安 賽

（1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013）

瞬變電磁測深法已被廣泛應用于煤礦巷道掘進超前探測。其原理是通過鋪設在工作面的重疊回線（收發(fā)一體線圈），通過發(fā)射線圈向前方地層發(fā)射一次場，在一次場關(guān)閉后，接收線圈接收由一次場激發(fā)的二次場感應電壓，并轉(zhuǎn)換為視電阻率，結(jié)合地質(zhì)資料，即推斷出探測前方是否有水等地質(zhì)異常體。為實現(xiàn)井下遠距離超前探測，需要儀器就有較高的動態(tài)范圍及信噪比；為便于攜帶以及保證井下安全施工，要求儀器具有較輕的質(zhì)量、便于攜帶[1-4]。

目前現(xiàn)有的瞬變電磁儀采用隔爆兼本安電路設計，設備笨重且待機時間短；且在同一發(fā)射電流的情況下，接收線圈的動態(tài)范圍為120 dB，造成晚期信號淹沒于噪聲而降低探測深度[5-9]。為此研制了基于STM32礦用本安型瞬變電磁儀，通過發(fā)射25 Hz雙極性方波來抑制工頻及其多次諧波的干擾，使用數(shù)據(jù)疊加、多次迭代實現(xiàn)采集信號的早、中、晚期信號的合成，提高動態(tài)范圍及信噪比。

1 儀器的組成及原理

儀器總體功能框圖如圖1。

圖1 儀器總體功能框圖Fig.1 Overall functional block diagram of the instrument

儀器主要分為人機界面、接收部分、發(fā)射部分和電池組4個部分組成。人機界面部分運行于WINCE6.0系統(tǒng)之上，負責工程的新建與管理、參數(shù)設置、波形的顯示、回看及導出等操作；接收部分是整個儀器核心，其主控STM32F4單片機與人機界面采用2路串口進行通訊，接收指令并將原始數(shù)據(jù)上傳至人機界面。發(fā)射部分的同步觸發(fā)電路、發(fā)射電流采集電路、橋式驅(qū)動控制信號與接收主控ARM通過若干信號線連接，驅(qū)動控制信號控制橋式電路的發(fā)射波形，同時將同步信號和發(fā)射電流信號反饋給主控。整個儀器采用3組鎳氫電池組給上述部分分別供電，且均帶有保護板并澆封，主機總質(zhì)量小于5 kg。

2 發(fā)射部分

發(fā)射端的發(fā)射波形采用雙極性脈沖波，頻率設置為25 Hz或其整數(shù)倍。發(fā)射部分原理圖如圖2。

圖2 發(fā)射部分原理圖Fig.2 Schematic diagram of the transmitting part

橋式驅(qū)動芯片采用飛思卡爾半導體的全橋驅(qū)動芯片MC33883芯片，內(nèi)部自帶高邊驅(qū)動電荷泵。4路控制引腳和使能引腳，連接至主控STM32。主控芯片產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM驅(qū)動波形，控制發(fā)射電壓在發(fā)射線圈上發(fā)射出25 Hz雙極性脈沖波。全橋電路采用N溝道FDP032N08B MOS管，其漏極－源極電壓UDS電壓為80 V，當柵極－源極電壓UGS為10 V時，導通阻抗為2.85 mΩ。

3 數(shù)據(jù)疊加接收系統(tǒng)

3.1 接收部分硬件電路

接收部分主要由阻抗匹配電路、PGA放大電路、低通濾波電路、24 bitA/D轉(zhuǎn)換電路及主控處理器STM32組成。礦用瞬變電磁儀的二次場接收信號晚期為μV級別，動態(tài)范圍>150 dB，采樣頻率不小于500 kHz，以便于后續(xù)的濾波及數(shù)字信號處理。儀器接收部分的結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 儀器接收部分的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the receiving part of the instrument

接收天線的輸入信號，接入匹配電阻進行分壓并通過TVS限制輸入的電壓幅值，經(jīng)過50 kHz無源低通濾波器后，由1片24 bit、625 kHz的高速A/D進行采樣，為了滿足大于150 dB的動態(tài)范圍，需要對PGA進行動態(tài)調(diào)整，A/D接收部分原理圖如圖4。

圖4 A/D接收電路原理圖Fig.4 A/D receiving circuit schematic diagram

模擬數(shù)字芯片選用24 bit單通道的ADS1672。配置參數(shù)為低延時-快速響應模式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為625 kSPS，建立時間為5.55μs。CLK為A/D時鐘，為了保證ADC獲得最小的時鐘抖動，在晶振后使用SN74LVC1G125單一線路驅(qū)動器保證時鐘的穩(wěn)定。START為控制轉(zhuǎn)換信號。AD_SCLK為SPI1接口時鐘信號，AD_DOUT為SPI接口的數(shù)據(jù)輸出信號，AD_CS為A/D轉(zhuǎn)換使能信號，AD_START為A/D的開始轉(zhuǎn)換信號，AD_DRDYS為A/D轉(zhuǎn)換完成準備輸出信號。

3.2 數(shù)據(jù)合成與處理

為了提高晚期信號的采集精度，采用數(shù)據(jù)合成與多次迭代的數(shù)據(jù)處理方式。以默認32次迭代次數(shù)、625 kSPS采樣頻率、118采樣道數(shù)為例，將32次迭代次數(shù)平均分為4組，PGA放大倍數(shù)分別設置為0.172、0.688、22、176倍，信號的前期信號（0～100 μs）采用0.688放大倍數(shù)，中期信號（100～1 000μs）采用22放大倍數(shù)，晚期信號采用176倍放大倍數(shù)，最后將各信號拼接為1次迭代接收完整波形。為了提高接收系統(tǒng)信號信噪比，接收系統(tǒng)采用多次累加求平均的處理方式。

設有用信號fs（t）與噪聲信號N（t）混和成信號f（t），則：

式中：t為時間；i為周期數(shù)；T為周期；（S/N）q為系統(tǒng)接收信號前信號信噪比；（S/N）h為系統(tǒng)接收信號后信號信噪比；n為迭代次數(shù)。

4 測試與驗證

4.1 井下動態(tài)范圍測試

將收發(fā)線圈接入主機后，在井下進行1次完整的32次迭代，按照對數(shù)關(guān)系抽取118門接收信號點繪圖，井下數(shù)據(jù)疊加接收信號如圖5。經(jīng)過信號迭代與合成，最終信號由前期的43.528 V到達后期的1.323μV，動態(tài)范圍>150 dB。滿足對感應電壓二次場高動態(tài)范圍的采集要求。

圖5 井下數(shù)據(jù)疊加接收信號Fig.5 Downhole data superimposed received signal

4.2 現(xiàn)場試驗測試

試驗選擇晉煤集團某煤業(yè)151206巷道區(qū)域進行，該巷道在現(xiàn)場已知位置出現(xiàn)了不同程度的頂板出水、淋水現(xiàn)象，存在已知富水異常區(qū)，分別使用自研的設備信號為與同類產(chǎn)品YCS160設備對比測試。在巷道布置60 m的測線。

現(xiàn)場巷道人文設施以及出水情況如下：5 m處有鐵器；10 m處地表有積水；20 m處頂板開始出現(xiàn)淋水；40 m處頂板開始大量淋水，地表積水；60 m處頂板大量淋水，地表大量積水。分別使用儀器測量頂板45°方向的富水情況。自研設備測試結(jié)果如圖6，YCS160測試結(jié)果如圖7。

圖6 自研設備10 m點距視電祖率測試結(jié)果Fig.6 Test result of 10 m point pitch of self-developed equipment

圖7 YCS160 10 m點距視電祖率測試結(jié)果Fig.7 Test result of 10 m point pitch of YCS160

由圖6、圖7可知，巷道由0～60 m區(qū)域出水程度逐步變強，2種儀器在該區(qū)域均探測到了不同程度的低阻異常，當測點間距為10 m時，自研設備探測到了低阻異常，且低阻異常從0～60 m的異常分部逐漸增強，符合現(xiàn)場出水的變化情況；YCS160也發(fā)現(xiàn)了低阻異常，但低阻異常的橫向分離不夠明顯，且60 m位置異常不明顯，在30～50 m深部70 m附近出現(xiàn)了干擾跳點，因此可確定本次探測自研儀器實現(xiàn)了對低阻富水異常體的有效探測，且橫向分辨率較高，具備一定的抗干擾能力，驗證了儀器的準確性。

5結(jié)語

設計了一種基于STM32礦用本安型瞬變電磁儀，其創(chuàng)新點是采用發(fā)射25 Hz雙極性脈沖方波來抑制工頻及其多次諧波的干擾，采用數(shù)據(jù)合成實現(xiàn)感應二次場的早、中、晚期信號的采集，多次系統(tǒng)迭代進一步提高采集信號的信噪比，提高了遠距離的電阻異常區(qū)域測試精度，設備緊湊，便攜性高。通過現(xiàn)場對比測試，其動態(tài)范圍測試>150 dB，結(jié)果與現(xiàn)場巷道人文設施及出水情況相符。