基于labview的瞬变电磁接收系统设计-于生宝.pdf

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1、第46卷第5期2016年9月吉林大学学报(工学版)Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)V0146SeptNo52016基于LabVIEW的瞬变电磁接收系统设计于生宝，苏 发，郑建波，朱占山(吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026)摘 要：针对瞬变电磁仪器晚期信噪比低、抗干扰能力差的问题，介绍了一种基于LabVIEW控制USB4432采集卡的瞬变电磁仪器接收系统。为了便于使用，系统采用GPS同步；针对晚期信号弱、噪声大的r-J题，采用低噪声放大器搭建了双路差分前置放大器电路，并利用UAF42设计了

2、四阶低通滤波器压制高频噪声；为了提高系统的稳定性和功能可扩展性，利用图形化语言G语言编写系统上位机程序。测试结果表明，该系统具有工作稳定、噪声水平低的优点，可用于瞬变电磁信号的采集。关键词：仪器仪表技术；瞬变电磁；LabVIEW；接收系统；前置放大器中图分类号：TH763 文献标志码：A 文章编号：16715497(2016)05172507DOI：1013229jenkiidxbgxb201605050Design of transient electromagnetic receiving system based on LabVIEWYU Shengbao，SU Fa，ZHENG Jia

3、nbo。ZHU Zhanshan(College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China)Abstract：To overcome the problems of low Signal to Noise Ratio(SNR)and poor antiinterferenceability of the transient electromagnetic instrument，a transient electromagnetic receiving system

4、basedon LabVIEW and USB4432 acquisition cardFor the convenience of application，the system adoptsGPS synchronizationTo solve the problem of weak SNR during later measurement，a doublechanneldifferential preamplifier circuit is built，which uses low noise amplifierA fourthorder lowpass filteris also des

5、igned using UAF42 to suppress highfrequency noiseTo improve the stability andexpansibility of the system，a PC control procedure is programmed by Graphical ProgrammingLanguageTesting results show that the proposed system can work stably and has high SNRIt canbe used to collect transient electromagnet

6、ic signalKey words：technology of instrument and meter；transient electromagnetic；LabVIEW；receivingsystem；preamplifier0 引 言瞬变电磁法作为主要的地质探测手段，被广泛应用于石油、金属矿等资源的探测中12I。传统的接收系统多采用DSP或ARM作为主控单元，它们内部资源有限、研发周期较长、功能扩展性较差且稳定性较差。而在实际工作中，仪器的稳定工作是保证测量数据有效的根本。另外，在收稿日期：2015-0612基金项目：“863”国家高技术研究发展计划项目(2013AA063904)作者

7、简介：于生宝(1963一)，男，教授，博士生导师研究方向：功率源技术及其应用E-mail：yushengbaojlueducn万方数据 1726 吉林大学学报(工学版) 第46卷不同的工作环境中，仪器的工作模式及所要测量的数据亦存在区别，这就要求仪器要有较强稳定性和功能可扩展性。鉴于上述原因，本文提出了基于LabVIEW的瞬变电磁数据采集系统。通过G语言编程，控制USB4432采集卡实现对被测数据以及同步信号的采集。同时编写数据同步截取模块和数据叠加模块以实现被测信号的同步叠加，提高信噪比。另外，为了进一步压制噪声，设计了低噪声调理电路，提高了接收系统对晚期瞬变电磁信号的检测能力。本系统可以充

8、分利用计算机资源，具有性价比高、功能可扩展能力强的优点3。1系统总体结构系统总体结构设计如图1所示，主要包括软件和硬件两部分。硬件部分由同步通道和信号通道组成：在同步通道中，GPS模块定位成功后，产生高精度(随机误差100 ns)1PPS信号，可用于对FPGA产生的同步信号进行对钟，从而产生高精度同步信号；信号通道用于实现对被测信号的放大及高频噪声的压制。两种信号的采集由USB4432完成。软件部分主要由四部分组成：采集与储存模块通过USB数据总线与USB4432连接，用于完成对采集卡工作参数及工作状态的控制，并将接收的数据进行储存；同步提取模块根据原始数据中的同步信号对被测信号进行同步分割，

9、提取有效数据；通过叠加与显示模块，对有效数据进行叠加，给出并显示处理后的数据结果；GPS状态解析模块用于对GPS定位状态进行监视，确定GPS是否定位有效，由于两者逻辑电平不同，故使用MAX232进行电平转换。隔肆测茸习 2SB总结 圈麟数墨圜1 h 分割l叠加墨醒 争口总冬状态解析| 兰里丕信号l同步十墨磐鞯尚图1接收系统结构框图Fig1 Structure diagram of receiving system2系统硬件设计调理电路总体采用差分放大+低通滤波的结构模式。通过前置两级低噪声差分放大，抑制共模干扰，实现被测信号的硬件叠加，在放大信号的同时压制白噪声；通过设计四阶低通滤波器去除高频

10、噪声，进一步提高信噪比。21调理电路设计211前置放大器设计图2给出了放大器连接到信号源的等效噪声电路图。由电路理论可知，折算到放大器输入端的总噪声功率为：P：一P女。+ei+i：R： (1)式中：e。、e。、in分别为信号源内阻热噪声电压、放大器噪声电压及放大器噪声电流；R。为信号源内阻。由式(1)可得，当R。较小时，输入总噪声功率主要由内阻热噪声和放大器电压噪声构成4。因此，考虑到接收线圈即信号源的内阻为几十欧，应在兼顾电流噪声的情况下尽可能选择电压噪声低的运算放大器。AD797的等效输入电压噪声为0912 nVHz，满足设计要求。l氆 睃 一l 矗6图2放大器等效噪声电路图Fig2 Di

11、agram of amplifier equivalent noise circuit在前置放大中，电路采用两级差分放大的模式，其电路图如图3所示。图中，一级放大由两个差分放大器构成，且二者处于并联运行状态。其中，RlR3一R5一R7，R2一R4一R6一R8，R9一R，R，。一Rm差分放大器A。对差分输入信号进行正向放大，而差分放大器A：则对其进行反图3前置放大电路图Fig3 Diagram of preamplifier circuit万方数据第5期 于生宝，等：基于LabVIEW的瞬变电磁接收系统设计 1727向放大。由于通道A，和通道A。处于并联状态，且二者等效的噪声电压源不相关，故通过

12、第二级差分放大器A。后，相当于对含噪信号进行了一次叠加，从而使一级差分放大的电压噪声缩小了2倍，而信号被放大了2倍。由于放大器设计采用差分方式，要注意电阻失配对电路的影响口6，故应选择高精度电阻(误差优于1)。212线圈匹配电阻的选择图3中，R，为线圈的匹配电阻，对于参数不同的接收线圈，应对R，进行调整从而使线圈工作在临界阻尼状态7。图4给出了实用的线圈等效电路，其中R、C、L分别为线圈固有参数，可通过直接测量得到。图4线圈等效电路图Fig4 Diagram of coil equivalent circuit假设电动势e为反阶跃信号8。，根据电路理论有：ic警+恙“RRiRC面du十K瓦u

13、(2)毗一L塞一LC d2 u+KL删du根据KVL可得：LC警+(Rc+击)dU+(1+RR-p)dt o(3)进而可得特征方程为：LC蚪(Rc+抄+(1+惫)一o(4)当电路处于临界阻尼状态时，对于式(4)中的参数应满足：624一(RC+击)24LC(1+惫)一o(5)式(5)是关于R，的一元二次方程，解此方程即可获得使线圈工作在临界阻尼状态的匹配电阻R，的值凹。在实际工作中，应使线圈工作于微过阻尼状态，以防其受外界温度等因素影响落入欠阻尼状态而振荡1。213低通滤波器设计低通滤波器使用通用有源滤波器UAF42作为核心芯片，利用两个UAF42级联的方式实现四阶有源低通滤波器设计。每级电路示

14、意图如图5所示。作为通用有源滤波器，UAF42配有专门的仿真器，可以在计算机中根据滤波器截止频率、响应类型等参数计算出所用各个电阻的阻值。12 13 8 7 14 1R1R， C C，二卜 _一L一卜R、 陵 莎 莎1二)UAF42图5 UAF42低通滤波器电路图Fig5 UAF42 lowpass filter circuit diagram22 GPS同步设计在实际工作中，接收系统常处在移动中，因此使用GPS同步较线同步更合理口1】。在本设计中，FPGA根据GPS模块提供的1PPS作为对钟信号，产生2倍于发射波形频率的方波，即同步信号。FPGA采用VHDL语言进行内部硬件逻辑设计，其结构框

15、图如图6所示。图6 FPGA逻辑结构图Fig6 Logic structure of FPGA图6中，B。为分频单元，在enl为高时，B。对clk进行分频，确定同步信号的频率，而enl为低时，分频停止且outl置低；B。为触发器，当en2为低时且1PPS上升沿来时，out2输出高电平，而en2为高时，out2置低；B。为计数器，当en3为高时，B3会对ct脚检测的下降沿计数，达到阈值时，out3输出为高电平，而当en3为低时，out3置高。输入输出时序图如图7所示，图中同步信号频率为625 Hz。万方数据万方数据第5期 于生宝，等：基于LabVIEW的瞬变电磁接收系统设计 1729同信被信。

16、k k kr o r r， 厂图9 同步信号与被测信号示意图Fig9 Diagram of Synchronizing signal andthe measured signal数据长度 数组驴图10偏移量获取子VI程序Fig10 Sub VI program for offset acquisition其入口参数包括同步数据长度(确定循环的次数)，同步中间值(为同步信号高低电平的平均值)和同步数据。在图10的For循环中，i从0以步进1增大，以此作为索引值对同步数据进行元素索引。当第i个元素大于同步中间值，而第i+1个元素小于同步中间值时，可认为此时的i为一个同步信号下降沿的偏移量，并将其输

17、出到偏移量数组中。当i从0递增到N时，即完成了对所有同步数据的遍历，此时偏移量数组中存放了同步信号所有下降沿的偏移量。由于同步信号与被测信号的采集是在同一采样率下同时进行的，且存放于同一文件中，结合图6易知，同步下降沿的偏移量即为每个有效数据的起始偏移量，而具体的数据长度可通过发射频率和采样率计算得到。根据偏移量和数据长度两个参数，借助“TDMS读取”VI即可实现被测数据的同步提取。322叠加与显示模块设计测量得到的二次场数据内含有较大的噪声，通过多次数据叠加的方式可有效压制噪声，提高信噪比1 5|。由图6可知，接收到的二次场信号有正向和反向之分，故在进行数据叠加时应先对信号的方向进行选择变换

18、：对于正向信号，可直接叠加，而对于反向信号，应先取反再叠加。可利用“索引数组”VI和条件结构实现对正向和反向信号的判断和处理，如图11所示。索引出数据中靠前的元素，当其小于0，说明为反向数据，对其取反；当大于0时，为正向数据，不进行操作。二次场数据 棚U 0图11 正反信号处理程序Fig1 1 Processing program of positive andnegative signals对于调整后的数据进行加和取平均，即可得到叠加后的二次场数据。利用“创建波形”VI，设置采样时间d和起始时间t。，即可得到叠加后的二次场波形，将其送人“波形图”VI中即可完成显示。4 测 试41调理电路仿真

19、测试通过MATLAB对调理电路进行了仿真测试，结果如图12所示。图中，蓝线为单通道差分放大结果，红线为两通道差分放大结果。可以看出，两通道差分放大较单通道信噪比更高，验证了两通道差分放大电路的效果。图12调理电路仿真结果Fig12 Conditioning circuit simulation results使用Multisim软件对两种电路进行仿真，通过噪声分析发现，在相同噪声源、放大倍数(500)以及频带宽度(50 kHz)的情况下，由差分放大+比例放大的单通道放大电路的输出总噪声为2582 nVX币，两通道差分放大的输出总噪声为10667 nVHz。理论上，增加通道数可以进一万方数据17

20、30 吉林大学学报(工学版) 第46卷步压制调理电路引入的白噪声。42调理电路短路噪声实测图13给出了调理电路短路噪声频谱，其中，电路总体放大倍数为500倍。可见，本调理电路除引入直流偏置外，其他频率噪声皆低于一100dB。在实际应用中，该直流偏置不随工作频率的变化而变化，可通过正反方向的信号叠加去除，因此设计可以满足使用要求。一204060 80霎一IOO120一140一160U IU 2U 30频率kHz图13调理电路短路噪声频谱Fig13 Noise spectrum of conditioningcircuit short circuit43实测数据图14给出了某一测点的有效实测结果，

21、图中红线为未叠加的二次场晚期衰减曲线，黄线为叠加20次后取平均的晚期衰减曲线，可以看出，叠加后的晚期衰减曲线信噪比明显提高，可用于后期的成像及反演处理。另外，在叠加后的衰减曲线中直流偏置明显消失，进一步证明了调理电路的实用性。图14实测数据叠加前后对比Fig14 Contrast of measured data beforesuperposition and after5 结束语设计了一种基于LabVIEW的瞬变电磁接收系统。系统采用GPS同步方式，使用图形化G语言设计上位机主控单元，通过控制USB4432采集卡实现了对被测信号和同步信号的高精度采集。为了提高信噪比，在硬件上设计了低噪声信号

22、调理电路，实现了对信号的低噪声放大以及高频噪声的压制；在软件上设计了叠加程序进一步压制晚期信号中的噪声。本系统采用虚拟仪器进行设计，提高了设计效率，降低了设计成本，保证了系统的稳定性和功能扩展性。参考文献：1袁桂琴，熊盛青，盂庆敏，等地球物理勘查技术与应用研究EJ地质学报，2011，85(11)：17451805Yuan Guiqin，Xiong Sheng-qing，Meng Qing-min，eta1Application research of geophysical prospectingteehniquesEJActa Geologica Siniea，2011，85(11)：174

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