抗干扰AMT/MT和扩频激电的探索与突破

——记中南大学地球科学与信息物理学院陈儒军

2024-01-18 10:06 来源：《祖国》杂志

一路追风赶月，向着自己的目标前行，在中南大学就有这样一位坚定的探索者。当电磁干扰严重影响勘探质量和效果的时候，他，又一次，走在了探索的前沿。通过20多年的努力，抗干扰AMT/MT和扩频激电诞生了。他就是中南大学地球科学与信息物理学院副教授——陈儒军。
抗干扰AMT/MT的破局之路
心中有星辰大海，才能冲破阻碍，乘风破浪。始终关注着勘探工作的陈儒军，在抗干扰AMT/MT的探索中，不妥协，不停歇，他的科研成果不仅可以自动识别和分离近场干扰，还可以在强电磁干扰区采集到高质量大地电磁阻抗数据。其应用效果达到了科研的预期。
从事勘探领域的人都知道，大地电磁法是一种通过测量正交的天然电磁信号来探测地下目标介质的一种电磁法分支方法，它具有勘探深度大、施工便捷、勘探效率高等优点，已广泛应用于矿产勘探、油气勘探、工程勘探及灾害监测等领域。
然而天然电磁场信号随机性强、能量微弱、易受干扰，因此大地电磁法勘探效果的好坏很大程度取决于采集设备的灵敏度、噪音水平及抗干扰能力等指标。
针对大地电磁法的信号特点，陈儒军团队经过10余年研究，在仪器技术上进行了大量创新，将最新的电子电路技术、信号处理技术及通信技术应用到了大地电磁仪器中，研发出了一套抗干扰大地电磁仪GSEM-W10，并联合俄罗斯科学院大地电磁数据处理专家合作研发了大地电磁处理软件GSEM-PROS。
新的技术要想走向市场，就需要有自己的创新，相对于常规大地电磁设备，陈儒军团队的GSEM-W10设备具有以下特点：
1.噪音低。采用差分低噪音模拟电路、多级滤波算法及高精度校准电路实现了低噪音电磁信号采集，在24 kHz采样率下0 dB增益的等效短路输入噪音有效值为2.5 uV。
2.功耗小。采用ARM主控芯片、模块化定制的Linux系统及独特的电源模块设计，使得单机功耗小于2.5W（不包括磁场传感器功耗），利用普通20000 mAh充电宝可持续工作约20个小时。
3.抗干扰能力强。在硬件上利用硬件滤波及多重陷波技术，最大限度剔除了混杂在天然电磁信号中的干扰信号；在软件上利用自适应除噪、深度学习等技术，自动识别和压制强电磁干扰，在98%情况下输出比专家编辑更准确的大地电磁视电阻率和相位估计结果；在空间上利用无线分布式阵列式同步采集技术，对电磁数据进行多相关计算，大大压制非相关噪声。
4.效率高。在采集方法上，采用了多频段并行采集技术，在不损失数据质量的情况下，大大提高采集效率；在操作方式上，采用了WiFi及ZigBee无线通信技术，最大可视通信距离达到1.6 km，能够进行多设备的分布式阵列控制和采集，1名技术员即可以完成所有仪器的参数设置及监控操作；在处理软件上，利用细粒度多核多线程并行计算技术，将阻抗计算时间降到了同类软件的5 % ~ 10 %，同时利用一键导出检查点误差、一致性误差、曲线册等功能，大大提高了数据处理和资料整理效率。
5.施工便利。利用多层电路板设计及特殊的电路优化技术，大大减小了设备体积；支持外置充电宝供电，便于设备的航空运输和携带。
从技术到施工，陈儒军团队进行了较为全面的创新。正是这样的用心探索，让他们的设备在实践中，优势明显，取得了较好的应用效果。
比如，利用GSEM-W10设备在贵州猪拱塘特大型铅锌矿的AMT探测，测线总长1280米，AMT测点数量为61个，点距20 m，测量的频率范围为1~10400 Hz。结果显示，电阻率梯度变化带和低阻异常顶部是铅锌矿成矿有利区，且剖面中的异常与矿体的形态和位置都吻合得很好。
类似的实践案例还有很多，“最初的目标，就是为了更好地勘探，而现在这个目标达到了预期。”为此，陈儒军在感到骄傲的同时，更感受到了责任两个字的重量。所以，他在科研路上，从未停歇。
扩频激电——另辟蹊径的探索之路
不同的勘探方式，有不同的应用场所。通过研究时间域或频率域电场作用下岩矿石电阻率及极化率的差异，来解决地质问题的激电法就是被广泛应用的一种地球物理勘探方法。
激电法在很多方面上有极大的便捷及优越性，相比于其它的电法和电磁法在固体矿产方面的勘探上，它能够探测到浸染状金属硫化物引起的异常。但这并不能掩盖它的不足，比如存在勘探深度较浅、施工效率低、勘探成本高及无法区分金属矿与碳化围岩等缺陷。
针对上述问题，陈儒军团队独创性地结合扩频通信信号处理技术和微弱地球物理信号采集技术，研发出扩频激电探测技术与装备，并将这项技术命名为扩频激电（SSIP）。扩频激电具有大深度、高精度、抗干扰、成本低、效率高等优点，目前应用广泛，并产生了显著的社会经济效益，于2022年获得了中国有色金属工业科学技术一等奖。
人文电磁干扰强、矿致异常与非矿致异常的区分、弱信息提取及大深度激电信息探测是地球物理在有色金属矿产勘探中的主要难题。扩频激电法采用m序列扩频信号，具有抗强电磁干扰能力，在1000米以上深度范围内可以测得激电参数，可以有效识别有色金属矿致异常。本技术达到了国际领先水平，已在国内西藏、甘肃、云南、贵州、河南和江苏等地多个项目进行了应用。
如，在河南楸树湾铜钼矿工区，地形复杂，浅部黄铁矿发育，实施了扩频激电测深，勘探结果发现矿体部位存在低阻，但多个低阻区无矿体；低频激电响应，发现了许多与斑岩型铜钼矿不相关的非矿致异常，例如浅部黄铁矿晕和矽卡岩型矿体引起的激电异常。利用中频激电响应，发现浅部黄铁矿晕和矽卡岩型矿体引起的激电异常较低频段大大减弱，而斑岩型矿体引起的激电异常大大增强，异常范围和矿体范围基本一致，验证发现了深部斑岩型铜钼矿体，其中，钼资源量达10万吨，潜在经济价值200多亿元。
或许，这才是科研真正的意义，它用科学的方法，进行更精准的判断，减少了不必要的人力和物力付出，而这也是陈儒军的追求。
这就是陈儒军，这就是中国的科研人。未来的他，将继续深耕探索，用更多的科研成果，助力中国地质勘探事业的发展。不忘初心，方得始终，陈儒军这样说，也这样做。

责任编辑：赵娜