CN109061742A - 一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，同步触发信号输入FPGA时序逻辑生成电路，由FPGA时序逻辑生成电路产生的信号分别输出到采样保持电路、运动噪声采样时刻产生电路和时序程控放大电路，作为以上各个电路的控制信号；接收信号分别输入低通滤波电路与运动噪声去除电路，经滤波后的信号送入采样保持电路；采样保持电路与运动噪声采样时刻产生电路相连接，采样保持电路的信号输出到运动噪声采样时刻产生电路，生成运动噪声的采样信号；运动噪声采样信号输入采样保持电路，得运动噪声；运动噪声去除电路与时序程控放大电路相连接，它实时识别和去除低频运动噪声，使二次场信号的灵敏度得以有效提高。
Description
技术领域
本发明涉及电磁勘探技术领域，尤其涉及一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路。
背景技术
航空电磁探测作为一种高效快速的物探方法，通过飞机承载探测仪器，利用不接地回线向地下发送一次场，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的二次场。利用接收线圈，对二次场进行提取，实现对地质体的分析。
瞬变电磁信号具有动态范围大、频带宽、衰减快的特点，对其进行全波形采样时，一次场信号强，二次场信号微弱，因此要求信号通道具备大动态范围，同时具备二次场微弱信号的程控放大或浮点放大能力。以往的方法有：
硬件补偿技术，如固定翼频率域电磁系统、直升机瞬变电磁系统中，接收线圈处设置一次场补偿线圈，通过用补偿场去抵消一次场的方法，从而有效提高了二次场信号的动态范围和灵敏度。但对于固定翼瞬变电磁系统，由于收发距和收发线圈相对位置不固定，硬件补偿技术无法实现。
浮点放大技术，地面瞬变电磁法通常采用浮点放大技术来提升动态范围，能够有效提高二次场信号的增益。在空中，则存在低频运动噪声，浮点放大技术提高动态范围的作用不大。
高分辨率采样，如24位AD，实现大动态范围，这种方法是通过数据处理技术提高灵敏度。然而高分辨AD一般价格很高，加之高速和高分辨率不能兼顾，对二次场信号灵敏度的提升作用有限。
有些系统仅对二次场采样，即发射电流关断期间(Off-Time)的数据采集，可较大幅度提高动态范围，但该方法缺失电流持续期间(On-Time)的信息，不利于数据后续处理。
综上所述，对于固定翼时间域航空电磁系统，其接收信号中存在很强的低频运动干扰和一次场感应信号，导致难以提高二次场微弱信号的增益，不利于有用信号的获取。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，它结构设计合理，根据瞬变电磁信号的特点，实时识别和去除低频运动噪声，通过时间来分离一次场和二次场，利用时序程控放大的方法，使二次场信号的灵敏度得以有效提高。
本发明的技术方案是：提供一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，它是由FPGA时序逻辑生成电路、低通滤波电路、采样保持电路、运动噪声采样时刻产生电路、运动噪声去除电路、时序程控放大电路组成，同步触发信号输入FPGA时序逻辑生成电路，由FPGA时序逻辑生成电路产生的信号分别输出到采样保持电路、运动噪声采样时刻产生电路和时序程控放大电路，作为以上各个电路的控制信号；接收信号分别输入低通滤波电路与运动噪声去除电路，经滤波后的信号送入采样保持电路；采样保持电路与运动噪声采样时刻产生电路相连接，采样保持电路的信号输出到运动噪声采样时刻产生电路，生成运动噪声的采样信号；运动噪声采样信号输入采样保持电路，得运动噪声；采样保持电路输出的运动噪声与接收信号同步输入运动噪声去除电路，得去除运动噪声的信号；运动噪声去除电路与时序程控放大电路相连接，将去除运动噪声的信号程控放大，最后输出；
FPGA时序逻辑生成电路用于产生采样时刻信号和使能端信号，其中采样时刻信号用于采样保持器对二次场波段信号的釆样，使能端信号控制多路复用器的输出；
低通滤波电路由放大器A1构成，用于滤除1K以上的高频噪声；
采样保持电路由采样保持器U2、采样保持器U3、采样保持器U4组成，实现接收信号波形不同时刻的采样保持；
运动噪声采样时刻产生电路包括放大器A4、放大器A5、放大器A6组成的减法器电路，电位器R17、比较器A7、电位器R18、比较器A8构成的比较器电路，或门U5，与非门U6，该电路用于生成运动噪声的采样时刻，由采样保持电路采样，最终得到线圈运动噪声的波形；
运动噪声去除电路运动噪声去除电路由放大器A2构成，将接收信号波形与运动噪声波形做差，可以使接收信号波形的基线归零；
时序程控放大电路由放大器A3、多路复用器U1组成，用于将去除运动噪声的波形分段选择放大；
利用同步触发信号实现接收信号与FPGA产生的逻辑控制信号之间的同步。
优选的，所述运动噪声采样时刻产生电路将前后两个时刻的采样波形进行比较，若差值大于设定阈值便产生采样使能信号，进而得到识别运动噪声的采样时刻波形。
优选的，所述时序程控放大电路对二次场信号放大，一次场信号不放大。
优选的，工作原理如下：
FPGA时序逻辑生成电路产生四组控制信号：XORO、XORO1’、XORO2和SELECT，其中XORO、XORO1’、XORO2分别设定为前、中、后三个相邻时刻的采样信号并且采样时刻均在二次场波段范围内，SELECT为多路复用器使能端信号；
瞬变电磁接收信号Vsig0经过低通滤波电路得Vsig；
Vsig经过采样时刻分别为XORO、XORO1的采样保持器U2、U3得到Vsig1、 Vsig4，Vsig4经过采样时刻为XORO2的采样保持器U4后得Vsig2；
Vsig1、Vsig2输入到以运放A4、A5、A6组成的减法器电路两端，差值信号输入比较器A7、A8，对其波形进行比较，其中电位器R17、R18提供阈值电压；
比较器的输出信号输入到或门U5，若差值大于阈值则产生一个采样使能高电平信号，此采样使能信号和采样信号XORO1’经过与非门U6得能识别运动噪声的采样时刻信号XORO1；
采样信号XORO1便对Vsig进行采样得到Vsig4，Vsig0、Vsig4经过以运放 A2构成的减法器电路后，可以使接收信号波形的基线归零，差值信号一路直接输出到多路复用器U1，另一路则输出到以运放A3组成的同相比例运算电路进行放大，放大后的信号再输入到多路复用器U1，最后SELECT对两路波形信号选择输出。
优选的，低频运动噪声检测：通过设置检测阈值，比较前后时刻采样波形的差值，判断是否进行采样，可自动识别和检测运动噪声；接收信号基线调零：接收信号与运动噪声做差，使接收信号波形的基线实时归零；程控放大：一次场和二次场通过时间来分离，通过时序程控放大方法来有效提高二次场信号灵敏度；在此基础上，通过高分辨AD来实现全波形大动态数据采集。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.低频运动噪声检测：通过设置检测阈值，比较前后时刻采样波形的差值，判断是否进行采样，可自动识别和检测运动噪声；
2.接收信号基线调零：接收信号与运动噪声做差，使接收信号波形的基线实时归零；
3.程控放大：一次场和二次场通过时间来分离，通过时序程控放大方法来有效提高二次场信号灵敏度；
4.在此基础上，通过高分辨AD来实现全波形大动态数据采集。
附图说明
下面根据图进一步对本发明加以说明:
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的含低频运动噪声与无运动噪声数据的仿真图；
图3是本发明双极性半正弦发射信号与接收信号一个周期的仿真图；
图4是本发明FPGA时序逻辑电路的仿真波形图；
图5是本发明电路结构示意图；
图6是本发明为原始信号波形与去除了线圈运动噪声并且只对二次场放大波形的仿真波形图；
图1、图2、图3、图4、图5、图6中所示：1、FPGA时序逻辑生成电路，2、低通滤波电路，3、采样保持电路，4、运动噪声采样时刻产生电路，5、运动噪声去除电路，6、时序程控放大电路。
具体实施方式
下面结合图对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，图仅用于解释本发明，是对本发明实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，它是由FPGA时序逻辑生成电路1、低通滤波电路2、采样保持电路3、运动噪声采样时刻产生电路4、运动噪声去除电路5、时序程控放大电路6组成，同步触发信号输入FPGA时序逻辑生成电路1，由FPGA时序逻辑生成电路1产生的信号分别输出到采样保持电路3、运动噪声采样时刻产生电路4 和时序程控放大电路6，作为以上各个电路的控制信号；接收信号分别输入低通滤波电路2与运动噪声去除电路5，经滤波后的信号送入采样保持电路3；采样保持电路3与运动噪声采样时刻产生电路4相连接，采样保持电路3的信号输出到运动噪声采样时刻产生电路4，生成运动噪声的采样信号；运动噪声采样信号输入采样保持电路3，得运动噪声；采样保持电路3输出的运动噪声与接收信号同步输入运动噪声去除电路5，得去除运动噪声的信号；运动噪声去除电路5 与时序程控放大电路6相连接，将去除运动噪声的信号程控放大，最后输出；
FPGA时序逻辑生成电路1用于产生采样时刻信号和使能端信号，其中采样时刻信号用于采样保持器对二次场波段信号的釆样，使能端信号控制多路复用器的输出；
低通滤波电路2由放大器A1构成，用于滤除1K以上的高频噪声；
采样保持电路3由采样保持器U2、采样保持器U3、采样保持器U4组成，实现接收信号波形不同时刻的采样保持；
运动噪声采样时刻产生电路4包括放大器A4、放大器A5、放大器A6组成的减法器电路，电位器R17、比较器A7、电位器R18、比较器A8构成的比较器电路，或门U5，与非门U6，该电路用于生成运动噪声的采样时刻，由采样保持电路采样，最终得到线圈运动噪声的波形；
运动噪声去除电路5运动噪声去除电路由放大器A2构成，将接收信号波形与运动噪声波形做差，可以使接收信号波形的基线归零；
时序程控放大电路6由放大器A3、多路复用器U1组成，用于将去除运动噪声的波形分段选择放大；
利用同步触发信号实现接收信号与FPGA产生的逻辑控制信号之间的同步。
优选的，所述运动噪声采样时刻产生电路4将前后两个时刻的采样波形进行比较，若差值大于设定阈值便产生采样使能信号，进而得到识别运动噪声的采样时刻波形。
优选的，所述时序程控放大电路5对二次场信号放大，一次场信号不放大。
优选的，工作原理如下：
FPGA时序逻辑生成电路1产生四组控制信号：XORO、XORO1’、XORO2和 SELECT，其中XORO、XORO1’、XORO2分别设定为前、中、后三个相邻时刻的采样信号并且采样时刻均在二次场波段范围内，SELECT为多路复用器使能端信号；
瞬变电磁接收信号Vsig0经过低通滤波电路2得Vsig；
Vsig经过采样时刻分别为XORO、XORO1的采样保持器U2、U3得到Vsig1、 Vsig4，Vsig4经过采样时刻为XORO2的采样保持器U4后得Vsig2；
Vsig1、Vsig2输入到以运放A4、A5、A6组成的减法器电路两端，差值信号输入比较器A7、A8，对其波形进行比较，其中电位器R17、R18提供阈值电压；
比较器的输出信号输入到或门U5，若差值大于阈值则产生一个采样使能高电平信号，此采样使能信号和采样信号XORO1’经过与非门U6得能识别运动噪声的采样时刻信号XORO1；
采样信号XORO1便对Vsig进行采样得到Vsig4，Vsig0、Vsig4经过以运放 A2构成的减法器电路后，可以使接收信号波形的基线归零，差值信号一路直接输出到多路复用器U1，另一路则输出到以运放A3组成的同相比例运算电路进行放大，放大后的信号再输入到多路复用器U1，最后SELECT对两路波形信号选择输出。
优选的，低频运动噪声检测：通过设置检测阈值，比较前后时刻采样波形的差值，判断是否进行采样，可自动识别和检测运动噪声；接收信号基线调零：接收信号与运动噪声做差，使接收信号波形的基线实时归零；程控放大：一次场和二次场通过时间来分离，通过时序程控放大方法来有效提高二次场信号灵敏度；在此基础上，通过高分辨AD来实现全波形大动态数据采集。
如图2所示，(a)、(b)分别是含低频运动噪声与无运动噪声数据的仿真图，可以看出运动噪声的频率低、幅值较大，峰峰值可达0.2V，这部分噪声电动势叠加在大地的电磁感应电动势曲线上，会令测得的电磁信号发生严重的基线漂移，降低电磁数据的信噪比。
如图3所示，(a)、(b)分别是双极性半正弦发射信号与接收信号一个周期内的仿真图，图中曲线对应部分为二次场响应。可以看出，二次场信号动态范围大，信号幅值从早期的几毫伏衰减到晚期的零点几微伏，并且信号早期衰减快、幅度高，晚期信号弱，为微伏级，且衰减慢。
如图4所示，时序信号XORO、XORO1’、XORO2和SELECT是由FPGA模块产生的四组逻辑控制信号。其中HOLD_CS信号中t1、t2分别是二次场脉宽持续时间、一次场脉宽持续时间。
如图6所示，(a)、(b)分别为原始信号波形与去除了线圈运动噪声并且只对二次场放大的波形的仿真波形图，两者进行对比、分析，可以看到波形的基线归零，二次场增益显著提高，满足设计要求。
本发明结构设计合理，根据瞬变电磁信号的特点，实时识别和去除低频运动噪声，通过时间来分离一次场和二次场，利用时序程控放大的方法，使二次场信号的灵敏度得以有效提高。
以上所述为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改进和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等均应含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，它是由FPGA时序逻辑生成电路(1)、低通滤波电路(2)、采样保持电路(3)、运动噪声采样时刻产生电路(4)、运动噪声去除电路(5)、时序程控放大电路(6)组成，其特征在于：同步触发信号输入FPGA时序逻辑生成电路(1)，由FPGA时序逻辑生成电路(1)产生的信号分别输出到采样保持电路(3)、运动噪声采样时刻产生电路(4)和时序程控放大电路(6)，作为以上各个电路的控制信号；接收信号分别输入低通滤波电路(2)与运动噪声去除电路(5)，经滤波后的信号送入采样保持电路(3)；采样保持电路(3)与运动噪声采样时刻产生电路(4)相连接，采样保持电路(3)的信号输出到运动噪声采样时刻产生电路(4)，生成运动噪声的采样信号；运动噪声采样信号输入采样保持电路(3)，得运动噪声；采样保持电路(3)输出的运动噪声与接收信号同步输入运动噪声去除电路(5)，得去除运动噪声的信号；运动噪声去除电路(5)与时序程控放大电路(6)相连接，将去除运动噪声的信号程控放大，最后输出；
FPGA时序逻辑生成电路(1)用于产生采样时刻信号和使能端信号，其中采样时刻信号用于采样保持器对二次场波段信号的釆样，使能端信号控制多路复用器的输出；
低通滤波电路(2)由放大器A1构成，用于滤除1K以上的高频噪声；
采样保持电路(3)由采样保持器U2、采样保持器U3、采样保持器U4组成，实现接收信号波形不同时刻的采样保持；
运动噪声采样时刻产生电路(4)包括放大器A4、放大器A5、放大器A6组成的减法器电路，电位器R17、比较器A7、电位器R18、比较器A8构成的比较器电路，或门U5，与非门U6，该电路用于生成运动噪声的采样时刻，由采样保持电路采样，最终得到线圈运动噪声的波形；
运动噪声去除电路(5)运动噪声去除电路由放大器A2构成，将接收信号波形与运动噪声波形做差，可以使接收信号波形的基线归零；
时序程控放大电路(6)由放大器A3、多路复用器U1组成，用于将去除运动噪声的波形分段选择放大；
利用同步触发信号实现接收信号与FPGA产生的逻辑控制信号之间的同步。
2.根据权利要求1所述一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，其特征在于：所述运动噪声采样时刻产生电路(4)将前后两个时刻的采样波形进行比较，若差值大于设定阈值便产生采样使能信号，进而得到识别运动噪声的采样时刻波形。
3.根据权利要求1所述一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，其特征在于：所述时序程控放大电路(5)对二次场信号放大，一次场信号不放大。
4.根据权利要求1所述一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，其特征在于，工作原理如下：
FPGA时序逻辑生成电路(1)产生四组控制信号：XORO、XORO1’、XORO2和SELECT，其中XORO、XORO1’、XORO2分别设定为前、中、后三个相邻时刻的采样信号并且采样时刻均在二次场波段范围内，SELECT为多路复用器使能端信号；
瞬变电磁接收信号Vsig0经过低通滤波电路(2)得Vsig；
Vsig经过采样时刻分别为XORO、XORO1的采样保持器U2、U3得到Vsig1、Vsig4，Vsig4经过采样时刻为XORO2的采样保持器U4后得Vsig2；
Vsig1、Vsig2输入到以运放A4、A5、A6组成的减法器电路两端，差值信号输入比较器A7、A8，对其波形进行比较，其中电位器R17、R18提供阈值电压；
比较器的输出信号输入到或门U5，若差值大于阈值则产生一个采样使能高电平信号，此采样使能信号和采样信号XORO1’经过与非门U6得能识别运动噪声的采样时刻信号XORO1；
采样信号XORO1便对Vsig进行采样得到Vsig4，Vsig0、Vsig4经过以运放A2构成的减法器电路后，可以使接收信号波形的基线归零，差值信号一路直接输出到多路复用器U1，另一路则输出到以运放A3组成的同相比例运算电路进行放大，放大后的信号再输入到多路复用器U1，最后SELECT对两路波形信号选择输出。
5.根据权利要求1所述一种航空瞬变电磁接收信号增益自动控制电路，其特征在于：低频运动噪声检测：通过设置检测阈值，比较前后时刻采样波形的差值，判断是否进行采样，可自动识别和检测运动噪声；接收信号基线调零：接收信号与运动噪声做差，使接收信号波形的基线实时归零；程控放大：一次场和二次场通过时间来分离，通过时序程控放大方法来有效提高二次场信号灵敏度；在此基础上，通过高分辨AD来实现全波形大动态数据采集。
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| CN109061742B (zh) | 2020-05-12 |
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