CN105785451A - 浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。本发明电路简单，体积较小；在浅地表频域电磁探测接收系统领域首次采用FPGA+DSP的架构，与吉林大学的宽频电磁探测设备的FPGA+单片机的架构相比大幅加快了数据传输速率；数据处理设备由上位机变成了DSP，解决了上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高的缺点；提出了高效的数据处理算法，简单有效，操作性强。数据处理方法简便，缩短了处理时间，提高了工作效率，可用于一定深度金属异常体的浅地表电磁探测。

Description

浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种地球物理探测中的电磁探测接收装置及数据处理方法，尤其是浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法。

背景技术

城市建设中，浅地表常常架设有重要的管线、电缆，军事上还会存在未爆炸物和金属危险品等，所以对浅地表结构的掌握和评估尤为重要。浅地表电磁探测是解决城市施工建设，工程地质调查，军事探测中常常出现误破坏和安全隐患的重要方法，具有便捷、高效、安全的特点。它主要分为三种探测方法：探地雷达，时间域电磁法，频率域电磁法。探地雷达探测频率高，但遇到地表凸起部分容易产生偏差；时间域电磁法发射脉冲消散时间与接收采集时间容易重叠，前期一次场信号干扰明显；频率域电磁法探测频率范围宽，一次操作中可对地下不同深度信息进行采集和显示，其采集周期和时间可控，因此频域电磁探测成为首选。浅地表频域电磁探测系统由发射系统和接收系统组成，其原理是发射线圈由发射系统的功率电路供给电流产生足够发射磁矩建立一次场，接收系统采集地下异常体产生的二次场，获得地下介质的电磁特性。由于对提取有效信息，现场高效数据处理和缩短探测时间的要求，所以，研究一款浅地表频域电磁探测接收系统具有很大的应用价值。

现在比较著名的产品有美国Geophex公司的GEM系列频域电磁探测仪，其接收系统架构为下位机与上位机分离式结构，探测数据需要存储在机器上，探测完成后传到计算机进行分析显示，造成探测信息无法及时处理和显示，探测效率较低，不适合要求实时结果处理显示的场合。而国内在浅地表探测领域尚处于研究初期，吉林大学研制了一款宽频电磁探测设备，其接收系统架构为FPGA+单片机，其中FPGA负责数据采集，单片机负责数据传输，上位机进行数据处理和结果显示，存在数据传输速度较慢，上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高等缺点，亟待改善。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术存在的数据传输速度慢，上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高等问题，提供一种浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法，

本发明是通过设计低噪声的模拟调理电路，FPGA采集传输方案，DSP高效率数据处理方案和友好交互的上位机控制软件来实现浅地表频域电磁探测采集结果的有效提取，快速传输和现场高效处理，缩短系统工作时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

浅地表频域电磁探测接收系统，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。

五通道模拟调理电路中的任一个通道是由一路无源滤波经前置放大、带通滤波、仪表放大和差分驱动分别连接ADC、磁偶隔离和FPGA构成。

FPGA是由数据转换连接FIFO，数据转换经同步协调电路与FIFO连接，译码电路经同步协调电路和发射控制与发射桥路连接构成。

浅地表频域电磁探测接收系统的数据处理方法，包括以下步骤：

a、开始，初始化；

b、提取正交参考信号表；

c、标定参数设置，标定模式包括：通道相位标定，背景场标定，土壤相位标定；

d、标定采集；

e、存储标定数据；

f、正交锁定放大计算I₁、Q₁，I₂、Q₂，I₃、Q₃；

g、计算各频点各通道相位，保存I₂、Q₂为背景场数据，计算土壤相位；

h、更新正交参考信号表，保存土壤相位信息；

i、结束。

采集模式包括以下步骤：

A、采集参数设置；

B、开始采集；

C、存储采集数据；

D、正交锁定发达计算I₄、Q₄；

E、矿化反应抑制；

F、网口传输最终I、Q结果；

G、结束。

有益效果：本发明电路简单，体积较小；在浅地表频域电磁探测接收系统领域首次采用FPGA+DSP的架构，与吉林大学的宽频电磁探测设备的FPGA+单片机的架构相比大幅加快了数据传输速率；数据处理设备由上位机变成了DSP，解决了上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高的缺点；提出了高效的数据处理算法，简单有效，操作性强。数据处理方法简便，缩短了处理时间，提高了工作效率，可用于一定深度金属异常体的浅地表电磁探测。

附图说明

图1浅地表频域电磁探测接收系统结构框图

图2为附图1中五通道模拟调理电路中的两个通道结构框图

图3FPGA内部结构框图

图4大数据传输结构框图

图5DSP接收模式下单倍数据率UPP通道信号时序图

图6上位机显示界面

图7DSP数据处理流程图

图8矿化反应抑制原理图

图9无异常情况和几种生活常见金属I、Q分量曲线图

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具体说明：

浅地表频域电磁探测接收系统，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。

五通道模拟调理电路中的任一个通道是由两路无源滤波经前置放大、带通滤波、仪表放大和差分驱动分别连接ADC、磁偶隔离和FPGA构成。

FPGA是由数据转换连接FIFO，数据转换经同步协调电路与FIFO连接，译码电路经同步协调电路和发射控制与发射桥路连接构成。

浅地表频域电磁探测接收系统，它包括低噪声模拟调理单元、FPGA+DSP数字处理单元、上位机控制显示单元和电源单元。其结构框图如图1所示，它们之间的位置连接关系及信号走向是：FPGA内部发射控制模块产生多频数字驱动信号驱动发射电路在发射线圈中建立一次场，经过地下目标体涡流反射二次场，接收线圈与其耦合产生接收系统输入信号。输入信号经过低噪声模拟调理单元完成噪声的滤除和信号的放大并进行模数转换，再经过FPGA+DSP架构的数字处理单元进行数字信号的提取、传输和算法处理，其中FPGA和DSP的数据传输采用新一代大数据传输总线UPP。上位机作为人机交互控制显示单元，负责采集控制和有效信息显示。RJ45网络接口作为数字处理单元和控制显示单元的主要数据通道，RS232串口作为调试和备用数据通道。电源单元与各单元连接，提供整个系统工作所需电压。

低噪声模拟调理单元共有5个通道，每个通道包括无源滤波模块、前置放大模块、带通滤波模块、仪表放大模块、差分驱动模块、ADC模数转换模块(一块AD包含两个通道)和磁偶隔离模块(一个磁偶对应一个AD)。如图2所示为低噪声模拟调理单元通道1和通道2的框图，其他3个通道与其相同。

接收的输入信号首先经过无源低通滤波器滤除射频噪声，然后采用低噪声的AD797构成前置放大器，实现宽频段低噪声放大。由于仪器的工作环境较为复杂，易受到电视广播，信号通讯等高频电磁干扰，所以设计100kHz的四阶巴特沃斯低通滤滤器与200Hz的四阶巴特沃斯高通滤波器相结合构成宽带带通滤波器，用于滤除带外噪声对信号的影响。程控放大器选用具有高共模抑制能力的仪表放大器LT1167，在不造成ADC饱和的条件下，利用匹配电阻尽可能选择较大放大倍数。

ADC采用美国ESS公司生产的32位ADC——ES9102A。ADC输入采用差分驱动输入以抑制电磁干扰和提高共模抑制能力。FPGA通过磁耦合芯片与模拟调理电路连接，控制AD的采集和数据传输，实现数字地和模拟地的隔离，降低公共阻抗引起的噪声。FPGA硬件平台采用ALTERA公司的EP3C40Q240I8N，

数据转换模块通过I²S总线和MCLK采样频率控制信号将ADC转换的数字信号进行提取，把串行数据转换为并行的32位数据，并提供给FIFO模块，同时产生转换结束信号给同步协调模块。译码电路模块的输入为来自DSP的8根控制信号总线,模块负责对不同控制编码进行译码，来实现上位机的具体功能，部分控制编码定义如表1所示。

表1部分控制编码定义

在浅地表频域电磁探测中，采集信号的相位信息是采集结果中非常重要的信息，发射系统和接收系统需要在操作者发出采集指令后同一时刻开始工作，因此具备同步功能的同步协调模块至关重要。当数据转换结束标志和控制采集信号都使能时，同步信号使能发射和FIFO同时进行工作。在需要几套系统同时工作时，可指定一套系统为主系统，其他系统为从系统，主系统的DSP通过拓展控制接口控制从系统的FPGA同步协调模块来使所有系统同步工作。发射控制模块根据控制总线设定的频率，在同步信号使能情况下与接收系统保持同步输出对应频率方波信号，驱动发射系统中的桥路工作。

FPGA与DSP之间的大数据传输方式如图4所示，包括UPP模块和FPGA内部FIFO模块两部分。UPP即通用并行接口，是美国德州仪器(TI)公司才推出的，UPP采用一个16位的数据通道，通过START/ENABLE/WAIT/CLOCK信号控制数据的传输和同步。一般使用UPP都是在FPGA里生成一个FIFO，DSP通过UPP接口连续的读取FIFO里的数据，当DSP的CPU频率为456MHz时，UPP时钟可以达到114MHz，使用上升沿下降沿均锁存数据的话传输速率可以达到228MB/s。

FIFO模块即先入先出队列，包括数据拆分模块、数据写入模块、存储模块和数据读取模块。由于UPP数据总线为16位，所以数据拆分模块负责在同步信号使能下，将32位采集数据拆分为高16位和低16位数据以方便传输，并给定每个16位数据包的写信号；数据写入模块采用状态机的方式在数据写信号上升沿到来时，读取16位数据，并按照给定数据存储地址写入存储模块中，当数据存储满时给读取模块FULL标志；存储模块利用QuartusII中MegaWizardPlug-InManager提供的双口RAM宏模块完成，存储整周期5个通道数据，RAM的深度设置为6kB，位宽为16位，RAM总大小为96kB；数据读取模块同样采用状态机方式在接收到FULL标志后，给定存储器数据地址，读取整个存储器的数据送到16位UPP数据总线并产生UPP控制信号START、ENABLE、CLOCK，DSP接收模式下单倍数据率的UPP通道信号时序如图5所示。

DSP平台采用美国德州仪器(TI)公司推出的TMS320C6748，DSP的CPU工作频率为456MHz，采用C语言在CCS中编写数据处理方法。

上位机控制显示单元采用C++语言在MicrosoftVisualStudio2010中通过MFC编写实现，如图6为上位机显示界面。控制功能主要包括检测设置、标定模式和正式采集模式三个功能。检测设置功能包括检测网络接口、标定参数设置和采集参数设置；标定模式功能包括通道相位标定、背景场标定和土壤相位标定；正式采集模式功能包括开始采集和停止采集。显示功能通过OCX绘图软件TeeChart实时描绘5个通道3个频点的I、Q曲线图，也可根据实际情况设置显示通道数目和频点个数。

电源单元提供整个系统的工作电压。外界给浅地表频域电磁探测接收系统提供+24V直流电压，通过电源转换芯片将+24V电压转换为+12V、-12V、+5V、-5V、3.3V、2.5V、1.2V，来分别提供给低噪声模拟调理单元(+12V、-12V、+5V、-5V)和FPGA+DSP数字处理单元(+5V、3.3V、2.5V、1.2V)。

浅地表频域电磁探测接收系统的数据处理方法，DSP数据处理流程图如图7所示，包括以下步骤：

a、开始，初始化；

b、提取正交参考信号表；

c、标定参数设置，标定模式包括：通道相位标定，背景场标定，土壤相位标定；

d、标定采集；

e、存储标定数据；

f、正交锁定放大计算I₁、Q₁，I₂、Q₂，I₃、Q₃；

g、计算各频点各通道相位，保存I₂、Q₂为背景场数据，计算土壤相位；

h、更新正交参考信号表，保存土壤相位信息；

i、结束。

采集模式包括以下步骤：

A、采集参数设置；

B、开始采集；

C、存储采集数据；

D、正交锁定发达计算I₄、Q₄；

E、矿化反应抑制；

F、网口传输最终I、Q结果；

G、结束。

步骤一：DSP软件初始化及网络接口检测

系统设备加电开机后，系统自动把DSP外围电路中的FLASH中的程序加载到DSP中，初始化的目的主要是配置各个寄存器，包括中断寄存器、端口寄存器等，以保证DSP的正常运转。在上位机显示界面中点击“检测设置”下的“检测网络接口”按键，查看网络接口是否通畅，若是通畅则系统准备工作完成。

步骤二：提交正交参考信号表

正交锁定放大是频率域电磁法中重要的频率信息提取方法，其原理是已知发射频率，所以二次场的主要频率成分已知，使用同频率的正交参考信号对二次场信号进行I、Q分量的提取来获得异常体频率特性。所述系统的发射电路向发射线圈发送方波激励信号v_T，其傅里叶展开式如(1)式所示。

$v_T=\underset{k=1,3,5...}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{4A}{k\mathrm{\π}}sin\left(k\mathrm{\ω}t\right)---\left(1\right)$

地下异常体感应产生的二次场信号在接收端的感应电压为v_R，如式(2)所示。

$v_R=\underset{k=1,3,5...}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{Rk}sin(k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_{Rk})---\left(2\right)$

式中a_Rk表示第k次频率成份对应的幅度；θ_Rk表示相对于发射波形第k次频率成份的相移。

尽管DSP在浮点数乘加运算上速度很快，但是大量三角函数的运算依然会占用大量时间，并且所述系统中多次用到相同的正交参考信号，所以提出在DSP中提前构建正弦波正交参考信号表，包括同相分量v_I和正交分量v_Q，在正式采集过程中明显提高了系统运行速度，参考信号如式(3)、(4)所示。

式中a_IQ表示v_I和v_Q参考信号的幅度，f表示对应的发射频率，i表示每一个正弦离散值点，f_c表示ADC的采样频率，ψ表示通道相位。

步骤三：通道相位标定

在上位机显示界面中点击“检测设置”下的“标定参数设置”按键，通知DSP进行标定模式并设置相关标定参数，包括标定采集频率，各频率采集时间，所有频率的循环周期；然后在上位机显示界面中点击“标定模式”下的“通道相位标定”按键，系统开始标定采集，经过采集时间，存储标定数据到DSP中。使用基于正交锁定放大方法的子函数，子函数中采集到的数据经过相敏检测器和构造的LPF(低通滤波器)函数得到直流分量，然后所有离散点的乘积做和求平均即为所求的I₁、Q₁幅值；相敏检测器计算如下：感应电压v_R经过ADC的模数转换后，模拟量被数字离散化为v_R’，与参考信号对应每个离散值点相乘，如式(5)、(6)所示。

因为从二次场信号产生到模拟调理电路再到DSP产生了二次场相位延迟和模拟通道相位延迟θ，所以需要通过通道相位标定，使参考信号表中通道相位ψ为0，正交锁定放大得到I₁、Q₁，通过式(7)即可得到θ,得到通道相位后，更新参考信号表使ψ＝θ。结束通道相位标定。

${\mathrm{\θ}}_{R1}=\arctan \left(\frac{Q_1}{I_1}\right)---\left(7\right)$

步骤四：背景场标定

在上位机显示界面中点击“标定模式”下的“背景场标定”按键，系统开始标定采集，经过采集时间，存储标定数据到DSP中，使用基于正交锁定放大方法的子函数计算得到没有相位延迟的纯净背景场I₂、Q₂，结束背景场标定。

步骤五：土壤相位标定

由于探测系统工作时探测线圈贴近地表，土壤中矿物质也会感生二次场，这种效应被称为矿化反应。在正常工作时常常会在没有异常体出现时造成探测数据的假象，所以必须进行抑制。

取样探测区域土壤样本放在探测线圈下，在上位机显示界面中点击“标定模式”下的“土壤相位标定”按键，系统开始标定采集，经过采集时间，存储标定数据到DSP中，使用基于正交锁定放大方法的子函数计算得到I₃、Q₃，按照式(8)求取土壤相位α，保存土壤相位信息，结束土壤相位标定。

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{Q_3-Q_2}{I_3-I_2}\right)---\left(8\right)$

步骤六：正式采集模式

在上位机显示界面中点击“检测设置”下的“采集参数设置”按键，通知DSP进行正式采集模式并设置相关采集参数，包括正式采集频率，各频率采集时间，所有频率的循环周期；然后在上位机显示界面中点击“正式采集模式”下的“开始采集”按键，系统开始正式采集，经过采集时间，存储标定数据到DSP中，使用基于正交锁定放大方法的子函数计算得到I₄、Q₄。矿化反应抑制的原理如图8所示，通过坐标旋转的方法对矿化反应进行抑制，将得到的I₄、Q₄经过式(9)、(10)完成坐标旋转得到最终的结果I、Q并通过网口传送给上位机。

I＝(I₄-I₂)cosα+(Q₄-Q₂)sinα(9)

Q＝-(I₄-I₂)sinα+(Q₄-Q₂)cosα(10)

上位机接收到经过数据处理过的采集结果，如图6所示通过OCX绘图软件TeeChart实时描绘5个通道3个频点的I、Q曲线图，也可根据实际情况设置显示通道数目和频点个数。

浅地表频域电磁探测接收系统实验结果：

实验一：金属异常反应测试

在吉林大学野外环境测试室模拟野外探测环境进行金属异常反应测试，分别测试无金属异常体情况和几种质量为0.2g的生活常见金属样品：易拉罐拉环、1角硬币和铜箔，金属掩埋于沙土下1cm，探测线圈距离地表5cm，测试频点为2kHz-96kHz共20个频点，如图9(a)-(d)为探测结果的I、Q曲线。图9a为无金属异常体情况，图9b为易拉罐拉环，图9c为1角硬币，图9d为铜箔。从图9结果可以对比出不同金属样品频率曲线差异明显，证明所述系统对不同金属异常体有着较强的发现能力，为后续的辨识工作打下坚实基础。

实验二：金属探测灵敏度测试

下面对常见的钢珠进行灵敏度实验，均掩埋于沙土下1cm，探测距离为探测线圈距离地表距离。测试结果如表2所示。

表2金属探测灵敏度测试统计表

由表3可知当探测距离一定时，金属样品质量越大，探测效果越好，探得率越高；当金属样品质量一定时，探测距离越小，探测效果越好，探得率越高。

实验三：浅地表频域电磁探测接收系统主要优化特性对比

浅地表频域电磁探测接收系统主要是针对吉林大学研制的宽频电磁探测设备存在的数据传输速度较慢、上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高等缺点进行的升级优化，主要优化特性对比如表3所示。宽频电磁探测设备的数据传输速度为单片机向上位机的传输速度，所述系统数据传输速度为FPGA向DSP的传输速度。处理时间为开始采集到结果显示的时间，包括信号采集、传输和处理的时间。

由表3可知浅地表电磁探测FPGA+DSP的数据处理架构加快了数据传输速度，释放了大量上位机CPU资源，处理时间得到提升，提高了工作效率。

表3优化特性对比

Claims (5)

1.一种浅地表频域电磁探测接收系统，其特征在于，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。

2.按照权利要求1所述的浅地表频域电磁探测接收系统，其特征在于，五通道模拟调理电路中的任一个通道是由两路无源滤波经前置放大、带通滤波、仪表放大和差分驱动分别连接ADC、磁偶隔离和FPGA构成。

3.按照权利要求1所述的浅地表频域电磁探测接收系统，其特征在于，FPGA是由数据转换连接FIFO，数据转换经同步协调电路与FIFO连接，译码电路经同步协调电路和发射控制与发射桥路连接构成。

4.按照权利要求1所述的浅地表频域电磁探测接收系统的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、开始，初始化；

b、提取正交参考信号表；

c、标定参数设置，标定模式包括：通道相位标定，背景场标定，土壤相位标定；

d、标定采集；

e、存储标定数据；

f、正交锁定放大计算I₁、Q₁，I₂、Q₂，I₃、Q₃；

g、计算各频点各通道相位，保存I₂、Q₂为背景场数据，计算土壤相位；

h、更新正交参考信号表，保存土壤相位信息；

i、结束。

5.按照权利要求1所述的浅地表频域电磁探测接收系统的数据处理方法，其特征在于，采集模式包括以下步骤：

A、采集参数设置；

B、开始采集；

C、存储采集数据；

D、正交锁定放大计算I₄、Q₄；

E、矿化反应抑制；

F、网口传输最终I、Q结果；

G、结束。