【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地质探测领域，具体涉及一种变采样率的电流波形和电磁响应采集系统及控制方法。
技术介绍
1、瞬变电磁法(transient electromagnetic method,tem)具有操作简便、探测深度大且成本低的优点，近年来在矿物勘探、水文地质调查、城市地下空间探测和隧道预测等领域得到了广泛应用。通常，tem探测系统由一个双极性电流脉冲发射机，一个多通道接收机，一个发射线圈和一个低噪声感应线圈组成，为提高对信号的分辨率，可用超导量子干涉仪(superconductive quantum interfere device,squid)传感器及读出电路代替低噪声感应线圈。当发射线圈采用不接地回线时，称为磁性源tem方法；不接地回线中的脉冲电流会产生随时间变化的一次场，这会导致涡流在地下导体中流动，当脉冲电流关断后，这些涡流会产生二次场。感应线圈、放大器和接收机以磁场的时间导数形式记录一次场和二次场的总和；squid传感器、读出电路和接收机以磁场的形式记录地下介质的总场。接收机记录的数据经过反演获得地下介质的电磁响应，以解释和识别感兴趣区域的地下异常。
2、近年来，国内外学者们积极开展组合波形探测方法的数值模拟、探测系统研制以及数据解释等方面研究。电磁响应采集装置的采样率和噪声水平在一定程度上决定了获取信号的质量，已有接收系统普遍存在采样率单一且短路噪声较大的问题，为了高精度记录发射电流波形和电磁响应，需要研制低噪声接收系统。为了提高多波形响应联合数据解释精度，首先需要对发射电流波形和电磁响应进行高精度记录，随
3、为满足城市地下空间浅层目标体精细化探测的需求，传统的单一采样率采集系统不再适用，因为采集系统的噪声水平与采样率有关，采样率越高，噪声水平越大；为了尽可能早的获取第一个有效信号，获得近地表地质信息，采集系统的采样率必须足够高；同时，为了延长有效信号长度，提高有效探测范围，要求采集系统的短路噪声水平必须足够低；为了同时满足高采样率和低噪声的要求，需要研制高、低采样率搭配的变采样率采集系统对电磁响应进行高精度记录，保证高质量、长时窗的电磁响应数据获取。为了对电磁响应数据进行高精度处理，首先要对发射电流波形进行精准记录，实现一次场的有效去除。因此研制变采样率的电流波形和电磁响应采集系统能够减小浅层探测盲区，实现城市地下空间的精细化探测。
4、为了适应浅层探测的需求，获取早期电磁响应，需要发射小幅值快关断的三角波发射电流；同时为了提高电磁响应信号的质量，需要发射大幅值快关断的梯形波发射电流。因此采用小功率三角波-梯形波组合探测系统即可实现浅层目标体的精细化探测。
5、为了对三角波和梯形波的纯二次场响应进行联合解释，参考auken等对不同幅值梯形波数据的拼接方法，将三角波和梯形波的衰减曲线拼接在一起，随后用拼接后的数据进行电阻率成像。在拼接过程中，早期响应数据用三角波响应，晚期响应数据用梯形波响应，此时拼接数据的起始时间更早，晚期数据的信噪比更高，整体衰减曲线的质量更高。衰减曲线拼接方法实现了三角波和梯形波响应的联合数据解释，提高了解释精度。
6、现有技术公开了高采样率下的水下多通道无失真数据采集与存储系统，通过采用双缓存结构，实现了高采样率状态下的数据快速存储；此外通过数据累计存储方法，提高了存储效率，避免了原始数据的丢失；为高采样率状态下大量数据的采集和存储提供了思路。
7、现有技术公开了一种基于双采样率的数据采集存储系统及方法，通过数据抽取处理将部分高采样率数据转化为低采样率数据，间接实现了双采样率数据的存储。此方法可以在尽可能长地延长采样时间的同时仍能保持对所关注细节的高时间分辨率，能够平衡采样时间和采样率之间的矛盾。
8、以上所述方法公布了关于高采样率状态下，减小失真的数据采集与存储策略，以及将部分高采样率数据转化为低采样率数据间接实现高、低采样率采集的方法，均是针对单一高采样率存储系统开展研究。但对于瞬变电磁法城市地下空间浅层精细化探测，已有采集系统很难满足要求；且绝大多数电磁采集系统采样率固定，且短路噪声水平普遍较大，浅层地质信息严重丢失，无法适应城市地下空间复杂地质条件的电磁响应记录需求；此外，已有采集系统很难对发射电流波形进行高精度记录，不利于电磁响应一次场的去除。如何在多波形组合时域电磁法探测中精确记录发射电流波形、获取高质量和长时窗的电磁响应数据，减小浅层探测盲区并实现城市地下空间复杂目标体精细化探测是本领域技术人员迫切解决的一个技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种变采样率的电流波形和电磁响应采集系统及控制方法。
2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，包括传感器电路、信号调理电路、模数转换电路、模数隔离电路、主控电路、同步电路、存储电路、人机交互电路和电源管理模块，其中，
4、所述传感器电路将发射电流和电磁响应转化为电压信号，电压信号首先经过信号调理电路进行处理，基于参考电压将模拟电压信号转换为二进制数字信号，在同步模块的时钟信号作用下，转换完成后的数字信号通过dma传输到外部sram中缓存并在sd卡中进行存储；模数隔离电路用于将模拟电路部分和数字电路部分进行隔离。
5、进一步的，所述主控电路包括控制器最小系统、人机交互模块、同步模块、采集和存储模块，用于采集指令接收、采集状态显示，向采集电路发送时钟信号和控制信号，接收采集到的数据信号并对其进行传输和存储，接收gps的秒脉冲、时间、经纬度信息，实现采集系统和发射系统之间的同步。
6、进一步的，所述传感器电路包括接收线圈传感器和霍尔电流传感器，其中，霍尔传感器用于对发射电流取样，将电流信号转换为电压信号后进行采集；接收线圈传感器用于将变化的磁场转换为感应电压，通过匹配电阻调整电路的阻尼状态，经过前置放大器对信号进行一级放大后输入到信号调理电路。
7、进一步的，所述前置放大电路包括运算放大器u1和u3、电压跟随器u2和u4、滑动变阻器r3和r4，电阻r1、r2、r5、r6和r7、电容c1和c2，其中，运算放大器u1和u3对称分布构成差分放大电路，电压跟随器u2和u4对称分布构成差分电压跟随器；差分放大电路的输入端分别接入传感器电路所获取的电压信号，差分放大电路的输出端连接至差分电压跟随器，并通过所述差分电压跟随器输出电压信号；滑动变阻器r3两端连接于所述差分放大电路的两个输入端之间，用于作为所述传感器电路的匹配电阻；滑动变阻器r4与电阻r5的串联电路连接于所述差分放大电路的两个输入端之间用于调节放大器的放大倍数；电阻r6和电容c1的并联电路的两端分别连接至所述运算放大器u1的输入端和所述电压跟随器u2的输出端；电阻r7和电容c2的并联电路的两端分别连接至所述运算放大器u3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，包括传感器电路、信号调理电路、模数转换电路、模数隔离电路、主控电路、同步电路、存储电路、人机交互电路和电源管理模块，其中，
2.根据权利要求1所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述主控电路包括控制器最小系统、人机交互模块、同步模块、采集和存储模块，用于采集指令接收、采集状态显示，向采集电路发送时钟信号和控制信号，接收采集到的数据信号并对其进行传输和存储，接收GPS的秒脉冲、时间、经纬度信息，实现采集系统和发射系统之间的同步。
3.根据权利要求1所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述传感器电路包括接收线圈传感器和霍尔电流传感器，其中，霍尔传感器用于对发射电流取样，将电流信号转换为电压信号后进行采集；接收线圈传感器用于将变化的磁场转换为感应电压，通过匹配电阻调整电路的阻尼状态，经过前置放大器对信号进行一级放大后输入到信号调理电路。
4.根据权利要求3所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述前置放大电路包括运算放大器U1和U3、电
5.根据权利要求4所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述信号调理电路包括运算放大器U5和U6，稳压二极管D1、D2、D3和D4，电容C3、C4、C5，电阻R8、R9、R10、R11、R12和R13，其中，运算放大器U5和U6对称分布，其中一个输入端分别通过电阻R10和R11连接至所述前置放大电路的输出端，另一个输入端连接信号调理电路参考电压Vbias，输出端分别通过电阻R14和电阻R15输出调理后的信号；稳压二极管D1和D2反向对接，且其一端连接所述前置放大电路的一个输出端，另一端接地；稳压二极管D3和D4反向对接，且其一端连接所述前置放大电路的另一个输出端，另一端接地；所述电容C3的两端分别连接于运算放大器U5的输入端和输出端；所述电阻R12一端连接至运算放大器U5的输入端，另一端连接至所述信号调理电路的一个输出端；所述电容C4的两端分别连接于运算放大器U6的输入端和输出端；所述电阻R13一端连接至运算放大器U6的输入端，另一端连接至所述信号调理电路的一个输出端；所述电容C5两端分别连接到所述信号调理电路的两个输出端之间。
6.根据权利要求1所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述模数转换电路包括多个采样率，且高采样率和低采样率之间的最小差距为4倍，所述模数转换电路的采样率由多个管脚进行控制，通过主控电路的输入输出口设置采样率。
7.基于权利要求1-6任一项所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，包括传感器电路、信号调理电路、模数转换电路、模数隔离电路、主控电路、同步电路、存储电路、人机交互电路和电源管理模块，其中，
2.根据权利要求1所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述主控电路包括控制器最小系统、人机交互模块、同步模块、采集和存储模块，用于采集指令接收、采集状态显示，向采集电路发送时钟信号和控制信号，接收采集到的数据信号并对其进行传输和存储，接收gps的秒脉冲、时间、经纬度信息，实现采集系统和发射系统之间的同步。
3.根据权利要求1所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述传感器电路包括接收线圈传感器和霍尔电流传感器，其中，霍尔传感器用于对发射电流取样，将电流信号转换为电压信号后进行采集；接收线圈传感器用于将变化的磁场转换为感应电压，通过匹配电阻调整电路的阻尼状态，经过前置放大器对信号进行一级放大后输入到信号调理电路。
4.根据权利要求3所述的变采样率的电流波形和电磁响应采集系统，其特征在于，所述前置放大电路包括运算放大器u1和u3、电压跟随器u2和u4、滑动变阻器r3和r4，电阻r1、r2、r5、r6和r7、电容c1和c2，其中，运算放大器u1和u3对称分布构成差分放大电路，电压跟随器u2和u4对称分布构成差分电压跟随器；差分放大电路的输入端分别接入传感器电路所获取的电压信号，差分放大电路的输出端连接至差分电压跟随器，并通过所述差分电压跟随器输出电压信号；滑动变阻器r3两端连接于所述差分放大电路的两个输入端之间，用于作为所述传感器电路的匹配电阻；滑动变阻器r4与电阻r5的串联电路连接于所述差分放大电路的两个输入端之间用于调节放大器的放大倍数；电阻r6和电容c1的并联电路的两端分别连接至所述运算放大器u1的输...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐正宣，黎东升，刘康，王世鹏，赵思为，周超，张硕，王茂靖，王栋，冯涛，张营旭，林之恒，张敏，袁东，唐军平，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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