瞬变电磁信号检测技术研究与实现

2018-07-10叶金才王小红姚荣彬

通信电源技术 2018年4期

叶金才，王小红，姚荣彬，唐欣

（1.桂林电子科技大学，广西桂林 541004；2.广西科技大学，广西柳州 545006）

1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法[1]（简称TEM法）属于时间域的电磁感应方法，是一种重要的地球物理勘探方法。与其他物探方法相比，它具有投入少、高效易行、信息丰富和准确度较高等特点。近年来，TEM法得到了快速发展，在矿藏、煤田水文、地质构造和土地盐碱化等勘查领域有着广泛的应用。

瞬变电磁发射机向发射线圈注入特定频率双极性矩形脉冲电流作为激励源（称为一次场）。磁场信号由地表向地下传播过程中，激励地下导电介质产生感生涡流。当发射电流中断时，一次场瞬间消失，感生涡流形成瞬变二次场[2]。在发射电流关断期间，观测二次场信号随时间衰减的响应。通过不同的时间窗口观测信号，以获取不同探测深度的地质体的电性参数。图1为TEM发射电流与二次场感应信号波形。呈指数衰减[3]。信号幅度和衰减速度与被测地质体的电性参数、分布规模及深度有关[4]。信号衰减一般分为早、中、晚期三个阶段。其中，早期幅度大，可达1 V以上，以高频为主衰减，速度快，最高可达数百千赫兹；中晚期以低频为主衰减，速度缓慢，幅度小；晚期幅度处于纳伏特量级，动态范围高达140 dB。图2为TEM信号的衰减曲线及取样示意图。

图2 TEM信号衰减曲线及取样示意图

图1 TEM发射电流和二次场感应信号波形

2 瞬变电磁信号特征及检测方法

瞬变电磁法二次场具有早期幅值高、变化速度快、晚期信号微弱和动态范围大的特点，信号幅度随时间

瞬变电磁法准确获取地质体电性参数的前提，是接收机准确检测整个衰减周期内的二次场信号，需要设计合理的信号调理方案满足灵敏度和动态范围的要求[5]。目前，国内外的TEM接收机信号采集常用模拟取样积分、分段放大以及利用高速高精度ADC三种方法对经过放大的信号数字化。

模拟取样积分[6]是一种成熟的微弱信号检测方法，利用不同积分门分时取样信号，取样积分结果通过A/D转换后，由后端处理器对数据做叠加平均及归一化处理。取样积分具有动态范围大、灵敏度高以及叠加平均信噪比提升明显等优点[7]，但早期时间分辨率不佳。积分器对元件精度、一致性要求较高，且控制逻辑比较复杂。测道数取决于积分门数量。

分段放大法是根据二次场早、中、晚期信号的信号幅度不同，利用高精度可编程放大器（PGA）对信号进行分时段放大，经过A/D转换后，由主控处理器进行归一化、叠加平均处理与数据抽道。分段放大法可以获得较好的频率响应，早期信号时间分辨率优于模拟积分法，通过叠加平均方法改善信噪比，但对放大器的性能要求较高，且晚期弱信号提取能力不强。

直接取样法利用高速高精度ADC（24位以上）对经过PGA放大的信号直接数字化，通过叠加平均方法改善信噪比以检测晚期信号。它的电路原理和控制逻辑简单，瞬态响应好，但对硬件电路的背景噪声要求苛刻，动态范围受限于ADC，器件成本较高[8]。

3 基于FPGA的瞬变接收机方案设计

目前，国内外的瞬变电磁系统接收机多采用单片机或者工控机作为主控制器。处理器由于架构的局限性和指令执行的不确定性，无法同时并行执行多个任务进程。逻辑控制电路通常采用单片机I/O口扩展或分立器件搭建，存在电路复杂实现难度大、同步性能不佳等问题。

瞬变电磁法二次场信号准确采集通常要求收发射和接收同步误差小于100 ns，以保证信号正确叠加。现场可编程逻辑阵列（FPGA）是一种由用户定义的可编程逻辑器件，集成了丰富的逻辑门、触发器、存储器及I/O引脚[9]。相对于普通处理器，FPGA的优势在于可并行执行多个独立的任务进程。利用FPGA设计数据采集系统可提高系统的灵活性和集成度，降低复杂度与功耗。

接收机方案采用FPGA作为主逻辑控制器。DSP作为数据处理核心并负责通信，具备直接采样和取样积分功能。图3为接收机设计方案的原理框图，主要由信号调理、逻辑控制、GPS/DBS同步、数据处理与通信等功能模块构成。

图3 基于FPGA的瞬变电磁接收机原理

信号调理电路主要由低噪放（LNA）、可编程放大器（PGA）、绝对值放大器、积分器以及多路复用器等构成。它负责把天线感应信号经过放大、滤波以及积分处理后，使信号摆幅满足ADC芯片LTC2386-16的输入范围要求。低噪放是决定接收机信噪比的关键部分，拟采用ADI公司的孪生三极管MAT02设计差动放大器，配以精密金属膜电阻以获得最佳的噪声系数和最低的输出偏移误差。主放大器PGA1采用PGA202设计，增益档位有0 dB、20 dB、40 dB、60 dB四档。后级增益调整放大器PGA2采用PGA203设计，增益档位有0 dB、6 dB、12 dB、18dB四档。绝对值放大器采用LT1028和电子开关ADG402设计。积分器电路选用超低输入偏置电流的高速FET运放OPA602作为积分放大器。多路复用器ADG506作为切换开关，以经过匹配的CBB电容作为积分电容。

主逻辑控制器FPGA（EP2C8Q208）内部逻辑功能，如图4所示。同步跟踪模块处理系统同步，接收来自GPS/BDS授时模块的同步秒脉冲（1 PPS）信号，利用秒脉冲的上升沿触发数据采集。授时模块采用LEA-M8T，秒脉冲信号上升沿平均抖动时间小于20 ns。FPGA内部采用100 MHz时钟跟踪锁定秒脉冲，保证收发平均同步误差小于50 ns。FPGA还负责接收机各个功能模块的同步控制，信号摆幅超限监测，为调理电路与积分门积分提供同步门控信号，控制A/D转换及数据缓存，通过总线接口与DSP交换数据等。

数据处理部分设计以TI公司的浮点型DSP芯片TMS320F28335为核心，为同步叠加平均计算与增益计算等数据处理提供硬件支撑，并且负责与上位机的通信和配置FPGA工作参数，包括工作频率、积分时间门和采样时延等，通过软件对积分器及信号调理电路进行线性校正。

4 瞬变电磁信号复合采样方法研究实现

针对瞬变信号的特点，采用直接取样和取样积分相结合的信号取样方法，即对早期和中晚期信号分别采用直接取样和取样积分进行采集。两种采集方式的信号调理方法有所不同，须通过内部标定把信号调理电路及处理方法不同带来的误差通过补偿方式降到最低。

对于直接采样方式，可以通过式（1）计算输入信号Si(n)的幅度：

式中D(n)为ADC的转换结果，Vref为ADC的参考电压，N为ADC的位数，Voffset为输入偏置电压，GPGA1、GPGA2为两级可编程放大器的增益。

对于积分器来说，积分器第n个积分门的积分结果可以通过式（2）计算得到：

其中Si(t)为天线感应到的信号幅度，tn为积分门开始积分的时刻，Δt为积分时长，RS为积分器的输入电阻，RG多路复用器的导通电阻，C为积分电容值。对计算处理第n个积分门的取样结果，常用的是线性平均方法，即假定tn到tn+Δt时间段的信号是线性变化的，tn+Δt/2时刻的信号强度为Si(n)，则式（2）可简化为：

通过式（4）利用ADC对第n个积分门输出电平VO(n)的转换结果D(n)，可以计算到第n个时间窗口Si(n)的值：

式（4）中的检测结果主要受RS、RG和C的固有物理特性影响；器件的误差、温漂以及介质损耗和各个积分门的RG的差异，会产生偏移误差和线性误差。偏移误差通过双极性信号叠加消除，线性误差需要通过内部标定方式来校准。

标定利用内部的参考电压源，产生一个稳定的双极性参考信号Sref(t)输入到低噪放，通过多周期叠加平均降低背景噪声影响。按照式（1）处理的结果与Sref(t)作比较，计算标定PGA各级增益系数。积分器标定按照式（4）处理积分门输出，标定各个积分门系数。采集数据时，DSP利用增益系数和各个积分门系数校准处理结果。

图5是基于直接采样与积分取样的信号采集流程。先通过预采样方式设定两级PGA的增益。由同步信号触发采样，先利用直接采样方式对早期信号进行采集，再利用积分器对中晚期信号进行取样积分。ADC转换数据由FPGA缓存、由DSP读取后再做进一步处理。

图5 信号采集流程

5 实测数据分析

接收机方案已在峰峰煤业集团邢台的东庞矿区的地下水文调查中应用。发射线框为1 000 m×1 000 m，发射采用频率为2.5 Hz、占空比为1:1的双极性脉冲信号，发射电流为24 A，系统采用GPS/BDS授时同步方式，信号采集时间延迟为500 μs，信号采集时间长度为80 ms，共设置了62个测道，重复叠加周期数为64。图6为实际探测测线的衰减曲线和数据抽道曲线，接收机准确记录了二次场信号在检测周期内的变化，可稳定检测到1 μV以下的晚期信号，具有很强的弱信号提取能力，且灵敏度满足了TEM接收机要求。