基于四旋翼飛行器的長(cháng)導線(xiàn)源時(shí)域地空探測系統的研究與實(shí)現

作者 王明全 王遠航 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(yáng) 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(shí)域地空電磁探測系統。該系統采用Cortex-M3內核處理器，以全差分模擬前端壓制電磁干擾，實(shí)現了24位低噪聲、多通道電磁數據同步采樣及存儲，實(shí)現了一套由四旋翼飛行器搭載的時(shí)域電磁接收系統，并通過(guò)WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行地面遠程監控。該系統具有高效、低成本、勘探深度大和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)采具有重要的指導意義，隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，探測方法也在不斷改進(jìn)^[1]。早期的地面時(shí)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(lái)提出的航空時(shí)域電磁法雖然解決了地面時(shí)域電磁法的問(wèn)題，但是成本較高，探測精度也不理想。而新興的地空時(shí)域電磁法則很好地融合了前面兩者的優(yōu)點(diǎn)^[2]，因此近些年被廣泛研究。而另一方面，近些年國內四旋翼飛行器技術(shù)發(fā)展迅猛，應用也越來(lái)越廣泛。針對以上背景，在參考眾多文獻[3-14]后，著(zhù)手設計并實(shí)現了一套以四旋翼飛行器為載體的時(shí)域地空電磁探測系統。該系統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(guò)WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行地面遠程監控，實(shí)現了24位低噪聲、多通道電磁數據同步采樣及存儲。使得該系統高效、低成本、勘探深度大且空間分辨率高。

1 系統整體方案

　　系統整體結構如圖1所示。本系統由長(cháng)導線(xiàn)發(fā)射源、接收電路、空中數據采集、遠程監控、數據傳輸、ICA降噪、地面數據接收及處理幾部分構成。經(jīng)過(guò)波形發(fā)生與功放電路，產(chǎn)生一個(gè)激勵信號，送入發(fā)射用長(cháng)導線(xiàn)，長(cháng)導線(xiàn)長(cháng)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)行數據采集與儲存，最后通過(guò)遠程數據傳輸網(wǎng)絡(luò )將數據傳給位于地面的數據處理系統進(jìn)行數據處理。

2 發(fā)射電路

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

　　功率放大電路：通過(guò)9833模塊得到了較為理想的信號波形，但此時(shí)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(chǎng)。具體方案如圖2所示。

3 接收電路及信號預處理

　　從接收線(xiàn)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處理。預處理方案如圖3~圖5所示。采用全差分運放驅動(dòng)模數轉換器具有共模抑制性能出色、二階失真產(chǎn)物較少、直流調整算法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可有效應對飛行器飛行過(guò)程中產(chǎn)生的共模干擾。

4 數據采集部分

　　采用三分量全差分連續采集存儲技術(shù)^[6]，在地空電磁接收機中，為提高波形數據的傳輸效率，首先使用 GPIO口的位操作方式優(yōu)化控制時(shí)序，減少時(shí)序中無(wú)數據傳輸的時(shí)間，再利用DMA數據傳輸通道，從而縮短整體數據的傳輸時(shí)間。時(shí)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△∑結構的模數轉換器ADSl274對信號進(jìn)行數字采樣，以確保不小于140 dB的動(dòng)態(tài)范圍，工作方式設置為三通道全差分輸入，由統一時(shí)鐘進(jìn)行同步采樣，實(shí)現三分量電磁信號采集。數據采集及飛控部分如圖6所示。

5 系統供電電路

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

6 遠程監控及數據傳輸

　　在四旋翼飛行器的飛行過(guò)程中，需要操作人員在地面對空中接收機進(jìn)行遠程監控，根據實(shí)時(shí)傳回的數據監控接收機的狀態(tài)和對采集過(guò)程進(jìn)行控制，地空電磁接收系統采用基于802.119協(xié)議的WiFi網(wǎng)絡(luò )建立遠程數據傳輸通道。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不會(huì )發(fā)生串擾而威脅飛行安全。其最高傳輸速率達 54 Mbit/s，在開(kāi)闊場(chǎng)地使用高增益天線(xiàn)時(shí)，其有效距離可達400m。為實(shí)現地面站和巡航的四旋翼飛行器進(jìn)行無(wú)縫鏈接，采用了基于多跳結構的 WiFi-Mesh網(wǎng)。擴展無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)的覆蓋范圍只需添加節點(diǎn)設備，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 地面數據處理系統

　　經(jīng)過(guò)電性源地-空電磁探測系統硬件濾波和信號檢測之后，得到時(shí)域電磁信號的信噪比仍然較低，需要進(jìn)一步進(jìn)行軟件數據處理，包括電磁信號的基線(xiàn)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(guò)求解相應的地電參數來(lái)識別地下電性結構。流程圖如圖8所示。

8 結論

　　本文利用STM32處理器以四旋翼飛行器為載體，設計了一套時(shí)域地空電磁探測系統，并可以實(shí)現對地下礦藏的探測。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計的一個(gè)亮點(diǎn)。四旋翼飛行器價(jià)格相對較低，易于操作，且技術(shù)成熟，能夠很好的滿(mǎn)足系統要求。但由于場(chǎng)地限制，以及飛行器操作水準有限，效果難免不夠理想。若發(fā)射功率更大，飛行器操作水準更高，則探測能力還可大幅提升。

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