第 1 章    緒    論

1.1 課題研究背景及意義
人類社會現(xiàn)代化腳步逐漸加快,城市化進(jìn)程迅速向前邁進(jìn),基礎(chǔ)設(shè)施不斷向地下空間擴展,如各類供排管線,通信線纜,電力線纜均已大量的被城市建設(shè)者埋藏在城市淺地表甚至于城際,國際之間。在對城市進(jìn)行更深程度的建設(shè)與開發(fā)的同時,如若忽略對淺埋于地下的基礎(chǔ)設(shè)施的了解,將會造成極大的經(jīng)濟損失;在環(huán)境地質(zhì)方面,有害化學(xué)溶液的泄漏,地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常,隧道、堤壩等工程的暗傷問題均構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患;在軍事方面,投放戰(zhàn)場的子母彈與戰(zhàn)場上遺留下來的未爆彈均會隨著時間的推移被風(fēng)沙、樹葉所掩埋,對生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1,2]。對淺層地表結(jié)構(gòu)的掌握與評估并就此展開工程勘探工作變得尤為重要。 電磁探測方法由于其便捷、高效、安全的工作特點,近年來成為淺地表勘察的重要手段。通過地下異常體對電磁場所產(chǎn)生的不同反應(yīng),采集并分析回波信號來尋找、鑒定地下異常目標(biāo)。目前主流的探測方法有三種:探地雷達(dá),時間域方法,頻率域方法。探地雷達(dá)采用信號頻率較高,在近地面工作時遇到尖銳的地面凸起往往也會被標(biāo)記為異常而產(chǎn)生誤判;時間域方法發(fā)射脈沖消散時間與采集時間通常具有重疊區(qū)域,早期信號易受一次場干擾,影響探測靈敏度;頻率域方法采集周期數(shù)與探測時間可控,在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時可兼顧探測效率。支持掃頻采集,能夠在較全頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)異常體的頻率特性曲線,對地表干擾可采取有效手段進(jìn)行抑制,近年來成為解決淺地表探測問題的優(yōu)秀方案。 本文緊密結(jié)合課題背景,設(shè)計并實現(xiàn)了一種專門用于淺地表探測的頻率域電磁法儀器。通過發(fā)射功率電路向發(fā)射線圈輸出電流信號,建立可靠高質(zhì)的一次場,通過抵消線圈耦合經(jīng)地表以及異常體所反射的二次場信號,并對其量化分析,提取出 I,Q 分量曲線,清晰的展現(xiàn)了淺地表異常的頻率特性。所研制的系統(tǒng)樣機滿足淺地表探測在實時性、抗干擾、探測精度、工作效率等方面的較高要求,為淺地表探測及其相關(guān)工作提供了硬件平臺與實驗依據(jù)。  
........

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
使用頻率域電磁法尋找地下礦脈,進(jìn)行大深度地質(zhì)結(jié)構(gòu)普查與水文地質(zhì)資料獲取等工作早已在世界范圍內(nèi)展開,論述繁多,成果顯著,商品化儀器百花盛開,如德國 Metronix 公司的 ADU-07,加拿大 Phoenix 公司的 V8,美國 Zonge 公司的 GDP-32、ZEN,詮釋了頻率域電磁法在地質(zhì)調(diào)查工作中占有的重要地位。而上述研究成果及儀器主要針對幾百米至幾千米的深部地層,采用探測信號頻率較低,工作周期較長,所面向的探測目標(biāo)巨大,比較適合參與人數(shù)眾多的大規(guī)模作業(yè)與普查性質(zhì)的工作。淺地表電磁探測則主要應(yīng)用于軍用、民用方面,針對地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工程質(zhì)量勘探、未爆彈探測等貼近人類活動的場合展開工作,相應(yīng)國外儀器主要為美國 Geophex 公司的 GEM 系列頻率域電磁法儀器。GEM 系列儀器采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu),主要型號按照天線結(jié)構(gòu)不同分為 GEM-2、GEM-3 與 GEM-5,可單人或車載完成作業(yè),提高了探測靈活性。使用頻率為300Hz-96kHz 的單頻或 3~5 頻率合成波信號進(jìn)行探測,探測頻率需鏈接計算機進(jìn)行設(shè)定,所采集數(shù)據(jù)不具備或較低程度的具備實時顯示功能,詳細(xì)的探測結(jié)果需要在探測完成后通過數(shù)據(jù)線上傳至計算機進(jìn)行分析顯示,且對淺埋的微小目標(biāo)體的響應(yīng)有待提高。淺地表電磁探測主要發(fā)展方向為高實時,高精度,可視化,要求儀器靈敏度高,響應(yīng)快速,能夠收集更全面的目標(biāo)頻譜特性,現(xiàn)有儀器若不作更新,將不能滿足日益增長的探測需求。 本文針對淺地表電磁探測儀器發(fā)展趨勢,借鑒國外成型儀器先進(jìn)經(jīng)驗,重新分析探測方案需求,對淺地表電磁探測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。目前已完成模擬探測實驗并取得了較好的實驗結(jié)果,驗證了儀器系統(tǒng)的可行性,為儀器系統(tǒng)的工程化提供了有力參考。
........

第 2 章淺地表電磁探測原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 淺地表電磁探測原理
淺地表電磁探測采用平衡式線圈結(jié)構(gòu),較大的發(fā)射線圈鋪設(shè)在外圍,由發(fā)射部分功率電路供給電流信號產(chǎn)生足夠發(fā)射磁矩,激發(fā)并建立一次場,異常目標(biāo)在一次場激勵下產(chǎn)生內(nèi)部渦流,反射二次場。作為接收傳感器的自抵消線圈鋪設(shè)位置恰好與發(fā)射線圈同心且同平面,構(gòu)成對稱平衡的位置關(guān)系,故在真空環(huán)境下其兩端抽頭的感應(yīng)信號理想值趨近于零。異常體進(jìn)入探測范圍后,打破了接受線圈周圍的電磁場平衡關(guān)系,接收線圈與反射的二次場耦合,在線圈抽頭端產(chǎn)生電動勢,即為系統(tǒng)接收信號,如圖 2.1 所示。  由表 2.2 可知,非探測物質(zhì)的電導(dǎo)率一般在 10-1~10-6S/m,明顯低于表 1 所示的需探測物質(zhì)。因此,在進(jìn)行近地表探測時,只要檢測到電導(dǎo)率明顯偏大即可初步判斷地下具有金屬性異常,當(dāng)檢測到磁導(dǎo)率具有明顯偏大,即可初步判斷地下具有導(dǎo)磁性異常。電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率的變化通�？梢苑从吃诙螆龅碾娞匦宰兓�。由圖 2.1 可知,接收天線耦合的信號主要有兩部分組成,一部分是通過上層空氣直接與接受線圈耦合的一次場信號,另一部分電磁場通過下層的地下介質(zhì)耦合到接收天線。當(dāng)探測線圈途經(jīng)淺埋由電或磁的良導(dǎo)體的區(qū)域時,這些良導(dǎo)體會感生出較為明顯的二次場信號,通過接收機對二次場信號幅值相位信息變化的分析與表達(dá),即可判斷所要探測目標(biāo)的具體位置及特性。 
.........

2.2 探測系統(tǒng)總體設(shè)計
本設(shè)計建立在以平衡式探測線圈為傳感器展開探測工作的基礎(chǔ)之上,以探測精準(zhǔn)、靈敏為前提,按照系統(tǒng)便于操作,觀測方式更加人性化的思想,提出了如圖 2.2 所示的總體框架,旨在搭建多通道,具有較大探測范圍,又能對微小目標(biāo)體敏感的車載或機器人平臺上的探測系統(tǒng)。 圖 2.2 中所示框架主要由探測線圈,探測系統(tǒng)硬件實體與上位機三個主要部分構(gòu)成。探測線圈采用陣列式 PCB 線圈板,保證參數(shù)的精準(zhǔn)、機械結(jié)構(gòu)上的固定并實現(xiàn)多通道的傳感器結(jié)構(gòu),收發(fā)線圈以同心圓的結(jié)構(gòu)在線圈板上布局,對外界共模干擾具有一定的自抵消性;探測系統(tǒng)硬件實體分為發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)兩部分,發(fā)射系統(tǒng)受接收系統(tǒng)數(shù)字電路控制,為發(fā)射線圈供給足夠大的交變電流以建立一次場信號,多通道接收系統(tǒng)主要對每個接收線圈輸出的信號進(jìn)行調(diào)理、通過 32 位 ADC 對信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,以 FPGA 整合數(shù)字部分各接口,完成控制策略,并負(fù)責(zé)通過 CY7C68013 芯片所實現(xiàn)的 USB 接口與上位機進(jìn)行通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸,將多通道采集數(shù)據(jù)上傳給上位機,并將上位機的控制指令譯碼為底層硬件信號,控制整套底層系統(tǒng)硬件的工作與同步;上位機采用筆記本電腦中配套編寫的采集軟件提供人機接口,將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的算法處理。首先通過上位機對探測區(qū)域的背景場進(jìn)行標(biāo)定,保留標(biāo)定結(jié)果,再用實際探測結(jié)果與標(biāo)定結(jié)果做差,將差值曲線作為有無異常的評判標(biāo)準(zhǔn),并實時的顯示最終數(shù)據(jù)曲線,即 I、Q 分量曲線,根據(jù)曲線的不同形態(tài)來區(qū)分淺埋的不同異常體,實現(xiàn)探測目的。
........

第 3 章發(fā)射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) .........8
3.1 隨機尖峰抑制研究 .........8
3.2 溫度漂移抑制研究 .......10
第 4 章接收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) .......14
4.1 前端模擬信號調(diào)理 .......15
4.1.1 前置放大器設(shè)計 .........15
4.1.2 濾波電路設(shè)計 ......16
4.2 數(shù)字電路關(guān)鍵部分設(shè)計 ......18
4.2.1FPGA 與 USB 模塊數(shù)字接口設(shè)計 .........18
4.2.2 精確同步控制技術(shù) .....22
4.2.3 基于階梯波參考信號的 PSD 實現(xiàn)........25
4.2.4 高實時性數(shù)據(jù)緩沖傳輸方案與實現(xiàn) .....35
第 5 章上位機軟件設(shè)計與數(shù)據(jù)處理技術(shù)....40
5.1 上位機軟件總體設(shè)計 ..........40
5.2 采集與緩存策略 ....41
5.3 上位機數(shù)據(jù)處理 ....43

第 6 章異常體探測實驗與結(jié)果 

6.1 金屬異常特性測試 

模擬真實探測場景,在實驗室的沙池中嘗試對線圈周圍的金屬異常進(jìn)行探測并描繪探測曲線。實驗步驟:(1) 對儀器進(jìn)行標(biāo)定,進(jìn)行數(shù)字相位校正。(2) 點擊開始采集按鈕進(jìn)行正常采集。(3) 觀察并記錄各種金屬異常樣品的 IQ 分量曲線是否有差異實驗第 2 步,正式開始采集時,利用當(dāng)前采集所得的 IQ 分量曲線與背景場的差值曲線,放置金屬異常后,這個差值曲線明顯的體現(xiàn)出來,對比可見不同樣品的頻率曲線差異明顯,(i)圖中非閉合簧墊在異常激發(fā)下其內(nèi)部難以形成產(chǎn)生二次場的渦流,故響應(yīng)較小。由表 6.1 與表 6.2 所示的實驗數(shù)據(jù)可知,系統(tǒng)所采集的異常體頻率特性譜較為光滑,曲線不會隨著頻率的連續(xù)變化而突變,探測質(zhì)量較高。對不同異常所表達(dá)出來的曲線形態(tài)差異明顯,能夠達(dá)到區(qū)分的目的,對微小異常具有良好的適用性。

.......

總結(jié) 

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種專門用于淺地表探測的頻率域電磁法儀器,參考國外現(xiàn)有儀器設(shè)計經(jīng)驗,分析淺地表電磁探測的工作方式,從電磁探測原理與異常體在電導(dǎo)率磁導(dǎo)率方面的差異,論述了課題的可行性,從而確定了儀器系統(tǒng)的總體框架。 系統(tǒng)實現(xiàn)主要有三個大部分構(gòu)成:第一部分為功率發(fā)射部分,主要由 DC/DC模塊及發(fā)射橋路構(gòu)成,并通過發(fā)射線圈建立探測所需的一次場信號;第二部分為接收部分,將線圈耦合來的二次場信號經(jīng)模擬調(diào)理,模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳入 FPGA 并利用 USB 單片機完成向上位機傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)接口,利用 FPGA 實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制與發(fā)射橋路驅(qū)動信號;第三部分為上位機軟件部分,將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析與表達(dá),實現(xiàn)人機交互。 完成論文期間所做工作總結(jié)如下:
(1) 對淺地表電磁探測原理進(jìn)行了分析,了解近地表電磁探測的工作方式與工作特點。對異常目標(biāo)的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率進(jìn)行統(tǒng)計,確定儀器的探測目標(biāo)。
 (2) 對發(fā)射電路結(jié)構(gòu)中影響探測精度的因素進(jìn)行了分析,通過實驗找到了問題所在:通過加裝 LC 濾波器的方法去除了由電路寄生電容與線圈電感之間的諧振所產(chǎn)生的隨機尖峰;通過選擇溫度漂移較小的元件來抑制電路收溫度變化所產(chǎn)生的不穩(wěn)定表現(xiàn)。 
(3) 接收部分采用 FPGA+USB 模塊的結(jié)構(gòu),采用異步 slaveFIFO 完成了高速的數(shù)據(jù)傳輸,在 FPGA 內(nèi)部設(shè)計了同步調(diào)諧模塊保證采集到的相位信息準(zhǔn)確可靠,同時實現(xiàn)了基于階梯波參考的信號提取技術(shù),加快了采集速度,設(shè)計并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)緩存電路,保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定的實時傳輸。 
.........
參考文獻(xiàn)(略)

，

本文編號：40095