基于四旋翼飛行器的長導(dǎo)線源時域地空探測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

作者 王明全 王遠(yuǎn)航 于志新 陶健 東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院(遼寧 沈陽 110819)

王明全(1973-)，博士，講師，研究方向：信號與信息處理。

摘要：本文介紹了一種以四旋翼飛行器為載體的時域地空電磁探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核處理器，以全差分模擬前端壓制電磁干擾，實現(xiàn)了24位低噪聲、多通道電磁數(shù)據(jù)同步采樣及存儲，實現(xiàn)了一套由四旋翼飛行器搭載的時域電磁接收系統(tǒng)，并通過WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行地面遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)具有高效、低成本、勘探深度大和空間分辨率高等優(yōu)點，為地質(zhì)勘探提供了一種可靠的新方法。

引言

　　地質(zhì)勘探對于礦產(chǎn)資源的開采具有重要的指導(dǎo)意義，隨著時代的發(fā)展，探測方法也在不斷改進(jìn)^[1]。早期的地面時域電磁法雖然技術(shù)發(fā)展的比較成熟，但探測效率低下，且很難對特殊地形進(jìn)行勘探^[2]。后來提出的航空時域電磁法雖然解決了地面時域電磁法的問題，但是成本較高，探測精度也不理想。而新興的地空時域電磁法則很好地融合了前面兩者的優(yōu)點^[2]，因此近些年被廣泛研究。而另一方面，近些年國內(nèi)四旋翼飛行器技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用也越來越廣泛。針對以上背景，在參考眾多文獻(xiàn)[3-14]后，著手設(shè)計并實現(xiàn)了一套以四旋翼飛行器為載體的時域地空電磁探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以四旋翼飛行器作為載體，采用了全差分模擬前端進(jìn)行電磁壓制，并通過WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)了24位低噪聲、多通道電磁數(shù)據(jù)同步采樣及存儲。使得該系統(tǒng)高效、低成本、勘探深度大且空間分辨率高。

1 系統(tǒng)整體方案

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由長導(dǎo)線發(fā)射源、接收電路、空中數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、ICA降噪、地面數(shù)據(jù)接收及處理幾部分構(gòu)成。經(jīng)過波形發(fā)生與功放電路，產(chǎn)生一個激勵信號，送入發(fā)射用長導(dǎo)線，長導(dǎo)線長80m，發(fā)射電流5A。然后由位于四旋翼上的接收電路進(jìn)行電磁信號接收，并用機載單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與儲存，最后通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給位于地面的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 發(fā)射電路

　　波形發(fā)生電路：采用9833模塊產(chǎn)生一個頻率為18kHz的正弦波。

　　功率放大電路：通過9833模塊得到了較為理想的信號波形，但此時的信號輸出能力較弱，需要進(jìn)行功率放大，以保證足夠的輸出電流，從而確保產(chǎn)生足夠強大的磁場。具體方案如圖2所示。

3 接收電路及信號預(yù)處理

　　從接收線圈接收到的信號非常微弱且含有大量噪聲，需要進(jìn)行濾波以及放大等預(yù)處理。預(yù)處理方案如圖3~圖5所示。采用全差分運放驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有共模抑制性能出色、二階失真產(chǎn)物較少、直流調(diào)整算法簡單的優(yōu)點，可有效應(yīng)對飛行器飛行過程中產(chǎn)生的共模干擾。

4 數(shù)據(jù)采集部分

　　采用三分量全差分連續(xù)采集存儲技術(shù)^[6]，在地空電磁接收機中，為提高波形數(shù)據(jù)的傳輸效率，首先使用 GPIO口的位操作方式優(yōu)化控制時序，減少時序中無數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，再利用DMA數(shù)據(jù)傳輸通道，從而縮短整體數(shù)據(jù)的傳輸時間。時間域電磁信號早期衰減迅速且幅值大，晚期信號微弱。采用24位△∑結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSl274對信號進(jìn)行數(shù)字采樣，以確保不小于140 dB的動態(tài)范圍，工作方式設(shè)置為三通道全差分輸入，由統(tǒng)一時鐘進(jìn)行同步采樣，實現(xiàn)三分量電磁信號采集。數(shù)據(jù)采集及飛控部分如圖6所示。

5 系統(tǒng)供電電路

　　采用聚合物電池進(jìn)行供電，用專門的電壓轉(zhuǎn)換芯片對電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬電路、處理器等模塊的供電要求。方案如圖7所示。

6 遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸

　　在四旋翼飛行器的飛行過程中，需要操作人員在地面對空中接收機進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)實時傳回的數(shù)據(jù)監(jiān)控接收機的狀態(tài)和對采集過程進(jìn)行控制，地空電磁接收系統(tǒng)采用基于802.119協(xié)議的WiFi網(wǎng)絡(luò)建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通道。802.119工作在2.4GHz頻段，與四旋翼飛行器的飛控和視頻傳輸系統(tǒng)不會發(fā)生串?dāng)_而威脅飛行安全。其最高傳輸速率達(dá) 54 Mbit/s，在開闊場地使用高增益天線時，其有效距離可達(dá)400m。為實現(xiàn)地面站和巡航的四旋翼飛行器進(jìn)行無縫鏈接，采用了基于多跳結(jié)構(gòu)的 WiFi-Mesh網(wǎng)。擴展無線Mesh網(wǎng)的覆蓋范圍只需添加節(jié)點設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)便可進(jìn)行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。

7 地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

　　經(jīng)過電性源地-空電磁探測系統(tǒng)硬件濾波和信號檢測之后，得到時域電磁信號的信噪比仍然較低，需要進(jìn)一步進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理，包括電磁信號的基線校正，雙極性疊加，取樣濾波等^[14]，以此最大程度地提高信噪比。并通過求解相應(yīng)的地電參數(shù)來識別地下電性結(jié)構(gòu)。流程圖如圖8所示。

8 結(jié)論

　　本文利用STM32處理器以四旋翼飛行器為載體，設(shè)計了一套時域地空電磁探測系統(tǒng)，并可以實現(xiàn)對地下礦藏的探測。這得益于此處理器強大的運算和處理能力。四旋翼飛行器是本設(shè)計的一個亮點。四旋翼飛行器價格相對較低，易于操作，且技術(shù)成熟，能夠很好的滿足系統(tǒng)要求。但由于場地限制，以及飛行器操作水準(zhǔn)有限，效果難免不夠理想。若發(fā)射功率更大，飛行器操作水準(zhǔn)更高，則探測能力還可大幅提升。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第43頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。