频率域激电信号采集平台研究_付国红.pdf

第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Key Laboratory of Mine Deposits Research, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China Abstract In order to improve the versatility of the induced polarizationIP signal receiver of traditional frequency domain, a signal acquisition plat was designed, which can acquire and process IP signals of frequency domain such as variable-frequency signals, dual-frequency IP signals, and pseudo-random multi-frequency IP signals and so on. Hardware circuits were established based on STM32 to cute low-pass filtering, program-controlled am- plification, analog-to-digital conversion, and data communication. The host computer was developed in LabVIEW to achieve parameter settings, digital filtering, spectrum analysis, amplitude measurement and calculation to obtain target parameters such as PFE, and has wave display and playback, data storage and viewing functions. The experiment of the RC network model was carried out, three s were used to measure the percent frequency effectPFE, the absolute error of the PFE was less than 0.5. Results showed that the plat has high measure- ment accuracy, and can flexibly select different s for acquisition and processing. It has good application prospect in resource exploration and coal mine water hazard detection. Keywords frequency domain IP; LabVIEW; RC network; PFE; signal acqusition plat 激发极化法是矿产资源勘查以及煤田采空积水 探测的一种重要手段[1-4]，可以分为时间域激电法和 频率域激电法。在频率域激电法中，变频法历史最 久且应用广泛，与时间域激电法相比，变频法的优 ChaoXing 202 煤田地质与勘探 第 47 卷 点是所需供电电流较小、 装置轻便且抗干扰能力强[5]。 在变频法基础之上，中南大学何继善院士[6]提出了 双频激电法，在效率、精度和抗干扰能力上都有明 显的进步。此后，何院士进一步提出了伪随机多频 信号方案，可同时发送、接收包含多个频率成分的 复合信号，极大提高了野外勘探的工作效率[7]。针 对这 3 种方法，学者们对实施勘探任务的仪器做了 大量研究，成果显著[8-11]。这些研究多采用一种方 法来设计仪器，虽然针对性很强，但通用性不足。 在实际勘查中，往往需要因地制宜选取测量方法， 单一方法的仪器在勘探工作中时有不便，多种方法 的相互验证也能提高测量结果的准确性，因此，研 制能够进行多种方法测量的激电仪具有重要的实际 意义和价值。虚拟仪器技术将计算机硬件资源、仪 器与测控系统硬件资源以及虚拟仪器软件资源三者 结合，在智能化程序、处理能力、性能价格比、可 操作性和功能拓展等方面较传统仪器都有明显的技 术优势，是提高仪器通用性一个很好的手段[12-14]。 本文针对传统频率域激电仪的发展需求，结合虚拟 仪器技术的优点，研制了可采集和处理变频信号、 双频信号以及伪随机多频信号的通用信号采集平 台，进行了阻容网络视幅频率采集试验，取得了良 好的实验效果。 1 频率域激电法原理 1.1 变频法 变频法的供电方式是分次向地下供至少 2 种频率的矩形电流， 该电流用傅里叶级数展开如 式1所示。其中一个为低频电流记为 fL，使地下 介质充分极化，测得极化电位 ΔVfL；另一个是高频 电流记为 fH，地下介质来不及极化或极化效应很 弱， 测得电位 ΔVfH。 根据式2计算出视幅频率 Fs 0 1 41 sin[21] π21 n I tInt n      1 式中 I0是矩形电流的幅值；n 是谐波的次数。 LH H s 100 V fV f F V f    2 图 1a 是振幅为 1 A， 频率为 1 Hz 的双极性矩形 电流， 图 1b 是矩形电流的振幅谱。 从图 1 可以看出， 谐波振幅随着谐波次数的增加呈反比例衰减，矩形 电流基波携带的能量占整个信号的大部分能量，所 以变频法通过测量矩形电流的基波来获取地下介质 的激发极化信息。 1.2 双频激电法 双频激电法的原理是将 2 组频率不同、幅值相 等的电流按一定相位关系组合成双频电流供入大 图 1 矩形电流时频域图形显示振幅 1 A、频率 1 Hz Fig.1 Wave and amplitude spectrum of rectangular current when I1 A and f1 Hz 地，同时测量这 2 个频率的大地响应。 由式2进一步可推出，幅值相等、圆频率分别 为 L 和 H ，频比为 S，时间差为 Δt相位差为 H t的矩形电流的傅里叶级数形式在取低频 电流的初相为零的条件下可表示为 L0L 1 41 sin[21] π21 n ItInt n      3 H0H 1 41 sin[21] π21 n ItInt n      4 取双频电流频比 S 为 13，π，此时双频电 流的傅里叶级数表达式为 LH0LH LH 2 L 412 {sinsin π13 1 [sin21sin21 21 1 sin13]} 13 n I tItItIω tω t nω tnω t n ω t      5 图 2a 是振幅为 1 A，频率组为 4 Hz 和 4/13 Hz 的双频电流波形，图 2b 是双频电流各成分的振幅 谱。从图 2 可以看出，双频电流的频谱图上两个主 频率占据了信号能量的主要部分。因此，接收机通 过采集这两个频率的激电响应来达到测量目的。 1.3 伪随机多频激电法 伪随机多频激电法的实质是将含有奇数个主频 率的复合波同时向大地发送，同时接收复合波中主频 率电流的大地响应。伪随机波形既具有某种随机波形 特征，又能事先设定，并能重复产生和复制。伪随机 信号有多种， 其中相邻 2 个主频的频比为 2n的伪随机 ChaoXing 第 5 期 付国红等 频率域激电信号采集平台研究 203 信号称为 2n序列伪随机信号，又叫伪随机 n 频波。 图 3a 是 n5， 振幅为 1 A， 周期为 2 s 的伪随机 五频波的波形，图 3b 是伪随机五频波的振幅谱。由 图 3 可以看出，5 个主频占据了信号大部分能量， 且幅值相差不大，便于同时提取多个频率的地电信 息，显著提高工作效率。 图 2 双频电流时频域图形显示低频 fL4/13 Hz、 高频fH4 Hz Fig.2 Wave and spectrum of dual-frequency current when fL4/13 Hz and fH4 Hz 图 3 伪随机五频波信号时频域图形显示 振幅 1 A、周期 2 s Fig.3 Wave and amplitude spectrum of pseudo-random five-frequency signal when I1 A and T2 s 2 方案设计与实现 平台由数据采集电路下位机和上位机软件两 部分组成。硬件部分对信号进行调理和采集，电路 采用 STM32F103 为主控制器、 四阶巴特沃斯滤波器 进行低通滤波、2 个仪表放大器进行两级程控放大、 高精度 GPS 保证同步精度、 24 位模数转换器确保数 据采集的准确性；上位机在 LabVIEW 中开发，利 用算法软件代替硬件电路，使方法选择、参数设置、 滤波分频、频谱分析、求值计算、显示存储等功能 全部在上位机中实现。设计框图如图 4。 图 4 系统设计框图 Fig.4 System design block diagram 整个信号采集平台的工作流程如图 5 所示首 先系统上电初始化，GPS 锁星将时间同步到系统。 接着在上位机中进行方法选择、装置和频组的选取 以及采集时间的设置。采集开始后，将 MN 端接收 到的信号前置放大后送入低通滤波电路进行滤波， 然后将信号传输至程控放大电路进行放大，在高精 图 5 系统工作流程 Fig.5 System workflow ChaoXing 204 煤田地质与勘探 第 47 卷 度 GPS 同步电路的配合下，24 位 A/D 芯片将模拟 信号转换成数字信号， 微处理器将数据通过 USB 发 送至上位机。上位机对数据进行数字滤波、信号分 离、频谱分析、求值计算等处理，得到视幅频率等 参数并显示结果。 2.1 下位机设计 下位机设计包括前置放大、低通滤波、程控放 大、GPS 同步、模数转换、微控制器等电路部分。 微控制器采用基于 Cortex-M3 内核的 STM32F10 x 系列工业级微控制器，具有低功耗、高性能、实时 性好等优点；低通滤波器由 2 个二阶低通滤波器级 联而成，通带增益为 1，截止频率为 25 Hz，用于压 制工频干扰和高频噪声； 程控放大电路选用低温漂、 低失调电压的程控仪表放大器 PGA204 和 PGA205， 两者配合可实现 18 000 倍共 16 档的增益调节；模 数转换器选用 24 位高精度、微功耗 Δ–Σ 型模数转 换器 ADS1255，该芯片最大采样率为 30 KSPS，满 足采集系统对采样频率和精度的要求；GPS 选择 U-blox 公司生产的 NEO-6M 模块，利用 GPS 的秒 脉冲信号的上升沿或下降沿和 UTC 时间信息对应 的关系来进行同步，GPS 锁定卫星后，硬件系统接 收上位机预先设置的采集时间参数，将其和 GPS 发 送的当前时间转换为以秒为单位的时间并计算两者 的时间差，然后以 GPS 秒脉冲信号上升沿为基准对 时间差进行减一计数， 在时间差减到 0 时开始采集， 达到和发送机同步的目的[15]。 2.2 上位机设计 上位机程序采用 NI 公司推出的 LabVIEW 编程 软件进行开发，该软件是一种基于图形化编程语言 的虚拟仪器软件开发环境，通过放置可视化图形控 件和绘制信号流程图或框图，只需要一个操作界面 就可实现数据实时采集、处理、显示和存储，目前 已广泛运用于测试与测量、过程控制、工业自动化 和实验研究等方面[16]。 上位机界面如图 6 所示。信号采集平台正常工 作时，由上位机实现参数设置、滤波分频、频谱分 析、幅值求取、幅频率计算、图形显示、数据存储 与查看等功能。 图 6 上位机界面 Fig.6 Host computer interface 2.2.1 参数设置 平台开始采集信号前，需要在上位机中进行方 法频组的选取以及采集时间的设置。本平台可采集 的信号类型分为变频信号、双频信号和伪随机信号 3 种，以满足不同勘探方法的需要。传统频率域激 电常用频率范围为 0.0110 Hz，频率更高时电磁耦 合效应强，数据可靠性差，因此本平台主要针对激 电法常用 10 Hz 以下的频率设计，其中变频信号有 9 个频率，具体频率为 0.031 25、0.062 5、0.125、 0.25、0.5、1、2、4、8 Hz；双频信号类型分为 4 组， 具体频率分别为 1/13 Hz 和 1 Hz、2/13 Hz 和 2 Hz、 4/13 Hz 和 4 Hz、8/13 Hz 和 8 Hz；伪随机五频波信 号一共有 4 组，各组频率分别为a. 0.062 5、0.125、 0.25、 0.5、 1 Hz； b. 0.125、 0.25、 0.5、 1、 2 Hz； c. 0.25、 0.5、1、2、4 Hz；d. 0.5、1、2、4、8 Hz。时间参数 设置以当前时间为基准， 设置采集开始和结束的时间， 设置完毕后通过 USB 虚拟串口发送给下位机。 2.2.2 滤波分频 平台采集的电法信号是多种频率成分和干扰的 叠加，若要计算频点间的视幅频率，需要把各个频 ChaoXing 第 5 期 付国红等 频率域激电信号采集平台研究 205 率的信号分离开来。上位机通过低通和高通滤波器 减小信号的高频噪声、工频干扰以及直流成分的影 响，然后使用多个数字带通滤波器提取出不同频率 的信号，便于后续函数的处理。 2.2.3 幅值求取 频率分离后使用“单频测量”这个 VI 控件求取 各个频率信号的幅值，该控件可查找出信号中具有 最高幅值的单频信号并求取其幅值。 2.2.4 视幅频率计算 求取出各频率信号的幅值后，根据式1计算各 个频率间的视幅频率值，并在相应处显示结果。 2.2.5 图形显示 上位机放置有多个波形图表显示控件，可显示 采集到的原始混合波形、频谱分析的频谱图、滤波 处理后的波形图以及视幅频率值的曲线图。 图 7 为实验采集的 3 种信号在图形界面上显示 的经过通道电路处理后的采集波形， 其中图 7a 显示 幅值为 1 V， 频率为 4 Hz 的单频信号； 图 7b 显示幅 值为 1 V，频率为 4/13 Hz 和 4 Hz 的双频波信号； 图 7c 显示幅值为 1 V，频率为 8、4、2、1、0.5 Hz 组 图 7 3 种信号的波形显示 Fig.7 Wave display of three signals 合的伪随机五频波信号。 从图 7 可以看出波形显示 良好。图 8 是 0.5、1、2、4、8 Hz 伪随机五频波标 准信号的振幅谱图，与图 3b 的振幅谱具有相同的 比例。 图 8 伪随机五频波振幅谱 Fig.8 Pseudo-random five-frequency amplitude spectrum 3 阻容网络测试实验 为了测试信号采集平台的功能和精度，根据频 率域激电法原理，分别搭建了针对变频法、双频激 电法以及伪随机多频激电法测量的激电模拟网络进 行视幅频率测量实验。其中，正视幅频率测试的阻 容网络模型如图 9 所示。A、B 为信号输入端，M、 N 为信号接收端，待测电阻 R、固定电容 C 为待测 部分，R1和 R2阻值均为 1 MΩ。 图 9 正视幅频率阻容网络 Fig.9 RC network of positive Fs 待测阻容部分的并联阻抗为 1j R Z RC   6 则待测部分的视幅频率为 222 L LH s 222 HHL 1 111 1 ZVR C F VZR C        7 式中 LL 2πf，令 HL ，则   2 s 2 2 L s 111 1 F R C F      8 首先是变频法测量。频率域激电法需要测量高 低两个频率的信号，且频率差不能太小，否则激电 异常差值小，无法体现激发极化特征。实验先后供 入频率为 0.5 Hz 和 4 Hz 的方波信号，即 fL0.5 Hz， ChaoXing 206 煤田地质与勘探 第 47 卷 fH4 Hz，8，固定电容 C2.2 μF实测值为 2.195 μF，分别取 Fs值为 5、10、20、30、40、 60、80，根据式8计算出不同视幅频率理论值 下待测电阻 R 的值，然后搭建实际电路测量视幅频 率，与理论值进行对比。需要注意的是，之前为了 便于电阻电容取值，未计入隔离电阻 R1和 R2的影 响，这样会造成实际值与理论值偏差较大。为更加 准确测试系统的性能，现将隔离电阻的影响考虑进 去，则 RC 模型总的阻抗变为 12 1j R ZRR RC   9 MN Z VU Z  10 将式6和式7联立， 代入之前各元件值重新计 算 Fs值，将计入隔离电阻后的理论计算值与测量值 进行对比。 然后采用双频激电法中常用的 4/13 Hz 与 4 Hz 频组进行测量，计算出不同理论 Fs值下的待测电阻 R 的值，其他条件与变频法测量一致，将视幅频率 的理论值与测量值进行对比。 最后进行伪随机五频激电法的测量，取五频波 中的0.5 Hz和4 Hz两个频率的幅值进行理论值计算 和实际值测量。3 种方法的正视幅频率理论值和实 测值对比结果如表 1 所示。 图 10 是测试负视幅频率值的阻容网络， 由于电 容的容抗较大，应将隔离电阻的影响考虑进去。 表 1 3 种激电法正视幅频率测量值与理论值对比 Table 1 Comparison of measured and theoretical values of positive Fs under three IP s 变频激电法 双频激电法 伪随机五频激电法 Fs1/ R/kΩ Fs2/ ∆Fs1/ ∆Fs2/ R/kΩ Fs2/ ∆Fs1/∆Fs2/R/kΩ Fs2/ ∆Fs1/ ∆Fs2/ 4.97 5.854 4.91 –0.06 –1.2 5.791 4.92 –0.05 –1.01 5.854 4.91 –0.06 –1.2 9.92 8.386 9.87 –0.05 –0.50 8.291 9.95 0.03 0.30 8.386 9.94 0.02 0.20 19.78 12.162 19.71 0.07 –0.36 12.01019.87 0.09 0.46 12.162 19.68 –0.10 –0.51 29.63 15.260 29.48 –0.15 –0.51 15.05129.65 0.04 0.14 15.260 29.68 0.05 0.17 39.40 18.039 39.31 0.11 –0.28 17.76839.46 0.06 0.14 18.039 39.30 –0.10 –0.25 58.92 23.108 58.81 –0.11 –0.19 22.69058.74 –0.18 –0.30 23.108 58.67 –0.25 –0.42 78.37 27.844 78.12 –0.25 –0.32 27.24578.21 –0.14 –0.18 27.844 78.11 –0.26 –0.33 注Fs1为视幅频率的理论值；Fs2为视幅频率的测量值；∆Fs1Fs2–Fs1为视幅频率的绝对误差；∆Fs2∆Fs1/Fs1为视幅频率的相对误差， 表 2 同。 图 10 负视幅频率阻容网络 Fig.10 RC network of negative Fs RC 模型的总阻抗为 1 1 j ZRR C  11 222 1 1ZRRC 12 与式7联立进行计算，则  22 s 12 L s 111 11 F RR C F       （） 13 分别用变频法、双频激电法和伪随机五频激 电法测量阻容模型的视幅频率，信号类型的选取 与正视幅频率测量相同，取电容值 C10 μF实测 值为 10.05 μF， 分别取 Fs值为–5、 –10、 –20、 –30、–40、–60、–80，根据式13计算出 3 种方法中不同视幅频率下的 R1R 的理论值， 然后 搭建电路测量视幅频率值，与理论值进行对比， 结果如表 2 所示。 表 2 3 种激电法负视幅频率理论值与测量值对比 Table 2 Comparison of measured and theoretical values of negative Fs under three IP s 变频激电法 双频激电法 伪随机频五频激电法 Fs1/ R1R/kΩ Fs2/ ∆Fs1/∆Fs2/ R1R/kΩFs2/∆Fs1/ ∆Fs2/R1R/kΩ Fs2/ ∆Fs1/ ∆Fs2/ –5 95.557 –5.06 –0.06 1.20 156.129 –4.950.05 –1.0095.557 –5.07 –0.07 1.40 –10 64.785 –10.09 –0.09 0.90 105.917 –10.05–0.05 0.50 64.785 –9.96 0.04 –0.40 –20 41.726 –19.92 0.08 –0.40 68.330 –19.920.08 –0.4041.726 –20.06 –0.06 0.30 –30 30.557 –29.78 0.22 –0.73 50.161 –29.900.10 –0.3330.557 –29.90 0.10 –0.33 –40 23.241 –39.87 0.13 –0.33 38.296 –39.870.13 –0.3323.241 –39.92 0.08 –0.20 –60 13.135 –59.85 0.15 –0.25 22.051 –59.850.15 –0.2513.135 –59.84 0.16 –0.27 –80 5.049 –79.75 0.25 –0.31 9.701 –79.690.31 –0.395.049 –79.76 0.24 –0.30 ChaoXing 第 5 期 付国红等 频率域激电信号采集平台研究 207 从表 1 和表 2 可以看出，3 种方法测得正视幅 频率值与理论值绝对误差均小于0.3， 负视幅频率 实测值与理论值绝对误差小于0.35，根据理论分 析和实测经验可知，一般情况下视幅频率异常值相 对背景值差别为 1以上即可视为有效异常， 因此采 集平台满足实测要求，具有较高的测量精度。 4 结 论 a. 将虚拟仪器与硬件采集电路结合，将变频 法、双频激电法和伪随机多频激电法的信号采集处 理集成于一体，较好地完成了频率域激电信号采集 平台的设计。测量时可根据实际需求灵活选取勘探 方法、方案。 b. 阻容网络测试实验结果表明视幅频率实测 值与理论值的误差较小，验证了频率域激电信号采 集平台的准确性和可靠性。 c. 进一步可结合具体工程实践开展资源勘查、 煤矿采空积水探测等方面的研究工作。 参考文献 [1] 余传涛， 刘鸿福， 高建平. 双频激电法在探测煤矿采空区的尝 试[J]. 地球物理学进展，2008，2351603–1609. 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