瞬變電磁信號檢測技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

葉金才，王小紅，姚榮彬，唐 欣

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006）

1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法[1]（簡稱TEM法）屬于時(shí)間域的電磁感應(yīng)方法，是一種重要的地球物理勘探方法。與其他物探方法相比，它具有投入少、高效易行、信息豐富和準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)。近年來，TEM法得到了快速發(fā)展，在礦藏、煤田水文、地質(zhì)構(gòu)造和土地鹽堿化等勘查領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

瞬變電磁發(fā)射機(jī)向發(fā)射線圈注入特定頻率雙極性矩形脈沖電流作為激勵(lì)源（稱為一次場）。磁場信號由地表向地下傳播過程中，激勵(lì)地下導(dǎo)電介質(zhì)產(chǎn)生感生渦流。當(dāng)發(fā)射電流中斷時(shí)，一次場瞬間消失，感生渦流形成瞬變二次場[2]。在發(fā)射電流關(guān)斷期間，觀測二次場信號隨時(shí)間衰減的響應(yīng)。通過不同的時(shí)間窗口觀測信號，以獲取不同探測深度的地質(zhì)體的電性參數(shù)。圖1為TEM發(fā)射電流與二次場感應(yīng)信號波形。呈指數(shù)衰減[3]。信號幅度和衰減速度與被測地質(zhì)體的電性參數(shù)、分布規(guī)模及深度有關(guān)[4]。信號衰減一般分為早、中、晚期三個(gè)階段。其中，早期幅度大，可達(dá)1 V以上，以高頻為主衰減，速度快，最高可達(dá)數(shù)百千赫茲；中晚期以低頻為主衰減，速度緩慢，幅度??；晚期幅度處于納伏特量級，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)140 dB。圖2為TEM信號的衰減曲線及取樣示意圖。

圖2 TEM信號衰減曲線及取樣示意圖

圖1 TEM發(fā)射電流和二次場感應(yīng)信號波形

2 瞬變電磁信號特征及檢測方法

瞬變電磁法二次場具有早期幅值高、變化速度快、晚期信號微弱和動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，信號幅度隨時(shí)間

瞬變電磁法準(zhǔn)確獲取地質(zhì)體電性參數(shù)的前提，是接收機(jī)準(zhǔn)確檢測整個(gè)衰減周期內(nèi)的二次場信號，需要設(shè)計(jì)合理的信號調(diào)理方案滿足靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的要求[5]。目前，國內(nèi)外的TEM接收機(jī)信號采集常用模擬取樣積分、分段放大以及利用高速高精度ADC三種方法對經(jīng)過放大的信號數(shù)字化。

模擬取樣積分[6]是一種成熟的微弱信號檢測方法，利用不同積分門分時(shí)取樣信號，取樣積分結(jié)果通過A/D轉(zhuǎn)換后，由后端處理器對數(shù)據(jù)做疊加平均及歸一化處理。取樣積分具有動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高以及疊加平均信噪比提升明顯等優(yōu)點(diǎn)[7]，但早期時(shí)間分辨率不佳。積分器對元件精度、一致性要求較高，且控制邏輯比較復(fù)雜。測道數(shù)取決于積分門數(shù)量。

分段放大法是根據(jù)二次場早、中、晚期信號的信號幅度不同，利用高精度可編程放大器（PGA）對信號進(jìn)行分時(shí)段放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，由主控處理器進(jìn)行歸一化、疊加平均處理與數(shù)據(jù)抽道。分段放大法可以獲得較好的頻率響應(yīng)，早期信號時(shí)間分辨率優(yōu)于模擬積分法，通過疊加平均方法改善信噪比，但對放大器的性能要求較高，且晚期弱信號提取能力不強(qiáng)。

直接取樣法利用高速高精度ADC（24位以上）對經(jīng)過PGA放大的信號直接數(shù)字化，通過疊加平均方法改善信噪比以檢測晚期信號。它的電路原理和控制邏輯簡單，瞬態(tài)響應(yīng)好，但對硬件電路的背景噪聲要求苛刻，動(dòng)態(tài)范圍受限于ADC，器件成本較高[8]。

3 基于FPGA的瞬變接收機(jī)方案設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外的瞬變電磁系統(tǒng)接收機(jī)多采用單片機(jī)或者工控機(jī)作為主控制器。處理器由于架構(gòu)的局限性和指令執(zhí)行的不確定性，無法同時(shí)并行執(zhí)行多個(gè)任務(wù)進(jìn)程。邏輯控制電路通常采用單片機(jī)I/O口擴(kuò)展或分立器件搭建，存在電路復(fù)雜實(shí)現(xiàn)難度大、同步性能不佳等問題。

瞬變電磁法二次場信號準(zhǔn)確采集通常要求收發(fā)射和接收同步誤差小于100 ns，以保證信號正確疊加。現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）是一種由用戶定義的可編程邏輯器件，集成了豐富的邏輯門、觸發(fā)器、存儲器及I/O引腳[9]。相對于普通處理器，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢在于可并行執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)進(jìn)程。利用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可提高系統(tǒng)的靈活性和集成度，降低復(fù)雜度與功耗。

接收機(jī)方案采用FPGA作為主邏輯控制器。DSP作為數(shù)據(jù)處理核心并負(fù)責(zé)通信，具備直接采樣和取樣積分功能。圖3為接收機(jī)設(shè)計(jì)方案的原理框圖，主要由信號調(diào)理、邏輯控制、GPS/DBS同步、數(shù)據(jù)處理與通信等功能模塊構(gòu)成。

圖3 基于FPGA的瞬變電磁接收機(jī)原理

信號調(diào)理電路主要由低噪放（LNA）、可編程放大器（PGA）、絕對值放大器、積分器以及多路復(fù)用器等構(gòu)成。它負(fù)責(zé)把天線感應(yīng)信號經(jīng)過放大、濾波以及積分處理后，使信號擺幅滿足ADC芯片LTC2386-16的輸入范圍要求。低噪放是決定接收機(jī)信噪比的關(guān)鍵部分，擬采用ADI公司的孿生三極管MAT02設(shè)計(jì)差動(dòng)放大器，配以精密金屬膜電阻以獲得最佳的噪聲系數(shù)和最低的輸出偏移誤差。主放大器PGA1采用PGA202設(shè) 計(jì)， 增 益 檔 位 有0 dB、20 dB、40 dB、60 dB四檔。后級增益調(diào)整放大器PGA2采用PGA203設(shè)計(jì)，增益檔位有0 dB、6 dB、12 dB、18dB四檔。絕對值放大器采用LT1028和電子開關(guān)ADG402設(shè)計(jì)。積分器電路選用超低輸入偏置電流的高速FET運(yùn)放OPA602作為積分放大器。多路復(fù)用器ADG506作為切換開關(guān)，以經(jīng)過匹配的CBB電容作為積分電容。

主邏輯控制器FPGA（EP2C8Q208）內(nèi)部邏輯功能，如圖4所示。同步跟蹤模塊處理系統(tǒng)同步，接收來自GPS/BDS授時(shí)模塊的同步秒脈沖（1 PPS）信號，利用秒脈沖的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。授時(shí)模塊采用LEA-M8T，秒脈沖信號上升沿平均抖動(dòng)時(shí)間小于20 ns。FPGA內(nèi)部采用100 MHz時(shí)鐘跟蹤鎖定秒脈沖，保證收發(fā)平均同步誤差小于50 ns。FPGA還負(fù)責(zé)接收機(jī)各個(gè)功能模塊的同步控制，信號擺幅超限監(jiān)測，為調(diào)理電路與積分門積分提供同步門控信號，控制A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)緩存，通過總線接口與DSP交換數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)處理部分設(shè)計(jì)以TI公司的浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320F28335為核心，為同步疊加平均計(jì)算與增益計(jì)算等數(shù)據(jù)處理提供硬件支撐，并且負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信和配置FPGA工作參數(shù)，包括工作頻率、積分時(shí)間門和采樣時(shí)延等，通過軟件對積分器及信號調(diào)理電路進(jìn)行線性校正。

4 瞬變電磁信號復(fù)合采樣方法研究實(shí)現(xiàn)

針對瞬變信號的特點(diǎn)，采用直接取樣和取樣積分相結(jié)合的信號取樣方法，即對早期和中晚期信號分別采用直接取樣和取樣積分進(jìn)行采集。兩種采集方式的信號調(diào)理方法有所不同，須通過內(nèi)部標(biāo)定把信號調(diào)理電路及處理方法不同帶來的誤差通過補(bǔ)償方式降到最低。

對于直接采樣方式，可以通過式（1）計(jì)算輸入信號Si(n)的幅度：

式中D(n)為ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，Vref為ADC的參考電壓，N為ADC的位數(shù)，Voffset為輸入偏置電壓，GPGA1、GPGA2為兩級可編程放大器的增益。

對于積分器來說，積分器第n個(gè)積分門的積分結(jié)果可以通過式（2）計(jì)算得到：

其中Si(t)為天線感應(yīng)到的信號幅度，tn為積分門開始積分的時(shí)刻，Δt為積分時(shí)長，RS為積分器的輸入電阻，RG多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻，C為積分電容值。對計(jì)算處理第n個(gè)積分門的取樣結(jié)果，常用的是線性平均方法，即假定tn到tn+Δt時(shí)間段的信號是線性變化的，tn+Δt/2時(shí)刻的信號強(qiáng)度為Si(n)，則式（2）可簡化為：

通過式（4）利用ADC對第n個(gè)積分門輸出電平VO(n)的轉(zhuǎn)換結(jié)果D(n)，可以計(jì)算到第n個(gè)時(shí)間窗口Si(n)的值：

式（4）中的檢測結(jié)果主要受RS、RG和C的固有物理特性影響；器件的誤差、溫漂以及介質(zhì)損耗和各個(gè)積分門的RG的差異，會產(chǎn)生偏移誤差和線性誤差。偏移誤差通過雙極性信號疊加消除，線性誤差需要通過內(nèi)部標(biāo)定方式來校準(zhǔn)。

標(biāo)定利用內(nèi)部的參考電壓源，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的雙極性參考信號Sref(t)輸入到低噪放，通過多周期疊加平均降低背景噪聲影響。按照式（1）處理的結(jié)果與Sref(t)作比較，計(jì)算標(biāo)定PGA各級增益系數(shù)。積分器標(biāo)定按照式（4）處理積分門輸出，標(biāo)定各個(gè)積分門系數(shù)。采集數(shù)據(jù)時(shí)，DSP利用增益系數(shù)和各個(gè)積分門系數(shù)校準(zhǔn)處理結(jié)果。

圖5是基于直接采樣與積分取樣的信號采集流程。先通過預(yù)采樣方式設(shè)定兩級PGA的增益。由同步信號觸發(fā)采樣，先利用直接采樣方式對早期信號進(jìn)行采集，再利用積分器對中晚期信號進(jìn)行取樣積分。ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由FPGA緩存、由DSP讀取后再做進(jìn)一步處理。

圖5 信號采集流程

5 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

接收機(jī)方案已在峰峰煤業(yè)集團(tuán)邢臺的東龐礦區(qū)的地下水文調(diào)查中應(yīng)用。發(fā)射線框?yàn)? 000 m×1 000 m，發(fā)射采用頻率為2.5 Hz、占空比為1:1的雙極性脈沖信號，發(fā)射電流為24 A，系統(tǒng)采用GPS/BDS授時(shí)同步方式，信號采集時(shí)間延遲為500 μs，信號采集時(shí)間長度為80 ms，共設(shè)置了62個(gè)測道，重復(fù)疊加周期數(shù)為64。圖6為實(shí)際探測測線的衰減曲線和數(shù)據(jù)抽道曲線，接收機(jī)準(zhǔn)確記錄了二次場信號在檢測周期內(nèi)的變化，可穩(wěn)定檢測到1 μV以下的晚期信號，具有很強(qiáng)的弱信號提取能力，且靈敏度滿足了TEM接收機(jī)要求。

圖6 實(shí)測衰減曲線及數(shù)據(jù)抽道曲線

6 結(jié) 論

在研究瞬變電磁法原理及信號的特征基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)以FPGA為邏輯主控器、DSP為數(shù)據(jù)處理核心的瞬變電磁接收機(jī)方案，采用直接取樣與積分取樣相結(jié)合的采集方法，經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得出結(jié)論：

（1）以FPGA+DSP的硬件結(jié)構(gòu)適合TEM系統(tǒng)信號采集，具有靈活性強(qiáng)、集成度高及同步誤差小的特點(diǎn)；

（2）通過內(nèi)部標(biāo)定方式獲取信號調(diào)理電路增益參數(shù)和積分器積分系數(shù)，可提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

（3）綜合利用高速ADC直接采樣和取樣積分，可提高TEM信號早期時(shí)間分辨率和晚期微弱信號的提取能力。

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