梁文婧， 馮 晅

(吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長春 130026)

0 引 言

地球物理是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的應(yīng)用型學(xué)科，傳統(tǒng)的地球物理勘探方法是應(yīng)用重力、磁法、地震等技術(shù)手段來獲取地下的探測信息，找尋賦存于地下的巨大的地質(zhì)資源。隨著現(xiàn)代社會發(fā)展，地球物理勘探方法也更廣泛地應(yīng)用于城市建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，探測的手段也逐步向多樣化、簡易化發(fā)展。例如，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的淺層無損探測儀器：探地雷達(dá)，它是通過對地下發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)存在電性差異時，接收天線會接收到回波，以此來判斷地下異常情況[1]。

為了將“看不見、摸不到”的電磁波具體化，在實(shí)驗室內(nèi)獲取理想的異常體結(jié)構(gòu)圖像，使學(xué)生可以直觀地了解地下不同異常體對電磁波的響應(yīng)特征，讓學(xué)生親自動手參與到實(shí)驗中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，達(dá)到理想教學(xué)實(shí)踐效果。本文應(yīng)用實(shí)驗室內(nèi)的大型實(shí)驗沙槽、網(wǎng)絡(luò)分析儀、三維直角坐標(biāo)儀等儀器設(shè)備，構(gòu)建了基于LabVIEW電磁波數(shù)據(jù)采集實(shí)驗系統(tǒng)[2]，開展了 “電磁波地下目標(biāo)體探測實(shí)驗”的創(chuàng)新型開放性實(shí)驗，為學(xué)生今后從事相關(guān)學(xué)習(xí)和研究工作打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗系統(tǒng)

1.1 設(shè)計思想及功能實(shí)現(xiàn)

為使學(xué)生直觀地了解電磁波對地下異常體的探測過程，了解真實(shí)異常體對電磁波的響應(yīng)圖像，同時節(jié)省采集數(shù)據(jù)時間。應(yīng)用實(shí)驗室內(nèi)的大型實(shí)驗沙槽、網(wǎng)絡(luò)分析儀、三維直角坐標(biāo)儀和天線等儀器設(shè)備，構(gòu)建了基于LabVIEW電磁波數(shù)據(jù)采集實(shí)驗系統(tǒng)[3-12]，如圖1所示。該系統(tǒng)可自動采集并實(shí)時顯示當(dāng)前測量位置的電磁波傳播波形，同時自動保存當(dāng)前測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，保存完畢后自動運(yùn)行至下一個測點(diǎn)重復(fù)同樣工作。當(dāng)一條測線上全部測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集完畢后，可直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件形成二維剖面圖，直觀反映所測量的目標(biāo)體對電磁波的響應(yīng)情況，同時驗證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

圖1 全自動電磁波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計思想是，應(yīng)用主控計算機(jī)控制整個系統(tǒng)中各個儀器的功能實(shí)現(xiàn)，完成對天線的定位，數(shù)據(jù)的采集及存儲操作一體化，獲得高精度和信息量豐富的數(shù)據(jù)，同時對控制功能進(jìn)行模塊化設(shè)計，從而優(yōu)化操作，使其簡便易行，減少誤差。

基于LabVIEW編程的全自動電磁波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互操作界面友好，操作簡單。系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW函數(shù)庫中的While循環(huán)結(jié)構(gòu)，里面嵌套事件結(jié)構(gòu)，通過對用戶界面的操作完成系統(tǒng)各部分通信，對網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程控制管理，對電磁波數(shù)據(jù)的保存等功能，界面同步顯示當(dāng)前所在測點(diǎn)的數(shù)據(jù)圖像，使實(shí)驗結(jié)果更加快捷直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前。

1.2 通信檢測

全自動電磁波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主控計算機(jī)、三維直角坐標(biāo)儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、開關(guān)控制器構(gòu)成。任何部分出現(xiàn)異常和損壞，系統(tǒng)都無法按流程進(jìn)行，所以在正式使用操作界面對各部分儀器進(jìn)行控制之前，首先在NI的配置管理軟件中完成主控計算機(jī)與NI硬件產(chǎn)品的交互，檢查系統(tǒng)各部分儀器是否已與主控計算機(jī)保持聯(lián)通，完成識別和檢測NI硬件。當(dāng)設(shè)備連接顯示如圖2所示時，表示計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分析儀和開關(guān)控制器已建立連接，可以通過操作界面對兩者進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并自動導(dǎo)入LabVIEW。

圖2 NI的配置管理軟件顯示連接圖

利用LabVIEW提供的VISA庫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和儀器的串口通信。通過調(diào)用VISA庫函數(shù)下的VISA寫入、VISA讀取等子函數(shù)，向儀器以規(guī)定格式發(fā)送指令，同時接收儀器返回的指令和數(shù)據(jù)。對應(yīng)設(shè)備號為N9925A和11713C。

1.3 多通道數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多個通道實(shí)時發(fā)射信號接收數(shù)據(jù)，為了避免測量中多個天線同時測量帶來的互耦效應(yīng)，本系統(tǒng)采取順次方式，即分時接通各個通道，在LabVIEW中通過平鋪式順序結(jié)構(gòu)建立，按順序依次開啟各個通道，通過 “VISA寫入”將狀態(tài)送入各個通道，受主控計算機(jī)的控制，開關(guān)控制器相應(yīng)通道依次響應(yīng)。如圖3所示，圖中為3個通道順次接通的程序框圖，由于開關(guān)控制器最大通道數(shù)的限制，最多可以將網(wǎng)絡(luò)分析儀單個通道擴(kuò)展為6個通道，所以在LabVIEW編程中，也可根據(jù)需要將平鋪式順序結(jié)構(gòu)增加至6個，體現(xiàn)了LabVIEW易于修改的特點(diǎn)。

圖3 實(shí)現(xiàn)多通道采集的程序框圖

1.4 系統(tǒng)主界面和運(yùn)行流程

圖4為系統(tǒng)軟件主界面，程序開始后，可在界面中設(shè)置參數(shù)并同步至相應(yīng)儀器，參數(shù)配置完成后，程序等待數(shù)據(jù)采集命令，當(dāng)“Measurement”按鍵按下后，系統(tǒng)判斷給出的數(shù)據(jù)存儲路徑是否正確，若正確則開始數(shù)據(jù)采集，當(dāng)完成指定通道的數(shù)據(jù)采集后，各通道的采集圖像將分別顯示在對應(yīng)的圖像顯示框中，當(dāng)“stop”按鍵按下后，系統(tǒng)結(jié)束數(shù)據(jù)采集。

圖4 系統(tǒng)用戶操作界面

用戶操作界面分為參數(shù)設(shè)置模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等，通過該面板，用戶可完成各項采集參數(shù)的設(shè)置。

(1) 參數(shù)設(shè)置模塊?？稍谟嬎銠C(jī)中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀[13]的測量參數(shù)，其中包括測量方式、起止頻率、時頻轉(zhuǎn)換、起止時間。參數(shù)設(shè)置完成后可同步至網(wǎng)絡(luò)分析儀。

(2) 波形顯示模塊。波形顯示模塊共有3個波形顯示框，可同時顯示3個測點(diǎn)的波形圖。

(3) 數(shù)據(jù)存儲模塊。用戶可指定當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲路徑，每測量完當(dāng)前測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動保存為1個文檔文件，再進(jìn)行下1個測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)驗原理

電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的電磁特性決定了波在其中傳播的速度、衰減情況、極化、散射和諧振等參數(shù)。當(dāng)電磁波遇到電性差異界面時，就會產(chǎn)生反射、散射等現(xiàn)象，如圖5所示。通過接收經(jīng)過地下介質(zhì)傳播的電磁波，可以研究地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、屬性等特征。

圖5 電磁波地下傳播示意圖

假設(shè)地下為水平地層，脈沖電磁波由發(fā)射天線發(fā)射到接收天線接收所需要的往返時間為

(1)

式中:x為發(fā)射天線和接收天線間的距離,固定值;H為電磁波所遇到反射界面的深度；v為電磁波在地下巖層中的傳播速度，

c為光速；εr為地下巖層的相對介電常數(shù)。

圖6(a)為電磁波探測原理及異常體描述圖像。圖中：r為接收天線；t為發(fā)射天線；x為發(fā)射天線和接收天線間的距離。圖6(b)為反射波形圖。圖中：R1為直達(dá)波；R2為異常體上界面反射波；R3為異常體下界面反射波；R4為基巖上界面反射波，虛線為根據(jù)反射波特征勾畫出的異常體以及基巖的界面位置。

(a)

(b)

圖6 電磁波探測原理及異常體描述圖像

2.2 實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計與實(shí)施

以開放性實(shí)驗為例，應(yīng)用電磁波對理想各向同性介質(zhì)中的異常體進(jìn)行探測。首先應(yīng)用GPRMax[13-14]軟件進(jìn)行電磁波數(shù)值模擬，目標(biāo)為金屬平面板和金屬管，模型的模擬結(jié)果如圖7所示。圖中:綠色部分為自由空間;紅色為理想介質(zhì);藍(lán)色長方形和綠色圓形分別模擬金屬平面板和金屬管的模型。

(a) 平面板

(b) 金屬管

電磁波傳播過程的模擬結(jié)果如圖8和9所示，圖8中紅色箭頭所指為天線對間的直達(dá)波，黑色箭頭所指為一條直線，表示埋在干沙中的金屬平面板；圖9中，紅色箭頭所指為天線對間的直達(dá)波，黑色箭頭所指是一條雙曲線，表示埋在干沙中的金屬管的反射信號。

圖8 金屬平面板的數(shù)值模擬剖面圖

圖9 金屬管的數(shù)值模擬剖面圖

在實(shí)驗室，應(yīng)用全自動電磁波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對目標(biāo)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在沙槽中順次埋入4個典型目標(biāo)體，分別為塑料管、2個金屬管和金屬平面板，埋深約為0.1 m處，其中2個金屬管埋深略有不同。網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置的頻率范圍為0.5～4.5 GHz，采樣點(diǎn)數(shù)為401。發(fā)射天線和接收天線貼近沙面，測點(diǎn)間距2 cm，整條測線有50個測點(diǎn)。實(shí)驗示意圖如圖10所示。

圖11所示為測線上某一測點(diǎn)實(shí)測的波形圖，圖中紅色箭頭所指為直達(dá)波;黑色箭頭所指為目標(biāo)體的反射信號。

圖10 實(shí)驗示意圖

圖11 實(shí)測波形圖

將整條測線實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)形成灰度剖面圖，如圖12所示，白色和黑色分別表示正相位和負(fù)相位的最大振幅值。通過觀察圖像，可以看出，圖中①、②和③處均顯示為一條雙曲線，差別在于①的振幅小于②和③的振幅，說明①處的目標(biāo)體與干沙的電性差異較小，②和③處的目標(biāo)體與干沙的電性差異大，因此可以確定出①為非金屬管，而②和③為金屬管。同時，②處的雙曲線頂端距地面的距離小于③處的距離，表示電磁波在地下傳播時，到達(dá)②處目標(biāo)體的時間要小于③處的目標(biāo)體，所以可以確定②比③處目標(biāo)體的埋深淺。④處波形的中間近似為一條直線，兩端分別有曲線即存在繞射現(xiàn)象，可以確定④為金屬平面板。⑤為發(fā)射天線與接收天線間的直達(dá)波，⑥為沙槽底部的反射信號。⑦為來自沙槽兩側(cè)壁的反射信號。

圖12 剖面圖

學(xué)生在進(jìn)行開放性實(shí)驗的過程中，首先應(yīng)用電磁波模擬軟件GPRMax對典型目標(biāo)體進(jìn)行電磁波數(shù)值模擬，得到與簡單目標(biāo)體相對應(yīng)的地下電磁波反射圖像，并分析典型目標(biāo)體的圖像特征，然后應(yīng)用電磁波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對目標(biāo)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到實(shí)際測量剖面圖，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果和物理模擬結(jié)果，直觀了解地下介質(zhì)對電磁波的響應(yīng)特征。

3 結(jié) 語

通過應(yīng)用全自動電磁波數(shù)據(jù)采集實(shí)驗系統(tǒng)在實(shí)驗室內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁波數(shù)據(jù)采集并實(shí)時顯示，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗中每一測點(diǎn)手動保存數(shù)據(jù)的枯燥耗時，使學(xué)生將更多的時間投入在對所學(xué)知識的應(yīng)用上，自己動腦設(shè)計實(shí)驗，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際測得的物理模擬結(jié)果，直觀了解地下介質(zhì)對電磁波的響應(yīng)特征，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)揮主觀能動性，達(dá)到理想的教學(xué)實(shí)踐效果。