一种大动态范围的磁场测量系统及测量方法与流程

本发明涉及一种磁场测量系统及测量方法，特别涉及一种大动态范围的磁场测量系统及测量方法。

背景技术：

当前，时间域瞬变电磁法(Time-domain Electromagnetic，简称TEM)是一种基于电磁感应原理的地球物理探测方法，根据接收机接收到的二次场的大小及衰减特性来分析地下介质的分布情况。

时间域瞬变电磁信号具有近似e指数衰减的特征，信号频谱范围主要集中在几赫兹至几千赫兹之间，信号动态范围大，尤其是采用SQUID传感器接收二次磁场，有效信号动态范围一般大于140dB，市场上现有模数转换器的有效动态范围无法满足要求。同时，传统的解决方案是在线性域中利用线性放大器进行分段放大，然后将采集的线性域下的信号变换到对数域并提取信号特征，但是这会存在过渡过程，同时带来数据拼接困难，带宽不一致，系统复杂等问题。

德国Jena的A Chwala于2011年首次将低温超导传感器应用于大定源TEM系统中。

中国专利CN104730584公开了一种瞬变电磁接收系统，该系统包括：超导量子干涉器传感器、同步信号处理单元、数据采集单元。该发明实现了能够通过感应发射机所发射的瞬变的磁信号来确定同步信号，但并未提及信号大动态范围问题及解决方案。

美国专利US 20090160444A1公开了一种用于电磁勘探的接收系统，该接收系统包括两级敏感度不同的SQUID传感器，用于分时测量二次场信号。

J.B.Lee等人在发表于《Exploration Geophysics》杂志的文献(Experience with SQUID magnetometers in airborne TEM surveying)中指出了基于SQUID的TEM接收系统中的大动态范围的问题。

中国，王忠等在发表于《仪器仪表学报》的文献(高速、大动态范围瞬变电磁接收机的研制)中提出了高速12位A/D和高分辨率16位A/D分段采集的瞬变电磁接收机,解决了以往单A/D采样速率与动态范围不能同时兼顾的问题。

以上所述TEM测量系统公布了SQUID-TEM接收系统组成及通过分段采集的方式解决信号大动态范围的问题，国内外专利还未涉及将对数放大器应用于SQUID-TEM测量系统。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决在SQUID-TEM测量系统中瞬变电磁信号大动态范围给测量系统设计所带来的问题，而提供的一种大动态范围的磁场测量系统及测量方法。

本发明提供的大动态范围的磁场测量系统包括有SQUID传感器、极性变换模块、电压控制的单刀双掷开关、信号压缩采集模块、控制电路和电源，其中SQUID传感器与极性变换模块相连接，极性变换模块通过电压控制的单刀双掷开关与信号压缩采集模块相连接，电压控制的单刀双掷开关由控制电路控制导通方向，电源为极性变换模块、控制电路和信号压缩采集模块提供电能。

控制电路中设置有中央处理单元CPU。

极性变换模块由同相跟随器和反相跟随器组成，其中SQUID传感器输出端分别与同相跟随器的输入端、反相跟随器的输入端相连接，同相跟随器的输出端与电压控制的单刀双掷开关的K1端连接，反相跟随器的输出端与电压控制的单刀双掷开关的K2端连接。

信号压缩采集模块由信号压缩电路与信号采集电路组成，信号压缩电路与信号采集电路相连接，电压控制的单刀双掷开关的单端与信号压缩电路相连接。

信号压缩电路包括有电压-电流转换器和对数放大器，其中电压-电流转换器的输入端与电压控制的单刀双掷开关的单端相连接，电压-电流转换器的输出端与对数放大器相连接，利用对数放大器将线性域下大动态范围的原始信号压缩为对数域下小动态范围的电压信号，对数放大器的输出端与信号采集电路的输入端相连接。

信号采集电路包括有缓冲器、A/D采集电路、时序控制电路和控制器，其中缓冲器的输入端与信号压缩电路相连接，缓冲器的输出端与A/D采集电路相连接，A/D采集电路还与时序控制电路和控制器相连接，控制器还连接有SD卡和液晶显示器，控制器接收来自GPS的同步信号，SD卡中数据由计算机运算处理。

A/D采集电路为二十四位A/D采集电路。

电源包括锂电池和稳压电路，锂电池与稳压电路连接后形成正电源和负电源，其中正电源和负电源均与极性变换模块相连接，正电源还与控制电路和信号压缩采集模块相连接。

稳压电路、控制电路为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明提供的大动态范围的磁场测量方法，其方法如下所述：

步骤一、利用SQUID传感器接收瞬变电磁探测中的二次场信号，计算SQUID传感器接收到的二次场信号的动态范围，计算公式如式(1)所示：

SQUID传感器接收二次场信号的动态范围大于140dB，根据该信号的动态范围选择匹配的对数放大器；

步骤二、将SQUID传感器采集到的二次场信号经屏蔽电缆分为两个支路接入同相跟随器和反相跟随器输入端；

步骤三、对二次场信号进行极性变换，SQUID传感器输出信号经过同相跟随器或反相跟随器后，经屏蔽线传输到电压控制的单刀双掷开关，其中电压控制的单刀双掷开关的K1端与同相跟随器的输出端相连，电压控制的单刀双掷开关的K2端与反相跟随器的输出端相连，同时，电压控制的单刀双掷开关由控制电路控制接入方式，其控制方式取决于SQUID传感器接收到的信号极性，即当SQUID传感器接收到的信号为正极性时，电压控制的单刀双掷开关导向K1端即同相跟随器接入电路；当SQUID传感器接收到的信号为负极性时，电压控制的单刀双掷开关导向K2端即反相跟随器接入电路；

步骤四、二次场信号形式转换，信号经过电压控制的单刀双掷开关后由屏蔽线传输至信号压缩电路中的电压-电流转换器，将电压信号转为电流信号；

步骤五、二次场信号压缩，将步骤四中所述的电流信号经过屏蔽线传输至信号压缩电路中的对数放大器输入端，其中对数放大器采用单电源供电，其接口包括基准端I_DEN、输入端I_NUM、输出端电压V_LOG，三者之间的关系如式(2)所示：

式中：V_Y为对数放大器的斜率；I_DEN为基准电流；I_NUM为输入电流；V_OFS为根据对数放大器内部输出缓冲器的增益和失调设置引入的量；

步骤六、二次场信号采集，信号经过屏蔽线传输至信号采集电路，利用A/D采集电路采集二次场信号并将数据存至SD卡中，至此，完成了低温超导瞬变电磁信号大动态范围的磁场测量系统的数据测量与存储过程。

本发明的有益效果：

本发明与现有瞬变电磁测量系统相比：一是有效缩小了瞬变电磁信号的动态范围，解决了现有模数转换器的有效动态范围无法满足大动态范围的磁场测量问题；二是信号经过对数域变换后，信号特征明显，避免了传统方式下先在线性域下采集信号，再通过计算机变换到对数域下的复杂工作过程。

附图说明

图1为本发明所述系统整体结构示意图。

图2为本发明所述系统中信号压缩电路结构示意图。

图3为本发明所述系统中信号采集电路结构示意图。

图4是二次场信号经由SQUID传感器、极性变换模块和信号压缩模块变化流程图。

1、SQUID传感器 2、极性变换模块 3、电压控制的单刀双掷开关

4、信号压缩采集模块 5、控制电路 6、电源 10、同相跟随器

11、反相跟随器 12、K1端 13、K2端 14、信号压缩电路

15、信号采集电路 16、电压-电流转换器 17、对数放大器

20、缓冲器 21、A/D采集电路 22、时序控制电路 23、控制器

24、SD卡 25、液晶显示器 26、计算机 27、锂电池 28、稳压电路

29、正电源 30、负电源。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示：

本发明提供的大动态范围的磁场测量系统包括有SQUID传感器1、极性变换模块2、电压控制的单刀双掷开关3、信号压缩采集模块4、控制电路5和电源6，其中SQUID传感器1与极性变换模块2相连接，极性变换模块2通过电压控制的单刀双掷开关3与信号压缩采集模块4相连接，电压控制的单刀双掷开关3由控制电路5控制导通方向，电源6为极性变换模块2、控制电路5和信号压缩采集模块4提供电能。

控制电路5中设置有中央处理单元CPU。在本实施例中控制电路5中的中央处理单元选择ARM7架构的STM32F103芯片。

极性变换模块2由同相跟随器10和反相跟随器11组成，其中SQUID传感器1输出端分别与同相跟随器10的输入端、反相跟随器11的输入端相连接，同相跟随器10的输出端与电压控制的单刀双掷开关3的K1端12连接，反相跟随器11的输出端与电压控制的单刀双掷开关3的K2端13连接。在本实施例中电压控制的单刀双掷开关3选用器件为转换型电磁继电器；

信号压缩采集模块4由信号压缩电路14与信号采集电路15组成，信号压缩电路14与信号采集电路15相连接，电压控制的单刀双掷开关3的单端与信号压缩电路14相连接。

信号压缩电路14包括有电压-电流转换器16和对数放大器17，其中电压-电流转换器16的输入端与电压控制的单刀双掷开关3的单端相连接，电压-电流转换器16的输出端与对数放大器17相连接，利用对数放大器17将线性域下大动态范围的原始信号压缩为对数域下小动态范围的电压信号。对数放大器17的输出端与信号采集电路15的输入端相连接。

信号采集电路15包括有缓冲器20、A/D采集电路21、时序控制电路22和控制器23，其中缓冲器20的输入端与信号压缩电路14相连接，缓冲器20的输出端与A/D采集电路21相连接，A/D采集电路21还与时序控制电路22和控制器23相连接，控制器23还连接有SD卡24和液晶显示器25，控制器23接收来自于GPS的同步信号。SD卡24中数据由计算机26运算处理。

A/D采集电路21为二十四位A/D采集电路。

电源6包括锂电池27和稳压电路28，锂电池27与稳压电路28连接后形成正电源29和负电源30，其中正电源29和负电源30均与极性变换模块2相连接，正电源29还与控制电路5和信号压缩采集模块4相连接。

稳压电路28、控制电路5为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明提供的大动态范围的磁场测量方法，其方法如下所述：

步骤一、利用SQUID传感器1接收瞬变电磁探测中的二次场信号，计算SQUID传感器1接收的二次场信号的动态范围，计算公式如式(1)所示：

SQUID传感器1接收二次场信号的动态范围为大于140dB，根据该信号的动态范围选择匹配的对数放大器17；根据信号的动态范围选择ADI公司的ADL5304对数放大器17，该对数放大器17的测量范围在200dB内，满足信号测量的动态范围。

步骤二、将SQUID传感器1采集到的二次场信号经屏蔽电缆分为两个支路接入同相跟随器10和反相跟随器11输入端；

步骤三、对二次场信号进行极性变换。SQUID传感器1输出信号经过同相跟随器10或反相跟随器11后，经屏蔽线传输到电压控制的单刀双掷开关3，其中电压控制的单刀双掷开关3的K1端12与同相跟随器10的输出端相连，电压控制的单刀双掷开关3的K2端13与反相跟随器11的输出端相连，同时，电压控制的单刀双掷开关3由控制电路5控制接入方式，其控制方式取决于SQUID传感器1接收到的信号极性，即当SQUID传感器1接收到的信号为正极性时，电压控制的单刀双掷开关3导向K1端12即同相跟随器10接入电路；当SQUID传感器1接收到的信号为负极性时，电压控制的单刀双掷开关3导向K2端13即反相跟随器11接入电路；

步骤四、二次场信号形式转换。信号经过电压控制的单刀双掷开关3后由屏蔽线传输至信号压缩电路14中的电压-电流转换器16，将电压信号转为电流信号；

步骤五、二次场信号压缩。将步骤四中所述的电流信号经过屏蔽线传输至信号压缩电路14中的对数放大器17输入端，其中对数放大器17采用单电源供电，其接口包括基准端I_DEN、输入端I_NUM、输出端V_LOG，三者之间的关系如式(2)所示：

式中对于ADL5304芯片：V_Y为对数放大器的斜率，默认配置下V_Y＝200mv/10倍；I_DEN为基准电流，默认配置下为100nA；I_NUM为输入电流；V_OFS为根据ADL5304内部输出缓冲器的增益和失调设置引入的量，默认的单电源设置V_OFS＝1.5v，在默认单电源配置下，输出端的电压如式(3)所示：

步骤六、二次场信号采集。信号经过屏蔽线传输至信号采集电路15，利用A/D采集电路21采集二次场信号并将数据存至SD卡24中，至此，完成了低温超导瞬变电磁信号大动态范围的磁场测量系统的数据测量与存储过程。