矿用瞬变电磁仪及瞬变电磁信号处理方法

摘要

本发明公开了一种矿用瞬变电磁仪及瞬变电磁信号处理方法，所述方法包括：a.实时发射模块间隔周期发射两种类型的电磁波，一种为实采电磁波，另一种为空采电磁波；b.实时采集模块实时接收间隔周期发射的两种电磁波信号，并送入复杂可编程逻辑器件；c.复杂可编程逻辑器件通过内部控制总线送入微处理器中处理，微处理器对接收到的两种电磁波信号进行差运算，得出运算结果。本发明的32位高端嵌入式微处理器与复杂可编程逻辑器件通过总线通信，在发射电磁波时，间隔周期发射实采和空采两种类型的电磁波，并实时采集这两种类型的电磁波送入微处理器进行差运算，在高速采集与高速运算处理的情况下，无缝得到滤除干扰后的采集数据。

说明书

技术领域

本发明涉及矿用地质探测仪器领域，尤其涉及一种矿用瞬变电磁仪 及瞬变电磁信号处理方法。

背景技术

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次 脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈观测二次涡流场的方法。 其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈， 从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电 流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、 中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深 度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。 通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度 的地电特征。

中国实用新型专利申请号为：“200920181682.5”，名称为：“新型矿 用瞬变电磁仪”的专利申请文件中公开了一种新型矿用瞬变电磁仪，包 括不共地的两组直流电源、MCU、内存、USB接口、液晶显示电路、 光耦、发射电路、接收电路、发射线圈和接收线圈，所述接收电路、内 存、液晶显示电路、光耦、USB接口分别与MCU相连接，其中一组直 流电源为MCU供电，另一组电源为发射电路供电，光耦用于隔离发射 电路和接收电路，发射电路和接收电路分别与发射线圈与接收线圈相连 接，所述发射电路采用低电压限流电路，其发射电压限制在9.6V以内， 发射电流控制在1.5A以内。但是，该方案直接采用MCU进行发射和接 受信号的控制与处理，采集速率不高，且对采集的随机干扰信号的没有 进行有效处理，在干扰严重时，偏于正常值。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种利用与微处理器(MCU)总线 通信的复杂可编程逻辑器件(CPLD)进行实时信号发射与采集，提高采集 速率的矿用瞬变电磁仪，及采用实采信号与空采信号相减而滤除杂波干 扰的瞬变电磁信号处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种矿 用瞬变电磁仪，包括微处理器、内部控制总线、复杂可编程逻辑器件、 实时发射模块、实时采集模块和显示模块，所述微处理器通过内部控制 总线与复杂可编程逻辑器件电连接，所述实时发射模块、实时采集模块 分别与复杂可编程逻辑器件电连接，所述显示模块与微处理器连接；所 述实时发射模块包括发射控制单元和发射线圈，发射控制单元的输入端 连接复杂可编程逻辑器件，发射控制单元的输出端连接发射线圈；所述 实时采集模块包括采集控制单元和采集线圈，采集控制单元的输入端连 接复杂可编程逻辑器件，采集控制单元的输出端连接采集线圈；所述实 时发射模块间隔周期发射两种电磁波，一种为实采电磁波，另一种为空 采电磁波，所述实时采集模块实时接收间隔周期发射的两种电磁波信号 并通过复杂可编程逻辑器件送入微处理器中处理，微处理器对接收到的 两种电磁波信号进行差运算，得出运算结果。

其中，所述发射控制单元包括左半桥导通控制芯片、右半桥导通控 制芯片、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管， 第一场效应管和第二场效应管构成左半桥结构，第三场效应管和第四场 效应管构成右半桥结构；左半桥导通控制芯片包括第一控制输出端、第 二控制输出端、第一使能端和第一控制输入端，第一控制输入端和第一 使能控制端分别连接到复杂可编程逻辑器件，第一控制输出端连接第一 场效应管的栅极，第二控制输出端连接第二场效应管的栅极，第一场效 应管的源极连接高电平，第二场效应管的漏极接地，第一场效应管的漏 极与第二场效应管的源极连接的公共端点连接发射线圈的一端；右半桥 导通控制芯片包括第三控制输出端、第四控制输出端、第二使能端和第 二控制输入端，第二控制输入端和第二使能控制端分别连接到复杂可编 程逻辑器件，第三控制输出端连接第三场效应管的栅极，第四控制输出 端连接第四场效应管的栅极，第三场效应管的源极连接高电平，第四场 效应管的漏极接地，第三场效应管的漏极与第四场效应管的源极连接的 公共端点连接发射线圈的另一端。

其中，所述电磁仪还包括用于人机交互的触摸屏，所述触摸屏与所 述微处理器电连接。

其中，所述电磁仪还包括USB通信接口，所述USB通信接口与所 述微处理器电连接。

其中，所述电磁仪还包括用于移动供电的可充电电池组。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种 瞬变电磁信号处理方法，包括以下步骤：

a.实时发射模块间隔周期发射两种类型的电磁波，一种为实采电磁 波，另一种为空采电磁波；

b.实时采集模块实时接收间隔周期发射的两种电磁波信号，并送入 复杂可编程逻辑器件；

c.复杂可编程逻辑器件通过内部控制总线送入微处理器中处理，微 处理器对接收到的两种电磁波信号进行差运算，得出运算结果。

其中，在步骤a中，所述的实采电磁波的一个周期内的波形为方波 信号，所述的空采电磁波的一个周期内的波形为静默信号。

其中，在所述的步骤c之后还包括将微处理器进行差运算得到的运 算结果通过USB送入现场分析软件得到地质分析图形的步骤。

其中，所述的复杂可编程逻辑器件采用MAX1270高速数字响应处 理芯片。

其中，所述的微处理器采用高端ARM2440高速运算处理芯片。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的矿用瞬变电磁仪采集速率 不高且对采集的随机干扰信号的没有进行有效处理，在干扰严重时，偏 于正常值的缺陷，本发明的微处理器(MCU)与复杂可编程逻辑器件 (CPLD)通过总线通信，在发射电磁波时，间隔周期发射实采和空采两种 类型的电磁波，并实时采集这两种类型的电磁波送入微处理器进行差运 算，在高速采集与高速运算处理的情况下，无缝得到滤除干扰后的采集 数据。

附图说明

图1是本发明矿用瞬变电磁仪实施例的结构方框图；

图2是本发明矿用瞬变电磁仪实施例的实时发射模块电路图；

图3是本发明矿用瞬变电磁仪实施例的实时采集时间示意图；

图4是本发明瞬变电磁信号处理方法步骤流程图；

图5是本发明瞬变电磁信号处理方法发射波形采集时序图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以 下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本发明实施例的矿用瞬变电磁仪，包括微处理器10、 内部控制总线11、复杂可编程逻辑器件12、实时发射模块13、实时采 集模块14和显示模块15，所述微处理器10通过内部控制总线11与复 杂可编程逻辑器件12电连接，所述实时发射模块13、实时采集模块14 分别与复杂可编程逻辑器件12电连接，所述显示模块15与微处理器10 连接；所述实时发射模块13包括发射控制单元和发射线圈，发射控制 单元的输入端连接复杂可编程逻辑器件12，发射控制单元的输出端连接 发射线圈；所述实时采集模块14包括采集控制单元和采集线圈，采集 控制单元的输入端连接复杂可编程逻辑器件12，采集控制单元的输出端 连接采集线圈；所述实时发射模块间隔周期发射两种电磁波，一种为实 采电磁波，另一种为空采电磁波，所述实时采集模块14实时接收间隔 周期发射的两种电磁波信号并通过复杂可编程逻辑器12件送入微处理 器10中处理，微处理器10对接收到的两种电磁波信号进行差运算，得 出运算结果。

实采电磁波为方波信号，空采电磁波为静默信号，实时采集模块采 集得到的实采电磁波信号其实是包括有可用信号和环境干扰噪音信号 的复合信号，而实时采集模块采集得到的空采电磁波信号其实仅仅包括 环境干扰噪音信号，那么利用微处理器对接收到的两种电磁波信号进行 差运算，即可得出可用信号。

区别于现有技术的矿用瞬变电磁仪采集速率不高且对采集的随机 干扰信号的没有进行有效处理，在干扰严重时，偏于正常值的缺陷，本 发明的微处理器(MCU)与复杂可编程逻辑器件(CPLD)通过总线通信，在 发射电磁波时，间隔周期发射实采和空采两种类型的电磁波，并实时采 集这两种类型的电磁波送入微处理器进行差运算，在高速采集与高速运 算处理的情况下，无缝得到滤除干扰后的采集数据。

请参阅图2，所述发射控制单元包括左半桥导通控制芯片F1、右半 桥导通控制芯片F2、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应 管Q3和第四场效应管Q4，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2构成 左半桥结构，第三场效应管Q3和第四场效应管Q4构成右半桥结构；左 半桥导通控制芯片F1包括第一控制输出端HO、第二控制输出端LO、 第一使能端SD和第一控制输入端IN，第一控制输入端IN和第一使能 控制端SD分别连接到复杂可编程逻辑器件12，第一控制输出端HO连 接第一场效应管Q1的栅极，第二控制输出端LO连接第二场效应管Q2 的栅极，第一场效应管Q1的源极连接高电平，第二场效应管Q2的漏极 接地，第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的源极连接的公共端 点连接发射线圈WW2的一端；右半桥导通控制芯片F2包括第三控制输 出端HO、第四控制输出端LO、第二使能端SD和第二控制输入端IN， 第二控制输入端IN和第二使能控制端SD分别连接到复杂可编程逻辑器 件12，第三控制输出端HO连接第三场效应管Q3的栅极，第四控制输 出端LO连接第四场效应管Q4的栅极，第三场效应管Q3的源极连接高 电平，第四场效应管Q4的漏极接地，第三场效应管Q3的漏极与第四场 效应管Q4的源极连接的公共端点连接发射线圈WW2的另一端。

请参阅图2，VA连接芯片F1的1脚，ct1信号来自于CPLD并连 F1的2脚，FB信号也来自于CPLD并连F1的3脚，DG连接芯片F1 的4脚，二极管F12与电阻R12并联成一个二端支路，其一端连接芯片 F1的5脚，另一端连接Q2的栅极，芯片F1的6脚接VLGND端，二 极管Fd1与电阻Rf1并联成一个二端支路，其一端连接芯片F1的7脚， 另一端连接Q1的栅极，芯片F1的8脚连接VLPOWER端子，并通过 电容Cu21接VLGND端子。

请参阅图2，VA连接芯片F2的1脚，ct2信号来自于CPLD并连 F2的2脚，FA信号也来自于CPLD并连F2的3脚，DG连接芯片F1 的4脚，二极管F13与电阻R13并联成一个二端支路，其一端连接芯片 F2的5脚，另一端连接Q3的栅极，芯片F2的6脚接VRGND端，二 极管F22与电阻Rf2并联成一个二端支路，其一端连接芯片F2的7脚， 另一端连接Q4的栅极，芯片F2的8脚连接VRPOWER端子，并通过 电容Cu31接VRGND端子。

请参阅图2，本发明的实现过程包括以下几个步骤：

(1)：左桥上侧与右桥下侧导通(发射线圈正向得电)

控制PWM发生芯片F1，第三脚使能端(SD)为高电平，波形输出随 输入第二脚IN输入，控制IN输入为高电平，Q1(mosfet)高电平， Q2(mosfet)低电平，使左桥上侧导通。控制PWM发生芯片F2，第三脚 使能端(SD)为高电平，波形输出随输入第二脚IN输入，控制IN输入为 低电平，Q3(mosfet)低电平，Q4(mosfet)高电平使右桥下侧导通。这样在 一个发射频率四分之一周期内发射线圈正向得电。

(2)：左桥上侧与右桥下侧不导通(发射线圈正向间隙采集)

发射线圈在发射频率四分之一周期内发射线圈正向得电完成后。控 制PWM发生芯片F1，第三脚使能端(SD)为低电平，使Q1(mosfet)低电 平，Q2(mosfet)低电平，使左桥上下侧都不导通。控制PWM发生芯片 F2，第三脚使能端(SD)为低电平，使Q3(mosfet)低电平，Q4(mosfet)低 电平，使右桥上下侧都不导通。这样产生一个发射频率四分之一周期， 发生线圈正向间隙，即接收线圈接收产生的二次磁场电信号。按图3方 式进行AD采样，规定40个中心时间，及中心时间两旁采集点，例如 下面所示各个采集点采集：中心时间T左侧T4、T3，T2、T1采集，中 心时间T右侧T1’、T2’、T3’、T4’采集，其累加后平均为中心时间T 一道正向间隙采集数据。

(3)：左桥下侧与右桥上侧导通(发射线圈反向得电)

控制PWM发生芯片F1，第三脚使能端(SD)为高电平，波形输出随 输入第二脚IN输入，控制IN输入为低电平，Q1(mosfet)低电平， Q2(mosfet)高电平，使左桥下侧导通。控制PWM发生芯片F2，第三脚 使能端(SD)为高电平，波形输出随输入第二脚IN输入，控制IN输入为 高电平，Q3(mosfet)高电平，Q4(mosfet)低电平使右桥上侧导通。这样在 一个发射频率四分之一周期内发射线圈反向得电。

(4)：左桥上侧与右桥下侧不导通(发射线圈反向间隙采集)

发射线圈在发射频率四分之一周期内发射线圈正向得电完成后。控 制PWM发生芯片F1，第三脚使能端(SD)为低电平，使Q1(mosfet)低电 平，Q2(mosfet)低电平，使左桥上下侧都不导通。控制PWM发生芯片 F2，第三脚使能端(SD)为低电平，使Q3(mosfet)低电平，Q4(mosfet)低 电平，使右桥上下侧都不导通。这样产生一个发射频率四分之一周期， 发生线圈正向间隙，即接收线圈接收产生的二次磁场电信号。请参阅图 4，按(2)步骤同样归定的采集方法点进行采集，中心时间T左侧T4、 T3，T2、T1采集，中心时间T右侧T1’、T2’、T3’、T4’采集，其累加 后平均为中心时间T一道反向采集间隙数据。

请参见图1，在一实施例中，所述电磁仪还包括用于人机交互的触 摸屏16，所述触摸屏16与所述微处理器10电连接。

请参见图1，在一实施例中，所述电磁仪还包括USB通信接口17， 所述USB通信接口17与所述微处理器10电连接。

在一实施例中，所述电磁仪还包括用于移动供电的可充电电池组 18。

请参阅图3，本发明实施例的瞬变电磁信号处理方法，包括以下步 骤：

a.实时发射模块间隔周期发射两种类型的电磁波，一种为实采电磁 波，另一种为空采电磁波；

b.实时采集模块实时接收间隔周期发射的两种电磁波信号，并送入 复杂可编程逻辑器件；

c.复杂可编程逻辑器件通过内部控制总线送入微处理器中处理，微 处理器对接收到的两种电磁波信号进行差运算，得出运算结果。

请参阅图5，在一实施例中，在步骤a中，所述的实采电磁波的一 个周期内的波形为方波信号，所述的空采电磁波的一个周期内的波形为 静默信号。

在一实施例中，在所述的步骤c之后还包括将微处理器进行差运算 得到的运算结果通过USB送入现场分析软件得到地质分析图形的步骤。

在一实施例中，所述的复杂可编程逻辑器件采用MAX1270高速数 字响应处理芯片。MAX1270CPLD进行实时采集，MAX1270是高速数 字响应处理芯片，其速度可达到5ns响应相应数字信号，在高频采集系 统中，对应单片机及其它处理器，其硬件架构不一样，其实现无缝采集 系统。

在一实施例中，所述的微处理器采用高端ARM2440高速运算处理 芯片。使用高端ARM处理器，其型号为arm2440，高速运算处理能力， 其弥补MAX1270CPLD，高速运算占资源，软件架构不容易处理等劣势。 整个软硬件架构，其实现达到无缝处理，其实现了高速、实时采集，高 速运算目地。采集与处理500ns采集信号，对比以前1us采集信号，有 了很大进步。

请参阅图5，本发明采用在原取样积分器的积分窗口多点采样，然 后取平均输出的方法。早期中心窗口间隔较小，采集频率较高，然后中 心窗口间隔逐渐增大，采样间隔变梳。在窗口区里多次采样，根据公式 Vi为同一个窗口中的各采样数据，n为各采样点，依据V_I求 出窗口的标准离差，其为偏离平均值范围 每一个窗口的各个采样值按上 述公式剔除偏离平均值，去除随机干拢，剩下的值累加，除以其剩下的数 目，其为这一个窗口的值。这样提高了抗干拢能力。按照叠加次数多次 采集同一测点数据，然后根据公式Vi为在一个窗口中最终值 采样数据(其为道数采样值)，n为采样叠加次数，依据V_I求出各道的 标准离差，其为偏离平均值范围每 一道数的各个采样值按上述公式剔除偏离平均值，去除随机干拢，剩下的 值累加，除以其剩下的数目，其为这道数的值。这样提高了抗干拢能力。

本发明正向间隙采集中心时间点采集数据减去正向空采间隙采集 中心时间点采集，反向间隙采集中心时间点减去反向空采间隙采集中心 时间点，得到这两次处理数据后，再互相相减。这样互相抵去了低频干 拢，也互相抵去了一定的高频干拢。对比没有空采间隙，其抗干拢性大 大提高。

本发明的优点在于：结合软硬件技术，使用高端32位ARM处理器， 实现高速运算，同时使用CPLD进行实时采集与实时发射，对探测地质 电阻率情况有较大进展。

本发明具有以下特征：

(1)：人机界面构成，用户选择发射频率及其它种参数。

(2)：ARM2440发送给CPLD1270发射参数及采集各点时间。

(3)：CPLD1270根据发射参数，控制MOSFET依次正反导通及截 止，得到需要发射波形。

(4)：CPLD1270在发射频率下时间间隙里采取数据。

(5)：发射及采集完成后，CPLD1270使用串口发送完成信号给 ARM2440。

(6)：ARM2440得到串口完成信后，控制数据总线得到采集数据。

(7)：ARM2440显示采集数据，及保存数据等。

(8)：用户使用优盘得到采集数据，使用现场分析软件得到地质分 析图形。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或 直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保 护范围内。