時間域航空電磁微弱信號數據采集器的研制

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心,河北 保定 071051)

0 引言

當前由中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所承擔的“固定翼時間域航空電磁勘查系統研發”,是國家高技術研究發展計劃(即863計劃)重大項目“航空地球物理勘查技術系統”的一個重要子課題。

本文依據瞬變電磁法原理，研究并設計了基于DSP的時間域航空電磁(time-domain airborne electro-magnetic methods,ATEM)微弱信號的數據采集系統。瞬變電磁法是一種地球物理勘探方法，它具有對電阻率變化靈敏度高、受接地條件限制少等優點，在金屬礦藏勘查、鉆井、航空和海洋等領域得到迅速應用。時間域航空電磁法將航空技術與物探技術相結合，是以飛機作為運載平臺、通過裝載物探儀器來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點，對發展國民經濟起著重要作用[1-3]。

1 ATEM系統

1.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法又被稱作時間域電磁法(time-domain electromagnetic methods，TEM)，它是以電磁感應定律為基礎的時間域電磁勘測方法。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定律，即利用不接地線的回路線圈向大地發射一次脈沖磁場，在一次磁場的激發下，埋藏于地下的導電體內部由于變化的磁場產生渦流并在其周圍產生隨時間變化的二次磁場。二次磁場中含有地質導電體的電阻率等物理信息。在一次場的間歇期間，通過接收線圈測量由地質導電體產生的二次感應電磁場隨時間變化的衰減曲線，并對純二次場中的異常信號進行提取和分析，推斷地下不均勻導電體的導電性能和大體位置，從而尋找地下有用礦源和解決水文地質、環境地質等問題[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、探測深度大、發射與接收可同步等優點。它在金屬礦藏勘查、水資源勘測、環保及航空航海等領域得到迅速發展，成為物探領域中重要的勘探方法之一[7]。

1.2 瞬變電磁信號特點

在電法勘探中，地下導電體的二次場響應是按指數函數規律衰減的。衰減函數為[8]：

(1)

式中：K為與時間無關的常數；t為響應的時間坐標；τ為導電體的時間常數；e(t)為導電體二次場響應。

TEM信號的特性曲線如圖2所示。

圖2 TEM信號特性曲線

瞬變電磁信號幅值按照指數規律衰減，并具有如下特點。

① 信號動態范圍大。信號幅值從早期的零點幾毫伏衰減到晚期的零點幾微伏，高達120 dB的動態范圍。

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

③ 信號衰減快。TEM信號早期衰減快、幅度高、頻率高；晚期信號弱，為微伏級，且衰減慢。

1.3 ATEM系統

時間域航空電磁法(ATEM)，是航空電磁法的一個重要分支，是以飛機為搭載平臺、在地面電磁法基礎上發展起來的一種空中測量的電磁方法[6]。它的基礎理論與地面電磁法的基礎理論完全相同。航空電磁法是一種行之有效的勘探手段，是國土資源大調查中必不可少的物探方法[9]。航空電磁勘查系統是按照電磁場場源的特點及滿足任務要求的設計方案組成的一整套航空電磁勘查設備。它主要包括飛機搭載平臺、航空物探儀器、發射和接收線圈以及它們之間的安裝關系等[10-11]。

我國國土資源部物化探所研制的頻率域航空電磁勘查系統平臺原理示意圖如圖3所示。運載工具選用國產Y12IV飛機。收發探頭分別安裝在固定機翼兩端。發射線圈向地下發射連續變化的交流電磁波，接收線圈和艙內儀器裝置接收地下礦體產生的二次響應場。系統探測原理與時間域探測原理完全相同。艙內儀器包括發射機、接收機、航空單光系光泵磁力儀、航空能譜儀、航空物探數據收錄系統、GPS導航定位系統。需要指出的是，接收探頭處接收到的信號包含發射探頭發射的一次場，因此應將一次場信息補償掉。

圖3 頻率域航空電磁勘查系統原理示意圖

航空電磁法是研究大地電磁學性質(如導電率、導磁率等)的方法，其工作平臺是飛機。所以航空電磁系統的主要技術指標不僅與儀器裝置本身有關，而且與使用的飛機及對飛機所作的特殊改裝都密切相關。合理地選擇飛機型號和對飛機進行必要的改裝，往往是實現航空電磁系統主要技術指標的關鍵因素之一。

2 采集系統設計方案

系統整體設計方案如圖4所示。虛線框圍成的部分是由CPLD控制的浮點放大電路。CPLD對輸入的瞬變電磁信號進行粗量程的采集量化，通過內部程序編程構建編碼電路動態控制放大倍數。放大倍數(階碼)送入程控運算放大器(同時存儲到FIFO存儲器中)，信號得到放大后(必須保證放大后的信號幅值不超過后面A/D的量程范圍)送入后級A/D。

DSP控制后級A/D二次采集放大后的信號，同時讀取前級預采集電路中的放大倍數(階碼)。信號經DSP處理還原出原始信號，并送液晶12864和上位機數據收錄軟件界面進行顯示和分析。

圖4 系統整體設計框圖

3 系統硬件設計

數據采集系統由DSP二次采集部分和CPLD浮點放大部分組成，其硬件框圖如圖5所示。外圍電路是兩個芯片的最小系統和外部接口電路。硬件電路原理圖部分使用Protel99 SE軟件繪制。

圖5 數采系統整體硬件框圖

瞬變電磁二次場信號通過接收線圈，經前置放大后送入25 kHz低通濾波器進行濾波。AD7821對濾波后的信號進行模數轉換，AD7821由CPLD控制。CPLD讀取AD7821的采樣結果，內部邏輯編碼電路根據采樣值判斷該值落在哪個區間，然后確定放大倍數。放大倍數存入FIFO供DSP讀取；同時，放大倍數送給程控運放PGA204，對信號進行適當放大。AD7821的采樣率為1 MHz，而CPLD時鐘芯片采用12 MHz，因此經12分頻后，時鐘脈沖的上升沿啟動AD7821進行采集。這充分利用了AD7821的高速采樣速率。經放大后的信號送入模數轉換芯片LTC1605,LTC1605芯片采樣速率為100 kHz，由DSP進行控制。轉換完畢，DSP讀取轉換結果和FIFO中存入的放大值，經內部處理還原出原始信號。原始信號數據送12864液晶和上位機數據收錄軟件進行顯示處理。至此，一個完整的數據采集過程結束。

4 系統軟件設計

4.1 采樣電路軟件的編寫

瞬變電磁二次場信號采集系統的軟件設計流程如圖6所示。

圖6 軟件總體設計流程圖

系統上電后，主程序先對DSP硬件系統進行初始化，主要是禁止看門狗、設置系統時鐘、設置外設時鐘、關閉總中斷和外設中斷、初始化PIE控制寄存器及使能PIE向量表等。程序對未使用的DSP引腳也做了處理，即通過方向控制寄存器GPxDIR將沒有使用的引腳均設置為輸出方式，減小系統功耗。CPLD控制浮點放大，先配置器件引腳端口，配置完成后啟動A/D轉換器進行預采樣。VHDL狀態機程序判斷預采樣是否完成，完成則進行編碼。根據采樣值范圍選定階碼值并輸入給程控運放進行動態放大，同時以8位形式存儲階碼值。DSP部分二次采樣后進行數據處理，還原出原始信號，并傳輸給上位機和液晶進行顯示。

4.2 數據收錄軟件的編寫

為觀察到與圖2所示相同的二次場曲線，系統需要有專門的數據收錄軟件來接收下位機采集板送來的采樣數據。軟件能夠控制數據的讀取、數據保存，回放存儲在硬盤里的數據，顯示數據數值，同時顯示波形。系統上位機數據收錄軟件使用LabVIEW 8.6版本編寫。LabVIEW是美國國家儀器公司研制開發的程序開發環境，它使用圖形化編輯語言G語言編寫程序，在儀器儀表控制、測量、數據處理和顯示領域有廣泛應用[12-13]。

5 測試結果

系統進行實地測試的瞬變電磁二次場信號的衰減曲線圖如圖7所示。系統測試的是二次場響應的感應電動勢隨時間的衰減情況。發射波采用頻率為25 Hz的雙極性組合波，采樣速率為100 kHz，10 μs采集一次數據，共采樣500個點，采樣時長5 ms。由采集曲線可看出，二次場響應的感應電動勢從早期的500 mV衰減至晚期的接近0，基本采集到了二次場的衰減曲線。這說明系統采集到的曲線能夠大致反映二次場信息隨時間的變化情況。

圖7 系統實地測試的二次場信號衰減曲線

6 結束語

本文針對瞬變電磁法二次場信號的特點，在前期瞬變電磁法研究的基礎上，對基于DSP的ATEM微弱信號數據采集器的研制作了深入研究。系統采用浮點放大技術，使數據采集系統的動態范圍提高到144 dB。系統采樣率為100 kHz，能夠滿足瞬變電磁信號采集系統對采樣數據高速、高精度的要求。經實地測試表明，系統能夠采集微伏到伏級的微弱信號，具有一定的實際應用價值和應用前景。目前，系統已應用在時間域固定翼航空電磁礦藏勘探中。

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