时间域航空电磁微弱信号数据采集器的研制

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071051)

0 引言

当前由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所承担的“固定翼时间域航空电磁勘查系统研发”,是国家高技术研究发展计划(即863计划)重大项目“航空地球物理勘查技术系统”的一个重要子课题。

本文依据瞬变电磁法原理，研究并设计了基于DSP的时间域航空电磁(time-domain airborne electro-magnetic methods,ATEM)微弱信号的数据采集系统。瞬变电磁法是一种地球物理勘探方法，它具有对电阻率变化灵敏度高、受接地条件限制少等优点，在金属矿藏勘查、钻井、航空和海洋等领域得到迅速应用。时间域航空电磁法将航空技术与物探技术相结合，是以飞机作为运载平台、通过装载物探仪器来完成空中获取地球物理信息的方法。航空物探具有勘探深度大、成本低和效率高等众多优点，对发展国民经济起着重要作用[1-3]。

1 ATEM系统

1.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法又被称作时间域电磁法(time-domain electromagnetic methods，TEM)，它是以电磁感应定律为基础的时间域电磁勘测方法。瞬变电磁法的原理示意图如图1所示。

图1 瞬变电磁法原理示意图

瞬变电磁法的原理是电磁感应定律，即利用不接地线的回路线圈向大地发射一次脉冲磁场，在一次磁场的激发下，埋藏于地下的导电体内部由于变化的磁场产生涡流并在其周围产生随时间变化的二次磁场。二次磁场中含有地质导电体的电阻率等物理信息。在一次场的间歇期间，通过接收线圈测量由地质导电体产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减曲线，并对纯二次场中的异常信号进行提取和分析，推断地下不均匀导电体的导电性能和大体位置，从而寻找地下有用矿源和解决水文地质、环境地质等问题[4-13]。

瞬变电磁法具有电阻率变化灵敏度高、受接地条件限制少、探测深度大、发射与接收可同步等优点。它在金属矿藏勘查、水资源勘测、环保及航空航海等领域得到迅速发展，成为物探领域中重要的勘探方法之一[7]。

1.2 瞬变电磁信号特点

在电法勘探中，地下导电体的二次场响应是按指数函数规律衰减的。衰减函数为[8]：

(1)

式中：K为与时间无关的常数；t为响应的时间坐标；τ为导电体的时间常数；e(t)为导电体二次场响应。

TEM信号的特性曲线如图2所示。

图2 TEM信号特性曲线

瞬变电磁信号幅值按照指数规律衰减，并具有如下特点。

① 信号动态范围大。信号幅值从早期的零点几毫伏衰减到晚期的零点几微伏，高达120 dB的动态范围。

② 信号频带宽。频率范围从几赫兹到几十千赫兹。本课题要采集的ATEM信号频率范围为20 Hz～25 kHz。

③ 信号衰减快。TEM信号早期衰减快、幅度高、频率高；晚期信号弱，为微伏级，且衰减慢。

1.3 ATEM系统

时间域航空电磁法(ATEM)，是航空电磁法的一个重要分支，是以飞机为搭载平台、在地面电磁法基础上发展起来的一种空中测量的电磁方法[6]。它的基础理论与地面电磁法的基础理论完全相同。航空电磁法是一种行之有效的勘探手段，是国土资源大调查中必不可少的物探方法[9]。航空电磁勘查系统是按照电磁场场源的特点及满足任务要求的设计方案组成的一整套航空电磁勘查设备。它主要包括飞机搭载平台、航空物探仪器、发射和接收线圈以及它们之间的安装关系等[10-11]。

我国国土资源部物化探所研制的频率域航空电磁勘查系统平台原理示意图如图3所示。运载工具选用国产Y12IV飞机。收发探头分别安装在固定机翼两端。发射线圈向地下发射连续变化的交流电磁波，接收线圈和舱内仪器装置接收地下矿体产生的二次响应场。系统探测原理与时间域探测原理完全相同。舱内仪器包括发射机、接收机、航空单光系光泵磁力仪、航空能谱仪、航空物探数据收录系统、GPS导航定位系统。需要指出的是，接收探头处接收到的信号包含发射探头发射的一次场，因此应将一次场信息补偿掉。

图3 频率域航空电磁勘查系统原理示意图

航空电磁法是研究大地电磁学性质(如导电率、导磁率等)的方法，其工作平台是飞机。所以航空电磁系统的主要技术指标不仅与仪器装置本身有关，而且与使用的飞机及对飞机所作的特殊改装都密切相关。合理地选择飞机型号和对飞机进行必要的改装，往往是实现航空电磁系统主要技术指标的关键因素之一。

2 采集系统设计方案

系统整体设计方案如图4所示。虚线框围成的部分是由CPLD控制的浮点放大电路。CPLD对输入的瞬变电磁信号进行粗量程的采集量化，通过内部程序编程构建编码电路动态控制放大倍数。放大倍数(阶码)送入程控运算放大器(同时存储到FIFO存储器中)，信号得到放大后(必须保证放大后的信号幅值不超过后面A/D的量程范围)送入后级A/D。

DSP控制后级A/D二次采集放大后的信号，同时读取前级预采集电路中的放大倍数(阶码)。信号经DSP处理还原出原始信号，并送液晶12864和上位机数据收录软件界面进行显示和分析。

图4 系统整体设计框图

3 系统硬件设计

数据采集系统由DSP二次采集部分和CPLD浮点放大部分组成，其硬件框图如图5所示。外围电路是两个芯片的最小系统和外部接口电路。硬件电路原理图部分使用Protel99 SE软件绘制。

图5 数采系统整体硬件框图

瞬变电磁二次场信号通过接收线圈，经前置放大后送入25 kHz低通滤波器进行滤波。AD7821对滤波后的信号进行模数转换，AD7821由CPLD控制。CPLD读取AD7821的采样结果，内部逻辑编码电路根据采样值判断该值落在哪个区间，然后确定放大倍数。放大倍数存入FIFO供DSP读取；同时，放大倍数送给程控运放PGA204，对信号进行适当放大。AD7821的采样率为1 MHz，而CPLD时钟芯片采用12 MHz，因此经12分频后，时钟脉冲的上升沿启动AD7821进行采集。这充分利用了AD7821的高速采样速率。经放大后的信号送入模数转换芯片LTC1605,LTC1605芯片采样速率为100 kHz，由DSP进行控制。转换完毕，DSP读取转换结果和FIFO中存入的放大值，经内部处理还原出原始信号。原始信号数据送12864液晶和上位机数据收录软件进行显示处理。至此，一个完整的数据采集过程结束。

4 系统软件设计

4.1 采样电路软件的编写

瞬变电磁二次场信号采集系统的软件设计流程如图6所示。

图6 软件总体设计流程图

系统上电后，主程序先对DSP硬件系统进行初始化，主要是禁止看门狗、设置系统时钟、设置外设时钟、关闭总中断和外设中断、初始化PIE控制寄存器及使能PIE向量表等。程序对未使用的DSP引脚也做了处理，即通过方向控制寄存器GPxDIR将没有使用的引脚均设置为输出方式，减小系统功耗。CPLD控制浮点放大，先配置器件引脚端口，配置完成后启动A/D转换器进行预采样。VHDL状态机程序判断预采样是否完成，完成则进行编码。根据采样值范围选定阶码值并输入给程控运放进行动态放大，同时以8位形式存储阶码值。DSP部分二次采样后进行数据处理，还原出原始信号，并传输给上位机和液晶进行显示。

4.2 数据收录软件的编写

为观察到与图2所示相同的二次场曲线，系统需要有专门的数据收录软件来接收下位机采集板送来的采样数据。软件能够控制数据的读取、数据保存，回放存储在硬盘里的数据，显示数据数值，同时显示波形。系统上位机数据收录软件使用LabVIEW 8.6版本编写。LabVIEW是美国国家仪器公司研制开发的程序开发环境，它使用图形化编辑语言G语言编写程序，在仪器仪表控制、测量、数据处理和显示领域有广泛应用[12-13]。

5 测试结果

系统进行实地测试的瞬变电磁二次场信号的衰减曲线图如图7所示。系统测试的是二次场响应的感应电动势随时间的衰减情况。发射波采用频率为25 Hz的双极性组合波，采样速率为100 kHz，10 μs采集一次数据，共采样500个点，采样时长5 ms。由采集曲线可看出，二次场响应的感应电动势从早期的500 mV衰减至晚期的接近0，基本采集到了二次场的衰减曲线。这说明系统采集到的曲线能够大致反映二次场信息随时间的变化情况。

图7 系统实地测试的二次场信号衰减曲线

6 结束语

本文针对瞬变电磁法二次场信号的特点，在前期瞬变电磁法研究的基础上，对基于DSP的ATEM微弱信号数据采集器的研制作了深入研究。系统采用浮点放大技术，使数据采集系统的动态范围提高到144 dB。系统采样率为100 kHz，能够满足瞬变电磁信号采集系统对采样数据高速、高精度的要求。经实地测试表明，系统能够采集微伏到伏级的微弱信号，具有一定的实际应用价值和应用前景。目前，系统已应用在时间域固定翼航空电磁矿藏勘探中。

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