瞬变电磁法是近年来被广泛应用(Albouy et al., 2001；陈卫营和薛国强，2013；赖刘保等，2016；薛国强和于景邨，2017)的一种时间域电磁勘探方法.随着电子信息技术的不断发展，瞬变电磁仪器在观测精度、抗干扰能力和噪声抑制能力等方面取得了快速的进步(李文尧等，2012；底青云等，2015；武欣等，2016).瞬变电磁信号类似于e指数衰减信号，目前通用信号源不能方便快捷地产生可调幅度的e指数衰减信号和模拟的无人机电磁干扰以及线圈运动噪声，无法对实测波形与理想波形进行对比分析，因此需设计专用测试装置检测半航空瞬变电磁接收机的性能指标.

吉林大学已经较为深入地进行了地面瞬变电磁信号源的研究工作，尹炳琪(2013)和张雨默等(2015)基于STM32研制了地面瞬变电磁信号源，但专用于半航空瞬变电磁接收机信号源的研制还鲜见.无人机电磁干扰和线圈运动噪声是半航空瞬变电磁相对于地面瞬变电磁而言“特有”的两种噪声.因此，地面瞬变电磁信号源无法验证半航空瞬变电磁接收系统对无人机电磁干扰的滤波及对线圈运动噪声进行姿态校正处理的效果.

本文采用现场可编程门阵列(FPGA)为主控器件，在运用SOPC技术的基础上，调用了NiosII软核来设计测试装置，具有灵活性强、设计周期短、可移植性高的优势(Lin and Lee, 2006；胡云峰等，2010；胡志海等，2010；黄海波等，2012).同时在地面瞬变电磁信号源的基础上添加了无人机电磁干扰和线圈运动噪声，更加符合半航空瞬变电磁接收机室内测试的需求.

信号产生模块是基于半航空瞬变电磁信号模型来产生模拟信号与噪声数据，因此设计专用测试装置的关键是半航空瞬变电磁信号和噪声的模型建立.

半航空瞬变电磁信号产生的物理模型如图 1所示，将电阻R、电感L组成的电路回线放置在发射线圈周围, 用于模拟地下地质体，此电路回线被称为异常线圈.当发射线圈通以周期性交变的发射电流I(t)时，根据麦克斯韦方程，变化的电流通过发射线圈会产生变化的磁场，叫做一次场.一次场通过异常线圈形成时变的感应涡流i(t)，变化的感应涡流在接收线圈内产生二次场V_o(t)(Spies，1980；谭飞亚，2010).

图 1

Figure 1

图 1 半航空瞬变电磁信号物理模型 Figure 1 The physical model of semi-airborne transient electromagnetic signal

在发射电流I(t)的作用下，可得接收线圈感应电压为

(1)

其中，Φ₀是发射磁场和异常线圈之间的等效磁通量，M为异常线圈和接收线圈之的互感，.通过进一步分析，建立瞬变电磁信号的仿真模型为

(2)

其中A为幅值，n为叠加次数，τ为衰减系数，决定了瞬变电磁响应的衰减速度.公式(2) 是信号产生模块生成半航空瞬变电磁信号波形的依据(王鼎鸿，2015).

在半航空瞬变电磁勘查系统中，接收部件被挂载在无人机上，无人机的电机和飞控工作时会对接收系统接收的信号产生电磁干扰.由于无人机电磁干扰较复杂，难以建立数学模型，通过野外实验采集实际的无人直升机电磁干扰数据作为测试装置的无人机电磁干扰模型，波形如图 2所示.

图 2

Figure 2

图 2 野外实验采集的实际无人机电磁干扰信号 Figure 2 Electromagnetic interference signal of actual UAV collected in field experiment

无人机在飞行中，吊挂的接收线圈由于气流和风向等因素的影响不能保持平稳状态，会出现一定的旋转和摆动，致使接收的瞬变电磁信号也会发生相应的改变，就会产生线圈运动噪声(稽艳鞠等，2010；武莹，2014).线圈运动噪声是一种低频噪声(频率小于10 Hz)，其幅值可达n×10 μV以上.通过野外实验采集线圈运动噪声, 再对采集数据进行多项式拟合，建立其仿真模型，设n阶多项式为：

(3)

其中a_j为多项式系数，k为信号采样点.假设多项式阶数n=10，使用MATLAB的polyfit函数和polyval函数进行拟合，得到线圈运动噪声的拟合波形如图 3，可以看到拟合的线圈运动噪声和实测噪声波形有较好的一致性.

图 3

Figure 3

图 3 拟合线圈运动噪声 Figure 3 Fitted motion noise of coil

如图 4所示，半航空瞬变电磁接收机测试装置主要由上位机、信号产生模块、信号输出模块三部分组成.

图 4

Figure 4

图 4 半航空瞬变电磁接收机测试装置系统 Figure 4 The system of testing device of semi-airborne transient electromagnetic receiver

上位机采用PC机，使用LabVIEW开发了上位机测试软件，图 5a为该测试软件的功能模块，由波形参数设置及显示、数据分析、数据存储以及生成测试报表组成.根据项目需求进行了测试软件的设计，软件主界面如图 5b所示，测试软件可以实现通信串口的配置、噪声类型选择、信号参数设置、波形显示以及数据存储等功能.

图 5

Figure 5

图 5 上位机设计 (a)测试软件功能模块图；(b)测试软件主界面. Figure 5 Function module diagram of test software(a) and main interface of test software(b)

信号产生模块主要由现场可编程门阵列(FPGA)和存储器SRAM组成.运用Quartus II设计电路，如图 6所示，主要由NiosII控制模块(inst)、相位累加器模块(inst3) 和SRAM控制模块(inst4) 组成.其中NiosII控制模块接收上位机传来的控制参数，然后根据瞬变电磁信号模型(式2) 和叠加的噪声类型，实时产生上位机设定的信号波形数据；根据DDS原理(李晓芳等，2006；高士友等，2009；王佳荣等，2016；崔永俊等，2016)，SRAM控制模块用于控制波形数据写入和读出SRAM，相位累加器模块的相位累加值输出译码后作为读SRAM存储器数据的地址，此时SRAM存储器对应地址的数据将被输出给D/A转换器，并根据相位的变化输出同步脉冲信号.

图 6

Figure 6

图 6 信号产生模块电路 Figure 6 Circuit of signal generating module

信号产生模块软件流程图如图 7所示，系统初始化完成以后，一旦上位机传输控制参数给信号产生模块，波形数据产生过程参照公式(2) 和叠加的噪声类型产生波形数据，再通过SRAM控制模块将一个周期的波形数据存储到SRAM.信号读出过程中，信号产生模块会一直检测上位机是否改变控制参数，一旦参数发生改变，就会重新进行波形数据生成以及波形数据写进SRAM两个过程，否则会一直进行波形数据读出过程.

图 7

Figure 7

图 7 信号产生模块软件流程图 Figure 7 The software flow chart of signal generation module

信号输出模块的功能是将信号产生模块输出的数字信号转换成模拟信号输出，这主要采用D/A转换器来实现.

由于半航空瞬变电磁接收机采集的二次场信号属于大动态信号，其时间范围从n×10 μs至n×10 s，信号呈现出早期幅值高而且衰变速度快，而晚期信号幅值小且衰减速度慢的特点，晚期信号幅值低至μV级(牛之琏，2007)，因此要测试半航空瞬变电磁接收机对二次场信号采集的精度，就需要设计产生μV级二次场信号的专用测试装置(李文尧等，2012).

D/A转换器的转换精度用分辨率和转换误差来描述，输入数据位数为n位的D/A转换器能够分辨最小电压可以表示为

(4)

因此，当基准V_REF=2.5 V时，18位的DAC理论上能产生μV级信号，但D/A转换器存在转换误差，一般为1/2LSB~2LSB，为了使测试装置输出的信号精度满足系统需求，采用20位DAC芯片AD5791作为数模转换芯片.AD5791是一款20位、1 ppmINL、建立时间为1 μs的电压输出DAC，采用双极性电源供电和多功能三线式串行接口，能够以最高35 MHz的时钟速率工作.

信号输出模块电路主要由D/A转换电路和滤波电路组成，其电路原理如图 8所示.信号产生模块产生的数字信号输出到D/A转换芯片U1，转换成模拟信号；其中U2用于基准电压缓冲器，以减少D/A线性转换误差；U1的输出阻抗为3.4K，需要用U3作为输出缓冲器，以驱动低电阻、高电容负载，同时通过U1内部配置实现输出信号由单极性转双极fig性.

图 8

Figure 8

图 8 信号输出电路设计 Figure 8 Design of signal output circuit

由于瞬变电磁接收机的采样率为50 kHz，根据奈奎斯特定理可知测试装置输出信号的频率应低于25 kHz，因此本文采用运放U4构建了截止频率为25 kHz的二阶有源低通滤波器，根据公式(5) 可确定有源低通滤波器R和C的大小.公式(5) 为

(5)

本文选用PC机、Agilent DSO-X 3034A示波器、DT9904万用表等设备对半航空瞬变电磁测试装置的输出波形(瞬变电磁信号和同步触发信号)和叠加了噪声的混合信号以及输出信号分辨率进行了测试：

(1) 半航空瞬变电磁发射机须与接收机同步，半航空瞬变电磁接收机专用测试装置产生的e指数衰减信号和同步触发信号波形如图 9a所示，同步触发信号和e指数衰减信号的时延小于2 μs.图 9b和图 9c分别是叠加无人机电磁干扰和线圈运动噪声的瞬变电磁信号波形.

图 9

Figure 9

图 9 测试装置的输出波形 (a)同步信号；(b)叠加无人机电磁干扰的瞬变电磁信号波形；(c)叠加线圈运动噪声的瞬变电磁信号波形. Figure 9 Output waveform of test device: synchronous signal(a); the waveform of transient electromagnetic signal superimposed on electromagnetic interference of UAV(b)and the waveforms of transient electromagnetic signals superimposed on the coil motion noise(c)

(2) 预设信号与输出信号对比分析

使用Agilent DSO-X 3034A示波器采集测试装置输出的瞬变电磁信号波形，然后使用MATLAB对实际输出信号数据与预设信号数据成图，图 10a是线性坐标下的时域信号波形对比结果，图 10b是转换成对数坐标系后的时域信号波形对比结果，可以看到实际输出信号在-80 dB(20 lgy)处开始进入噪声区，根据公式

图 10

Figure 10

图 10 实测信号与理论信号对比 (a)常数坐标系下对比曲线；(b)对数坐标系下对比曲线. Figure 10 Comparison of measured signal and theoretical signal of contrast curve in constant coordinate system(a) and contrast curve in logarithmic coordinate system(b)

(6)

可知-80 dB对应信号幅值y为10^-4 V, 即测试装置的信号分辨能力为100 μV，满足仪器测试与标定需求.

本文从理论上建立了半航空瞬变电磁信号(类似于e指数衰减信号)模型，并在地面瞬变电磁天电噪声和人文噪声的基础上增加了无人机干扰和线圈运动噪声两种半航空瞬变电磁特有的噪声模型.构建了由上位机、信号产生模块和信号输出模块组成的测试装置系统，并运用DDS和SOPC技术，基于FPGA设计了半航空瞬变电磁接收机测试装置的核心部分——信号产生模块.最后，对半航空瞬变电磁测试装置的输出信号测试，结果表明，该装置能够产生衰减幅度可调的瞬变电磁信号，并可以叠加无人机电磁干扰和线圈运动噪声，输出信号幅度分辨力为100 μV，满足接收机测试的要求.半航空瞬变电磁接收机测试装置专用于半航空瞬变电磁接收机的室内调试，具有输出信号参数可设置、可叠加多种噪声、输出分辨率高等特点.