[发明专利]基于FPGA的多通道航空磁力测量数据采集系统

摘要

本发明提供了一种基于FPGA的多通道航空磁力测量数据采集系统，其特征在于，包括主控芯片、光泵磁力仪、三轴磁通门传感器和GPS卫星定位模块；该主控芯片采软件设计出光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块；且三个模块能够并行采集相应数据。本系统可实时采集多个光泵的磁场数据、三轴磁通门数据，同时采集GPS定位数据，实现所有数据的存储记录，实现全张量航磁探测，对地磁矢量在三维空间的变化率信息进行深入分析。本发明具有高度集成、磁场测量精度高等优点，且本发明的使用可为地质构造研究、矿产资源勘查事业提供有力的支持。

主权项

1.一种多通道航空磁力测量数据采集方法，基于的数据采集系统包括主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块、GPS卫星定位模块、若干个光泵磁力仪、若干个三轴磁通门传感器；所述光泵数据采集模块的输入端口与所述光泵磁力仪相连接，输出端口与所述先入先出缓存模块相连接；所述三轴磁通门数据采集模块的输入端口与所述三轴磁通门传感器相连接，输出端口与所述先入先出缓存模块相连接；所述GPS定位数据采集模块的输入端口与所述GPS卫星定位模块相连接；所述主控模块分别与所述先入先出缓存模块、GPS卫星定位模块相连接，所述主控模块、先入先出缓存模块、光泵数据采集模块、三轴磁通门数据采集模块、GPS定位数据采集模块由FPGA芯片例化产生，所述主控模块为Microblaze软核，所述Microblaze软核由所述FPGA芯片编程实现，还包括数据存储模块；所述数据存储模块与所述主控模块相连接，还包括数据通信模块；所述数据通信模块与所述主控模块相连接，所述数据通信模块通过有线或无线方式与外部上位机相连接，所述数据通信模块为蓝牙数据通信模块，所述的多通道航空磁力测量数据采集系统；所述数据采集方法包括：在FPGA芯片上创建一个用于实现系统主控的软核；在FPGA芯片上例化若干个并行运行的光泵数据采集计算模块；所有所述光泵数据采集计算模块并行运行，将光泵磁力计采集的信号写入先进先出缓存模块，供所述主控模块读取；在主控芯片上例化若干个并行运行的三轴磁通门数据采集模块；所有所述三轴磁通门数据采集模块并行运行，将光泵磁力计采集的信号写入先进先出缓存模块，供所述主控模块读取；所述主控模块分析并存储所述光泵磁力仪、三轴磁通门传感器采集到的数据，采用滑动平均法对所述光泵磁力仪采集到的数据进行滑动滤波，其步骤具体为：S1、预设一个计数器Counter和P个分段计数器，每个分段计数器都记录Q个Larmor信号的脉冲，计数值按顺序存入先入先出缓存模块中；S2、完成N个分段计数器计数后，计算出Larmor信号的频率fm，进而计算出光泵磁力仪所测得的磁场值M；S3、分段计数器再进行第二轮计数，其中，在第一个分段计数器计数完成后，计算出当前Larmor信号的频率fm和磁场值；S4、重复所述步骤S2和S3，直至完成测试，并且，设FPGA的时钟频率为100MHz(记为fn)，CS3光泵磁力仪的旋磁比常数为K＝3.498577Hz/nT，磁场值为M＝50000nT，则光泵产生的Larmor信号的频率为fm＝M*K＝174928.85Hz(记为fm)，用fn去捕捉fm的上升沿以计算Lamor信号的频率，每一个Larmor脉冲所包含的FPGA时钟个数为C1C1＝fn/fm  ＝100×106/174928.85＝571.66(个)，由于上升沿捕捉不可避免地会存在一个脉冲的计数误差，所以会导致测量磁场发生误差，实际测量的脉冲计数可能为571或572，由此带来的磁场值的误差E为：E＝fn/C1‑fn/(C1+1) ＝100×106/571‑100×106/572＝306.17(nT) ；对拉莫尔信号进行分频测量，即一次测量多个Larmor信号脉冲，再进行平均计算，对于N分频，则需要N个周期才能得到频率信息，即此时得到的测量频率是N个周期之前的频率所有信号的平均频率，则相应的测量误差EN为1/N；即EN＝E/N，先预设一个计数器Counter，代表每一个FPGA时钟加1；再预设30个分段计数器C1、C2……C30，分别存储每5000个Larmor脉冲的FPGA时钟个数，所有计数器从0开始计数，第一次C30计数完成，此时Counter中的计数值即为150000个Larmor脉冲的FPGA时钟个数，根据公式M＝fn*150000/Counter/K可以计算出光泵磁力仪的磁场值；其中，M为磁场值，fn为FPGA时钟频率，K为CS3光泵磁力仪的旋磁比常数，K＝3.498577Hz/nT将C1的计数值暂存至缓存Ctemp，将C1清零并重新开始计数，至C1计数完成，根据M＝fn*5000*30/(Counter‑Ctemp)/K即可以计算出当前的磁场值，以此类推，即每5000个Larmor信号周期即可更新一次磁力仪数据，此磁场值的精度和数据更新率分别为306.17/150000＝0.002nT174928.85/5000＝34.98Hz。