基于LabVIEW的電磁波數據采集實驗系統開發與應用

梁文婧， 馮 晅

(吉林大學 地球探測科學與技術學院, 長春 130026)

0 引 言

地球物理是一門實踐性較強的應用型學科，傳統的地球物理勘探方法是應用重力、磁法、地震等技術手段來獲取地下的探測信息，找尋賦存于地下的巨大的地質資源。隨著現代社會發展，地球物理勘探方法也更廣泛地應用于城市建設、環境監測等領域，探測的手段也逐步向多樣化、簡易化發展。例如，現廣泛應用于各領域的淺層無損探測儀器：探地雷達，它是通過對地下發射高頻電磁波，當地下介質存在電性差異時，接收天線會接收到回波，以此來判斷地下異常情況[1]。

為了將“看不見、摸不到”的電磁波具體化，在實驗室內獲取理想的異常體結構圖像，使學生可以直觀地了解地下不同異常體對電磁波的響應特征，讓學生親自動手參與到實驗中，激發學生的學習熱情和積極性，達到理想教學實踐效果。本文應用實驗室內的大型實驗沙槽、網絡分析儀、三維直角坐標儀等儀器設備，構建了基于LabVIEW電磁波數據采集實驗系統[2]，開展了 “電磁波地下目標體探測實驗”的創新型開放性實驗，為學生今后從事相關學習和研究工作打下堅實基礎。

1 實驗系統

1.1 設計思想及功能實現

為使學生直觀地了解電磁波對地下異常體的探測過程，了解真實異常體對電磁波的響應圖像，同時節省采集數據時間。應用實驗室內的大型實驗沙槽、網絡分析儀、三維直角坐標儀和天線等儀器設備，構建了基于LabVIEW電磁波數據采集實驗系統[3-12]，如圖1所示。該系統可自動采集并實時顯示當前測量位置的電磁波傳播波形，同時自動保存當前測量點的數據，保存完畢后自動運行至下一個測點重復同樣工作。當一條測線上全部測量點的數據采集完畢后，可直接將數據導入軟件形成二維剖面圖，直觀反映所測量的目標體對電磁波的響應情況，同時驗證數值模擬結果的正確性。

圖1 全自動電磁波數據采集系統

該系統結構的主要設計思想是，應用主控計算機控制整個系統中各個儀器的功能實現，完成對天線的定位，數據的采集及存儲操作一體化，獲得高精度和信息量豐富的數據，同時對控制功能進行模塊化設計，從而優化操作，使其簡便易行，減少誤差。

基于LabVIEW編程的全自動電磁波數據采集系統，其穩定可靠，人機交互操作界面友好，操作簡單。系統應用LabVIEW函數庫中的While循環結構，里面嵌套事件結構，通過對用戶界面的操作完成系統各部分通信，對網絡分析儀遠程控制管理，對電磁波數據的保存等功能，界面同步顯示當前所在測點的數據圖像，使實驗結果更加快捷直觀的展現在學生面前。

1.2 通信檢測

全自動電磁波數據采集系統主要由主控計算機、三維直角坐標儀、網絡分析儀、開關控制器構成。任何部分出現異常和損壞，系統都無法按流程進行，所以在正式使用操作界面對各部分儀器進行控制之前，首先在NI的配置管理軟件中完成主控計算機與NI硬件產品的交互，檢查系統各部分儀器是否已與主控計算機保持聯通，完成識別和檢測NI硬件。當設備連接顯示如圖2所示時，表示計算機與網絡分析儀和開關控制器已建立連接，可以通過操作界面對兩者進行控制，實現數據采集并自動導入LabVIEW。

圖2 NI的配置管理軟件顯示連接圖

利用LabVIEW提供的VISA庫函數，實現控制系統和儀器的串口通信。通過調用VISA庫函數下的VISA寫入、VISA讀取等子函數，向儀器以規定格式發送指令，同時接收儀器返回的指令和數據。對應設備號為N9925A和11713C。

1.3 多通道數據采集

該系統可實現多個通道實時發射信號接收數據，為了避免測量中多個天線同時測量帶來的互耦效應，本系統采取順次方式，即分時接通各個通道，在LabVIEW中通過平鋪式順序結構建立，按順序依次開啟各個通道，通過 “VISA寫入”將狀態送入各個通道，受主控計算機的控制，開關控制器相應通道依次響應。如圖3所示，圖中為3個通道順次接通的程序框圖，由于開關控制器最大通道數的限制，最多可以將網絡分析儀單個通道擴展為6個通道，所以在LabVIEW編程中，也可根據需要將平鋪式順序結構增加至6個，體現了LabVIEW易于修改的特點。

圖3 實現多通道采集的程序框圖

1.4 系統主界面和運行流程

圖4為系統軟件主界面，程序開始后，可在界面中設置參數并同步至相應儀器，參數配置完成后，程序等待數據采集命令，當“Measurement”按鍵按下后，系統判斷給出的數據存儲路徑是否正確，若正確則開始數據采集，當完成指定通道的數據采集后，各通道的采集圖像將分別顯示在對應的圖像顯示框中，當“stop”按鍵按下后，系統結束數據采集。

圖4 系統用戶操作界面

用戶操作界面分為參數設置模塊、波形顯示模塊、數據存儲模塊等，通過該面板，用戶可完成各項采集參數的設置。

(1) 參數設置模塊。可在計算機中設置網絡分析儀[13]的測量參數，其中包括測量方式、起止頻率、時頻轉換、起止時間。參數設置完成后可同步至網絡分析儀。

(2) 波形顯示模塊。波形顯示模塊共有3個波形顯示框，可同時顯示3個測點的波形圖。

(3) 數據存儲模塊。用戶可指定當前數據存儲路徑，每測量完當前測量點數據，系統自動保存為1個文檔文件，再進行下1個測量點的數據存儲。

2 應用實例

2.1 實驗原理

電磁波在地下介質中傳播時，介質的電磁特性決定了波在其中傳播的速度、衰減情況、極化、散射和諧振等參數。當電磁波遇到電性差異界面時，就會產生反射、散射等現象，如圖5所示。通過接收經過地下介質傳播的電磁波，可以研究地下介質的結構、屬性等特征。

圖5 電磁波地下傳播示意圖

假設地下為水平地層，脈沖電磁波由發射天線發射到接收天線接收所需要的往返時間為

(1)

式中:x為發射天線和接收天線間的距離,固定值;H為電磁波所遇到反射界面的深度；v為電磁波在地下巖層中的傳播速度，

c為光速；εr為地下巖層的相對介電常數。

圖6(a)為電磁波探測原理及異常體描述圖像。圖中：r為接收天線；t為發射天線；x為發射天線和接收天線間的距離。圖6(b)為反射波形圖。圖中：R1為直達波；R2為異常體上界面反射波；R3為異常體下界面反射波；R4為基巖上界面反射波，虛線為根據反射波特征勾畫出的異常體以及基巖的界面位置。

(a)

(b)

圖6 電磁波探測原理及異常體描述圖像

2.2 實驗內容設計與實施

以開放性實驗為例，應用電磁波對理想各向同性介質中的異常體進行探測。首先應用GPRMax[13-14]軟件進行電磁波數值模擬，目標為金屬平面板和金屬管，模型的模擬結果如圖7所示。圖中:綠色部分為自由空間;紅色為理想介質;藍色長方形和綠色圓形分別模擬金屬平面板和金屬管的模型。

(a) 平面板

(b) 金屬管

電磁波傳播過程的模擬結果如圖8和9所示，圖8中紅色箭頭所指為天線對間的直達波，黑色箭頭所指為一條直線，表示埋在干沙中的金屬平面板；圖9中，紅色箭頭所指為天線對間的直達波，黑色箭頭所指是一條雙曲線，表示埋在干沙中的金屬管的反射信號。

圖8 金屬平面板的數值模擬剖面圖

圖9 金屬管的數值模擬剖面圖

在實驗室，應用全自動電磁波數據采集系統對目標體模型進行數據采集，在沙槽中順次埋入4個典型目標體，分別為塑料管、2個金屬管和金屬平面板，埋深約為0.1 m處，其中2個金屬管埋深略有不同。網絡分析儀設置的頻率范圍為0.5～4.5 GHz，采樣點數為401。發射天線和接收天線貼近沙面，測點間距2 cm，整條測線有50個測點。實驗示意圖如圖10所示。

圖11所示為測線上某一測點實測的波形圖，圖中紅色箭頭所指為直達波;黑色箭頭所指為目標體的反射信號。

圖10 實驗示意圖

圖11 實測波形圖

將整條測線實際測量得到的數據形成灰度剖面圖，如圖12所示，白色和黑色分別表示正相位和負相位的最大振幅值。通過觀察圖像，可以看出，圖中①、②和③處均顯示為一條雙曲線，差別在于①的振幅小于②和③的振幅，說明①處的目標體與干沙的電性差異較小，②和③處的目標體與干沙的電性差異大，因此可以確定出①為非金屬管，而②和③為金屬管。同時，②處的雙曲線頂端距地面的距離小于③處的距離，表示電磁波在地下傳播時，到達②處目標體的時間要小于③處的目標體，所以可以確定②比③處目標體的埋深淺。④處波形的中間近似為一條直線，兩端分別有曲線即存在繞射現象，可以確定④為金屬平面板。⑤為發射天線與接收天線間的直達波，⑥為沙槽底部的反射信號。⑦為來自沙槽兩側壁的反射信號。

圖12 剖面圖

學生在進行開放性實驗的過程中，首先應用電磁波模擬軟件GPRMax對典型目標體進行電磁波數值模擬，得到與簡單目標體相對應的地下電磁波反射圖像，并分析典型目標體的圖像特征，然后應用電磁波數據采集系統對目標體模型進行數據采集得到實際測量剖面圖，通過對比數值模擬結果和物理模擬結果，直觀了解地下介質對電磁波的響應特征。

3 結 語

通過應用全自動電磁波數據采集實驗系統在實驗室內實現電磁波數據采集并實時顯示，克服了傳統實驗中每一測點手動保存數據的枯燥耗時，使學生將更多的時間投入在對所學知識的應用上，自己動腦設計實驗，通過對比數值模擬結果和實際測得的物理模擬結果，直觀了解地下介質對電磁波的響應特征，充分調動學生學習的積極性，提高學生的科學素養，發揮主觀能動性，達到理想的教學實踐效果。