CN103472485A - 阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁探测系统的数据质量实时监测装置及监测方法，监测装置，是由发射单元与大地负载连接，大地负载经大地与接地电极连接，接地电极与接收单元连接，接收单元与监测单元连接构成。与现有技术相比，省去了笨重的传输电缆，每个频率点仅对应两个直流数据I和Q，监测数据少，仅为时域数据的几百分之一～几万分之一；无线模块不需要那么高的传输速度，易于实现无线传输；能抑制无线模块传输过程中的误码现象，具有较高的可靠性。数据质量的实时监测由数字正交锁定放大实现，运算简单，不涉及FFT运算、乘法运算，数字正交锁定放大模块可以由价格几十元的MSP430单片机和FPGA等中低端的控制芯片实现；硬件成本明显降低。

Description

阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置及监测方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理探测仪器中的数据质量实时监测装置及方法，尤其是阵列式频率域电磁探测系统的数据质量实时监测装置及监测方法。

背景技术：

阵列式频率域电磁探测系统中，“频率域”指探测方法采用的是频率域方法，“阵列式”指系统由很多台接收机组成。

频率域电磁探测方法包括可控源音频大地电磁法、复电阻率法和频率域激电法等方法。可控源音频大地电磁法是一种通过测量高频至低频下，大地表面的电场和磁场值，探测地下介质由浅至深视电阻率的方法，通常发射频率为1Hz～10kHz。复电阻率法是一种在不同频率下，通过测量大地表面的电场值，探测地下介质电极化和导电特性的方法，通常发射频率为n×10^-2Hz～n×10²Hz。频率域激电法是一种通过测量两个不同频率点上大地表面感应的电压值，求取频散率，从而判断地下介质的极化特性的方法，通常发射频率为n×10^-1Hz～n×10¹Hz。

采用这些方法进行探测时，由于采集到的信号幅度较小，容易受到干扰，因此往往需要对采集得到的数据进行实时监测与质量评价，用以检验数据的有效性。一个良好的监测装置及方法能够提高野外工作的效率、提升数据采集的质量。

对于数据质量的实时监测，目前主要有以下几种方法：

1、采用有线电缆将各个接收机采集到的时间序列数据传送到PC机，进行监测。CN10201252A公开了“分布式多参数深部电磁断面成像系统及测量”，此种方法具有连接简单，容易实现，传输效果较好等优点；但是连接线较为笨重且使用不便，不适合阵列式系统使用。

2、采用无线基站方式传送采集到的时间序列数据。CN1137640A公开了“多功能电磁遥测系统”，此种方法具有比有线连接更轻便的优点，但该方法通过无线方式传输的数据量过于庞大，可靠性低。

3、采用无线基站方式传送频率域数据，频率域数据由快速傅立叶变换（FFT）获取。与传送时间序列数据相比，此种方法传送的数据量比较小，误码率低，但是需要在接收机中进行FFT运算，需要有专门的数学模块来处理数据，对仪器硬件有要求较高。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种阵列式频率域电磁探测系统的数据质量实时监测装置；

本发明的目的就是提供一种阵列式频率域电磁探测系统的数据质量实时监测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

阵列式频率域电磁探测系统的数据质量实时监测装置，其特征在于，是由发射单元T与大地负载L连接，大地负载L经大地分别与接地电极1、2、3～n连接，接地电极1、2、3～n分别与接收机R1、R2、R3～Rn连接，接收机R1、R2、R3～Rn分别与监测单元M连接构成。

所述的发射单元T由可调直流稳压电源T1经发射桥路T2与大地负载L连接，GPS模块T4经发射控制器T3分别与可调直流稳压电源T1和发射桥路T2连接构成。

所述的接收机R1、R2、R3～Rn均是由数据采集模块Rx2经数字正交锁定放大模块Rx3与GPS模块Rx1连接，数字正交锁定放大模块Rx3经无线模块Rx4与监测单元M无线通讯构成。

所述的大地负载L为两个相距1km～3km的大坑，坑内埋有接地电极。

所述的监测单元M由无线模块M1与PC机M2连接构成。

一种阵列式频率域电磁探测系统的数据质量实时监测方法，包括以下步骤：

A、发射单元T在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波，作为阵列式频率域电磁探测的激励源；

B、在正弦波的激励下，大地表面产生携带地下信息的电压信号；

C、接地电极1～n获取携带地下信息的电压信号；

D、接收机R1、R2、R3～Rn对接地电极1、2、3～n的输出信号进行处理，形成监测数据并以电磁波的形式发送监测数据；

E、监测单元M通过无线模块M1接收监测数据并将监测数据传至PC机M2，PC机M2对监测数据进行处理，形成幅度和相位信息；

F、根据幅度和相位信息确定接收单元R中各接收机R1、R2、R3～Rn的工作状态。

步骤A所述的发射单元T在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波监测方法，包括以下步骤：

a、发射控制器T3读取GPS模块T4的时间信息，保证正弦波与GPS时间同步；

b、发射控制器T3产生调压信号T5，控制可调直流稳压电源T1的工作，调节正弦波的幅度；

c、发射控制器T3产生正弦脉冲宽度调制(SPWM)信号T6，控制发射桥路T2的工作，调节正弦波的频率；

d、发射桥路T2的输出在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波。

步骤D所述的接收机R1、R2、R3～Rn对接地电极1、2、3～n的输出信号进行处理，形成监测数据并以电磁波的形式发送监测数据，包括以下步骤：

a、数字正交锁定放大模块Rx3读取GPS模块Rx1的时间并控制数据采集模块Rx2工作，保证数据采集模块Rx2的采集时序与GPS时间同步，从而保证数据采集模块Rx2的采集时序与大地负载L上的正弦波同步；

b、数据采集模块Rx2将接地电极x的输出信号离散化，形成时域数据x(n)；

c、数字正交锁定放大模块Rx3对时域数据x(n)进行处理，产生同相分量I和正交分量Q，I和Q即为监测数据；

d、监测数据经无线模块Rx4以电磁波的形式发送至监测单元M。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明与通过有线电缆传输至监测数据的方法相比，省去了笨重的传输电缆，更适合于阵列式系统。本发明与采用无线基站方式传送时域数据的方法相比，每个频率点仅对应两个直流数据I和Q，监测数据少，仅为时域数据的几百分之一～几万分之一；采用无线传输时，无线模块不需要那么高的传输速度，易于实现无线传输；同时，因为监测数据少，在每个频率的工作时间内，可以多次发送监测数据，能抑制无线模块传输过程中的误码现象，具有较高的可靠性。在采用无线基站方式传送频率域数据，频率域数据由FFT获取的探测系统中，控制模块需要使用价格千元～万元的数字信息处理DSP或工控机PC104等高端控制芯片。与其相比，本专利所述的数据质量的实时监测方法因监测数据由数字正交锁定放大技术提取，运算简单，不涉及FFT运算、乘法运算，数字正交锁定放大模块可以由价格几十元的MSP430单片机和FPGA等中低端的控制芯片实现；所以硬件成本明显降低，在由众多接收机R1～Rn组成的阵列式系统中具有更为突出的经济价值。本发明还适用于可控源音频大地电磁法、复电阻率法和频率域激电法。

附图说明：

图1：电磁探测系统数据质量的实时监测装置结构框图

图2：为附图1中发射单元T的结构框图

图3：为附图1中接收机Rn的结构框图

图4：产生同步且幅度、频率可变的正弦波的电路原理图

图5：产生同步且幅度、频率可变的正弦波的时序图

图6：数字正交锁定放大模块原理图

图7：数字正交锁定放大模块的时序图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1所示为电磁探测系统数据质量的实时监测装置，由发射单元T与大地负载L连接，大地负载L经大地与接地电极1、2、3～n连接，接收单元R由接收机R1、R2、R3～Rn构成，接地电极1、2、3～n分别与接收单元R中的R1、R2、R3～Rn连接，接收单元R中的R1、R2、R3～Rn分别与监测单元M连接，所述n为大于1的自然数，监测单元M由无线模块M1与PC机M2连接构成。发射单元T与接收机R1、R2、R3～Rn的距离为1～15km，接收单元R中各接收机R1、R2、R3～Rn彼此之间相距25m～2km，监测单元M位于各接收机R1、R2、R3～Rn组成的阵列区域内。

发射单元T用于在大地负载L上产生激励波形，作为阵列式频率域电磁探测的激励源，并为数据质量实时监测提供必要的条件。大地负载L表示大地上两个电极坑之间的阻抗，通常阻抗值为10～80Ω；两个电极坑一般相距1～3km，两电极坑中各埋有一个电极，通过导线与发射单元T的输出相连。在激励源作用下，大地表面会产生携带地下信息的电压信号。接地电极1、2、3～n是电压传感器，用于接收携带地下信息的电压信号。接收单元R中各接收机R1、R2、R3～Rn用于处理接地电极1、2、3～n输出的信息并形成监测数据。接收单元R产生的监测数据通过配置的无线模块向外发射。监测单元M一方面接收由接收单元R产生的监测数据；另一方面对监测数据进行处理，形成可以判断接收单元R工作状态的数据，进而实现对接收单元R的监测。

当大地负载L上的激励波形为同步且幅度、频率可变的正弦波时，接收机Rx(x=1,2,3……n)才适于采用下文所述的数字正交锁定放大技术提取监测数据。而本专利所述的接收机Rx正因为采用了数字正交锁定放大技术提取监测数据，才使得监测数据的提取与现在技术相比具有明显优势。因此，发射单元T具有产生同步且幅度、频率可变的正弦波的功能，接收机Rx具有数字正交锁定放大的功能是本专利装置的主要特征。下文将结合图2和图3分析发射单元T和接收机Rx，结合图4分析产生同步且幅度、频率可变的正弦波的电路原理。

图2所示为发射单元T，发射单元T由可调直流稳压电源T1、发射桥路T2、发射控制器T3和GPS模块T4构成，GPS模块T4的输出与发射控制器T3连接，发射控制器T3的输出与可调直流稳压电源T1和发射桥路T2连接，可调直流稳压电源T1的输出与发射桥路T2的输入连接，发射桥路T2的输出与大地负载L连接。发射控制器T3采用MSP430单片机和FPGA作为主控芯片。发射控制器T3是发射单元T的控制模块，用于控制可调直流稳压电源T1、发射桥路T2和GPS模块T4的工作。GPS模块T4用于保证发射单元T在大地负载上产生的正弦波与GPS时间同步，可调直流稳压电源T1用于调节正弦波的幅度，发射桥路T2用于调节正弦波的频率。

图3所示为接收机Rx的装置框图。接收机Rx由GPS模块Rx1、数据采集模块Rx2、数字正交锁定放大模块Rx3和无线模块Rx4构成，其中，x=1,2…n，接地电极1～n中的接地电极x的输出与数据采集模块Rx2的输入连接，数据采集模块Rx2与数字正交锁定放大模块Rx3双向连接，GPS模块Rx1的输出与数字正交锁定放大模块Rx3的输入连接，数字正交锁定放大模块Rx3的输出与无线模块Rx4连接。接收机Rx中的数字正交锁定放大模块Rx3是提取监控数据的控制模块，采用MSP430单片机和FPGA作为主控芯片；数字正交锁定放大模块Rx3控制GPS模块Rx1、数据采集模块Rx2和无线模块Rx4的工作。GPS模块Rx1用于保证数据采集模块Rx2的采集时序与GPS时间同步；数据采集模块Rx2用于采集接地电极x的输出信号，形成时域数据x(n)；数字正交锁定放大模块Rx3用于处理时域数据x(n)，形成监测数据；无线模块Rx4用于将监测数据以电磁波形成向外发射。

图4所示为产生同步且幅度、频率可变的正弦波的电路原理，电路包括可调直流稳压电源T1、发射桥路T2、发射控制器T3、GPS模块T4和大地负载L，发射桥路T2包括开关管V1～V4，大地负载L包括等效电感L和等效电阻R。可调直流稳压电源T1的正极与发射桥路T2中V1和V3的一端连接，负极与发射桥路T2中V2和V4的一端连接；发射桥路T2中V1和V2的另一端均与大地负载的正极连接，发射桥路T2中V3和V4的另一端均与大地负载的负极连接；GPS模块T4的输出与发射控制器T3连接；发射控制器T3的输出一方面与发射桥路T2中V1～V4的控制端连接，另一方面与可调直流稳压电源T1的控制端连接。发射桥路T2的输出电压和输出电流用v_o和i_o表示。

阵列式频率域电磁探测系统数据质量的实时监测方法，包括以下步骤：

A、发射单元T在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波，作为阵列式频率域电磁探测的激励源；

B、在正弦波的激励下，大地表面产生携带地下信息的电压信号；

C、接地电极1～n获取携带地下信息的电压信号；

D、接收机R1、R2、R3～Rn对接地电极1、2、3～n的输出信号进行处理，形成监测数据并以电磁波的形式发送监测数据；

E、监测单元M通过无线模块M1接收监测数据并将监测数据传至PC机M2，PC机M2对监测数据进行处理，形成幅度和相位信息；

F、根据幅度和相位信息确定接收单元R中各接收机R1、R2、R3～Rn的工作状态。

步骤A所述的发射单元T在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波监测方法，包括以下步骤：

a、发射控制器T3读取GPS模块T4的时间信息，保证正弦波与GPS时间同步；

b、发射控制器T3产生调压信号T5，控制可调直流稳压电源T1的工作，调节正弦波的幅度；

c、发射控制器T3产生正弦脉冲宽度调制(SPWM)信号T6，控制发射桥路T2的工作，调节正弦波的频率；

d、发射桥路T2的输出在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波。

步骤D所述的接收机R1、R2、R3～Rn对接地电极1、2、3～n的输出信号进行处理，形成监测数据并以电磁波的形式发送监测数据，包括以下步骤：

a、数字正交锁定放大模块Rx3读取GPS模块Rx1的时间并控制数据采集模块Rx2工作，保证数据采集模块Rx2的采集时序与GPS时间同步，从而保证数据采集模块Rx2的采集时序与大地负载L上的正弦波同步；

b、数据采集模块Rx2将接地电极x的输出信号离散化，形成时域数据x(n)；

c、数字正交锁定放大模块Rx3对时域数据x(n)进行处理，产生同相分量I和正交分量Q，I和Q即为监测数据；

d、监测数据经无线模块Rx4以电磁波的形式发送至监测单元M。

下面将结合图5～图7分析数据质量实时监测的具体方式。

1)发射单元产T产生同步且幅度、频率可变的正弦波的具体方法

图5所示为发射单元T产生同步且幅度、频率可变的正弦波的具体方法，图5a中的v_i、-v_i、v_tri为发射控制器T3内产生的信号，v_i和-v_i为相位相差180°的正弦波，v_tri为三角波。当v_i>v_tri时，G1为高；当v_i<v_tri时,G1为低；G1如图5b所示。当-v_i>v_tri时，G3为高；当-v_i<v_tri时,G3为低；G3如图5c所示。G2和G4分别为G1和G3的逻辑取反。G1～G4即为SPWM信号T6。G1～G4分别控制发射桥路T2中开关管V1～V4工作，即可得到如图5d所示的输出电压v_o，输出电压v_o作用于阻感性的大地负载L即可得到如图5e所示的输出电流i_o。输出电流i_o即为所需同步且幅度、频率可变的正弦波。发射控制器T3通过调节可调直流稳压电源T1的电压改变输出电流i_o的幅度，通过调节v_i和-v_i的频率改变输出电流i_o的频率。

2)接收机Rx进行数字正交锁定放大的具体方法

图6和图7所示为接收机Rx进行数字正交锁定放大的具体方法。因为激励源为正弦波，大地可以看作线性系统，故接地电极x的信号可表示为x(t)，x(t)=V_scos(ωt+θ)，V_s为信号x(t)的幅值，θ为信号x(t)与输出电流i_o的相位差。r(n)为数字正交参考信号，r(n)的相位通过GPS模块与输出电流i_o的相位保持一致。r₁(n)相对于r(n)的相位为90°。-x(n)表示与x(n)等大反向的数据。当r(n)为高时，开关S_x与x(n)连接，即v_x(n)=x(n);当r(n)为低时，开关S_x与-x(n)连接，即v_x(n)=-x(n)。当r₁(n)为高时，开关S_y与x(n)连接，即v_y(n)=x(n);当r₁(n)为低时，开关S_y与-x(n)连接，即v_y(n)=-x(n)。v_x(n)和v_y(n)经过数字低通滤波器(LPF)的处理，即可得到同相分量I和正交分量Q两个直流分量，如式(1)和(2)所示：

$I=\frac{{2V}_s}{\mathrm{\&pi;}}\cos \mathrm{\&theta;}---\left(1\right)$

$Q=\frac{{2V}_s}{\mathrm{\&pi;}}\sin \mathrm{\&theta;}---\left(2\right)$

3)监测单元M实现数据质量实时监测的具体方法

监测单元M在PC机M2上用LabVIEW软件将监测数据I和Q转化为被测信号的幅度V_s和相位θ，如式(3)和(4)所示：

$V_s=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\sqrt{I^2+Q^2}---\left(3\right)$

θ=arctan(Q/I)       (4)

根据幅度和相位信息确定接收单元R中各接收机R1～Rn的工作状态。

Claims (8)

1.一种阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置，其特征在于，是由发射单元T与大地负载L连接，大地负载L经大地分别与接地电极1、2、3～n连接，接地电极1、2、3～n分别与接收机R1、R2、R3～Rn连接，接收机R1、R2、R3～Rn分别与监测单元M连接构成。

2.按照权利要求1所述的阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置，其特征在于，所述的发射单元T由可调直流稳压电源T1经发射桥路T2与大地负载L连接，GPS模块T4经发射控制器T3分别与可调直流稳压电源T1和发射桥路T2连接构成。

3.按照权利要求1所述的阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置，其特征在于，所述的接收机R1、R2、R3～Rn均是由数据采集模块Rx2经数字正交锁定放大模块Rx3与GPS模块Rx1连接，数字正交锁定放大模块Rx3经无线模块Rx4与监测单元M无线通讯构成。

4.按照权利要求1所述的阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置，其特征在于，所述的大地负载L为两个相距1km—3km的接地电极。

5.按照权利要求1所述的阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测装置，其特征在于，所述的监测单元M由无线模块M1与PC机M2连接构成。

6.一种阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、发射单元T在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波，作为阵列式频率域电磁探测的激励源；

B、在正弦波的激励下，大地表面产生携带地下信息的电压信号；

C、接地电极1～n获取携带地下信息的电压信号；

D、接收机R1、R2、R3～Rn对接地电极1、2、3～n的输出信号进行处理，形成监测数据并以电磁波的形式发送监测数据；

E、监测单元M通过无线模块M1接收监测数据并将监测数据传至PC机M2，PC机M2对监测数据进行处理，形成幅度和相位信息；

F、根据幅度和相位信息确定接收单元R中各接收机R1、R2、R3～Rn的工作状态。

7.按照权利要求6所述的阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测方法，其特征在于，步骤A所述的发射单元T在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波，包括以下步骤：

a、发射控制器T3读取GPS模块T4的时间信息，保证正弦波与GPS时间同步；

b、发射控制器T3产生调压信号T5，控制可调直流稳压电源T1的工作，调节正弦波的幅度；

c、发射控制器T3产生正弦脉冲宽度调制(SPWM)信号T6，控制发射桥路T2的工作，调节正弦波的频率；

d、发射桥路T2的输出在大地负载L上形成同步且幅度、频率可变的正弦波。

8.按照权利要求6所述的阵列式频率域电磁探测系统数据质量监测方法，其特征在于，步骤D所述的接收机R1、R2、R3～Rn对接地电极1、2、3～n的输出信号进行处理，形成监测数据并以电磁波的形式发送监测数据，包括以下步骤：

a、数字正交锁定放大模块Rx3读取GPS模块Rx1的时间并控制数据采集模块Rx2工作，保证数据采集模块Rx2的采集时序与GPS时间同步，从而保证数据采集模块Rx2的采集时序与大地负载L上的正弦波同步；

b、数据采集模块Rx2将接地电极x的输出信号离散化，形成时域数据x(n)；

c、数字正交锁定放大模块Rx3对时域数据x(n)进行处理，产生同相分量I和正交分量Q，I和Q即为监测数据；

d、监测数据经无线模块Rx4以电磁波的形式发送至监测单元M。

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