王言章，王 麒，3，周險(xiǎn)峰，王世隆*

（1.地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130012；2.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；3.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

時(shí)間域電磁法（time domain electromagnetic method，TEM）近年來被廣泛用于復(fù)雜地形的地質(zhì)勘查中。航空TEM 因其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，覆蓋范圍大，適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在地質(zhì)勘查領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

國(guó)內(nèi)外均有比較成熟的直升機(jī)TEM 系統(tǒng)，目前已有多套系統(tǒng)運(yùn)用于全球地質(zhì)勘測(cè)。比如加拿大的VTEM 系統(tǒng)，該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了最高50 kHz 帶寬的X、Y、Z 3 個(gè)空間分量二次場(chǎng)電壓的數(shù)據(jù)收錄，采樣率為192 kSa/s，同時(shí)，該系統(tǒng)在吊艙上懸掛有兩個(gè)GPS 用以定位當(dāng)前吊艙位置，但該系統(tǒng)未提及GPS等輔助信息的收錄存儲(chǔ)。丹麥的SkyTEM 直升機(jī)時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)方向。國(guó)內(nèi)在2012 年研發(fā)的CHTEM-I系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)直升機(jī)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(shí)將GPS、雷達(dá)等輔助類信息也一并進(jìn)行了收錄；二者使用LabVIEW 上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，精度為毫秒級(jí)別。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)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(shí)現(xiàn)6 個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集，具備三軸的觀測(cè)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(shí)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(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)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(jì)的航空電磁收錄系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)了整體性能的提升。

1 時(shí)間域航空電磁法基本原理

直升機(jī)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(huì)產(chǎn)生一次場(chǎng)信號(hào)，當(dāng)?shù)叵陆饘俚V物或水資源感應(yīng)到發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次場(chǎng)信號(hào)時(shí)，會(huì)從地下開始產(chǎn)生渦流。形成感應(yīng)二次場(chǎng)，二次場(chǎng)信號(hào)呈e 指數(shù)衰減的趨勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律

圖1 直升機(jī)時(shí)間域航空電磁法原理圖

由于二次場(chǎng)信號(hào)呈e 指數(shù)衰減，所以接收到的感應(yīng)電壓也為e 指數(shù)衰減的形式。當(dāng)存在變化的磁場(chǎng)時(shí)，閉合線圈中會(huì)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(chǎng)電壓信號(hào)。

在采集到完整的二次場(chǎng)電壓信息后，需要對(duì)航空TEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行抽道處理。由于原始二次場(chǎng)信號(hào)為雙極性波，所以，首先需要對(duì)負(fù)極性波根據(jù)時(shí)間軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理；然后將翻轉(zhuǎn)后的信號(hào)進(jìn)行疊加處理，最后將二次場(chǎng)感應(yīng)電壓的衰減曲線每一個(gè)周期內(nèi)的波形進(jìn)行分割，并對(duì)每個(gè)周期的第i 段數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓響應(yīng)，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(dá)到勘測(cè)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(dá)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(shí)，采集卡在采集信號(hào)的過程中，并無法向發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)指令，發(fā)射系統(tǒng)脈沖信號(hào)的發(fā)出與收錄系統(tǒng)信號(hào)的接收會(huì)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(diǎn)?？紤]到航空TEM 發(fā)射系統(tǒng)電磁輻射強(qiáng)、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(duì)發(fā)射系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)同步。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

國(guó)內(nèi)CHTEM-I 系統(tǒng)中使用的感應(yīng)線圈最大帶寬可達(dá)到71 kHz。且同時(shí)考慮到TEM 系統(tǒng)發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間短，僅為1 ms～5 ms 的特點(diǎn)，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(chǎng)電壓信號(hào)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(gè)方向的數(shù)據(jù)收錄。假設(shè)空間為三維坐標(biāo)系，則收錄系統(tǒng)應(yīng)收錄X、Y、Z 3 個(gè)分量的一次場(chǎng)與二次場(chǎng)電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)，為了觀測(cè)實(shí)時(shí)的發(fā)射電流變化，方便事后數(shù)據(jù)處理，應(yīng)收錄發(fā)射電流數(shù)據(jù)，通過以上計(jì)算與設(shè)計(jì)，收錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡模塊應(yīng)至少具有4 個(gè)通道，滿足同時(shí)收錄四路電磁數(shù)據(jù)的需求。

通過計(jì)算，以200 kSa/s 采樣率，6 個(gè)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(dá)到2.5 GB/s，可將AD 芯片中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)軟件。

根據(jù)上述計(jì)算與分析，本文選用PC104 架構(gòu)的PCIe104-24DSI6LN 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)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(dá)到192 kSa/s，滿足探測(cè)需求。該采集卡擁有6 個(gè)差分的采集通道，除此之外，還有同步端（SYNC）與時(shí)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(biāo)如表1 所示。

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

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)第1 節(jié)對(duì)時(shí)間域航空電磁法的理論分析和對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能要求，同時(shí)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(jì)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(jì)框圖

采集卡信號(hào)輸入端連接接收線圈，通過PCIe總線與PC104 控制器進(jìn)行連接，完成電磁類數(shù)據(jù)通訊。GPS、雷達(dá)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)。

基于PC104 架構(gòu)的時(shí)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(shí)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(shí)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(tái)設(shè)計(jì)

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

圖4 軟件平臺(tái)搭建

通過對(duì)底層驅(qū)動(dòng)中數(shù)據(jù)采集卡DMA 的傳輸能力進(jìn)行測(cè)試，得到不同數(shù)據(jù)量的AD 數(shù)據(jù)通過DMA進(jìn)行傳輸使用的時(shí)間與文件存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)系圖，如圖5 所示。

通過圖5 可以看出，當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間選擇為2 s 時(shí)，文件存儲(chǔ)所耗費(fèi)的時(shí)間與DMA 傳輸?shù)臅r(shí)間的占比最低，此時(shí)CPU 可分配的資源和空間達(dá)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(chǔ)等因素，該收錄系統(tǒng)的上位機(jī)軟件文件存儲(chǔ)時(shí)間選擇為1 s。

圖5 文件存儲(chǔ)時(shí)間與調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)的占比

當(dāng)數(shù)據(jù)從底層驅(qū)動(dòng)中以DMA 的方式進(jìn)行讀取時(shí)，CPU 內(nèi)存的分配采用“乒乓操作”的形式進(jìn)行。當(dāng)一片緩存區(qū)的內(nèi)存空間被數(shù)據(jù)寫滿之后，進(jìn)行第一片緩存區(qū)的隊(duì)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(jī)軟件反復(fù)讀寫底層驅(qū)動(dòng)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(jì)

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(shí)時(shí)確定當(dāng)前二次場(chǎng)電壓信號(hào)的時(shí)間地點(diǎn)高度等信息，還需要采集GPS 模塊、雷達(dá)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(duì)串口流數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(jìn)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(hào)輸出至FPGA 內(nèi)部，并使用邊沿檢測(cè)的方式對(duì)CLK 信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；UART接收模塊進(jìn)行串口流數(shù)據(jù)的接收，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到每一串GPS、雷達(dá)高度等串口數(shù)據(jù)的字頭時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定該串字符的有效性，同時(shí)記錄此時(shí)的CLK 計(jì)數(shù)器的值，并將此值作為該串串口數(shù)據(jù)的FID 號(hào)時(shí)間戳，與串口數(shù)據(jù)一同存儲(chǔ)在FPGA 內(nèi)部的FIFO 模塊中，當(dāng)一串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時(shí)，F(xiàn)PGA 進(jìn)行結(jié)束字符的檢測(cè)，同時(shí)，將FIFO 模塊中存儲(chǔ)的串口流數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)軟件中，實(shí)現(xiàn)多信息流串口數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。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(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

首先使用信號(hào)發(fā)生器Agilent33500B 輸出1 個(gè)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(hào)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(jī)軟件使用C 語言的方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

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(shí)間戳FID 號(hào)的形式，以串口的方式發(fā)送給上位機(jī)軟件。其中，連續(xù)5 s 采集到的FID 號(hào)時(shí)間戳數(shù)據(jù)如下頁表2 所示。

表2 連續(xù)5 s 時(shí)間內(nèi)采集的FID 號(hào)時(shí)間戳

由于GPS 串口流數(shù)據(jù)自身在發(fā)送時(shí)會(huì)有誤差，所以，使用GPS 模塊精度更高的PPS 秒脈沖信號(hào)進(jìn)行上升沿的檢測(cè)，通過對(duì)連續(xù)兩秒串口FID 號(hào)進(jìn)行作差可以計(jì)算出，時(shí)間戳FID 號(hào)的差值為191 996、191 997。計(jì)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(hào)采集的晶振與GPS 模塊晶振兩者不同源，所以，測(cè)試結(jié)果與理論差值192 000 有一定的誤差。對(duì)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(gè)誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

3.2 室外實(shí)際測(cè)試結(jié)果與分析

將收錄系統(tǒng)的4 個(gè)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(jìn)行信號(hào)的放大，如圖8 所示。開啟采集后，進(jìn)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(cè)試環(huán)境

發(fā)射電流的測(cè)試通過增加匹配電阻的形式進(jìn)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(dāng)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(gè)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(chǎng)信號(hào)之外，還包括發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次場(chǎng)信號(hào)。

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(shí)，采用金屬類鐵材質(zhì)異常體在接收線圈附近來回走動(dòng)，對(duì)收錄到的Z 分量電壓信號(hào)進(jìn)行疊加與抽道計(jì)算，取連續(xù)的75 個(gè)周期波形為一組進(jìn)行電壓漢寧窗函數(shù)疊加運(yùn)算，通過對(duì)雙極性波進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、疊加后，選擇電流關(guān)斷后二次場(chǎng)晚期數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)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(cè)點(diǎn)表示異常體移動(dòng)過程中，收錄系統(tǒng)工作中的測(cè)試點(diǎn)，縱軸表示磁場(chǎng)B 的變化率。通過公式

圖13 收錄系統(tǒng)異常體相應(yīng)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(jì)算得出。V 表示收錄系統(tǒng)采集到的二次場(chǎng)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(dāng)鐵材質(zhì)異常體靠近接收線圈時(shí)，此時(shí)接收線圈感應(yīng)到異常體存在，二次場(chǎng)晚期信號(hào)出現(xiàn)衰減異常，由于金屬類異常體相對(duì)于地面電阻率低，呈高阻狀態(tài)，所以剖面曲線圖在100～150 測(cè)點(diǎn)、250～300 測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)兩個(gè)向上鼓起的“包”。這兩個(gè)“包”驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中兩次異常體經(jīng)過接收線圈的過程。磁場(chǎng)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(chǎng)變化率的改變也驗(yàn)證了異常體從接近到遠(yuǎn)離接收線圈的實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)證明，收錄系統(tǒng)可收錄二次場(chǎng)e 指數(shù)衰減的電壓信息，且對(duì)異常體作出判斷。

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

圖14 秒脈沖測(cè)試FID 號(hào)作差圖

在圖14 中，縱軸計(jì)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(diǎn)之間，由于每個(gè)CLK 信號(hào)的上升沿之差代表的時(shí)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(dá)到5.2 μs。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于PC104 架構(gòu)的時(shí)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(shí)現(xiàn)了6 個(gè)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(shí)，系統(tǒng)以電磁信號(hào)為刻度尺，將兩者數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)，精度達(dá)到了5.2 μs。采用該方法，將常規(guī)的通用采集卡擴(kuò)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(shí)間域航空電磁收錄的需求，在減輕重量與體積的同時(shí)，依靠其高可靠性，可以進(jìn)行無人區(qū)等環(huán)境惡劣的地質(zhì)勘測(cè)，有著廣泛的應(yīng)用前景。