基于四旋翼飛行器的長導線源時域地空探測系統的研究與實現

作者 王明全 王遠航 于志新 陶健 東北大學 計算機科學與工程學院(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。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，實現了24位低噪聲、多通道電磁數據同步采樣及存儲，實現了一套由四旋翼飛行器搭載的時域電磁接收系統，并通過WiFi Mesh網絡來進行地面遠程監(jiān)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，為地質勘探提供了一種可靠的新方法。

引言

　　地質勘探對于礦產資源的開采具有重要的指導意義，隨著時代的發(fā)展，探測方法也在不斷改進^[1]。早期的地面時域電磁法雖然技術發(fā)展的比較成熟，但探測效率低下，且很難對特殊地形進行勘探^[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，近些年國內四旋翼飛行器技術發(fā)展迅猛，應用也越來越廣泛。針對以上背景，在參考眾多文獻[3-14]后，著手設計并實現了一套以四旋翼飛行器為載體的時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行電磁壓制，并通過WiFi Mesh網絡來進行地面遠程監(jiān)控，實現了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。本系統由長導線發(fā)射源、接收電路、空中數據采集、遠程監(jiān)控、數據傳輸、ICA降噪、地面數據接收及處理幾部分構成。經過波形發(fā)生與功放電路，產生一個激勵信號，送入發(fā)射用長導線，長導線長80m，發(fā)射電流5A。然后由位于四旋翼上的接收電路進行電磁信號接收，并用機載單片機進行數據采集與儲存，最后通過遠程數據傳輸網絡將數據傳給位于地面的數據處理系統進行數據處理。

2 發(fā)射電路

　　波形發(fā)生電路：采用9833模塊產生一個頻率為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，需要進行功率放大，以保證足夠的輸出電流，從而確保產生足夠強大的磁場。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模數轉換器具有共模抑制性能出色、二階失真產物較少、直流調整算法簡單的優(yōu)點，可有效應對飛行器飛行過程中產生的共模干擾。

4 數據采集部分

　　采用三分量全差分連續(xù)采集存儲技術^[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)化控制時序，減少時序中無數據傳輸的時間，再利用DMA數據傳輸通道，從而縮短整體數據的傳輸時間。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△∑結構的模數轉換器ADSl274對信號進行數字采樣，以確保不小于140 dB的動態(tài)范圍，工作方式設置為三通道全差分輸入，由統一時鐘進行同步采樣，實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

　　采用聚合物電池進行供電，用專門的電壓轉換芯片對電池電壓進行轉換從而滿足數模轉換器、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(jiān)控及數據傳輸

　　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行遠程監(jiān)控，根據實時傳回的數據監(jiān)控接收機的狀態(tài)和對采集過程進行控制，地空電磁接收系統采用基于802.119協議的WiFi網絡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，在開闊場地使用高增益天線時，其有效距離可達400m。為實現地面站和巡航的四旋翼飛行器進行無縫鏈接，采用了基于多跳結構的 WiFi-Mesh網。擴展無線Mesh網的覆蓋范圍只需添加節(jié)點設備，網絡便可進行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。

7 地面數據處理系統

　　經過電性源地-空電磁探測系統硬件濾波和信號檢測之后，得到時域電磁信號的信噪比仍然較低，需要進一步進行軟件數據處理，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。并通過求解相應的地電參數來識別地下電性結構。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，設計了一套時域地空電磁探測系統，并可以實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亮點。四旋翼飛行器價格相對較低，易于操作，且技術成熟，能夠很好的滿足系統要求。但由于場地限制，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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　　本文來源于《電子產品世界》2017年第8期第43頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。