一种大动态范围地空瞬变电磁探测接收系统及方法
1.本发明涉及地球物理无损勘探技术领域，尤其涉及一种大动态范围地空瞬变电磁探测接收系统及方法。
背景技术：
2.随着经济快速持续发展，资源和能源的问题日益突出，随之地下探测需求量逐年增加，而传统的地球物理勘探方法探测效率较低，难以满足对资源大面积的快速勘探的需求，因此，急需能够在地质条件复杂的地区实现高效率、高质量探测装置及施工。瞬变电磁法属于时间域人工源电磁方法，是以大地中岩(矿)石的导电性和导磁性差异为物理前提，根据电磁感应原理，分析电磁场空间和时间分布规律，通过反演手段分析相关地质问题的一种勘察方法。地空瞬变电磁法是瞬变电磁法的应用来扩展，是与无人机飞行平台相结合，结合地面电磁法大功率发射和航空电磁法快速非接触式采集的双重优点，能够进入地形复杂区域开展大深度资源勘探，近年来成为地球物理电磁法研究的热点，使用时，接地电线源向地下发送电磁脉冲，电磁脉冲会激励地下导体并在其内部产生感应涡流电流，涡流电流产生的二次磁场不会随激发场的消失而立即消失，是产生一个瞬变衰减过程，利用接收线圈接收二次电磁场，研究电磁场与时间的变化关系。
3.虽然地空瞬变电磁勘探方法可大大提高了探测效率，但由于接收到的二次电磁场信号动态范围过大，传统瞬变电磁探测接收机难以接收大动态范围的电磁信号，导致接收线圈接收到的二次电磁场信号损失严重，影响分辨能力，给资料的处理解释带来极大困扰。
4.现有地空时间信号采集系统采用了多阶程控放大电路方案可解决上述问题。然而利用恒定倍数放大方案时，无法同时兼顾早期信号和晚期信号，过大的放大倍数会使得早期道信号饱和进行丢失一部分浅部信息，过小的放大倍数由于晚期信号无法达到ad转换器的最小灵敏度而无法被捕获到，进而损失一部分深部信息；当前可以利用数字增益调控技术可以解决这一问题。根据调控机制差异可分为公控型、预测型、包络检测型以及瞬时浮点放大型。其中公控型在单次采样周期采用固定放大倍数，无法满足单周期增益连续变换；预测型利用单次采样周期前期数据预测后期数据，可以实现单周期连续调节，但对前期数据处理结果不理想；包络检测型采用包络检测电路与电压比较器配合适用，处理速度相较预测型处理速度更快，但电路设计复杂度更高瞬时浮点放大型利用高速采样电路预先获得信号数据实时动态调节增益，但电路结构复杂，易引入数字噪声且存在放大滞后性。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种大动态范围地空瞬变电磁探测接收系统及方法，所要解决瞬变电磁二次场信号大动态范围接收失真问题。
6.本发明是这样实现的，
7.一种大动态范围地空瞬变电磁探测接收系统，包括：接收线圈、匹配电路、前置放大器保护电路、前置放大器、反调制agc信号调理电路、两路ad转换电路和上位机，所述接收
线圈为圆环形，所述匹配电路与所述接收线圈引出的导线两端并联，所述前置放大器保护电路连接接收线圈与前置放大器之间，所述反调制agc信号调理电路用于处理放大的改善瞬变电磁信号的动态范围和提高ad转换电路的转换精度，所述的上位机对接收系统的控制以及信息的存储。
8.进一步地，所述的接收线圈在圆环形骨架上缠绕一根且按照一个方向缠绕n 匝数的绝缘导线，绝缘导线为铜质漆包线，圆环形骨架为非导电材料。
9.进一步地，所述的agc反调制信号调制电路将大动态范围的瞬变电磁信号通过反调制技术转换为小动态范围的非瞬变电磁信号，非瞬变电磁信号传送至一路ad转换电路，同时记录反调制agc反馈电压并传送至另一路ad转换电路，两路经过转换的信号用于推算agc不同时刻对应的增益。
10.进一步地，两路ad转换电路同时采集。
11.进一步地，所述agc反调制信号调制电路包括压控增益放大器、低通滤波器以及检波器，其中，所述压控增益放大器的电压控制端接收信号，当输入信号变大时，压控增益放大器的输出端一边将信号传送至一路ad转换电路，记为并将信号传送至检波器，再经过低通滤波器转换为直流电压信号，记为直流电压控制信号反馈至压控增益放大器的电压控制端，并输出至另一路ad 转换电路，记录直流电压控制信号的大小。
12.进一步地，将两路ad转换器数据处理得到原始信号：
[0013][0014]
一种大动态范围地空瞬变电磁探测接收方法，包括：
[0015]
通过接收线圈接收信号；
[0016]
通过匹配电路与接收线圈引出的导线两端并联后，调节匹配电路改变接收线圈的幅频特性；
[0017]
信号通过前置放大器保护电路与前置放大器进行放大处理；
[0018]
将放大处理的信号经过agc反调制后输出进行ad转换为第一数据
[0019]
放大处理的信号经过agc反调制后经由检波处理后，通过低通滤波转换为直流电压信号作为agc反调制的反馈；并将直流电压信号输出进行ad转换为第二数据
[0020]
将第一数据和第二数据处理后得到原始信号。
[0021]
进一步地，原始数据通过下式计算得到：
[0022][0023]
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
[0024]
本发明通过反调agc制技术，在传统的地空瞬变电磁探测接收系统上进行改进，此技术可提高ad转换器的转换精度和提高接收系统的动态范围，以此提高了地空瞬变电磁探测系统的接收精度，从而使后期地质信息解释精度有所提高。
[0025]
本发明引入自动增益控制技术(automatic generation control，agc)来实现灵敏度的动态调整。agc电路常用在接收机等输入信号电平有很大变化的环境中，当输入信号较强时，使放大器增益自动降低，当信号较弱时，使其增益自动升高，保证在agc作用范围内
输出电压比较均匀，使ad转换器具有较高的转换精度，提高接收系统的动态范围，以此提高了地空瞬变电磁探测系统的接收精度。
附图说明
[0026]
图1本发明采用的大动态范围地空瞬变电磁探测系统示意图；
[0027]
图2为图1中的接收系统的电路框图；
[0028]
图3为图2中的接收系统的反调制agc的电路框图；图4为反调制agc电路；
[0029]
其中，1无人旋翼机，2尼龙绳，3接收系统，4发射线缆，5发射系统。
具体实施方式
[0030]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
参见图1所示，本发明基于地空频率域探测系统，大动态范围地空瞬变电磁探测系统包括无人旋翼机1通过悬挂尼龙绳2方式挂载接收系统3，发射系统5通过发射线缆4向地下双极性pwm波形，发射功率人为可控。
[0032]
参见图2所示，本发明接收系统包括：接收线圈、匹配电路、前置放大器保护电路、前置放大器、反调制agc信号调理电路、ad转换电路和上位机组成，接收线圈有用于接收瞬变电磁信号，接收线圈为圆环形，在圆环形骨架上缠绕一根且按照一个方向缠绕一定匝数的铜质漆包线，匝数一般在600-1000匝，接收线圈骨架为非导电材料。匹配电路是在接收线圈的铜质漆包线连段并联一定阻值的电阻，用于改善接收线圈幅频特性，使线圈能够接收更宽频率的信息。瞬变电磁信号经过用于前置放大器保护电路的前放保护电路后传送置前置放大器，前置放大器保护电路用于防止接收线圈产生过大的电压损毁前置放大器。前置放大器将微弱的电磁信号进行初级放大，大动态范围的瞬变电磁信号经过反调制agc使信号保持较大的幅度，并且通过反调制agc技术使其动态范围变小，输出端不需要直接观测幅值变化，离线数据处理可对数据重构解释，非瞬变电磁信号传送至ad转换电路，同时记录反调制agc反馈电压并传送至另一路ad转换电路，用于后期推算agc不同时刻对应的增益，其中的ad转换电路为双路且同时采集。
[0033]
参见图3所示，接收线圈的等效电路为rlc谐振电路，其中vi为接收线圈的感应电压，l为接收线圈的电感，r
l
为接收线圈的电阻，c为接收线圈的寄生电容，r0为匹配电路，vo为接收线圈的输出电压，根据等效电路可得其输入与输出的关系式为：
[0034][0035]
式中，ζ为阻尼系数，ω
p
为线圈的谐振频率，具体可表示为：
[0036][0037]
[0038][0039]
所以可调节r0的改变接收线圈的幅频特性，改善接收线圈的性能。
[0040]
参见图4所示，为反调制agc电路的工作流程如下：
[0041]
瞬变电磁信号经过前置放大器初步放大后输入反调制agc电路，该电路中压控增益放大器是agc电路的核心，决定着agc电路的增益变化范围。根据瞬变电磁信号特点设计出效值检测电路的检波器。低通滤波器的作用是得到检波后信号的平均值成分，送入压控增益放大器电压控制端。agc电路的反映时间由低通滤波器的时间常数决定，若低通滤波器的时间常数过大，增益调控作用迟钝，性能变差；若低通滤波器时间常数过小，则输入信号的幅值变化也会引起agc作用，会抑制正常的幅度变化，这种情况称为反调制。常规的agc 电路中，反调制的现象是不允许的。但是根据瞬变电磁信号信号特点，并且接收系统并不需要在线观察数据实时情况，所以利用agc反调制原理便可实现更快速和更大动态范围的系统调节。例如，当输入信号变大时，输出端一边将信号传送至第一路ad转换电路，记为一边将信号传送至检波器，再经过低通滤波器转换为直流电压信号，记为直流电压控制信号反馈给压控增益放大器，第二路ad转换电路同时记录直流电压控制信号的大小，以ad603为例，压控增益放大器的增益可设置为：
[0042][0043]
数据处理时需要第一路ad转换器和第二路ad转换器的数据，得到原始信号：
[0044][0045]
以此接收系统可将瞬变电磁原始信号进行高精度还原，并截取有效瞬变电磁信号时间窗口对信号进行预处理以提高信号精度。
[0046]
本发明提供一种大动态范围地空瞬变电磁探测接收方法，包括：通过接收线圈接收信号；
[0047]
通过匹配电路与接收线圈引出的导线两端并联后，调节匹配电路改变接收线圈的幅频特性；
[0048]
信号通过前置放大器保护电路与前置放大器进行放大处理；
[0049]
将放大处理的信号经过agc反调制后输出进行ad转换为第一数据
[0050]
放大处理的信号经过agc反调制后经由检波处理后，通过低通滤波转换为直流电压信号作为agc反调制的反馈；并将直流电压信号输出进行ad转换为第二数据
[0051]
将第一数据和第二数据处理后得到原始信号。
[0052]
上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
