多通道电磁法数据采集系统研究

论文摘要

电磁法是以地下岩石的导电性和介电性等存在分布差异为勘探前提,利用电磁感应现象来测量天然或人工可控场源所激发的感应电磁场的分量,并通过一定的数据处理求出地层的视电阻率等电特性参数,从而达到勘探目的的一种地球物理方法。电磁法是目前最主要的地球物理方法之一,广泛应用于资源勘探、环境与工程勘察,水文调查,地质构造研究等领域。井-地电磁法是目前比较新的电磁法之一,与常规电磁法都是地面进行,探测深度和分辨率存在冲突不同的是,它是在地面和井（坑）中进行立体化观测,能够在不牺牲分辨率的条件下,增加探测深度,是解决我国深部和危机矿产或油气资源的开发,提高资源开采利用率的关键方法之一。而目前国内外井-地电磁法研究主要集中在坑（井）发射、地面接收系统和跨孔电磁成像技术的研究,并没有涉及到坑（井）发射、地面与坑（井）接收与地面发射、地面与坑（井）接收等准三维观测,相关的仪器也多采用点对点的测量方式,场源激励能量较小,探测深度有限,且无法进行多通道的数据同步采集,所以不能进行真正意义上的电阻率三维成像探测,造成探测性能有限,因此开发自主的、能够开展井-地电磁法电阻率三维成像探测的多通道电磁法仪具有重要的现实意义。本论文在查阅大量相关文献的基础上,研究了井-地电磁法的测量原理,常见的测量方式和进行野外数据采集的施工流程。论文在了解野外仪器的一般性能要求和借鉴国外电磁法仪器设计思路的基础上,重点对影响电磁法仪测量精度的因素、提高24位A/D转换的分辨率的方法、多通道数据同步采集技术、高速数据缓存技术、嵌入式Linux操作系统下的硬件驱动的开发等方面的问题进行了研究,并结合当前最新的电子和嵌入式软件技术,给出了最终的多通道电磁法数据采集系统样机的整体设计方案,对系统及硬件电路的具体实现和软件的设计思路进行了详细介绍,最后对样机的性能分别进行实验室和野外测试。论文的系统及硬件部分首先分析了数据采集系统的总体设计方案和各模块功能,然后就硬件电路的设计分数据采集卡和控制板两部分进行了介绍。其中数据采集卡部分主要介绍了×1和×10倍增益可选的前置放大电路、截止频率为1Hz的高通滤波电路、×1,×10和×100增益可选的主放大电路,单端转差分电路和基于AD7763的∑-△型模数转换电路的设计,元件参数计算以及部分电路仿真结果。控制板部分主要介绍了FPGA, ARM和电源系统三部分数字电路的功能,设计方案以及相互之间的关系。论文的软件部分主要介绍了FPGA控制程序,嵌入式Linux程序和上位机程序的设计思路。其中FPGA控制程序利用VHDL语言和QuartusⅡ编译软件进行编写,该部分主要介绍了单路采集控制,多路采集控制和FIR数字低通滤波器控制程序的设计与仿真结果。嵌入式Linux程序开发部分介绍了嵌入式操作系统的比较选择、嵌入式Linux交叉开发环境的搭建、操作系统的移植,底层设备驱动和顶层应用程序的设计与程序流程图；上位机控制软件利用Visual Basic高级语言编写,该部分主要介绍了人机交互界面、串口通信,USB通信程序的设计。论文最后,对多通道电磁法数据采集系统软硬件的分模块测试和整体联调。首先介绍了测试中用到的仪器设备、测试的方法与步骤,连接示意图和现场照片；然后利用MATLAB等对测试数据进行处理和分析；根据测试的结果对本设计的成果和不足进行了总结和为后续工作提出了一些建议。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 国内外现状
• §1.3 目的与意义
• §1.4 本设计任务
• 第二章 基本原理
• §2.1 电磁法测量原理
• §2.2 井-地电磁法的数据采集过程
• §2.3 系统设计指标及关键技术
• 2.3.1 设计指标
• 2.3.2 关键技术
• 第三章 系统及硬件设计
• §3.1 系统总体设计
• §3.2 数据采集卡的设计
• 3.2.1 前置放大电路的设计
• 3.2.2 高通滤波电路的设计
• 3.2.3 主放大电路的设计
• 3.2.4 单端转差分电路的设计
• 3.2.5 模数转换电路的设计
• §3.3 控制板的设计
• 3.3.1 FPGA控制电路的设计
• 3.3.2 ARM控制电路的设计
• §3.4 电源的设计
• 第四章 软件设计
• §4.1 FPGA控制程序的设计
• 4.1.1 单路采集控制程序
• 4.1.2 多路采集控制程序
• 4.1.3 FIR数字低通滤波器控制程序
• §4.2 嵌入式Linux程序的设计
• 4.2.1 嵌入式操作系统选择
• 4.2.2 嵌入式Linux交叉开发环境的搭建
• 4.2.3 嵌入式Linux系统移植
• 4.2.4 嵌入式Linux驱动程序设计
• 4.2.5 嵌入式Linux应用程序设计
• §4.3 上位机控制程序的设计
• 4.3.1 人机交互界面的设计
• 4.3.2 串口通信
• 4.3.3 USB通信
• 第五章 系统测试
• §5.1 数据采集卡功能模块测试
• 5.1.1 放大电路测试
• 5.1.2 高通滤波电路测试
• §5.2 数据采集卡整体性能测试
• 5.2.1 带宽测试
• 5.2.2 底板噪声测试
• 5.2.3 通道间的一致性与同步性测试
• 5.2.4 动态特性测试
• §5.3 实验室对比测试
• §5.4 电源测试
• §5.5 室外测试
• 第六章 总结与建议
• §6.1 本次工作成果
• §6.2 本次工作的不足
• 致谢
• 参考文献