高精度多频电法数据采集系统
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试验用的 RC 网络电路如图 3 所示。信号的输 入端为 M 、N , 测量端为 M . 、N. , RC 网络的激励信 号为标准双频信号( 4/ 13 Hz 和 4 H z) , 电阻电容值 所对应的双频激电 F s 理论值为 19. 22% , 相对相位 理论值为- 5. 67 mrad。
图 3 RC 网络模型
展电阻率法、激电法( 时间域或频率域) 、复电阻率法、CSA M T 等多种电法勘探。
关键词: 高精度多频电法; 数据采集系统Байду номын сангаас 微弱信号;
中图分类号: P631. 3
文献标识码: A
文章编号: 1000- 8918( 2003) 05- 0375- 04
目前, 大量的电法勘探工作在城镇、矿山及其附 近展开, 人文干扰十分严重。传统电法仪器的抗干 扰能力严重制约了电法勘探在工程和环境地球物理 中的进一步深入应用。高精度多频电法数据采集系 统就是在这一背景下研制出来的。该仪器以提高电 法勘探的效率和抗干扰能力为目的, 着眼于未来电 法仪器的发展趋势以及工程和环境领域对电法勘探 日益增高的需求。在提高电法勘探效率方面, 用 2n 系列伪随机信号作场源, 其测量效率比常规仪器快 了数倍[ 1] 。采用数字滤波、数字相关检测等信噪比 增强技术[ 2] , 有效地提高了仪器的抗干扰能力。
中低频型的标准设置为 3 道, 主要用于电阻率 法、激发极化法( 频率域或时间域) 、复电阻率法( 或 称为谱激电法) 、标量 CSAM T 等数据的采集。选用 高灵敏度、低噪声、低功耗的国外进口元器件。数据 采集频率高, 最高 0. 25 ms 采样, 采集周期长, 连续 采集设计为 240 h。为适应野外数据采集需要, 要求 采集器稳定性好、功耗低、体积小、存储容量大、精度 高。基于以上原则, 数据采集系统的设计中采用了 一系列高新技术: ¹ 采用嵌入式工控机 PC/ 104, 该 机与常用的微计算机相比具有体积小、功耗低、工作 可靠性高、功 能强大等特点; º采用 CS5321/ 22 组 件组成 24 位模数转 换器, 动态范围大 ( 最高可达 120 dB) , 抽样率可选, 且该组件耗电量小, 适合微伏 级信号的采集; »采用了两片大规模的芯片, 用于地 址锁存、选通、数据串 ) 并格式转换、计数、分频、逻 辑控制等, 从而使仪器小型化、轻便化, 便于保存, 便 于升级; ¼ 采用 FIFO 缓存器及大容量笔记本硬盘, 保证了地球物理的快速采集和全信息存储。
2 采集系统主要技术指标及特点
多 频 电法 数据采 集系 统可 用于 采集从 DC ~ 1 000 H z 频率范围内的任何电法或电磁法数据。在 设计中着重于软件的灵活性、健壮性和可扩展性, 以 及最优的数据质量、恶劣野外条件下仪器的实用性 和抗干扰能力。其主要技术指标如下。
信号频带宽: DC~ 1 000 Hz; 通道数: 3 道( 可扩 充到 6 道) ; 可开展方法: 电阻率法、激发极化法( 频 率域与时间域) 、复电阻率法( 或称为谱激电法) 、可 控源 音 频 大 地电 磁 法 ( CSAMT ) 、频 率 域 电 磁 法 ( FEM) 、瞬变 电 磁法 ( T EM ) 、天 然源 大 地电 磁 法 ( MT ) 等电法勘探方法的数据; 可采集波形: 任意占 空比方波、双频波、伪随机多频波 ( 如 三频波、五频 波、七频波等) 、其它波形; 软件语言: V ISUAL C + + 、MAT COM 和汇编语 言; 输 入阻抗: 20 M; 滤 波 器: 50 H z 双 T 陷波, 可控 F IR 数字低 通、高通、带 通、带阻滤波; A/ D: 24 位 CS5321/ 5322; 采样率: 0. 25 ms, 0. 5 ms, 1 ms, 2 ms, 4 ms, 8 ms, 16 ms 可 控; CPU: P ENT IU M-M MX 166 MHz; 内存容量: 32 M B; 硬盘容量: 8~ 30 G; 重量: 6 kg; 电源: 12V 充电 电池。
采集系统具有如下特点。 ( 1) 多功能。可采集多种电法勘探数据。 ( 2) 适应多种 电法勘探 场源。可 采集多种 信 号, 除方波信 号外, 还可采集双频波、三频波、五频 波、七频波等一系列伪随机多频信号。适用发送机 包括 ZONGE 工程公司的各种发送机、双频激电仪 发送机、多功能伪随机多频信号发送机等。 ( 3) 自适应同步。采用了自适应相关同步和互 功率谱技术, 无须发送机与接收机之间同步, 就可以 开展多种频率域电法勘探。 ( 4) 抗干扰能力强。采集系统内部保存了没有 干扰的各种参考信号波形( 如双频波、三频波、五频 波等) , 测量时利用参考信号与被测信号进行互相关 计算。互相关计算可以有效压制测量信号中的各种 噪声, 可以在噪声比信号大 1 000 倍的极端环境下 测量。 ( 5) 使用方便、简单易学。 ( 6) 仪器轻便、精度高。
图 4 RC 网络双频激电测量结果
图 4 为频谱激电数据采集软件界面及其对上 述 RC 网 络的测量 结果, 从中 可以看 出, 3 次 测量
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物探与化探
27 卷
后, 相对 相位 平 均 值为 - 6. 03 mrad , Fs 的平 均 值 为 19. 4% 。相对相位测量误差为 0. 55 m rad, F s 测量 误差为 0. 09% ( Fs 的绝对误差) 。而模型的 Fs 理 论值为 19. 22% , 相对相位理论值 为- 5. 67 mrad。 因此仪器所测数据在误差容许范围内, 可以认为仪 器达到了设计要求。
( 5) 电法数据采集。对各种电法勘探的数据采 集提供支持。
( 6) 时间域数据处理。实现了电法勘探所需的 时间域信号处理与分析方法, 如趋势项消除、数字滤 波、相关、小波分析等多种方法。
( 7) 频率域数据处理。实现了电法勘探所需的 频率域信号处理与分析方法, 如傅立叶变换、功率谱 估计等多种方法。
( 10) 数据输入输出。 上述 10 个对象通过 M FC 提供的文档对象、视 图对象和框架对象, 在数据采集软件中形成相互作 用的整体。
5 RC 网络试验
仪器研制完成后, 开展了一系列试验, 包括 RC 网络试验、水槽试验、水槽抗干扰试验 ( 50 H z 电力 线干 扰 ) 、在 长 沙 市 打 靶 场 开 展 的 多 频 激 电 和 CSAMT 试验。这些试 验表明仪器工作正 常、观测 精度高、抗干扰能力强。这里主要介绍 RC 网络试 验的结果。数据采集软件按仪器操作者设置的参数 启动 A/ D 转换器工 作 ) 从 F IFO 缓冲器中读出数 据 ) 将采集的数据进行标度变换 ) 消除趋势项 ) 相 关同步 ) 频谱分析 ) 计算观测参数, 任何部分出现 错误, 都得不到正确的结果。
5期
陈儒军等: 高精度多频电法数据采集系统
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图 2 伪随机多频电法数据采集软件原理框图
( 1) 发送机设置。处理有关发送机的信息。包 括发送机发送的波形、电流和电压。波形参数包括 波的类型、波形频率、主频率频比等。
( 2) 接收机设置。用于设置有关接收机的各种 参数, 包括采样频率、放大倍数、滤波器控制、通道数 量、各通道采集信号类型 ( 如电场、磁 场、发送 机电 流、同步信号、环境参数等) 、以及各通道对应的传感 器。
第 27 卷第 5 期 2003 年 10 月
物 探与化探
GEOPHYSI CAL & GEOCHEM ICAL EXPL ORAT ION
V ol. 27, N o. 5 Oct. , 2003
高精度多频电法数据采集系统
陈儒军1, 罗维炳2, 何继善1, 白宜诚1, 汤井田1
( 1. 中南大学 信息物理工程学院, 湖南 长沙 410083; 2. 石油物探局 技术发展中心战略研究部, 河北 涿州 072751)
摘 要 : 开发了新一代高精度多频电法数据采集系统。该系统在硬件 上采用 24 位 A/ D 转换器、大规 模可编程门 阵
列和低功耗 PENT IU M- 166 PC- 104 工控机; 在软件上采用面向对 象软件设 计与分析、WI NDOW S 编程及 多种程 序
设计 语言混合编程技术; 在数据处理中采用数字滤 波、相 关检测 等信噪 比增强 技术, 有效地 压制了 各种干 扰; 可 开
( 3) 装置设置。各种电法勘探方法都对应着某 一种装置, 如电阻率法中的二极、三极、对称四级、中 梯、偶极等装置。装置设置对象根据所要开展的电 法勘探方法, 为用户提供所需的参数设置。
( 4) 原始数据采集。直接控制仪器的硬件, 它根 据接收机设置对象提供的参数, 对仪器的硬件提供 完整的控制, 完成原始时间域数据的采集。
3 硬件原理
采集系统主要由以下 5 个部分组成( 图 1) 。
图 1 伪随机多频电法数据采集系统硬件原理框图
( 1) 模拟通道( 2 个电通道、1 个磁通道) , 包括三 道 INA128 仪表放大、50Hz 双 T 陷波和可编程增益 主放。
( 2) 三道模数转换、数据转换门阵列及 F IF O 缓 存器。该部分主要由 $- 6 A/ D 数字调制器、F IFO 缓存器和逻辑电路组成, 其作用是 A/ D 转换及 对 A/ D 转换后的数据提供先进先出缓存。逻辑电 路为整机提供控制逻辑。电路设计采用大规模的可 编程门阵列。
( 3) 精密时钟电路。高精度的时钟发生器, 为整 机控制和 $- 6 A/ D 转换器提供标准时钟。
( 4) PC- 104 工控机系统。数据存贮器选用内置 式硬盘, 指挥、控制整套仪器系统, 并存贮所采集到 的电磁数据和仪器状态信息。
( 5) 仪器工作电源, 提供所有所需电源。
4 软件原理
根据电法勘探的分类、工作方法、原理及面向对 象设计与分析技术, 我们将软件设计成发送机设置、 接收机设置、装置设置、原始数据采集、电法数据采 集、时间域数据处理、频率域数据处理、电法参数计 算、绘图、数据输入输出等 10 个相互作用的对象协 同工作的系统( 图 2) 。
电法勘探涉及的方法众多, 每种方法又对应多 种测量装置, 测量参数总记有 20 多个[ 6] , 再考虑到 多道测量, 就显得更加复杂。在软件设计中既要考 虑到实现电法勘探的多种方法, 又要保证用户能够 方便地使用, 还要考虑到软件在不同仪器上的移植 成本, 以及扩充软件功能的方便性。为了达到上述 要求, 我 们采用 了面向 对象的 系统设 计和分 析方
1 采集系统设计思路
高性能 24 位 A/ D 转换器是高精度电法仪器的 首选, 其有效工作频率范围在 DC~ 1 000 H z[ 3] ; 但 电法勘探工作的频率范围从 DC~ n @ 10 kHz, 现阶 段没有一种高性能的 24 位 A/ D 转换器能够在上述 频率范围内工作。针对这种情况, 我们将采集系统 分成中低频型和高频型, 研制了中低频型和高频型 两种高精度多频电法数据采集系统。中低频型采用 高性能 24 位 A/ D, 高频型采用 24 位采样为 48 kHz 的声卡用 A/ D 转器或其它具有更高采样频率的 A/ D 转换器, 如 MT U 系列[ 4] 和 M T 24[ 5] 。这里 主要 介绍中低频型高精度多频电法数据采集系统的硬、 软件技术及试验结果。
( 8) 电法参数计算。计算各种电法勘探方法所 须的参数, 如 视电阻率、阻抗相位、极化率、相对相 位、频散率等各种参数。
( 9) 绘图显示。对数据采集和处理过程中产生
的各种数据成图。如原始时间序列数据曲线、处理 后的时间序列数据曲线、傅立叶变换后的频率域数 据曲线、视电阻率、相位等各种电法勘探参数的剖面 图、断面图、立体图等。
收稿日期: 2003- 01- 16 基金项目: 国家0 十五0 科技攻关计划( 2001BA 609A- 5)
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物探与化探
27 卷
法[ 7, 8] 。在多种语言 混和编程中, 汇编语言用 在软 件的数据采集部分, 保证了数据的快速采集要求, 采 用 VISUAL C+ + 设计界面, MAT COM 用于 数据 处理和绘图显示。
图 3 RC 网络模型
展电阻率法、激电法( 时间域或频率域) 、复电阻率法、CSA M T 等多种电法勘探。
关键词: 高精度多频电法; 数据采集系统Байду номын сангаас 微弱信号;
中图分类号: P631. 3
文献标识码: A
文章编号: 1000- 8918( 2003) 05- 0375- 04
目前, 大量的电法勘探工作在城镇、矿山及其附 近展开, 人文干扰十分严重。传统电法仪器的抗干 扰能力严重制约了电法勘探在工程和环境地球物理 中的进一步深入应用。高精度多频电法数据采集系 统就是在这一背景下研制出来的。该仪器以提高电 法勘探的效率和抗干扰能力为目的, 着眼于未来电 法仪器的发展趋势以及工程和环境领域对电法勘探 日益增高的需求。在提高电法勘探效率方面, 用 2n 系列伪随机信号作场源, 其测量效率比常规仪器快 了数倍[ 1] 。采用数字滤波、数字相关检测等信噪比 增强技术[ 2] , 有效地提高了仪器的抗干扰能力。
中低频型的标准设置为 3 道, 主要用于电阻率 法、激发极化法( 频率域或时间域) 、复电阻率法( 或 称为谱激电法) 、标量 CSAM T 等数据的采集。选用 高灵敏度、低噪声、低功耗的国外进口元器件。数据 采集频率高, 最高 0. 25 ms 采样, 采集周期长, 连续 采集设计为 240 h。为适应野外数据采集需要, 要求 采集器稳定性好、功耗低、体积小、存储容量大、精度 高。基于以上原则, 数据采集系统的设计中采用了 一系列高新技术: ¹ 采用嵌入式工控机 PC/ 104, 该 机与常用的微计算机相比具有体积小、功耗低、工作 可靠性高、功 能强大等特点; º采用 CS5321/ 22 组 件组成 24 位模数转 换器, 动态范围大 ( 最高可达 120 dB) , 抽样率可选, 且该组件耗电量小, 适合微伏 级信号的采集; »采用了两片大规模的芯片, 用于地 址锁存、选通、数据串 ) 并格式转换、计数、分频、逻 辑控制等, 从而使仪器小型化、轻便化, 便于保存, 便 于升级; ¼ 采用 FIFO 缓存器及大容量笔记本硬盘, 保证了地球物理的快速采集和全信息存储。
2 采集系统主要技术指标及特点
多 频 电法 数据采 集系 统可 用于 采集从 DC ~ 1 000 H z 频率范围内的任何电法或电磁法数据。在 设计中着重于软件的灵活性、健壮性和可扩展性, 以 及最优的数据质量、恶劣野外条件下仪器的实用性 和抗干扰能力。其主要技术指标如下。
信号频带宽: DC~ 1 000 Hz; 通道数: 3 道( 可扩 充到 6 道) ; 可开展方法: 电阻率法、激发极化法( 频 率域与时间域) 、复电阻率法( 或称为谱激电法) 、可 控源 音 频 大 地电 磁 法 ( CSAMT ) 、频 率 域 电 磁 法 ( FEM) 、瞬变 电 磁法 ( T EM ) 、天 然源 大 地电 磁 法 ( MT ) 等电法勘探方法的数据; 可采集波形: 任意占 空比方波、双频波、伪随机多频波 ( 如 三频波、五频 波、七频波等) 、其它波形; 软件语言: V ISUAL C + + 、MAT COM 和汇编语 言; 输 入阻抗: 20 M; 滤 波 器: 50 H z 双 T 陷波, 可控 F IR 数字低 通、高通、带 通、带阻滤波; A/ D: 24 位 CS5321/ 5322; 采样率: 0. 25 ms, 0. 5 ms, 1 ms, 2 ms, 4 ms, 8 ms, 16 ms 可 控; CPU: P ENT IU M-M MX 166 MHz; 内存容量: 32 M B; 硬盘容量: 8~ 30 G; 重量: 6 kg; 电源: 12V 充电 电池。
采集系统具有如下特点。 ( 1) 多功能。可采集多种电法勘探数据。 ( 2) 适应多种 电法勘探 场源。可 采集多种 信 号, 除方波信 号外, 还可采集双频波、三频波、五频 波、七频波等一系列伪随机多频信号。适用发送机 包括 ZONGE 工程公司的各种发送机、双频激电仪 发送机、多功能伪随机多频信号发送机等。 ( 3) 自适应同步。采用了自适应相关同步和互 功率谱技术, 无须发送机与接收机之间同步, 就可以 开展多种频率域电法勘探。 ( 4) 抗干扰能力强。采集系统内部保存了没有 干扰的各种参考信号波形( 如双频波、三频波、五频 波等) , 测量时利用参考信号与被测信号进行互相关 计算。互相关计算可以有效压制测量信号中的各种 噪声, 可以在噪声比信号大 1 000 倍的极端环境下 测量。 ( 5) 使用方便、简单易学。 ( 6) 仪器轻便、精度高。
图 4 RC 网络双频激电测量结果
图 4 为频谱激电数据采集软件界面及其对上 述 RC 网 络的测量 结果, 从中 可以看 出, 3 次 测量
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后, 相对 相位 平 均 值为 - 6. 03 mrad , Fs 的平 均 值 为 19. 4% 。相对相位测量误差为 0. 55 m rad, F s 测量 误差为 0. 09% ( Fs 的绝对误差) 。而模型的 Fs 理 论值为 19. 22% , 相对相位理论值 为- 5. 67 mrad。 因此仪器所测数据在误差容许范围内, 可以认为仪 器达到了设计要求。
( 5) 电法数据采集。对各种电法勘探的数据采 集提供支持。
( 6) 时间域数据处理。实现了电法勘探所需的 时间域信号处理与分析方法, 如趋势项消除、数字滤 波、相关、小波分析等多种方法。
( 7) 频率域数据处理。实现了电法勘探所需的 频率域信号处理与分析方法, 如傅立叶变换、功率谱 估计等多种方法。
( 10) 数据输入输出。 上述 10 个对象通过 M FC 提供的文档对象、视 图对象和框架对象, 在数据采集软件中形成相互作 用的整体。
5 RC 网络试验
仪器研制完成后, 开展了一系列试验, 包括 RC 网络试验、水槽试验、水槽抗干扰试验 ( 50 H z 电力 线干 扰 ) 、在 长 沙 市 打 靶 场 开 展 的 多 频 激 电 和 CSAMT 试验。这些试 验表明仪器工作正 常、观测 精度高、抗干扰能力强。这里主要介绍 RC 网络试 验的结果。数据采集软件按仪器操作者设置的参数 启动 A/ D 转换器工 作 ) 从 F IFO 缓冲器中读出数 据 ) 将采集的数据进行标度变换 ) 消除趋势项 ) 相 关同步 ) 频谱分析 ) 计算观测参数, 任何部分出现 错误, 都得不到正确的结果。
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陈儒军等: 高精度多频电法数据采集系统
# 377 #
图 2 伪随机多频电法数据采集软件原理框图
( 1) 发送机设置。处理有关发送机的信息。包 括发送机发送的波形、电流和电压。波形参数包括 波的类型、波形频率、主频率频比等。
( 2) 接收机设置。用于设置有关接收机的各种 参数, 包括采样频率、放大倍数、滤波器控制、通道数 量、各通道采集信号类型 ( 如电场、磁 场、发送 机电 流、同步信号、环境参数等) 、以及各通道对应的传感 器。
第 27 卷第 5 期 2003 年 10 月
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GEOPHYSI CAL & GEOCHEM ICAL EXPL ORAT ION
V ol. 27, N o. 5 Oct. , 2003
高精度多频电法数据采集系统
陈儒军1, 罗维炳2, 何继善1, 白宜诚1, 汤井田1
( 1. 中南大学 信息物理工程学院, 湖南 长沙 410083; 2. 石油物探局 技术发展中心战略研究部, 河北 涿州 072751)
摘 要 : 开发了新一代高精度多频电法数据采集系统。该系统在硬件 上采用 24 位 A/ D 转换器、大规 模可编程门 阵
列和低功耗 PENT IU M- 166 PC- 104 工控机; 在软件上采用面向对 象软件设 计与分析、WI NDOW S 编程及 多种程 序
设计 语言混合编程技术; 在数据处理中采用数字滤 波、相 关检测 等信噪 比增强 技术, 有效地 压制了 各种干 扰; 可 开
( 3) 装置设置。各种电法勘探方法都对应着某 一种装置, 如电阻率法中的二极、三极、对称四级、中 梯、偶极等装置。装置设置对象根据所要开展的电 法勘探方法, 为用户提供所需的参数设置。
( 4) 原始数据采集。直接控制仪器的硬件, 它根 据接收机设置对象提供的参数, 对仪器的硬件提供 完整的控制, 完成原始时间域数据的采集。
3 硬件原理
采集系统主要由以下 5 个部分组成( 图 1) 。
图 1 伪随机多频电法数据采集系统硬件原理框图
( 1) 模拟通道( 2 个电通道、1 个磁通道) , 包括三 道 INA128 仪表放大、50Hz 双 T 陷波和可编程增益 主放。
( 2) 三道模数转换、数据转换门阵列及 F IF O 缓 存器。该部分主要由 $- 6 A/ D 数字调制器、F IFO 缓存器和逻辑电路组成, 其作用是 A/ D 转换及 对 A/ D 转换后的数据提供先进先出缓存。逻辑电 路为整机提供控制逻辑。电路设计采用大规模的可 编程门阵列。
( 3) 精密时钟电路。高精度的时钟发生器, 为整 机控制和 $- 6 A/ D 转换器提供标准时钟。
( 4) PC- 104 工控机系统。数据存贮器选用内置 式硬盘, 指挥、控制整套仪器系统, 并存贮所采集到 的电磁数据和仪器状态信息。
( 5) 仪器工作电源, 提供所有所需电源。
4 软件原理
根据电法勘探的分类、工作方法、原理及面向对 象设计与分析技术, 我们将软件设计成发送机设置、 接收机设置、装置设置、原始数据采集、电法数据采 集、时间域数据处理、频率域数据处理、电法参数计 算、绘图、数据输入输出等 10 个相互作用的对象协 同工作的系统( 图 2) 。
电法勘探涉及的方法众多, 每种方法又对应多 种测量装置, 测量参数总记有 20 多个[ 6] , 再考虑到 多道测量, 就显得更加复杂。在软件设计中既要考 虑到实现电法勘探的多种方法, 又要保证用户能够 方便地使用, 还要考虑到软件在不同仪器上的移植 成本, 以及扩充软件功能的方便性。为了达到上述 要求, 我 们采用 了面向 对象的 系统设 计和分 析方
1 采集系统设计思路
高性能 24 位 A/ D 转换器是高精度电法仪器的 首选, 其有效工作频率范围在 DC~ 1 000 H z[ 3] ; 但 电法勘探工作的频率范围从 DC~ n @ 10 kHz, 现阶 段没有一种高性能的 24 位 A/ D 转换器能够在上述 频率范围内工作。针对这种情况, 我们将采集系统 分成中低频型和高频型, 研制了中低频型和高频型 两种高精度多频电法数据采集系统。中低频型采用 高性能 24 位 A/ D, 高频型采用 24 位采样为 48 kHz 的声卡用 A/ D 转器或其它具有更高采样频率的 A/ D 转换器, 如 MT U 系列[ 4] 和 M T 24[ 5] 。这里 主要 介绍中低频型高精度多频电法数据采集系统的硬、 软件技术及试验结果。
( 8) 电法参数计算。计算各种电法勘探方法所 须的参数, 如 视电阻率、阻抗相位、极化率、相对相 位、频散率等各种参数。
( 9) 绘图显示。对数据采集和处理过程中产生
的各种数据成图。如原始时间序列数据曲线、处理 后的时间序列数据曲线、傅立叶变换后的频率域数 据曲线、视电阻率、相位等各种电法勘探参数的剖面 图、断面图、立体图等。
收稿日期: 2003- 01- 16 基金项目: 国家0 十五0 科技攻关计划( 2001BA 609A- 5)
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物探与化探
27 卷
法[ 7, 8] 。在多种语言 混和编程中, 汇编语言用 在软 件的数据采集部分, 保证了数据的快速采集要求, 采 用 VISUAL C+ + 设计界面, MAT COM 用于 数据 处理和绘图显示。