梁文婧， 冯 晅

(吉林大学 地球探测科学与技术学院, 长春 130026)

0 引 言

地球物理是一门实践性较强的应用型学科，传统的地球物理勘探方法是应用重力、磁法、地震等技术手段来获取地下的探测信息，找寻赋存于地下的巨大的地质资源。随着现代社会发展，地球物理勘探方法也更广泛地应用于城市建设、环境监测等领域，探测的手段也逐步向多样化、简易化发展。例如，现广泛应用于各领域的浅层无损探测仪器：探地雷达，它是通过对地下发射高频电磁波，当地下介质存在电性差异时，接收天线会接收到回波，以此来判断地下异常情况[1]。

为了将“看不见、摸不到”的电磁波具体化，在实验室内获取理想的异常体结构图像，使学生可以直观地了解地下不同异常体对电磁波的响应特征，让学生亲自动手参与到实验中，激发学生的学习热情和积极性，达到理想教学实践效果。本文应用实验室内的大型实验沙槽、网络分析仪、三维直角坐标仪等仪器设备，构建了基于LabVIEW电磁波数据采集实验系统[2]，开展了 “电磁波地下目标体探测实验”的创新型开放性实验，为学生今后从事相关学习和研究工作打下坚实基础。

1 实验系统

1.1 设计思想及功能实现

为使学生直观地了解电磁波对地下异常体的探测过程，了解真实异常体对电磁波的响应图像，同时节省采集数据时间。应用实验室内的大型实验沙槽、网络分析仪、三维直角坐标仪和天线等仪器设备，构建了基于LabVIEW电磁波数据采集实验系统[3-12]，如图1所示。该系统可自动采集并实时显示当前测量位置的电磁波传播波形，同时自动保存当前测量点的数据，保存完毕后自动运行至下一个测点重复同样工作。当一条测线上全部测量点的数据采集完毕后，可直接将数据导入软件形成二维剖面图，直观反映所测量的目标体对电磁波的响应情况，同时验证数值模拟结果的正确性。

图1 全自动电磁波数据采集系统

该系统结构的主要设计思想是，应用主控计算机控制整个系统中各个仪器的功能实现，完成对天线的定位，数据的采集及存储操作一体化，获得高精度和信息量丰富的数据，同时对控制功能进行模块化设计，从而优化操作，使其简便易行，减少误差。

基于LabVIEW编程的全自动电磁波数据采集系统，其稳定可靠，人机交互操作界面友好，操作简单。系统应用LabVIEW函数库中的While循环结构，里面嵌套事件结构，通过对用户界面的操作完成系统各部分通信，对网络分析仪远程控制管理，对电磁波数据的保存等功能，界面同步显示当前所在测点的数据图像，使实验结果更加快捷直观的展现在学生面前。

1.2 通信检测

全自动电磁波数据采集系统主要由主控计算机、三维直角坐标仪、网络分析仪、开关控制器构成。任何部分出现异常和损坏，系统都无法按流程进行，所以在正式使用操作界面对各部分仪器进行控制之前，首先在NI的配置管理软件中完成主控计算机与NI硬件产品的交互，检查系统各部分仪器是否已与主控计算机保持联通，完成识别和检测NI硬件。当设备连接显示如图2所示时，表示计算机与网络分析仪和开关控制器已建立连接，可以通过操作界面对两者进行控制，实现数据采集并自动导入LabVIEW。

图2 NI的配置管理软件显示连接图

利用LabVIEW提供的VISA库函数，实现控制系统和仪器的串口通信。通过调用VISA库函数下的VISA写入、VISA读取等子函数，向仪器以规定格式发送指令，同时接收仪器返回的指令和数据。对应设备号为N9925A和11713C。

1.3 多通道数据采集

该系统可实现多个通道实时发射信号接收数据，为了避免测量中多个天线同时测量带来的互耦效应，本系统采取顺次方式，即分时接通各个通道，在LabVIEW中通过平铺式顺序结构建立，按顺序依次开启各个通道，通过 “VISA写入”将状态送入各个通道，受主控计算机的控制，开关控制器相应通道依次响应。如图3所示，图中为3个通道顺次接通的程序框图，由于开关控制器最大通道数的限制，最多可以将网络分析仪单个通道扩展为6个通道，所以在LabVIEW编程中，也可根据需要将平铺式顺序结构增加至6个，体现了LabVIEW易于修改的特点。

图3 实现多通道采集的程序框图

1.4 系统主界面和运行流程

图4为系统软件主界面，程序开始后，可在界面中设置参数并同步至相应仪器，参数配置完成后，程序等待数据采集命令，当“Measurement”按键按下后，系统判断给出的数据存储路径是否正确，若正确则开始数据采集，当完成指定通道的数据采集后，各通道的采集图像将分别显示在对应的图像显示框中，当“stop”按键按下后，系统结束数据采集。

图4 系统用户操作界面

用户操作界面分为参数设置模块、波形显示模块、数据存储模块等，通过该面板，用户可完成各项采集参数的设置。

(1) 参数设置模块。可在计算机中设置网络分析仪[13]的测量参数，其中包括测量方式、起止频率、时频转换、起止时间。参数设置完成后可同步至网络分析仪。

(2) 波形显示模块。波形显示模块共有3个波形显示框，可同时显示3个测点的波形图。

(3) 数据存储模块。用户可指定当前数据存储路径，每测量完当前测量点数据，系统自动保存为1个文档文件，再进行下1个测量点的数据存储。

2 应用实例

2.1 实验原理

电磁波在地下介质中传播时，介质的电磁特性决定了波在其中传播的速度、衰减情况、极化、散射和谐振等参数。当电磁波遇到电性差异界面时，就会产生反射、散射等现象，如图5所示。通过接收经过地下介质传播的电磁波，可以研究地下介质的结构、属性等特征。

图5 电磁波地下传播示意图

假设地下为水平地层，脉冲电磁波由发射天线发射到接收天线接收所需要的往返时间为

(1)

式中:x为发射天线和接收天线间的距离,固定值;H为电磁波所遇到反射界面的深度；v为电磁波在地下岩层中的传播速度，

c为光速；εr为地下岩层的相对介电常数。

图6(a)为电磁波探测原理及异常体描述图像。图中：r为接收天线；t为发射天线；x为发射天线和接收天线间的距离。图6(b)为反射波形图。图中：R1为直达波；R2为异常体上界面反射波；R3为异常体下界面反射波；R4为基岩上界面反射波，虚线为根据反射波特征勾画出的异常体以及基岩的界面位置。

(a)

(b)

图6 电磁波探测原理及异常体描述图像

2.2 实验内容设计与实施

以开放性实验为例，应用电磁波对理想各向同性介质中的异常体进行探测。首先应用GPRMax[13-14]软件进行电磁波数值模拟，目标为金属平面板和金属管，模型的模拟结果如图7所示。图中:绿色部分为自由空间;红色为理想介质;蓝色长方形和绿色圆形分别模拟金属平面板和金属管的模型。

(a) 平面板

(b) 金属管

电磁波传播过程的模拟结果如图8和9所示，图8中红色箭头所指为天线对间的直达波，黑色箭头所指为一条直线，表示埋在干沙中的金属平面板；图9中，红色箭头所指为天线对间的直达波，黑色箭头所指是一条双曲线，表示埋在干沙中的金属管的反射信号。

图8 金属平面板的数值模拟剖面图

图9 金属管的数值模拟剖面图

在实验室，应用全自动电磁波数据采集系统对目标体模型进行数据采集，在沙槽中顺次埋入4个典型目标体，分别为塑料管、2个金属管和金属平面板，埋深约为0.1 m处，其中2个金属管埋深略有不同。网络分析仪设置的频率范围为0.5～4.5 GHz，采样点数为401。发射天线和接收天线贴近沙面，测点间距2 cm，整条测线有50个测点。实验示意图如图10所示。

图11所示为测线上某一测点实测的波形图，图中红色箭头所指为直达波;黑色箭头所指为目标体的反射信号。

图10 实验示意图

图11 实测波形图

将整条测线实际测量得到的数据形成灰度剖面图，如图12所示，白色和黑色分别表示正相位和负相位的最大振幅值。通过观察图像，可以看出，图中①、②和③处均显示为一条双曲线，差别在于①的振幅小于②和③的振幅，说明①处的目标体与干沙的电性差异较小，②和③处的目标体与干沙的电性差异大，因此可以确定出①为非金属管，而②和③为金属管。同时，②处的双曲线顶端距地面的距离小于③处的距离，表示电磁波在地下传播时，到达②处目标体的时间要小于③处的目标体，所以可以确定②比③处目标体的埋深浅。④处波形的中间近似为一条直线，两端分别有曲线即存在绕射现象，可以确定④为金属平面板。⑤为发射天线与接收天线间的直达波，⑥为沙槽底部的反射信号。⑦为来自沙槽两侧壁的反射信号。

图12 剖面图

学生在进行开放性实验的过程中，首先应用电磁波模拟软件GPRMax对典型目标体进行电磁波数值模拟，得到与简单目标体相对应的地下电磁波反射图像，并分析典型目标体的图像特征，然后应用电磁波数据采集系统对目标体模型进行数据采集得到实际测量剖面图，通过对比数值模拟结果和物理模拟结果，直观了解地下介质对电磁波的响应特征。

3 结 语

通过应用全自动电磁波数据采集实验系统在实验室内实现电磁波数据采集并实时显示，克服了传统实验中每一测点手动保存数据的枯燥耗时，使学生将更多的时间投入在对所学知识的应用上，自己动脑设计实验，通过对比数值模拟结果和实际测得的物理模拟结果，直观了解地下介质对电磁波的响应特征，充分调动学生学习的积极性，提高学生的科学素养，发挥主观能动性，达到理想的教学实践效果。