第 1 章    緒    論

1.1 課題研究背景及意義
人類社會(huì)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(kuò)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(guó)際之間。在對(duì)城市進(jìn)行更深程度的建設(shè)與開(kāi)發(fā)的同時(shí),如若忽略對(duì)淺埋于地下的基礎(chǔ)設(shè)施的了解,將會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)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(wèn)題均構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患;在軍事方面,投放戰(zhàn)場(chǎng)的子母彈與戰(zhàn)場(chǎng)上遺留下來(lái)的未爆彈均會(huì)隨著時(shí)間的推移被風(fēng)沙、樹(shù)葉所掩埋,對(duì)生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1,2]。對(duì)淺層地表結(jié)構(gòu)的掌握與評(píng)估并就此展開(kāi)工程勘探工作變得尤為重要。 電磁探測(cè)方法由于其便捷、高效、安全的工作特點(diǎn),近年來(lái)成為淺地表勘察的重要手段。通過(guò)地下異常體對(duì)電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的不同反應(yīng),采集并分析回波信號(hào)來(lái)尋找、鑒定地下異常目標(biāo)。目前主流的探測(cè)方法有三種:探地雷達(dá),時(shí)間域方法,頻率域方法。探地雷達(dá)采用信號(hào)頻率較高,在近地面工作時(shí)遇到尖銳的地面凸起往往也會(huì)被標(biāo)記為異常而產(chǎn)生誤判;時(shí)間域方法發(fā)射脈沖消散時(shí)間與采集時(shí)間通常具有重疊區(qū)域,早期信號(hào)易受一次場(chǎng)干擾,影響探測(cè)靈敏度;頻率域方法采集周期數(shù)與探測(cè)時(shí)間可控,在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)可兼顧探測(cè)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(duì)地表干擾可采取有效手段進(jìn)行抑制,近年來(lái)成為解決淺地表探測(cè)問(wèn)題的優(yōu)秀方案。 本文緊密結(jié)合課題背景,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種專門(mén)用于淺地表探測(cè)的頻率域電磁法儀器。通過(guò)發(fā)射功率電路向發(fā)射線圈輸出電流信號(hào),建立可靠高質(zhì)的一次場(chǎng),通過(guò)抵消線圈耦合經(jīng)地表以及異常體所反射的二次場(chǎng)信號(hào),并對(duì)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(jī)滿足淺地表探測(cè)在實(shí)時(shí)性、抗干擾、探測(cè)精度、工作效率等方面的較高要求,為淺地表探測(cè)及其相關(guān)工作提供了硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。  
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1.2 國(guó)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(kāi),論述繁多,成果顯著,商品化儀器百花盛開(kāi),如德國(guó) Metronix 公司的 ADU-07,加拿大 Phoenix 公司的 V8,美國(guó) 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(duì)幾百米至幾千米的深部地層,采用探測(cè)信號(hào)頻率較低,工作周期較長(zhǎng),所面向的探測(cè)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(cè)則主要應(yīng)用于軍用、民用方面,針對(duì)地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工程質(zhì)量勘探、未爆彈探測(cè)等貼近人類活動(dòng)的場(chǎng)合展開(kāi)工作,相應(yīng)國(guó)外儀器主要為美國(guó) 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(hào)按照天線結(jié)構(gòu)不同分為 GEM-2、GEM-3 與 GEM-5,可單人或車(chē)載完成作業(yè),提高了探測(cè)靈活性。使用頻率為300Hz-96kHz 的單頻或 3~5 頻率合成波信號(hào)進(jìn)行探測(cè),探測(cè)頻率需鏈接計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)顯示功能,詳細(xì)的探測(cè)結(jié)果需要在探測(cè)完成后通過(guò)數(shù)據(jù)線上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析顯示,且對(duì)淺埋的微小目標(biāo)體的響應(yīng)有待提高。淺地表電磁探測(cè)主要發(fā)展方向?yàn)楦邔?shí)時(shí),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(zhǎng)的探測(cè)需求。 本文針對(duì)淺地表電磁探測(cè)儀器發(fā)展趨勢(shì),借鑒國(guó)外成型儀器先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),重新分析探測(cè)方案需求,對(duì)淺地表電磁探測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。目前已完成模擬探測(cè)實(shí)驗(yàn)并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)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。
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第 2 章淺地表電磁探測(cè)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 淺地表電磁探測(cè)原理
淺地表電磁探測(cè)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(hào)產(chǎn)生足夠發(fā)射磁矩,激發(fā)并建立一次場(chǎng),異常目標(biāo)在一次場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生內(nèi)部渦流,反射二次場(chǎng)。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(duì)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(hào)理想值趨近于零。異常體進(jìn)入探測(cè)范圍后,打破了接受線圈周?chē)碾姶艌?chǎng)平衡關(guān)系,接收線圈與反射的二次場(chǎng)耦合,在線圈抽頭端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),即為系統(tǒng)接收信號(hào),如圖 2.1 所示。  由表 2.2 可知,非探測(cè)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(cè)物質(zhì)。因此,在進(jìn)行近地表探測(cè)時(shí),只要檢測(cè)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(cè)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)率的變化通常可以反映在二次場(chǎng)的電特性變化上。由圖 2.1 可知,接收天線耦合的信號(hào)主要有兩部分組成,一部分是通過(guò)上層空氣直接與接受線圈耦合的一次場(chǎng)信號(hào),另一部分電磁場(chǎng)通過(guò)下層的地下介質(zhì)耦合到接收天線。當(dāng)探測(cè)線圈途經(jīng)淺埋由電或磁的良導(dǎo)體的區(qū)域時(shí),這些良導(dǎo)體會(huì)感生出較為明顯的二次場(chǎng)信號(hào),通過(guò)接收機(jī)對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)幅值相位信息變化的分析與表達(dá),即可判斷所要探測(cè)目標(biāo)的具體位置及特性。 
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2.2 探測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)建立在以平衡式探測(cè)線圈為傳感器展開(kāi)探測(cè)工作的基礎(chǔ)之上,以探測(cè)精準(zhǔn)、靈敏為前提,按照系統(tǒng)便于操作,觀測(cè)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(cè)范圍,又能對(duì)微小目標(biāo)體敏感的車(chē)載或機(jī)器人平臺(tái)上的探測(cè)系統(tǒng)。 圖 2.2 中所示框架主要由探測(cè)線圈,探測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)體與上位機(jī)三個(gè)主要部分構(gòu)成。探測(cè)線圈采用陣列式 PCB 線圈板,保證參數(shù)的精準(zhǔn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)上的固定并實(shí)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(duì)外界共模干擾具有一定的自抵消性;探測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)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(chǎng)信號(hào),多通道接收系統(tǒng)主要對(duì)每個(gè)接收線圈輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、通過(guò) 32 位 ADC 對(duì)信號(hào)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(guò) CY7C68013 芯片所實(shí)現(xiàn)的 USB 接口與上位機(jī)進(jìn)行通信,實(shí)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(jī),并將上位機(jī)的控制指令譯碼為底層硬件信號(hào),控制整套底層系統(tǒng)硬件的工作與同步;上位機(jī)采用筆記本電腦中配套編寫(xiě)的采集軟件提供人機(jī)接口,將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的算法處理。首先通過(guò)上位機(jī)對(duì)探測(cè)區(qū)域的背景場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定,保留標(biāo)定結(jié)果,再用實(shí)際探測(cè)結(jié)果與標(biāo)定結(jié)果做差,將差值曲線作為有無(wú)異常的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),并實(shí)時(shí)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(lái)區(qū)分淺埋的不同異常體,實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的。
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第 3 章發(fā)射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) .........8
3.1 隨機(jī)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(hào)調(diào)理 .......15
4.1.1 前置放大器設(shè)計(jì) .........15
4.1.2 濾波電路設(shè)計(jì) ......16
4.2 數(shù)字電路關(guān)鍵部分設(shè)計(jì) ......18
4.2.1FPGA 與 USB 模塊數(shù)字接口設(shè)計(jì) .........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(hào)的 PSD 實(shí)現(xiàn)........25
4.2.4 高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)緩沖傳輸方案與實(shí)現(xiàn) .....35
第 5 章上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)....40
5.1 上位機(jī)軟件總體設(shè)計(jì) ..........40
5.2 采集與緩存策略 ....41
5.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理 ....43

第 6 章異常體探測(cè)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果 

6.1 金屬異常特性測(cè)試 

模擬真實(shí)探測(cè)場(chǎng)景,在實(shí)驗(yàn)室的沙池中嘗試對(duì)線圈周?chē)慕饘佼惓＿M(jìn)行探測(cè)并描繪探測(cè)曲線。實(shí)驗(yàn)步驟:(1) 對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定,進(jìn)行數(shù)字相位校正。(2) 點(diǎn)擊開(kāi)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(shí)驗(yàn)第 2 步,正式開(kāi)始采集時(shí),利用當(dāng)前采集所得的 IQ 分量曲線與背景場(chǎng)的差值曲線,放置金屬異常后,這個(gè)差值曲線明顯的體現(xiàn)出來(lái),對(duì)比可見(jiàn)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(chǎng)的渦流,故響應(yīng)較小。由表 6.1 與表 6.2 所示的實(shí)驗(yàn)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(huì)隨著頻率的連續(xù)變化而突變,探測(cè)質(zhì)量較高。對(duì)不同異常所表達(dá)出來(lái)的曲線形態(tài)差異明顯,能夠達(dá)到區(qū)分的目的,對(duì)微小異常具有良好的適用性。

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總結(jié) 

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種專門(mén)用于淺地表探測(cè)的頻率域電磁法儀器,參考國(guó)外現(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),分析淺地表電磁探測(cè)的工作方式,從電磁探測(cè)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(shí)現(xiàn)主要有三個(gè)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(guò)發(fā)射線圈建立探測(cè)所需的一次場(chǎng)信號(hào);第二部分為接收部分,將線圈耦合來(lái)的二次場(chǎng)信號(hào)經(jīng)模擬調(diào)理,模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳入 FPGA 并利用 USB 單片機(jī)完成向上位機(jī)傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)接口,利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制與發(fā)射橋路驅(qū)動(dòng)信號(hào);第三部分為上位機(jī)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 完成論文期間所做工作總結(jié)如下:
(1) 對(duì)淺地表電磁探測(cè)原理進(jìn)行了分析,了解近地表電磁探測(cè)的工作方式與工作特點(diǎn)。對(duì)異常目標(biāo)的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),確定儀器的探測(cè)目標(biāo)。
 (2) 對(duì)發(fā)射電路結(jié)構(gòu)中影響探測(cè)精度的因素進(jìn)行了分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到了問(wèn)題所在:通過(guò)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(jī)尖峰;通過(guò)選擇溫度漂移較小的元件來(lái)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(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)了基于階梯波參考的信號(hào)提取技術(shù),加快了采集速度,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)緩存電路,保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)傳輸。 
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號(hào)：40095