浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法技术方案

本发明专利技术涉及一种浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。本发明专利技术电路简单，体积较小；在浅地表频域电磁探测接收系统领域首次采用FPGA+DSP的架构，与吉林大学的宽频电磁探测设备的FPGA+单片机的架构相比大幅加快了数据传输速率；数据处理设备由上位机变成了DSP，解决了上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高的缺点；提出了高效的数据处理算法，简单有效，操作性强。数据处理方法简便，缩短了处理时间，提高了工作效率，可用于一定深度金属异常体的浅地表电磁探测。

【技术实现步骤摘要】
浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法
本专利技术涉及一种地球物理探测中的电磁探测接收装置及数据处理方法，尤其是浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法。
技术介绍
城市建设中，浅地表常常架设有重要的管线、电缆，军事上还会存在未爆炸物和金属危险品等，所以对浅地表结构的掌握和评估尤为重要。浅地表电磁探测是解决城市施工建设，工程地质调查，军事探测中常常出现误破坏和安全隐患的重要方法，具有便捷、高效、安全的特点。它主要分为三种探测方法：探地雷达，时间域电磁法，频率域电磁法。探地雷达探测频率高，但遇到地表凸起部分容易产生偏差；时间域电磁法发射脉冲消散时间与接收采集时间容易重叠，前期一次场信号干扰明显；频率域电磁法探测频率范围宽，一次操作中可对地下不同深度信息进行采集和显示，其采集周期和时间可控，因此频域电磁探测成为首选。浅地表频域电磁探测系统由发射系统和接收系统组成，其原理是发射线圈由发射系统的功率电路供给电流产生足够发射磁矩建立一次场，接收系统采集地下异常体产生的二次场，获得地下介质的电磁特性。由于对提取有效信息，现场高效数据处理和缩短探测时间的要求，所以，研究一款浅地表频域电磁探测接收系统具有很大的应用价值。现在比较著名的产品有美国Geophex公司的GEM系列频域电磁探测仪，其接收系统架构为下位机与上位机分离式结构，探测数据需要存储在机器上，探测完成后传到计算机进行分析显示，造成探测信息无法及时处理和显示，探测效率较低，不适合要求实时结果处理显示的场合。而国内在浅地表探测领域尚处于研究初期，吉林大学研制了一款宽频电磁探测设备，其接收系统架构为FPGA+单片机，其中FPGA负责数据采集，单片机负责数据传输，上位机进行数据处理和结果显示，存在数据传输速度较慢，上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高等缺点，亟待改善。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于针对上述现有技术存在的数据传输速度慢，上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高等问题，提供一种浅地表频域电磁探测接收系统及数据处理方法，本专利技术是通过设计低噪声的模拟调理电路，FPGA采集传输方案，DSP高效率数据处理方案和友好交互的上位机控制软件来实现浅地表频域电磁探测采集结果的有效提取，快速传输和现场高效处理，缩短系统工作时间。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：浅地表频域电磁探测接收系统，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。五通道模拟调理电路中的任一个通道是由一路无源滤波经前置放大、带通滤波、仪表放大和差分驱动分别连接ADC、磁偶隔离和FPGA构成。FPGA是由数据转换连接FIFO，数据转换经同步协调电路与FIFO连接，译码电路经同步协调电路和发射控制与发射桥路连接构成。浅地表频域电磁探测接收系统的数据处理方法，包括以下步骤：a、开始，初始化；b、提取正交参考信号表；c、标定参数设置，标定模式包括：通道相位标定，背景场标定，土壤相位标定；d、标定采集；e、存储标定数据；f、正交锁定放大计算I1、Q1，I2、Q2，I3、Q3；g、计算各频点各通道相位，保存I2、Q2为背景场数据，计算土壤相位；h、更新正交参考信号表，保存土壤相位信息；i、结束。采集模式包括以下步骤：A、采集参数设置；B、开始采集；C、存储采集数据；D、正交锁定发达计算I4、Q4；E、矿化反应抑制；F、网口传输最终I、Q结果；G、结束。有益效果：本专利技术电路简单，体积较小；在浅地表频域电磁探测接收系统领域首次采用FPGA+DSP的架构，与吉林大学的宽频电磁探测设备的FPGA+单片机的架构相比大幅加快了数据传输速率；数据处理设备由上位机变成了DSP，解决了上位机实时处理数据占用大量CPU资源，效率不高的缺点；提出了高效的数据处理算法，简单有效，操作性强。数据处理方法简便，缩短了处理时间，提高了工作效率，可用于一定深度金属异常体的浅地表电磁探测。附图说明图1浅地表频域电磁探测接收系统结构框图图2为附图1中五通道模拟调理电路中的两个通道结构框图图3FPGA内部结构框图图4大数据传输结构框图图5DSP接收模式下单倍数据率UPP通道信号时序图图6上位机显示界面图7DSP数据处理流程图图8矿化反应抑制原理图图9无异常情况和几种生活常见金属I、Q分量曲线图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的具体说明：浅地表频域电磁探测接收系统，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。五通道模拟调理电路中的任一个通道是由两路无源滤波经前置放大、带通滤波、仪表放大和差分驱动分别连接ADC、磁偶隔离和FPGA构成。FPGA是由数据转换连接FIFO，数据转换经同步协调电路与FIFO连接，译码电路经同步协调电路和发射控制与发射桥路连接构成。浅地表频域电磁探测接收系统，它包括低噪声模拟调理单元、FPGA+DSP数字处理单元、上位机控制显示单元和电源单元。其结构框图如图1所示，它们之间的位置连接关系及信号走向是：FPGA内部发射控制模块产生多频数字驱动信号驱动发射电路在发射线圈中建立一次场，经过地下目标体涡流反射二次场，接收线圈与其耦合产生接收系统输入信号。输入信号经过低噪声模拟调理单元完成噪声的滤除和信号的放大并进行模数转换，再经过FPGA+DSP架构的数字处理单元进行数字信号的提取、传输和算法处理，其中FPGA和DSP的数据传输采用新一代大数据传输总线UPP。上位机作为人机交互控制显示单元，负责采集控制和有效信息显示。RJ45网络接口作为数字处理单元和控制显示单元的主要数据通道，RS232串口作为调试和备用数据通道。电源单元与各单元连接，提供整个系统工作所需电压。低噪声模拟调理单元共有5个通道，每个通道包括无源滤波模块、前置放大模块、带通滤波模块、仪表放大模块、差分驱动模块、ADC模数转换模块(一块AD包含两个通道)和磁偶隔离模块(一个磁偶对应一个AD)。如图2所示为低噪声模拟调理单元通道1和通道2的框图，其他3个通道与其相同。接收的输入信号首先经过无源低通滤波器滤除射频噪声，然后采用低噪声的AD797构成前置放大器，实现宽频段低噪声放大。由于仪器的工作环境较为复杂，易受到电视广播，信号通讯等高频电磁干扰，所以设计100kHz的四阶巴特沃斯低通滤滤器与200Hz的四阶巴特沃斯高通滤波器相结合构成宽带带通滤波器，用于滤除带外噪声对信号的影响。程控放大器选用具有高共模抑制能力的仪表放大器LT1167，在不造成ADC饱和的条件下，利用匹配电阻尽可能选择较大放大倍数。ADC采用美国ESS公司生产的32位ADC——ES9102A。ADC输入采用差分驱动输入以抑制电磁干扰和提高共模抑制能力。FPGA通过磁耦合芯片与模拟调理电路连接，控制AD的采集和数据传输，实现数字地和模拟地的隔离，降低公共阻抗引起的噪声。FPGA硬件平台采用ALTERA公司的EP3C40Q240I8N，数据转换模块通过I2S总线和MCLK采样频率控制信号将ADC转换的数字信号进行提取，把串行数据转换为并行的32位数据，并提供给FIFO模块，同时产生转换结束信号给同步协调模块。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浅地表频域电磁探测接收系统，其特征在于，包括：五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成。

【技术特征摘要】
1.一种浅地表频域电磁探测接收系统，其特征在于，五通道模拟电路经FPGA和DSP与上位机连接，FPGA分别与发射桥路和拓展控制接口连接，DSP与拓展控制接口连接构成；五通道模拟电路是由两路无源滤波经前置放大、带通滤波、仪表放大和差分驱动分别连接ADC和磁偶隔离构成；FPGA是由数据转换连接FIFO，数据转换经同步协调电路与FIFO连接，译码电路经同步协调电路和发射控制与发射桥路连接构成。2.按照权利要求1所述的浅地表频域电磁探测接收系统的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：a、开始，初始化；系统设备加电开机后，系统自动把DSP外围电路中的FLASH中的程序加载到DSP中，初始化的目的主要是配置各个寄存器，包括中断寄存器、端口寄存器，以保证DSP的正常运转；b、提取正交参考信号表；正交锁定放大是频率域电磁法中重要的频率信息提取方法，使用同频率的正交参考信号对二次场信号进行I、Q分量的提取来获得异常体频率特性，这个过程DSP会进行大量的浮点数运算，尽管DSP在浮点数乘加运算上速度很快，但是大量三角函数的运算依然会占用大量时间，所以提出在DSP中提前构建正弦波正交参考信号表，包括同相分量vI和正交分量vQ，提高了系统运行速度，c、标定参数设置，包括：通道相位标定，背景场标定，土壤相位标定；二次场信号产生后经五通...

【专利技术属性】
技术研发人员：周逢道，韩思雨，李刚，孙彩堂，李玲，徐飞，周子平，连士博，刘真，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22