張雨默， 袁貴揚(yáng)， 黎東升， 王 遠(yuǎn)，c， 嵇艷鞠，

(吉林大學(xué)a. 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院;b. 地球信息探測儀器教育部重點(diǎn)實驗室;c. 國家地球物理探測儀器工程技術(shù)中心，吉林 長春130026)

0 引 言

時域電磁探測系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力強(qiáng)［1］、低阻目標(biāo)體分辨率高［2］、探測深度較深等特點(diǎn)［3］，因而近年來應(yīng)用廣泛［4］。但是在應(yīng)用過程中，時域電磁接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)普遍存在著衰減曲線衰減過慢，實測曲線與理論曲線偏差較大等問題［5-6］。例如吉林大學(xué)2013 年8 月在溫州澤雅隧道中開展探測時發(fā)現(xiàn)實測衰減曲線明顯比理論曲線衰減緩慢，同樣的問題也存在國外生產(chǎn)的EM67 時域電磁系統(tǒng)和SIROTEM-III 時域電磁系統(tǒng)。

針對上述問題，國內(nèi)外的時域電磁儀器研制人員都做了相應(yīng)的研究，但主要針對接收信號進(jìn)行研究，吉林大學(xué)的李肅義［7］，許洋鋮［8］，嵇艷鞠［7-10］等人先后做過針對時域電磁接收信號的研究。林君等人做過接收線圈對信號的影響［11］，浙江大學(xué)的王華軍［12］做過阻尼系數(shù)對接收信號影響的研究，吉林大學(xué)的尹炳琪［13］也對上面的問題做了初步的研究，但沒有提出具體的校正方法，只做了初步探索。加拿大著名的電磁儀器生產(chǎn)廠商Geonics 公司就在其研制的EM 系列時域電磁儀器中引入了自校正，具體實現(xiàn)的方法是由儀器內(nèi)部產(chǎn)生基準(zhǔn)信號，對儀器的偏置進(jìn)行校正，但是只針對EM 系列儀器，不具備使用的普遍性［14］。

綜合上面的研究，采用標(biāo)準(zhǔn)信號源對時域電磁接收機(jī)進(jìn)行校正。但目前市場上的標(biāo)準(zhǔn)信號源，大多不具備產(chǎn)生任意信號的功能，大多數(shù)只是產(chǎn)生幾類常見的信號，比如正弦波、三角波、方波。而瞬變電磁信號曲線指數(shù)衰減信號相似，所以在對時域電磁接收機(jī) 測試過程中使用指數(shù)衰減信號是最可靠的。常見的信號發(fā)生器如安捷倫公司和泰克公司信號源大都無法輸出指數(shù)信號，個別的如泰克3021B 任意信號發(fā)生器可以產(chǎn)生指數(shù)信號，但是該信號發(fā)生器輸出指數(shù)波形需要配套一款軟件，在PC 上實現(xiàn)任意波形的編寫，下載到信號發(fā)生器中，而且每次使用都要重新下載，很不方便，對于接收機(jī)測試過程中的同步問題也無法解決且分辨率比較低，無法滿足對時域電磁接收機(jī)進(jìn)行校正和標(biāo)定的要求。

本文通過分析時域電磁信號特點(diǎn)，采用STM32 控制單元與D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)合，設(shè)計并研制了時域電磁標(biāo)準(zhǔn)信號源。經(jīng)過實驗測試:信號源動態(tài)范圍0.2 mV-5 V，最小分辨率0.1 mV。

1 時域電磁信號分析

通過對瞬變電磁響應(yīng)進(jìn)行相關(guān)理論和實際分析，響應(yīng)信號有如下特點(diǎn):①信號的動態(tài)范圍很大［15］，在一次觀測的信號中，動態(tài)范圍可達(dá)120 dB，并且幅值在很大程度上與時間常數(shù)τ 相關(guān);②限號衰減速度在各個階段不相同，早期信號幅值大衰減速度快［16］，晚期信號弱衰減慢;③晚期信號信噪比很低，由于晚期的信號在微伏級，已淹沒在噪聲中［17］。

采用時域電磁系統(tǒng)探測時，接收線圈中的感應(yīng)電動勢的時間特性勢符合式:

式中:ε 為電壓值;t 為時間變量;τ 為時間常數(shù)(τ =L/R，L 為接收線圈等效電感，R 為等效電阻)。

在Matlab 中對式(1)仿真，結(jié)果見圖1。

圖1 時域電磁理論仿真曲線

在野外條件下所測得曲線如圖2 所示。

圖2 時域電磁接收機(jī)野外實測曲線

通過對圖1 和圖2 的電磁響應(yīng)特征分析和對比，可見，實際瞬變電磁信號與理論信號變化規(guī)律一致，均為指數(shù)規(guī)律衰減。為此，設(shè)計瞬變電磁信號源輸出的信號滿足:

式中，Bi為信號幅值。采樣頻率對式(2)進(jìn)行采樣分析結(jié)果，得到相應(yīng)離散序列，在控制器中離散序列的值需要輸出到DAC 的二進(jìn)制代碼，接收機(jī)采集到的信號實際是DAC 對離散函數(shù)方程重建后的信號，由奈奎斯特采樣定理，信號的頻率要大于等于接收機(jī)采樣頻率的2 倍，采集到的信號是可信的，接收機(jī)的采樣率為100 kHz，因此，時域電磁標(biāo)準(zhǔn)信號源代碼刷新頻率要高于200 kHz，控制器發(fā)送數(shù)據(jù)至少5 μs 輸出一個點(diǎn)，才能滿足采樣定理，還原后信號才有意義?？刂破靼l(fā)送數(shù)據(jù)越快、越多，得到的信號越逼真。

2 時域電磁標(biāo)準(zhǔn)信號源設(shè)計

時域電磁信號源的硬件實現(xiàn)方案有多種，主要有直接合成法和模擬壓頻器件轉(zhuǎn)換法兩種，其中采用模擬壓頻轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行信號合成，存在的問題主要是模擬電路模塊眾多，調(diào)試?yán)щy以及受干擾嚴(yán)重。

本文采用直接數(shù)字頻率合成的方法［18］，在信號產(chǎn)生過程中均為數(shù)字化，設(shè)計了基于DDS 可編程邏輯和DAC 混合編程進(jìn)行信號輸出，信號產(chǎn)生整體框圖如圖3 所示。

圖3 時域電磁信號源原理框圖

M32F103 芯片為主控制器，它具有高度集成性，80%的管腳都是I/O，72MHz 的CPU 主頻，D/A 轉(zhuǎn)換器采用AD5791，它具有單通道、20 b、無緩沖電壓輸出。同時具有高精度與高分辨率，AD5791 采用通用的三線接口，因此主控制器與AD5791 之間通信采用SPI 接口方式。

控制時域標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出精度和產(chǎn)生高分辨率的關(guān)鍵是確保AD5791 的正常工作條件，AD5791 采用的精密架構(gòu)要求強(qiáng)制緩沖其基準(zhǔn)電壓輸入，從而達(dá)到要求的工作精度和良好的線性度，緩沖電路框圖如圖4所示。

圖4 AD5791 緩沖電路框圖

選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器A1 和A2 應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性，輸出緩沖器放大器B 同樣選擇具有低溫漂、低噪聲的放大器。AD5791 配置有獨(dú)立的正、負(fù)基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓由單獨(dú)設(shè)計的電路，這里采用的基準(zhǔn)電壓為+10 V 和－10 V，基準(zhǔn)電壓電路中所選用的電阻均為精密金屬薄膜電阻，容差為0.01%，為了實現(xiàn)在大范圍溫度范圍內(nèi)最佳性能，采用配套電阻網(wǎng)絡(luò)，同時在輸出端設(shè)計RC濾波器，截止頻率為10 Hz，用于衰減基準(zhǔn)電壓源噪聲。

主控制單元將產(chǎn)生的控制信號存儲在SPI 寄存器中，當(dāng)DAC 開始工作后，發(fā)生函數(shù)指令進(jìn)入DAC 中，開始進(jìn)行工作，主控制器同時產(chǎn)生同步信號。當(dāng)需要對波形參數(shù)進(jìn)行修改，可以通過外設(shè)鍵盤完成，同時在外設(shè)液晶屏上顯示。

瞬變電磁接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的過程中，同步信號的觸發(fā)采集是采集完整、正確數(shù)據(jù)的必要條件。時域電磁標(biāo)準(zhǔn)源采用中斷方式控制同步信號的發(fā)生，通過定時器精確輸出同步信號。

3 信號源工作方式

軟件控制方面，時域電磁標(biāo)準(zhǔn)源采用DDS 原理設(shè)計實現(xiàn)。在DDS 中輸出的波形需要在波形存儲器里面存儲，而對于STM32 來說，其存儲空間足夠大，因此可以利用C 語言兼容數(shù)學(xué)公式的特點(diǎn)直接取出函數(shù)上的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于波形采樣。

圖5 信號源軟件流程圖

采用C 語言進(jìn)行編程設(shè)計，軟件主程序流程圖如圖5 所示。主控制器發(fā)出指令使D/A 轉(zhuǎn)換器初始化。當(dāng)DAC 進(jìn)入工作狀態(tài)之后，通過控制指令的輸出才能使D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀態(tài)，對輸出進(jìn)行編程。在信號采樣及波形合成過程中，參照公式(2)，通過對幅值B 和時間常數(shù)τ 的選擇決定波形的特性，主程序?qū)⒉蓸有盘栞斎氲紻/A 轉(zhuǎn)換器，根據(jù)波形參數(shù)要求輸出信號。信號輸出后，外設(shè)進(jìn)行實時掃描，波形參數(shù)需要進(jìn)行改變時，函數(shù)發(fā)生程序根據(jù)鍵盤指令進(jìn)行波形參數(shù)調(diào)整;若不變，則信號持續(xù)輸出。

4 信號源測試分析

為了測試標(biāo)準(zhǔn)信號源的輸出性能，在吉林大學(xué)電磁屏蔽實驗室開展了測試實驗。信號采集系統(tǒng)采用了NI9234 模塊，采樣時間為19.5 μs，同時為了減小系統(tǒng)噪聲的影響采通過編程采用雙極性信號方式輸出，示波器觀顯示雙極性信號如圖6 所示。

圖6 雙極性疊加輸出信號圖

表1 給出幾組不同幅值的測量結(jié)果。由表1 可知，精度為0.2 mV，但精度值隨著電壓值的減小而下降。在0.1 mV 時誤差達(dá)到11. 11%，分辨率為0. 1 mV，在幅值誤差方面還需要進(jìn)行提高。

表1 信號源輸出測試數(shù)據(jù)

圖7 顯示了實測曲線和理論曲線的對比。圖中縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)。

圖7 信號源輸出曲線對比

從圖7 可以看出，理論曲線在對數(shù)坐標(biāo)系下為一條直線，測試曲線在大于0.2 mV 時變化規(guī)律正常，呈線性規(guī)律，與理論曲線基本重合，若小于0.2 mV，則曲線與理論曲線偏差較大，已經(jīng)無法辨認(rèn)。因此時域電磁標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號在0.2 mV 以上精確。目前最先進(jìn)的泰克AFG3022C 信號發(fā)生器信號最小分辨率為0.1 mV。

圖8 給出了實測數(shù)據(jù)與理論信號的絕對誤差曲線。

圖8 信號源輸出絕對誤差曲線

由圖8 可見，絕對誤差在信號早期達(dá)到最大為4.5 mV，主要原因為外加基準(zhǔn)電源輸出不穩(wěn)，所以電壓在最大值附近出現(xiàn)較大偏差。當(dāng)輸出信號減小時，絕對誤差變小，0.1 mV 以下。

5 結(jié) 語

本文從時域電磁信號特點(diǎn)入手，基于理論模型分析了時域電磁信號的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了采用基于ARM7 架構(gòu)的STM32F103 芯片，高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計了時域電磁校正裝置。得到以下結(jié)論:

(1)時域電磁信號為指數(shù)衰減規(guī)律，為信號發(fā)生器輸出信號奠定理論基礎(chǔ)。

(2)本文設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)瞬變電磁信號源輸出范圍為0.000 1 ～5 V，最小分辨率0.1 mV，信號源輸出誤差小于1.5%，主要指標(biāo)滿足接收機(jī)校正的需求，但是進(jìn)行全波段校正還需要對分辨率做進(jìn)一步提高。

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