张雨默， 袁贵扬， 黎东升， 王 远，c， 嵇艳鞠，

(吉林大学a. 仪器科学与电气工程学院;b. 地球信息探测仪器教育部重点实验室;c. 国家地球物理探测仪器工程技术中心，吉林 长春130026)

0 引 言

时域电磁探测系统具有抗电磁干扰能力强［1］、低阻目标体分辨率高［2］、探测深度较深等特点［3］，因而近年来应用广泛［4］。但是在应用过程中，时域电磁接收机采集的数据普遍存在着衰减曲线衰减过慢，实测曲线与理论曲线偏差较大等问题［5-6］。例如吉林大学2013 年8 月在温州泽雅隧道中开展探测时发现实测衰减曲线明显比理论曲线衰减缓慢，同样的问题也存在国外生产的EM67 时域电磁系统和SIROTEM-III 时域电磁系统。

针对上述问题，国内外的时域电磁仪器研制人员都做了相应的研究，但主要针对接收信号进行研究，吉林大学的李肃义［7］，许洋铖［8］，嵇艳鞠［7-10］等人先后做过针对时域电磁接收信号的研究。林君等人做过接收线圈对信号的影响［11］，浙江大学的王华军［12］做过阻尼系数对接收信号影响的研究，吉林大学的尹炳琪［13］也对上面的问题做了初步的研究，但没有提出具体的校正方法，只做了初步探索。加拿大著名的电磁仪器生产厂商Geonics 公司就在其研制的EM 系列时域电磁仪器中引入了自校正，具体实现的方法是由仪器内部产生基准信号，对仪器的偏置进行校正，但是只针对EM 系列仪器，不具备使用的普遍性［14］。

综合上面的研究，采用标准信号源对时域电磁接收机进行校正。但目前市场上的标准信号源，大多不具备产生任意信号的功能，大多数只是产生几类常见的信号，比如正弦波、三角波、方波。而瞬变电磁信号曲线指数衰减信号相似，所以在对时域电磁接收机 测试过程中使用指数衰减信号是最可靠的。常见的信号发生器如安捷伦公司和泰克公司信号源大都无法输出指数信号，个别的如泰克3021B 任意信号发生器可以产生指数信号，但是该信号发生器输出指数波形需要配套一款软件，在PC 上实现任意波形的编写，下载到信号发生器中，而且每次使用都要重新下载，很不方便，对于接收机测试过程中的同步问题也无法解决且分辨率比较低，无法满足对时域电磁接收机进行校正和标定的要求。

本文通过分析时域电磁信号特点，采用STM32 控制单元与D/A 转换器结合，设计并研制了时域电磁标准信号源。经过实验测试:信号源动态范围0.2 mV-5 V，最小分辨率0.1 mV。

1 时域电磁信号分析

通过对瞬变电磁响应进行相关理论和实际分析，响应信号有如下特点:①信号的动态范围很大［15］，在一次观测的信号中，动态范围可达120 dB，并且幅值在很大程度上与时间常数τ 相关;②限号衰减速度在各个阶段不相同，早期信号幅值大衰减速度快［16］，晚期信号弱衰减慢;③晚期信号信噪比很低，由于晚期的信号在微伏级，已淹没在噪声中［17］。

采用时域电磁系统探测时，接收线圈中的感应电动势的时间特性势符合式:

式中:ε 为电压值;t 为时间变量;τ 为时间常数(τ =L/R，L 为接收线圈等效电感，R 为等效电阻)。

在Matlab 中对式(1)仿真，结果见图1。

图1 时域电磁理论仿真曲线

在野外条件下所测得曲线如图2 所示。

图2 时域电磁接收机野外实测曲线

通过对图1 和图2 的电磁响应特征分析和对比，可见，实际瞬变电磁信号与理论信号变化规律一致，均为指数规律衰减。为此，设计瞬变电磁信号源输出的信号满足:

式中，Bi为信号幅值。采样频率对式(2)进行采样分析结果，得到相应离散序列，在控制器中离散序列的值需要输出到DAC 的二进制代码，接收机采集到的信号实际是DAC 对离散函数方程重建后的信号，由奈奎斯特采样定理，信号的频率要大于等于接收机采样频率的2 倍，采集到的信号是可信的，接收机的采样率为100 kHz，因此，时域电磁标准信号源代码刷新频率要高于200 kHz，控制器发送数据至少5 μs 输出一个点，才能满足采样定理，还原后信号才有意义。控制器发送数据越快、越多，得到的信号越逼真。

2 时域电磁标准信号源设计

时域电磁信号源的硬件实现方案有多种，主要有直接合成法和模拟压频器件转换法两种，其中采用模拟压频转换器件进行信号合成，存在的问题主要是模拟电路模块众多，调试困难以及受干扰严重。

本文采用直接数字频率合成的方法［18］，在信号产生过程中均为数字化，设计了基于DDS 可编程逻辑和DAC 混合编程进行信号输出，信号产生整体框图如图3 所示。

图3 时域电磁信号源原理框图

M32F103 芯片为主控制器，它具有高度集成性，80%的管脚都是I/O，72MHz 的CPU 主频，D/A 转换器采用AD5791，它具有单通道、20 b、无缓冲电压输出。同时具有高精度与高分辨率，AD5791 采用通用的三线接口，因此主控制器与AD5791 之间通信采用SPI 接口方式。

控制时域标准信号源输出精度和产生高分辨率的关键是确保AD5791 的正常工作条件，AD5791 采用的精密架构要求强制缓冲其基准电压输入，从而达到要求的工作精度和良好的线性度，缓冲电路框图如图4所示。

图4 AD5791 缓冲电路框图

选择用于缓冲基准输入的放大器A1 和A2 应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性，输出缓冲器放大器B 同样选择具有低温漂、低噪声的放大器。AD5791 配置有独立的正、负基准电压，基准电压由单独设计的电路，这里采用的基准电压为+10 V 和－10 V，基准电压电路中所选用的电阻均为精密金属薄膜电阻，容差为0.01%，为了实现在大范围温度范围内最佳性能，采用配套电阻网络，同时在输出端设计RC滤波器，截止频率为10 Hz，用于衰减基准电压源噪声。

主控制单元将产生的控制信号存储在SPI 寄存器中，当DAC 开始工作后，发生函数指令进入DAC 中，开始进行工作，主控制器同时产生同步信号。当需要对波形参数进行修改，可以通过外设键盘完成，同时在外设液晶屏上显示。

瞬变电磁接收机接收数据的过程中，同步信号的触发采集是采集完整、正确数据的必要条件。时域电磁标准源采用中断方式控制同步信号的发生，通过定时器精确输出同步信号。

3 信号源工作方式

软件控制方面，时域电磁标准源采用DDS 原理设计实现。在DDS 中输出的波形需要在波形存储器里面存储，而对于STM32 来说，其存储空间足够大，因此可以利用C 语言兼容数学公式的特点直接取出函数上的数据，相当于波形采样。

图5 信号源软件流程图

采用C 语言进行编程设计，软件主程序流程图如图5 所示。主控制器发出指令使D/A 转换器初始化。当DAC 进入工作状态之后，通过控制指令的输出才能使D/A 转换器进入工作状态，对输出进行编程。在信号采样及波形合成过程中，参照公式(2)，通过对幅值B 和时间常数τ 的选择决定波形的特性，主程序将采样信号输入到D/A 转换器，根据波形参数要求输出信号。信号输出后，外设进行实时扫描，波形参数需要进行改变时，函数发生程序根据键盘指令进行波形参数调整;若不变，则信号持续输出。

4 信号源测试分析

为了测试标准信号源的输出性能，在吉林大学电磁屏蔽实验室开展了测试实验。信号采集系统采用了NI9234 模块，采样时间为19.5 μs，同时为了减小系统噪声的影响采通过编程采用双极性信号方式输出，示波器观显示双极性信号如图6 所示。

图6 双极性叠加输出信号图

表1 给出几组不同幅值的测量结果。由表1 可知，精度为0.2 mV，但精度值随着电压值的减小而下降。在0.1 mV 时误差达到11. 11%，分辨率为0. 1 mV，在幅值误差方面还需要进行提高。

表1 信号源输出测试数据

图7 显示了实测曲线和理论曲线的对比。图中纵坐标为对数坐标。

图7 信号源输出曲线对比

从图7 可以看出，理论曲线在对数坐标系下为一条直线，测试曲线在大于0.2 mV 时变化规律正常，呈线性规律，与理论曲线基本重合，若小于0.2 mV，则曲线与理论曲线偏差较大，已经无法辨认。因此时域电磁标准源输出信号在0.2 mV 以上精确。目前最先进的泰克AFG3022C 信号发生器信号最小分辨率为0.1 mV。

图8 给出了实测数据与理论信号的绝对误差曲线。

图8 信号源输出绝对误差曲线

由图8 可见，绝对误差在信号早期达到最大为4.5 mV，主要原因为外加基准电源输出不稳，所以电压在最大值附近出现较大偏差。当输出信号减小时，绝对误差变小，0.1 mV 以下。

5 结 语

本文从时域电磁信号特点入手，基于理论模型分析了时域电磁信号的变化规律，在此基础上设计了采用基于ARM7 架构的STM32F103 芯片，高精度的数模转换器设计了时域电磁校正装置。得到以下结论:

(1)时域电磁信号为指数衰减规律，为信号发生器输出信号奠定理论基础。

(2)本文设计的标准瞬变电磁信号源输出范围为0.000 1 ～5 V，最小分辨率0.1 mV，信号源输出误差小于1.5%，主要指标满足接收机校正的需求，但是进行全波段校正还需要对分辨率做进一步提高。

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