CN108107478B - 大地电磁同步探测与实时反演方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大地电磁同步探测与实时反演方法及系统，系统包括1个具有无线组网功能的探测反演主机（M）和N2‑1个具有无线通信功能的两两相距为D的探测反演分机（S i ），其中i＝1、2、…、N2‑1，N为奇数。探测反演主机负责测区内磁场信号和所在测点电场信号的采集、无线组网与协同、各探测反演分机的同步探测与实时反演控制，探测反演分机在探测反演主机的协同控制下同步进行所在测点电场信号采集、所在测点探测数据的实时反演。本发明的有益效果在于：探测反演主机和探测反演分机同步实时进行探测和反演，在提高工作效率的同时避免时空因素影响提高观测数据质量，可广泛使用到地下矿产资源探测、地壳及上地幔构造探测等。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于大地电磁测深的物探方法与系统，特别是一种大地电磁同步探测与实时反演方法及系统。
背景技术
大地电磁法（MT，Magneto-telluric）是利用高空垂直入射的天然交变电磁波为激励场源，通过在地表观测相互正交的电场和磁场来研究地下地质体电性结构的一种地球物理勘探方法。由于大地电磁测深法具有无需人工源、对人工要求小、工作成本低、不受高阻层屏蔽、对低阻层敏感、勘探深度大、分辨能力较强、等值范围较窄等优点，所以自提出以来就受到较大的重视，得到迅速的发展。尤其在近年来随着探测仪器的不断更新和电子器件的使用，使一些比较复杂繁琐的探测设备和操作问题得到解决，使得大地电磁测深法的发展更为迅速。
大地电磁测深法作为一种综合地球物理勘探方法已经成功应用于矿产资源、油气资源勘察中，尤其是在地震勘探比较难以获得真实观测数据的地方，比如地表表层或浅层有火成岩、厚层砂岩、灰岩、砾岩等较厚岩石区覆盖的区域，大地电磁测深法相对于其它地球物理勘探方法可以取得较好的观测结果。在地壳和上地幔的地质构造研究中，大地电磁测深法可以达100~200km的勘探深度。在地球动力学计划中，对于地壳以及上地幔的内部温度的研究是一项至关重要的内容。由于大陆地区的地温测量受到钻孔的限制，在地壳深部和上地幔范围内，岩石具有半导体特性，其电导率值与温度之间呈指数关系，因而利用深部的电阻率参数来研究其温度场特征。在地震预报工作中，由于发生地震前地震源区的电阻率会发生较大的改变，而且地层深部电阻率值和阻抗间的相位角都会发生显著的变化，根据扩容理论的实验结果，大震前震源区的电阻率可以出现一半左右的变化，因此可以采用大地电磁测深法监视地层深部的电阻率变化，来达到地震预测的目的。在地下水寻找和浅层构造勘探中，探测深度一般在10km以内，因此高频大地电磁测深法可以较好地胜任此工作，此时所使用的大地电磁场源主要是赤道附近的雷电效应所激发的电磁波沿地球和大气圈各层之间谐振腔所传播的高频电磁场。
综上所述，由于大地电磁测深法的优势，因而在近年来得到迅速发展，被广泛应用到地球物理勘探作业中。随着大地电磁测深法的进一步发展和完善，在设备采集信号、资料处理、反演解释、现场实时反演等方面也得到了全面的发展，旨在更加精确地推测地下地质体的构造。
目前国内外的大地电磁测深设备在同步探测和实时反演方面的技术大都没有应用到实际探测工作中，一般在探测作业中只使用一台设备，逐个进行测点的探测工作，对于较大的探测区域或是较长的测线，探测工作将会持续很长的一段时间，即使使用相同的设备进行联机工作，高昂的设备价格和复杂的联机操作成为同步探测的阻碍，在数据的反演方面一般是采用现场采集数据、室内反演数据的工作模式，对于大量的观测数据需要很长的反演时间，不能指导现场观测工作。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明公开了一种大地电磁同步探测与实时反演方法及系统。
本发明的技术方案是：一种大地电磁同步探测与实时反演方法及系统，系统是由1个具有无线组网功能的探测反演主机（M）和N2或N2-1个具有无线通信功能的两两相距为D的探测反演分机（S i ）组成，其中i＝1、2、…、N2或N2-1，N为奇数，探测反演主机负责测区内磁场信号和所在测点电场信号的采集、无线组网与协同、各探测反演分机的同步探测与实时反演控制，探测反演分机在探测反演主机的协同控制下同步进行所在测点电场信号采集、所在测点探测数据的实时反演；其特征在于：同步探测方式时，探测反演主机和探测反演分机在探测区域内以N2个测点进行覆盖式布置并同步采集各测点数据，探测效率较单点探测方式提高了N2倍，且避免了异步探测中的时空差异对反演结果的影响；实时反演方式时，各测点探测反演分机在探测反演主机的协同控制下对所采集数据进行实时反演并将反演结果返回探测反演主机，充分利用探测反演主机、探测反演分机的计算能力，最大限度地减少数据传输量和节省反演计算时间。
在本发明中，所述的探测反演主机（M）采用以DSP和CPLD为核心的结构，包括具有X、Y方向电场传感器接口和X、Y、Z方向磁场传感器接口的四通道输入保护电路，用于对低频信号调理采集的4通道低频信号调理电路与4通道低速ADC电路，用于对高频信号调理采集的4通道高频信号调理电路与4通道高速ADC电路，用于扩展无线模块和GPS模块的通用异步收发器UART，用于数据缓存的SDRAM芯片，用于运行程序保存的FLASH芯片，用于扩展USB接口和连接内置SD卡的文件管理芯片FMC，以及为探测反演主机提供工作电源的电源变换电路；所述的无线模块包括WIFI和RF两种通信方式，WIFI用于与上位机连接进行系统同步探测与反演参数配置，RF用于与探测反演分机（S i ）通信进行系统同步探测与反演的实时控制；所述的GPS模块用于定位探测反演主机所在位置的地理坐标和在同步探测时与各探测反演分机（S i ）协同进行秒脉冲同步；所述的内置SD卡用于实时探测数据和反演结果的保存，所述的USB接口是系统同步探测与反演参数配置、实时探测数据与反演结果读取的备用接口；探测反演主机可进行X、Y方向两个电场信号和X、Y方向两个磁场信号的同步探测和配置各探测反演分机的反演参数并进行所在测点探测数据的同步反演，在需要对X、Y、Z方向三个磁场信号进行探测时，需在探测反演主机的位置另设置1个探测反演分机（S i ）进行X、Y方向两个电场信号探测。
在本发明中，所述的探测反演分机（S i ）采用以DSP和CPLD为核心的结构，包括具有X、Y方向电场传感器接口的两通道输入保护电路，用于对低频信号调理采集的2通道低频信号调理电路与2通道低速ADC电路，用于对高频信号调理采集的2通道高频信号调理电路与2通道高速ADC电路，用于扩展无线模块和GPS模块的通用异步收发器UART，用于数据缓存的SDRAM芯片，用于运行程序保存的FLASH芯片，用于扩展USB接口和连接内置SD卡的文件管理芯片FMC，以及为探测反演分机提供工作电源的电源变换电路；所述的无线模块仅具有RF通信方式，用于与探测反演主机（M）通信进行系统同步探测与反演的实时控制；所述的GPS模块用于定位探测反演分机所在位置的地理坐标和在同步探测时与探测反演主机（M）协同进行秒脉冲同步；所述的内置SD卡用于实时探测数据和反演结果的保存，所述的USB接口是系统同步探测与反演参数配置、实时探测数据与反演结果读取的备用接口；探测反演分机可进行X、Y方向两个电场信号的同步探测和在探测反演主机配置反演参数的协同下进行所在测点探测数据的同步反演。
在本发明中，所述的同步探测方式是将探测区域划分为N×N的点阵，N为奇数，测点与测点之间两两相距为D，中心探测反演主机与点阵四个顶点处探测反演分机的通信距离相同，最大通信距离为0.707(N-1) D，充分利用系统RF通信的有效距离来扩展探测区域的N×N点阵或范围；探测反演主机和探测反演分机根据配置参数文件通过GPS模块的授时机制进行同步探测工作，探测反演主机观测的电磁场信号和探测反演分机观测的电场信号属于同步探测信号，不受时空因素影响，并且N2台设备同时工作将系统工作效率较单机探测方式提高了N2倍。
在本发明中，所述的实时反演方式是针对采集得到的数据进行的实时处理，探测反演主机和探测反演分机对于低频信号探测时使用级联分样技术在采样间隔时间对已采集的信号进行处理，对于高频信号探测时是在采样结束之后对采集的信号进行实时处理，实时反演的过程包括数据预处理、快速傅里叶变换、特征信号识别、资料解释与反演，其中资料解释与反演是阻抗计算、视电阻率求解和数据反演的过程，具体的反演算法可以根据配置反演参数进行选择；实时反演结束，各探测反演分机通过RF通信方式将反演结果返回探测反演主机保存以便于上位机成图分析，最大限度地减少了系统RF通信的数据传输量，且整体数据处理时间缩短为单机处理方式的1/N2。
本发明的有益效果是：探测反演主机和探测反演分机同步实时进行探测和反演，采用主机调控分机协同的通信方式，可实时指导现场探测工作的进行，提高工作效率的同时避免时空因素影响提高观测数据质量，可广泛使用到地下水资源探测、矿产及油气资源勘察、地壳及上地幔构造探测、区域地质调查、地震预测等。
附图说明
图1是本发明实施例N=3的系统结构框图；
图2是本发明探测反演主机实施例的内部电路框图；
图3是本发明探测反演分机实施例的内部电路框图；
图4是本发明实施例的探测区域三维反演图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，是本发明N=3的系统结构框图。一种大地电磁同步探测与实时反演方法及系统，系统是由1个具有无线组网功能的探测反演主机（M）和N2-1个具有无线通信功能的两两相距为D的探测反演分机（S i ）组成，其中i＝1、2、…、N2-1，N为奇数；探测反演主机负责测区内磁场信号和所在测点电场信号的采集、无线组网与协同、各探测反演分机的同步探测与实时反演控制，探测反演分机在探测反演主机的协同控制下同步进行所在测点电场信号采集、所在测点探测数据的实时反演；探测时，探测反演主机和探测反演分机在探测区域内以N2个测点进行覆盖式布置并同步采集各测点数据，探测效率较单点探测方式提高了N2倍，且避免了异步探测中的时空差异对反演结果的影响；反演时，各测点探测反演分机在探测反演主机的协同控制下对所采集数据进行实时反演并将反演结果返回探测反演主机，充分利用探测反演主机、探测反演分机的计算能力，最大限度地减少数据传输量和节省反演计算时间。附图1中M号表示中心探测反演主机，其它S1-S8号表示各探测反演分机；对于探测区域的测点划分，需要根据探测需求进行，普查的情况下各测点的距离较大，详查的情况下测点比较密集，本发明最理想的探测区域为一正方形，且测点行数或列数为奇数，即为9点、25点、49点等布置测点探测电极，在这种情况下，探测反演主机位于探测区域的中心位置，这样的区域覆盖式探测方式不仅可以将整个区域内的地下地质体情况完整展现，而且在无线通信的有效通信距离内布置最多的测点，测线探测方式则没有这个优势。现场探测工作中，将探测反演主机置于探测区域中心，然后将电场探针和磁场传感器与探测反演主机连接，将探测反演分机置于划分区域的各测点位置，这个过程中，需要根据人机交互面板显示的位置信息将探测反演主机和探测反演分机放置预计的测点位置，电场探针应与土壤良好接触，x、y轴方向磁场传感器应借助水平尺或水平仪等设备保证尽可能的水平放置，z轴方向磁场传感器应垂直向下埋在土壤里，磁场传感器离信号电缆的距离应保证在5m以上，且所有的信号电缆应固定良好，最好放于地面上，避免在探测过程中信号电缆摇晃等情况。当所有的准备工作完成后，启动探测反演主机和各个探测反演分机，主机和分机进入自检状态，自检状态信息存储于各设备的存储器中，当分机自检状态良好的情况下向主机反馈正确信号，当分机自检状态有误的情况下向主机反馈错误信号，最后由主机与人机交互面板通信，显示设备的状态信息情况。当所有的设备能够正常工作时，通过人机交互面板设置配置参数并形成配置参数文件上传至主机保存，主机与各个分机进行通信传输配置参数文件，这个过程完成之后，主机和分机将根据配置参数文件进行同步探测工作，同步探测任务完成以后，主机对所在测点的电场信号和探测区域磁场信号进行预处理，得到电场和磁场的频谱信息并保存，分机对采集到的电场信号进行预处理，得到电场的频谱信息并保存。对于单个测点的层状视电阻率的求解需要电场和磁场信息，而探测设备中的分机只进行了电场信号的采集，因此需要主机将区域磁场信号频谱信息传输到每台分机，这个过程完成之后，主机和分机同步对电磁场信号频谱信息进行视电阻率计算，然后根据选择的反演算法进行反演计算得到整个频谱信息上的反演结果，主机将各分机的反演结果进行汇总并保存，根据电阻率成像原理得到整个探测区域的反演图像，然后在人机交互面板上选择观测的行、列或平面的反演结果，由主机将反演图像上传至人机交互面板进行显示，指导现场探测工作。这种工作方式将工作效率提高了N2倍，将数据反演时间缩短了N2倍。
附图1中，主机和分机的通信使用RF单片射频技术，采用主机操控分机协同的方式
进行数据传输，举例说明，主机与1号分机进行通信，将配置参数文件传输给1号分机，1号分
机接收之后返回一个接收成功信号；然后主机和1号分机分别与2号分机和3号分机进行通
信，将配置参数文件传输给2号分机和3号分机，2号分机和3号分机接收之后返回接收成功
信号；接下来由主机和1号分机、2号分机、3号分机分别与4号分机、5号分机、6号分机和7号
分机进行通信传输配置参数文件，传输成功之后，由主机与8号分机进行通信，至此，所有的
无线传输工作已经完成，对于25点、49点等其传输的过程与此相同。各个分机与主机进行通
信的过程与上述过程完全相反，8号分机的反演结果首先发送给主机，然后4号分机、5号分
机、6号分机和7号分机分别将反演结果发送给主机、1号分机、2号分机、3号分机，之后2号分
机将测点2和测点6的反演结果发送给主机，3号分机将测点3和测点7的反演结果发送给1号
分机，最后1号分机将测点1、测点3、测点5和测点7的反演结果发送给主机，至此，主机将所
有的反演结果进行汇总成图，如附图4所示。这种数据传输方式将传输效率提高了倍，N为区域测点点阵的行或列数。
同步探测方式是将探测区域划分为N×N的点阵，N为奇数，测点与测点之间两两相距为D，中心探测反演主机与点阵四个顶点处探测反演分机的通信距离相同，最大通信距离为0.707(N-1) D，充分利用系统RF通信的有效距离来扩展探测区域的N×N点阵或范围；探测反演主机和探测反演分机根据配置参数文件通过GPS模块的授时机制进行同步探测工作，探测反演主机观测的电磁场信号和探测反演分机观测的电场信号属于同步探测信号，不受时空因素影响，并且N2台设备同时工作将系统工作效率较单机探测方式提高了N2倍。探测反演主机和探测反演分机在完成测点布置和自检等前置工作之后，主机和分机根据配置参数文件中的观测频率、探测起止时间或是探测数据长度等进行探测工作，主机和分机内部设置有GPS同步定位模块，使用本地恒温晶振锁相GPS授时时钟，以实现探测反演主机和探测反演分机的同步，其同步的时间误差在20ns以内。使用同步探测的工作方式，调动了主机和N2-1个分机，这种工作方式相较原有单点探测工作将工作效率提升了N2倍，同步探测得到电场数据不存在时空差异，数据处理使用的磁场信号由探测反演主机观测得到，所有的测点均使用同一磁场信号，为数据处理和后期反演解释的精度奠定了基础。
实时反演方式是针对采集得到的数据进行的实时处理，探测反演主机和探测反演分机对于低频信号探测时使用级联分样技术在采样间隔时间对已采集的信号进行处理，对于高频信号探测时是在采样结束之后对采集的信号进行实时处理，实时反演的过程包括数据预处理、快速傅里叶变换、特征信号识别、资料解释与反演，其中资料解释与反演是阻抗计算、视电阻率求解和数据反演的过程，具体的反演算法可以根据配置反演参数进行选择；实时反演结束，各探测反演分机通过RF通信方式将反演结果返回探测反演主机保存以便于上位机成图分析，最大限度地减少了系统RF通信的数据传输量，且整体数据处理时间缩短为单机处理方式的1/N2。在探测反演主机和探测反演分机同步探测工作进行中或完成之后进行的，甚低频信号探测时使用级联分样技术在采样间隔时间对已采集的信号进行处理，对于高频信号探测时是在采样结束之后对采集的信号进行实时处理，实时反演的过程包括数据预处理、快速傅里叶变换、特征信号识别、资料解释与反演，其中资料解释与反演是阻抗计算、视电阻率求解和数据反演的过程，具体的反演算法可以根据配置参数进行选择，由于N2台探测反演设备同步进行实时反演，其数据处理时间缩短为原来的1/N2。
附图2是本发明的探测反演主机实施例的内部电路框图。探测反演主机（M）采用以DSP&CPLD为核心的结构，包括具有X、Y方向电场传感器接口和X、Y、Z方向磁场传感器接口的四通道输入保护电路，用于对低频信号调理采集的4通道低频信号调理电路与4通道低速ADC电路，用于对高频信号调理采集的4通道高频信号调理电路与4通道高速ADC电路，用于扩展无线模块和GPS模块的通用异步收发器UART，用于数据缓存的SDRAM芯片，用于运行程序保存的FLASH芯片，用于扩展USB接口和连接内置SD卡的文件管理芯片FMC，以及为探测反演主机提供工作电源的电源变换电路；所述的无线模块包括WIFI和RF两种通信方式，WIFI用于与上位机连接进行系统同步探测与反演参数配置，RF用于与探测反演分机（S i ）通信进行系统同步探测与反演的实时控制；所述的GPS模块用于定位探测反演主机所在位置的地理坐标和在同步探测时与各探测反演分机（S i ）协同进行秒脉冲同步；所述的内置SD卡用于实时探测数据和反演结果的保存，所述的USB接口是系统同步探测与反演参数配置、实时探测数据与反演结果读取的备用接口；探测反演主机可进行X、Y方向两个电场信号和X、Y方向两个磁场信号的同步探测和配置各探测反演分机的反演参数并进行所在测点探测数据的同步反演，在需要对X、Y、Z方向三个磁场信号进行探测时，需在探测反演主机的位置另设置1个探测反演分机（S i ）进行X、Y方向两个电场信号探测。探测反演主机需要与探测反演分机进行同步探测和实时反演的工作，另外需要探测反演主机和探测反演分机进行协同通信工作，在以DSP&CPLD为核心设计最小系统时，DSP的选型要能够胜任高速传输和数据处理、反演图像生成等，在本实施例中的DSP选择的是C67X系列中的TMS320C6726B，C67X系列是32位浮点DSP芯片，速率为1200~1800MIPS，900~1350MFLOPS，包括TMS320C6726B、TMS320C6713、TMS320C6727等，TMS320C6726B具有32KB的程序高速缓存、256KB的RAM、384KB的ROM、一个16位的EMIF、2个SPI和I2C，完全满足本发明中对DSP的需求；CPLD复杂可编程逻辑器件，通常采用乘积项结构方式构成逻辑行为器件，采用E2PROM或Flash存储器进行编程，在本实施例中主要完成对各模块工作的时序逻辑控制，CPLD可以使用Altera、Lattice、Xilinx等公司的产品，如Altera公司的MAX7000系列芯片、Lattice公司的ispMACH4000系列芯片和Xilinx公司的XC9500系列芯片，在本实施例中选择Lattice公司的ispMACH4128V，其具有128个宏定义，64个I/O口，最高频率可达333MHz，传输时间延迟为2.7ns ，1.8V内核供电，具有高速低功耗的特性；UART是通用异步收发器，本实施列选用的是EXAR公司的ST16C2550，其是双通道通用异步接收/发送装置，具有16位FIFO接口，数据频率最高可达1.5Mbps，其作用是扩展GPS模块和无线通信模块，另外也可以使用TI公司的TL16C752系列和TL16C2550、TL16C2552等，Maxim公司的MAX3000系列等，在本实施例中无线通信模块中的RF通信硬件使用的是E50-TTL-500，是一款170M直插型无线串口模块，半双工、收发一体、超低功耗，通信距离可达5Km，WIFI通信硬件使用的是以ESP8266为核心的通信模块，在本实施例中GPS模块采用Globalsat公司的BR-353S4，具有USB接口，其灵敏度为-163dBm，定位精度在2.5m以内，同步时间可达1us；SDRAM同步动态随机存取内存，本实施例中选用的SDRAM芯片是Hynix公司的HY57V561620LT-HP，采用4Banks×4Mbits×16的结构，LVTTL接口，低功耗，采用400mil54pin TSOP II封装，另外也可使用SAMSUNG公司的K4S561632系列芯片；FLASH芯片的生产厂家主要有Intel、SST、AMD、MXIC等公司，本实施例中采用的FLASH是使用比较广泛的16MBYTE的芯片，例如Intel公司的28F160C3，SST公司的39VF160Q/VF160，AMD公司的29LV160D，MXIC公司的29LV160BT/BB等，本实施例选择的是SST公司的39VF160，其具有单2.7V只读和写操作，10万次的擦写耐久，数据保存时间超过100年，70-90ns的快速读取访问时间，采用48-Pin TSOP封装方式；FMC文件管理芯片，本实施例选用的是WCH公司的CH378L芯片，用于快速读写U盘或者SD卡中的文件，其支持USB设备方式和USB主机方式，内置了USB通信协议的基本固件和处理Mass-Storage海量存储设备的专用通信协议固件以及SD卡的通信接口固件和FAT12、FAT16、FAT32文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备和SD卡，另外还可以选用TDI公司的TD242LP、Philips公司的ISP1761、Cypress公司的CY7C67200等芯片，另外探测反演主机内置的SD卡可以根据实际探测工作量的大小进行选择。
附图3是本发明的探测反演分机实施例的内部电路框图。探测反演分机（S i ）采用以DSP&CPLD为核心的结构，包括具有X、Y方向电场传感器接口的两通道输入保护电路，用于对低频信号调理采集的2通道低频信号调理电路与2通道低速ADC电路，用于对高频信号调理采集的2通道高频信号调理电路与2通道高速ADC电路，用于扩展无线模块和GPS模块的通用异步收发器UART，用于数据缓存的SDRAM芯片，用于运行程序保存的FLASH芯片，用于扩展USB接口和连接内置SD卡的文件管理芯片FMC，以及为探测反演分机提供工作电源的电源变换电路；所述的无线模块仅具有RF通信方式，用于与探测反演主机（M）通信进行系统同步探测与反演的实时控制；所述的GPS模块用于定位探测反演分机所在位置的地理坐标和在同步探测时与探测反演主机（M）协同进行秒脉冲同步；所述的内置SD卡用于实时探测数据和反演结果的保存，所述的USB接口是系统同步探测与反演参数配置、实时探测数据与反演结果读取的备用接口；探测反演分机可进行X、Y方向两个电场信号的同步探测和在探测反演主机配置反演参数的协同下进行所在测点探测数据的同步反演。探测反演分机配合探测反演主机进行同步探测和实时反演的工作，另外需要探测反演分机机和探测反演主机进行协同通信工作，在以DSP&CPLD为核心设计最小系统时，DSP的选型要能够胜任高速传输和数据处理、反演图像生成等，在本实施例中的DSP选择的是C67X系列中的TMS320C6726B，C67X系列是32位浮点DSP芯片，速率为1200~1800MIPS，900~1350MFLOPS， TMS320C6726B具有32KB的程序高速缓存、256KB的RAM、384KB的ROM、一个16位的EMIF、2个SPI和I2C，完全满足本发明中对DSP的需求；CPLD复杂可编程逻辑器件，通常采用乘积项结构方式构成逻辑行为器件，采用E2PROM或Flash存储器进行编程，在本实施例中选择Lattice公司的ispMACH4128V，其具有128个宏定义，64个I/O口，最高频率可达333MHz，传输时间延迟为2.7ns ，1.8V内核供电，具有高速低功耗的特性；UART是通用异步收发器，本实施列选用的是EXAR公司的ST16C2550，其是双通道通用异步接收/发送装置，具有16位FIFO接口，数据频率最高可达1.5Mbps，其作用是扩展GPS模块和无线通信模块，在本实施例中无线通信模块中的RF通信硬件使用的是E50-TTL-500，是一款170M直插型无线串口模块，半双工、收发一体、超低功耗，通信距离可达5Km，在本实施例中GPS模块采用Globalsat公司的BR-353S4，具有USB接口，其灵敏度为-163dBm，定位精度在2.5m以内，同步时间可达1us；SDRAM同步动态随机存取内存，本实施例中选用的SDRAM芯片是Hynix公司的HY57V561620LT-HP，采用4Banks×4Mbits×16的结构，LVTTL接口，低功耗，采用400mil 54pin TSOP II封装；本实施例中采用的FLASH是使用比较广泛的16M BYTE的芯片，本实施例选择的是SST公司的39VF160，其具有单2.7V只读和写操作，10万次的擦写耐久，数据保存时间超过100年，70-90ns的快速读取访问时间，采用48-Pin TSOP封装方式；FMC文件管理芯片，本实施例选用的是WCH公司的CH378L芯片，用于快速读写U盘或者SD卡中的文件，其支持USB设备方式和USB主机方式，内置了USB通信协议的基本固件和处理Mass-Storage海量存储设备的专用通信协议固件以及SD卡的通信接口固件和FAT12、FAT16、FAT32文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备和SD；另外探测反演分机内置的SD卡可以根据实际探测工作量的大小进行选择。
综上所述，本发明由大地电磁综合探测用主机和大地电磁综合探测用分机组成，
采用同步探测实时反演的工作方式，将工作效率提高了N2倍，将数据反演时间缩短为单机
处理方式的1/N2，并且观测数据不受时空因素影响。采用主机调控分机协同的通信方式，充
分利用各个探测设备的通信功能，将传输效率提高了倍。
本发明的有益效果在于：探测反演主机和探测反演分机同步实时进行探测和反演，采用主机调控分机协同的通信方式，对现场探测工作进行指导，提高工作效率的同时避免时空因素影响提高观测数据质量，可广泛使用到地下水资源探测、矿产及油气资源勘察、地壳及上地幔构造探测、区域地质调查、地震预测等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种大地电磁同步探测与实时反演系统，系统是由1个具有无线组网功能的探测反演主机（M）和N2或N2-1个具有无线通信功能的两两相距为D的探测反演分机（S i ）组成，其中i＝1、2、…、N2或N2-1，N为奇数，探测反演主机负责测区内磁场信号和所在测点电场信号的采集、无线组网与协同、各探测反演分机的同步探测与实时反演控制，探测反演分机在探测反演主机的协同控制下同步进行所在测点电场信号采集、所在测点探测数据的实时反演；其特征在于：同步探测方式时，探测反演主机和探测反演分机在探测区域内以N2个测点进行覆盖式布置并同步采集各测点数据，探测效率较单点探测方式提高了N2倍，且避免了异步探测中的时空差异对反演结果的影响；实时反演方式时，各测点探测反演分机在探测反演主机的协同控制下对所采集数据进行实时反演并将反演结果返回探测反演主机，充分利用探测反演主机、探测反演分机的计算能力，最大限度地减少数据传输量和节省反演计算时间。
2.根据权利要求1所述的大地电磁同步探测与实时反演系统，其特征是：所述的探测反演主机（M）采用以DSP和CPLD为核心的结构，包括具有X、Y方向电场传感器接口和X、Y、Z方向磁场传感器接口的四通道输入保护电路，用于对低频信号调理采集的4通道低频信号调理电路与4通道低速ADC电路，用于对高频信号调理采集的4通道高频信号调理电路与4通道高速ADC电路，用于扩展无线模块和GPS模块的通用异步收发器UART，用于数据缓存的SDRAM芯片，用于运行程序保存的FLASH芯片，用于扩展USB接口和连接内置SD卡的文件管理芯片FMC，以及为探测反演主机提供工作电源的电源变换电路；所述的无线模块包括WIFI和RF两种通信方式，WIFI用于与上位机连接进行系统同步探测与反演参数配置，RF用于与探测反演分机（S i ）通信进行系统同步探测与反演的实时控制；所述的GPS模块用于定位探测反演主机所在位置的地理坐标和在同步探测时与各探测反演分机（S i ）协同进行秒脉冲同步；所述的内置SD卡用于实时探测数据和反演结果的保存，所述的USB接口是系统同步探测与反演参数配置、实时探测数据与反演结果读取的备用接口；探测反演主机可进行X、Y方向两个电场信号和X、Y方向两个磁场信号的同步探测和配置各探测反演分机的反演参数并进行所在测点探测数据的同步反演，在需要对X、Y、Z方向三个磁场信号进行探测时，需在探测反演主机的位置另设置1个探测反演分机（S i ）进行X、Y方向两个电场信号探测。
3.根据权利要求1所述的大地电磁同步探测与实时反演系统，其特征是：所述的探测反演分机（S i ）采用以DSP和CPLD为核心的结构，包括具有X、Y方向电场传感器接口的两通道输入保护电路，用于对低频信号调理采集的2通道低频信号调理电路与2通道低速ADC电路，用于对高频信号调理采集的2通道高频信号调理电路与2通道高速ADC电路，用于扩展无线模块和GPS模块的通用异步收发器UART，用于数据缓存的SDRAM芯片，用于运行程序保存的FLASH芯片，用于扩展USB接口和连接内置SD卡的文件管理芯片FMC，以及为探测反演分机提供工作电源的电源变换电路；所述的无线模块仅具有RF通信方式，用于与探测反演主机（M）通信进行系统同步探测与反演的实时控制；所述的GPS模块用于定位探测反演分机所在位置的地理坐标和在同步探测时与探测反演主机（M）协同进行秒脉冲同步；所述的内置SD卡用于实时探测数据和反演结果的保存，所述的USB接口是系统同步探测与反演参数配置、实时探测数据与反演结果读取的备用接口；探测反演分机可进行X、Y方向两个电场信号的同步探测和在探测反演主机配置反演参数的协同下进行所在测点探测数据的同步反演。
4.根据权利要求1所述系统的大地电磁同步探测与实时反演方法，其特征是：所述的同步探测方式是将探测区域划分为N×N的点阵，N为奇数，测点与测点之间两两相距为D，中心探测反演主机与点阵四个顶点处探测反演分机的通信距离相同，最大通信距离为0.707(N-1) D，充分利用系统RF通信的有效距离来扩展探测区域的N×N点阵或范围；探测反演主机和探测反演分机根据配置参数文件通过GPS模块的授时机制进行同步探测工作，探测反演主机观测的电磁场信号和探测反演分机观测的电场信号属于同步探测信号，不受时空因素影响，并且N2台设备同时工作将系统工作效率较单机探测方式提高了N2倍。
5.根据权利要求1所述系统的大地电磁同步探测与实时反演方法，其特征是：所述的实时反演方式是针对采集得到的数据进行的实时处理，探测反演主机和探测反演分机对于低频信号探测时使用级联分样技术在采样间隔时间对已采集的信号进行处理，对于高频信号探测时是在采样结束之后对采集的信号进行实时处理，实时反演的过程包括数据预处理、快速傅里叶变换、特征信号识别、资料解释与反演，其中资料解释与反演是阻抗计算、视电阻率求解和数据反演的过程，具体的反演算法可以根据配置反演参数进行选择；实时反演结束，各探测反演分机通过RF通信方式将反演结果返回探测反演主机保存以便于上位机读取并成图分析，最大限度地减少了系统RF通信的数据传输量，且整体数据处理时间缩短为单机处理方式的1/N2。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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