基于四旋翼飛行器的長(zhǎng)導(dǎo)線源時(shí)域地空探測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

作者 王明全 王遠(yuǎn)航 于志新 陶健 東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(hào)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(cè)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(shí)現(xiàn)了24位低噪聲、多通道電磁數(shù)據(jù)同步采樣及存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一套由四旋翼飛行器搭載的時(shí)域電磁接收系統(tǒng)，并通過(guò)WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(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(duì)于礦產(chǎn)資源的開采具有重要的指導(dǎo)意義，隨著時(shí)代的發(fā)展，探測(cè)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(cè)效率低下，且很難對(duì)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(cè)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(guó)內(nèi)四旋翼飛行器技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。針對(duì)以上背景，在參考眾多文獻(xiàn)[3-14]后，著手設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套以四旋翼飛行器為載體的時(shí)域地空電磁探測(cè)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(guò)WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了24位低噪聲、多通道電磁數(shù)據(jù)同步采樣及存儲(chǔ)。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(zhǎng)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(guò)波形發(fā)生與功放電路，產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，送入發(fā)射用長(zhǎng)導(dǎo)線，長(zhǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)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(hào)接收，并用機(jī)載單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存，最后通過(guò)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(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(hào)波形，但此時(shí)的信號(hào)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(qiáng)大的磁場(chǎng)。具體方案如圖2所示。

3 接收電路及信號(hào)預(yù)處理

　　從接收線圈接收到的信號(hào)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(yùn)放驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)對(duì)飛行器飛行過(guò)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(chǔ)技術(shù)^[6]，在地空電磁接收機(jī)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(shí)序，減少時(shí)序中無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)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(shí)間。時(shí)間域電磁信號(hào)早期衰減迅速且幅值大，晚期信號(hào)微弱。采用24位△∑結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSl274對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣，以確保不小于140 dB的動(dòng)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(shí)鐘進(jìn)行同步采樣，實(shí)現(xiàn)三分量電磁信號(hào)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(duì)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(guò)程中，需要操作人員在地面對(duì)空中接收機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)監(jiān)控接收機(jī)的狀態(tài)和對(duì)采集過(guò)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(huì)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(chǎng)地使用高增益天線時(shí)，其有效距離可達(dá)400m。為實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的 WiFi-Mesh網(wǎng)。擴(kuò)展無(wú)線Mesh網(wǎng)的覆蓋范圍只需添加節(jié)點(diǎn)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(guò)電性源地-空電磁探測(cè)系統(tǒng)硬件濾波和信號(hào)檢測(cè)之后，得到時(shí)域電磁信號(hào)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(hào)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(guò)求解相應(yīng)的地電參數(shù)來(lái)識(shí)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(jì)了一套時(shí)域地空電磁探測(cè)系統(tǒng)，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下礦藏的探測(cè)。這得益于此處理器強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力。四旋翼飛行器是本設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)。四旋翼飛行器價(jià)格相對(duì)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(chǎng)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(cè)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)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。