CN105044781B - 产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法，属于地球物理探测领域，包括单片机单元、同步控制单元、信号极性转换单元、输入单元和输出单元。本发明的有益效果如下：本发明采用GPS技术和高精度数模转换器(12位DAC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、恒温晶振，单片机(C8051F020)完成产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法设计，产生的信号和发射机的一次场时间同步，PPS信号正常时，发射一次场同步精度<1uS，PPS信号不正常时，1小时同步精度<10uS。

Description

产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法

技术领域

本发明属于地球物理探测领域，具体涉及一种产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法。

背景技术

1.1相关背景知识介绍：

半航空瞬变电磁勘查系统是一种采用“地面发射、空中接收、地面测量和监控”方式的瞬变电磁观测系统。相对于地面瞬变电磁系统和航空瞬变电磁系统，该系统具有作业方便、高效、探测范围大、信噪比高、空间分辨率好等优势。该方法适合在山地、起伏地形、沼泽地进行探测，在寻找地下金属硫化物矿藏和地质工程快速勘查方面有明显优势和效果。瞬变电磁法具有场源灵活、方法多样以及稳定高效等优点，已经发展成为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究，工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到了广泛的应用。

在半航空瞬变电磁勘查系统工程应用中，发射机在大回线中加大电流，产生瞬变电磁法中的一次磁场。对一次磁场而言，一次磁场强度和分布与发射电流的函数关系较为复杂，为了解释方便，一般大回线布置为园型回线。

根据园型回线布置，一次磁场强度和分布应该是和园型回线同心的圆形发布，并随半径增加成指数衰减，为了数据处理简单，方便扣除一次场，地面监控和二次磁场的测量应该回线同心的圆形测量，并且时间和发射时刻保持同步关系。

为了解决大回线地面测量和监控二次磁场的测量，测量的接收机可以是单台，沿圆形测线逐点测量(如图1)，但为了提高探测效率，一般采用多台接收机同时沿圆形测线逐点测量(如图2)。

但无论是单台还是多台工作方式，都必须和发射电流保持固定的时间关系，因为发射信号和地质体产生的二次场有时间关系。一次场和二次场的关系如图3所示。

在瞬变电磁测量系统中，要测量的是一次场关断后产生的二次场，由于地面发射机、空中接受机、地面接收机他们之间没有电气线相连接，在时刻上必须保持严格的时间关系(一般要求＜1uS)，为此必须设计相应的同步控制信号。通过同步信号，告诉发射机什么时候发射、什么时候关断发射；告诉接收机什么时刻接受信号、什么时候关闭接收。

由于二次场信号是一个非常复杂的信号，它与一次场有指数衰减关系，也和地质体的电磁特性有关，只有同一时刻测量的数据才能够进行比较和处理。如何保证每个接收机在同一时刻接收二次场，不同的接收机之间接收的信号幅度量值可以对比，因此需要一种特别的信号源来对接收机进行调试和校正。

综上所述需要解决的问题如下：

1.接收机接收时刻确定：发射和接收分离，与发射、空中和地面接收机要同一时刻动作；

2.接收信号的可比性：由于二次场信号是瞬变和复杂的，不同接收机之间对信号响应应该一致；

3.在仪器的生产时，如何对仪器进行调试和测试。

1.2现有技术介绍：

现在为了解决接收信号的可比性，一般采用标准的信号源来调试和校准，比如函数发生器对仪器进行校正，对接收机的带宽、频率和幅度响应进行调试。以期待达到同样的响应。这样调试工作量大，并不能够保证所有的频段和幅度都调试到，只能分别分时对一次场信号和二次场信号调试，这与实际的信号差异大，因而在实际应用中测量的数据可比性差。

函数发生器是没有同步信号的，不能够进行关断时二次场的测量和校正，为了解决接收机接收时刻的确定问题，调试时一般要在外面附加电路来对信号源进行处理，使它能够产生同步信号和产生二次场信号。在调试仪器的一致性时，必须所有的设备针对同一个信号源才能够保证采集时刻和幅度的校准，因此给调试带来极大不便。

1.3现有技术的缺陷：

1.调试工作量大，并不能够保证所有的频段和幅度都调试到；

2.标准的信号源不能解决接收机接收时刻的确定问题；

3.不能够同时产生一次场和二次场信号，与实际的信号差异大，在实际应用中数据的可比性差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法，能够有效的解决接收机生产和调试中调试工作量大，不能够同时产生一次场和二次场信号，与实际的信号差异大，在实际应用中数据的可比性差，不能很好解决接收机接收时刻的确定等问题。

为解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，包括单片机单元、同步控制单元、信号极性转换单元、输入单元和输出单元；发射信号的频率、幅度，以及下降沿的函数参数信号经输入单元进入单片机单元，当同步信号来时，同步控制单元启动极性转换单元的H桥电路的模拟开关，确定输出信号的极性，再由单片机单元计算出产生一个波形的数据和间隔时间，按照输出时间间隔t生成一个数据表，最后单片机单元按照时间间隔t将波形数据输出到DAC转换单元中，DAC转换单元经过放大电路输出信号波形，在同步信号的上升沿时输出方波的最大值，当同步信号下降源开始时刻，输出生成一个数据表的波形数据；

同步控制单元：采用GPS的PPS秒信号和恒温晶体作为基本时钟，采用CPLD和语言编程对基本时钟进行分频，产生系统秒信号；

信号极性转换单元：采用模拟开关组成H桥电路，进行极性的换向；

单片机单元：采用C8051F020芯片，用于完成输出信号的频率、幅度的设置，波形数据产生和输出驱动；

GPS：用于接受GPS卫星信号，输出秒信号PPS。

作为优选，输入单元采用键盘。

作为优选，显示单元采用LCD显示器。

作为优选，DAC转换单元采用12位DAC转换器，输出信号为电压信号。

作为优选，还包括电池组单元，与单片机单元连通。

为解决以上问题，本发明还采用了如下技术方案：一种产生同步瞬变电磁信号源的方法，包括以下步骤：

通过输入单元向单片机单元输入发射信号的频率、幅度，以及下降沿的函数参数，由单片机单元计算出产生一个波形的数据和间隔时间，按照输出时间间隔t生成一个数据表，当同步信号来时，通过同步控制器单元启动极性转换单元的H桥电路的模拟开关，确定输出信号的极性，然后单片机单元按照时间间隔t将波形数据输出到DAC转换单元中，DAC转换单元中经过放大电路输出信号波形，在同步信号的上升沿时输出方波的最大值，当同步信号下降源开始时刻，输出生成一个数据表的波形数据。

作为优选，下降沿的函数参数：Y＝I*e^x (1)；

式中：Y为输出信号的幅度值，即DAC输出电压；

I为输出信号的最大值，即方波的幅度；

X为时间，以方波下降时刻为0，为每个波形二次场信号的时刻开始。

作为优选，所述时间间隔t为2uS。

本发明的有益效果如下：本发明采用GPS技术和高精度数模转换器(12位DAC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、恒温晶振，单片机(C8051F020)完成产生同步瞬变电磁信号源的系统和方法设计，其特点如下：

1.产生的信号和发射机的一次场时间同步，PPS信号正常时，发射一次场同步精度＜1uS，PPS信号不正常时，1小时同步精度＜10uS；

2.可以模拟瞬变电磁信号，包括一次场和二次场信号；

3.解决在仪器的生产时，对仪器进行调试和校正；

4.信号频率和幅度数字可自由设置，发射频率可以设置在0.01-200Hz，信号幅度可设置在3-1000mV。

附图说明

图1为单台沿圆形测线逐点测量示意图；

图2为多台沿圆形测线逐点测量示意图；

图3为一次场和二次场的时间关系示意图；

图4为单个信号示意图(负半周为镜像对称，信号上升沿为方波，下降沿为指数衰减)；

图5为系统组成结构示意图；

图6为同步信号发生器结构示意图；

图7为信号极性转换电路采用模拟开关组成的H桥电路示意图；

图8为PPS提取电路图；

图9为5Hz在1秒内的方波信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，如图5所示，包括单片机单元，单片机单元受同步控制单元驱动DAC转换单元和信号极性转换单元，单片机单元还包括输入单元和输出单元，同步控制电路采用GPS的PPS秒信号和恒温晶体作为基本时钟，采用CPLD和语言编程对基本时钟进行分频，产生系统秒信号。

GPS：用于接受GPS卫星信号，输出秒信号PPS。

PPS信号就是每秒脉冲数，在GPS中，GPS秒脉冲信号PPS一秒钟产生一个，其作用是指示整秒的时刻，而该时刻通常是用PPS秒脉冲的上升沿来标示。GPS能给出UTC时间，但用户收到时会有延时，为了精确授时，引入PPS信号上升沿来标示UTC的整秒时刻，精度很高可以到纳秒级，并且没有累积误差，PPS提取电路如图8所示。

同步控制单元：

同步控制单元包含同步控制电路，由于半航空瞬变电磁勘查系统是采用“地面发射、空中接收”方式的瞬变电磁观测系统，而地面发射和空中接受必须遵循严格的时序，并且要保证一定的时间精度，因此设计了同步控制电路，如图6所示。

同步控制电路采用GPS的PPS秒信号和恒温晶体作为基本时钟，采用CPLD和Verlog语言编程对系统的基本时钟进行分频，产生系统秒信号，通过该秒信号对时间进行秒分割，将每秒的时序分为和频率相等的时段，根据这个时段，由单片机和同步控制电路按照要求的频率和发射波形进行频率输出控制。由于产生同步的发射控制信号、监控采样控制信号和地面阵列接收机接收采样控制信号，因此本系统产生的信号和发射信号在时刻上是同步的，只是幅度不一样，图9为5Hz在1秒内的方波信号示意图。

系统产生的同步信号在GPS输出PPS信号时可用达到1uS以内，并且不会随时间的增加产生累积误差，当GPS丢失卫星(接收卫星数小于3颗时)，即没有PPS信号时，系统以恒温晶体作为系统的基本时钟产生秒控制信号，在1小时内同步精度可以达到10uS以内。

信号极性转换单元：

信号极性转换单元采用模拟开关组成H桥电路，进行极性的换向，其电路如图7所示。

H桥驱动信号由同步控制单元产生信号，其切换频率与发射机、接收机的频率和时序保持一致。

单片机单元：

单片机单元采用C8051F020芯片，用于完成输出信号的频率、幅度的设置，波形数据产生和输出驱动。

输入单元本实施例中采用键盘，显示单元采用LCD显示器，DAC转换单元采用12位DAC转换器，三者均为现有常规技术，不再详细介绍，另外还可以增加电池组单元。

实施例2：

一种产生同步瞬变电磁信号源的方法，包括以下步骤：

通过键盘向单片机单元输入发射信号的频率(f)、幅度(I)，以及下降沿的函数参数：Y＝I*e^x (1)；

式中：Y为输出信号的幅度值(DAC输出电压)；

I为输出信号的最大值(方波的幅度)；

X为时间(以方波下降时刻为0，为每个波形二次场信号的时刻开始)；

根据上面参数，由单片机单元根据公式(1)，计算出产生一个波形的数据和间隔时间，按照输出时间间隔为2uS生成一个数据表，当同步信号来时，通过同步控制器单元启动极性转换单元的H桥电路的模拟开关，确定输出信号的极性，然后单片机单元按照时间间隔(2uS)将波形数据输出到DAC转换单元中，DAC转换单元中经过放大电路输出信号波形。在同步信号的上升沿时输出方波的最大值，当同步信号下降源开始时刻，输出生成一个数据表的波形数据。于是在信号输出端就可以输出如图3所示的二次场信号。DAC转换单元采用12位DAC转换器，输出时间间隔为2uS，输出信号为电压信号。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，其特征在于，包括单片机单元、同步控制单元、信号极性转换单元、输入单元和输出单元；发射信号的频率、幅度，以及下降沿的函数参数信号经输入单元进入单片机单元，当同步信号来时，同步控制单元启动极性转换单元的H桥电路的模拟开关，确定输出信号的极性，再由单片机单元计算出产生一个波形的数据和间隔时间，按照输出时间间隔t生成一个数据表，最后单片机单元按照时间间隔t将波形数据输出到DAC转换单元中，DAC转换单元经过放大电路输出信号波形,在同步信号的上升沿时输出方波的最大值，当同步信号下降沿开始时刻，输出生成一个数据表的波形数据；

同步控制单元：采用GPS的PPS秒信号和恒温晶体作为基本时钟，采用CPLD和Verlog语言编程对基本时钟进行分频，产生系统秒信号；

信号极性转换单元：采用模拟开关组成H桥电路，进行极性的换向；

单片机单元：采用C8051F020芯片，用于完成输出信号的频率、幅度的设置，波形数据产生和输出驱动；

GPS：用于接受GPS卫星信号，输出秒信号PPS；

下降沿的函数参数：Y＝I*e^x (1)；

式中：Y为输出信号的幅度值，即DAC输出电压；

I为输出信号的最大值，即方波的幅度；

X为时间，以方波下降时刻为0，为每个波形二次场信号的时刻开始。

2.根据权利要求1所述的一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，其特征在于，输入单元采用键盘。

3.根据权利要求1或2所述的一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，其特征在于，显示单元采用LCD显示器。

4.根据权利要求3所述的一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，其特征在于，DAC转换单元采用12位DAC转换器,输出信号为电压信号。

5.根据权利要求1或2所述的一种产生同步瞬变电磁信号源的系统，其特征在于，还包括电池组单元，与单片机单元连通。

6.一种产生同步瞬变电磁信号源的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过输入单元向单片机单元输入发射信号的频率、幅度，以及下降沿的函数参数，由单片机单元计算出产生一个波形的数据和间隔时间，按照输出时间间隔t生成一个数据表，当同步信号来时，通过同步控制器单元启动极性转换单元的H桥电路的模拟开关，确定输出信号的极性，然后单片机单元按照时间间隔t将波形数据输出到DAC转换单元中，DAC转换单元中经过放大电路输出信号波形,在同步信号的上升沿时输出方波的最大值，当同步信号下降沿开始时刻，输出生成一个数据表的波形数据；下降沿的函数参数：

Y＝I*e^x (1)；

式中：Y为输出信号的幅度值，即DAC输出电压；

I为输出信号的最大值，即方波的幅度；

X为时间，以方波下降时刻为0，为每个波形二次场信号的时刻开始。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述时间间隔t为2uS。