時(shí)間域航空電磁微弱信號(hào)數(shù)據(jù)采集器的研制

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051)

0 引言

當(dāng)前由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所承擔(dān)的“固定翼時(shí)間域航空電磁勘查系統(tǒng)研發(fā)”,是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(即863計(jì)劃)重大項(xiàng)目“航空地球物理勘查技術(shù)系統(tǒng)”的一個(gè)重要子課題。

本文依據(jù)瞬變電磁法原理，研究并設(shè)計(jì)了基于DSP的時(shí)間域航空電磁(time-domain airborne electro-magnetic methods,ATEM)微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。瞬變電磁法是一種地球物理勘探方法，它具有對(duì)電阻率變化靈敏度高、受接地條件限制少等優(yōu)點(diǎn)，在金屬礦藏勘查、鉆井、航空和海洋等領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用。時(shí)間域航空電磁法將航空技術(shù)與物探技術(shù)相結(jié)合，是以飛機(jī)作為運(yùn)載平臺(tái)、通過(guò)裝載物探儀器來(lái)完成空中獲取地球物理信息的方法。航空物探具有勘探深度大、成本低和效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著重要作用[1-3]。

1 ATEM系統(tǒng)

1.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法又被稱(chēng)作時(shí)間域電磁法(time-domain electromagnetic methods，TEM)，它是以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的時(shí)間域電磁勘測(cè)方法。瞬變電磁法的原理示意圖如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖

瞬變電磁法的原理是電磁感應(yīng)定律，即利用不接地線(xiàn)的回路線(xiàn)圈向大地發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激發(fā)下，埋藏于地下的導(dǎo)電體內(nèi)部由于變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流并在其周?chē)a(chǎn)生隨時(shí)間變化的二次磁場(chǎng)。二次磁場(chǎng)中含有地質(zhì)導(dǎo)電體的電阻率等物理信息。在一次場(chǎng)的間歇期間，通過(guò)接收線(xiàn)圈測(cè)量由地質(zhì)導(dǎo)電體產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的衰減曲線(xiàn)，并對(duì)純二次場(chǎng)中的異常信號(hào)進(jìn)行提取和分析，推斷地下不均勻?qū)щ婓w的導(dǎo)電性能和大體位置，從而尋找地下有用礦源和解決水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等問(wèn)題[4-13]。

瞬變電磁法具有電阻率變化靈敏度高、受接地條件限制少、探測(cè)深度大、發(fā)射與接收可同步等優(yōu)點(diǎn)。它在金屬礦藏勘查、水資源勘測(cè)、環(huán)保及航空航海等領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，成為物探領(lǐng)域中重要的勘探方法之一[7]。

1.2 瞬變電磁信號(hào)特點(diǎn)

在電法勘探中，地下導(dǎo)電體的二次場(chǎng)響應(yīng)是按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減的。衰減函數(shù)為[8]：

(1)

式中：K為與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù)；t為響應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)；τ為導(dǎo)電體的時(shí)間常數(shù)；e(t)為導(dǎo)電體二次場(chǎng)響應(yīng)。

TEM信號(hào)的特性曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 TEM信號(hào)特性曲線(xiàn)

瞬變電磁信號(hào)幅值按照指數(shù)規(guī)律衰減，并具有如下特點(diǎn)。

① 信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大。信號(hào)幅值從早期的零點(diǎn)幾毫伏衰減到晚期的零點(diǎn)幾微伏，高達(dá)120 dB的動(dòng)態(tài)范圍。

② 信號(hào)頻帶寬。頻率范圍從幾赫茲到幾十千赫茲。本課題要采集的ATEM信號(hào)頻率范圍為20 Hz～25 kHz。

③ 信號(hào)衰減快。TEM信號(hào)早期衰減快、幅度高、頻率高；晚期信號(hào)弱，為微伏級(jí)，且衰減慢。

1.3 ATEM系統(tǒng)

時(shí)間域航空電磁法(ATEM)，是航空電磁法的一個(gè)重要分支，是以飛機(jī)為搭載平臺(tái)、在地面電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種空中測(cè)量的電磁方法[6]。它的基礎(chǔ)理論與地面電磁法的基礎(chǔ)理論完全相同。航空電磁法是一種行之有效的勘探手段，是國(guó)土資源大調(diào)查中必不可少的物探方法[9]。航空電磁勘查系統(tǒng)是按照電磁場(chǎng)場(chǎng)源的特點(diǎn)及滿(mǎn)足任務(wù)要求的設(shè)計(jì)方案組成的一整套航空電磁勘查設(shè)備。它主要包括飛機(jī)搭載平臺(tái)、航空物探儀器、發(fā)射和接收線(xiàn)圈以及它們之間的安裝關(guān)系等[10-11]。

我國(guó)國(guó)土資源部物化探所研制的頻率域航空電磁勘查系統(tǒng)平臺(tái)原理示意圖如圖3所示。運(yùn)載工具選用國(guó)產(chǎn)Y12IV飛機(jī)。收發(fā)探頭分別安裝在固定機(jī)翼兩端。發(fā)射線(xiàn)圈向地下發(fā)射連續(xù)變化的交流電磁波，接收線(xiàn)圈和艙內(nèi)儀器裝置接收地下礦體產(chǎn)生的二次響應(yīng)場(chǎng)。系統(tǒng)探測(cè)原理與時(shí)間域探測(cè)原理完全相同。艙內(nèi)儀器包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、航空單光系光泵磁力儀、航空能譜儀、航空物探數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)。需要指出的是，接收探頭處接收到的信號(hào)包含發(fā)射探頭發(fā)射的一次場(chǎng)，因此應(yīng)將一次場(chǎng)信息補(bǔ)償?shù)簟?/p>

圖3 頻率域航空電磁勘查系統(tǒng)原理示意圖

航空電磁法是研究大地電磁學(xué)性質(zhì)(如導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率等)的方法，其工作平臺(tái)是飛機(jī)。所以航空電磁系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)不僅與儀器裝置本身有關(guān)，而且與使用的飛機(jī)及對(duì)飛機(jī)所作的特殊改裝都密切相關(guān)。合理地選擇飛機(jī)型號(hào)和對(duì)飛機(jī)進(jìn)行必要的改裝，往往是實(shí)現(xiàn)航空電磁系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。

2 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。虛線(xiàn)框圍成的部分是由CPLD控制的浮點(diǎn)放大電路。CPLD對(duì)輸入的瞬變電磁信號(hào)進(jìn)行粗量程的采集量化，通過(guò)內(nèi)部程序編程構(gòu)建編碼電路動(dòng)態(tài)控制放大倍數(shù)。放大倍數(shù)(階碼)送入程控運(yùn)算放大器(同時(shí)存儲(chǔ)到FIFO存儲(chǔ)器中)，信號(hào)得到放大后(必須保證放大后的信號(hào)幅值不超過(guò)后面A/D的量程范圍)送入后級(jí)A/D。

DSP控制后級(jí)A/D二次采集放大后的信號(hào)，同時(shí)讀取前級(jí)預(yù)采集電路中的放大倍數(shù)(階碼)。信號(hào)經(jīng)DSP處理還原出原始信號(hào)，并送液晶12864和上位機(jī)數(shù)據(jù)收錄軟件界面進(jìn)行顯示和分析。

圖4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由DSP二次采集部分和CPLD浮點(diǎn)放大部分組成，其硬件框圖如圖5所示。外圍電路是兩個(gè)芯片的最小系統(tǒng)和外部接口電路。硬件電路原理圖部分使用Protel99 SE軟件繪制。

圖5 數(shù)采系統(tǒng)整體硬件框圖

瞬變電磁二次場(chǎng)信號(hào)通過(guò)接收線(xiàn)圈，經(jīng)前置放大后送入25 kHz低通濾波器進(jìn)行濾波。AD7821對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7821由CPLD控制。CPLD讀取AD7821的采樣結(jié)果，內(nèi)部邏輯編碼電路根據(jù)采樣值判斷該值落在哪個(gè)區(qū)間，然后確定放大倍數(shù)。放大倍數(shù)存入FIFO供DSP讀取；同時(shí)，放大倍數(shù)送給程控運(yùn)放PGA204，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。AD7821的采樣率為1 MHz，而CPLD時(shí)鐘芯片采用12 MHz，因此經(jīng)12分頻后，時(shí)鐘脈沖的上升沿啟動(dòng)AD7821進(jìn)行采集。這充分利用了AD7821的高速采樣速率。經(jīng)放大后的信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1605,LTC1605芯片采樣速率為100 kHz，由DSP進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)換完畢，DSP讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果和FIFO中存入的放大值，經(jīng)內(nèi)部處理還原出原始信號(hào)。原始信號(hào)數(shù)據(jù)送12864液晶和上位機(jī)數(shù)據(jù)收錄軟件進(jìn)行顯示處理。至此，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集過(guò)程結(jié)束。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 采樣電路軟件的編寫(xiě)

瞬變電磁二次場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電后，主程序先對(duì)DSP硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要是禁止看門(mén)狗、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、設(shè)置外設(shè)時(shí)鐘、關(guān)閉總中斷和外設(shè)中斷、初始化PIE控制寄存器及使能PIE向量表等。程序?qū)ξ词褂玫腄SP引腳也做了處理，即通過(guò)方向控制寄存器GPxDIR將沒(méi)有使用的引腳均設(shè)置為輸出方式，減小系統(tǒng)功耗。CPLD控制浮點(diǎn)放大，先配置器件引腳端口，配置完成后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行預(yù)采樣。VHDL狀態(tài)機(jī)程序判斷預(yù)采樣是否完成，完成則進(jìn)行編碼。根據(jù)采樣值范圍選定階碼值并輸入給程控運(yùn)放進(jìn)行動(dòng)態(tài)放大，同時(shí)以8位形式存儲(chǔ)階碼值。DSP部分二次采樣后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，還原出原始信號(hào)，并傳輸給上位機(jī)和液晶進(jìn)行顯示。

4.2 數(shù)據(jù)收錄軟件的編寫(xiě)

為觀察到與圖2所示相同的二次場(chǎng)曲線(xiàn)，系統(tǒng)需要有專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)收錄軟件來(lái)接收下位機(jī)采集板送來(lái)的采樣數(shù)據(jù)。軟件能夠控制數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)保存，回放存儲(chǔ)在硬盤(pán)里的數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)數(shù)值，同時(shí)顯示波形。系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)收錄軟件使用LabVIEW 8.6版本編寫(xiě)。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，它使用圖形化編輯語(yǔ)言G語(yǔ)言編寫(xiě)程序，在儀器儀表控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和顯示領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[12-13]。

5 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試的瞬變電磁二次場(chǎng)信號(hào)的衰減曲線(xiàn)圖如圖7所示。系統(tǒng)測(cè)試的是二次場(chǎng)響應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的衰減情況。發(fā)射波采用頻率為25 Hz的雙極性組合波，采樣速率為100 kHz，10 μs采集一次數(shù)據(jù)，共采樣500個(gè)點(diǎn)，采樣時(shí)長(zhǎng)5 ms。由采集曲線(xiàn)可看出，二次場(chǎng)響應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從早期的500 mV衰減至晚期的接近0，基本采集到了二次場(chǎng)的衰減曲線(xiàn)。這說(shuō)明系統(tǒng)采集到的曲線(xiàn)能夠大致反映二次場(chǎng)信息隨時(shí)間的變化情況。

圖7 系統(tǒng)實(shí)地測(cè)試的二次場(chǎng)信號(hào)衰減曲線(xiàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)瞬變電磁法二次場(chǎng)信號(hào)的特點(diǎn)，在前期瞬變電磁法研究的基礎(chǔ)上，對(duì)基于DSP的ATEM微弱信號(hào)數(shù)據(jù)采集器的研制作了深入研究。系統(tǒng)采用浮點(diǎn)放大技術(shù)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍提高到144 dB。系統(tǒng)采樣率為100 kHz，能夠滿(mǎn)足瞬變電磁信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)采樣數(shù)據(jù)高速、高精度的要求。經(jīng)實(shí)地測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠采集微伏到伏級(jí)的微弱信號(hào)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。目前，系統(tǒng)已應(yīng)用在時(shí)間域固定翼航空電磁礦藏勘探中。

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