瞬變電磁信號檢測技術研究與實現

葉金才，王小紅，姚榮彬，唐 欣

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學，廣西 柳州 545006）

1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法[1]（簡稱TEM法）屬于時間域的電磁感應方法，是一種重要的地球物理勘探方法。與其他物探方法相比，它具有投入少、高效易行、信息豐富和準確度較高等特點。近年來，TEM法得到了快速發展，在礦藏、煤田水文、地質構造和土地鹽堿化等勘查領域有著廣泛的應用。

瞬變電磁發射機向發射線圈注入特定頻率雙極性矩形脈沖電流作為激勵源（稱為一次場）。磁場信號由地表向地下傳播過程中，激勵地下導電介質產生感生渦流。當發射電流中斷時，一次場瞬間消失，感生渦流形成瞬變二次場[2]。在發射電流關斷期間，觀測二次場信號隨時間衰減的響應。通過不同的時間窗口觀測信號，以獲取不同探測深度的地質體的電性參數。圖1為TEM發射電流與二次場感應信號波形。呈指數衰減[3]。信號幅度和衰減速度與被測地質體的電性參數、分布規模及深度有關[4]。信號衰減一般分為早、中、晚期三個階段。其中，早期幅度大，可達1 V以上，以高頻為主衰減，速度快，最高可達數百千赫茲；中晚期以低頻為主衰減，速度緩慢，幅度小；晚期幅度處于納伏特量級，動態范圍高達140 dB。圖2為TEM信號的衰減曲線及取樣示意圖。

圖2 TEM信號衰減曲線及取樣示意圖

圖1 TEM發射電流和二次場感應信號波形

2 瞬變電磁信號特征及檢測方法

瞬變電磁法二次場具有早期幅值高、變化速度快、晚期信號微弱和動態范圍大的特點，信號幅度隨時間

瞬變電磁法準確獲取地質體電性參數的前提，是接收機準確檢測整個衰減周期內的二次場信號，需要設計合理的信號調理方案滿足靈敏度和動態范圍的要求[5]。目前，國內外的TEM接收機信號采集常用模擬取樣積分、分段放大以及利用高速高精度ADC三種方法對經過放大的信號數字化。

模擬取樣積分[6]是一種成熟的微弱信號檢測方法，利用不同積分門分時取樣信號，取樣積分結果通過A/D轉換后，由后端處理器對數據做疊加平均及歸一化處理。取樣積分具有動態范圍大、靈敏度高以及疊加平均信噪比提升明顯等優點[7]，但早期時間分辨率不佳。積分器對元件精度、一致性要求較高，且控制邏輯比較復雜。測道數取決于積分門數量。

分段放大法是根據二次場早、中、晚期信號的信號幅度不同，利用高精度可編程放大器（PGA）對信號進行分時段放大，經過A/D轉換后，由主控處理器進行歸一化、疊加平均處理與數據抽道。分段放大法可以獲得較好的頻率響應，早期信號時間分辨率優于模擬積分法，通過疊加平均方法改善信噪比，但對放大器的性能要求較高，且晚期弱信號提取能力不強。

直接取樣法利用高速高精度ADC（24位以上）對經過PGA放大的信號直接數字化，通過疊加平均方法改善信噪比以檢測晚期信號。它的電路原理和控制邏輯簡單，瞬態響應好，但對硬件電路的背景噪聲要求苛刻，動態范圍受限于ADC，器件成本較高[8]。

3 基于FPGA的瞬變接收機方案設計

目前，國內外的瞬變電磁系統接收機多采用單片機或者工控機作為主控制器。處理器由于架構的局限性和指令執行的不確定性，無法同時并行執行多個任務進程。邏輯控制電路通常采用單片機I/O口擴展或分立器件搭建，存在電路復雜實現難度大、同步性能不佳等問題。

瞬變電磁法二次場信號準確采集通常要求收發射和接收同步誤差小于100 ns，以保證信號正確疊加。現場可編程邏輯陣列（FPGA）是一種由用戶定義的可編程邏輯器件，集成了豐富的邏輯門、觸發器、存儲器及I/O引腳[9]。相對于普通處理器，FPGA的優勢在于可并行執行多個獨立的任務進程。利用FPGA設計數據采集系統可提高系統的靈活性和集成度，降低復雜度與功耗。

接收機方案采用FPGA作為主邏輯控制器。DSP作為數據處理核心并負責通信，具備直接采樣和取樣積分功能。圖3為接收機設計方案的原理框圖，主要由信號調理、邏輯控制、GPS/DBS同步、數據處理與通信等功能模塊構成。

圖3 基于FPGA的瞬變電磁接收機原理

信號調理電路主要由低噪放（LNA）、可編程放大器（PGA）、絕對值放大器、積分器以及多路復用器等構成。它負責把天線感應信號經過放大、濾波以及積分處理后，使信號擺幅滿足ADC芯片LTC2386-16的輸入范圍要求。低噪放是決定接收機信噪比的關鍵部分，擬采用ADI公司的孿生三極管MAT02設計差動放大器，配以精密金屬膜電阻以獲得最佳的噪聲系數和最低的輸出偏移誤差。主放大器PGA1采用PGA202設 計， 增 益 檔 位 有0 dB、20 dB、40 dB、60 dB四檔。后級增益調整放大器PGA2采用PGA203設計，增益檔位有0 dB、6 dB、12 dB、18dB四檔。絕對值放大器采用LT1028和電子開關ADG402設計。積分器電路選用超低輸入偏置電流的高速FET運放OPA602作為積分放大器。多路復用器ADG506作為切換開關，以經過匹配的CBB電容作為積分電容。

主邏輯控制器FPGA（EP2C8Q208）內部邏輯功能，如圖4所示。同步跟蹤模塊處理系統同步，接收來自GPS/BDS授時模塊的同步秒脈沖（1 PPS）信號，利用秒脈沖的上升沿觸發數據采集。授時模塊采用LEA-M8T，秒脈沖信號上升沿平均抖動時間小于20 ns。FPGA內部采用100 MHz時鐘跟蹤鎖定秒脈沖，保證收發平均同步誤差小于50 ns。FPGA還負責接收機各個功能模塊的同步控制，信號擺幅超限監測，為調理電路與積分門積分提供同步門控信號，控制A/D轉換及數據緩存，通過總線接口與DSP交換數據等。

數據處理部分設計以TI公司的浮點型DSP芯片TMS320F28335為核心，為同步疊加平均計算與增益計算等數據處理提供硬件支撐，并且負責與上位機的通信和配置FPGA工作參數，包括工作頻率、積分時間門和采樣時延等，通過軟件對積分器及信號調理電路進行線性校正。

4 瞬變電磁信號復合采樣方法研究實現

針對瞬變信號的特點，采用直接取樣和取樣積分相結合的信號取樣方法，即對早期和中晚期信號分別采用直接取樣和取樣積分進行采集。兩種采集方式的信號調理方法有所不同，須通過內部標定把信號調理電路及處理方法不同帶來的誤差通過補償方式降到最低。

對于直接采樣方式，可以通過式（1）計算輸入信號Si(n)的幅度：

式中D(n)為ADC的轉換結果，Vref為ADC的參考電壓，N為ADC的位數，Voffset為輸入偏置電壓，GPGA1、GPGA2為兩級可編程放大器的增益。

對于積分器來說，積分器第n個積分門的積分結果可以通過式（2）計算得到：

其中Si(t)為天線感應到的信號幅度，tn為積分門開始積分的時刻，Δt為積分時長，RS為積分器的輸入電阻，RG多路復用器的導通電阻，C為積分電容值。對計算處理第n個積分門的取樣結果，常用的是線性平均方法，即假定tn到tn+Δt時間段的信號是線性變化的，tn+Δt/2時刻的信號強度為Si(n)，則式（2）可簡化為：

通過式（4）利用ADC對第n個積分門輸出電平VO(n)的轉換結果D(n)，可以計算到第n個時間窗口Si(n)的值：

式（4）中的檢測結果主要受RS、RG和C的固有物理特性影響；器件的誤差、溫漂以及介質損耗和各個積分門的RG的差異，會產生偏移誤差和線性誤差。偏移誤差通過雙極性信號疊加消除，線性誤差需要通過內部標定方式來校準。

標定利用內部的參考電壓源，產生一個穩定的雙極性參考信號Sref(t)輸入到低噪放，通過多周期疊加平均降低背景噪聲影響。按照式（1）處理的結果與Sref(t)作比較，計算標定PGA各級增益系數。積分器標定按照式（4）處理積分門輸出，標定各個積分門系數。采集數據時，DSP利用增益系數和各個積分門系數校準處理結果。

圖5是基于直接采樣與積分取樣的信號采集流程。先通過預采樣方式設定兩級PGA的增益。由同步信號觸發采樣，先利用直接采樣方式對早期信號進行采集，再利用積分器對中晚期信號進行取樣積分。ADC轉換數據由FPGA緩存、由DSP讀取后再做進一步處理。

圖5 信號采集流程

5 實測數據分析

接收機方案已在峰峰煤業集團邢臺的東龐礦區的地下水文調查中應用。發射線框為1 000 m×1 000 m，發射采用頻率為2.5 Hz、占空比為1:1的雙極性脈沖信號，發射電流為24 A，系統采用GPS/BDS授時同步方式，信號采集時間延遲為500 μs，信號采集時間長度為80 ms，共設置了62個測道，重復疊加周期數為64。圖6為實際探測測線的衰減曲線和數據抽道曲線，接收機準確記錄了二次場信號在檢測周期內的變化，可穩定檢測到1 μV以下的晚期信號，具有很強的弱信號提取能力，且靈敏度滿足了TEM接收機要求。

圖6 實測衰減曲線及數據抽道曲線

6 結 論

在研究瞬變電磁法原理及信號的特征基礎上，研究實現以FPGA為邏輯主控器、DSP為數據處理核心的瞬變電磁接收機方案，采用直接取樣與積分取樣相結合的采集方法，經過實測數據驗證，得出結論：

（1）以FPGA+DSP的硬件結構適合TEM系統信號采集，具有靈活性強、集成度高及同步誤差小的特點；

（2）通過內部標定方式獲取信號調理電路增益參數和積分器積分系數，可提升數據的準確性；

（3）綜合利用高速ADC直接采樣和取樣積分，可提高TEM信號早期時間分辨率和晚期微弱信號的提取能力。

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