一种分布式时间域激电接收装置及实现方法

摘要

本发明公开了一种分布式时间域激电接收装置及实现方法。所述分布式时间域激电接收装置包括主控单元、数传单元和接收机单元。接收机单元用于多接收机多通道的同步观测和大动态范围、高精度采样数据的全波形采集；数传单元用于接收机与主控单元之间处理后数据的长距离有线高速传输；主控单元用于收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同时监测接收机的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理。布设在多个测点上进行同步观测的多通道分布式接收系统，根据本发明，可显著提高野外电法勘探工作效率，同时优化软件和硬件进行噪声抑制，提高激电接收机的信噪比，操作简便、鲁棒性强，提高了系统工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电法勘探仪器，特别是涉及一种分布式时间域激电接收 装置及实现方法。

背景技术

电法勘探是利用地壳中岩矿石的电磁学性质和电化学性质的差异，通过 对电磁场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，实现寻找不同类型有用 矿产、查明地质构造和解决地质问题的地球物理勘探方法。

作为电法勘探的重要分支方法，激发极化法(IP)以电阻率和极化率两个 物性参数为物质基础，可以提供地下介质导电性和电化学活动性两个方面的 分布信息。时间域激发极化法(TDIP)的仪器相对简单、普及程度高、资料处 理和二、三维反演技术成熟，广泛应用在勘查金属与非金属固体矿产资源、 地下水资源和油气资源等领域，效果良好。随着资源探测难度的加大，实际 勘探工作对激电方法的应用提出了更高的要求，主要表现在勘探深度大、探 测结果要求更加精细。

目前，国内绝大多数的勘探单位开展激电工作主要采用时间域激发极化 法(TDIP)，使用的激电仪器系统以国产为主。在高效和可靠获取大量高精度 激电数据的能力方面，目前普遍采用的激电接收机还有较大差距，不足之处 主要体现在以下方面：

①接收机的通道数量少(单通道或通道少)，野外工作效率低；

②接收机检测信号分辨能力差，测量精度低；

③接收机不具备全波形记录功能，一般只提供多次叠加后的一个视极化 率或断电后几个时刻的视极化率，没法进行后续去噪处理和数据质量评价；

④接收机无实时监测数据质量功能，只能盲目叠加采集。

因此，高效获取大量高精度激电数据则成为激电法当前迫切需要解决的 技术难题。开发出现代时间域激电仪器系统，使高效高质量获取密集测点或 面积性观测资料成为可能，才能真正实现激电法精细探测的目标，并成为了 一种新的技术需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式时间域激电接收装置及实现方法。本发 明中，分布式时间域激电接收装置包括主控单元、数传单元和接收机单元。 本发明提高了野外电法勘探工作效率，同时优化软件和硬件进行噪声抑制， 提高激电接收机的信噪比，操作简便、鲁棒性强，提高了系统工作效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种分布式时间域激电接收装置，包括： 主控单元，用于收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同时监测接收机 的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理；数传单元， 用于接收机与主控单元之间处理后数据的长距离有线高速传输；接收机单元， 用于多接收机多通道的同步观测，大动态范围、高精度采样数据的全波形采 集。

优选的，所述主控单元利用以太网或WIFI与数传单元互联，以有线方式 连接多个(1～n)多通道接收机。

优选的，所述主控单元还用于叠加数传单元传输的有用信号，提高接收 信号的信噪比。

优选的，所述数传单元用于完成信息中转传输，并为接收机提供远程供 电。

可选的，所述数传单元对RS485物理信道进行均衡、预加重调理，改善 接收端的信号波形，在高传输率下延长通信距离。

优选的，所述接收机单元采用硬件低通滤波和工频陷波技术抑制已知频 率噪声对有用信号的干扰，提高信噪比。

优选的，所述接收机单元采用低纹波噪声的高精度电源为模拟电路供电， 数字和模拟电源分开布线。

优选的，所述接收机单元采用屏蔽和接地方法，消除共模噪声，避免回 路中噪声耦合。

可选的，所述接收机单元在发送机供电时采集总场电位差，发送机断电 时采集二次场电位差，现场采集过程中实现数据的实时监控。

可选的，分布式时间域激电接收装置采用分布式8*n(n＝1、2、3、4…) 通道、同时测量，多个接收机多测点同步观测。

根据本发明的另一个方面，提供了一种分布式时间域激电接收装置实现 方法，包括：步骤S1，调理接收机电极间的电位差信号并分两路分别送至预 采样ADC和程控增益放大器PGA；步骤S2，接收机通道同时预采样ADC完成 双极性信号的第一次高速粗采样，数字化后通过FPGA内部编码模块动态生成 PGA的瞬时增益，作为浮点数据的阶码缓存于FPGA内部FIFO；步骤S3，放 大后的模拟信号落在后级ADC的半量程至满量程之间，由后级高精度同时采 样ADC进行第二次精细采样，其转换结果作为浮点数据的尾数缓存于FPGA 的内部FIFO；步骤S4，被测信号经瞬时浮点放大后，阶码和尾数两部分组成 AD转换结果；步骤S5，数传单元通过屏蔽双绞线实现RS485总线长距离有线 高速传输；步骤S6，主控单元收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同 时监测接收机的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处 理。

优选的，所述步骤S1和S2中，采用12位8通道ADC完成模拟信号到数 字信号的第一次粗采样。

优选的，所述步骤S3中，采用24位8通道ADC完成第二次精细采样。

优选的，所述步骤S4中，被测信号经瞬时浮点放大后，阶码和尾数两部 分组成AD转换结果，此时接收机动态测量范围DR为：

DR＝20lg2^L+N                 (1)

其中，2^L为PGA最大增益，N为第二级模数转换位数。

可选的，所述步骤S6之后还包括步骤S7，主控单元检测到异常数据之 后发出告警信息，使操作人员能在现场实时监控数据采集过程。

附图说明

图1显示了本发明优选实施例的激电接收装置示意图；

图2显示了本发明优选实施例的接收机单元中瞬时浮点放大电路原理框 图；

图3显示了本发明优选实施例的分布式时间域激电接收装置整体结构框 图；

图4显示了本发明优选实施例的分布式时间域激电接收装置实现方法流 程图；

图5显示了本发明可选实施例的分布式时间域激电接收装置实现方法流 程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施 方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例 性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结 构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的目的是提供一种分布式时间域激电接收装置及实现方法。所述 分布式时间域激电接收装置包括主控单元、数传单元和接收机单元。接收机 单元用于多接收机多通道的同步观测和大动态范围、高精度采样数据的全波 形采集；数传单元用于接收机与主控单元之间处理后数据的长距离有线高速 传输；主控单元用于收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同时监测接 收机的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理。布设 在多个测点上进行同步观测的多通道分布式接收系统，本发明可显著提高野 外电法勘探工作效率，同时优化软件和硬件进行噪声抑制，提高激电接收机 的信噪比，操作简便、鲁棒性强，提高了系统工作效率。

图1显示了本发明优选实施例的激电接收装置示意图。

如图1所示，本发明优选实施例的激电接收装置包括主控单元、数传单 元和接收机单元。

主控单元用于收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同时监测接收 机的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理，本发明 具体实施例中，主控单元为一台PC机，通过100Mbps以太网或WIFI与数传 单元连接，保证数据的传输效率，同时叠加数传单元传输过来的有用信号， 提高接收信号的信噪比。

数传单元用于接收机与主控单元之间处理后数据的长距离有线高速传 输。本发明具体实施例中，采用12V蓄电池为数传单元供电，数传单元同时 为接收机单元提供远程供电；通过屏蔽双绞线RS485总线实现数传单元与接 收机单元长距离有线的高速传输；每台接收机均配备GPS模块，以实现接收 机之间的采集同步。

接收机单元用于多接收机多通道的同步观测，大动态范围、高精度采样 数据的全波形采集，采用硬件低通滤波和工频陷波技术抑制已知频率噪声对 有用信号的干扰，提高信噪比；采用低纹波噪声的高精度电源为模拟电路供 电，数字和模拟电源分开布线；采用屏蔽和接地方法，消除共模噪声，避免 回路中噪声耦合。本发明具体实施例中，激电接收装置包括n台接收机，分 别编号为接收机1、接收机2和接收机n，其中，接收机单元与数传单元、接 收机1与接收机2、接收机2与接收机3、接收机n-1与接收机n通过RS485 实现下行命令与上行数据的高效传输，接收电极的1～8通道连接到接收机1， 接收电极的9～16通道连接到接收机2，接收电极的8n-7～8n通道连接到接收 机n，主控单元、数传单元和接收机单元的高效耦合，保证了激电接收装置 的正常运行。

图2显示了本发明优选实施例的接收机单元中瞬时浮点放大电路原理框 图。

如图2所示，接收机单元中瞬时浮点放大电路由4个部分组成：12位8 通道同时预采样ADC、24位8通道同时采样ADC、单级程控增益放大器PGA 及现场可编程门阵列FPGA。本发明优选实施例中，从左到右连接顺序如下： 1/8通道模拟信号输入到信号调理电路中，之后12位8通道同时预采样ADC 对信号调理电路的输出模拟信号进行ADC采样，同时程控增益放大器进行信 号放大，范围为0.125到128倍，经过24位8通道同时采样ADC再进行模拟 信号到数字信号的转换，之后送入到现场可编程门阵列FPGA中，最终阶码和 尾数两部分组成AD转换结果。具体过程如下：

1.接收机单元中接收电极间的电位差信号经调理(阻抗匹配、前置放大、 低通滤波、工频陷波)后，分两路分别送至预采样ADC和程控增益放大器PGA。

2.在FPGA时序控制下，12位8通道同时预采样ADC完成双极性信号的 第一次高速粗采样，数字化后送至FPGA内部编码模块，动态生成PGA的瞬时 增益(2^O至2^L)，作为浮点数据的阶码缓存于FPGA的内部FIFO。

3.经PGA放大后，输出的模拟信号落在后级24位ADC的半量程至满量程 之间，目的是防止放大器饱和，使量化的信噪比近似一致，由后级8通道高 精度同时采样ADC进行第二次精细采样，其转换结果作为浮点数据的尾数缓 存于FPGA的内部FIFO。

4.最后，被测信号经瞬时浮点放大后，AD转换结果由阶码和尾数两部分 组成，此时接收机动态测量范围DR为：

DR＝20lg2^L+N

其中，2^L为PGA最大增益，N为第二级模数转换位数，lg为以10为底的 取对数操作。由上述公式可知，当PGA增益最大为128，第二级ADC位数为 24时，接收机的动态测量范围DR理论上可达186dB，完全可以满足时间域激 电接收机单元动态测量范围的要求。

图3显示了本发明优选实施例的分布式时间域激电接收装置整体结构框 图。

如图3所示，本发明优选实施例中分布式时间域激电接收装置包括主控 单元、数传单元和接收机单元，三者联系紧密，共同保证了激电接收装置的 正常运行。

主控单元用于收集接收机数据并进行预处理及成图显示，监测接收机的 实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理，同时叠加数 传单元传输的有用信号，提高接收信号的信噪比。

数传单元用于接收机与主控单元之间处理后数据的长距离有线高速传 输，同时用于完成信息中转传输，并为接收机提供远程供电。

接收机单元用于多接收机多通道的同步观测，大动态范围、高精度采样 数据的全波形采集，采用硬件低通滤波和工频陷波技术抑制已知频率噪声对 有用信号的干扰，提高信噪比；采用低纹波噪声的高精度电源为模拟电路供 电，数字和模拟电源分开布线；采用屏蔽和接地方法，消除共模噪声，避免 回路中噪声耦合。

图4显示了本发明优选实施例的分布式时间域激电接收装置实现方法流 程图。

如图4所示，本发明提出的分布式时间域激电接收装置实现方法可分为 如下步骤：

步骤S1，调理接收机电极间的电位差信号并分两路分别送至预采样ADC 和程控增益放大器PGA，其中采用12位8通道ADC完成模拟信号到数字信号 的第一次粗采样。

步骤S2，接收机通道同时预采样ADC完成双极性信号的第一次高速粗采 样，数字化后通过FPGA内部编码模块动态生成PGA的瞬时增益，作为浮点数 据的阶码缓存于FPGA内部FIFO，其中采用12位8通道ADC完成模拟信号到 数字信号的第一次粗采样。

步骤S3，放大后的模拟信号落在后级ADC的半量程至满量程之间，由后 级高精度同时采样ADC进行第二次精细采样，其转换结果作为浮点数据的尾 数缓存于FPGA的内部FIFO，其中采用24位8通道ADC完成第二次精细采样。

步骤S4，被测信号经瞬时浮点放大后，阶码和尾数两部分组成AD转换 结果，其中被测信号经瞬时浮点放大后，阶码和尾数两部分组成AD转换结果， 此时接收机动态测量范围DR如公式1所示。

步骤S5，数传单元通过屏蔽双绞线实现RS485总线长距离有线高速传输。

步骤S6，主控单元收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同时监测 接收机的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理。

图5显示了本发明可选实施例的分布式时间域激电接收装置实现方法流 程图。

如图5所示，本发明提出的分布式时间域激电接收装置实现方法在优选 实施例的基础上，增加了可选步骤S7，具体可分为如下步骤：

步骤S1，调理接收机电极间的电位差信号并分两路分别送至预采样ADC 和程控增益放大器PGA，其中采用12位8通道ADC完成模拟信号到数字信号 的第一次粗采样。

步骤S2，接收机通道同时预采样ADC完成双极性信号的第一次高速粗采 样，数字化后通过FPGA内部编码模块动态生成PGA的瞬时增益，作为浮点数 据的阶码缓存于FPGA内部FIFO，其中采用12位8通道ADC完成模拟信号到 数字信号的第一次粗采样。

步骤S3，放大后的模拟信号落在后级ADC的半量程至满量程之间，由后 级高精度同时采样ADC进行第二次精细采样，其转换结果作为浮点数据的尾 数缓存于FPGA的内部FIFO，其中采用24位8通道ADC完成第二次精细采样。

步骤S4，被测信号经瞬时浮点放大后，阶码和尾数两部分组成AD转换 结果，其中被测信号经瞬时浮点放大后，阶码和尾数两部分组成AD转换结果， 此时接收机动态测量范围DR如公式1所示。

步骤S5，数传单元通过屏蔽双绞线实现RS485总线长距离有线高速传输。

步骤S6，主控单元收集接收机数据并进行预处理及成图显示，同时监测 接收机的实时工作状态，存储数据文件，实现后续室内的精细数据处理。

步骤S7，主控单元检测到异常数据之后发出告警信息，给操作人员提供 参考。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释 本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和 范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和 边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。