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摘要：双频激电法的激发电流是两种不同频率的方波电流的叠加，向地下供入这个叠加电流，会使地下的激电场的电位信息中含有这两种频率成分，如果接收这个电位信息并通过仪器来进行处理，那么就可以一次得到低频和高频的电位差。在双频激电法中要求供电电流比时间域小几十倍，因而装置轻便，野外易于移动，效率高。双频激电法不需要变频，一次观测可以同时获得低频电位差和高频电位差数据，进一步提高了效率。由于双频同时供电，同时测量，一些偶然的因素对低频电位差和高频电位差的干扰相同，计算结果时因相减而抵消，从而提高了仪器精度。
关键词：双频激电法；FFT-IP核；接收机
随着计算机技术与电子技术的不断发展，尤其是低成本高性能的计算机资源得到普及应用，虚拟仪器应运而生。所谓“虚拟仪器”，就是在一台计算机上配备应用软件和低成本硬件，完成传统仪器的功能。虚拟仪器技术已经得到工业界的广泛接受与运用，成为仪器技术的主流。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性和功能扩展等方面都有明显的技术优势。本文主要是将虚拟仪器技术和传统的双频激电法方法结合，把虚拟仪器技术应用在双频激电仪接收机的设计中，利用虚拟仪器强大的数据处理功能把部分硬件设计用程序算法实现，减少硬件，缩短开发周期，并可以自定义仪器面板来实现友好的人机交互。
1.双频激电法接收机工作原理
1.1双频激电基本原理
1.1.1时间域激发极化效应
在直流电法勘探中，向岩（矿）石供入电流时，在地表放置两个观测电极用来测量电极之间的电位差。即使发射电流的大小不发生变化，这对观测电极之间得到的电位差值也会不断增长，当达到一定的时间长度后，测量到的电位差会趋于一个稳定值，称为饱和值。同样的，当供电电流断开后，测量到的电位差信息也会发生变化，数值大小不断减小，在达到一定时间长度后，电位差值趋于零。我们把这种在充电和放电过程中，产生随时间而缓慢变化的附加电场的现象，称为激发极化效应，简称激电效应。激发极化效应是一种电化学极化的效果，它的作用对象是岩（矿）石以及其中所含的水溶液，作用条件是需要外电流场的作用。激发极化就是基于研究地下岩石、矿石的激电效应来解决地质构造问题和找矿的一种电法勘探方法。
1.1.2双频激电思想
早期的频率域激电是变频法，即在工作中改变频率的方法。这种方法分两次供电，两次测量。第一次是向地下供入低频电流，测量低频电位差fL，第二次向地下供入高频电流，测量高频电位差fH。得到高低频电位差后，再计算得到视幅频率Fs。这样测量不仅增加了测量时间，降低了测量效率，并且两次测量分别进行，测量期间受各种偶然因素影响较大，观测精度不容易提高。双频激电法克服了变频法的上述缺点，它能够充分发挥频率域激电的诸多优点。
图1 双频激电现象示意图
双频激电法的激发电流是两种不同频率的方波的叠加，如图1所示，向地下供入这个叠加电流，会使地下的激电场的电位信息中含有这两种频率成分信息，如果接收这个电位信息并通过仪器来进行处理，那么就可以一次得到低频和高频电位差。
1.2接收机的总体构架
双频激电接收机总体构架如图2所示。双频激电接收机主要包括三个部分，即信号采集部分、数据处理及数据传输部分、上位机显示控制部分。信号采集部分包括信号接收和A/D转换，其中由参考电极和接收电极共同采集信号，经过调理放大电路使差分信号传入A/D转换电路中。数据处理及数据传输部分包括FPGA中数据处理、单片机接收数据和无线蓝牙数据传输模块部分。显示控制程序在PDA中实现，是在LabVIEW环境中实现的控制及显示程序。
图3 双频激电接收机工作过程示意图
本文设计的基于FPGA的双频激电接收机，其工作过程如下：在PDA的控制显示程序中，首先确定采集文件的存储路径，然后确定无线蓝牙模块的正常工作。信号采集电路在采集数据之前，由单片机确定A/D转换芯片的工作模式。采集数据时，接收电极和参考电极共同接收信号并传输到信号调理放大电路中进行放大，放大后模拟信号经过A/D转换模块实现模拟信号到数字信号的转换。经过A/D转换模块的数字信号输入到FPGA中，在FPGA中进行FFT计算提取分离频率信号，并将处理后信号放入FIFO中等待传入单片机。分离后的两种频率的信号经过数据总线，传入单片机，单片机通过串口连接无线蓝牙设备。数据通过蓝牙设备传输到PDA中。在PDA中应用LabVIEW程序进行数据进一步处理，数据处理后得到相位差和视幅频率，在LabVIEW控制界面上显示结果值。每一测量点的相位差值和视幅频率值都将存储到PDA的内存中。当一次测量结束后，所有测量点的结果值也可以导入到PC机中成图，以显示测量结果趋势并观测异常位置所在。
2.系统方案设计
虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件三部分组成。系统选择数据采集卡、信号调理电路和计算机组成的PC-DAQ模式进行硬件开发[}m-m}。设计过程中，利用虚拟仪器技术的特点，尽可能减少系统的硬件部分，把信号滤波、积分、数据计算、显示、存储等功能都集成在基于PC的虚拟仪器LabVIEW软件平台上，实现硬件软化、并可以自定义仪器操作界面，人机交互简单友好。系统框图如图4所示。
图6 软件流程
设置好串口和波特率后，再写入高频信号的值和频比，低频信号的值为高频信号的值除以频比所得，然后点击传递按键就把设置的高低频传递给发送机，再点击开发送机的按键，发送机开始发送双频信号，并通过串口上传给接收机当前AB回路中的电流值，为视电阻率计算提供了实时的电流数值。
2.3前置滤波
信号从采集卡进来以后，专门设置了原始信号观察窗口并进行了频谱分析，可以根据采集进来的信号判断调理电路工作是否正常，信号的幅度是否过大或过小，及噪声对原始信号的干扰程度。如果发现在原始信号中有较大的噪声干扰，根据频谱分析的结果，如果是高频信号的干扰就打开前置低通滤波器，如果是50Hz工频干扰，就打开前置50Hz带阻滤波器，其中的低通滤波器的截止频率和带阻滤波器的范围都可以在前面板中根据实际情况灵活设定。
结论
测试结果表明：通过阻容网络模型理论计算与试验测试得到的视幅频率值和视相对相位差值随测量频点变化趋势基本一致；视幅频率最大相对百分比误差达-10.39%，视高低频相对相位差最大相对百分比误差达-1.52%，说明相位测量比幅值测量具有更高的精度，即幅值测量比相位测量受到的干扰程度大；视幅频率和视相对相位差最大相对误差均出现在频点1/13Hz和1Hz处，即低频点测量时受到的干扰较大；模型理论计算时未考虑阻容电子元器件与标称值的误差以及试验测试时电子器件温度漂移等因素影响。总之，所研制的矿用双频激电仪接收机在幅值测量方而有待于进一步改进和完善。
参考文献：
[1]李金铭.激发极化法力法技术指南[M].北京：地质出版利一，20（x.
[2]何继善.鲍光淑.任宝琳.双频道多参数频谱激电观测系统CN1034276A[P].1989-07-26.
[3]汤井田，戴前伟，柳建新，等.何继善教授从事地球物理上作60周午学术成就回顾[J].中国有色金属学报，2013，23（9）：2323-2339.
[4]杜毅博.电场激励法煤巷综掘超前探测机理研究及原理样机研制一北京：中国矿业大学（北京），2014.
论文作者:蔡德成
论文发表刊物:《河南电力》2018年21期
论文发表时间:2019/5/22
标签：双频论文; 信号论文; 测量论文; 电位差论文; 接收机论文; 频率论文; 电流论文; 《河南电力》2018年21期论文;