GMS-07e综合电磁法仪
一、引言
像地震法那样，先进的电磁法记录仪都应该是多道的、同时采集电磁场信号的仪器系统。
GMS－07e综合电磁法仪是德国Metronix公司在过去30多年在设计和生产地球物理电磁仪器方面所积累经验的基础上，研制开发出的新一代产品。磁场和电场传感器直接与主机ADU－07e连接，组成完整的GMS－07e观测系统。多个ADU－07e或多个GMS－07e可用轻便的网线、无线局域网或内置的GPS连接一起，组成多道、同时采集电磁场信号的仪器系统。
二、主机ADU-07e的主要特点
图1 ADU－07
● 具有10个数据采集通道，可以采集多达10个电磁场信号或其它地球物理场信号
● 每个通道有两个不同类型的、24位A/D转换器：DC－500Hz低频段L型A/D转换器，1Hz-250KHz高频段H型A/D转换器。在低频段记录时可以获得高频段信号，反之亦然；不同类型的传感器可与ADU－07连接，同时记录不同频段的信号
● 通频带最宽，从直流-512kHz,，覆盖了所有地球物理电磁场的频率范围。
对不同通道可同时设置不同的采样率，因此可以同时采集不同频段的信号，除固定的频带外，还可自由设置频带范围
● 可通过下列手段对仪器进行控制或下载数据：
① 通过以太网
② 通过局域网
③ 通过蓝牙技术PDA
④ 通过装有预置程序的U盘
⑤ 通过笔记本电脑
⑥ 通过Internet网（固定站模式）
⑦ 通过手机上网控制
● 可以做为独立系统工作，也可以多至32个
ADU－07e组成网络系统同步工作
● 在多道和网络系统中由高精度的、内置GPS同步
● 与Metronix生产的、所有类型的电、磁传感器兼容
● 自动补偿电极极化电位
● 实时自检和包括传感器在内的自行标定
● 实时显示工作状态，自动检索仪器故障
● 在线实时处理、实时显示时间系列和各种MT参数
● 12V电瓶供电，功耗3－5瓦（低频）
● 牢固、防水，重8Kg
● 工作温度，从 -40℃— +70℃
三、ADU-07e可实现的电磁法功能
● 单台MT和AMT观测
● 远参考道观测
● EMAP观测和网络式观测
● CSAMT和CSEMM观测
四、应用范围
● 当与MFS-07e磁场传感器连接时（频带 0.001Hz—50Hz），其勘探深度为数米至30Km，可应用于：
①石油、天然气资源勘探
②矿产资源勘探
③工程和环境勘探
④地下水和地热资源勘探
⑤地下溶洞和采空区勘探
⑥监视地下电阻率变化、地震预报和深部构造探测
● 当与MFS-06e磁场传感器连接时（频带10000秒—10000Hz），其勘探深度为20米至上地幔软流圈内部，主要应用于上述①、②、④和⑥
● 当与MFS-07e磁场传感器连接时（频带1000秒—50000Hz），其勘探深度为1米至16公里，主要应用于上述①、②、③、④和⑤
● 当与三分量超高频磁场传感器SHFT-02连接时（频带1kHz—300KHz），其勘探深度0-40m左右，主要应用于浅层和超浅层勘探
● 当与TXM-22发射机配合时，可实现CSAMT勘探
● 当与FGS-02磁通门磁力仪连接时，可实现20秒至20万秒的超低频观测，用于研究地壳和上地幔软流圈内部的电性结构
五、ADU－07e技术指标
频率范围： 直流—512KHz
道数： 每个ADU-07e含有10个通道
带宽： 两个频带（直流—500Hz，1Hz—250KHz）；
用数字滤波器可建立亚频带
A/D转换器： 每个通道有两个24位A/D转换器：低频采样率4000Hz
高频采样率600000Hz
动态范围： > 130 dB
系统控制器： 32位嵌入式控制器,LINUX
存贮介质： 8GB闪烁硬盘，可扩充，USB接口
测试装置： 对所有的重要功能，包括传感器和仪器指标都可自动检测、标定和显示并建立文档
输入阻抗： 电道>10兆欧,磁道20千欧
网络连接： 标准的100兆双绞电缆；USB 1.1, 2.0, (无线/蓝牙技术)
同步： GPS钟±30ns,可以确定和存贮测点位置
接口种类： 网络，磁传感器，电极传感器，电源，GPS天线，USB,无线蓝牙
外壳： 坚固的防水聚碳酸酯外壳
重量： 接近8Kg
外部尺寸： 400×330×170mm
功耗： 3-5W低频，15W高频
工作温度： -40℃— +70℃
六、ADU－07e线路原理图
图2 ADU－07e线路原理图
七、磁场传感器
Metronix公司研制的宽频带感应磁场传感器MFS-06e，MFS-07e和SHFT-02是专门用于大地电磁（MT）和可控源音频大地电磁法（CSAMT）的应用。它们覆盖了从0.0001Hz到300KHz宽广的频率范围，具有杰出的低噪声特性、极低的温度漂移以及整个温度范围和时间范围内非常稳定的传输函数。它们凝聚了Metronix在设计、制造和应用感应磁传感器方面多年的经验。
1.MFS-06e磁场传感器
图3 MFS-06e都不噪声功率谱（实线）要比磁平静日 图4 MFS-06e磁场传感器外观
时的天然场功率谱（虚线）低10-100倍
技术指标
| 频率范围 |
0.0001Hz-10kHz |
| 频带 |
0.0001Hz-500Hz（斩波器开）
10Hz-10KHz（斩波器关） |
| 传感器噪声 |
1*10-2 nT/√Hz @0.01Hz
1*10-4 nT/√Hz @1Hz
5*10-6 nT/√Hz @1000Hz (斩波器关) |
| 输出灵敏度 |
0.2V/(nT*Hz) f<<4Hz
0.8V/nTf>>4Hz
精确值请参照有关标定文件 |
| 输出电压范围 |
+/-10V |
| 功能 |
具有磁场负反馈的感应线圈 |
| 插件 |
8极PT02SE12-10S |
| 标定输入灵敏度 |
40T/V |
| 反馈截断频率 |
4Hz |
| 供电电压 |
±12V到±15V，经稳定和滤波 |
| 供电电流 |
±25mA |
| 外壳 |
牢固和防水玻璃纤维加筋外壳 |
| 重量 |
约8.5Kg |
| 外形尺寸 |
长1250mm，直径75mm |
| 工作温度范围 |
-250C—+700C |
2.MFS－07e磁场传感器
图5 MFS-07e噪声功率谱（黑线）与磁平 图6 MFS-07e外观图
静日天然场功率谱（蓝线）对比图
技术指标
| 频率范围 |
0.001Hz—50KHz |
| 频带 |
0.001Hz—500Hz（斩波器开）
10Hz—50KHz（斩波器关断） |
| 传感器噪声 |
3×10-2 nT/√Hz@0.01Hz
3×10-4 nT/√Hz@1Hz
5×10-7 nT/√Hz@1000Hz (斩波器关断) |
| 输出灵敏度 |
0.02 V/(nT*Hz)f<<32Hz
0.64 V/nT f>>32Hz
精确值请参照随机的标定文件 |
| 输出电压范围 |
+/-10V |
| 功能 |
对感应线圈施加反馈磁场 |
| 接头 |
8极PT02SE12-10S |
| 标定输入灵敏度 |
1.6nT/ V |
| 负反馈截断频率 |
32HZ
|
| 电源电压 |
+/- 12V to +/-15V |
| 电流 |
+/- 25mA |
| 外壳 |
牢固，防水的玻璃纤维加筋外壳 |
| 重量 |
接近5.5Kg |
| 外部尺寸 |
长800mm，直径75mm |
| 工作温度 |
-25℃----+ 70℃ |
3. SHFT-02超高频三分量磁场传感器
图7 图8
SHFT-02可以测量三分量的磁场变化。线圈及电子器件被封装在一个抗震的塑料箱体内。SHFT-02与Metronix的数据采集单元ADU-07e以一根10m电缆连接。传感器内装有独特设计的极低噪声前置放大器，使SHFT-02可以得到高质量的观测数据。
技术指标
| 频率范围 |
1kHz—300KHz |
| 频带 |
1KHz—300KHz（斩波器开）
n/a（斩波器关断） |
| 传感器噪声 |
5×10-5 nT/√Hz@0.01Hz
8×10-6 nT/√Hz@1Hz
6×10-6 nT/√Hz@1000Hz (斩波器关断) |
| 输出灵敏度 |
0.05 V/(nT*Hz)f<<32Hz
精确值请参照随机的标定文件 |
| 输出电压范围 |
+/-10V |
| 功能 |
具有电流放大器的感应线圈 |
| 接头 |
17芯 M23接头 |
| 标定输入灵敏度 |
1.6nT/V |
| 电源电压 |
+/- 12V to +/-18V |
| 电流 |
+/- 25mA |
| 外壳 |
牢固防水外壳 |
| 重量 |
接近5.5Kg |
| 外型尺寸 |
170x190x170mm(长x宽x高) |
| 工作温度 |
-25℃----+ 70℃ |
4.超低频FGS-03三分量磁通门传感器
此传感器在MT应用中，最长周期可记录到100,000-200,000秒，具有低噪音和线性传输函数的特点.
技术指标
| 频率范围 |
DC—3KHz DC-30秒（对于MT应用）
|
| 噪声 |
小于0.006 nT/√Hz@1Hz |
| 输出灵敏度 |
0.1mv/nT(L100型) 0.143mv/nT(L70型)
|
| 垂直度误差 |
小于0.5度 |
| 输出电压范围 |
+/-10V |
| 测量范围 |
+/- 100000nT(L100型 +/- 70000nT(L70型) |
| 偏移温度系数 |
+/-0.1nT/℃ |
| 长期漂移 |
+/-5nT/年 |
| 供电电压 |
+/- 12V |
| 电流 |
小于 26mA |
| 外壳 |
牢固，防水 |
| 重量 |
3Kg（电子箱） |
| 尺寸 |
长 300 mm, 直径75mm |
| 工作温度 |
-40℃----+ 70℃ |
八、可控源音频大地电磁法（CSAMT）发射装置
在该方法中场源是由发射机发射。Metronix最新研制的TXM－22发射机的主要技术指标如下：
最大发射电流40A
最大发射电压±560V
发射频率范围10KHz——0.001Hz
发射功率22KW
电源，3相50Hz发电机
高精度GPS同步
发射机由TXM－01控制箱控制
CSAMT的主要优点是场源信号强，发射与接收同步、叠加，因此可以获得高质量的观测数据。
CSAMT用固定的接地偶极子做场源，ADU-07e做接收机，MFS-07e为磁场传感器，不极化电极做为电场传感器。
标量CSAMT仅测量一个水平磁场分量和与其垂直的电场分量。张量CSAMT需观测两对互为垂直的电场水平分量和磁场水平分量。
CSAMT的接地偶极子长度一般为1—2km，偶极子中点距接收机的距离一般为4—10km，即等于或大于所要观测的电磁波趋肤深度的三倍，以满足远场观测条件。
由于接收机ADU-07e具有10个高频接收道，所以做标量CSAMT观测时，一次可以完成9个测点的观测任务，图9。
图9 标量CSAMT设置
九、ADU-07e的抗噪音干扰功能
大地电磁法场源容易受到人文电磁噪声干扰，特别是高压输电网和大功率电器装备散射出的电磁波干扰。ADU-07e在设计过程中充分考虑了如何抵御和压制这类人文干扰。图10是ADU-07e模拟电路板ADB线路框图，其前端设有无线电频率滤波器，中部设有低通滤波器，滤波频率可调，能有效的滤掉人文电磁波干扰；此外在输出端设有磁耦合线路，以隔断后面的数字电路噪声通过地线串干扰到前面的模拟电路之中。
图10 ADB电路板框图
由于ADU-07e的动态范围高达130dB以上，因此它对大幅度的电磁波干扰具有很强的抵御能力。例如高压和超高压输电网散射出的50Hz电磁波强度往往比大地电磁场的有效信号高出数十倍，甚至百倍，但只要输电网的频率和电压是稳定的，大地电磁场的有效信号仍能从极强的50Hz干扰背景提取出来.
图11是北京奇陆矿产研究所利用GMS-07e综合电磁法在贵州某矿区的探测资料。有两条22万伏和一条50万伏的高压线路通过工作区。
图11 GMS-07e在贵州某矿区获得的探测资料
图11上图是记录的50Hz干扰信号及叠加其上的高频有效信号，下图是计算的视电阻率和相位曲线。数据处理结果表明，即使50Hz干扰非常强烈，但仍可获得较好的视电阻率和相位曲线
当然远参考道大地电磁法是消除人文局部电磁干扰的最佳方法，但需要两套大地电磁测深仪在相当长的距离上同时进行观测。
十、ADU-07e的几种野外观测装置
由于ADU-07e具有10个数据采集道和DC-512kHz的频带范围，因此其应用领域十分广泛并可组成多种野外观测装置。
1. 单台5道标准宽频带MT设置
此时ADU-07e的5个数据采集通道作为高通道，另5个数据采集通道作为低通道。每5个通道中的3个通道记录磁场信号Hx，Hy，Hz，另外两个通道记录电场信号Ex，Ey（图12）。此种配置的频带宽度为250KHz——直流，但记录的电磁场信号频带取决于所选择的磁传感器频带宽度.
图12 标准5道单台MT设置
2.10道四个测点高频MT设置
此时做为基点站的ADU－07e的10个数据采集通道均配置高频ADB板，其中两个通道记录磁场信号Hx1，Hy1，另外8个通道分别在基点站和三个卫星站上记录电场信号Ex1，Ey1；Ex2，Ey2；Ex3，Ey3；Ex4，Ey4。其中Ex1，Ey1 和Hx1，Hy1直接连接基点站主机ADU－07，占用4个通道；Ex2，Ey2；Ex3，Ey3；Ex4，Ey4是三个卫星站上的电场信号，它们通过各自的前放与主机ADU－07连接。这样便组成了四个测点同时测量的10道高频MT设置（图13）。当配置FMS-07e磁场传感器时，所记录的电磁场信号频带为50KHz——0.01Hz，对应的勘探深度0——8,000m。
图13 10道四个测点高频MT设置
卫星站是1：11放大器，用来防止超高频MT信号的衰减。上述四个测点间的最大间距为50m——100m。它很适合于矿产资源，盆地和基底构造，断层和断层含水性，地基，溶洞，隧道选址等详查和精查任务。其生产效率比标准大地电磁法高4倍。
在上述的10道观测系统中，仅在基点上记录两个水平磁场Hx和Hy信号，不记垂直磁场Hz，因为计算大地电磁张量阻抗时，不需要Hz分量参与，即：
Ex＝Zxx Hx ＋ Zxy Hy
Ey＝Zyx Hx ＋ Zyy Hy
其中Zxy，Zyx，Zxx，Zyy是张量阻抗值。
由于磁场信号Hx和Hy在n*103Km2范围内几乎保持不变，因此可以将基点站上记录的Hx和Hy分量做为各卫星站的磁场分量，并联合各自的电场分量计算张量阻抗值。
图14是新疆测绘物探公司在验收GMS-07e时，用一台ADU-07e主机同时观测四个测点的大地电磁场信号
图14 一台ADU-07e主机同时观测的四个测点上的大地电磁场信号
图14中共有10道大地电磁场信号，从上而下分别是由ADU-07e主机直接记录的两个电场分量Ex1，Ey1和两个磁场分量Hx1，Hy1以及通过三个卫星站（1：11前放）后、在由ADU-07e主机记录的六个（三对）电场信号Ex2，Ey2和Ex3，Ey3以及Ex4，Ey4.从图33可见电极距呈南北方向的、四个电场信号Ex1、Ex2、Ex3和Ex4的形态和相位一致，电极呈东西方向的、四个电场信号Ey1、Ey2、Ey3和Ey4的形态和相位一致。这些表明一台ADU-07e主机加上三个卫星站（1：11前放），可同时完成四个测点的观测任务，工作效率提高四倍。
图15是在此次验收中获得的视电阻率曲线和相位曲线。从图可见，观测频率从2*104Hz-8Hz，处于高频—超高频段。下图是一维反演结果，可见在105m深处有一低阻层，这与钻孔结果一致，因为钻孔在100m深处钻迂一个含铜的、剪切破裂带，厚20m，低阻。此外，根据一维反演结果，在400m和800m深处还有两个类似低阻层，这与新疆测绘物探公司预测的结果吻合。
图15 GMS-07e在新疆某铜矿区的探测结果
上图为视电阻率和相位曲线，下图为一维反演结果
3.EMAP设置
对大地电磁视电阻率曲线进行解释时，最关键的问题之一是如何消除静位移效应。在大地电流流经浅部非均匀体或山区地形剧变带时，在不均匀体或地形剧变带处产生感应电荷积累，它使视电阻率曲线沿纵坐标轴平移，导致定量解释的错误。有几种方法可以消除或压制静位移效应，但比较有效的方法是低通空间滤波。
在剖面或测区内地质体或地质构造引起的视电阻率曲线变化都是渐变的，而不均匀体引起的静位移效应在不同测点上是剧烈变化的，具“高频”特征。因此对观测的视电阻率曲线进行低通空间滤波，便可以滤除这种静位移效应。进行这种滤波需要测点距较密、测点数量足够多的MT观测数据，即所谓EMAP阵列观测（图16）。
图16 EMAP阵列观测
ADU－07e很适合布设EMAP阵列观测。此时，除上述的“10道四个测点高频MT设置”外，再多设置2台ADU－07e。每台10道ADU－07可同时在五个测点上观测电场信号，于是3台10道ADU－07e可同时完成14个测点的观测任务。ADU－07e之间由GPS同步。
4. 8道超低频——全频带MT设置
在某些基础研究中，需要探测上地幔、乃至软流圈内部的电性参数，于是电磁场的观测频带要扩展至100,000秒至200,000秒。此时除了连接三个感应式磁场传感器（频带50KHz——0.01Hz）外还要连接一个三分量磁通门磁力仪（频带20秒——100,000秒至200,000秒）和两个电场分量，共8个通道（图17）。
图17 8道超低频——全频带MT设置
5. 远参考道设置
远参考道设置是消除局部电磁噪声的最佳观测手段，此时基点站和流动站由高精度GPS控制同步观测。其前提是基点站和流动站之间的电磁噪声是非同源的，相互无关的。
图18 远参考道设置
十一、软件系统
ADU－07e内置网络服务器，运行测量的所有设置均由网络界面控制，任何网络浏览器均可进入，不需要在PC机或PDA上安装任何软件。内置的MAPROS软件执行标准的MT，AMT，远考道，EMAP，CSAMT等现场处理或脱机处理任务。所有的数据处理方法都是建立在robost算法基础之上，此外还含有四种提高信噪比的数据处理方法，以压制不同的噪声干扰。
软件系统还具有下列特点：
- 32位多用户，多任务，Linux系统
- 集成式网络服务
- 笔记本电脑可把内部驱动器标识为网络驱动
- 通过网络界面或U优盘可安装软件系统
- 工作文件是透明的XML文件
- 可通过网络遥控
- 可修正Linux服务器以集成自己研发的模块