基于ZYNQ处理器的射频大地电磁采集仪器研发

王鹤，唐春城，席振铢，韦洪兰，杨晓敏，郭涛

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；2.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083；3.湖南五维地质科技有限公司，湖南 长沙，410221)

射频大地电磁法(RMT)是一种基于10～1 000 kHz天然正交平面电磁波趋肤效应得到的浅地表电性结构的频率域电磁法。TURBER等[1]研制了可采集12～240 kHz频率范围信号的RMT仪器；BASTANI等[2]提出了一种处理传递函数的新方法，并研发了EnciroMT仪器，实现了10～250 kHz频率范围信号的测量，被用于探测砂岩地层中20 m以下的地下水；TEZKAN等[3-4]研制了一种新型的RMT仪器，可以记录频率10～1 000 kHz范围内电场和磁场的时间序列信号；德国Metronix公司研发了ADU-07型电磁探测装备，频率范围从直流至250 kHz，促进了RMT法的推广应用[5-6]，相关正反演研究得到迅速发展[7-8]。国内虽然有不少学者对RMT进行了研究，但主要聚焦于RMT方法的正反演处理技术[9-11]，国科(重庆)仪器有限公司等单位研制的高频大地电磁系统采集频率集中在直流至100 kHz范围内[12-13]，可减小CSAMT法的浅部勘探盲区，并发现采用RMT方法可以快速和高效地反映浅地表地层的电性结构，在多方法联合反演邻域具有广阔的应用前景[14-16]，但目前我国进行的有关RMT方法的试验与应用仍然依赖于国外设备，因此，研制国产化的RMT勘探设备刻不容缓。本文以ZYNQ为核心研制一套RMT信号采集系统样机，采用可调数字滤波器实现带宽信号的选取[17]，并通过仿真和试验对系统性能进行验证，为国产化RMT设备研制提供一种技术方案。

1 方法原理

RMT方法是一种基于平面波卡尼亚电阻率的电磁探测方法。由于空气介质电磁波波数远远小于大地介质的电滋波波数，按照斯涅耳(Snell)定律，电磁波从空气介质传输到大地介质时方向垂直向下，不同频率下的趋肤深度不同，可采用平面波电磁测深[18]。由于水平电磁波在空气和大地界面是连续的，通过测量地表面水平方向上正交的电场强度和磁场强度的比值，可得到准静态条件下的电磁波表面阻抗，通过大地表面阻抗得到不同频率的大地电阻率，计算公式如下：

式中：ρ为电阻率(Ω·m)；μ为磁导率(H/m)；ω为角频率(Hz)；Ex为实测电场强度(V/m)；Hy为实测正交磁场强度(nT)。依据趋肤效应理论与勘探深度定义，推导出趋肤深度(δ)与勘探深度(H)的计算公式为

式中：δ为趋肤深度(m)；H为勘探深度(m)；f为频率(Hz)。

2 采集系统总体方案

采集系统由ADC、控制、通信以及存储等模块构成，具体采集控制技术方案是：采用XILINX公司生产的ZYNQ系列芯片，提高采集系统的集成度和通信稳定性，降低研发成本；采用高精度温补晶振提供高稳定、低温漂的32 MHz时钟信号，最大程度地避免因时钟产生的误差；通过千兆网口接收上位机的命令与数据，完成对ADC采集卡的参数设置与控制；利用时钟频率为100 MHz的FPGA模块实现多通道采集卡的同步高速采集、缓存以及数据滤波；使用主频为800 MHz的双核ARM芯片实现千兆网口的数据实时传输及多通道AD采集卡的数据存储；设置AXI总线进行DMA传输将数据缓存于DDR3上，通过AXI总线实现ZYNQ内部ARM与FPGA之间的通信，这不仅可降低硬件设计难度，而且可增加内部数据传输的速率和稳定性；采用QSPI传输协议将缓存数据存储至外接的存储器中。接收机系统架构图如图1所示。

图1 天然场射频电磁法接收机系统架构图Fig.1 System architecture of natural field RMT signal acquisition system

3 基于ZYNQ PL端模块仿真与实现

3.1 AD控制模块仿真与实现

该采集系统采用了TI公司的ADS1675精密模数转换器芯片。该芯片具有优异的性能指标，通过时序设计控制AD引脚，配置多级模拟调制器和数字抽取滤波器参数，发挥宽频带数字滤波器通带纹波小、过渡带宽、阻带衰减大的优点，实现了24位的高分辨率采集。考虑到在数据采集过程中，启动时间对整体数据采集所需时长的影响较小，最终选择配置宽频带滤波器以实现更高的采集精度。在使用宽频带滤波器时，AD在各采样速率下，时间和最大有效频率如表1所示。

表1 宽频带滤波器的数据速率Table 1 Data rate of broadband filter

通过时序控制AD端口，在系统中配置采样频率、叠加次数和采集时长等参数。为了确保获取AD稳定且高质量的数据，在各个采样频率下都会给AD预留足够的建立时间。在系统触发后，优先设置AD的采集频率，同时，保持2个时钟信号周期，以启动AD的采集过程。在长时间采集过程中，持续保持启动信号为高电平使得AD处于连续高速采集模式。

多ADS1675同步连续转换时序图如图2所示。数据就绪信号是来自AD数据输出串行接口的主要指示信号，在就绪信号升高后，AD输出端在串行移位时钟下同步输出AD转换结果。在确保时钟信号和启动信号同步的情况下，经过建立时间后，开始对6通道进行同步采集。

图2 多ADS1675同步连续转换时序图Fig.2 ADS1675 multichannel synchronous continuous conversion sequence diagram

在Modelsim中对采集控制模块进行仿真测试，最高采集速率4 MHz模式下的仿真时序图如图3所示(其中3′h4表示把采集的数据转换成3位二进制数，其余依此类推)。

图3 ADS1675采集控制模块仿真时序图Fig.3 ADS1675 acquisition control module simulation sequence diagram

复位信号采用异步复位同步释放的局部复位方式；状态指示灯信号显示当前仪器的工作状态；采集速率模式信号显示当前ADC的采集速率模式，对应采样频率见表1；AD数据输出端口在250 ns内完成24位数据的串行输出。

3.2 数据读取与缓存模块仿真与实现

为确保模块在系统切换采集速率时能与AD保持时域同步，以AD的时钟信号作为读取与缓存模块的输入时钟信号，完成24位AD输出数据读取；设计串并转换器将输出串行数据转换成24位并行数据，并扩展到32位以提升模块的数据传输速度。为了验证模块的读取与串并转换功能，在Modelsim软件平台上进行仿真测试，仿真时序图如图4所示。

图4 ADS1675数据读取模块仿真时序图Fig.4 Simulation sequence diagram of ADS1675 data reading module

利用容量为32×1 024 bits的异步FIFO，既可完成多位数据的跨时钟域处理，又可避免切换通道时发生数据溢出。FIFO的写时钟由AD的时钟信号提供，读时钟由FPGA提供，时钟频率为100 MHz。设置了写满与读空信号反馈FIFO状态；读取模块输出端口输出的32位转换结果接入缓存模块数据写入端口，缓存模块数据输出端口与滤波模块相连，完成AD数据的异步缓存。读取模块与异步FIFO接口图如图5所示。

图5 读取模块与异步FIFO接口图Fig.5 Read module and asynchronous FIFO interface diagram

3.3 FIR滤波模块仿真与实现

基于窗函数法设计了基于FPGA的高通有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)滤波器，提高数据信噪比和传输效率。利用工具设计数字滤波器参数，使用布莱克曼窗作为检测窗口以提高幅值识别精度。采用16位定点数量化滤波系数，在确保精度的同时，可减少FPGA逻辑门的使用。滤波器频谱响应图如图6所示，FIR滤波器在通带和过渡带中的相位呈现出明显的线性特征。

图6 滤波器频谱响应图Fig.6 Spectral response diagram of filter

使用Vivado软件中的IP核搭建仿真测试环境以便验证FIR滤波模块的功能，导出设计好的滤波系数文件到FIR IP核中，通过2个DDS IP模块产生带随机噪声的3 kHz和20 kHz正弦波信号，使用ADDSUB IP模块对这2种信号进行进叠加处理后导入FIR IP核的数据输入端，滤波模块输出端保留32位数据。基于Vivado的FIR滤波器仿真时序图如图7所示。

图7 基于Vivado的FIR滤波器仿真时序图Fig.7 Simulation sequence diagram of FIR filter based on Vivado

从图7可以看出滤波模块输出信号形态与20 kHz信号形态一致，表明滤波器滤掉了频率为3 kHz的信号，保留了频率较高的20 kHz目标信号，仿真结果达到了预期的滤波效果，说明该滤波器的功能满足设计要求。

4 采集测试与对比

4.1 采集测试

采用波形发生器等设备构建采集测试平台，验证系统的采集和滤波功能。使用2个波形发生器分别生成低频3 kHz和高频20 kHz共2个信号，通过同步加法器对这2个信号进行叠加处理，分别采集滤波前后的信号，然后对2次采集数据进行频谱分析。采集信号波形与仿真信号波形一致，采集滤波结果和频谱分析结果如图8所示。从图8可知滤波器功能正常，经计算滤波模块对噪声的压制效果达到-71.5 dB，测试结果与计算结果表明系统达到了预期的设计目标。

图8 采集滤波结果与频谱分析结果Fig.8 Acquisition filter results and spectrum analysis results

4.2 RMT样机与国外仪器对比

使用自主研发的RMT仪器样机与国外某主流仪器对采集结果进行同频段对比实验。在相同的时间段内，在同一地区进行采集，并对比这2种仪器测得的视电阻率、相位和相关度。

RMT样机与国外某仪器性能对比如图9所示。从图9可观察到，这2种仪器的视电阻率和相位整体上呈现一致的变化趋势。值得注意的是，RMT样机所采集的数据具有更高的准确性和稳定性，反映出数据质量显著提升。由于RMT样机设计了通带内信号相位线性的FIR滤波器，对通带外信号有大于70 dB的压制效果。这一设计显著提高了采集数据的信噪比，并提升了系统的抗干扰能力，因此，野外采集的原始数据视电阻率和相位曲线具有更好的连续性，从而提升了数据的质量。

图9 仪器性能对比Fig.9 Instrument performance comparison

5 应用试验

在云南省丽江市玉龙纳西族自治县龙蟠乡进行了应用对比试验。该测区处于海拔1 800 m高的高山，东高西低，气候属南温带低纬高原山地季风气候，年平均降雨量达到980.3 mm，形成多条树枝状支流，属于金沙江水系。地表覆盖着松林，断裂区域表现为陡崖、陡坎和沟槽。勘察区域内上覆第四系全新统坡积、残积(Q4)粉质黏土，上更新统冰水沉积(Q3)粉质黏土、碎石土、块石土等；下覆基岩为二叠系(Pβ)玄武岩、下统(P1)大理岩。结合反演电阻率剖面对该区域地层进行划分，结果见图10。

图10 反演剖面对比Fig.10 Comparison of inversion profile

由图10可见：这2种仪器对WT4线地下结构的反映情况基本一致；该测线岩体的电阻率由浅到深逐渐变大，背景值为100～2 000 Ω·m；在反演剖面的中间部分200～600号点段，都存在较一致的高电阻率，并且电阻率向两边逐渐下降；在100号点和900号点附近，都存在电阻率等值线凹陷现象，对断层的位置都有一定的反映。然而，在国外仪器的反演剖面图中，等值线变化整体较平缓，对F断层的反映不够明显，而RMT样机的剖面图在F断层处，电阻率等值线有较明显的凹陷或电阻率快速变化。此外，RMT样机与国外仪器相比，反演结果中出现了更多的细节异常，如图10(b)中100号和600号点附近处有低阻凹陷现象。RMT样机采集的数据反演结果与国外仪器的反演结果在地下异常反映方面基本一致。此外，由于RMT样机数据的信噪比高，反演对浅部地层构造的反映更加精准。这说明RMT样机在地质勘探领域具有很大潜力和广阔的应用价值。

6 结论

1) 设计基于ADS1675的采集系统，实现了对RMT信号的24位高精度、高速采集，完成了数据的高速同步读取和跨时钟域缓存。仿真结果与测试结果验证了该信号采集系统具有有效性和可靠性。

2) 设计了带内信号相位线性的可调FIR数字滤波器，滤波器阻带衰减大于70 dB，提高了采集数据的信噪比，提升了系统的抗干扰能力。

3) 信号采集系统在浅部地层反演方面性能优异，高分辨率的多通道、多参数数据采集和处理能力可以提供高精度地质信息。该设计方案在国产化RMT仪器研究与设计中具有较大应用价值。