CS3301在长周期大地电磁测深仪中的应用研究

巩秀钢，魏文博，金 胜，叶高峰，陈 凯

1 中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083

2 山东理工大学计算机学院，山东 淄博 255049

1 引 言

大地电磁测深法MT（Magnetotelluric sounding）是20世纪50年代初由 A.N.Tikhonov［1］和L.Cagnird［2］分别提出的［3-4］，是以天然电磁场为场源对地球内部电性结构进行研究的一种重要的地球物理手段［5-6］.MT对地球的探测深度与电磁场频率、地球内部的电性结构有关，频率不同的电磁场，其探测深度不同.当岩石导电性一定时，电磁场频率越低，其探测深度越大.天然电磁场的工作频率为n×10–3～n×102Hz，当采集信号的频率范围到n×10-4Hz时，称为超宽频带大地电磁测深，其探测深度可达到下地壳及上地幔.目前，由于无超宽频带大地电磁测深仪，一般采用如下方法：在同一测点，用宽频带仪器采集高、中频信号，而用长周期仪器采集低频与超低频信号；然后在0.1～0.01Hz频段对两种仪器测量的数据进行拼接，从而可得到超宽频带（320～（3×10-5）Hz）的大地电磁场数据［5-6］.因此，在深部地壳与上地幔构造的探测中，大地电磁法已经成为一种必不可少的手段［3-4，7-8］.

目前，为提升深部地质构造活动的探测能力，国家启动了“深部探测技术与实验研究”（2008—2012）专项.该专项的大陆电磁参数“标准网”实验（SinoProbe－01），将解决大陆尺度、阵列式大地电磁场标准网观测计划的关键技术问题，研究具体的实施方法与技术，并提供示范性成果；在华北与青藏创立阵列式区域大地电磁场标准点1°×1°观测网的构建方法和技术，构建华北与青藏地区壳、幔电磁参数的三维结构标准模型格架，及不同网度的壳、幔物性三维结构模型，为覆盖全国的阵列式区域大地电磁标准点观测网网度选择提供依据，为最终建立中国大陆岩石圈的三维导电性结构标准模型奠定基础；该项目对揭示中国大地构造特点与岩石圈结构将提供重要依据，对完善后板块大地构造理论有重大意义［9-10］.因此，该专项需要一定数量的长周期大地电磁测深仪器进行大地电磁探测.

国际上使用的长周期大地电磁测深仪主要有LIMS（Long range Intelligent Magnetotelluric System）、NIMS（Narod Intelligent Magnetotelluric System）和乌克兰的LEMI－417，但由于其磁传感器精度高，许多国家禁止对我国出口，只有乌克兰生产的LEMI－417向我国出售；我国还没有自己生产的长周期大地电磁测深仪，同大多高精尖的地球物理仪器一样，只能依靠进口，妨碍了我国相关工业的发展［7］.因此，滕吉文、刘光鼎、陆其鹄等多次撰文分析其原因，权衡其利弊，并为我国的地球物理仪器研发和产业化献计献策［11-14］.滕吉文院士撰文指出：一个国家的地球物理学能否独立于世界科学技术之林的关键是科学技术的自主研发和产业化，而科学仪器和实验设备乃是科学和技术自主创新的先导［12］；刘光鼎院士也指出：仪器问题不解决，就无法实现地学现代化［13］.并且，在LEMI－417使用中，我们发现LEMI－417提供的Final.asc数据文件中电场信号精确到0.01mV／km，磁场信号精确到0.01nT［15］，精度需要进一步提高；同时系统存在着无GPS信号时，记录出现紊乱等现象.因此，为改变该现状，需研发具有自主知识产权的长周期大地电磁测深仪.我们将系统的主要指标设定为电场信号精确到0.001mV／km，磁场信号精度优于0.01nT.

由于大地电磁测深法不需要人工场源，只对天然电磁场数据进行研究，因此成本低廉；但大地电磁场信号极为微弱，且随着国家经济发展电磁噪声变得日益严重，大地电磁数据观测质量呈明显下降趋势［3-4］，从而影响地质解释［16］.微弱信号的检测主要有窄带滤波法、双路消噪法、锁定接收法、同步累积法和取样积分法等［17］.不管采用何种方法，微弱信号检测系统均须将传感器输入的弱信号放大，为使信号不被噪声更深地淹没，应选用低噪声放大器［18-19］.CS3301是美国 Cirrus Logic公司生产的高精度运算放大器，目前已广泛用于地震数据采集仪器［20-21］，开始用于部分天然电磁采集系统［22-24］，且取得了较好的效果［25］.因此，本长周期大地电磁测深仪的采集电路选用CS3301作为运算放大器.

2 CS3301放大器

2.1 CS3301特性

运算放大器CS3301是美国Cirrus Logic公司生产的一款低噪声、极小总谐波失真率、增益可编程的差分输入差分输出高精度运算放大器，它的主要特性如下［26］：

（1）输入信号带宽：DC到2kHz；

（2）可编程增益：×1、×2、×4、×8、×16、×32、×64等7种增益模式；

（3）差分输入差分输出：可编程选择4种输入方式；

（4）噪声性能：0.20uVp-p（0.1～10Hz）；

首先，应当制定科学的人才发展规划，增加东丽区卫生人才的数量和质量，加入优势的资源，提升东丽区对卫生人才的吸引力，在岗位的设置、职称的评定、人员的管理方面融合医疗改革的要求，完善管理的方式，合理化人力资源配置，增加对老旧小区、居住分散区域的医疗卫生财政支持，提高社区医疗服务水平，完善社区医疗的卫生人才发展规划。

（5）极小的总谐波失真：典型为-118dB（0.000126%），最大为-112dB（0.000251%）；

（6）低功耗：NORMAL／LPWR／PWDN 模式下分别为5.5mA、3.5mA、10mA.

上述特点非常适合大地电磁测深仪器系统.

2.2 CS3301外部引脚

CS3301的引脚分布及相关说明如图1所示［26］.

VA、VD为电源，DGND接地，INA、INB为差分输入的两个通道，OUTF、OUTR为两输出通道，可直接连接AD采样芯片CS5372进行AD转换，CLK与AD套片相连.MUX为输入模式选择引脚，GAIN为增益选择引脚，它们均可与单片机连接，受单片机控制.其中，输入模式选择控制、增益控制如表1、表2所示.

表2中，输入信号范围分为单极性与双极性两种情况.

表1 CS3301输入模式控制Table 1 Digital selection of CS3301for Gain control

3 CS3301在大地电磁测深仪中的应用

3.1 CS3301在电场信号采集中的应用

大地电磁测深系统中，电场信号一般为几毫伏至几十毫伏，结合表2中输入信号范围，设计的电场信号采集电路原理如图2所示.

图1 CS3301的引脚分布及说明Fig.1 CS3301Pin assignments and description

表2 CS3301增益控制Table 2 Digital selection of CS3301for input Mux control

图2中，E为待测电场信号，左侧电路提供滤波功能，并将输入信号转换为差分输入信号.系统工作时，首先在×1增益下进行1min的试采，对采集结果进行统计，分析出采集的最大值Emax、最小值Emin，然后计算出最佳增益，根据该增益值设置CS3301的Gain，由于系统中只采用了INA所接信号，因此MUX设置为10.

对上述电路进行了调试，测量了方波、三角波、正弦波等多种信号；此外，将输入端短接，即在输入信号为0的情况下，测得了各增益下的输出波形，增益越高，噪声峰峰值Vpp越低.其中增益为×64的输出波形如图3所示.

图2 电场信号采集电路原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the electric signal acquisition circuit

图3 电场信号采集曲线Fig.3 Curve of electric field signal acquired

从图3可知，系统在零输入下，当工作在增益×64时，输出接近为0，但有1.07μV的偏差，该偏差可以通过系统标定进行修正；系统的噪声峰峰值Vpp达到了83.82nV，说明系统在增益为×64时可以准确识别0.1μV以上的信号.

在实际工作中，测量大地某一点的电场值，一般采用如下方法：以观测点为中心，分别在其南北、东西各放置一对电极，测量电极对之间的电压，然后将其除以极距，作为该点在南北、东西方向上的电场值.因此，当极距为100m时，本系统采集的电场观测值可以精确到0.001mV／km.此外，本系统提供了4道电场采集电路，可测试两组电场值，增加了系统的容错性.

3.2 CS3301在磁场信号采集中的应用

目前，市场上提供的磁传感器型号较多，在对德国Metronix公司的FGS－03、英国Bartington公司的Mag－03以及我国几家公司相关产品综合分析的基础上，本系统选用了英国Bartington公司提供的Mag－03MSESL70型磁通门传感器，其指标如见表3［27］.

表3 Mag－03MSESL70部分技术指标Table 3 Technical and performance specification of Mag－03MSESL70

由于Mag－03MSESL70的输出为±10V，高于CS3301的±2.5V，因此需要将 Mag－03MSESL70的输出线性转化为±2.5V之间.若电路仍采用图2模式，则此时CS3301增益为×1，转换后，按满量程计算，系统分辨率为70000／2.5＝0.028nT／μV，而CS3301在增益为×1时，噪声峰峰值Vpp接近1μV，所以如果仅采用图2所示的电路进行工作，系统的测量将不能满足要求，故需要对电路进行改善.

图4 磁场信号采集电路原理示意图Fig.4 Schematic diagram of the magnetic signal acquisition circuit

我们对野外采集的x、y、z三个方向的磁信号进行了分析，以Hx为例，其数值一般为几万nT，而变化部分仅为几百nT，因此采集时，若将直流成分去掉，仅对可变部分进行放大，使CS3301在×64增益下工作，将解决上述问题，即系统采用了反馈控制.按照该思路，在电路中增加了数字／模拟转换器DAC器件［28］，设计的磁场信号采集电路原理如图4所示.

图4中，H为磁信号转换后的电压信号，左侧电路同图2.同电场信号采集类似，系统工作时，首先在×1增益及DAC8565输出0的配置下进行1min的试采，对采集结果进行统计，分析出采集的最大值Hmax、最小值Hmin、平均值Havr，然后计算出最佳增益，根据增益值设置CS3301的Gain，并使DAC8565输出的电压信号为-Havr，输入方式选择为INA＋INB，即仅对信号的可变部分进行放大.由于系统中采用了INA＋INB，因此MUX设置为11.

因为该电路仅仅对磁信号的变化部分（一般为几百nT）进行操作，该变化部分对应的幅值小于1000／70000×2.5V≈36mV，故测量系统可在×64增益下工作，根据图3，系统能准确识别0.1μV以上的信号；由于磁传感器的内部噪声达0.006nT，在该电路中，对应的电压为0.006／70000×2.5V＝0.214μV，故该信号可被测量系统准确识别，即系统对磁传感器的测量精度可达到0.006nT.

4 野外试验

系统设计后，在实验室里进行了初步测试，输入各种波形的信号，分析其输出信号的大小、频率等是否满足要求；然后在Sino－Probe01、SinoProbe02－04的部分测点进行了对比测试，即在同一测点，采用相同极距，用本系统以及LEMI－417分别采集该点的电磁场信号.先后在632、796N、1005、9005、1600、5105等多个测点进行了30余天的试验，下面以9005测点的数据采集为例，对系统采集的数据进行分析.

图5a为LEMI－417与本仪器采集的1h时间序列信号Ey2（东西向电场信号），其中上面曲线为本系统所采集，下面曲线为LEMI－417所采集，从曲线形态看，两者一致.

图5b为LEMI－417与本仪器采集的200个点的时间序列信号Ey2（东西向电场信号），其中上面曲线为本系统所采集，下面曲线为LEMI－417所采集，从曲线形态看，本系统采集的时间序列信号包含了更多信息，其原因一方面是本系统的精度相对较高，另一方面是LEMI－417对测量结果进行了滤波.

图5c、5d为LEMI－417、本仪器分别采集的两种时间序列信号经处理后得到的大地电磁测深曲线，其中上半部分为视电阻率曲线，下半部分为相位曲线.从曲线形态看，除两者在10s、40000s周期附近的测深曲线稍有差异，在30～40000s之间，测深曲线比较一致.根据前面叙述，在同一测点，用宽频带仪器采集高、中频信号，而用长周期仪器采集低频与超低频信号，然后在10～100s对两种仪器测量的数据进行拼接，故设计的系统可进行大地电磁测深工作.

5 结 语

经过野外测试，说明由CS3301设计的本采集系统已经能成功采集数据，通过分析，电场信号精确到0.001mV／km以上，磁场信号精确到0.006nT，达到了预期目标；同时，由于未开发相关的数据处理软件，采集的数据只能用LEMI－417软件进行处理，虽然两者结果较为一致，但本系统较高的数据采集精度未显现出来，故下一步需要开发自己的处理软件.

图5 9005测点本系统与LEmi－417采集的时间序列信号及大地电磁测深曲线Fig.5 The MT time series acquired by the instrument and LEMI－417 at measuring point 9005，and the MT sounding curves

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