基于ZYNQ處理器的射頻大地電磁采集儀器研發

王鶴，唐春城，席振銖，韋洪蘭，楊曉敏，郭濤

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083；2.有色資源與地質災害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410083；3.湖南五維地質科技有限公司，湖南 長沙，410221)

射頻大地電磁法(RMT)是一種基于10～1 000 kHz天然正交平面電磁波趨膚效應得到的淺地表電性結構的頻率域電磁法。TURBER等[1]研制了可采集12～240 kHz頻率范圍信號的RMT儀器；BASTANI等[2]提出了一種處理傳遞函數的新方法，并研發了EnciroMT儀器，實現了10～250 kHz頻率范圍信號的測量，被用于探測砂巖地層中20 m以下的地下水；TEZKAN等[3-4]研制了一種新型的RMT儀器，可以記錄頻率10～1 000 kHz范圍內電場和磁場的時間序列信號；德國Metronix公司研發了ADU-07型電磁探測裝備，頻率范圍從直流至250 kHz，促進了RMT法的推廣應用[5-6]，相關正反演研究得到迅速發展[7-8]。國內雖然有不少學者對RMT進行了研究，但主要聚焦于RMT方法的正反演處理技術[9-11]，國科(重慶)儀器有限公司等單位研制的高頻大地電磁系統采集頻率集中在直流至100 kHz范圍內[12-13]，可減小CSAMT法的淺部勘探盲區，并發現采用RMT方法可以快速和高效地反映淺地表地層的電性結構，在多方法聯合反演鄰域具有廣闊的應用前景[14-16]，但目前我國進行的有關RMT方法的試驗與應用仍然依賴于國外設備，因此，研制國產化的RMT勘探設備刻不容緩。本文以ZYNQ為核心研制一套RMT信號采集系統樣機，采用可調數字濾波器實現帶寬信號的選取[17]，并通過仿真和試驗對系統性能進行驗證，為國產化RMT設備研制提供一種技術方案。

1 方法原理

RMT方法是一種基于平面波卡尼亞電阻率的電磁探測方法。由于空氣介質電磁波波數遠遠小于大地介質的電滋波波數，按照斯涅耳(Snell)定律，電磁波從空氣介質傳輸到大地介質時方向垂直向下，不同頻率下的趨膚深度不同，可采用平面波電磁測深[18]。由于水平電磁波在空氣和大地界面是連續的，通過測量地表面水平方向上正交的電場強度和磁場強度的比值，可得到準靜態條件下的電磁波表面阻抗，通過大地表面阻抗得到不同頻率的大地電阻率，計算公式如下：

式中：ρ為電阻率(Ω·m)；μ為磁導率(H/m)；ω為角頻率(Hz)；Ex為實測電場強度(V/m)；Hy為實測正交磁場強度(nT)。依據趨膚效應理論與勘探深度定義，推導出趨膚深度(δ)與勘探深度(H)的計算公式為

式中：δ為趨膚深度(m)；H為勘探深度(m)；f為頻率(Hz)。

2 采集系統總體方案

采集系統由ADC、控制、通信以及存儲等模塊構成，具體采集控制技術方案是：采用XILINX公司生產的ZYNQ系列芯片，提高采集系統的集成度和通信穩定性，降低研發成本；采用高精度溫補晶振提供高穩定、低溫漂的32 MHz時鐘信號，最大程度地避免因時鐘產生的誤差；通過千兆網口接收上位機的命令與數據，完成對ADC采集卡的參數設置與控制；利用時鐘頻率為100 MHz的FPGA模塊實現多通道采集卡的同步高速采集、緩存以及數據濾波；使用主頻為800 MHz的雙核ARM芯片實現千兆網口的數據實時傳輸及多通道AD采集卡的數據存儲；設置AXI總線進行DMA傳輸將數據緩存于DDR3上，通過AXI總線實現ZYNQ內部ARM與FPGA之間的通信，這不僅可降低硬件設計難度，而且可增加內部數據傳輸的速率和穩定性；采用QSPI傳輸協議將緩存數據存儲至外接的存儲器中。接收機系統架構圖如圖1所示。

圖1 天然場射頻電磁法接收機系統架構圖Fig.1 System architecture of natural field RMT signal acquisition system

3 基于ZYNQ PL端模塊仿真與實現

3.1 AD控制模塊仿真與實現

該采集系統采用了TI公司的ADS1675精密模數轉換器芯片。該芯片具有優異的性能指標，通過時序設計控制AD引腳，配置多級模擬調制器和數字抽取濾波器參數，發揮寬頻帶數字濾波器通帶紋波小、過渡帶寬、阻帶衰減大的優點，實現了24位的高分辨率采集。考慮到在數據采集過程中，啟動時間對整體數據采集所需時長的影響較小，最終選擇配置寬頻帶濾波器以實現更高的采集精度。在使用寬頻帶濾波器時，AD在各采樣速率下，時間和最大有效頻率如表1所示。

表1 寬頻帶濾波器的數據速率Table 1 Data rate of broadband filter

通過時序控制AD端口，在系統中配置采樣頻率、疊加次數和采集時長等參數。為了確保獲取AD穩定且高質量的數據，在各個采樣頻率下都會給AD預留足夠的建立時間。在系統觸發后，優先設置AD的采集頻率，同時，保持2個時鐘信號周期，以啟動AD的采集過程。在長時間采集過程中，持續保持啟動信號為高電平使得AD處于連續高速采集模式。

多ADS1675同步連續轉換時序圖如圖2所示。數據就緒信號是來自AD數據輸出串行接口的主要指示信號，在就緒信號升高后，AD輸出端在串行移位時鐘下同步輸出AD轉換結果。在確保時鐘信號和啟動信號同步的情況下，經過建立時間后，開始對6通道進行同步采集。

圖2 多ADS1675同步連續轉換時序圖Fig.2 ADS1675 multichannel synchronous continuous conversion sequence diagram

在Modelsim中對采集控制模塊進行仿真測試，最高采集速率4 MHz模式下的仿真時序圖如圖3所示(其中3′h4表示把采集的數據轉換成3位二進制數，其余依此類推)。

圖3 ADS1675采集控制模塊仿真時序圖Fig.3 ADS1675 acquisition control module simulation sequence diagram

復位信號采用異步復位同步釋放的局部復位方式；狀態指示燈信號顯示當前儀器的工作狀態；采集速率模式信號顯示當前ADC的采集速率模式，對應采樣頻率見表1；AD數據輸出端口在250 ns內完成24位數據的串行輸出。

3.2 數據讀取與緩存模塊仿真與實現

為確保模塊在系統切換采集速率時能與AD保持時域同步，以AD的時鐘信號作為讀取與緩存模塊的輸入時鐘信號，完成24位AD輸出數據讀取；設計串并轉換器將輸出串行數據轉換成24位并行數據，并擴展到32位以提升模塊的數據傳輸速度。為了驗證模塊的讀取與串并轉換功能，在Modelsim軟件平臺上進行仿真測試，仿真時序圖如圖4所示。

圖4 ADS1675數據讀取模塊仿真時序圖Fig.4 Simulation sequence diagram of ADS1675 data reading module

利用容量為32×1 024 bits的異步FIFO，既可完成多位數據的跨時鐘域處理，又可避免切換通道時發生數據溢出。FIFO的寫時鐘由AD的時鐘信號提供，讀時鐘由FPGA提供，時鐘頻率為100 MHz。設置了寫滿與讀空信號反饋FIFO狀態；讀取模塊輸出端口輸出的32位轉換結果接入緩存模塊數據寫入端口，緩存模塊數據輸出端口與濾波模塊相連，完成AD數據的異步緩存。讀取模塊與異步FIFO接口圖如圖5所示。

圖5 讀取模塊與異步FIFO接口圖Fig.5 Read module and asynchronous FIFO interface diagram

3.3 FIR濾波模塊仿真與實現

基于窗函數法設計了基于FPGA的高通有限脈沖響應(finite impulse response，FIR)濾波器，提高數據信噪比和傳輸效率。利用工具設計數字濾波器參數，使用布萊克曼窗作為檢測窗口以提高幅值識別精度。采用16位定點數量化濾波系數，在確保精度的同時，可減少FPGA邏輯門的使用。濾波器頻譜響應圖如圖6所示，FIR濾波器在通帶和過渡帶中的相位呈現出明顯的線性特征。

圖6 濾波器頻譜響應圖Fig.6 Spectral response diagram of filter

使用Vivado軟件中的IP核搭建仿真測試環境以便驗證FIR濾波模塊的功能，導出設計好的濾波系數文件到FIR IP核中，通過2個DDS IP模塊產生帶隨機噪聲的3 kHz和20 kHz正弦波信號，使用ADDSUB IP模塊對這2種信號進行進疊加處理后導入FIR IP核的數據輸入端，濾波模塊輸出端保留32位數據。基于Vivado的FIR濾波器仿真時序圖如圖7所示。

圖7 基于Vivado的FIR濾波器仿真時序圖Fig.7 Simulation sequence diagram of FIR filter based on Vivado

從圖7可以看出濾波模塊輸出信號形態與20 kHz信號形態一致，表明濾波器濾掉了頻率為3 kHz的信號，保留了頻率較高的20 kHz目標信號，仿真結果達到了預期的濾波效果，說明該濾波器的功能滿足設計要求。

4 采集測試與對比

4.1 采集測試

采用波形發生器等設備構建采集測試平臺，驗證系統的采集和濾波功能。使用2個波形發生器分別生成低頻3 kHz和高頻20 kHz共2個信號，通過同步加法器對這2個信號進行疊加處理，分別采集濾波前后的信號，然后對2次采集數據進行頻譜分析。采集信號波形與仿真信號波形一致，采集濾波結果和頻譜分析結果如圖8所示。從圖8可知濾波器功能正常，經計算濾波模塊對噪聲的壓制效果達到-71.5 dB，測試結果與計算結果表明系統達到了預期的設計目標。

圖8 采集濾波結果與頻譜分析結果Fig.8 Acquisition filter results and spectrum analysis results

4.2 RMT樣機與國外儀器對比

使用自主研發的RMT儀器樣機與國外某主流儀器對采集結果進行同頻段對比實驗。在相同的時間段內，在同一地區進行采集，并對比這2種儀器測得的視電阻率、相位和相關度。

RMT樣機與國外某儀器性能對比如圖9所示。從圖9可觀察到，這2種儀器的視電阻率和相位整體上呈現一致的變化趨勢。值得注意的是，RMT樣機所采集的數據具有更高的準確性和穩定性，反映出數據質量顯著提升。由于RMT樣機設計了通帶內信號相位線性的FIR濾波器，對通帶外信號有大于70 dB的壓制效果。這一設計顯著提高了采集數據的信噪比，并提升了系統的抗干擾能力，因此，野外采集的原始數據視電阻率和相位曲線具有更好的連續性，從而提升了數據的質量。

圖9 儀器性能對比Fig.9 Instrument performance comparison

5 應用試驗

在云南省麗江市玉龍納西族自治縣龍蟠鄉進行了應用對比試驗。該測區處于海拔1 800 m高的高山，東高西低，氣候屬南溫帶低緯高原山地季風氣候，年平均降雨量達到980.3 mm，形成多條樹枝狀支流，屬于金沙江水系。地表覆蓋著松林，斷裂區域表現為陡崖、陡坎和溝槽。勘察區域內上覆第四系全新統坡積、殘積(Q4)粉質黏土，上更新統冰水沉積(Q3)粉質黏土、碎石土、塊石土等；下覆基巖為二疊系(Pβ)玄武巖、下統(P1)大理巖。結合反演電阻率剖面對該區域地層進行劃分，結果見圖10。

圖10 反演剖面對比Fig.10 Comparison of inversion profile

由圖10可見：這2種儀器對WT4線地下結構的反映情況基本一致；該測線巖體的電阻率由淺到深逐漸變大，背景值為100～2 000 Ω·m；在反演剖面的中間部分200～600號點段，都存在較一致的高電阻率，并且電阻率向兩邊逐漸下降；在100號點和900號點附近，都存在電阻率等值線凹陷現象，對斷層的位置都有一定的反映。然而，在國外儀器的反演剖面圖中，等值線變化整體較平緩，對F斷層的反映不夠明顯，而RMT樣機的剖面圖在F斷層處，電阻率等值線有較明顯的凹陷或電阻率快速變化。此外，RMT樣機與國外儀器相比，反演結果中出現了更多的細節異常，如圖10(b)中100號和600號點附近處有低阻凹陷現象。RMT樣機采集的數據反演結果與國外儀器的反演結果在地下異常反映方面基本一致。此外，由于RMT樣機數據的信噪比高，反演對淺部地層構造的反映更加精準。這說明RMT樣機在地質勘探領域具有很大潛力和廣闊的應用價值。

6 結論

1) 設計基于ADS1675的采集系統，實現了對RMT信號的24位高精度、高速采集，完成了數據的高速同步讀取和跨時鐘域緩存。仿真結果與測試結果驗證了該信號采集系統具有有效性和可靠性。

2) 設計了帶內信號相位線性的可調FIR數字濾波器，濾波器阻帶衰減大于70 dB，提高了采集數據的信噪比，提升了系統的抗干擾能力。

3) 信號采集系統在淺部地層反演方面性能優異，高分辨率的多通道、多參數數據采集和處理能力可以提供高精度地質信息。該設計方案在國產化RMT儀器研究與設計中具有較大應用價值。