn)生的電磁信號組成調(diào)諧信號，輸入到中頻放大電路進行中頻信號放大，放大的中頻信號經(jīng)檢波電路和濾波電路后轉換為所選頻率電磁感應信號的振幅值輸出，AGC自動增益控制電路輸入端接中頻放大電路，輸出端接濾波電路的輸入端。接收天線端帶濾波器，起到消除天線雜波干擾并預選長波頻率。而混頻器將濾波后信號與DDS頻率發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號組成諧振信號，以選擇不同頻率的電臺信號。然后調(diào)諧信號通過AGC自動增益控制電路解決固定中頻信號放大倍數(shù)對小信號的放大不夠， 對大信號的過飽和失真問題，達到保證中頻信號不隨電臺信號強弱而變化，促使信號趨于穩(wěn)定作用。最后信號通過檢波電路和濾波電路輸出電磁感應信號的振幅值。所述正交接收天線包括兩互相垂直交叉的磁棒天線。所述磁棒天線為接收15-25KHZ波段的磁棒天線。所述信號處理單元包括用于數(shù)據(jù)處理和控制的主控制模塊和用于數(shù)據(jù)存儲的內(nèi)部存儲器，內(nèi)部存儲器與主控制模塊連接。所述信號處理單元還包括用于連接外部存儲器的外部擴展存儲器接口部件，外部擴展存儲器接口部件與主控制模塊連接。所述輸出單元包括顯示組件和主機通訊接口，顯示組件與主機通訊接口分別與主控制模塊連接。顯示組件顯示數(shù)據(jù)，主機通訊接口實現(xiàn)與上位機通訊。所述GPS定向單元是D-GPS全球定位接收機。電子定向單元為電子定向羅盤。本實用新型的有益效果1、采用正交接收天線可在一個測量點上同時獲得水平和垂直方向電磁信號，減少了人為操作產(chǎn)生的誤差，也減少了測量人員的工作強度。2、采用GPS定向單元獲取測點的定位信息，電子定向羅盤獲取測線的方向，兩者共同完成側線和測點的確定，減少了人為誤差。3、采用接收天線和甚低頻波段接收模塊，檢測到的電磁感應信號雜波干擾小，通過信號處理單元和輸出單元可以直接顯示、讀取和存儲數(shù)據(jù)，減少了人工記錄帶來的錯誤， 也降低了人員勞動。[0021]4、甚低頻波段接收模塊中的各單元使檢測信號穩(wěn)定可靠，干擾小，檢測數(shù)據(jù)準確。

圖1是本實用新型的功能結構示意圖；圖2是本實用新型實施例的甚低頻電磁儀的結構示意圖；圖3是圖2中甚低頻波段接收模塊的結構示意圖；圖4是本實用新型實施例中接收天線結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的數(shù)字式甚低頻電磁儀進行詳細描述。具有正交天線的數(shù)字式自動定位甚低頻電磁儀一般包括電磁感應信號接收單元 10、GPS定向單元40、電子定向單元50、信號處理單元20和輸出單元30，電磁感應信號接收單元10、信號處理單元20和輸出單元30依次連接。GPS定向單元、電子定向單元和電磁感應信號接收單元連接信號處理單元，分別將GPS信號、方向信號和電磁感應信號傳輸給信號處理單元，如圖1所示。GPS定向單元40是D-GPS全球定位接收機。電子定向單元50為電子定向羅盤而電磁感應信號接收單元10包括正交接收天線1和兩甚低頻波段接收模塊2，正交接收天線1將垂直電磁分量信號和水平電磁分量信號分別傳輸給兩甚低頻波段接收模塊2，甚低頻波段接收模塊2輸出電磁感應信號的振幅值給信號處理單元20。如圖2所示。電磁感應信號單元還包括鎖相環(huán)電路3和傾角測量模塊4，鎖相環(huán)電路3用于穩(wěn)定甚低頻波段接收模塊2從接收天線獲得的電磁感應信號的頻率，與甚低頻波段接收模塊2 連接。同時鎖相環(huán)電路3與主控制模塊201連接，接受主控制模塊201的控制。傾角測量模塊4與主控制模塊連接201，測量磁傾角數(shù)據(jù)并將測量數(shù)據(jù)傳輸給信號處理單元20的主控制模塊201。參見圖3，甚低頻波段接收模塊2包括一濾波器、一混頻器、DDS頻率發(fā)生模塊、AGC 自動增益控制電路、中頻放大電路、檢波電路和濾波電路，接收天線接收到的電磁感應信號經(jīng)濾波器過濾后通過輸入回路輸入混頻器中，與DDS頻率發(fā)生模塊產(chǎn)生的電磁信號一起組成調(diào)諧信號，輸入到中頻放大電路進行中頻信號放大，放大的中頻信號經(jīng)檢波電路檢波，后再經(jīng)濾波電路濾波后輸出所選頻率電磁感應信號振幅值。而AGC自動增益控制電路輸入端接檢波電路輸出端，輸出端接中頻放大電路。AGC自動增益控制電路保證中頻信號不隨電臺信號強弱而變化，促使信號趨于穩(wěn)定。 參見圖2，信號處理單元20包括主控制模塊201，內(nèi)部存儲器202，外部擴展存儲器接口部件203，內(nèi)部存儲器202和外部擴展存儲器接口部件分別與主控制模塊201連接，主控制模塊201進行數(shù)據(jù)處理和控制；內(nèi)部存儲器202存儲數(shù)據(jù)；外部擴展存儲接口 203連接外部存儲器。用于擴展數(shù)據(jù)存儲。信號處理單元20還可以包括一鍵盤組件204，鍵盤組件 204負責人機交互控制信號的輸入。如圖2所示。主控制模塊201可以是單片機。 輸出單元30包括顯示組件301和主機通訊接口 302，顯示組件301與主機通訊接口 302分別與主控制模塊201連接。顯示組件301顯示數(shù)據(jù)，主機通訊接口 302實現(xiàn)與上位機通訊。[0033]數(shù)字式甚低頻電磁儀還包括供電組件，為上述單元供電。參見圖2和圖4，本實施例采用的正交接收天線1為兩互相垂直交叉的磁棒天線 11，該磁棒天線是接收15-25KHZ波段的磁棒天線。該磁棒天線11可以為直棒，也可以為環(huán)形棒。數(shù)字式甚低頻電磁儀的工作原理采用的是工作于15-25KHZ波段的一種交流電磁法。實驗表明，在低頻(f< 105Hz)下，巖礦石的導電性主要表現(xiàn)為傳導電流，巖礦石的導電性主要取決于它們的電導率σ。而巖礦石的電阻率特征表明，不同的巖石具有不同的電導率，這說明當研究區(qū)待探測地質(zhì)體與其圍巖的電性差異愈明顯，則物探測量的異常特征也愈明顯。此外，在構造破碎帶發(fā)育地段，構造破碎帶與其兩側圍巖(弱變形地質(zhì)體)的物化性質(zhì)差異明顯，尤其當構造破碎帶中被多金屬礦脈充填、礦化蝕變帶發(fā)育，以及斷層泥、 粘土礦物及地下水、裂隙水的相對發(fā)育與富集，通常在甚低頻電磁測量中均有明顯的低阻異常反映。甚低頻電磁測量正是基于地質(zhì)體空間組成(礦物、巖石)的電導率分布不均勻， 從而導致甚低頻測量儀器的測量值即其測量極化橢圓傾角發(fā)生變化，來間接反映地下埋藏體的電性特征。將高精度GPS測量技術與甚低頻測量技術融為一體不僅可以大大提高工作效率，而且可以大大促進甚低頻技術的廣泛應用。使用方法測量準備在測量點開機，機器自檢并搜索甚低頻電磁信號，待信號穩(wěn)定后，鎖定頻率或手動設置測量頻率。進入GPS模式，確定測量起點，然后根據(jù)測量設計，建立測線網(wǎng)格(可預先在室內(nèi)完成)測量手持儀器并使儀器水平，身體直立，然后以身體為軸水平轉動儀器，當聽到儀器蜂鳴，水平測量結束；切換至導向模式，按顯示屏提示方向前行，聽到測點到達提示，停止，切換到測量模式開始下一測點測量，如此循環(huán)直到本測線完成，接著測量下一側線。測量過程中可以從顯示組件301上隨時查看測量結果。測量結束，通過主機通訊接口 302將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，也可以通過外部擴展存儲接口 203將數(shù)據(jù)保存到外部存儲器上。主機通訊接口 302可以是RS232接口 ；外部擴展存儲接口 203可以是usb接口。
權利要求1.一種具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于包括電磁感應信號接收單元、 信號處理單元、輸出單元、GPS定向單元和電子定向單元，GPS定向單元、電子定向單元和電磁感應信號接收單元連接信號處理單元，分別將GPS信號、方向信號和電磁感應信號傳輸給信號處理單元，信號處理單元連接輸出單元并傳輸數(shù)據(jù)給輸出單元；電磁感應信號接收單元包括正交接收天線和甚低頻波段接收模塊，正交接收天線感應電磁信號并將信號傳輸給甚低頻波段接收模塊，甚低頻波段接收模塊輸出電磁信號的振幅值給信號處理單元，信號處理單元處理信號并發(fā)送數(shù)據(jù)給輸出單元輸出。
2.如權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述電磁感應信號接收單元還包括用于穩(wěn)定電磁信號頻率的鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)電路與甚低頻波段接收模塊連接。
3.如權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述電磁感應信號接收單元還包括用于測量磁傾角的傾角測量模塊。
4.如權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述甚低頻波段接收模塊包括一濾波器、一混頻器、DDS頻率發(fā)生模塊、AGC自動增益控制電路、中頻放大電路、檢波電路和濾波電路，用于電磁感應信號濾波的濾波器的輸入端與接收天線的輸出端連接，輸出端連接混頻器；DDS頻率發(fā)生模塊輸出端與混頻器連接；將濾波器輸入的電磁感應信號與DDS頻率發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號組成調(diào)諧信號的混頻器的輸出端連接用于中頻信號放大的中頻放大電路，中頻放大電路與檢波電路和濾波電路依次連接，濾波電路輸出電磁感應信號的振幅值；AGC自動增益控制電路的輸入端與檢波電路的輸出端連接，輸出端與中頻放大電路連接。
5.如權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述正交接收天線包括兩互相垂直交叉的磁棒天線。
6.如權利要求5所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述磁棒天線為接收15-25KHZ波段的磁棒天線。
7.根據(jù)權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述信號處理單元包括用于數(shù)據(jù)處理和控制的主控制模塊和用于數(shù)據(jù)存儲的內(nèi)部存儲器，內(nèi)部存儲器與主控制模塊連接。
8.根據(jù)權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述輸出單元包括顯示組件和主機通訊接口，顯示組件與主機通訊接口分別與主控制模塊連接。
9.根據(jù)權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述GPS定向單元是D-GPS全球定位接收機。
10.根據(jù)權利要求1所述的具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，其特征在于，所述電子定向單元為電子定向羅盤。
專利摘要本實用新型公開了一種具有正交天線的智能甚低頻電磁儀，包括電磁感應信號接收單元、信號處理單元、輸出單元、GPS定向單元和電子定向單元，GPS定向單元、電子定向單元和電磁感應信號接收單元連接信號處理單元，信號處理單元連接輸出單元并傳輸數(shù)據(jù)給輸出單元；電磁感應信號接收單元包括正交接收天線和甚低頻波段接收模塊，正交接收天線感應電磁信號并將信號傳輸給甚低頻波段接收模塊，甚低頻波段接收模塊輸出電磁信號的振幅值給信號處理單元，信號處理單元處理信號并發(fā)送數(shù)據(jù)給輸出單元輸出。本實用新型采用正交接收天線可在一個測量點上同時獲得水平和垂直方向電磁信號，可自動完成測線和測點的確定，減少了人為誤差。
文檔編號G01C17/32GK202230210SQ20112013155
公開日2012年5月23日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權日2011年4月29日
發(fā)明者于昌明, 劉建明, 周海濤, 李永兵, 石昆法, 馬潤波 申請人:中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所, 中國科學院研究生院