0 前言

电磁法勘探（傅良魁，1982；张进国等，2011）按照场源性质可以分为主动场源（人工场源）和被动场源（天然场源）。人工源电磁法勘探（林品荣等， 2009；张进国等，2011；马为等，2015）技术是目前铜、铁、金等金属矿勘探，石油、天然气、页岩气、地热等资源与能源勘探，桥梁、隧道、建筑等工程勘探，溶洞、采空区、塌陷等灾害探查最为有效的地球物理勘探手段之一。

电磁法仪器（杜刚等，2004；林品荣等，2009；底青云等，2013；韩思旭等，2015；耿启里，2016；郭立娜等，2017）通过测量地壳岩（矿）石的电磁学参数 （如导电性、导磁性、介电性）和电化学参数（罗先熔，2007；张启龙等，2019），研究其电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性。不同的勘探目的和不同的勘探环境，对基于人工源电磁方法的地球物理勘探所需要的发射信号类型、功率大小、同步方式等多方面需求不同。

常规的人工源电磁法勘探包括 WFEM（何继善，2010a，2010b，2019）、CSAMT（石昆法，1999）、 AMT（王佳龙等，2021）、时频（王永涛等，2020）、 TDIP（齐勇攀等，2020）、FDIP、瞬变、双频等多种方法。每一种方法都有相应的发送、接收系统装备。部分国内外仪器厂家甚至研发了多功能电法站（林品荣等，2009；张进国等，2011；马为等，2015），可以兼容部分或多种电磁法勘探方法。

目前，国内外大多数人工源电磁法地球物理勘探发送系统（杜刚等，2004；石福升，2009；邱钢和徐立忠，2010；底青云等，2012；韩思旭等，2015；郭立娜等，2017；米宏泽，2018）存在发射信号类型和功能单一、功率小、智能化程度不高、集成度差，不利于快速升级、维护等问题。文章结合现代电子技术，采用开放式、模块化研发思路，搭建了一个通用、多功能（石福升，2009；韩思旭等，2015）、智能化电磁法信号发送平台，研制了不同功率等级发送系统装备（杜刚等，2004；石福升，2009；郭立娜等， 2017）。该系统具有平台开放、智能化程度高、集成度高、功率等级自由组合等特点。能够兼容不同的电磁勘探方法，适配包括美国 GDP32、加拿大 V8 等在内的发送、接收系统装备。

1 系统研制

1.1 技术发展

在国内，东方地球物理公司，湖南继善高科技有限公司，重庆地质仪器厂，北京骄鹏等多家地球物理公司，不仅在电磁法勘探技术方法理论研究上取得了较大进展，同时也研制了相应的仪器装备。例如，湖南继善高科技有限公司基于广域电磁法 （WFEM）和双频激电法研制的广域电磁勘探系统 （何继善，2019；王庆乙，2022）、双频激电系统等装备；中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发、重庆地质仪器厂生产的 CLEM-V 大功率多功能电磁法系统（韩思旭等，2015）；中国科学院地质与地球物理研究所研发的 SEP 地面电磁探测系统 （底青云等，2013）；吉林大学骄鹏工程技术研究所有限公司研发的 E60EM-3D 三维阵列式多功能电磁法采集系统等。这些单位在技术方法和仪器装备上均取得了重大突破，有力地推动了地球物理勘探技术、装备的国产化（滕吉文，2006；陆其鹄等， 2009；黄大年等，2012；米宏泽，2018）。

在国外，对电磁法勘探技术的研究不仅在理论方法上取得了较大进展，同时在电磁法仪器的研制开发方面也取得了突出成绩。特别是近20年来，国外相继推出多种类型的多功能电磁法仪器系统（张数良等，2011；耿启里，2016）。比较典型的有美国凤凰公司的 MTU-5 大地电磁仪，加拿大 PROTEM 瞬变电磁仪，加拿大凤凰地球物理公司的 V8系统，美国 Zonge 公司的 GDP32 系统，德国 Metronix 公司的GMS-07（ADU-07）综合电磁法仪。

本文利用现代电子，针对人工源电磁法地球物理勘探技术在发送系统方面的迫切需求和存在的问题，采用互联网+技术，搭建了一个开放式、多功能、智能化的电磁法发送系统平台（林品荣等， 2009；张进国等，2011；马为等，2015）。

1.2 整体技术方案

开放式多功能智能电磁法发送系统将发电机、电源、逆变、电源控制、电流采集、信号控制等功能集成到“集装箱”内部。安装于平板电脑（或智能手机）的 APP/云平台通过 WIFI/互联网将不同的发送波形及发送策略动态装载到“集装箱”内部的信号控制单元，并接收电流采集结果数据，同时监测“集装箱”状态，实现对“集装箱”的整体控制。系统总体技术方案框图如图1所示。

发送系统包括一体化“集装箱”，以及与一体化 “集装箱”通信连接的智能终端和云平台两大部分。一体化“集装箱”包括集成为一体的发电机组系统、电源系统、逆变系统、控制系统和参数采集系统。电源系统连接逆变系统的输入端，逆变系统的输出端连接电极。控制系统连接逆变系统、参数采集系统和电源系统。参数采集系统连接逆变系统。

其中，电源系统包括多个小功率AC-DC电源单元。根据需要将所述小功率 AC-DC 电源单元按不同组合方式连接后再连接发电机组。逆变系统包括大功率开关管、驱动单元。大功率开关管根据需要连接成不同形式的多桥电路。控制系统用于配置发射波形，监测系统状态。参数采集系统用于采集发射电流幅值及相位参数。控制系统包括主控 CPU 及辅助电路。智能终端安装有 APP控制软件，用于一体化“集装箱”的控制和状态监测，电流数据显示、存储。云平台为基于智能终端的Web软件系统。系统主要特点包括：

（1）基于互联网+技术，可通过平板电脑、智能手机、云服务器客户端，实现对系统（发电机、电源柜、逆变、控制系统）的控制，波形配置、固件更新、状态监测、电流测量等。

（2）系统智能化、一体化程度高，操作简单方便，可进行有线、无线，以及云配置、控制。

（3）采用开放式架构设计，兼容单频波、双频波、时间域波、aⁿ 伪随机信号波形（何继善，2010a；王永兵和何继善，2020）、自定义波形等多种波形；兼容广域、双频、瞬变、V8、GDP32、时频等主流电磁法发送设备。

（4）波形编码实时配置、动态加载（王永兵和何继善，2020），可根据需求快速定制。

（5）增强的散热设计，可长时间大功率高频发射。

（6）可定时发射，多频组连续、循环扫频发射。

（7）高精度更高温度特性时钟源，输出信号频率精度高，输出频率范围提高到0.0034~9600 Hz，频率个数提高到400个。

（8）完善的温度、过流、过压、欠压等保护机制，可配置的假负载逆变单元。

（9）人机交互界面美观，简洁，操作方便。

（10）电源系统可以根据需求进行先串联再并联、先并联再串联、串联并联混合等多种组合方式，从而实现不同功率等级和不同发射电流、电流参数。

1.3 基本参数（表1）

1.4 一体化“集装箱”整体设计

一体化“集装箱”包括集成为一体的发电机组系统、电源系统、逆变系统、控制系统和参数采集系统。系统框图如图2所示。

其中，发电机系统为通用不同功率等级发电机组。电源系统为多个小功率 AC-DC 电源单元通过串联、并联的组合方式组成的不同功率等级和不同电压、电流参数的电源柜。逆变系统包含多桥大功率开关管、驱动单元、吸收单元、散热单元、保护单元，实现将电源系统输出的大功率直流电源根据控制系统波形编码进行逆变输出。控制系统为基于嵌入式软、硬件系统的电路系统，主要实现对其余4 大系统的控制和监测，相当于“大脑”。参数采集系统为基于嵌入式软、硬件系统和传感器的电路系统，主要实现对系统总电压、总电流、发射信号的分电流、发射信号的相位、温度等参数的测量，测量结果回传到控制系统，由控制系统回传到控制器和云平台。

1.5 控制系统设计

控制系统为基于嵌入式软、硬件系统的电路系统，主要实现对其余 4 大系统的控制和监控。系统框图如图3所示。

控制系统包括主控 CPU、FPGA 可编程逻辑器件、驱动隔离器、智能屏、GPS 模块、串行 flash、缓存 RAM、无线通信等模块，相当于“大脑”和指挥中心。主要实现对其余 4 大系统的控制和监控，通过无线通信的方式与外部控制器和云平台通信，实现人机交互。

1.6 逆变系统设计

逆变系统主要包含多桥大功率开关管（石福升，2009）、驱动单元、吸收单元、散热单元、保护单元。实现将电源系统输出的大功率直流电源根据控制系统波形编码进行逆变输出。

逆变系统中的多桥电路的驱动模式包括半桥驱动和全桥驱动（图4）。半桥驱动模式时，Q1和Q3 的门极连接的驱动单元为同一个正驱动单元，Q2和 Q4 的门极连接的驱动单元为同一个负驱动单元， Q5 的门极连接的驱动单元为零驱动单元。全桥驱动模型时，Q1 和 Q3 的门极连接的驱动单元分别为正一驱动单元和正二驱动单元，Q2 和 Q4 的门极连接的驱动单元分别为负一驱动单元和负二驱动单元，Q5的门极连接的驱动单元为零驱动单元。

多桥电路主要应用H型桥式电路。H型桥式电路中，大功率开关管 Q1、Q2、Q3、Q4、Q5 为 IGBT，分别反向并联体二极管。Q1的发射极和Q3的发射极连接电源正极，Q1 的集电极连接 Q2 的发射极，Q3 的集电极连接Q4的发射极，Q2的集电极和Q4的集电极连接电源负极，Q1 的集电极和 Q3 的集电极之间连接吸收单元，输出交流电。Q5的发射极连接电源正极，集电极连接假负载和吸收单元后连接电源负极。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5 的门极分别连接与主控 CPU连接的驱动单元。

a—半桥驱动模式；b—全桥驱动模式

1.7 电源系统设计

电源系统为多个小功率 AC-DC 电源单元通过串联、并联的组合方式组成的不同功率等级和不同电压、电流参数的电源柜。

电源系统可以根据需求进行先串联再并联、先并联再串联、串联并联混合等多种组合方式，从而实现不同功率等级和不同发射电流、电流参数。组合方式框图如图5所示。

a—先串联后并联；b—先并联后串联

1.8 参数采集系统设计

参数采集系统为基于嵌入式软、硬件系统和传感器的电路系统（图6）。参数采集系统主要实现对系统总电压、总电流、发射信号的分电流、发射信号的相位、温度等参数的测量。测量结果回传到控制系统，由控制系统回传到控制器和云平台。

1.9 控制APP设计

安装于智能终端的 APP 通过无线方式将任意组合的波形编码及发送策略动态装载到“集装箱” 内部的控制系统。接收参数采集系统输出的数据，同时智能监测、控制“集装箱”状态，实现对“集装箱”的整体控制。部分界面如图7～图9所示。

控制 APP主要包括波形选择、波形编码动态配置、启动发电机、停止发电机、电源柜合闸、电源柜关闸、开始发射、停止发射、一键发射、一键停止、急停功能。包括电流数据显示、存储、导出，发电机状态数监控显示，电源模块状态参数监控显示功能。具备发射电压、电流设置，散热器温度状态监控显示，发电机电瓶电量、控制终端电量监控显示，系统操作消息提示显示、GPS信息显示等多种功能。

2 应用测试

2.1 波形同步测试

在 GPS同步模式下，通过示波器对比观察开放式多功能智能电磁法发送系统与加拿大 V8发射系统输出波形（图10）。

通过图10可以看到：①多功能发送系统输出波形与 GPS 秒脉冲边沿严格对齐。②多功能发送系统与 V8发射系统输出波形边沿严格对齐。③在换频期间，V8 发射系统会短暂停止发射约 1 秒，多功能发送系统则连续发射不停止。由此可以降低在大功率发射过程中短暂停止对发电机组系统的损害。同时避免系统由于短暂停止造成的频繁升功率、降功率过程，延长了系统使用寿命，缩短了扫频总体时间，提高了野外工作效率。

2.2 室外对比测试

在 GPS 同步模式、野外试验场地条件下，应用开放式多功能智能电磁法发送系统，以自动扫频模式发射 0.25～8192 Hz 共 46 个频点，应用加拿大 V8 接收系统，在 CSAMT 测量方法下，分别在不发射信号（空采）、发射500 V@22 A信号情况下进行信号采集对比测试（图11）。

分别提取不发射信号（空采）情况下、发射 500 V@22 A 信号情况下的视电阻率（曹杰等，2019）、相位参数，绘制相应曲线如图12、图13所示。

从图12、图13可以看到，对比不发射信号、发射信号两种情况测量曲线图可以看出：发射信号情况下视电阻率、相位曲线圆滑，变化趋势符合物理事实。验证了本系统发射的 CSAMT 法单频信号与接收系统精确同步，可以很好地匹配V8接收系统。

a—视电阻率曲线；b—相位曲线

a—视电阻率曲线；b—相位曲线

2.3 应用测试

应用开放式多功能智能电磁法发送系统，结合湖南衡阳某多金属矿田广域电磁法探测项目，开展野外实际数据采集处理验证工作。

工作的主要目的是利用该系统的自定义波形模块，发射多频伪随机信号波形，探究生产区及外围的深部地质-成矿空间架构，综合分析矿化空间定位机制与规律，圈定找矿靶位，为深部找矿（底青云等，2012；黄大年等，2012）勘查提供地质-地球物理综合信息支撑，验证本系统的野外实际应用效果。

项目共完成 17.14 km，397 个物理点的广域电磁剖面采集任务，满足系统测试的任务需求。图14、图15 分别为野外应用测试场景图、测区 5 条测线的电阻率曲线图。

a—测线1；b—测线2；c—测线3；d—测线4；e—测线5

通过图15可以看到，不同测线的电阻率曲线光滑，变化趋势符合矿区实际情况。通过本次应用测试，验证了本系统的 WFEM法伪随机性信号的发射功能及实际应用效果。

综上所述，通过室内波形同步对比测试，不同方法的室外对比测试和应用测试，验证了该系统具有更高的同步精度并且可以很好地兼容V8、GDP32 等发射系统，且在发射功率（V8、GDP32等发射功率小于 50 kw）、智能控制等方面优于常规的电磁法发射系统，达到了预期的设计目标。

3 结语

本文介绍了开放式多功能智能电磁法发送系统的研制过程及应用测试情况。通过该项工作，解决了人工源电磁法勘探不同方法对发射信号的不同要求，实现包括 WFEM、CSAMT、AMT、时频、 TDIP、FDIP、瞬变、双频等在内的多种勘探方法所需要的大功率信号。解决了目前国内外大多数地球物理勘探电磁法发送系统发射信号类型和功能单一、功率小、智能化程度不高、集成度差，不利于快速升级、维护等问题。

通过应用测试，该系统达到了预期设计目标，为人工源电磁法勘探搭建了一个通用、多功能、智能化的电磁法信号发射平台。

参考文献