高速、大动态范围瞬变电磁接收机的研制

　　1　引　　言

　　瞬变电磁法(TEM)是目前地球物理探测领域里一种应用非常广泛的勘探方法[1 2]。该方法由发射机向接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源,激励探测目标体感生二次电流,接收机在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。二次场从产生到结束的时间是短暂的,所以又称为瞬变信号[3]。瞬变信号早期衰减快,幅度大(从几十微秒到几百微秒,幅度从10V左右衰减到毫伏级甚至微伏级);而中晚期信号衰减缓慢,幅度小(从几百微秒到几毫秒甚至几秒,幅度从毫伏或者微伏衰减到微伏级或纳伏级)。早期的瞬变信号反映了浅层的地下结构,晚期信号反映了深层地下结构,所以精确的记录瞬变信号的全过程非常重要。国内目前的TEM接收机采用单A/D采集电路,为了获取微弱的晚期瞬变信号,就很难精确的记录频率较高的早期信号。文中研制的新型TEM接收机,数据采集部分采用了双A/D分段采集技术,高速12位A/D采集早期瞬变信号,采样间隔为1μs采样。基于浮点放大的16位A/D采集中、晚期信号,采样间隔为5μs。双A/D技术解决了高采样率和大动态范围的矛盾,使得接收机具有大勘探深度的同时,又保证了浅层勘探的分辨率。

　　2　数据取样及处理方法

　　根据瞬变信号的特点,有限规模的导体响应在晚期按简单的指数规律衰减:

　　为了更好的反映地下地质信息,对数据的采样与处理应该遵循瞬变信号的变化规律[4]。该接收机对瞬变信号采用密集均匀采样的数字取样方式,得到的大量原始数据按照操作菜单预先设置的抽道方式进行叠加抽道。该接收机有4种抽道方式:Log.10、Log.14、Log.20和Log.30,分别代表每个时间级次取近似对数间隔10、14、20和30道的采样延迟时间。图1所示为近似等对数间隔取样的示意图.

　　图1中,ti为各取样道的中心时间,Tgi为数据采样窗口宽度。

　　在每个延时道,数据是按几何平均的规律进行叠加。几何平均是指在双对数坐标下的面积积分。瞬变电磁信号晚延时数据在双对数坐标下呈直线下降,也即遵守线性变化规律,这是采用几何平均进行数据处理的主要依据。计算公式如下:

　　3　系统总体设计

　　瞬变电磁接收机原理框图如图2所示,主要包括模拟通道电路、同步电路、单片机控制电路、人机交互电路、TMS320F240高速采集控制电路、A/D转换电路、主从CPU之间并口通讯及控制电路、外围接口电路等部分。接收机包括2个独立的采集通道,可以同时采集2个分量。双通道由2套相对独立的模拟通道电路、A/D转换电路和TMS320F240采集控制和实时处　　理电路组成。同步电路用来实现在瞬变电磁发射机发射电流关断的同时,接收机开始采集。TMS320F240是417　第4期高速、大动态范围瞬变电磁接收机的研制TI公司2XXX系列定点DSP。它控制双A/D采集时序和对采集数据的实时处理(取样抽道和几何平均)。