iFTEM型时域航电系统信号发生器的设计与实现

时域航电系统信号发生器的设计与实现 摘 要 时间域固定翼航空电磁法是以固定翼飞机作为载体，在飞行过程中，通过围绕在飞机机身上的发射线圈产生大发射磁矩，激发大地产生二次感应场，然后通过电磁场理论解释二次场响应，从而获得地下几百米深度的地质结构体信息。该方法具有速度快、不受地面条件 (如海、河、湖、沙漠 )的限制、大面积工作精确度比较均一、可在地形条件比较困难的地区工作等优点，在物探领域中越来越受到重视。国外时间域固定翼航空电磁法经过半个多世纪的发展，其仪器系统已趋于成熟，在金属矿体普查、大面积地质填图、水文地质、工程地质勘查和环境监测等领域均取得了良好的应用效果， 但是国内时间域固定翼航空电磁法仪器开发一直以来发展滞后， 20 世纪 70 年代，长春地质学院和黑龙江地质局等多家单位共同研究和开发了我国第一套时间域航空电磁法系统 应脉冲瞬变航空电磁仪，该仪器在 1977 年通过了国家级鉴定，由于种种原因，该系统一直未能投入实际生产，后期国内一直没有开展相关的仪器研究工作，至今国内仍然没有一套投入实际生产的时间域固定翼航空电磁勘查系统。 本文依托于国家 863 计划重大项目“航空地球物理勘查技术系统”研究子课题“时间域固定翼航空电磁勘查系统研发” ，对国产 时间域固定翼航空电磁勘查系统中发射控制部分进行了研究，对 统双极性组合波发射电路进行了研究，研究了发射系统控制信号特点，研究了基于 线信号发生器的硬件与软件实现方法，研究了 线信号发生器驱动程序的设计，研究了利用 写控制程序的技术。这些研究对提高我国资源勘查能力和我国时间域固定翼航空电磁法仪器研究具有一定的学术价值和实际意义， 有利于缩小我国在该领域的研究与国外的差距。 论文中完成的主要工作有： 1.对 统双极性组合波发射电路原理进行了分析与计算。 司 片作为信号发生器的主控芯片，利用 件描述语言完成了信号发生器软件设计与仿真调试。 线信号发生器的硬件设计与调试。 件编制了界面美观、操作方便的控制程序。 号发生器，并成功应用于国产 时间域固定翼航空电磁勘查系统中。 本文章节安排如下，第一章介绍了本课题研究背景、研究意义、时间域固定翼航空电磁勘查系统国内外现状以及信号发生器的发展及现状；第二章介绍了射系统组成、系统发射波形、双极性组合波发射电路以及发射系统驱动信号的特点；第三章介绍了信号发生器的硬件组成，并对系统中重要的硬件电路作了介绍与分析；第四章详细介绍了信号发生器 件设计及仿真验证，并对信号同步性进行了分析与测试； 第五章主要介绍了驱动程序开发工具及信号发生器的驱动程序设计； 第六章介绍了如何利用 计系统的控制界面。 关键词： 时间域固定翼航空电磁系统 信号发生器 of of of 1987 He in 2012. he is on as in a to a to to of of a of a of a of of 970s, n 1977,a to to So a on 63 In on of of of to of to to of of it is to in in of of to by as of to of 4. of s a C is to of is to a a he to is as he of at as as of of of of of a of of of to to 录 摘 要 . I . 1 章 引 言 .题研究背景 .题研究意义 .间域固定翼航空电磁勘查系统现状 .号发生器的发展及其现状 .文主要研究内容 . 2 章 射系统 .1 射系统组成 .极性组合波发射关键技术 .极性组合波发射电路分析 . 发射电流上升沿 . 发射电流平顶阶段 . 下降沿阶段 .制器驱动信号特点 .章小结 . 3 章 信号发生器硬件设计 .制器硬件结构框图 .线 .板及数据采集板的选择 .号发生器硬件设计 . 片选择 . 平转换电路 . 线接口逻辑设计 . 信号发生器驱动电路 . 信号发生器电源电路 .板电源电路 .章小结 . 4 章 信号发生器 计与验证 .动信号同步控制研究 .步控制信号的产生 . 占空比为 50%的偶数 2n 分频设计 . 占空比为 50%的偶数 2n+1 分频设计 . 分频设计 . 占空比为 x/n 的 n 分频设计 .桥逆变电路控制信号产生 .合波上升沿、脉宽控制信号产生 .耗补偿电路 号产生 .号发生器保护功能 .动信号同步性测试 .章小结 . 章 信号发生器驱动程序的设计 .动程序模型 .备驱动程序开发工具选择 .动开发工具 .用 发 号发生器的驱动程序 .动程序结构 .动程序的安装 .章小结 . 6 章 信号发生器控制面板设计 .信号发生器的通信 .用 写信号发生器 件 . 调用 .制面板设计 . 用程序的基本构成 . 控制系统前面板的构成 . 序结构图 . 程序流程图 .章小结 . 论 . 谢 .考文献 .读学位期间取得学术成果 .1第 1 章 引 言 题研究背景 航空电磁法（ 称 ，是将航空电磁仪系统安装在飞机或其他飞行器中， 通过观测仪器激发或天然场形成的电磁场及其在地质体中感应产生的异常电磁场， 或单独观测地质体中感应产生的异常电磁场，以电磁感应原理为基础研究异常电磁场的空间和时间或频率特性，来寻找矿体或解决一些地质问题的方法1。航空电磁法从场源上可分成天然场和人工场两种。天然电磁法的随机性大，利用较困难，实际应用中较少，实际中多用到的是人工场源电磁法。人工场源航空电磁法，按电磁响应的性质可分成时间域航空电磁法法和频率域航空电磁法两类。航空电磁法是航空物探常用的一种测量方法，主要用在快速普查金属矿体、大面积地质填图、水文地质、工程地质勘察和环境监测等领域2,3,4,5。 航空电磁法问世已经 60 多年了，在国外航空电磁法是在二次世界大战后发展起来的。 1947 年 5 月加拿大 司用 升机进行了首次航空电磁法找矿的测量实验。 1948 年 司使用 机在加拿大首次成功完成了固定翼频率域航空电磁法的测量试验飞行， 这标志着勘探地球物理的新分支航空电磁法的诞生，它在问世后不久就发现了亥斯蒂尔（ 型铜锌矿床，这极大地促进了航空电磁系统的创新和发展。从此航空电磁法开始了发展和创新的历程。 时间域航空电磁系统面试稍晚一些， 第一套时间域航空电磁系统 959 年。虽然出现的稍晚，但时间域航空电磁法比频率域航空电磁法有着先天的优势，主要是探测深度较大、数据信息丰富。因此时域航电逐渐成为航空电磁法中最具有应用潜力和最重要的方法。 我国航空电磁法的研究始于 20 世纪 50 年代末。 受国内外矿业和石油市场需求的拉动，航空物探工作得到迅速加强，航空电磁法也相应得到了较快地发展。我国航空电磁法的发展，一是靠自主研发，二是靠国外引进与消化吸收。自主研发方面，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 50 年代末开始就一直在从事频率域航空电磁法仪器的研究工作，经过几代科研人员的共同努力，先后成功研制了 频、 频、 频航电系统，并完成了 20多万测线公里的勘测任务，在金属勘察、水资源普查、海水入侵调查等应用领域均取得了很好的地质效果6。 20 世纪 70 年代，长春地质学院和黑龙江地质局等多家单位共同研究和开发了我国第一套时间域航空电磁法系统 应脉 2冲瞬变航空电磁仪，该仪器在 1977 年通过了国家级鉴定，由于种种原因，该系统一直未能投入实际生产。 技术引进方面，中国国土资源航空物探遥感中心完成了 升机双频、三频航空电磁测量系统的引进与消化吸收，全面掌握了直升机航空电磁测量与解释技术，编制了相应的内部技术规程。在消化吸收的基础上完成自主开发研制与创新，探测深度将进一步增大，为深部找矿和寻找盲矿提供更有效的服务。并且引进了多套具有国际先进水平的 据处理系统和空电磁法解释软件，在航空电磁法生产科研中得到应用，并自主研发航空电磁法的平面以及剖面解释方法、软件7。但是总体来说，我国时间域固定翼航空电磁法与国际发展水平还有很大的差距。 上个世纪，前苏联、印度和国内也曾研制过时域航电系统，但都因种种原因未能成功或终止研制。所以，从时域航电系统问世至今，一直都只有少数几个西方发达国家掌握测量系统的研制和飞行测量技术。 这些研究对提高我国资源勘查能力和我国时间域固定翼航空电磁法仪器研究具有一定的学术价值和实际意义，有利于缩小我国在该领域的研究与国外的差距。 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所航空物探研究室在调研了国内外时间域航空电磁法发展现状， 结合国内现有条件以及该所多年的航电系统研究经验， 将研究方向定为开发研制出一套能够应用于实际生产的时间域固定翼航空电磁勘查系统（ 。系统被命名为 时间域固定翼航空电磁勘查系统，因为实际应用中时间域航空电磁法往往被简称为时域航电，该系统又被简称为 时域航电系统。 统以国产 定翼飞机作为载体，飞行过程中，通过围绕在飞机机身上的 4 圈发射线圈产生 500,000发大地产生二次感应场，然后通过电磁场理论解释二次场响应，从而获得地下几百米深度的地质结构体信息。 终研制目标是达到最大 500m 勘探深度的时间域固定翼航空电磁勘查系统。 题研究意义 利用常规地面物探方法进行矿产普查、资源勘查、地质调查速度慢、覆盖面小、成本高。时间域航空电磁法具有速度快、不受地面条件 (如海、河、湖，沙漠 )的限制、大面积工作精确度比较均一、可在地形条件比较困难的地区工作等优点。时间域航空电磁法跟地面物探方法相比具有明显的优势和发展前景。国外时间域固定翼航空电磁法经过半个多世纪的发展，其仪器已趋于成熟，在金属矿体普查、大面积地质填图、水文地质、工程地质勘查和环境监测等领域均取得了 3良好的应用效果，而我国的在航空瞬变电磁方面技术比较落后，国内至今没有一套完全国产并且用于实际生产的的时间域航空电磁勘查系统。 该研究对提高我国资源勘查能力和我国时间域航空电磁法研究具有一定的学术价值和实际意义， 有利于缩小我国在该领域的研究与国外的差距。 另一方面，随着我国经济的飞速发展，资源缺口越来越大，对资源勘查提出了更高的要求，而且我国要目前在加快西部大开发的进程，西部的条件恶劣，地形条件复杂，地面物探无法完成资源勘探任务，这些问题也要求我们发展更加可行高效的勘查方法。 因此， 现实情况需要我们开展时间域航空电磁法的应用研究。 本文依托于国家 863 计划重大项目“航空地球物理勘查技术系统”研究子课题“时间域固定翼航空电磁勘查系统研发” ，完成了 时间域固定翼航空电磁勘查系统中发射控制系统信号发生器的研究， 这项研究对提高我国资源勘查能力和我国电磁法研究具有一定的学术价值和实际意义， 有利于缩小我国在该领域的研究与国外的差距。 间域固定翼航空电磁勘查系统现状 自 1959 年第一个时间域固定翼航空电磁勘查系统 统问世8，截止到二十一世纪的今天， 先后有数个国家研究和开发出了二十多套各有特点的不同类型的时间域航空电磁勘查系统，其中真正进入商业应用的系统仅为美国、加拿大、澳大利亚等少数几个西方发达国家拥有。依照时间域固定翼航空电磁勘查系统的技术特点和发展历程，可以把它们分为如下三个大的系列 列、列、 列。目前世界范围内广泛应用，并且在实际运用中取得良好效果的系统主要有加拿大 司研制的 ,10，澳大利亚矿产勘查技术联合研究中心研发的 统以及南非 司的统11。 20 世纪 70 年代，长春地质学院和黑龙江地质局等多家单位共同研究和开发了我国第一套时间域航空电磁法系统 应脉冲瞬变航空电磁仪， 1977年通过了国家级鉴定12。本项目研制的时间域固定翼航空电磁系统称为 2007 年立项。表 1比了国内外时间域固定翼航空电磁测量系统与发射相关的主要性能参数。 4表 1同时间域固定翼航电系统参数对比 系统名称 发射回线面积（ 发射基频（ 冲宽度（ 值发射电流（ A）发射回线匝数 发射磁偶极矩（ 1106 31 30/90 4 500 6 06 30/90 4 665 4 0/90 4 1340 4 86 25 20 300 1 5/90 10 2000 1 1 60 277 1 142 7 5,50 35 600 4 号发生器的发展及其现状 信号发生器是一种常用的信号源，广泛运用于电子电路、自动控制和科学实验领域。信号发生器诞生于上世纪 40 年代， 1943 年惠普为海军研究实验室开发了第一台信号发生器13， 从而使得人们在测试设备时可以利用可控的信号源进行比较完善和安全的测试和测量。在随后的二十年间，信号发生器一直随着电子技术、计算机技术的发展而不断发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟式信号发生器、数字式信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程14，图 1出了信号发生器的发展过程。 图 1号发生器的发展 5上世纪四十年代到六十年代，由于当时的电子技术工艺比较落后，信号发生器都是以电子管工艺为基础的模拟电路搭建组成。 此时的信号发生器主要借助电阻电容、电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。信号参数调节范围有限， 频率的调节往往由机械驱动谐振腔或电容器等可变元件来完成，产生的信号频率稳定性差、信号噪声大、频率精度低而且使用不便。当时的信号发生器按频率范围被划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器，其信号的精度和可控性都不好，而且信号种类少，如果要实现比较复杂的信号，电路往往非常复杂，而且体积庞大，不易移动，给使用带来很大不便。 上世纪六七十年代，随着电子技术的迅猛发展，晶体管工艺的出现以及大规模和超大规模集成电路的应用，数字电路在信号发生器中得到广泛的应用，此时的信号发生器设计往往都是基于各种门级电路和晶体振荡器。 信号发生器的精度得到大大的提高，电路噪声得到很大的改善，整个信号发生器的体积也减小了，此时信号发生器开始朝着小型化方向发展。 上世纪八十年代开始，随着数字电子技术发展与成熟，计算机技术开始应用到信号发生器中， 信号发生器从过去单纯由分立元件搭建转向以微处理器为核心的集成系统。实际中使用较多的微控制器有单片机、 时信号发生器技术得到迅速提升，信号发生器的信号种类增多，通用性得到很大的提高，可以实现任意波发生器，信号频带大大增加，过去的多种类的信号发生器也被简单地划分为低频和高频两种， 低频信号的频宽从 050高频则可达到 20它仍存在人机界面不友好、软硬件升级维护困难等缺点。 九十年代以后虚拟仪器技术开始进入信号发生器领域。 虚拟仪器的进入代表着信号发生器实现从传统硬件为主到以软件为中心的的根本性转变。 虚拟仪器主要是基于 种计算机总线（如 总线15，利用驱动器控制信号发生器。 虚拟仪器与传统仪器相比具有更好的测量精度和可重复性，同时具有测量速度快、系统组建时间短、用户可定义仪器功能、可扩展性强、技术更新快等特点。虚拟仪器技术完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设备的测试系统， 人们可以在友好的人机界面环境中轻松地进行各种复杂的操作，虚拟仪器代表了未来测试仪器的发展方向。目前基于虚拟仪器技术的信号发生器在工业控制场合得到广泛的应用。虚拟仪器以软件为核心，其软件又以美国 司的 拟仪器软件开发平台最为常用。 一种图形化的编程语言，主要主要应用领域是数据采集、仪器控制及数据处理分析。目前，该开发软件在国际测试、测控行业被广泛使用，在国内的测控领域也得到广泛应用。 目前国内外信号发生器的研制及生产技术已较为成熟， 己有多种产品投放市场，目前信号发生器有如下三种产品结构形式13。 6（ 1）独立仪器结构形式 独立仪器的结构形式是把任意波形发生器设计成单台仪器的形式， 其优点是精度高、可单独工作。其中国际知名品牌有 内以 中电 41 所为代表。但是独立式的信号发生器体积大、功耗大，不适合在小型化场合使用。 （ 2） 线线插卡式 线插卡式是将信号发生器做成板卡形式，使用时将信号发生卡直接插在 的总线扩展槽或扩展机箱中，利用 来控制信号发生器，其优点是可以充分利用 的软硬件资源，在波形数据处理、波形参数的修改和计算等方面有明显优势。目前国内市场出现少量基于 线模式的信号发生器， 但是其功能简单， 不能同时产生多路信号， 而且不能灵活设置波形参数。 （ 3） 块式 块式是一种新型的模块化仪器，需要插在 线机箱上才能使用，而 线机箱又通过 口与计算机相连， 式仪器对组成自动测试系统 (别有用， 各个公司的 式仪器模块均可自由组合。 大公司在此领域研究开发了一系列较为成熟的产品。这种形式的信号发生器需要使用专用机箱，而且系统复杂。 文主要研究内容 本文主要研究内容： 第一章中介绍了课题的研究背景、 研究意义以及国内外时间域固定翼航空电磁勘查系统现状以及信号发生器的发展及现状。 第二章研究国产 时域航电系统发射系统的组成、发射原理以及双极性组合波产生原理，进一步得到发射控制系统需要的控制信号； 第三章研究了信号发生器发生的可行性以及具体实现方法， 借鉴目前国内外成熟的瞬变电磁系统信号发生模块经验， 采用 片设计多频点信号发生模块，并选择合适的控制方式，实现控制简便、集成度高的要求，使得设计出来的信号发生器能满足以下要求： 信号频率范围： 25270率可选方波； 触发方式：内触发 /外触发可选； 可调参数：延迟参数、脉宽参数、占空比可调； 通道数： 5 通道输出； 信号同步：输出信号相对于同步触发信号同步误差小于 1s； 输出保护：具有输出保护功能以及复位功能。 7同时研究了 线结构，并对系统中需要用到的 址线、数据线和控制线做出合理的分配，使其满足系统要求；完成了信号发生器的硬件电路设计，完成了信号发生器原理图绘制、