CN107797150A - 一种瞬变电磁仪接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种瞬变电磁仪接收机，包括可变增益前置放大电路和主控电路。可变增益前置放大电路由三级运放组成，第一级采用仪表放大器，被设置为固定增益倍数，第二级使用压控放大，被设置为增益可调，第三级被设为单端转差分放大器；第一级的仪表放大器的输出连接第二级的压控放大的输入端，第二级的压控放大的输出端连接第三级单端转差分放大器的输入端；主控电路的核心由FPGA与ARM组成，还包括GPS模块、DS3231时钟模块、WiFi模块、USB接口和触摸屏。接收线圈接收信号作为可变增益前置放大电路的输入，可变增益前置放大电路的输出连接到主控电路。本发明能够解决目前的电磁勘探仪器的勘测精度不高、信噪比较低的技术缺陷，可广泛应用于电法勘探领域中。

Description

一种瞬变电磁仪接收机

技术领域

本发明涉及电法勘探领域，尤其涉及瞬变电磁法方面，更具体地说，涉及一种瞬变电磁仪接收机。

背景技术

电法勘探是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质(如导电性、导磁性、介电性)和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。因为地壳是由不同的岩石、矿体和各种地质构造所组成，它们具有不同的导电性、导磁性、介电性和电化学性质。所以根据这些性质及其空间分布规律和时间特性，人们可以推断矿体或地质构造的赋存状态(形状、大小、位置、产状和埋藏深度)和物性参数等，从而达到勘探的目的。

瞬变电磁法是利用不接地或接地线源向地下发送一次场，一次场的作用是使地下物质产生极化效应，受到激发的地下物质，会自发产生一个二次场，二次场信号向地上传播的过程中，通过接收线框接收并采集这一信号，根据二次场信号的衰减曲线特征，就可以判断地下不同深度地质体的电性特征及规模大小等。

在早期信号中，二次场受到一次场的影响大，国内外很多仪器都有延迟时间(关断时间)这一参数，目的是丢弃该时间段内的数据，这导致探测存在一定的超浅层盲区，盲区从地表开始向地下0～50米，这段时间内(0～10us)所采集的数据无效。关断时间内二次场持续受到一次场的影响，是不可避免的，关断时间是影响探测深度与分辨率的关键因素，一方面，需要提高硬件设备的性能，对电子元器件做精细的考虑，通过对数据处理的方法也能尽可能减小关断时间所带来的影响。传感器的好坏也会影响，接收线圈传感器基于电磁感应原理接收周围空间的磁场信号，并转化为感应电动势信号。

本发明中的一方面，由于接收线圈自身的电阻、寄生电容与电感，而存在线圈自身的谐振频率，线圈输出信号在临近谐振频率时发生畸变，并联匹配电阻可以抑制线圈谐振频率，扩展线圈频率线性响应范围。瞬变电磁勘探存在的浅部盲区主要是因为有这个过渡过程，通常的做法并没有考虑这一差异，直接对实际测得的数据进行反演，这样才导致了勘测精度的下降。另一方面，由于瞬变电磁信法的探测深度主要由信号衰减进入噪声区的时间决定，传感器的噪声越低，瞬变电磁信号后进入噪声区的时刻越晚，越能增大探测深度，仪表运放的同相输入端和反向输入端分别接至内部的两个运放的输入端，再经第三级运放后输出，这种结构采用了经典的差分电路，信噪比极高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前的电磁勘探仪器的勘测精度不高、信噪比较低的技术缺陷，提供了一种瞬变电磁仪接收机来解决上述缺陷。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种瞬变电磁仪接收机，其特征在于，包括用于将接收线圈接收到的二次场信号进行放大，并分离出噪声中的有用信号的可变增益前置放大电路和主控电路：

可变增益前置放大电路由三级运放组成，第一级采用仪表放大器AD8421，被设置为固定增益倍数，第二级使用压控放大VCA810，被设置为增益可调，第三级被设为单端转差分放大器。

给所述三级运放供电的负电源由负电荷泵转换芯片LM2662实现，压控放大VCA810对应的可调端由数模转换器DAC8043实现，采用数字电位器AD8400与普通电位器相结合的方式对直流偏量进行调零处理，以抵消整个三级运放处理后信号的直流偏移，所述可调端是指连接于压控放大VCA810的同向输入端与输出端之间电路。

所述三级运放的连接关系是：输入的差分信号源连接至第一级仪表放大器AD8421的差分输入引脚1和4，第一级运放的7号输出引脚经过一个低通滤波器连接至第二级压控放大VCA810的1号输入引脚，第二级压控放大VCA810的5号输出引脚连接至第三级单端转差分放大器ADA4895的4号输入引脚，第三级单端转差分放大器ADA4895的1号输出引脚经过一个低通滤波器连接至一个单端转差分放大器ADA4922的8号输入引脚，最后所述单端转差分放大器的4、5号输出引脚经过一个低通滤波器输出信号。

所述主控电路包括用于对经过所述可变增益前置放大电路处理后的信号进行采集，并通过同步采集、叠加消噪技术提高信号的信噪比FPGA与ARM。

进一步的，还包括用于测量当前测量区域的地理位置的GPS模块，连接至所述主控电路。

进一步的，还包括用于记录当前时间的DS3231时钟模块，连接至所述主控电路。

进一步的，还包括用于与发射机通信的WiFi模块，连接至所述主控电路。

进一步的，还包括用于连接外接存储设备以进行数据存储的USB接口，连接至所述主控电路。

进一步的，还包括用于人机交互的触摸屏，连接至所述主控电路以进行AD7760的采样率、采样时间、叠加次数、前置放大倍数的设置。

进一步的，ARM用于通过usart功能控制所述WiFi模块传输数据，所述WiFi模块可与发射机上的WiFi模块传输数据，实现发射机与接收机的数据传输；还通过usart功能与所述触摸屏通信，完成人机交互功能；ARM还用于控制连接至USB接口的存储设备的数据的写入，将采集到的数据存储至存储设备。

进一步的，所述主控电路还具有一AD采集模块，FPGA用于将AD采集模块采集的数据暂存在FPGA的内部RAM中，当整个采集过程结束后，再将该数据传送至ARM，由ARM控制USB接口将该数据写入连接至USB接口的存储设备。

本发明提供了一种瞬变电磁仪接收机，包括可变增益前置放大电路和主控电路。可变增益前置放大电路由三级运放组成，第一级采用仪表放大器，被设置为固定增益倍数，第二级使用压控放大，被设置为增益可调，第三级被设为单端转差分放大器；第一级的仪表放大器的输出连接第二级的压控放大的输入端，第二级的压控放大的输出端连接第三级单端转差分放大器的输入端；主控电路的核心由FPGA与ARM组成，还包括GPS模块、DS3231时钟模块、WiFi模块、USB接口和触摸屏。接收线圈接收信号作为可变增益前置放大电路的输入，可变增益前置放大电路的输出连接到主控电路。本发明能够解决目前的电磁勘探仪器的勘测精度不高、信噪比较低的技术缺陷，可广泛应用于电法勘探领域中。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的一种瞬变电磁仪接收机结构图；

图2是本发明的可变增益前置放大整体电路图；

图3是本发明的可变增益前置放大三级运放电路图；

图4是本发明的瞬变电磁仪工作连接示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的一种瞬变电磁接收机的组成结构如图1所示，该瞬变电磁接收机采用外界电源进行供电，外接电源电压大小为8.4V，接收线圈接收发射机发送的信号，该信号作为可变增益前置放大电路的输入，可变增益前置放大电路的输出端连接到主控电路的输入端，瞬变电磁接收机还包括用于测量当前测量区域的地理位置的GPS模块、用于记录当前时间的DS3231时钟模块、用于与发射机通信的WiFi模块、用于连接外接存储设备以进行数据存储的USB接口和用于人机交互的触摸屏，它们分别与主控电路连接。

同时参见图2和图3，可变增益前置放大电路由三级运放组成，第一级采用仪表放大器AD8421，可设置固定增益倍数，第二级使用压控放大VCA810，可调增益±40dB，第三级使用单端转差分放大器；第一级将差分信号转为单端信号，固定放大1倍或10倍，第二级放大-100倍到﹢100倍实时可调，第三级固定反向放大10倍，最后将单端信号转为差分信号输出。三级运放中的每个运放使用±5V电源供电，负电源由负电荷泵转换芯片LM2662实现，压控运放的可调端由数模转换器DAC8043实现，为了尽可能抵消整个运放带来的直流偏移，采用数字电位器AD8400与普通电位器相结合的方式对直流偏量进行调零处理。

上述三级运放的连接关系是：输入的信号源连接至第一级运放AD8421的差分输入引脚1和4，第一级运放的7号输出引脚经过一个低通滤波器连接至第二级运放VCA810的1号输入引脚，第二级运放的5号输出引脚连接至第三级运放ADA4895的4号输入引脚，第三级运放的1号输出引脚经过一个低通滤波器连接至一个单端转差分放大器ADA4922的8号输入引脚，最后所述单端转差分放大器的4、5号输出引脚经过一个低通滤波器输出信号。

1处为信号输入，1处为第一级仪表运放AD8421，将输入的差分信号放大并转为单端信号。通过改变R2可以改变放大倍数，实际中一般悬空表示不放大，接1.1K电阻，表示放大10倍。信号通过7号引脚输出；

2处通过一阶RC低通滤波器将信号进行滤波，滤除30Khz以上的信号；

3处为压控放大器，它的放大倍数可以通过控制3号引脚的电压(0～-2V对应-40～+40dB)来调整，它具有额外的调零端(8号引脚)；

4处为反向放大器，继续将信号反向放大10倍；

5处通过一阶RC低通滤波器将信号进行滤波，滤除30Khz以上的信号；

6处为单端转差分信号，将信号由单端信号转为差分信号；

7处为一阶差分信号低通滤波器，滤除30Khz以上的信号；

8处为一个14引脚的排座，集中了可变增益前置放大电路模块需要与外部连接的输入输出引脚；

9处控制3处运放的零点偏移，它的输出端接压控放大器的调零端。它有数字电位器AD8400和手调电位器并联连接后，再通过一级电压跟随器将信号输出，手调电位器是通过手动调整电位器旋钮实现调零，数字电位器是通过FPGA的控制来实现程控调零；

10处控制3处的放大倍数，它由一级数模转换器DAC8043和一级运放组成，DAC8043受到FPGA的控制，根据不同的控制指令，10处输出0～-2V的电压控制3处的3号引脚，从而改变3处运放的放大倍数；

11处是整个前置放大板的正极电源；

12处表示的是该模块模拟地与数字地的连接引脚，模拟地信号线通过这一点与数字地相连，从而尽可能减小数字电路对模拟电路的干扰；

13处给10处的模数转换器提供参考电压源；

14处给9处提供电源，保证稳定的偏移量；

15处是整个前置放大板的负级电源。

主控电路中，FPGA与ARM组成逻辑控制的核心，外接触摸屏，通过用户按下触摸屏上的指定按键，实现人机交互的功能。WiFi模块，实现与接收机的通信，接收机向发射机发送启动采集命令后，发射机通过无线接收这一命令，同时接收机处于等待状态，等待发射机发出的同步应答信号，一旦接收机收到同步应答信号，则接收机启动采集。FPGA的主要作用是产生6路PWM信号，驱动脉冲发生电路的6个MOS的开关完成脉冲电流发射功能。主控电路上还有一个电流传感器，它用来采集发射电流的波形，电流传感器将电流信号转化为电压信号，通过FPGA控制ADS805模数转换器实现对这一电压信号的采集，就等效于采集到了电流信号，并可通过触摸屏的绘图功能，将电流波形显示在屏幕上。

ARM的型号是STM32，它通过usart功能，控制串口转WiFi模块HLK-RM04与接收机的同款WiFi进行无线数据通信，与串口触摸屏通信，进行人机交互。主要完成以下功能：

1.接收机将电流脉冲的个数发送至发射机，发射机收到该数据后，就发出指定数量的双极性脉冲电流，以便于多次采集，叠加消噪。在每个电流关闭的瞬间，接收机的接收线圈上将感应到二次场信号，发射机通过FPGA发出同步信号，接收机在每个同步信号到的时刻，对二次场信号进行采集，所以可以设置不同的双极性脉冲电流个数，进行多次采集；

2.发射机在完成脉冲电流发射后，就将电流传感器所采集的电流波形数据发送至接收机，接收机将该数据存储至存储设备，发射机没有数据存储功能。

3.串口触摸屏也是通过usart功能来实现人机交互，STM32向触摸屏发送不同的指令，触摸屏上就会有对应的相应，比如显示数字、汉字、曲线等，电流传感器所采集到的脉冲电流波形则显示在屏幕上，当前的脉冲电流波形占空比、频率等信息也显示在屏幕上。每当按下触摸按键，STM32就会收到不同的指令，STM32根据这些不同的指令就会做出不同的相应，比如通过触摸按键对占空比、频率等进行设置，对曲线进行缩放等。

FPGA的型号是EP3C16E144C8，它控制ADS805对电流波形进行采集，采集完的数据暂存在FPGA内部的RAM中，待整个采集过程结束后，FPGA将该波形数据发送至STM32，STM32再通过usart发送至WiFi模块，则接收机就会收到该数据。

脉冲电流的产生是通过控制6个MOS管(Q1-Q6)的开关而产生(见2_脉冲发生电路原理图)，通过FPGA产生6路不通的PWM波来控制，PWM波的频率、占空比则由STM32根据人机界面的操作指令来设置。

如图4所示，仪器在野外工作时，将发射线框与发射机连接，接收线框与接收机连接。发射机和接收机通过WiFi模块进行无线通信，通过同步电缆启动采集。发射机与接收机的数据通信是通过WiFi信号，但启动采集是另外单独的一根线称为同步电缆。在脉冲电流关断的瞬间，接收线圈上感应到的二次场信号的幅度衰减很快，不到1毫秒它就衰减的足够小了，为了精确采集到这个信号，则在脉冲电流关断的瞬间，发射机也必须向接收机输出一个采集开始信号称之为同步信号，这个信号必须与脉冲电流关断的时刻同步。使用WiFi所产生的延迟已经足够大了(WiFi的传输以及相关指令的处理所带来的延迟至少有几十毫秒)，就算使用WiFi发出采集开始信号，等接收机收到此信号，二次场信号早已经消失。

开始采集前，一般需要经过以下操作：

1.通过发射机的触摸屏，选择方波种类(正常方波、伪随机方波)，设置方波频率，设置方波占空比。

2.通过发射机的电流调节旋钮，调节发射电流大小。点击“实时电流”，可查看当前发射电流，若未达到要求电流，则继续转动旋钮，直至电流达到要求。电流一般会有过冲振荡，通过调节“匹配电阻”旋钮，直至电流波形上没有过冲振荡。

3.接收机配置三个通道的相关参数，根据屏幕上的相应按键指示，可设置采样率(2.5MHz、1.25MHz、625KHz、312.5KHz、156.25KHz)，设置叠加次数(1-1024次)，选择前置放大倍数(1～1000倍)，选择采样时间(200us～10ms)。

4.点击“启动”，则接收机开始按照设置好的参数对二次场信号进行采集。用户进入等待时间，等待时长由叠加次数决定。

5.等待采集完毕之后，用户点击“数据查询”，查看当前二次场波形，用户点击“数据存储”，接收机将数据存储至存储设备。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种瞬变电磁仪接收机，其特征在于，包括用于将接收线圈接收到的二次场信号进行放大，并分离出噪声中的有用信号的可变增益前置放大电路和主控电路：

可变增益前置放大电路由三级运放组成，第一级采用仪表放大器AD8421，被设置为固定增益倍数，第二级使用压控放大VCA810，被设置为增益可调，第三级被设为单端转差分放大器；

给所述三级运放供电的负电源由负电荷泵转换芯片LM2662实现，压控放大VCA810对应的可调端由数模转换器DAC8043实现，采用数字电位器AD8400与普通电位器相结合的方式对直流偏量进行调零处理，以抵消整个三级运放处理后信号的直流偏移，所述可调端是指连接于压控放大VCA810的同向输入端与输出端之间电路；

所述三级运放的连接关系是：输入的差分信号源连接至第一级仪表放大器AD8421的差分输入引脚1和4，第一级运放的7号输出引脚经过一个低通滤波器连接至第二级压控放大VCA810的1号输入引脚，第二级压控放大VCA810的5号输出引脚连接至第三级单端转差分放大器ADA4895的4号输入引脚，第三级单端转差分放大器ADA4895的1号输出引脚经过一个低通滤波器连接至一个单端转差分放大器ADA4922的8号输入引脚，最后所述单端转差分放大器的4、5号输出引脚经过一个低通滤波器输出信号；

所述主控电路包括用于对经过所述可变增益前置放大电路处理后的信号进行采集，并通过同步采集、叠加消噪技术提高信号的信噪比FPGA与ARM。

2.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，还包括用于测量当前测量区域的地理位置的GPS模块，连接至所述主控电路。

3.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，还包括用于记录当前时间的DS3231时钟模块，连接至所述主控电路。

4.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，还包括用于与发射机通信的WiFi模块，连接至所述主控电路。

5.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，还包括用于连接外接存储设备以进行数据存储的USB接口，连接至所述主控电路。

6.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，还包括用于人机交互的触摸屏，连接至所述主控电路以进行AD7760的采样率、采样时间、叠加次数、前置放大倍数的设置。

7.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，ARM用于通过usart功能控制所述WiFi模块传输数据，所述WiFi模块可与发射机上的WiFi模块传输数据，实现发射机与接收机的数据传输；还通过usart功能与所述触摸屏通信，完成人机交互功能；ARM还用于控制连接至USB接口的存储设备的数据的写入，将采集到的数据存储至存储设备。

8.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪接收机，其特征在于，所述主控电路还具有一AD采集模块，FPGA用于将AD采集模块采集的数据暂存在FPGA的内部RAM中，当整个采集过程结束后，再将该数据传送至ARM，由ARM控制USB接口将该数据写入连接至USB接口的存储设备。