中文翻译-研究基于FPGA的高分辨率的瞬变电磁探测装置

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 8 页研究基于 FPGA 的高分辨率的瞬变电磁探测装置摘要本文研究瞬变电磁探测装置，首先，开发计划基于 FPGA 控制检测设备系统。其次,如传输电路功能电路与快速关掉,数据采集电路具有高分辨率的 A / D 转换器,固有的安全防爆电路和高速度控制技术被开发以 FPGA 芯片和 PC104 大规模控制。最后,测试结果表明,所研制的高分辨率瞬变电磁探测系统的特征是快关掉的传输、高采样率、宽动态范围。关键词：瞬变电磁； FPGA；高分辨率；快速开关1 介绍目前,防雷检测方法国内外分为直流电弧方法、广播渗透方法,音频渗透方法,瑞雷面波法、矿山地质雷达、瞬变电磁法等等。其中，瞬变电磁电法是一个迅速发展，近年以来，广泛应用于电法。这种方法有附近观察，体积小的影响，操作方便，快捷和高效率，高灵敏度，高的水平分辨率和高可靠性等优势，已被视为最准的地质勘探物探方法之一。然而，由于矿区的工业干扰和探测深度有限，这是表面上很难找出小地下含水结构。因此，移动瞬变电磁法在地下的地雷和进行地质构造探测距离近，可以提高检测精度。最近一年以来，它一直不断地尝试，适用于煤矿井下表面电磁法勘探技术。因为在地下的地雷存在易燃气体，使用功率大，传输系统，安全危险隐藏在地下矿井。针对这个问题,一些中国制造商最近开发电磁测深的设备与煤矿安全认证,预计在煤矿井下使用它们。然而，这些设备的性能有基本的共同指数表面装置，采样速度低，较少的数据通道，不能满足煤矿井下对浅层探测的要求。针对这种情况，我们已进行了井下瞬变电磁勘探工艺方法和设备的研究和发展加快地下提前检测技术的发展，为煤矿井下安全生产提供必要的技术保险。2.瞬变电磁法的原则 瞬变电磁法对岩石的导电性差异为基础，采用不接地环或接地电极传输主脉冲电磁场，在主脉冲的马格纳抽动领域的差距，利用线圈或接地电极观察二次电中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 8 页磁场诱导由于脉冲电磁场诱导地面湍流。通过二次场在时间和空间的分布，地面媒体的电性能变化的调查，分析和了解相关的地质问题。瞬变电磁测量设备满足HOD 发射环和接收环组成，工作过程分为三个部分：传输，电磁感应和接收.电导率 I，磁导率的同质地面，并提供了一个长方形的面积 S 传输循环奠定跳目前我在循环及周边地区的中间产生稳定的磁场（被称为主要领域或刺激场）.如果传输的电流突然关闭，主要领域，将在同一时间消失，出现感生由于位于磁场中的导电地质体内部的磁通量的变化。根据法拉第电磁感应定律，当柱状螺旋线圈匝数N 和截面积 S 与在磁场的变化时，感应电动势将在线圈中产生. dtIulSNdtBqttV)()()()( 02ttBt)(感应电动势产生湍流场在导电地质体的二次（或二次电流） 。因为二次电流的变化，随着时间的推移，会产生一个新的磁场附近（称为二次磁场） 。由于时间近似指数规律形成的瞬态磁场感应电流在导电地质体，二次磁场衰变热消费。由于贴花规律引起的二次场与地面地质体的导电性，导电性越好，越慢二次场衰变，导电性越差，更快的二次场衰变。主要是二次磁场产生感应电流导电地质体，因此它包含在有关的地质体的形成地质。中等磁场观察通过接待环路。研究瞬变场随时间变化的规律，分析和处理观测数据，可以分析相关的地下地质体的物理参数，最终达到的目标，以检测各种地质体的分布。瞬变电磁法的工作原理如图 1所示。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 8 页3 矿井瞬变电磁探测系统的总体规划设计矿井瞬变电磁探测系统由两部分组成：基于多个快速开关控制技术，高灵敏度接收组件的基础上的 A / D 转换速度快，精度高的传动组件。瞬变电磁探测系统具有发送和接收的时间序列上的要求非常严格，非常小的时间差，将影响暂态信号的接收，最终影响后续数据的解释。因此，准确的时间顺序控制系统精度高，速度快瞬变电磁系统十分必要。目前，中国作出了瞬变电磁接收组件使用的单板计算机，控制单元和 DSP。但这些不同的控制方式有限制。虽然是便宜的单板计算机，它的速度很慢，控制单元有大功耗和可能产生噪音，并且由于受噪声被淹死，这样很难提取后期的信号。目前现有的 DSP 串行接收单位，由双 CPU 运作，其电路是复杂的，具有较高的逻辑要求，且使用不方便。本文采用 FPGA 芯片6为基础的控制，它可以实现快速的逻辑非常复杂的，灵活，速度快，价格便宜反盗版和显着的性能特点。瞬变电磁探测系统开发的文件包括主控单元，本质安全电源，传输单位，接待单位，接待探头，A / D 转换和显示器。图2为所示的结构块。 FPGA 和控制单元构成的主要控制单元来控制整个系统的时间序列，发射信号和接收信号的同步，初步数据处理，数据存储和实时显示。发射元件组成的传输帧和传输板，提供偶极方波脉冲瞬变电磁检测所必需的。接收探头和 A / D 转换器以及它们的互补电路构成的瞬变电磁数据采集组件，用来获得准确信息的二次场和传输数据。图 2 瞬变电磁探测系统的结构块3.1 基于快速开关关闭技术的传输组件的设计接收探头 信号调理 A/D 转换器USB 鼠标A / D 转换器的电源电平转换器输出传输控制 FPGA系统电源传输板 传输帧控制单元显示屏幕中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 8 页传输部分是整体的瞬变电磁探测系统和关键点的本质安全设计的重要组成部分。在瞬变电磁法探测，探测深度和精度，不仅与这些因素如采样速度，动态范围，收购部分的噪声抑制性能相关，但也涉及到传输电流，关闭时，开关波形关闭和关闭后的第一次采样的时刻。而且发射线圈的等效感应提出安全隐患的危险。因此，核心电路瞬变电磁发射组件，需要正确的传送波形和短添 E 的切换传输OUTP UT。目前中国提出的系统大多数开关关闭时间在 200 微妙以上。设计系统的发射机的组成如图 3 所示。FPGA 芯片的控制下，发射组件必要的连续信号传输同步信号产生电路采集到的信号产生偶极方波信号，然后通过隔离驱动电路，全桥电源电路使输出传输。在全桥输出功率单位有一个实时监测传输波形的电流采样电路。全桥功率输出电路采用 CMOS 功率三极管和中断二极管。关闭的 CMOS 管的开关速度非常快，但是，有一个发射线圈，感应装置在发射回路，高波电压 Ldi / dt 会发生，这可能会突破 MOS 管，可能在煤矿井下瓦斯爆炸造成。因此，它是不可或缺的传输组件中添加一个保护电路。图 3 传输单元框图此外，由于早期继发的瞬变场信号对应浅层的信息，为了获得丰富的浅层信息，对开关关闭时间非常严格的要求，通常被控制在的微妙水平。系统中，传输频率是在25HZ，它需要尽可能多尽可能的过电压吸收。采用双面关闭控制开关：首先输出功率桥采用组合放电停止 RCD 缓冲电路和 LR 电路释放能量;其次隔离驱动电路采用回路的 RC 沿斜坡增加驱动电压下降，最终实现全双工快速开关关控制。关掉电桥单元的一部分，如图4所示。主控制关掉控制 限流电路传输信号产生电流桥接输出功率关掉控制传输的电流采样孤立驾驶中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 8 页图4 关掉电桥单元的控制在闪烁切换传输电流，瞬态感应电流由 L1，通过二极管 D55通过先收取正在充电的电容放电电阻 R58消耗能量，自动对焦之三电容器完成放电，感应电流的电容 C55after 继续向电容充电，过程不断重复，形成准谐振整形电路，它不仅能消耗的感应电流，但也提高了切断电流的线性.发射线圈的感应电流消耗 i9n 发射线圈和电阻 R58，从而实现快速关闭和满足本质安全电路的要求。二极管 D53的作用是防止感应电流流经 MOS 管，电源电路.在隔离驱动装置也关掉控制，如在图4所示。三极管电路，回路 RC 中添加控制端传输信号，传输电压关闭时，三极管，电阻 R48和电容 C48的控制下进行，电容 C47短路，因此大大降低开关关闭时间。3.2 高分辨率的数据采集组件的设计瞬变电磁数据采集系统使用接收线圈检测二次传输的电流被切断后产生的瞬变电磁场。二次瞬变电磁场强度随时间和迅速减弱。因此，二次瞬变电磁领域的信息采集需要采集系统精度高，速度快。 数据采集系统组成部分的接收探头，信号调理组件，A / D 转换元件，FPGA的主要控制元件和控制单元，如图5所示。其特点是：最大采样速率为2 MHz，模拟信号输入的差异，输入电压范围为-2.5 V2.5 V，单次抽样或堆积取样是可选的，可以设置堆叠数量，触发信号产生电路，可装备，可以设置触发信号期间，PC104总线接口的支持。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 8 页图 5 框图数据采集流程图瞬变电磁系统具有 AD7760为核心的独立的3个通道的 A / D 采样电路，可以对每个通道进行3个通道的同步采集，单次抽样或堆放抽样可以在操作过程中选择，也可以设置堆叠数量数据采集后，每个通道的数据传输到 FPGA 处理芯片。FPGA主要用于接口控制单元，产生触发信号，存储采样数据，进行三路 A / D 控制和数据处理。控制单元的作用是控制人机界面，操作员通过控制单元的控制瞬变电磁系统进行现场地质检测，例如，设置参数，问题的收购秩序，储存和显示数据传播 FPGA。采样数据的存储是从3个通道的采样数据存储。三重路 A / D 控制和数据处理是通过 FPGA 控制的 A / D 采样和处理 A / D 采样数据。触发信号是为了使数据采集系统的问题。在数据采集与控制单元相结合的 FPGA 构成的控制组件。问题参数和控制单元的收购订单，FPGA 根据收购订单的顺序堆叠的数量和控制单元的收购订单的问题。为每个独立的通道，接收探头接收到信号。接收到的信号被放大信号调理电路和筛选，然后进入高速 A / D 转换的数字化。后采集的数据传送到 FPGA 堆叠。FPGA 的传输控制单元堆放储存和显示的数据。瞬变电磁采集系统的测试瞬变电磁衰减曲线的质量是反映收购元件的性能。测试采用分别为1栈，100堆栈和500堆栈检查暂态信号的质量。传输电压是7 V，传输电流2 A，频率25 Hz，传输帧2 H2，长方形 8圈，接收线圈是自行研制的磁探头，如图 6中（a ） ， （b） ，功耗 A / D 转换接受探头MossA/D 转换 信号调节FPGA 控制单元电平转换器系统电源 显示屏中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 8 页（c） 。从图中可以知道，在数据采集期间，堆叠数越高，瞬变电磁晚期信号质量越高，随机噪声越小。（a）瞬变电磁信号的波形1栈 （b）瞬变电磁信号的波形100栈（c）500栈时瞬变电磁信号的波形图6 瞬变电磁信号的波形图图 7 显示了在 2011 年 5 月 5 日，白鹿园采集实验的结果，视电阻率剖面数据处理后，在实验中，检测点的时间间隔为 10.15 米，沿直线检测的条件。实验分别为：500 堆栈，输电电压为 7 V 时，电流传输 2 安，传输线圈 2 米2 米， 8 圈。由于白鹿园是由黄土覆盖的区域，覆盖 100 多米的黄土。中间是Sancima 红壤。较低的是膂力砂质泥岩。从图 7 中，可以知道，在试验现场黄土分布均匀视电阻率逐渐增大，恰逢性黄土层分布。中 北 大 学 2013 届 毕