CN108037539B - 一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器及测量方法，磁传感器中的低频感应线圈依次与第一前置放大器和第一AD模块相连构建成低频段信号采集系统后与中央处理器相连，中频感应线圈依次与第二前置放大器和第二AD模块相连构建成中频段信号采集系统后与中央处理器相连，高频感应线圈依次与第三前置放大器和第三AD模块相连构建成高频段信号采集系统后与中央处理器相连。方法为：步骤一、将工作参数读取到中央处理器的内存中；步骤二、控制相应频段的数据采集工作；步骤三、采集的数据利用SD卡下载到外围计算机系统中。有益效果：有助于提高放大器的性能；大大降低磁传感器的背景噪声。能够独立完成数据采集工作。

Description

一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁传感器及测量方法，特别涉及一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器及测量方法。

背景技术

大地电磁测深法(magnetotelluric sounding，MT)是以天然的平面电磁波作为场源，通过观测相互正交的电磁场分量来探测地下不同深度介质的导电性结构。由于该方法一种以天然交变电磁场为场源的电磁勘探法，而这种天然的交变电磁场信号具有频率低、信号弱等特点，这就对接收该信号的磁传感器技术性能提出非常高的要求，因此对MT仪器设备而言，磁传感器技术性能是影响大地电磁测深的一个重要因素。

目前在电测深领域中磁传感器最具有代表性的有加拿大凤凰公司生产的MTC-50以及德国Metronix公司生产的GMS-07e等，这些磁传感器输出均为模拟量信号，并没有实现数字化。这就导致MT野外采集数据时需要配合主机才能完成数据采集工作，由于数据采集过程比较长(一般地区采集到1秒周期的信号需要连续采集3天左右，电磁环境较复杂地区采集的时间会更长)，增加了野外工作人员的负担，同时磁传感器输出模拟信号在进入主机前，会受到连接电缆线中感应的电场的干扰，导致采集的数据信噪比降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决在大地电磁测深法中现有的磁传感器在测量过程中无法传输数字信号的问题而提供的一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器及测量方法。

本发明提供的基于大地电磁测深法的数字式磁传感器包括有低频感应线圈、中频感应线圈、高频感应线圈、第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、中央处理器、GPS模块、SD卡读写模块和电源模块，其中低频感应线圈、中频率感应线圈和高频感应线圈是从主感应线圈中利用引线引出的线圈，用于感应不同频段的电磁波信号，低频感应线圈依次与第一前置放大器和第一AD模块相连构建成低频段信号采集系统后与中央处理器相连，中频感应线圈依次与第二前置放大器和第二AD模块相连构建成中频段信号采集系统后与中央处理器相连，高频感应线圈依次与第三前置放大器和第三AD模块相连构建成高频段信号采集系统后与中央处理器相连，中央处理器与电源模块相连为采集系统提供电能，中央处理器与GPS模块相连负责采集GPS的秒脉冲信号，中央处理器与SD卡读写模块相连构建成数据存储系统。

第一前置放大器、第二前置放大器和第三前置放大器均为低放大倍数的低噪声放大器。

第一AD模块、第二AD模块和第三AD模块为三十二位高精度模数转换器。

本发明提供的基于大地电磁测深法的数字式磁传感器的测量方法，其方法如下所述：

步骤一、系统上电自举后，中央处理器控制电源模块为传感器中的各模块提供工作电能，中央处理器启动SD卡读写模块从SD卡将工作参数读取到中央处理器的内存中，该参数主要包括低频、中频和高频数据开始时间和结束时间；

步骤二、中央处理器开辟GPS接收线程，通过启动GPS模块不间断读取GPS信息，系统根据接收到的信息判断当前GPS是否为锁定状态，只有GPS处于锁定状态时，中央处理器将开辟高中低频三个数据采集进程，通过判断工作参数中三个频段开始时间是否与当前GPS时间相等，来控制相应频段的数据采集工作，通过判断当前GPS时间是否与工作参数中三个频段结束时间相等，来控制相应频段数据采集进程的结束，具体如下：

1)、当前GPS时间与工作参数中的低频数据开始时间相等时，中央处理器利用其开辟的低频数据采集线程，接收低频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器的编码处理，利用SD卡读写模块将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中低频数据结束时间，则中央处理器会停止低频数据的采集工作并关闭低频数据采集线程；

2)、当前GPS时间与工作参数中的中频数据开始时间相等时，中央处理器利用其开辟的中频数据采集线程，接收中频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器的编码处理，利用SD卡读写模块将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中的中频数据结束时间，则中央处理器会停止中频数据的采集工作并关闭中频数据采集线程；

3)、当前GPS时间与工作参数中的高频数据开始时间相等时，中央处理器利用其开辟的高频数据采集线程，接收高频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器的编码处理，利用SD卡读写模块将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中的高频数据结束时间，则中央处理器会停止高频数据的采集工作并关闭高频数据采集线程；

步骤三、当三个频段数据的采集工作结束后，中央处理器将控制电源模块关闭电源，采集的数据利用SD卡下载到外围计算机系统中，供处理分析使用。

本发明的工作原理：

低频感应线圈从磁传感器的主感应线圈中取得低频段感应信号，经过第一前置放大器的整形和放大处理后，输入到第一AD模块进行数字化，构建成一个低频段信号数据采集通道。

中频感应线圈从磁传感器主感应线圈一半位置处截取信号，经过第二前置放大器的整形和放大处理后，输入到第二AD模块中进行数字化，构建成一个中频段信号数据采集通道。

高频感应线圈从磁传感器主感应线圈的1/3位置处截取信号，经过第三前置放大器的整形和放大处理后，输入到第三AD模块进行数字化，构建成一个高频段信号数据采集通道。

中央处理器是一个多功能多任务系统，分别与低频段数据采集通道、中频段数据采集通道、高频段数据采集通道、GPS模块、电源模块、SD卡读写模块相连接，构筑成整个系统。

上述的低频感应线圈、中频感应线圈、高频感应线圈、第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、中央处理器、GPS模块、SD卡读写模块和电源模块均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的数字式磁传感器是在主感应线圈上取得三个频段的信号，这样可以将原来的宽频带信号分解成三个频带较窄的信号，并且装配有三个前置放大器，能够针对不同频段进行设计，有助于提高放大器的性能。

2、充分利用三十二位AD模块具有高动态范围的技术优点，并将三个前置放大器设计成低放大倍数的整形放大器，这样能够有效低压制放大器的背景噪声和1/f噪声，从而可以大大降低磁传感器的背景噪声。

3、能够独立完成数据采集工作并将采集的数据直接存储SD卡中，事后可将SD卡中下载的数据用于处理和分析。

附图说明

图1为本发明所述数字化磁传感器结构示意图。

图2为本发明所述前置放大器电路原理图。

图3为本发明所述AD模块电路原理图。

图4为本发明所述中央处理器电路原理图。

图5为本发明所述SD卡读写模块电路原理图。

图6为本发明所述GPS模块电路原理图。

图7为本发明所述电源模块电路原理图。

图8为本发明所述数字化磁传感器工作流程图。

1、低频感应线圈 2、中频感应线圈 3、高频感应线圈

4、第一前置放大器 5、第二前置放大器 6、第三前置放大器

7、第一AD模块 8、第二AD模块 9、第三AD模块 10、中央处理器

11、GPS模块 12、SD卡读写模块 13、电源模块 14、主感应线圈。

具体实施方式

请参阅图1至图8所示：

本发明提供的基于大地电磁测深法的数字式磁传感器包括有低频感应线圈1、中频感应线圈2、高频感应线圈3、第一前置放大器4、第二前置放大器5、第三前置放大器6、第一AD模块7、第二AD模块8、第三AD模块9、中央处理器10、GPS模块11、SD卡读写模块12和电源模块13，其中低频感应线圈1、中频率感应线圈2和高频感应线圈3是从主感应线圈14中利用引线引出的线圈，用于感应不同频段的电磁波信号，低频感应线圈1依次与第一前置放大器4和第一AD模块7相连构建成低频段信号采集系统后与中央处理器10相连，中频感应线圈2依次与第二前置放大器5和第二AD模块8相连构建成中频段信号采集系统后与中央处理器10相连，高频感应线圈3依次与第三前置放大器6和第三AD模块9相连构建成高频段信号采集系统后与中央处理器10相连，中央处理器10与电源模块13相连为采集系统提供电能，中央处理器10与GPS模块11相连负责采集GPS的秒脉冲信号，中央处理器10与SD卡读写模块12相连构建成数据存储系统。

第一前置放大器4、第二前置放大器5和第三前置放大器6均为低放大倍数的低噪声放大器。

第一AD模块7、第二AD模块8和第三AD模块9为三十二位高精度模数转换器。

本发明提供的基于大地电磁测深法的数字式磁传感器的测量方法，其方法如下所述：

步骤一、系统上电自举后，中央处理器10控制电源模块13为传感器中的各模块提供工作电能，中央处理器10启动SD卡读写模块12从SD卡将工作参数读取到中央处理器10的内存中，该参数主要包括低频、中频和高频数据开始时间和结束时间；

步骤二、中央处理器10开辟GPS接收线程，通过启动GPS模块11不间断读取GPS信息，系统根据接收到的信息判断当前GPS是否为锁定状态，只有GPS处于锁定状态时，中央处理器10将开辟高中低频三个数据采集进程，通过判断工作参数中三个频段开始时间是否与当前GPS时间相等，来控制相应频段的数据采集工作，通过判断当前GPS时间是否与工作参数中三个频段结束时间相等，来控制相应频段数据采集进程的结束，具体如下：

1)、当前GPS时间与工作参数中的低频数据开始时间相等时，中央处理器10利用其开辟的低频数据采集线程，接收低频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器10的编码处理，利用SD卡读写模块12将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中低频数据结束时间，则中央处理器10会停止低频数据的采集工作并关闭低频数据采集线程；

2)、当前GPS时间与工作参数中的中频数据开始时间相等时，中央处理器10利用其开辟的中频数据采集线程，接收中频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器10的编码处理，利用SD卡读写模块12将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中的中频数据结束时间，则中央处理器10会停止中频数据的采集工作并关闭中频数据采集线程；

3)、当前GPS时间与工作参数中的高频数据开始时间相等时，中央处理器10利用其开辟的高频数据采集线程，接收高频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器10的编码处理，利用SD卡读写模块12将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中的高频数据结束时间，则中央处理器10会停止高频数据的采集工作并关闭高频数据采集线程；

步骤三、当三个频段数据的采集工作结束后，中央处理器10将控制电源模块13关闭电源，采集的数据利用SD卡下载到外围计算机系统中，供处理分析使用。

本发明的工作原理：

低频感应线圈1从磁传感器的主感应线圈14中取得低频段感应信号，经过第一前置放大器4的整形和放大处理后，输入到第一AD模块7进行数字化，构建成一个低频段信号数据采集通道。

中频感应线圈2从磁传感器主感应线圈14一半位置处截取信号，经过第二前置放大器5的整形和放大处理后，输入到第二AD模块8中进行数字化，构建成一个中频段信号数据采集通道。

高频感应线圈3从磁传感器主感应线圈14的1/3位置处截取信号，经过第三前置放大器6的整形和放大处理后，输入到第三AD模块9进行数字化，构建成一个高频段信号数据采集通道。

中央处理器10是一个多功能多任务系统，分别与低频段数据采集通道、中频段数据采集通道、高频段数据采集通道、GPS模块11、电源模块13、SD卡读写模块12相连接，构筑成整个系统。

上述的低频感应线圈1、中频感应线圈2、高频感应线圈3、第一前置放大器4、第二前置放大器5、第三前置放大器6、第一AD模块7、第二AD模块8、第三AD模块9、中央处理器10、GPS模块11、SD卡读写模块12和电源模块13均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

Claims (2)

1.一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器，包括有低频感应线圈、中频感应线圈、高频感应线圈、第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器、第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、中央处理器、GPS模块、SD卡读写模块和电源模块，其中低频感应线圈、中频率感应线圈和高频感应线圈是从主感应线圈中利用引线引出的线圈，用于感应不同频段的电磁波信号，低频感应线圈依次与第一前置放大器和第一AD模块相连构建成低频段信号采集系统后与中央处理器相连，中频感应线圈依次与第二前置放大器和第二AD模块相连构建成中频段信号采集系统后与中央处理器相连，高频感应线圈依次与第三前置放大器和第三AD模块相连构建成高频段信号采集系统后与中央处理器相连，中央处理器与电源模块相连为采集系统提供电能，中央处理器与GPS模块相连负责采集GPS的秒脉冲信号，中央处理器与SD卡读写模块相连构建成数据存储系统，其特征在于：所述的第一前置放大器、第二前置放大器和第三前置放大器均为低放大倍数的低噪声放大器，第一AD模块、第二AD模块和第三AD模块为三十二位高精度模数转换器。

2.一种基于大地电磁测深法的数字式磁传感器的测量方法，其特征在于：其方法如下所述：

步骤一、系统上电自举后，中央处理器控制电源模块为传感器中的各模块提供工作电能，中央处理器启动SD卡读写模块从SD卡将工作参数读取到中央处理器的内存中，该参数主要包括低频、中频和高频数据开始时间和结束时间；

步骤二、中央处理器开辟GPS接收线程，通过启动GPS模块不间断读取GPS信息，系统根据接收到的信息判断当前GPS是否为锁定状态，只有GPS处于锁定状态时，中央处理器将开辟高中低频三个数据采集进程，通过判断工作参数中三个频段开始时间是否与当前GPS时间相等，来控制相应频段的数据采集工作，通过判断当前GPS时间是否与工作参数中三个频段结束时间相等，来控制相应频段数据采集进程的结束，具体如下：

1)、当前GPS时间与工作参数中的低频数据开始时间相等时，中央处理器利用其开辟的低频数据采集线程，接收低频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器的编码处理，利用SD卡读写模块将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中低频数据结束时间，则中央处理器会停止低频数据的采集工作并关闭低频数据采集线程；

2)、当前GPS时间与工作参数中的中频数据开始时间相等时，中央处理器利用其开辟的中频数据采集线程，接收中频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器的编码处理，利用SD卡读写模块将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中的中频数据结束时间，则中央处理器会停止中频数据的采集工作并关闭中频数据采集线程；

3)、当前GPS时间与工作参数中的高频数据开始时间相等时，中央处理器利用其开辟的高频数据采集线程，接收高频段信号采集通道中的实时数据，经过中央处理器的编码处理，利用SD卡读写模块将数据存储到SD卡中，当GPS时间等于工作参数中的高频数据结束时间，则中央处理器会停止高频数据的采集工作并关闭高频数据采集线程；

步骤三、当三个频段数据的采集工作结束后，中央处理器将控制电源模块关闭电源，采集的数据利用SD卡下载到外围计算机系统中，供处理分析使用。