2. 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室, 长沙 410083;
3. 山东大学(威海)机电与信息工程学院, 山东威海 264209;
4. 山东大学空间科学研究院, 山东威海 264209
2. Hunan Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Hazard Detection, Changsha 410083, China;
3. School of Mechanical, Electrical & Information Engineering, Shandong University, Shandong Weihai 264209, China;
4. Institute of Space Sciences, Shandong University, Shandong Weihai 264209, China
近地表与人类生活息息相关,近地表探测越来越受到关注,鉴于近地表的复杂性,对近地表探测和异常定位会面临地质上、背景干扰上、空间上等各种因素的制约和挑战(刘光鼎,2015).和探地雷达(GPR)、时间域电磁法(TEM)仪器所采用探测方法一样(Boyko et al., 2001;陈义群和肖柏勋,2005),近地表频率域电磁法(FDEM)作为近地表探查和定位的主要电磁探测方法之一,其应用领域不断扩大,具有很重要的地位(Gay,1986;Panissod et al., 1998;Huang and Won, 2000;林君,2000;Birken et al., 2002;Won and Huang, 2004;Bosch and Müller,2005;Auken et al., 2006;Ramesh et al., 2007;Borgioli et al., 2008;Soliman and Wu, 2008;El-Qady et al., 2014).该类仪器在地质灾害预测、地下管线探测、地下水及土壤污染调查、地下未爆炸物识别及地下溶洞探测等等勘探领域具有广阔的应用前景(周逢道等,2013).与广域电磁仪、伪随机电磁仪等具有较大深度的接触式电磁仪不同(何继善, 1994, 2010;何继善和柳建新,2002;陈儒军等,2004),便携式近地表FDEM仪器目前主要由发射线圈、参考线圈和接收线圈等3线圈组成传感器实现非接触式探测,通过电磁发射装置驱动发射线圈向地下发射特定频率的电磁波,利用电磁波对地层的穿透性,激发地下异常体产生的二次场,再通过接收接收线圈获取的二次场信号,同时由参考线圈获取一次场信号,处理后获取目标地层的电磁波响应信息(林君,2000;王彬,2010;周逢道等,2013).使用便携式近地表FDEM仪器进行近地表探测时,一次可获取地下地层不同深度的响应信息,为能更有效获得近地表地质信息提供了便捷手段(Won,1980).便携式近地表FDEM仪器为非接触式勘探设备,用于勘探出高导电率的矿石或地下埋藏物,其操作过程越来越简易,探测结果越来越准确,具有单人可操作、重量轻、可实时计算结果、探查速率快、抗干扰能力强等特点.因此,随着相关技术的不断发展,该仪器将会在金属矿勘查、特殊地形的矿产调查、环保领域、管道布设与检查、地下水与地形调查、考古等领域取得广泛应用(Won,1980;Mares,1984;Won and Keiswetter, 1998;李文杰,2008;张赫,2012;El-Qady et al., 2014).
在近地表探测中,便携式近地表FDEM仪器有效避免了GPR电磁感应在4 m以下产生的严重衰减现象,效果较好(张赫,2012;Porsani et al., 2012).本文主要对便携式近地表FDEM仪器研究进展及相关应用、原理、可靠性、功耗、精度、处理速度以及计算机电子技术的发展等方面做出系统介绍,分析了将会影响便携式近地表FDEM仪器快速发展的相关技术,以期提升便携式近地表FDEM仪器的整体性能,从而推动我国近地表勘查仪器的实用化发展,随着“一带一路”战略规划实施和万物互联的趋势,为中国自主研制地球物理仪器贡献一份力量.
2 便携式近地表FDEM仪器原理便携式近地表FDEM仪器是基于电磁感应原理设计的(张赫,2012).如图 1所示,在地面F处放置的一个发射机通过发射线圈发射的交变电流向地面发射一次场,一次场对地下的良性导体进行激发,产生涡流效应,该涡流效应在其所在的空间产生具有交变电磁场的二次场(Mares,1984;张赫,2012).在地面Y处放置两个接收线圈,用来接收一次场和二次场,这两个接收线圈大小和匝数不等,与发射线圈的关系满足如下条件(Won,2001):
(1) |
式中n1、n2分别是两个线圈的匝数,A1、A2分别是两个接收线圈对应的单匝面积,d1、d2分别是两个接收线圈到发射线圈的距离.
因此,只要满足式(1),则发射和接收线圈的放置就可以多种多样,可以是图 2同心圆式,也可以是图 3直线扁担式,还可以通过改变线圈的形状、位置关系设计成不同种类的产品来满足不同的使用情况(Nabighian,1988;Won et al., 1996, 1997;Won,2001;Huang and Won, 2003; Huang, 2005;Fraser and Hodges, 2007;Wright et al., 2008).
满足式(1),可通过接收线圈中的参考线圈S1获取一次场Hp,同时利用该线圈抵消掉另一个线圈S2中的一次场,并从线圈S2获得二次场Hs,如图 3所示(Won et al., 1996, 1997;Won,2001;张赫,2012).
根据一次场Hp和二次场Hs,结合式(2)可求出PPM(Won et al., 1996):
(2) |
根据一次场Hp和二次场Hs之间的相位差,可以获得同相分量和正交分量(Won et al., 1996).根据这PPM和相位差曲线可以初步找出异常,进一步处理可以获得近地表的视电阻率和磁导率参数曲线(Won et al., 1996;Huang and Won, 2003; Huang, 2005).
FDEM探测深度与其发射频率有关,根据趋肤深度公式(Nabighian,1988):
(3) |
式(3)中的穿透深度δ和发射信号的角频率ω、被探测地质体的磁导率μ、电导率σ有很大的关系.地质环境不变,一次发射多个频率,即可获得不同深度的地层信息,其对应关系如图 4所示(Won,1980;Won et al., 1996;Geophex Ltd.,2017).
便携式近地表FDEM仪器需要使用能发射不同频率的中等功率发射机,采用不同的空心线圈进行接收,对线圈本身和放置的位置参数极为敏感(Won,2003;刘保彬和周伟,2008;王卫平等,2008;张忠祥,2009;孟得东,2009;丁斌等,2010;王庆林,2010;黄勇,2010;张凯,2011;杨海青,2011;余燕琼,2012;任稷松,2012;花加丽等,2012).从发射激励信号到二次场的获取以及最后的数据处理都要采用一系列的电子电路,同时所用电流较大,集成度较高,还要适应不同的环境,所以其可靠性非常重要(李壮,1992;李洁,2000;孙淑琴,2001;邓明等,2004;荣亮亮等,2006;王金玉,2013).
在便携式近地表FDEM仪器中,运算放大器、ADC、DSP、ARM等电子器件是其重要组成部分,直接影响了便携式近地表FDEM仪器的性能.随着便携式近地表FDEM仪器对性能要求的提升,对这些电子器件也提出了更高的要求(林君, 1995, 2004;肖柏勋和祁麟,1998;滕吉文, 2004, 2006;王作峰,2010;王玉玫,2012).
虽然图 4在一定程度上说明了频率与可探测地层深度的关系,但仅属理论层面,实际应用过程中应以各个便携式近地表FDEM仪器手册为准(Brodie and Sambridge, 2006).
3 便携式近地表FDEM仪器的发展历史及应用从20世纪六七十年代电磁感应就被用于近地表勘探,Wait(1962)、Grant和West(1965)、Keller和Frischnecht(1966)、Ward(1967)分别针对经典电磁法理论在地球物理中的应用做了相关理论和应用研究,但基于电磁理论的经典方法在实际应用中有一定局限(Wait,1962;Grant and West, 1965;Keller and Frischnecht, 1966;Ward,1967).在20世纪60年代,许多人采用探地雷达等方法进行近地表探测(Won,1980).到70年代,这类探测逐渐增加(Davis et al., 1966;Won,1980).
为扩大勘探深度,Ryu等(1972)利用200~10000 Hz间的14个离散频率在加利福利亚探测地下水(Ryu et al., 1972),Ward等(1974, 1977)利用10.5~86000 Hz间的14个频率在安大略湖探测硫化物矿床(Ward et al., 1974, 1977).
上述这个阶段可以称作为单频时代,近地表仪器没有频率切换和电源转换机制,每一种频率需要分开操作,不能实现便携性能,这就使得这些系统不能作为一种快速的近地表探测设备(Won,1980).
为了探测不同深度,Patra和Mallick(1980)提出了采用几何探测的方法,它以需要探测位置为中心布置,采用几个收发线圈,类似于激电(IP)方法,改变线圈的空间位置来探测不同深度.尽管收发线圈连在一起,但是在物理上还是分开的,需要两个或者两个以上的操作人员来操作(Keiswetter and Won, 1997).Won作为便携式近地表FDEM仪器领域的最重要人物之一,于1980年提出基于电磁感应的频率域探测方法(Won,1980;Patra and Mallick, 1980;Keiswetter and Won, 1997).该方法初步具有了便携式近地表FDEM仪器的雏形,其收发线圈之间的距离固定不变,探测不同深度是通过改变发射信号频率.探测频率与探测深度的关系主要依据图 4中的趋肤深度图(Won,1980;Keiswetter and Won, 1997).受当时技术所限,采集前端的精度不高,数据记录与存储也不方便,但频率域探测法比几何探测法操作便利、空间分辨率高.
第一个真正意义上的便携式近地表FDEM仪器是1988年为美国海军研制的航空EM仪器Model AEM-1成功用于浅层调查(Won et al., 1996).Model AEM-1主要应用于航空电磁法,在便携等方面有一定的局限性,而且该阶段还处于异常检测阶段.
上述仪器为便携式近地表FDEM仪器研制奠定了一定的基础(Won et al., 1996).但随着考古、环境工程、未爆炸武器等目标的检测需要,近地表地球物理方法的需求从“异常检测”转变为“高精度细节绘制”,要求仪器制造厂商研发一种比以前仪器能更有效地获取近地表目标的仪器设备(Hrvoic et al., 2003).
据资料可知,1992年,由美国陆军建筑工程研究实验室支持的FDEM仪器GEM-1由Geophex公司研制成功,与Model AEM-1的113.4 kg相比,GEM-1的5.4 kg非常轻便(Won et al., 1996).GEM-1被用作环境探测,来调查一些地下填埋物、地下未爆炸的武器、有危险的地下埋藏废品等(Won et al., 1996).
为了获得更高分辨率、探测精度和便捷性,Geophex公司的Won等于1995年研制成功GEM-2,一台重4 kg左右的扁担式FDEM仪器,其操作频率段为90~22000 Hz,若以1.5 m左右间距线探测1小时,可以探测4046 m2,可以获取10000个数据点(Won et al., 1996).GEM-2具有三个线圈,分别为发射线圈、接收线圈和接收抵消线圈,都封装在一个轻便、便携的壳体中,如图 3所示(Won et al., 1996).GEM-2内部还包含了信号处理电路、模拟电路、DSP处理电路等,用户可根据实际需要定义发射频率及组合,从几个单音信号依次发射到6个频率合成的信号合成并同时发射,相应磁矩为3 A·m2(Won et al., 1996;Keiswetter and Won, 1997).GEM-2采样电路的采样率为48 kSPS,其采样长度、频率的步进数量、起始与终止频率等参数可以根据实际探测设定.使用时记录出一次场和二次场信号,再采用窄带匹配滤波器信号检测技术分离出信号的同相和正交向量,然后计算出PPM量(Won et al., 1996).
GEM-2技术上已经是成熟的便携式近地表FDEM仪器,优点是整个发射带宽上信噪比(SNR)一致、灵敏度高、精度高;缺点是起始频率最低到90 Hz、采样率为48 kSPS、最小步进频率为30 Hz.但是作为国外成熟的便携式近地表FDEM仪器,在20年后的今天依然作为便携式近地表FDEM仪器的经典之作服务于近地表探测工作(Won et al., 1996;Keiswetter and Won, 1997).
GEM-2是便携式近地表FDEM仪器的一个里程碑,后来的便携式近地表FDEM仪器大部分是以GEM-2为基础.
为了增加横向和空间分辨率,Geophex公司的Won等于1997年成功研制GEM-3并发表相关论文(Won et al., 1997).如图 2所示,GEM-3采用的是同心圆式的传感器模式,一对发射线圈产生相位相反的一次场,使得同心圆中的接收线圈处一次场为0或接近于0,此时中心接收线圈接收到的信号为地下感应的微弱二次场信号(Won et al., 1997;Miller et al., 2000).三个线圈都安装在同一个同心圆中,物理位置比GEM-2更精确(Won et al., 1997).GEM-3采用脉宽调制(PWM)技术产生发射波,和GEM-2一样利用H桥电路驱动发射信号(Won et al., 1997).GEM-3同时可以发射10个频率,比GEM-2多4个,频率段为30~48000 Hz,也比GEM-2宽,采样率为96 kSPS,抵消线圈也与GEM-2有所不同,采用的是发射抵消线圈(Won et al., 1996, 1997;Nelson et al., 2004).GEM-3与GEM-2对比,在保证探测效率的基础上,实现了单点探测,可以检测更小的近地表埋藏目标,由于线圈传感器位置的原因,对微弱的二次场信号更加敏感,同时磁矩更大,空间分辨率高,SNR更高,没有异常的空间失真,传感器圆形的对称设计简化了数学描述而使得数据处理和反演更简单(Won et al., 1997).
随着Geophex公司的产品系列化,GEM-2A作为GEM-2中的一个系列,于2002年正式商业化并用于航空飞机上进行近地表探测(Won et al., 2003).GEM-3系列化则由GEM-3M、GEM-3 Array、GEM-3R组成,GEM-3M为内置导航器可手持的近地表探测设备,可以实时图像显示(Geophex, Ltd.,2014a).GEM-3 Array为车载式7通道接收的近地表探测设备,探测效率更高、探测间距更小(Geophex, Ltd.,2014b).GEM-3R中具有一个1 m×0.75 m的长方形发射线圈,发射频率选择比较灵活,外接GPS定位系统,手推车式可单人操作,专门用来检测地下埋藏的武器(UXO)(Geophex, Ltd.,2014c).
随后,Geophex公司又研制了GEM-5,分为GEM-5 Array与GEM-5B,该设备主要用于车载式,磁矩高达3000 A·m2,可以同时发射8~12个频率在90~96000 Hz的复合波形,具有更高的SNR,用于检测2 m左右长度的电力线、地雷、地下埋藏的武器等浅层目标(Geophex, Ltd.,2014d).
GEM2、GEM3、GEM5系列产品已经成为目前Geophex公司的主打产品,采用18 bit或24 bit的ADC器件,数据存储采用SD卡,记录采用iPad或者PDA,这些产品一般都是商用电子产品,在工业生产的恶劣环境下存在可靠性隐患.
除了Geophex公司研发的近地表航空电磁仪器之外,Aeroquset公司的Impulse、CGG公司拥有的DIGHEM、RESOLVE都是同类产品(殷长春等,2015).1997年研制成功的Impulse和GEM-2A属于同类产品,但发射信号中包含的合成频率数目要少一些,对弱导电性地质体具有很高的探测灵敏度;1998年研制成功的DIGHEM系统频率范围为900~56 kHz,适用于120 m内的目标体勘查,主要用于勘探浅部矿产资源、环境工程、地下水、海侵和极地研究等;2002年研制的RESOLVE系统有5对水平共面线圈,频率范围为400~140 kHz,1对直立共轴线圈频率为3300 Hz,广泛应用于地质填图、矿产、地热和地下水资源勘查.
上述这些产品在产业化过程中采用先进的嵌入式技术和微弱信号采集处理技术,结合有效的结构设计,使得产品美观大方、携带方便、性能优越,已成功商业化,占据了全球近地表探测领域的绝大部分市场.目前Geophex公司依然围绕便携式近地表FDEM仪器进行研发,其产品还是以电磁感应原理为基础,结合目前的IC(Integrated Circuit,集成电路)设计、电子、计算机技术进行研发高分辨率、高精度、更多频率、灵敏度更高、可靠性更好的产品.
与美、加、德等国外成熟的商业仪器产品相比,中国国情不一样,工业基础薄弱,电磁法仪器研制相对滞后,针对地球物理领域重大需求,重点突破了轻型直流电法、瞬变电磁法、激电法仪器的研制,其他仪器由于国力不足,采用大量进口的方式满足应用需求(底青云等,2013).近地表地球物理仪器主要采用Geophex公司的GEM系列,因此起步更晚,早期便携式近地表FDEM仪器主要有DDW-1,工作频率单一,变频率测试需要多次操作,仪器笨重,需要多人一起操作,技术指标低(张赫,2012).随着改革开放,中国经济高速发展,日益与世界接轨,由能源和资源需求引起的对地球物理仪器的研究日益增多,特别是中南大学、吉林大学和中石油东方公司等单位,以解决实际问题为主.而国内对便携式近地表FDEM仪器的研究主要是进入21世纪以来开始的,主要集中于近地表金属探测器的研制.
信息产业部电子第五十研究所的庞瑞帆等(2001)提出了双频金属探测器,采用等效阻抗法分析金属目标电磁感应信号幅度和相位特性,设计多层印制板接收线圈和移相线圈,解决了海水、磁性土等导电导磁环境下的噪声问题.
近10年来,吉林大学、山东大学、华南理工大学、中国地质大学等单位基于金属探测器等便携式近地表FDEM仪器做出了一系列的研究成果.从2009年开始,以金属探测器研制为题的硕士毕业论文增多,都是以电磁感应及频率域电磁法为基础,主要涉及到微处理器、处理算法、高低频及甚低频、自带LCD显示器、基于多普勒效应、双极性脉冲等技术,具有明显的时代特征(庞瑞帆等,2001;彭正辉等,2012).在便携式近地表FDEM仪器设计与研制过程中,吉林大学最为系统,也最为接近国际水平,林君教授团队设计研制了基于多频电磁感应探测原理样机、宽频带低频连续波电磁法仪器、近地表电磁探测发射信号产生及系统等工作,发表了一系列成果(孙淑琴,2001;王彬,2010;张赫,2012;周逢道等,2013;王金玉,2013).
便携式近地表FDEM仪器有很多成功的应用案例,如美国地调局在Oklahoma对浅地表盐水污染进行了一项GEM-2的调查(Smith et al., 2004).调查中,利用GEM-2收集从330~47010 Hz的5个频率观测数据,在其成果图中显示了在13590 Hz频率处的(250 m×160 m)视电导率,同时在一些地方做了直流探测,并给出了钻孔的位置(Huang,2005).钻孔测量定义了具有高伽马射线水平与低导电性的页岩单位,以及具有非常高导电性的盐水污染(Huang,2005).
虽然便携式近地表FDEM观测仪器在矿洞、盐水等污染、地雷、管道及矿藏勘察等方面有诸多优势,但限于条件和技术,还需在以下方面进一步提升与改善:1)在使用中,恶劣的应用环境对便携式近地表FDEM仪器具有很强的局限性,因此需要更进一步增强软硬件及结构的可靠性;2)传感器的灵敏度需要更进一步提升,传感器一致性有待进一步提升;3)观测系统中采集装置精度、SNR等需进一步提升;4)提升便携式近地表FDEM仪器的勘测深度以及提升仪器的使用与能量利用效率也是需要考虑的;5)降低仪器本身的噪声水平,同时提升仪器对周围噪声的抑制能力在高灵敏度高精度的前提下非常重要.
便携式近地表FDEM仪器具有较长的发展历史,国际上有相当成熟的便携式近地表FDEM仪器系统,技术也相对完善.然而,中国的便携式近地表FDEM仪器研发还处于起步阶段,尚未成功研制出可以完全商业化的自主可控产品.为了满足我国近地表勘查和广大复杂地区近地表找矿的需求,迫切需要研制具有自主知识产品的便携式近地表FDEM仪器来弥补我国在这方面的空缺.
4 应用环境对近地表FDEM可靠性方面的要求便携式近地表FDEM仪器和其他地球物理仪器一样,需长时间不间断工作或在野外恶劣的环境下工作,要满足高低温环境适应性,还要面对在运输使用等过程中的冲撞、摔落等情况.机载FDEM仪器不仅需要考虑上述因素,还需要抗强震.这些仪器不同于仅用于室内的示波器等仪器,需要具有很强的环境适应性(滕吉文,2005;陆其鹄等,2007).
便携式近地表FDEM仪器属于电子设备,而目前还没有真正地把可靠性设计完整地引入到地球物理仪器评估领域,因此,不管是地球物理仪器还是属于地球物理仪器中的便携式近地表FDEM仪器,都要从系统角度去考虑可靠性和环境适应性,毕竟仪器的稳定可靠才是根本.便携式近地表FDEM仪器引入MTBF、MTTR等可靠性指标将会更进一步提升仪器可靠性,在满足可靠性前提下,便携式近地表FDEM仪器可以设计成折叠式等节省空间和便于携带的模式.要提升其可靠性,应该从便携式近地表FDEM仪器的硬件、软件、结构等方面考虑.
4.1 硬件设计可靠性目前很多地球物理仪器都采用嵌入式系统设计,便携式近地表FDEM仪器也不例外,而嵌入式系统的可靠性问题有很大部分来自于设计.因此设计很重要,对于便携式近地表FDEM仪器而言,硬件设计主要从元件选型、功能实现和散热等方面进行提升.
从仪器设计开始,要优中选优,在多种方案中选择最可靠的方案.1)便携式近地表FDEM仪器的可靠性取决于仪器中所有元件的可靠性,因此选择合适的设计以减少元件的数量,能够提升可靠性(李壮,1992;李洁,2000;Yan et al., 2014a).2)便携式近地表FDEM仪器追求的是整体指标,因此单纯追求片面高指标可能会影响最终的可靠性,导致仪器无法在某些恶劣环境下正常工作.3)随着电子技术的发展,实现一个功能可以采用不同的方案,因此合理的划分硬件实现的功能会很大程度上提升仪器的可靠性.4)热设计对于一个电子系统是很重要的,特别是发射机具有大电流,设计的时候要选择温度范围宽的器件,同时需要利用有限元等软件进行热设计.
4.2 软件设计可靠性便携式近地表FDEM仪器中的软件包含嵌入式软件和硬件中的软件如FPGA中的硬件语言.软件可靠性问题虽然不会像硬件和结构上出现可靠性问题一样导致重新设计,使设计成本攀升,但在使用过程中如果出现软件可靠性问题,会导致仪器无法正常使用,影响工程的进度和数据的准确性.
提升便携式近地表FDEM仪器的软件可靠性主要可以采取如下措施:主动措施,如加看门狗,预防程序跑飞,减少软件设计中的错误,采用模块化设计、采用标准化评审等;提升软件的可测试性,采用标准设计,使得软件的可维护性高、易于诊断等(李洁,2000).
4.3 结构设计可靠性仪器结构设计涉及到便携式近地表FDEM仪器的外观、功能电子板卡、大的功能元件之间的连接稳定性,运输中震动和冲击导致便携式近地表FDEM仪器中的板卡分离、焊接的元件脱落等情况.为了防止这些情况的出现,进行结构设计可靠性考虑是非常必要的.
结构设计可靠性主要考虑系统接插件、较重的器件如MOS管、板卡模块等模块的固定;结合硬件设计如何散热、如何更加美观、如何提升便捷性和使用寿命(李洁,2000;邓明等,2004).在适当的时候可以考虑引入一些新方法利用已有硬件,采用合理的软件设计来规避一些结构设计中的可靠性问题(Yan et al., 2014a).
5 新技术对便携式近地表FDEM仪器发展的影响进入21世纪以来,以电子和计算机为基础的嵌入式技术突飞猛进,并随着各个品牌的智能手机深入人心,因此以嵌入式技术等为核心的技术也将会进一步促进便携式近地表FDEM仪器的发展.这些发展主要体现在产品的可靠性、集成化程度、前端采集、数据处理、使用方便程度等方面.
5.1 嵌入式技术带来的影响中心处理器决定了便携式近地表FDEM仪器的实时处理能力,目前可选的地球物理仪器处理器为X86处理器、DSP、ARM,但常见的还是PC104架构的X86处理器.而当前的嵌入式芯片如ARM等种类多、主频高、总线种类丰富、DDR容量大、片上存储接口容量大、功耗低、精简指令集、没有像X86架构那样的南北桥、设计资源丰富等,甚至有一些ARM芯片带有多个ARM核和DSP处理器核,处理能力非常强大,功耗也更低(Yan et al., 2014b).鉴于大部分ARM的处理能力和数据吞吐能力完全可以满足便携式近地表FDEM仪器需求,因此ARM等嵌入式芯片完全满足便携式近地表FDEM仪器的设计,替换掉很多复杂的设计,使得整体集成度更高,成本也会更低.而且如果采用分布式设计,在每一个便携式近地表FDEM仪器采集站上使用一个ARM进行数据的管理与控制,采用高端ARM芯片的PDA集中显示和数据收集,将会更进一步降低成本和功耗,提升数据的处理能力、集成度与可靠性.
因此,在便携式近地表FDEM仪器甚至很多地球物理仪器中,可以利用目前的ARM芯片取代X86芯片,利用高速紧凑式结构如CPCI替换PC104架构,从而提升我国的仪器设计能力.
5.2 模拟技术带来的影响美国的ADI、TI、美信等公司为世界提供了宽带宽、高速、多种类的运算放大器及同类产品.所提供的各种模数转换器(ADC)种类也越来越多、性能越来越好.
从一些高性能模拟器件数据手册中得知,它们的电压噪声功率频谱只有几nV2/Hz甚至1 nV2/Hz,在进行模拟信号调理时可以选择的器件种类较多、设计裕度较大,仪器整体噪声和功耗更低.同时还提供很多设计工具可以进行模拟电源设计选型、模拟链路设计仿真及选型、各种滤波器的设计仿真和器件选型等,使数据接口无缝链接,设计方便,提升了设计的准确率和成功率,使得便携式近地表FDEM仪器的信号调理更合理、噪声更低、集成化程度更高、设计更便利、功耗更小.
Geophex公司的主打产品GEM2采用的是18 bit的ADC器件,而国内目前的一些设计采用的是24 bit的ADC器件(张赫,2012;Won et al., 1996, 1997).ADI公司已有了32 bit高精度ADC,ADC有效位数、采样率、SFDR、SNR及其他一些参数的提升,使得数据采集更加精密,让前端的信号调理更有意义.
5.3 并行处理技术带来的影响并行处理技术主要是指以DSP、FPGA/CPLD、GPU及多核处理器为平台的处理技术等.随着近年来FPGA/CPLD芯片公司推出的芯片越来越丰富、价格越来越合理、资源也更多,芯片内部集成了很多软硬IP Core、DSP单元甚至内部集成ARM核,FPGA/CPLD芯片应用越来越多(Yan et al., 2015a, 2015b).在便携式近地表FDEM仪器中,选择一些合适的低功耗FPGA/CPLD芯片可以作为几路数据的接口协议芯片,使得前后能够选择的芯片更加丰富,让某些性能得到很大提升,也可以作为数据预处理单元,多个进程同步处理,使得数据处理实时性更高,解决整个系统的数据处理瓶颈问题.在便携式近地表FDEM仪器中,采用并行处理方法,会有效地提升采集与处理效率(胡水根和刘盛东,2010).
DSP以及多核处理器目前发展非常迅速,而且随着这些元件处理速度的提升,被用于各种工程领域中.DSP及多核处理器可用于单台便携式近地表FDEM仪器中,实时进行数据的处理,如各种滤波、抗工频扰动、成图计算等功能,使仪器对各种数据处理的速度更加快捷,从而提升数据采集的效率.GPU并行处理能力非常高,可以用于大量的便携式近地表FDEM仪器的视电阻率和磁导率计算及最终成图,从而提升仪器的计算效率.
5.4 无线通信技术带来的影响目前无线技术发展如火如荼,WiFi、Zigbee、Bluetooth等技术出现在各类手机或PDA中.这些无线技术的出现,将简化便携式近地表FDEM仪器的设计,使得以前靠传统总线传输的方式改变成以无线方式传输,如GEM2中的RS232传输方式可以改成WiFi、Zigbee等方式,WiFi速度快,Zigbee功耗低且在可视距离下传输远达500 m甚至更远,便于组建网络.因此无线通信技术会使得便携式近地表FDEM仪器向模块化、低功耗、便携式、分布式方向发展,进一步提升其可靠性与便捷性.
5.5 分布式便携式近地表FDEM仪器研制趋势除直升机近地表FDEM电磁勘探仪器,现有的地基近地表FDEM电磁勘探仪器如GEM2等因存在通道少、一次获得观测数据少、抑制噪声能力低等缺点,单台仪器探测效率十分低下,难以实现高效的生产.为解决上述问题,获得较为精确的探测数据,使生产高效准确,可以采用分布式近地表FDEM电磁勘探仪器设计方式(张文秀等,2012;Yan et al., 2014a).
如图 5所示,多台仪器组成一列,每台仪器可一个人携带并操作,每个人之间有一定的距离,每台仪器上有必要的发射机、发射线圈与接收线圈、采集模块、数据预处理与存储模块、GPS或者北斗定位模块、无线通信模块,而中央控制站则采用一个PDA,同样带有大容量数据存储模块、GPS或者北斗定位模块、无线通信模块,实施对每台仪器的控制和数据的收集.这样操作每台仪器的人可以统一的按照中央控制器的指令进行操作,节省操作时间,及时发现问题,有效提升效率.同时这样也能提升产品的可靠性,降低实际生产时的智力成本.
我国便携式近地表FDEM仪器,由于起步较晚,但只要抓住现有先进技术进行研发,避免和国外一样在技术更新换代上的困难,将会迎头赶上并进入国际先进行列.为更好地使中国仪器市场化,仪器研发将会越来越重视可靠性和环境适应性.以便携式近地表FDEM仪器的可靠性为前提,结合新技术或者即将产生的新技术,将嵌入式技术、模拟技术、并行处理技术、无线技术及其他技术用于设计中,使近地表FDEM电磁勘探仪器向着高集成化、低功耗、高精度、实时处理能力强、降低重量、折叠式便于携带等方向发展,甚至会引导便携式近地表FDEM仪器设计理念上的变革.分布式地球物理仪器将会成为一种架构供设计者选择,同时便携式近地表FDEM仪器也将会在分布式架构上进一步发展,满足高分辨率、高精度、多频率、高灵敏度、高可靠性、低成本等要求.可以预见,在不远的将来,中国的地球物理工作者将使用到具有中国自主知识产权的商业化地球物理仪器.
致谢感谢湖南强军科技有限公司及中国科学院光电技术研究所相关技术人员的帮助和支持.
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