[发明专利]一种基于相关辨识技术的电法勘探系统

摘要

一种基于相关辨识技术的电法勘探系统，包括：GPS模块、FPGA时钟分频与伪随机信号生成模块、主控STM32单片机模块、温度检测模块、显示控制模块；IPM模块，AD采集模块，DSP实时处理模块，存储模块，串口通信模块。通过GPS天线实现自动获取卫星时间；时间信息通过GPS模块上的串口进入STM32模块，单片机计算卫星时间与设定时间的时间差，并开始倒计时，当计时时间到达时，单片机向FPGA发送一个启动控制信号，系统开始运行；于此同时，接收机也在同时时刻启动AD，开始采集信号，并进行实时的数据处理。当一个测点的发送与采集工作完成时，停止采集。改变参数后继续发送与采集。本发明能实现视电阻率和视频散率的计算。

主权项

一种基于相关辨识技术的电法勘探系统，其特征在于包括：发射部分、接收部分和相关辨识数据处理部分，其中：发射部分包括：第一GPS模块(1)、第一FPGA模块(2)、第一单片机模块(3)、IPM模块(4)、第一显示控制模块(5)、第一温度检测模块(6)、第一存储模块(7)、第一键盘模块(8)、第一串口通信模块(9)、第一发射电极(101)和第二发射电极(102)；第一GPS模块(1)包括第一GPS天线(11)、第一脉冲输出端(12)和第一信号输出串口(13)；第一FPGA模块(2)包括第一分频脉冲同步模块(21)、第一伪随机信号生成模块(22)、第一启动控制模块(23)和第一恒温晶振(24)；第一单片机模块(3)包括第一计数单元(31)、第一温度检测单元(32)、第一GPS串口(33)、第一异常报警单元(34)、第一显示与控制单元(35)、第一数据存储模块(36)、第一串口通信单元(37)、第一键盘控制模块(38)、第一启动控制单元(39)和第一信号记录单元(310)；IPM模块(4)包括驱动控制电路(41)、异常报警电路(42)和信号发送单元(43)；第一显示控制模块(5)包括第一参数显示单元(51)和第一触摸屏手动控制单元(52)；驱动控制电路(41)与第一伪随机信号生成模块(22)连接，异常报警电路(42)与第一异常报警单元(34)相连接；参数显示单元(51)和触摸屏手动控制单元(52)均与第一显示与控制单元(35)相连；第一温度检测模块(6)与第一温度检测单元(32)连接；第一存储模块(7)与第一数据存储模块(36)连接；第一异常报警单元(34)与异常报警电路(42)连接；第一串口通信单元(37)与第一串口通信模块(9)连接；键盘模块(8)与第一键盘控制模块(38)相连接；在发送部分中：第一GPS天线(11)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第一信号输出串口(13)发送至第一GPS串口(33)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第一脉冲输出端(12)传送给第一分频脉冲同步模块(21)；第一分频脉冲同步模块(21)不断地接收第一脉冲输出端(12)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第一脉冲输出端(12)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第一计数单元(31)；第一启动控制模块(23)接收到来自第一启动控制单元(39)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第一伪随机信号生成模块(22)；第一伪随机信号生成模块(22)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并转化为用于驱动控制电路(41)的伪随机控制信号；并将生成的伪随机控制信号发送至驱动控制电路(41)；第一GPS串口(33)接收到第一信号输出串口(13)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第一显示与控制单元(35)和第一计数单元(31)；第一计数单元(31)接收来自第一显示与控制单元(35)或第一键盘控制模块(38)输入的启动时间数据，同时也接收来自第一GPS串口(33)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第一GPS串口(33)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第一计数单元(31)内部，用第一分频脉冲同步模块(21)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第一启动控制单元(39)发送启动信号；第一温度检测单元(32)向第一温度检测模块(6)发送采集温度数据的指令，第一温度检测模块(6)接收到该指令后，将温度信息发送给第一温度检测单元(32)；如果第一温度检测单元(32)检测到的温度高于设定的值，则发送报警信号给第一异常报警单元(34)；第一异常报警单元(34)接收来自第一温度检测单元(32)和异常报警电路(42)传来的报警信号后立即报警；第一显示与控制单元(35)通过第一参数显示单元(51)将第一GPS串口(33)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第一触摸屏手动控制单元(52)输入的信息传送到第一计数单元(31)；第一数据存储模块(36)接收第一信号记录单元(310)传来的数据，并将这些数据存入第一存储模块(7)；第一串口通信单元(37)通过第一串口通信模块(9)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；第一键盘控制模块(38)接收由第一键盘模块(8)传来的信息，并将这些信息传输给第一计数单元(31)；第一启动控制单元(39)等待第一计数单元(31)发来的启动指令，当启动指令到达时，发送启动指令到第一启动控制模块(23)；第一信号记录单元(310)记录第一伪随机信号生成模块(22)生成的伪随机控制信号，并将记录下来的数据发送给第一数据存储模块(36)；驱动控制电路(41)在系统上电后等待第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号，若驱动控制电路(41)没有收到第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号时，则不发出驱动信号至信号发送单元(43)，信号发送单元(43)处于关断状态；当驱动控制电路(41)收到第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号时，则向信号发送单元(43)输出驱动信号，信号发送单元(43)开始工作将探测信号通过第一发射电极(101)和第二发射电极(102)送入地下；异常报警电路(42)在工作中检测到IPM模块(4)异常后，异常报警电路(42)输出一个异常报警信号给驱动控制电路(41)，同时也发送一个报警信号给第一异常报警单元(34)，驱动控制电路(41)接收到异常报警信号后将输入信号锁定，从而实现中止信号发送单元(43)的工作，在实际应用中，驱动控制电路(41)只需将输入信号锁定即可，第一异常报警单元(34)在接收到报警信息后，第一单片机模块(3)在需要时可以控制第一启动控制模块(23)中止信号发送，只要使驱动控制电路(41)停止工作，信号发送单元(43)的信号也自然停止；参数显示单元(51)将第一显示与控制单元(35)发送来的数据显示出来，第一触摸屏手动控制单元(52)将用户输入的信息传输给第一参数显示单元(51)；接收部分包括：第二GPS模块(1’)、第二FPGA模块(2’)、第二单片机模块(3’)、第二键盘模块(4’)、第二显示控制模块(5’)、第二温度检测模块(6’)、第二存储模块(7’)、AD模块(8’)、第二串口通信模块(9’)、DSP实时处理模块(10’)、第一接收电极(103)和第二接收电极(104)；第二GPS模块(1’)包括第二GPS天线(11’)、第二脉冲输出端(12’)和第二信号输出串口(13’)；第二FPGA模块(2’)包括第二分频脉冲同步模块(21’)、第二伪随机信号生成模块(22’)、第一启动控制模块(23’)和第二恒温晶振(24’)；第二单片机模块(3’)包括第二计数单元(31’)、第二温度检测单元(32’)、第二GPS串口(33’)、第二异常报警单元(34’)、第二显示与控制单元(35’)、第二数据存储模块(36’)、第四串口通信单元(37’)、第二键盘控制模块(38’)、第二启动控制单元(39’)、第二信号采集单元(310’)；第二显示控制模块(5’)包括第二信息显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)；AD模块(8’)包括AD芯片(81’)和信号调理与放大电路(82’)；DSP实时处理模块(10’)由实时数字运算处理单元(105’)组成；实时数字运算处理单元(105’)与第二伪随机信号生成模块(22’)相连接，第二信号采集单元(310’)与时数字运算处理单元(101’)相连接，AD芯片(81’)与第二信号采集单元(310’)相连接；第二参数显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)均与第二显示与控制单元(35’)相连；第二温度检测模块(6’)与第二温度检测单元(32’)连接；第二存储模块(7’)与第二数据存储模块(36’)相连接，第二存储模块(7’)和第二参数显示单元(51’)均与实时数字运算处理单元(105’)连接；第二串口通信单元(37’)与第二串口通信模块(9’)连接；第二键盘模块(4’)与第二键盘控制模块(38’)相连接；在接收部分中，第二GPS天线(11’)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口(13’)将卫星数据发送至第二GPS串口(33’)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端(12’)传送给第二分频脉冲同步模块(21’)；第二分频脉冲同步模块(21’)不断地接收第二GPS模块(1’)中第二脉冲输出端(12’)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24’)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24’)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端(12’)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元(31’)；第二启动控制模块(23’)接收到来自第二启动控制单元(39’)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块(22’)；第二伪随机信号生成模块(22’)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块(10’)中的实时数字运算处理单元(105’)；第二GPS串口(33’)接收到第二信号输出串口(13’)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元(35’)和第二计数单元(31’)；第二计数单元(31)接收来自第二显示与控制单元(35’)的或第二键盘控制模块(38’)输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口(33’)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元(31’)内部，用第二分频脉冲同步模块(21’)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元(39’)发送启动信号；第二温度检测单元(32’)向第二温度检测模块(6’)发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块(6’)接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元(32’)；如果第二温度检测单元(32’)检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元(34’)；第二异常报警单元(34’)接收来自第二温度检测单元(32’)的报警信号后立即报警；第二显示与控制单元(35’)通过第二信息显示单元(51’)将第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元(52’)输入的信息传送到第二计数单元(31’)；第二数据存储模块(36’)接收第二信号采集单元(310’)传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块(7’)；第一串口通信单元(37’)通过第二串口通信模块(9’)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；第二键盘控制模块(38’)接收由第二键盘模块(4’)传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元(31’)；第二启动控制单元(39’)等待第二计数单元(31’)发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块(23’)是否发出启动指令，也可以控制AD芯片(81’)是否开始采集数据；第二信号采集单元(310’)记录AD芯片(81’)采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块(36’)和实时数字运算处理单元(105’)；AD芯片(81’)等待第二启动控制单元(39’)发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片(81’)采集信号调理与放大电路(82’)输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元(310’)；第二信号采集单元(310’)将获得的数据发送给DSP实时处理模块(10’)；信号调理与放大电路(82’)在接收到启动信号后，将第二接收电极(103)和第二接收电极(104)上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片(81’)的电压输入范围，再发送给AD芯片(81’)；DSP实时处理模块(10’)将第二信号采集单元(310’)和第二伪随机信号生成模块(22’)发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元(51’)，并将运算结果发送到第二存储模块(7’)中存储；第二信息显示单元(51’)将第二显示与控制单元(35’)和实时数字运算处理单元(105’)发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元(52’)将用户输入的信息传输给参数显示单元(51’)；相关辨识数据处理：将发送部分中的信号发送单元(43)的信号除以标准电阻后转化为电流信号，并将此电流信号与第二信号采集单元(310’)接收到的信号通过相关运算模块(121)进行相关运算，运算公式为：u(t)＝r(t)+n(t)＝v(t)*h(t)+n(t)R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)+R_vn(t)u(t)是第二信号采集单元(310’)接收到的信号，n(t)是外部的随机噪声干扰，r(t)是理想条件下的响应，v(t)是发送部分中的信号发送单元(43)的信号，h(t)为被测系统的时域冲激响应，R_vu(t)是u(t)与v(t)的互相关函数，R_vv(t)是v(t)的自相关函数，R_vn(t)是v(t)与n(t)的互相关函数；由于外部的随机噪声干扰n(t)和输入信号不相关，因此R_vn(t)为0，相关运算的结果消去了随机噪声的干扰，由此得到Wiener‑Hopf方程：R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)通过傅里叶变换模块(122)对Wiener‑Hopf方程的两边进行傅里叶变换之后，得到待测系统的频谱信息，由此频谱信息便获得频域参数：视频散率：H_vu(w)＝H_vv(w)H(w)公式中，H_vu(w)是R_vu(t)的傅里叶变换，H_vv(w)是R_vv(t)的傅里叶变换，H(w)是h(t)的傅里叶变换；得到频谱信息后，再通过逆傅里叶变换模块(123)对视频散率进行逆傅里叶变换，得到待测系统的时域冲激响应h(t)，通过积分运算模块(123)对该冲激响应做积分运算，得到待测系统的阶跃响应u(t)，阶跃响应的趋近值即是时域参数：视电阻率，这样两个参数均得到了，从而完成了所需的工作。