CN114034937B - 无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法，涉及信号处理及自动控制技术，包括激发装置、基准线圈和接收线圈；所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈均水平设置；所述基准线圈和所述接收线圈的材质、匝数和面积均相同，且所述基准线圈和所述接收线圈的绕制方向相反。本发明无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法，可以通过无人机的地面电磁数据采集，平台稳定，并且误差交底，也不会影响无人机飞行，同时适应性很强，对于不同频率的一次场信号都可以获得良好的精度。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理及自动控制技术，具体涉及无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法。
背景技术
在我们生活的空间中，广泛存在着不停变化的电磁场，传统的地面电磁是通过在地表采用人工激发场源，请参阅图4，采用传统的单线圈接收装置进行电磁信号接收，地面电磁人工激发场源信号强，受干扰影响较小，对接收装置要求较低。随着工程建设的技术和效率等需求提升，电磁法物探勘察逐渐从地面往无人机航空电磁过渡，但无人机航空电磁系统在空中进行数据采集，面临信号较弱的技术难题，传统的地面单线圈接收装置无法满足其精度要求。因此研制一款新的无人机航空频域挂载的专用弱信号接收装置系统，对促进航空物探的发展具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中的地面地磁检测方式已经不适用于无人机进行地面电磁数据采集，目的在于提供无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
无人机航空频域电磁弱信号接收装置，包括悬挂于无人机上的承载平台；所述承载平台上设置有位于同一水平面上且中心点沿直线方向依次设置的激发装置、基准线圈和接收线圈；所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈均水平设置；所述基准线圈和所述接收线圈的材质、匝数和面积均相同，且所述基准线圈和所述接收线圈的绕制方向相反；
还包括：
消除网络模块，被配置为接收并叠加第一信号和第二信号生成第三信号；所述第一信号为当所述激发装置激发一次场信号时，所述基准线圈接收到的信号；所述第二信号为当所述激发装置激发一次场信号时，所述接收线圈接收到的信号；
第一前处理模块，被配置为接收所述第一信号，并对所述第一信号进行前处理后生成第一前处理信号；
第二前处理模块，被配置为接收所述第三信号，并对所述第三信号进行前处理后生成第二前处理信号；
后处理模块，被配置为接收所述第一前处理信号和所述第二前处理信号，并根据所述第一前处理信号和所述第二前处理信号计算互耦比，并根据所述互耦比、所述无人机的飞行高度、第一距离和所述激发装置激发的一次场信号的频率计算视导电率；所述第一距离为所述激发装置和所述接收线圈的距离。
现有技术中公开了多种采用磁场补偿技术进行接受线圈的一次场消除技术，但是在实践中发明人发现如果需要运用磁场补偿技术，需要发射线圈、补偿线圈和接收线圈三者共轴线，而如果上述三者共轴线时，往往需要一定的竖向空间来保证一次场信号消除的准确性，其如果运用到无人机上时，竖向的探测装置会带来极大的迎风面积和风阻，影响无人机飞行安全，在空中横风的影响下也会出现探测装置摆动，影响检测精度。而对于现有技术中存在的发射线圈、补偿线圈和接收线圈三者共轴线并且同心同平面设置的情况，由于对于不同频率的磁场需要设计对应的线圈参数才能保证一次场穿过补偿线圈和接收线圈组合的磁通量为0，如匝数、材质、尺寸等，所以同一个结构往往只能对应一种或者一小段频率内的一次场信号的消除，不利于进行多频段地面电磁数据采集，而不同频率的测深是不同的，只能使用一个频段的信号大大局限了探测技术的应用。
本实施例实施时，请参阅图1~图3，图1示出了无人机、承载平台、激发装置、基准线圈和接收线圈之间的位置关系；图2示出了激发装置、基准线圈和接收线圈之间的位置和排布关系；图3示出了信号处理电路的基本架构。根据硬件系统设计要求，接收线圈部分需要分别实现对一次场信号和二次场信号的接收，并在按不同比例放大后，实现对PPM数值的计算。根据电磁感应探测的相关原理可知，二次场信号是无法直接获取，它往往是夹杂在一次场信号中的，因此接收线圈部分设计的关键在于单独二次场信号的提取。在本实施例中，激发装置、基准线圈和接收线圈采用了一种纯水平布置的方式，其中激发装置优选为发射一次场信号的发射线圈，通过本实施例的这种布置方式，当激发装置发射一次场信号时，基准线圈和接收线圈会同时接收到一次场信号，由于基准线圈和所述接收线圈的材质、匝数和面积均相同绕制方向相反，而基准线圈和接收线圈距离激发装置距离不会太远，一般在五米以内，所以基准线圈和接收线圈会接收到基本相同的一次场信号，并感应产生波形相同并且方向相反的感应电流；由于无人机在空中进行飞行，由地面或地底反射回的二次场信号可以通过确定的基准线圈和接收线圈的距离或调节无人机的位置使得基准线圈中二次场信号非常微弱而接收线圈可以接收到二次场信号，此时将基准线圈和接收线圈分别接收到的信号进行叠加后，一次场信号会发生消除，从而只输出二次场信号。
示例的，在本实施例中所称的绕制方向相反是基准线圈和接收线圈中一组线圈顺时针方向绕制，另一组线圈反时针方向绕制。示例的，接收线圈会接收到包括二次场和一次场的总场信号，而基准线圈近似于只接收到一次场信号，而由于接收线圈与基准线圈所采用的同样材质、匝数和面积的绕制方式，当在后级将接收线圈和基准线圈的信号进行叠加后，会出现类似相减的效果，即将接收线圈和基准线圈中所感应到的一次场信号剔除，从而仅保留有二次场信号，从而通过上述线圈绕制方式实现对一次场的消除。
在本实施例中，根据所述第一前处理信号和所述第二前处理信号计算互耦比是通过比值再乘以106的方式进行互耦比的计算，计算出的单位为ppm，而根据所述互耦比、所述无人机的飞行高度、第一距离和所述激发装置激发的一次场信号的频率计算视导电率可以根据下式进行：
式中，Q为所述互耦比，J 0为0阶贝塞尔函数，r为所述第一距离，h为无人机的飞行高度，f为激发装置激发的一次场信号的频率，σ为视导电率，λ为积分参数，μ为磁化率。应当理解的是，视导电率作为本实施例最终生成的数据，可以直接表征探测探测结果。本实施例通过设置上述设备，使得本装置可以通过无人机的地面电磁数据采集，平台稳定，并且误差交底，也不会影响无人机飞行，同时适应性很强，对于不同频率的一次场信号都可以获得良好的精度。
进一步的，所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈被设置于同一个平直槽道内，且所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈中的至少两个可以在所述平直槽道内运动；
所述装置还包括：
参数获取模块，被配置为获取所述无人机的飞行高度，并获取所述激发装置激发的一次场信号的频率作为激发频率；
调节模块，被配置为根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值；所述第二距离为所述基准线圈和所述接收线圈之间的距离。
进一步的，所述调节模块配置有精度调节模型；所述精度调节模型的输入数据为同一时刻下的飞行高度、激发频率和互耦比；所述精度调节模型的输出数据为所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈之间的距离数据；
当所述调节模块调节第一距离和第二距离时，将所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比输入所述精度调节模型，并根据所述精度调节模型输出的所述距离数据调整所述第一距离和第二距离。
进一步的，所述精度调节模型根据带有精度约束的样本数据训练而来；
带有精度约束的样本数据是所述视导电率满足精度要求的样本数据；
所述样本数据包括所述输入数据和所述输出数据的对应关系。
进一步的，第一前处理模块和所述第二前处理模块均包括依次串联的匹配网络、保护单元、前置放大电路、放大电路和抗混叠滤波器；所述第一前处理模块的匹配网络接收所述第一信号，所述第一前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第一前处理信号；
所述第二前处理模块的匹配网络接收所述第三信号，所述第二前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第二前处理信号。
进一步的，所述后处理模块包括依次串联的差分转换模块、24位AD转换模块和FPGA；
所述差分转换模块接收并处理所述第一前处理信号和所述第二前处理信号；所述24位AD转换模块对处理后的所述第一前处理信号和所述第二前处理信号进行AD转换；所述FPGA计算转换后的所述第二前处理信号与所述第一前处理信号的比值，并乘以106生成所述互耦比。
无人机航空频域电磁弱信号接收方法，应用于上述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈被设置于同一个平直槽道内，且所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈中的至少两个可以在所述平直槽道内运动；
所述方法包括：
获取所述无人机的飞行高度，并获取所述激发装置激发的一次场信号的频率作为激发频率；
根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节所述第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值；所述第二距离为所述基准线圈和所述接收线圈之间的距离。
进一步的，根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值包括：
将所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比输入精度调节模型，并根据所述精度调节模型输出的所述距离数据调整所述第一距离和第二距离；
所述精度调节模型的输入数据为同一时刻下的飞行高度、激发频率和互耦比；所述精度调节模型的输出数据为所述激发装置、所述基准线圈和所述接收线圈之间的距离数据。
进一步的，所述精度调节模型根据带有精度约束的样本数据训练而来；
带有精度约束的样本数据是所述视导电率满足精度要求的样本数据；
所述样本数据包括所述输入数据和所述输出数据的对应关系。
进一步的，第一前处理模块和所述第二前处理模块均包括依次串联的匹配网络、保护单元、前置放大电路、放大电路和抗混叠滤波器；所述第一前处理模块的匹配网络接收所述第一信号，所述第一前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第一前处理信号；
所述第二前处理模块的匹配网络接收所述第三信号，所述第二前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第二前处理信号；
所述后处理模块包括依次串联的差分转换模块、24位AD转换模块和FPGA；
所述差分转换模块接收并处理所述第一前处理信号和所述第二前处理信号；所述24位AD转换模块对处理后的所述第一前处理信号和所述第二前处理信号进行AD转换；所述FPGA计算转换后的所述第二前处理信号与所述第一前处理信号的比值，并乘以106生成所述互耦比。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法，可以通过无人机的地面电磁数据采集，平台稳定，并且误差交底，也不会影响无人机飞行，同时适应性很强，对于不同频率的一次场信号都可以获得良好的精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明实施例线圈位置关系结构示意图；
图3为本发明实施例无人机航空频域电磁弱信号接收装置的通信架构示意图；
图4为地面电磁检测原理示意图；
图5为本发明实施例无人机高度与二次场关系示意图；
图6为本发明实施例无人机航空频域电磁弱信号接收方法的步骤示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-无人机，2-承载平台，3-激发装置，4-基准线圈，5-接收线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
为了便于对上述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置进行阐述，请结合参考图3，提供了本发明实施例所公开的无人机航空频域电磁弱信号接收装置的通信架构示意图。
无人机航空频域电磁弱信号接收装置，包括悬挂于无人机1上的承载平台2；所述承载平台2上设置有位于同一水平面上且中心点沿直线方向依次设置的激发装置3、基准线圈4和接收线圈5；所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5均水平设置；所述基准线圈4和所述接收线圈5的材质、匝数和面积均相同，且所述基准线圈4和所述接收线圈5的绕制方向相反；
还包括：
消除网络模块，被配置为接收并叠加第一信号和第二信号生成第三信号；所述第一信号为当所述激发装置3激发一次场信号时，所述基准线圈4接收到的信号；所述第二信号为当所述激发装置3激发一次场信号时，所述接收线圈5接收到的信号；
第一前处理模块，被配置为接收所述第一信号，并对所述第一信号进行前处理后生成第一前处理信号；
第二前处理模块，被配置为接收所述第三信号，并对所述第三信号进行前处理后生成第二前处理信号；
后处理模块，被配置为接收所述第一前处理信号和所述第二前处理信号，并根据所述第一前处理信号和所述第二前处理信号计算互耦比，并根据所述互耦比、所述无人机1的飞行高度、第一距离和所述激发装置3激发的一次场信号的频率计算视导电率；所述第一距离为所述激发装置3和所述接收线圈5的距离。
本实施例实施时，请参阅图1~图3，图1示出了无人机1、承载平台2、激发装置3、基准线圈4和接收线圈5之间的位置关系；图2示出了激发装置3、基准线圈4和接收线圈5之间的位置和排布关系；图3示出了信号处理电路的基本架构。根据硬件系统设计要求，接收线圈部分需要分别实现对一次场信号和二次场信号的接收，并在按不同比例放大后，实现对PPM数值的计算。根据电磁感应探测的相关原理可知，二次场信号是无法直接获取，它往往是夹杂在一次场信号中的，因此接收线圈部分设计的关键在于单独二次场信号的提取。在本实施例中，激发装置3、基准线圈4和接收线圈5采用了一种纯水平布置的方式，其中激发装置3优选为发射一次场信号的发射线圈，通过本实施例的这种布置方式，当激发装置3发射一次场信号时，基准线圈4和接收线圈5会同时接收到一次场信号，由于基准线圈4和所述接收线圈5的材质、匝数和面积均相同绕制方向相反，而基准线圈4和接收线圈5距离激发装置距离不会太远，一般在五米以内，所以基准线圈4和接收线圈5会接收到基本相同的一次场信号，并感应产生波形相同并且方向相反的感应电流；由于无人机1在空中进行飞行，由地面或地底反射回的二次场信号可以通过确定的基准线圈4和接收线圈5的距离或调节无人机1的位置使得基准线圈4中二次场信号非常微弱而接收线圈5可以接收到二次场信号，此时将基准线圈4和接收线圈5分别接收到的信号进行叠加后，一次场信号会发生消除，从而只输出二次场信号。
示例的，在本实施例中所称的绕制方向相反是基准线圈4和接收线圈5中一组线圈顺时针方向绕制，另一组线圈反时针方向绕制。示例的，接收线圈5会接收到包括二次场和一次场的总场信号，而基准线圈4近似于只接收到一次场信号，而由于接收线圈5与基准线圈4所采用的同样材质、匝数和面积的绕制方式，当在后级将接收线圈5和基准线圈4的信号进行叠加后，会出现类似相减的效果，即将接收线圈5和基准线圈4中所感应到的一次场信号剔除，从而仅保留有二次场信号，从而通过上述线圈绕制方式实现对一次场的消除。
在本实施例中，根据所述第一前处理信号和所述第二前处理信号计算互耦比是通过比值再乘以106的方式进行互耦比的计算，计算出的单位为ppm，而根据所述互耦比、所述无人机的飞行高度、第一距离和所述激发装置激发的一次场信号的频率计算视导电率可以根据下式进行：
式中，Q为所述互耦比，J 0为0阶贝塞尔函数，r为所述第一距离，h为无人机的飞行高度，f为激发装置激发的一次场信号的频率，σ为视导电率，λ为积分参数，μ为磁化率。应当理解的是，视导电率作为本实施例最终生成的数据，可以直接表征探测探测结果。本实施例通过设置上述设备，使得本装置可以通过无人机的地面电磁数据采集，平台稳定，并且误差交底，也不会影响无人机飞行，同时适应性很强，对于不同频率的一次场信号都可以获得良好的精度。
在一个实施例中，所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5被设置于同一个平直槽道内，且所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5中的至少两个可以在所述平直槽道内运动；
所述装置还包括：
参数获取模块，被配置为获取所述无人机1的飞行高度，并获取所述激发装置3激发的一次场信号的频率作为激发频率；
调节模块，被配置为根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值；所述第二距离为所述基准线圈4和所述接收线圈5之间的距离。
本实施例实施时，请参阅图4，示出了在一次场作用下二次场信号源如矿体产生二次场信号的过程，在实践中发明人发现通过上述实施例进行视导电率的计算时，有时会存在一定的误差，发明人发现误差的主要来源在于飞行高度、第一距离和第二距离的影响，在图5中，虚线表示不同的无人机飞行高度，可以清晰的看出随着无人机高度的不同，二次场的分布情况会发生变化，此时第一距离和第二距离就直接决定了检测的精度。
同样的，在图5中，只是示出了一种频率的一次场引起的二次场信号情况，频率发生变化时，二次场信号也会发生变化；而互耦比本身是一个经过数值放大的比值，其轻微的变化也会引起精度的剧烈变化，所以在本实施例中，发明人采用以上三种数据飞行高度、激发频率和互耦比进行第一距离和第二距离的调节，可以有效的提高计算精度。
在一个实施例中，所述调节模块配置有精度调节模型；所述精度调节模型的输入数据为同一时刻下的飞行高度、激发频率和互耦比；所述精度调节模型的输出数据为所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5之间的距离数据；
当所述调节模块调节第一距离和第二距离时，将所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比输入所述精度调节模型，并根据所述精度调节模型输出的所述距离数据调整所述第一距离和第二距离。
本实施例实施时，应当理解的是精度调节模型可以采用具有解析解的理论公式、具有数值解的经验公式或者通过机器学习、深度学习生成的神经网络模型，均可以实现本方案。只需要满足所述精度调节模型的输入是飞行高度、激发频率和互耦比，而输出是距离数据就可以满足本实施例的需要，输出的所述距离数据是激发装置3、基准线圈4和接收线圈5之间的距离关系，可以是距离的比例，也可以是具体的距离数值。
在一个实施例中，所述精度调节模型根据带有精度约束的样本数据训练而来；
带有精度约束的样本数据是所述视导电率满足精度要求的样本数据；
所述样本数据包括所述输入数据和所述输出数据的对应关系。
本实施例实施时，作为一种优选的方案，本申请采用深度学习的方法对样本进行训练获取精度调节模型，不同于具有解析解的理论公式、具有数值解的经验公式的方案，通过深度学习生成的精度调节模型具有更良好的适应性，并且每次新的样本产生时，也便于进行进一步的模型修正。
在一个实施例中，第一前处理模块和所述第二前处理模块均包括依次串联的匹配网络、保护单元、前置放大电路、放大电路和抗混叠滤波器；所述第一前处理模块的匹配网络接收所述第一信号，所述第一前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第一前处理信号；
所述第二前处理模块的匹配网络接收所述第三信号，所述第二前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第二前处理信号。
在一个实施例中，所述后处理模块包括依次串联的差分转换模块、24位AD转换模块和FPGA；
所述差分转换模块接收并处理所述第一前处理信号和所述第二前处理信号；所述24位AD转换模块对处理后的所述第一前处理信号和所述第二前处理信号进行AD转换；所述FPGA计算转换后的所述第二前处理信号与所述第一前处理信号的比值，并乘以106生成所述互耦比。
本实施例实施时，由于接收信号采集时所存在的工频干扰、线圈的输出阻抗以及频率响应的差异，因此设计相应的匹配网络和保护电路用于减少系统噪声，并同时保证系统工作的稳定性；由于一次场信号和二次场信号相对于地面进行数据采集更加微弱，为保证后级ADC的采样精度，需要分别使用前置放大电路将一次场和二次场信号放大到ADC采集的合理电压范围，而由于二次场本身又相对于一次场信号更加微弱，约弱4个数量级，还需使用二次放大电路将其二次放大，以将其达到与一次场相同的数量级。
由于放大电路在工作时，会同步放大噪声信号，因此为避免后级ADC采集过程出现的噪声干扰，使用抗混叠滤波器，通过低通模拟滤波的方式对放大后的一次场信号和二次场信号进行滤波，以得到真实的一次场和二次场信号；
为保证后级ADC的采集精度，选用差分输入的24位ADC芯片可以最大程度的减少系统工作时引入的电路工作噪声，因此在ADC芯片前级需引入单端转差分芯片，用于将一次场和二次场的单端信号转换为ADC输入的差分信号；经过ADC采集后的两个接收通道信号，将直接被量化为数字量，并直接连接至FPGA芯片来进行数据采集、存储以及信号分析。
基于上述同样的发明构思，请结合参阅图6，还提供了无人机航空频域电磁弱信号接收方法的步骤示意图，关于无人机航空频域电磁弱信号接收方法的详细描述如下。
无人机航空频域电磁弱信号接收方法，应用于上述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5被设置于同一个平直槽道内，且所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5中的至少两个可以在所述平直槽道内运动；
所述方法包括：
S1：获取所述无人机1的飞行高度，并获取所述激发装置3激发的一次场信号的频率作为激发频率；
S2：根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节所述第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值；所述第二距离为所述基准线圈4和所述接收线圈5之间的距离。
在一个实施例中，根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值包括：
将所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比输入精度调节模型，并根据所述精度调节模型输出的所述距离数据调整所述第一距离和第二距离；
所述精度调节模型的输入数据为同一时刻下的飞行高度、激发频率和互耦比；所述精度调节模型的输出数据为所述激发装置3、所述基准线圈4和所述接收线圈5之间的距离数据。
在一个实施例中，所述精度调节模型根据带有精度约束的样本数据训练而来；
带有精度约束的样本数据是所述视导电率满足精度要求的样本数据；
所述样本数据包括所述输入数据和所述输出数据的对应关系。
在一个实施例中，第一前处理模块和所述第二前处理模块均包括依次串联的匹配网络、保护单元、前置放大电路、放大电路和抗混叠滤波器；所述第一前处理模块的匹配网络接收所述第一信号，所述第一前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第一前处理信号；
所述第二前处理模块的匹配网络接收所述第三信号，所述第二前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第二前处理信号；
所述后处理模块包括依次串联的差分转换模块、24位AD转换模块和FPGA；
所述差分转换模块接收并处理所述第一前处理信号和所述第二前处理信号；所述24位AD转换模块对处理后的所述第一前处理信号和所述第二前处理信号进行AD转换；所述FPGA计算转换后的所述第二前处理信号与所述第一前处理信号的比值，并乘以106生成所述互耦比。
在一个实施例中，请参阅图1~图3，本发明基准线圈4及接收线圈5间隔1m，固定在承载平台2内，用抗旋钮绳悬挂在无人机1下方，无人机1以2m/s的飞行速度匀速飞行。基准线圈4及接收线圈5采用多次叠加方式进行数据采集，其中基准线圈4用于获取发射一次场的信号，接收线圈5用于获取包含一次场和二次场的信号。
匹配网络和保护电路用于减少系统噪声，并同时保证系统工作的稳定性；前置放大电路将一次场和二次场信号放大到ADC采集的合理电压范围，而由于二次场本身又相对于一次场信号更加微弱，约弱4个数量级，还需使用二次放大电路将其二次放大，以将其达到与一次场相同的数量级。
由于放大电路在工作时，会同步放大噪声信号，因此为避免后级ADC采集过程出现的噪声干扰，使用抗混叠滤波器，通过低通模拟滤波的方式对放大后的一次场信号和二次场信号进行滤波，以得到真实的一次场和二次场信号；
ADC芯片前级需引入单端转差分芯片，用于将一次场和二次场的单端信号转换为ADC输入的差分信号；经过ADC采集后的两个接收通道信号，将直接被量化为数字量，并直接连接至FPGA芯片来进行数据采集、存储以及信号分析，最后得到有用的信号数据。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，包括悬挂于无人机（1）上的承载平台（2）；所述承载平台（2）上设置有位于同一水平面上且中心点沿直线方向依次设置的激发装置（3）、基准线圈（4）和接收线圈（5）；所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）均水平设置；所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）的材质、匝数和面积均相同，且所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）的绕制方向相反；
还包括：
消除网络模块，被配置为接收并叠加第一信号和第二信号生成第三信号；所述第一信号为当所述激发装置（3）激发一次场信号时，所述基准线圈（4）接收到的信号；所述第二信号为当所述激发装置（3）激发一次场信号时，所述接收线圈（5）接收到的信号；
第一前处理模块，被配置为接收所述第一信号，并对所述第一信号进行前处理后生成第一前处理信号；
第二前处理模块，被配置为接收所述第三信号，并对所述第三信号进行前处理后生成第二前处理信号；
后处理模块，被配置为接收所述第一前处理信号和所述第二前处理信号，并根据所述第一前处理信号和所述第二前处理信号计算互耦比，并根据所述互耦比、所述无人机（1）的飞行高度、第一距离和所述激发装置（3）激发的一次场信号的频率计算视导电率；所述第一距离为所述激发装置（3）和所述接收线圈（5）的距离；
所述互耦比为所述第二前处理信号与所述第一前处理信号的比值，并乘以106；
视导电率根据下式进行计算：
式中，Q为所述互耦比，J 0为0阶贝塞尔函数，r为所述第一距离，h为无人机的飞行高度，f为激发装置激发的一次场信号的频率，σ为视导电率，λ为积分参数，μ为磁化率。
2.根据权利要求1所述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）被设置于同一个平直槽道内，且所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）中的至少两个可以在所述平直槽道内运动；
所述无人机航空频域电磁弱信号接收装置还包括：
参数获取模块，被配置为获取所述无人机（1）的飞行高度，并获取所述激发装置（3）激发的一次场信号的频率作为激发频率；
调节模块，被配置为根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值；所述第二距离为所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）之间的距离。
3.根据权利要求2所述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，所述调节模块配置有精度调节模型；所述精度调节模型的输入数据为同一时刻下的飞行高度、激发频率和互耦比；所述精度调节模型的输出数据为所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）之间的距离数据；
当所述调节模块调节第一距离和第二距离时，将所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比输入所述精度调节模型，并根据所述精度调节模型输出的所述距离数据调整所述第一距离和第二距离。
4.根据权利要求3所述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，所述精度调节模型根据带有精度约束的样本数据训练而来；
带有精度约束的样本数据是所述视导电率满足精度要求的样本数据；
所述样本数据包括所述输入数据和所述输出数据的对应关系。
5.根据权利要求1所述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，第一前处理模块和所述第二前处理模块均包括依次串联的匹配网络、保护单元、前置放大电路、放大电路和抗混叠滤波器；所述第一前处理模块的匹配网络接收所述第一信号，所述第一前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第一前处理信号；
所述第二前处理模块的匹配网络接收所述第三信号，所述第二前处理模块的抗混叠滤波器向所述后处理模块输出所述第二前处理信号。
6.根据权利要求1所述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，所述后处理模块包括依次串联的差分转换模块、24位AD转换模块和FPGA；
所述差分转换模块接收并处理所述第一前处理信号和所述第二前处理信号；所述24位AD转换模块对处理后的所述第一前处理信号和所述第二前处理信号进行AD转换；所述FPGA计算转换后的所述第二前处理信号与所述第一前处理信号的比值，并乘以106生成所述互耦比。
7.无人机航空频域电磁弱信号接收方法，应用于权利要求1中所述的无人机航空频域电磁弱信号接收装置，其特征在于，所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）被设置于同一个平直槽道内，且所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）中的至少两个可以在所述平直槽道内运动；
所述方法包括：
获取所述无人机（1）的飞行高度，并获取所述激发装置（3）激发的一次场信号的频率作为激发频率；
根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节所述第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值；所述第二距离为所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）之间的距离。
8.根据权利要求7所述的无人机航空频域电磁弱信号接收方法，其特征在于，根据所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比调节第一距离和第二距离至所述视导电率的计算精度达到预设值包括：
将所述飞行高度、所述激发频率和所述互耦比输入精度调节模型，并根据所述精度调节模型输出的距离数据调整所述第一距离和第二距离；
所述精度调节模型的输入数据为同一时刻下的飞行高度、激发频率和互耦比；所述精度调节模型的输出数据为所述激发装置（3）、所述基准线圈（4）和所述接收线圈（5）之间的距离数据。
9.根据权利要求8所述的无人机航空频域电磁弱信号接收方法，其特征在于，所述精度调节模型根据带有精度约束的样本数据训练而来；
带有精度约束的样本数据是所述视导电率满足精度要求的样本数据；
所述样本数据包括所述输入数据和所述输出数据的对应关系。
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