浅地表电磁探测系统关键技术研究

发布时间：2016-04-26 22:36

第 1 章    绪    论

1.1 课题研究背景及意义
人类社会现代化脚步逐渐加快,城市化进程迅速向前迈进,基础设施不断向地下空间扩展,如各类供排管线,通信线缆,电力线缆均已大量的被城市建设者埋藏在城市浅地表甚至于城际,国际之间。在对城市进行更深程度的建设与开发的同时,如若忽略对浅埋于地下的基础设施的了解,将会造成极大的经济损失;在环境地质方面,有害化学溶液的泄漏,地质结构异常,隧道、堤坝等工程的暗伤问题均构成严重的安全隐患;在军事方面,投放战场的子母弹与战场上遗留下来的未爆弹均会随着时间的推移被风沙、树叶所掩埋,对生命安全产生严重威胁[1,2]。对浅层地表结构的掌握与评估并就此展开工程勘探工作变得尤为重要。 电磁探测方法由于其便捷、高效、安全的工作特点,近年来成为浅地表勘察的重要手段。通过地下异常体对电磁场所产生的不同反应,采集并分析回波信号来寻找、鉴定地下异常目标。目前主流的探测方法有三种:探地雷达,时间域方法,频率域方法。探地雷达采用信号频率较高,在近地面工作时遇到尖锐的地面凸起往往也会被标记为异常而产生误判;时间域方法发射脉冲消散时间与采集时间通常具有重叠区域,早期信号易受一次场干扰,影响探测灵敏度;频率域方法采集周期数与探测时间可控,在保证数据质量的同时可兼顾探测效率。支持扫频采集,能够在较全频率范围内展现异常体的频率特性曲线,对地表干扰可采取有效手段进行抑制,近年来成为解决浅地表探测问题的优秀方案。 本文紧密结合课题背景,设计并实现了一种专门用于浅地表探测的频率域电磁法仪器。通过发射功率电路向发射线圈输出电流信号,建立可靠高质的一次场,通过抵消线圈耦合经地表以及异常体所反射的二次场信号,并对其量化分析,提取出 I,Q 分量曲线,清晰的展现了浅地表异常的频率特性。所研制的系统样机满足浅地表探测在实时性、抗干扰、探测精度、工作效率等方面的较高要求,为浅地表探测及其相关工作提供了硬件平台与实验依据。  
........

1.2 国内外研究现状
使用频率域电磁法寻找地下矿脉,进行大深度地质结构普查与水文地质资料获取等工作早已在世界范围内展开,论述繁多,成果显著,商品化仪器百花盛开,如德国 Metronix 公司的 ADU-07,加拿大 Phoenix 公司的 V8,美国 Zonge 公司的 GDP-32、ZEN,诠释了频率域电磁法在地质调查工作中占有的重要地位。而上述研究成果及仪器主要针对几百米至几千米的深部地层,采用探测信号频率较低,工作周期较长,所面向的探测目标巨大,比较适合参与人数众多的大规模作业与普查性质的工作。浅地表电磁探测则主要应用于军用、民用方面,针对地下基础设施建设、工程质量勘探、未爆弹探测等贴近人类活动的场合展开工作,相应国外仪器主要为美国 Geophex 公司的 GEM 系列频率域电磁法仪器。GEM 系列仪器采用收发一体结构,主要型号按照天线结构不同分为 GEM-2、GEM-3 与 GEM-5,可单人或车载完成作业,提高了探测灵活性。使用频率为300Hz-96kHz 的单频或 3~5 频率合成波信号进行探测,探测频率需链接计算机进行设定,所采集数据不具备或较低程度的具备实时显示功能,详细的探测结果需要在探测完成后通过数据线上传至计算机进行分析显示,且对浅埋的微小目标体的响应有待提高。浅地表电磁探测主要发展方向为高实时,高精度,可视化,要求仪器灵敏度高,响应快速,能够收集更全面的目标频谱特性,现有仪器若不作更新,将不能满足日益增长的探测需求。 本文针对浅地表电磁探测仪器发展趋势,借鉴国外成型仪器先进经验,重新分析探测方案需求,对浅地表电磁探测系统关键技术进行了研究。目前已完成模拟探测实验并取得了较好的实验结果,验证了仪器系统的可行性,为仪器系统的工程化提供了有力参考。
........

第 2 章浅地表电磁探测原理及系统结构设计

2.1 浅地表电磁探测原理
浅地表电磁探测采用平衡式线圈结构,较大的发射线圈铺设在外围,由发射部分功率电路供给电流信号产生足够发射磁矩,激发并建立一次场,异常目标在一次场激励下产生内部涡流,反射二次场。作为接收传感器的自抵消线圈铺设位置恰好与发射线圈同心且同平面,构成对称平衡的位置关系,故在真空环境下其两端抽头的感应信号理想值趋近于零。异常体进入探测范围后,打破了接受线圈周围的电磁场平衡关系,接收线圈与反射的二次场耦合,在线圈抽头端产生电动势,即为系统接收信号,如图 2.1 所示。  由表 2.2 可知,非探测物质的电导率一般在 10-1~10-6S/m,明显低于表 1 所示的需探测物质。因此,在进行近地表探测时,只要检测到电导率明显偏大即可初步判断地下具有金属性异常,当检测到磁导率具有明显偏大,即可初步判断地下具有导磁性异常。电导率与磁导率的变化通常可以反映在二次场的电特性变化上。由图 2.1 可知,接收天线耦合的信号主要有两部分组成,一部分是通过上层空气直接与接受线圈耦合的一次场信号,另一部分电磁场通过下层的地下介质耦合到接收天线。当探测线圈途经浅埋由电或磁的良导体的区域时,这些良导体会感生出较为明显的二次场信号,通过接收机对二次场信号幅值相位信息变化的分析与表达,即可判断所要探测目标的具体位置及特性。 
.........

2.2 探测系统总体设计
本设计建立在以平衡式探测线圈为传感器展开探测工作的基础之上,以探测精准、灵敏为前提,按照系统便于操作,观测方式更加人性化的思想,提出了如图 2.2 所示的总体框架,旨在搭建多通道,具有较大探测范围,又能对微小目标体敏感的车载或机器人平台上的探测系统。 图 2.2 中所示框架主要由探测线圈,探测系统硬件实体与上位机三个主要部分构成。探测线圈采用阵列式 PCB 线圈板,保证参数的精准、机械结构上的固定并实现多通道的传感器结构,收发线圈以同心圆的结构在线圈板上布局,对外界共模干扰具有一定的自抵消性;探测系统硬件实体分为发射系统与接收系统两部分,发射系统受接收系统数字电路控制,为发射线圈供给足够大的交变电流以建立一次场信号,多通道接收系统主要对每个接收线圈输出的信号进行调理、通过 32 位 ADC 对信号进行数模转换,以 FPGA 整合数字部分各接口,完成控制策略,并负责通过 CY7C68013 芯片所实现的 USB 接口与上位机进行通信,实现数据高速传输,将多通道采集数据上传给上位机,并将上位机的控制指令译码为底层硬件信号,控制整套底层系统硬件的工作与同步;上位机采用笔记本电脑中配套编写的采集软件提供人机接口,将所得数据进行后期的算法处理。首先通过上位机对探测区域的背景场进行标定,保留标定结果,再用实际探测结果与标定结果做差,将差值曲线作为有无异常的评判标准,并实时的显示最终数据曲线,即 I、Q 分量曲线,根据曲线的不同形态来区分浅埋的不同异常体,实现探测目的。
........

第 3 章发射系统关键技术 .........8
3.1 随机尖峰抑制研究 .........8
3.2 温度漂移抑制研究 .......10
第 4 章接收系统关键技术 .......14
4.1 前端模拟信号调理 .......15
4.1.1 前置放大器设计 .........15
4.1.2 滤波电路设计 ......16
4.2 数字电路关键部分设计 ......18
4.2.1FPGA 与 USB 模块数字接口设计 .........18
4.2.2 精确同步控制技术 .....22
4.2.3 基于阶梯波参考信号的 PSD 实现........25
4.2.4 高实时性数据缓冲传输方案与实现 .....35
第 5 章上位机软件设计与数据处理技术....40
5.1 上位机软件总体设计 ..........40
5.2 采集与缓存策略 ....41
5.3 上位机数据处理 ....43

第 6 章异常体探测实验与结果 

6.1 金属异常特性测试 

模拟真实探测场景,在实验室的沙池中尝试对线圈周围的金属异常进行探测并描绘探测曲线。实验步骤:(1) 对仪器进行标定,进行数字相位校正。(2) 点击开始采集按钮进行正常采集。(3) 观察并记录各种金属异常样品的 IQ 分量曲线是否有差异实验第 2 步,正式开始采集时,利用当前采集所得的 IQ 分量曲线与背景场的差值曲线,放置金属异常后,这个差值曲线明显的体现出来,对比可见不同样品的频率曲线差异明显,(i)图中非闭合簧垫在异常激发下其内部难以形成产生二次场的涡流,故响应较小。由表 6.1 与表 6.2 所示的实验数据可知,系统所采集的异常体频率特性谱较为光滑,曲线不会随着频率的连续变化而突变,探测质量较高。对不同异常所表达出来的曲线形态差异明显,能够达到区分的目的,对微小异常具有良好的适用性。

.......

总结 

本文设计并实现了一种专门用于浅地表探测的频率域电磁法仪器,参考国外现有仪器设计经验,分析浅地表电磁探测的工作方式,从电磁探测原理与异常体在电导率磁导率方面的差异,论述了课题的可行性,从而确定了仪器系统的总体框架。 系统实现主要有三个大部分构成:第一部分为功率发射部分,主要由 DC/DC模块及发射桥路构成,并通过发射线圈建立探测所需的一次场信号;第二部分为接收部分,将线圈耦合来的二次场信号经模拟调理,模数转换后传入 FPGA 并利用 USB 单片机完成向上位机传输的高速数据接口,利用 FPGA 实现整个系统的控制与发射桥路驱动信号;第三部分为上位机软件部分,将所得数据进行进一步的分析与表达,实现人机交互。 完成论文期间所做工作总结如下:
(1) 对浅地表电磁探测原理进行了分析,了解近地表电磁探测的工作方式与工作特点。对异常目标的电导率与磁导率进行统计,确定仪器的探测目标。
 (2) 对发射电路结构中影响探测精度的因素进行了分析,通过实验找到了问题所在:通过加装 LC 滤波器的方法去除了由电路寄生电容与线圈电感之间的谐振所产生的随机尖峰;通过选择温度漂移较小的元件来抑制电路收温度变化所产生的不稳定表现。 
(3) 接收部分采用 FPGA+USB 模块的结构,采用异步 slaveFIFO 完成了高速的数据传输,在 FPGA 内部设计了同步调谐模块保证采集到的相位信息准确可靠,同时实现了基于阶梯波参考的信号提取技术,加快了采集速度,设计并实现了数据缓存电路,保证数据稳定的实时传输。 
.........
参考文献(略)

，

本文编号：40095