一種大動態範圍的磁場測量系統及測量方法與流程

2024-03-25 03:58:05

本發明涉及一種磁場測量系統及測量方法，特別涉及一種大動態範圍的磁場測量系統及測量方法。

背景技術：

當前，時間域瞬變電磁法(Time-domain Electromagnetic，簡稱TEM)是一種基於電磁感應原理的地球物理探測方法，根據接收機接收到的二次場的大小及衰減特性來分析地下介質的分布情況。

時間域瞬變電磁信號具有近似e指數衰減的特徵，信號頻譜範圍主要集中在幾赫茲至幾千赫茲之間，信號動態範圍大，尤其是採用SQUID傳感器接收二次磁場，有效信號動態範圍一般大於140dB，市場上現有模數轉換器的有效動態範圍無法滿足要求。同時，傳統的解決方案是在線性域中利用線性放大器進行分段放大，然後將採集的線性域下的信號變換到對數域並提取信號特徵，但是這會存在過渡過程，同時帶來數據拼接困難，帶寬不一致，系統複雜等問題。

德國Jena的A Chwala於2011年首次將低溫超導傳感器應用於大定源TEM系統中。

中國專利CN104730584公開了一種瞬變電磁接收系統，該系統包括：超導量子幹涉器傳感器、同步信號處理單元、數據採集單元。該發明實現了能夠通過感應發射機所發射的瞬變的磁信號來確定同步信號，但並未提及信號大動態範圍問題及解決方案。

美國專利US 20090160444A1公開了一種用於電磁勘探的接收系統，該接收系統包括兩級敏感度不同的SQUID傳感器，用於分時測量二次場信號。

J.B.Lee等人在發表於《Exploration Geophysics》雜誌的文獻(Experience with SQUID magnetometers in airborne TEM surveying)中指出了基於SQUID的TEM接收系統中的大動態範圍的問題。

中國，王忠等在發表於《儀器儀表學報》的文獻(高速、大動態範圍瞬變電磁接收機的研製)中提出了高速12位A/D和高解析度16位A/D分段採集的瞬變電磁接收機,解決了以往單A/D採樣速率與動態範圍不能同時兼顧的問題。

以上所述TEM測量系統公布了SQUID-TEM接收系統組成及通過分段採集的方式解決信號大動態範圍的問題，國內外專利還未涉及將對數放大器應用於SQUID-TEM測量系統。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決在SQUID-TEM測量系統中瞬變電磁信號大動態範圍給測量系統設計所帶來的問題，而提供的一種大動態範圍的磁場測量系統及測量方法。

本發明提供的大動態範圍的磁場測量系統包括有SQUID傳感器、極性變換模塊、電壓控制的單刀雙擲開關、信號壓縮採集模塊、控制電路和電源，其中SQUID傳感器與極性變換模塊相連接，極性變換模塊通過電壓控制的單刀雙擲開關與信號壓縮採集模塊相連接，電壓控制的單刀雙擲開關由控制電路控制導通方向，電源為極性變換模塊、控制電路和信號壓縮採集模塊提供電能。

控制電路中設置有中央處理單元CPU。

極性變換模塊由同相跟隨器和反相跟隨器組成，其中SQUID傳感器輸出端分別與同相跟隨器的輸入端、反相跟隨器的輸入端相連接，同相跟隨器的輸出端與電壓控制的單刀雙擲開關的K1端連接，反相跟隨器的輸出端與電壓控制的單刀雙擲開關的K2端連接。

信號壓縮採集模塊由信號壓縮電路與信號採集電路組成，信號壓縮電路與信號採集電路相連接，電壓控制的單刀雙擲開關的單端與信號壓縮電路相連接。

信號壓縮電路包括有電壓-電流轉換器和對數放大器，其中電壓-電流轉換器的輸入端與電壓控制的單刀雙擲開關的單端相連接，電壓-電流轉換器的輸出端與對數放大器相連接，利用對數放大器將線性域下大動態範圍的原始信號壓縮為對數域下小動態範圍的電壓信號，對數放大器的輸出端與信號採集電路的輸入端相連接。

信號採集電路包括有緩衝器、A/D採集電路、時序控制電路和控制器，其中緩衝器的輸入端與信號壓縮電路相連接，緩衝器的輸出端與A/D採集電路相連接，A/D採集電路還與時序控制電路和控制器相連接，控制器還連接有SD卡和液晶顯示器，控制器接收來自GPS的同步信號，SD卡中數據由計算機運算處理。

A/D採集電路為二十四位A/D採集電路。

電源包括鋰電池和穩壓電路，鋰電池與穩壓電路連接後形成正電源和負電源，其中正電源和負電源均與極性變換模塊相連接，正電源還與控制電路和信號壓縮採集模塊相連接。

穩壓電路、控制電路為現有設備的組裝，因此，具體型號和規格沒有進一步進行贅述。

本發明提供的大動態範圍的磁場測量方法，其方法如下所述：

步驟一、利用SQUID傳感器接收瞬變電磁探測中的二次場信號，計算SQUID傳感器接收到的二次場信號的動態範圍，計算公式如式(1)所示：

SQUID傳感器接收二次場信號的動態範圍大於140dB，根據該信號的動態範圍選擇匹配的對數放大器；

步驟二、將SQUID傳感器採集到的二次場信號經屏蔽電纜分為兩個支路接入同相跟隨器和反相跟隨器輸入端；

步驟三、對二次場信號進行極性變換，SQUID傳感器輸出信號經過同相跟隨器或反相跟隨器後，經屏蔽線傳輸到電壓控制的單刀雙擲開關，其中電壓控制的單刀雙擲開關的K1端與同相跟隨器的輸出端相連，電壓控制的單刀雙擲開關的K2端與反相跟隨器的輸出端相連，同時，電壓控制的單刀雙擲開關由控制電路控制接入方式，其控制方式取決於SQUID傳感器接收到的信號極性，即當SQUID傳感器接收到的信號為正極性時，電壓控制的單刀雙擲開關導向K1端即同相跟隨器接入電路；當SQUID傳感器接收到的信號為負極性時，電壓控制的單刀雙擲開關導向K2端即反相跟隨器接入電路；

步驟四、二次場信號形式轉換，信號經過電壓控制的單刀雙擲開關後由屏蔽線傳輸至信號壓縮電路中的電壓-電流轉換器，將電壓信號轉為電流信號；

步驟五、二次場信號壓縮，將步驟四中所述的電流信號經過屏蔽線傳輸至信號壓縮電路中的對數放大器輸入端，其中對數放大器採用單電源供電，其接口包括基準端IDEN、輸入端INUM、輸出端電壓VLOG，三者之間的關係如式(2)所示：

式中：VY為對數放大器的斜率；IDEN為基準電流；INUM為輸入電流；VOFS為根據對數放大器內部輸出緩衝器的增益和失調設置引入的量；

步驟六、二次場信號採集，信號經過屏蔽線傳輸至信號採集電路，利用A/D採集電路採集二次場信號並將數據存至SD卡中，至此，完成了低溫超導瞬變電磁信號大動態範圍的磁場測量系統的數據測量與存儲過程。

本發明的有益效果：

本發明與現有瞬變電磁測量系統相比：一是有效縮小了瞬變電磁信號的動態範圍，解決了現有模數轉換器的有效動態範圍無法滿足大動態範圍的磁場測量問題；二是信號經過對數域變換後，信號特徵明顯，避免了傳統方式下先在線性域下採集信號，再通過計算機變換到對數域下的複雜工作過程。

附圖說明

圖1為本發明所述系統整體結構示意圖。

圖2為本發明所述系統中信號壓縮電路結構示意圖。

圖3為本發明所述系統中信號採集電路結構示意圖。

圖4是二次場信號經由SQUID傳感器、極性變換模塊和信號壓縮模塊變化流程圖。

1、SQUID傳感器 2、極性變換模塊 3、電壓控制的單刀雙擲開關

4、信號壓縮採集模塊 5、控制電路 6、電源 10、同相跟隨器

11、反相跟隨器 12、K1端 13、K2端 14、信號壓縮電路

15、信號採集電路 16、電壓-電流轉換器 17、對數放大器

20、緩衝器 21、A/D採集電路 22、時序控制電路 23、控制器

24、SD卡 25、液晶顯示器 26、計算機 27、鋰電池 28、穩壓電路

29、正電源 30、負電源。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示：

本發明提供的大動態範圍的磁場測量系統包括有SQUID傳感器1、極性變換模塊2、電壓控制的單刀雙擲開關3、信號壓縮採集模塊4、控制電路5和電源6，其中SQUID傳感器1與極性變換模塊2相連接，極性變換模塊2通過電壓控制的單刀雙擲開關3與信號壓縮採集模塊4相連接，電壓控制的單刀雙擲開關3由控制電路5控制導通方向，電源6為極性變換模塊2、控制電路5和信號壓縮採集模塊4提供電能。

控制電路5中設置有中央處理單元CPU。在本實施例中控制電路5中的中央處理單元選擇ARM7架構的STM32F103晶片。

極性變換模塊2由同相跟隨器10和反相跟隨器11組成，其中SQUID傳感器1輸出端分別與同相跟隨器10的輸入端、反相跟隨器11的輸入端相連接，同相跟隨器10的輸出端與電壓控制的單刀雙擲開關3的K1端12連接，反相跟隨器11的輸出端與電壓控制的單刀雙擲開關3的K2端13連接。在本實施例中電壓控制的單刀雙擲開關3選用器件為轉換型電磁繼電器；

信號壓縮採集模塊4由信號壓縮電路14與信號採集電路15組成，信號壓縮電路14與信號採集電路15相連接，電壓控制的單刀雙擲開關3的單端與信號壓縮電路14相連接。

信號壓縮電路14包括有電壓-電流轉換器16和對數放大器17，其中電壓-電流轉換器16的輸入端與電壓控制的單刀雙擲開關3的單端相連接，電壓-電流轉換器16的輸出端與對數放大器17相連接，利用對數放大器17將線性域下大動態範圍的原始信號壓縮為對數域下小動態範圍的電壓信號。對數放大器17的輸出端與信號採集電路15的輸入端相連接。

信號採集電路15包括有緩衝器20、A/D採集電路21、時序控制電路22和控制器23，其中緩衝器20的輸入端與信號壓縮電路14相連接，緩衝器20的輸出端與A/D採集電路21相連接，A/D採集電路21還與時序控制電路22和控制器23相連接，控制器23還連接有SD卡24和液晶顯示器25，控制器23接收來自於GPS的同步信號。SD卡24中數據由計算機26運算處理。

A/D採集電路21為二十四位A/D採集電路。

電源6包括鋰電池27和穩壓電路28，鋰電池27與穩壓電路28連接後形成正電源29和負電源30，其中正電源29和負電源30均與極性變換模塊2相連接，正電源29還與控制電路5和信號壓縮採集模塊4相連接。

穩壓電路28、控制電路5為現有設備的組裝，因此，具體型號和規格沒有進一步進行贅述。

本發明提供的大動態範圍的磁場測量方法，其方法如下所述：

步驟一、利用SQUID傳感器1接收瞬變電磁探測中的二次場信號，計算SQUID傳感器1接收的二次場信號的動態範圍，計算公式如式(1)所示：

SQUID傳感器1接收二次場信號的動態範圍為大於140dB，根據該信號的動態範圍選擇匹配的對數放大器17；根據信號的動態範圍選擇ADI公司的ADL5304對數放大器17，該對數放大器17的測量範圍在200dB內，滿足信號測量的動態範圍。

步驟二、將SQUID傳感器1採集到的二次場信號經屏蔽電纜分為兩個支路接入同相跟隨器10和反相跟隨器11輸入端；

步驟三、對二次場信號進行極性變換。SQUID傳感器1輸出信號經過同相跟隨器10或反相跟隨器11後，經屏蔽線傳輸到電壓控制的單刀雙擲開關3，其中電壓控制的單刀雙擲開關3的K1端12與同相跟隨器10的輸出端相連，電壓控制的單刀雙擲開關3的K2端13與反相跟隨器11的輸出端相連，同時，電壓控制的單刀雙擲開關3由控制電路5控制接入方式，其控制方式取決於SQUID傳感器1接收到的信號極性，即當SQUID傳感器1接收到的信號為正極性時，電壓控制的單刀雙擲開關3導向K1端12即同相跟隨器10接入電路；當SQUID傳感器1接收到的信號為負極性時，電壓控制的單刀雙擲開關3導向K2端13即反相跟隨器11接入電路；

步驟四、二次場信號形式轉換。信號經過電壓控制的單刀雙擲開關3後由屏蔽線傳輸至信號壓縮電路14中的電壓-電流轉換器16，將電壓信號轉為電流信號；

步驟五、二次場信號壓縮。將步驟四中所述的電流信號經過屏蔽線傳輸至信號壓縮電路14中的對數放大器17輸入端，其中對數放大器17採用單電源供電，其接口包括基準端IDEN、輸入端INUM、輸出端VLOG，三者之間的關係如式(2)所示：

式中對於ADL5304晶片：VY為對數放大器的斜率，默認配置下VY＝200mv/10倍；IDEN為基準電流，默認配置下為100nA；INUM為輸入電流；VOFS為根據ADL5304內部輸出緩衝器的增益和失調設置引入的量，默認的單電源設置VOFS＝1.5v，在默認單電源配置下，輸出端的電壓如式(3)所示：

步驟六、二次場信號採集。信號經過屏蔽線傳輸至信號採集電路15，利用A/D採集電路21採集二次場信號並將數據存至SD卡24中，至此，完成了低溫超導瞬變電磁信號大動態範圍的磁場測量系統的數據測量與存儲過程。