可控源电磁探测正交检测技术研究

发布时间：2017-08-06 09:10

  本文关键词：可控源电磁探测正交检测技术研究

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【摘要】：可控源电磁探测方法就是在人工激励场源的作用下,通过电场和磁场传感器来获取地下介质的电磁信息,从而实现对地下介质结构的探测。随着现代科学技术水平的不断发展,人类社会活动的不断增加,该方法已经在水资源、地热资源、矿产资源勘查,工程方面的监测与管理以及地下管道线路测定等多个领域取得了越来越普遍的应用。在野外工作时,发射机发射方波的激励场源,数台至数十台接收机同时工作,各接收机间相距数十米。为了保证野外工作的准确性与有效性,需要对可控源电磁探测系统所采集到的大量时域数据进行实时的监测与评价,通常所采用的采集数据实时监测方案有:一、给每台接收机均配备一台电脑,实现对采集到的时域信号进行频域变化;二、通过控制器的控制将采集到的大量时域数据通过有线或无线上传至上层监控电脑;这两种方法均有着成本高、功耗大、无线传输误码率高等缺点。基于信号检测领域一种广泛应用的正交检测技术,针对传统正交检测技术在应用于可控源电磁探测信号幅度和相位提取的不足之处,提出了一种改进的正交检测技术,更加满足于以方波作为激励源的采集数据的实时监测和评价。由于所提算法是采用FPGA和单片机作为主控器通过运算得以实现,满足了采集数据实时监测的低成本、低功耗、实时性、检测精度、便携性等方面的要求,为以方波作为激励源的可控源电磁探测及其相关工作提供了硬件平台和实验依据。本文的工作内容如下:1)分析并介绍了可控源电磁探测的基本原理,结合实际的野外工作情况和特点,通过分析目前所使用的采集数据实时监测与评价方案的特点和不足,阐述了本课题的研究背景与意义。2)根据对传统正交检测原理的分析,基于可控源电磁探测采用方波作为激励源的特点,推导并分析了传统正弦波参考的正交检测技术和方波参考的正交检测技术的实现过程和检测结果。结合传统正交检测技术的优缺点,添加特定频率的参考信号,本文提出了一种改进的无乘法正交检测技术,更好地适应了方波激励源,在降低硬件要求的同时还提高了最终的检测精度。3)设计整体的可控源电磁探测正交检测方案,针对所提改进算法的实现过程,设计了匹配的滤波电路,在运用改进算法对主要谐波成分进行滤除以后,通过匹配的低通滤波器滤除多余的高频谐波成分;利用添加匹配高通滤波器(HPF)实现对具有高通特性大地介质特性影响的分析。4)基于改进的正交检测原理,采用降采样率的采样方法和取样积分技术,选取一定的采样点数,在降低对AD芯片指标要求和避免频谱泄露之外,还使系统在采样精度方面也得到了提升。5)选取16位并行的AD676模数转换芯片对采集数据进行采样和转换,利用FPGA和单片机MSP430作为采集系统的主控器。在FPGA内部搭建方波输出、AD控制、正交检测控制、求余和正交检测运算等模块,实现适用于可控源电磁探测的改进型正交检测技术;在MSP430中通过编程和外接液晶、键盘等设备实现良好的人机交互。同时,为了在野外实验时,保障精度方面所需的较高要求,本设计在同步方面采用恒温晶振与GPS两个系统时钟协同的工作方式。6)基于所搭建的硬件平台,对改进的正交检测技术进行试验,提取可控源电磁探测采集信号的幅度和相位信息。通过对比和分析实测结果,证明所提算法具有较高的检测精度,验证该算法的可行性和可靠性,为更加实时、快捷地对可控源电磁探测的采集数据进行实时监测和评价打下了坚实的基础。最终的实测结果表明:改进型正交检测技术具有可行性,且相对于传统正弦波参考的正交检测幅度误差为0.01%~0.72%,相位误差保证在4?的范围内;与传统方波参考的正交检测技术相比,最终的检测精度提升了一个数量级以上。改进型正交检测技术在对数据量较大的时域采集信息进行处理时,因无需进行乘法运算、实时性较高、具有较低的硬件要求,且能抑制高通特性大地介质作用,而在可控源电磁勘探里拥有着很好的实际使用价值与发展远景。
【关键词】：可控源电磁探测 特定频率参考信号 正交检测技术 高通特性大地介质 低采样率
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P631.325
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 引言13
• 1.2 研究背景与意义13-15
• 1.2.1 研究背景13-14
• 1.2.2 研究意义14-15
• 1.3 研究现状15-17
• 1.3.1 国外研究现状15-16
• 1.3.2 国内研究现状16-17
• 1.4 论文研究内容与结构17-18
• 第2章 正交检测理论研究18-29
• 2.1 可控源电磁探测原理18-19
• 2.2 实时监测原理19-21
• 2.3 正交检测原理21-24
• 2.4 传统正交检测技术分析24-26
• 2.5 改进的正交检测技术26-29
• 第3章 匹配采样电路的设计29-35
• 3.1 匹配低通滤波器设计29-30
• 3.2 匹配低通滤波器的影响分析30-32
• 3.3 匹配高通滤波器设计32
• 3.4 高通特性大地介质分析32-35
• 第4章 数据采集及转换35-40
• 4.1 系统硬件设计35-37
• 4.1.1 供电电源部分设计35-36
• 4.1.2 数据采集芯片选取36-37
• 4.2 AD采集及转换设计37-40
• 4.2.1 AD676的自动校准37-38
• 4.2.2 AD676的转换控制38-39
• 4.2.3 AD676的时序控制39-40
• 第5章 正交检测技术研究40-50
• 5.1 匹配采样技术40-43
• 5.1.1 降采样要求40
• 5.1.2 取样积分技术40-42
• 5.1.3 采样点数选取原则42-43
• 5.2 正交检测技术43-47
• 5.2.1 正交检测运算43-44
• 5.2.2 FPGA控制和数据处理44-47
• 5.3 系统同步技术47-50
• 第6章 实验测试与分析50-60
• 6.1 系统性能测试50-54
• 6.1.1 低通性能测试50-52
• 6.1.2 高通特性测试52-54
• 6.2 同步结果测试54-56
• 6.2.1 同步误差分析54-55
• 6.2.2 同步测试结果55-56
• 6.3 正交检测误差分析56-60
• 第7章 全文总结60-62
• 7.1 研究工作成果60-61
• 7.2 进一步研究建议61-62
• 参考文献62-68
• 附录A 带低通的仿真原理图68-69
• 附录B 带高通和低通的仿真原理图69-70
• 学术论文与科研成果70-71
• 作者简介71-72
• 致谢72

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本文编号：629212