王言章，王 麒，3，周險峰，王世隆*

（1.地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130012；2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130012；3.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

時間域電磁法（time domain electromagnetic method，TEM）近年來被廣泛用于復雜地形的地質(zhì)勘查中。航空TEM 因其機動性強，覆蓋范圍大，適應能力強等特點，在地質(zhì)勘查領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

國內(nèi)外均有比較成熟的直升機TEM 系統(tǒng)，目前已有多套系統(tǒng)運用于全球地質(zhì)勘測。比如加拿大的VTEM 系統(tǒng)，該系統(tǒng)中實現(xiàn)了最高50 kHz 帶寬的X、Y、Z 3 個空間分量二次場電壓的數(shù)據(jù)收錄，采樣率為192 kSa/s，同時，該系統(tǒng)在吊艙上懸掛有兩個GPS 用以定位當前吊艙位置，但該系統(tǒng)未提及GPS等輔助信息的收錄存儲。丹麥的SkyTEM 直升機時間域電磁系統(tǒng)發(fā)射波形為梯形波或方波，其收錄系統(tǒng)利用兩塊18 位的AD 芯片，實現(xiàn)了5 MSa/s 采樣率的電磁數(shù)據(jù)采集，高采樣率收錄系統(tǒng)解決了關(guān)斷時間后采集AD 數(shù)據(jù)量少的問題，該系統(tǒng)接收傳感器有X、Z 兩個方向。國內(nèi)在2012 年研發(fā)的CHTEM-I系統(tǒng)，填補了國內(nèi)直升機TEM 研究的空白，該系統(tǒng)使用NI 公司的采集卡完成航空電磁數(shù)據(jù)的收錄，最高采樣率為200 kSa/s，同時將GPS、雷達等輔助類信息也一并進行了收錄；二者使用LabVIEW 上位機軟件進行數(shù)據(jù)同步，精度為毫秒級別。中國科學院電子學研究所研制的CAS-HTEM 收錄系統(tǒng)采用雙通道增益的策略，可以實現(xiàn)6 個通道的數(shù)據(jù)采集，具備三軸的觀測能力。

本文提出一種通過PC104 架構(gòu)下的數(shù)據(jù)采集卡和GPS 串口模塊實現(xiàn)電磁數(shù)據(jù)和GPS 輔助信息數(shù)據(jù)的收錄方案，并使用FPGA 芯片，采用異步FIFO、串口流數(shù)據(jù)字頭與邊沿檢測等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了連續(xù)的航空電磁數(shù)據(jù)與非連續(xù)性串行類數(shù)據(jù)的同步關(guān)聯(lián)。與目前傳統(tǒng)的基于NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計的航空電磁收錄系統(tǒng)相比，實現(xiàn)了整體性能的提升。

1 時間域航空電磁法基本原理

直升機TEM 系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。首先，整套系統(tǒng)通過發(fā)射線圈發(fā)射雙極性周期性的脈沖電流，包括三角波和梯形波等等。該瞬變電流會產(chǎn)生一次場信號，當?shù)叵陆饘俚V物或水資源感應到發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次場信號時，會從地下開始產(chǎn)生渦流。形成感應二次場，二次場信號呈e 指數(shù)衰減的趨勢。根據(jù)法拉第電磁感應定律

圖1 直升機時間域航空電磁法原理圖

由于二次場信號呈e 指數(shù)衰減，所以接收到的感應電壓也為e 指數(shù)衰減的形式。當存在變化的磁場時，閉合線圈中會產(chǎn)生變化的電壓。所以，接收系統(tǒng)通過接收線圈可以采集到變化的二次場電壓信號。

在采集到完整的二次場電壓信息后，需要對航空TEM 數(shù)據(jù)進行抽道處理。由于原始二次場信號為雙極性波，所以，首先需要對負極性波根據(jù)時間軸進行翻轉(zhuǎn)處理；然后將翻轉(zhuǎn)后的信號進行疊加處理，最后將二次場感應電壓的衰減曲線每一個周期內(nèi)的波形進行分割，并對每個周期的第i 段數(shù)據(jù)進行繪圖，該過程稱為抽道。抽道后形成的曲線稱為剖面曲線。由于地下高阻低阻異常體會產(chǎn)生不同的感應電壓響應，所以根據(jù)剖面曲線便可獲取地下金屬礦產(chǎn)資源的信息，從而達到勘測的目的。

數(shù)據(jù)采集卡只能采集電壓信息，無法將非連續(xù)的串口信息與電壓信息相同步。這樣就大大降低了GPS、雷達等串口信息收錄的有效性，使得數(shù)據(jù)在后期的處理上，無法定位電壓信息的地理位置信息，為了保證精確確定地理位置信息，收錄系統(tǒng)需要將此刻的GPS 串行信息一同收錄。同時，采集卡在采集信號的過程中，并無法向發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出啟動指令，發(fā)射系統(tǒng)脈沖信號的發(fā)出與收錄系統(tǒng)信號的接收會產(chǎn)生不同步的現(xiàn)象，在后期數(shù)據(jù)抽道處理的過程中，無法描述抽道疊加的具體采樣點?？紤]到航空TEM 發(fā)射系統(tǒng)電磁輻射強、干擾大等因素，收錄系統(tǒng)在開啟采集后，需發(fā)出指令完成對發(fā)射系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)同步。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

國內(nèi)CHTEM-I 系統(tǒng)中使用的感應線圈最大帶寬可達到71 kHz。且同時考慮到TEM 系統(tǒng)發(fā)射電流關(guān)斷時間短，僅為1 ms～5 ms 的特點，電磁數(shù)據(jù)的采集需要選擇高精度AD 芯片的數(shù)據(jù)采集卡，并使其采樣率盡可能高，這樣更有利于完整保留原始二次場電壓信號中的信息。

航空TEM 系統(tǒng)為了得到全方位的電磁數(shù)據(jù)，大多選擇多軸線圈完成空間中多個方向的數(shù)據(jù)收錄。假設(shè)空間為三維坐標系，則收錄系統(tǒng)應收錄X、Y、Z 3 個分量的一次場與二次場電壓數(shù)據(jù)，同時，為了觀測實時的發(fā)射電流變化，方便事后數(shù)據(jù)處理，應收錄發(fā)射電流數(shù)據(jù)，通過以上計算與設(shè)計，收錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡模塊應至少具有4 個通道，滿足同時收錄四路電磁數(shù)據(jù)的需求。

通過計算，以200 kSa/s 采樣率，6 個采樣通道為例，每秒鐘總線中的數(shù)據(jù)量為3.43 MB，PC104 架構(gòu)下的32 位的PCIe1.0 總線速率可以達到2.5 GB/s，可將AD 芯片中的數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機軟件。

根據(jù)上述計算與分析，本文選用PC104 架構(gòu)的PCIe104-24DSI6LN 數(shù)據(jù)采集卡進行航空電磁類數(shù)據(jù)的收錄，該采集卡采用24 位AD 芯片CS5381，采樣率可以達到192 kSa/s，滿足探測需求。該采集卡擁有6 個差分的采集通道，除此之外，還有同步端（SYNC）與時鐘端（CLK）用以采集卡的串聯(lián)使用，以便完成同系列下多采集卡更多通道的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡部分指標如表1 所示。

表1 PCIe104-24DSI6LN 數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)指標

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

依據(jù)第1 節(jié)對時間域航空電磁法的理論分析和對數(shù)據(jù)采集卡的性能要求，同時考慮到目前傳統(tǒng)的基于PXI 架構(gòu)的航空電磁收錄系統(tǒng)體積大等問題，本節(jié)設(shè)計了基于PC104 架構(gòu)下的收錄系統(tǒng)總體框圖，如圖2 所示。

圖2 總體系統(tǒng)設(shè)計框圖

采集卡信號輸入端連接接收線圈，通過PCIe總線與PC104 控制器進行連接，完成電磁類數(shù)據(jù)通訊。GPS、雷達輔助等串口流信息采用UART 通信的方式與FPGA 連接，經(jīng)過FPGA 對數(shù)據(jù)進行整合處理后，發(fā)送給控制器軟件，形成多種數(shù)據(jù)的共同存儲。

基于PC104 架構(gòu)的時間域航空電磁收錄系統(tǒng)如圖3 所示。圖中左側(cè)是PC104 架構(gòu)的控制器與采集卡，右側(cè)為FPGA 板卡，用于實現(xiàn)采集卡輸出信息通信。串口模塊與控制器通信方式為RS232。

圖3 基于PC104 架構(gòu)的時間域航空電磁收錄系統(tǒng)

2.3 PC104 架構(gòu)的收錄系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計

PC104 架構(gòu)的收錄系統(tǒng)軟件平臺基于C 語言進行搭建，具體設(shè)計框圖如下頁圖4 所示。各部分通過多線程實現(xiàn)CPU 的合理分配與調(diào)用。

圖4 軟件平臺搭建

通過對底層驅(qū)動中數(shù)據(jù)采集卡DMA 的傳輸能力進行測試，得到不同數(shù)據(jù)量的AD 數(shù)據(jù)通過DMA進行傳輸使用的時間與文件存儲時間的關(guān)系圖，如圖5 所示。

通過圖5 可以看出，當存儲時間選擇為2 s 時，文件存儲所耗費的時間與DMA 傳輸?shù)臅r間的占比最低，此時CPU 可分配的資源和空間達到最大，系統(tǒng)最為穩(wěn)定。但是通過綜合考慮到串口流數(shù)據(jù)的存儲等因素，該收錄系統(tǒng)的上位機軟件文件存儲時間選擇為1 s。

圖5 文件存儲時間與調(diào)用驅(qū)動函數(shù)的占比

當數(shù)據(jù)從底層驅(qū)動中以DMA 的方式進行讀取時，CPU 內(nèi)存的分配采用“乒乓操作”的形式進行。當一片緩存區(qū)的內(nèi)存空間被數(shù)據(jù)寫滿之后，進行第一片緩存區(qū)的隊列寫入和兩片緩存區(qū)的轉(zhuǎn)換。采用“乒乓操作”的方法，不僅避免了因上位機軟件反復讀寫底層驅(qū)動而帶來的CPU 占用率增加，還有效地保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)讀寫。

2.4 電磁數(shù)據(jù)與輔助信息的同步設(shè)計

航空電磁收錄系統(tǒng)不僅需要采集高速高精度的航空電磁數(shù)據(jù)，為了實時確定當前二次場電壓信號的時間地點高度等信息，還需要采集GPS 模塊、雷達模塊等串口模塊發(fā)送的串口流數(shù)據(jù)信息。本文的收錄系統(tǒng)使用FPGA 對串口流數(shù)據(jù)信息進行整合，并與數(shù)據(jù)采集卡采集到的航空電磁數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。

晶振由FPGA 內(nèi)部晶振模塊統(tǒng)一產(chǎn)生，數(shù)據(jù)采集卡將CLK 與SYNC 信號輸出至FPGA 內(nèi)部，并使用邊沿檢測的方式對CLK 信號進行計數(shù)；UART接收模塊進行串口流數(shù)據(jù)的接收，并對接收到的數(shù)據(jù)進行檢測，當檢測到每一串GPS、雷達高度等串口數(shù)據(jù)的字頭時，系統(tǒng)認定該串字符的有效性，同時記錄此時的CLK 計數(shù)器的值，并將此值作為該串串口數(shù)據(jù)的FID 號時間戳，與串口數(shù)據(jù)一同存儲在FPGA 內(nèi)部的FIFO 模塊中，當一串數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時，F(xiàn)PGA 進行結(jié)束字符的檢測，同時，將FIFO 模塊中存儲的串口流數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機軟件中，實現(xiàn)多信息流串口數(shù)據(jù)的存儲。具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

圖6 收錄系統(tǒng)FPGA 串口信息接收與發(fā)送

3 實驗測試與結(jié)果分析

3.1 實驗室測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

首先使用信號發(fā)生器Agilent33500B 輸出1 個幅值為1 V，頻率為10 Hz 的正弦波，采集到的波形數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 信號發(fā)生器正弦波形數(shù)據(jù)采集與顯示

圖7 證明，PC104 架構(gòu)下的數(shù)據(jù)采集卡上位機軟件使用C 語言的方式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲。

航空電磁數(shù)據(jù)與串口流數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)與同步通過時間戳FID 號的形式，以串口的方式發(fā)送給上位機軟件。其中，連續(xù)5 s 采集到的FID 號時間戳數(shù)據(jù)如下頁表2 所示。

表2 連續(xù)5 s 時間內(nèi)采集的FID 號時間戳

由于GPS 串口流數(shù)據(jù)自身在發(fā)送時會有誤差，所以，使用GPS 模塊精度更高的PPS 秒脈沖信號進行上升沿的檢測，通過對連續(xù)兩秒串口FID 號進行作差可以計算出，時間戳FID 號的差值為191 996、191 997。計算出系統(tǒng)的最大同步精度為5.2 μs。

由于PC104 采集卡內(nèi)部控制AD 信號采集的晶振與GPS 模塊晶振兩者不同源，所以，測試結(jié)果與理論差值192 000 有一定的誤差。對于收錄系統(tǒng)的多信息同步接收而言，考慮到GPS 串行信息的頻率僅為1 Hz，所以，這個誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

3.2 室外實際測試結(jié)果與分析

將收錄系統(tǒng)的4 個通道分別與空間中不同方向的X、Y、Z 分量接收線圈連接，在接收線圈與數(shù)據(jù)采集卡之間通過串聯(lián)放大器進行信號的放大，如圖8 所示。開啟采集后，進行航空電磁數(shù)據(jù)的采集與串口流數(shù)據(jù)的接收。

圖8 室外收錄系統(tǒng)整體測試環(huán)境

發(fā)射電流的測試通過增加匹配電阻的形式進行，根據(jù)電流增益系數(shù)，可以得到如圖9 所示的發(fā)射電流波形圖，從圖中可以看出，當前發(fā)射電流的波形為三角波，峰值電流為210 A，發(fā)射電流的周期為0.02 s。

圖9 發(fā)射電流波形圖

圖10～圖12 分別為X、Y、Z 3 個分量線圈采集到的電壓數(shù)據(jù)波形。接收線圈接收到的除二次場信號之外，還包括發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次場信號。

圖10 收錄系統(tǒng)采集X 分量電壓波形圖

圖12 PC104 架構(gòu)收錄系統(tǒng)采集Z 分量電壓波形圖

系統(tǒng)正常工作時，采用金屬類鐵材質(zhì)異常體在接收線圈附近來回走動，對收錄到的Z 分量電壓信號進行疊加與抽道計算，取連續(xù)的75 個周期波形為一組進行電壓漢寧窗函數(shù)疊加運算，通過對雙極性波進行翻轉(zhuǎn)、疊加后，選擇電流關(guān)斷后二次場晚期數(shù)據(jù)對其進行抽道數(shù)據(jù)，得到該段異常體的剖面曲線，如下頁圖13 所示。

圖13 中的剖面曲線中，橫軸測點表示異常體移動過程中，收錄系統(tǒng)工作中的測試點，縱軸表示磁場B 的變化率。通過公式

圖13 收錄系統(tǒng)異常體相應剖面曲線

圖11 PC104 架構(gòu)收錄系統(tǒng)采集Y 分量電壓波形圖

計算得出。V 表示收錄系統(tǒng)采集到的二次場電壓值，n 表示接收線圈的匝數(shù)，S 表示接收線圈的面積。 可以看到當鐵材質(zhì)異常體靠近接收線圈時，此時接收線圈感應到異常體存在，二次場晚期信號出現(xiàn)衰減異常，由于金屬類異常體相對于地面電阻率低，呈高阻狀態(tài)，所以剖面曲線圖在100～150 測點、250～300 測點之間出現(xiàn)兩個向上鼓起的“包”。這兩個“包”驗證了實驗中兩次異常體經(jīng)過接收線圈的過程。磁場的變化率隨著抽取道數(shù)的推后而增大，在最后一道剖面曲線中能看到明顯的變化，磁場變化率的改變也驗證了異常體從接近到遠離接收線圈的實際實驗過程。實驗證明，收錄系統(tǒng)可收錄二次場e 指數(shù)衰減的電壓信息，且對異常體作出判斷。

時間戳FID 號通過串口的形式發(fā)送至上位機軟件中，通過查詢文件中串口類數(shù)據(jù)的FID 號，可以得到如圖14 所示的散點圖。圖中橫軸代表時間，將連續(xù)2 s 的FID 號作差，作為縱軸。

圖14 秒脈沖測試FID 號作差圖

在圖14 中，縱軸計算了50 min 中連續(xù)2 s PPS秒脈沖的差值。從變化規(guī)律可以看出，差值穩(wěn)定在191 996～191 997 點之間，由于每個CLK 信號的上升沿之差代表的時間為5.2 μs，所以，該收錄系統(tǒng)采用FPGA 的方式，將航空電磁數(shù)據(jù)與串口類輔助信息的綁定精度可以達到5.2 μs。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于PC104 架構(gòu)的時間域航空電磁法同步收錄系統(tǒng)，采用24 位AD 芯片的數(shù)據(jù)采集卡和串口模塊，實現(xiàn)了6 個通道下的最高192 kSa/s 采樣率的航空電磁數(shù)據(jù)的收錄與GPS 等串口流UART數(shù)據(jù)的收錄。每秒鐘的電磁數(shù)據(jù)量為3.29 MB/s。同時，系統(tǒng)以電磁信號為刻度尺，將兩者數(shù)據(jù)實現(xiàn)了關(guān)聯(lián)，精度達到了5.2 μs。采用該方法，將常規(guī)的通用采集卡擴展成了航空電磁領(lǐng)域中專用的收錄系統(tǒng)。不論是從電磁信息的收錄量還是信息同步精度方面來講，均優(yōu)于上一代航空電磁收錄系統(tǒng)。可以滿足時間域航空電磁收錄的需求，在減輕重量與體積的同時，依靠其高可靠性，可以進行無人區(qū)等環(huán)境惡劣的地質(zhì)勘測，有著廣泛的應用前景。