深井电场测量不极化电极特性研究

深井自然电场观测是监测地球深部地质活动的有效手段,对预防地震灾害、深部资源探测有着重要意义。地电场信号一般为mV级甚至μV级的微弱电信号,作为电场传感器的不极化电极,其性能会对测量结果产生重要影响。现有不极化电极主要依靠电化学原理进行工作,按照电化学相关理论,深井中的高温、酸性腐蚀等因素会对不极化电极性能产生严重影响。为检验深井高温及酸性环境对不极化电极的影响情况和电化学原理的不极化电极是否适用于深井测量,进行了相关实验,选取3种电极——Cu-CuSO_4固体不极化电极、铅电极、石墨电极,在模拟深井环境下进行了实验测试。结果表明:常规不极化电极并不适合于深井环境下的电场测量,而石墨电极表现稳定,石墨材料适合作为深井电极制作材料。     

基于GPS同步的大地电磁采集站标定信号发生器设计与实现

介绍一种基于FPGA与GPS同步的大地电磁采集站标定信号发生器.信号发生器在AT91 RM9200控制下产生0.093 75、0.2344、2.5、20、24 Hz共5种频率的与GPS同步的方波信号,利用方波丰富的奇次谐波一次标定多个频点.FPGA与AT91RM9200之间的通信采用自行设计的SPI接口,实现控制参数的传输.FPGA内部采用PicoBlaze内核作为控制核心,对控制参数进行分析处理,控制标定信号的生成和与秒信号前沿同步.合成的方波信号经光耦隔离后接入模拟通道电路.测试结果表明,GPS同步标定信号发生器能够正常工作,标定信号输出滞后PPS秒信号前沿小于1.5μs,带宽不低于10 MHz,幅值稳定,满足标定要求.     

基于DDS的氦光泵磁力仪射频场智能调频研究

地磁场测量在基础地质研究、矿产资源勘查和军事探测等领域得到广泛应用,作为磁场测量核心之一的氦光泵磁力仪探头,其射频场调频精度是决定其磁测精度的重要影响因素。为实现易调节、高精度、高可靠性的调频信号,本文利用直接数字频率合成器(DDS)与微控制器(MCU)相结合方式,研究了磁力仪探头射频场智能精密调频技术,可灵活、实时、自动、精密地对磁力仪探头射频场进行调频。调频信号加载到氦光泵磁力仪系统的联调试验表明,磁力仪获得了稳定精密的磁共振信号,从而保证了磁力仪实现高精度的磁场测量。     

频率域激电信号采集平台研究

为提高传统频率域激电信号接收机的通用性,设计了一种可采集和处理变频信号、双频信号和伪随机多频信号等多种频率域激电信号的采集平台。该平台以STM32微控制器为核心设计硬件电路,实现低通滤波、程控放大、模数转换以及数据通信等功能;在LabVIEW中设计上位机,进行参数设置、数字滤波、频谱分析、幅值测量、求值计算等处理,得到幅频率等目标参数,并具有波形显示与回放、数据存储与查看等功能;设计了阻容网络模拟实验,3种激电法幅频率实测值与理论值绝对误差均小于0.5%。实验表明,平台能够灵活选取不同方法进行采集和处理,测量精度较高,在资源勘查以及煤矿水害探测等方面具有良好的应用前景。      

基于BP神经网络的固定翼航空电磁线圈姿态校正

固定翼航空电磁系统在测量过程中受风向、飞机飞行颠簸等影响,线圈姿态会发生变化,使接收到的电磁响应产生偏差。本文基于法拉第电磁感应定律,利用线圈坐标系和系统坐标系之间的转换关系,推导了线圈姿态变化时的电磁响应计算公式,得出电磁响应由线圈姿态变化过程中切割地磁场所产生的动态响应以及线圈处于倾斜状态下所感生的静态响应组成。并研究了基于BP神经网络的线圈姿态校正算法,首先利用地磁场和线圈姿态角度计算去除动态响应,然后构建BP神经网络模型,用该网络得出静态响应系数,实现静态响应校正。仿真结果表明,经过校正后的电磁响应数据质量得到很大改善。     

矿井瞬变电磁法多匝小回线装置电感效应的理论研究

由于线圈的自感耦合作用,使瞬变电磁早期时间道信号严重失真。为研究瞬变电磁早期信号的特性,讨论多匝线圈与单匝线圈的自感系数的关系,得出线圈自感信号振幅的理论表达式,并推导出单匝和多匝回线的电感公式。分析瞬变电磁发射回线等效回路的暂态过程及感应电动势的产生和衰减规律。影响早期信号的因素为线圈自感信号,它的衰减不仅与时间有关,而且与等效回路的材料有关。该项研究对进一步研究瞬变电磁早期场的附加效应打下了基础,同时为提取早期数据的研究提供参考。     

位移、速度双输出传感器的试验研究

位移、速度双输出传感器系用65型速度传感器改制而成,这种传感器能在同一瞬时输出位移、速度两种不同的信号。位移信号通过差动变压器产生,而速度信号通过磁蕊和线圈的相互作用产生。本传感器可用于土中振动位移、速度等参数的测量,它具有高的灵敏度,使用频率范围为2～50赫兹,经现场实测,效果良好。     

海底MT采集电路在非实时监控状态下的容错性设计

测量海底大地电磁场的仪器系统只能以非实时监控模式运行,这给信号的采集工作带来诸多不可预测的因素。在测量周期长、条件恶劣且与人员隔绝的时空条件下,信号测试过程会受到来自环境干扰和电路异常等方面的影响。因而,预防干扰及自动纠错成为海底大地电磁信号采集电路必须具备的功能。针对可能出现的电路故障,设计相应的软硬件纠错方案以确保海底的仪器始终正常工作是十分重要的。详细分析了海洋作业过程中由于强烈振动的影响、电子盘的写盘噪声以及方向传感器的电磁辐射等方面的故障及其产生的原因,并提出了软件与硬件相结合的容错性设计方案,实现了海底电磁信号采集在非实时监控状态下的容错功能。     

福建沿海地区地微动的谱结构特征

在福建沿海地区的福州、泉州、莆田等地进行了场地地微动的测试 ,利用快速富里叶变换 (FFT)方法对观测到的地微动信号进行频谱分析。结果表明 ,覆盖层厚度大、有厚层的软弱夹层淤泥的场地 ,其整体刚度小 ,地微动谱能量相当分散 ,频带宽 ,峰值频率低 ,卓越频率一般为 1～ 5Hz ;覆盖层薄、土层刚度 (Vs)大的场地 ,地微动的峰值频率也大 ,卓越频率一般为8～ 11Hz,且常呈单峰形态。软土对高频地微动信号有滤波作用 ,对低频信号起放大作用 ,而硬土层则相反.     

芦山地震(MS 7.0)及玉树地震(MS 5.2)震前次声波异常信号分析

中国地质大学（武汉）三峡库区地质灾害研究中心安装在三峡库区的次声波监测仪在芦山地震（2013年4月20日,MS 7.0）和玉树地震（2011年6月26日,MS 5.2）震前都接收到有效的异常信号。根据不同台站接收到的次声波异常信号,配合Matlab滤波和小波分析等手段,得出：芦山地震震前次声波信号的频率主要集中在(0~4)×10-3 Hz;玉树地震震前次声波信号的频率主要集中在(0~5)×10-3 Hz,且地震震级越大,震前次声波信号振幅越大。根据野三关和秭归的次声波监测仪在玉树地震震前接收到的次声波异常信号的时间差和震中与次声波监测仪台站之间的距离差,估算出玉树地震震前超低频次声波的波速约为6.4 m/s。为探讨地震短临预报的可行性,文中设计了一个大三角套小三角的次声监测阵列以实现震中定位。     

Fairweather atmospheric electricity at Antarctica during local summer as observed from Indian station,Maitri

Surface measurements of the atmospheric electrical parameters like Maxwell current, electric field and conductivity studied at the Indian station, Maitri (70.75° S, 11.75° E, 117 m above mean sea level), Antarctica, during austral summer have been analyzed for the years 2001 to 2004. A total of 69 days were selected which satisfied the ‘fairweather’ conditions, i.e., days with absence of high winds, drifting or falling snow, clouds, and fog effects. The diurnal variation curve of electric field and vertical current averaged for 69 fairweather days is a single periodic with a minimum at 03:00 UT and a maximum near 19:00 UT, which is very similar to the Carnegie curve. The correlation coefficient between these measured parameters has a high value (more than 0.9) for all the days. During fairweather days the measured current and field variations are similar and hence it is clear that the conductivity is more or less stable. During magnetically disturbed days, the dawn-dusk potential drop has clear influences on the diurnal variation and it modifies the conductivity. Apart from the day-to-day variation in low latitude thunderstorm activity, there are diurnal, seasonal, inter-annual variations in the electric potential and the currents, as well as solar influences on the measured parameters. This study will help us to examine the impact of solar and geophysical phenomena like solar flares, geomagnetic storms and substorms on the global electric circuit.     

煤巷聚焦多点电源探测电场超前扫描控制策略

为实现煤巷聚焦多点电源有效探测电场聚焦深度扫描和偏转角度扫描,准确把握有效探测电场的变化规律,根据超前扫描探测机理,利用高斯定理,采用两种不同的方法对积分过程进行求解,推导单根有限长均匀带电直线电极的电场线方程。利用电场线空间分布的对称性,归纳推理共面多电极电场线方程。改变聚焦屏流比系数,计算有效探测电场线边界线方程,分析平均电流密度及空间立体角变化规律;同时改变聚焦屏流比系数和偏转屏流比系数,分析电场边界线下边界角及偏转角变化规律,确定出超前扫描探测主电极与约束电极发射电流取值范围。此研究为野外开展聚焦多点电源电法勘探提供技术指导,对完善聚焦电法勘探机理,推动该技术理论发展具有重要意义。      

煤巷多点电流源双频激电法超前扫描探测技术

在掘进工作面上设计多点电流源双频激电法探测电极布置方式,根据稳定电流场性质,建立多点电流源电场线微分方程,基于变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法,对微分方程组进行求解。定义探测电场空间立体角和电场线边界角概念,分析探测电场平均电流密度随主屏流比系数及距掘进断面距离变化规律,确定聚焦效应探测时主屏流比系的取值范围。同时改变约束屏流比系数和主屏流比系数,分析探测电场偏转角的变化规律及对其影响的主要因素,确定偏转效应探测时约束屏流比系数的取值范围。工业性试验表明:利用该方法进行超前扫描探测,根据视幅频率和视电阻率异常激电效应参量变化规律,能够有效识别工作面前方围岩地质构造特征及低阻含水异常体的方向,但含水异常体距工作面的准确距离和含水量的大小尚需进一步研究。      

Co-Phased Median Filters, Some Peculiarities of Sweep Signal Processing

Median filters are nonlinear and a theoretical analysis of their behavior is very difficult and so are rarely used for the processing of seismic data. However, they are able to preserve steps, sharp discontinuities and edges that are lost using most other standard filters. As seismic data are mostly harmonic or frequency modulated signals in the frequency range 1 to 10 Hz, the median filter must be adapted so as to suppress noise but not unduly distort the signal. This can be accomplished by using a median filter whose length is n times that of signal period where n is even. By use of weighted-order statistics, samples of the signals closest in phase can be obtained. To illustrate the method, a signal from a frequency band of 6.3–7.5 Hz was processed and the quality of the signal enhanced two fold over the quality of the signal without processing.     

地球磁场起源之粒子起电问题研究

粒子起电问题是解决地球磁场起源中固体地球内部电流形成问题的关键之一。通过引述电化学领域二相流起电机制,建立了有利于分析地球磁场起源的固体地球内部物质流动的双电层模型结构,即液/液界面双电层模型和液/固界面双电层模型,分析了地球外核物质流动及流动起电问题。在地球运动动力和运动定律作用下,地球外核物质的定向移动是形成地下电流、产生磁场的直接原因。研究了形成地磁场电流的一般算法及影响因素,探讨了“静电”的“动电”本质,讨论了双电层模型的适应性、起电电荷电性变化、局部气旋电流、磁异常等问题。指出固体地球内部物质起电电荷电性的改变是地磁场极性倒转主要原因。     

Electromagnetic signals associated with stick–slip of quartz-free rocks

We recorded clear transients in the electric and magnetic fields upon sudden slip in stick–slip experiments on dry, cylindrically shaped, quartz-free rock specimens of basalt and peridotite with a 30° saw-cut (representing a fault) at confining pressures of up to 120 MPa. The amplitudes of the measured electric field signals were always higher at the electrode pair oriented parallel to the strike of the fault than at the pair oriented perpendicular. This anisotropy suggests a preferred electric polarization normal to the slip surface. The transients in the electric and magnetic fields were observed only when the fault slip occurred by stick–slip mode, not by a stable mode of the sliding, and the amplitudes of the electric field signals increased with increasing stress drop. It is suggested that the generation process of the electromagnetic signals is closely related to the characteristic behavior of the fault at the time of the initiation of slip during stick–slip events, probably with respect to the intensity of the signals. We propose that one or both of the following two processes characteristic of the fault at the time of the initiation of slip during stick–slip events are essential for the generation of detectable electromagnetic signals: rapid slip along the simulated fault and separation of the rock masses across the fault.     

击实黄土的电阻率特性试验研究

我国西北与华北地区分布有大面积的黄土,在工程建设中常常需要采用击实黄土。探讨了利用土的电阻率方法评价和控制击实黄土工程性质的可行性。通过研制的ESEU―1型土电阻率测试仪对不同方法制备的西安击实黄土样进行电阻率测试,系统地研究了含水率、孔隙液化学成分、饱和度以及温度与电阻率的关系,探讨了击实黄土的电阻率基本特性。试验结果表明：土的电阻率随含水率与饱和度的增加而减小;孔隙液的导电能力越强,土的电阻率越低;土的电阻率随温度的上升而减小,对于试验所用的西安黄土来说,温度对电阻率的影响试验常数 = 0.026℃–1。研究结果表明,土的电阻率与其物理力学性质指标间存在良好的相关关系,可有效用于土的工程性质评价     

多匝回线的自感对瞬变电磁早期信号的影响特征

为了研究瞬变电磁早期信号的特性,这里讨论了多匝线圈与单匝线圈的自感系数的关系,同时也分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程,以及多匝线圈感应电动势的响应特征。最后,得出了影响早期信号的因素,为提取早期数据的研究提供参考。