1. 引言
当前国内外钻孔电磁波CT有基于电偶极子模型的电天线系统例如和基于磁偶极子模型的磁天线系统。电天线系统仪器主要有：中国水电贵阳勘测院的EWCT-1型孔间电磁波层析成像仪，岳阳奥成科技有限公司的HX-JDT-02型透视仪和中国地质科学院物化探研究所的JW-6型电磁波CT系统等；磁天线系统仪器主要有：斯伦贝谢公司的DeepLook-EM井间电磁成像系统(5 Hz~1 kHz)。由于电天线需要满足天线准则(波长的1/4或者1/2)因而长度较长，当电天线模型传播距离与尺度可比时，由于近场的强非线性以及方向性会受到结构影响因而电偶极子模型等效性差。基于磁天线的CT仪器此时由于频率结构的特点，磁偶极子模型等效性好 [1]。本系统基于实际工程需求，研究了低频磁天线(30 kHz~300 kHz)在地下孔间电磁场分布特征、电磁场信号大小，在传统的钻孔电磁波利用电偶极子天线单一测量幅度衰减系数的基础上，增加了磁场相位信息，提高了可测孔间距。
2. 磁天线CT工作原理
图1所示基于磁天线的电磁波CT是利用交变磁场通过改变钻孔中收发探头位置获取相应场强，对两个钻孔或多个钻孔之间的电阻率进行单频扫描测量 [2]。根据两个钻孔之间的距离，优化合适的发射频率，测量接收到的幅度信息与相位信息，继而利用计算机层析成像技术，获得所测地层电阻率分布图，最终实现两孔间的地质勘探。
系统采用数值模式匹配算法作为正演算法，数值模式匹配算法与有限差分算法相比，采用半解析半近似方法，速度更快，但是其地质模型为轴对称模型，故收发互易原理无法应用于雅克比矩阵的计算，本文对Gauss-Newton算法中雅克比矩阵的计算提出了利用Green函数进行快速计算的方法，极大地提高了反演效率。系统采用低频感应场正演利用数值模式匹配(NMM)进行求解，该方法把波膜的概念与有限元结合起来，属于半解析、半有限元解法，把二维数值问题转化为一维解析解和一维数值解的结合，大大减少了计算量，设计在优化的计算结构上加上并行计算，形成适用于本系统的并行数值模式匹配(PNMM)方法。反演采用基于格林函数灵敏度矩阵计算的高斯–牛顿反演方法，利用格林函数快速计算全空间灵敏度矩阵(即雅克比矩阵)，实现低频感应场的快速精确反演。
Figure 1. Working diagram of magnetic antenna CT system
图1. 磁天线CT系统工作示意图
充分考虑城市空间环境，系统采用磁加载技术，实现磁偶极子天线强信号发射，采用高精度弱磁传感器提高微弱信号检测能力，采用选频发射、超低噪声设计、高Q值滤波、互相干解调技术抑制空间电磁干扰。系统可用于铁路沿线勘探，帷幕检测，垃圾、化工防渗墙检测，暗河、断裂破碎带和溶洞探测等领域，在多种背景电阻率条件下可确保50 m孔间距的有效CT测量。系统可满足城市复杂环境勘察，不受地面建筑物影响，全面详细快速的探测识别地下不良地质，具有轻量化、自动化、智能化等优点。
3. 系统研制
Figure 2. Physical object of magnetic antenna CT
图2. 磁天线CT实物图
图2所示磁天线CT系统由地面机箱、绞车、井口滑轮、发射短节和接收短节组成。其中地面机箱是控制中枢，实现各部分协调工作、作业监测、测试数据处理及反演成像。地面机箱负责与计算机、绞车、发射短节、接收短节的通讯和供电；收发绞车实现收发短节的提拉下放，及深度信号的上传；发射短节的功率通过地面直流高压电源进行调节，在配置完成后向外连续发射既定频率磁场；接收短节在接收钻孔中放置，接收发射孔传播来的磁场信号、计算既定频率信号的幅度信息并将处理结果上传。
3.1. 发射短节设计
Figure 3. Composition block diagram of launching nipple
图3. 发射短节组成框图
如图3所示，发射短节由发射电路和发射天线组成，发射电路由DC/DC电源电路、遥测通讯电路、数字采集电路、驱动电路、功放电路和监测电路组成。其中，DC/DC电路将经由电缆传输的地面系统AC/DC模块直流电源转换成遥测电路、数字采集电路、驱动电路和监测电路所需的二次电源；遥测电路实现地面和孔下通讯；驱动电路实现对MOSFET功放管的开关控制；功放电路根据驱动电路的控制逻辑将经由电缆传输至孔下的直流高压转换成对发射天线的交流激励；监测电路实现对发射天线辐射强度的监测。
Figure 4. H-type power amplifier circuit
图4. H型功放电路
发射短节功放电路采用H型拓扑，其电路如图4所示。根据指标要求H型拓扑中的功放管(V1~V4)应耐压 ≥ 400 V额定电流应 ≥ 5 A，考虑功放管的降额，在同等尺寸条件下根据耐压及额定电流最大原则进行选取，并兼顾开通和关断延迟时间。根据上述原则设计选用Infineon公司的IPW65R080CFDA型MOSFET，其额定电压为650 V、漏极连续工作电流为27.4 A、最大工作结温150℃、开通延迟时间为20 ns、关断延迟时间为85 ns。图4中并联在MOSFET两端的快速恢复二极管MUR460 (V5等)的额定电流为4 A耐压为600 V，在不调谐发射时与发射天线形成续流电路。当MOSFET管关断时，续流电路可以释放掉发射天线储存的能量，防止感应电压过高击穿MOSFET。
为降低MOSFET开关应力并抑制高频振荡，在MOSFET栅极端连接了磁珠(L1~L4)抑制高频干扰，同时设计了MOSFET过压保护电路(缓冲电路)。由于较高频率时普通的RC缓冲电路已不再适用，因此缓冲电路采用集成型薄膜电容电路(C1~C6)，该电路的特点是形式简单、对关断浪涌电压有较好的抑制效果。发射功放电路技术指标要求耐压应大于400 V，电流能力大于5 A，实际考虑器件降额、电缆压降及孔下高压纹波，设计天线磁矩大小时应以最大激励电压200 V、最大电流2.5 A进行限制。
发射天线工作原理直接起源于法拉第电磁感应定律。其实现形式是缠绕在磁芯上的螺线管线圈，当线圈通过交变电流时，将向外发射交变磁场 [3]。发射天线采用磁偶极子不调谐发射形式，由磁芯、监测线圈和发射线圈组成。磁芯的作用是增强天线发射强度；天线发射强度通过改变功放电路的输出功率来实现调节，其大小可以通过缠绕在磁芯中心的监测线圈进行测量。
3.2. 接收短节设计
Figure 5. Composition block diagram of receiving nipple
图5. 接收短节组成框图
如图5所示，接收短节由电路部分和天线部分组成，电路部分由DC/DC电源电路、遥测通讯电路、数字采集电路和接收电路组成。其中，DC/DC电路将经由电缆传输的地面系统AC/DC模块直流电源转换成遥测电路、数字采集电路和接收电路所需的二次电源；遥测电路实现地面和孔下通讯；接收电路对接收线圈的输出进行前置放大和信号调理，数字采集电路对接收电路信号输出进行采集及处理。接收天线实现形式是缠绕在磁芯上的螺线管线圈，其原理为法拉第电磁感应定律，当线圈内通过交变磁场时，其线圈两端电压将随之产生变化 [4]。
DC/DC电路由1块电源滤波器、2块隔离型 ± 12V模块、2块隔离型 + 5V模块和1块 + 7.5V模块组成。其中电源滤波器实现对地面AC/DC48V直流母线通过电缆后的输入进行差模滤波、共模滤波和阻抗匹配；2块隔离型 ± 12V模块一块用于遥测通讯电路供电、另一块用于接收电路供电；2块隔离型 + 5V模块一块用于数字采集电路DSP和晶振供电另一块用于CAN总线或485总线供电；隔离型 + 7.5V模块用于数字采集电路A/D供电。
遥测通讯电路采用标准曼彻斯特码编解码方式，通讯速率为20.83 Kbps。从模式变压器接收的下发命令经过差分放大、高通滤波、低通放大、微分整形后将曼彻斯特码转换为TTL脉冲输入到MCU模块中进行解析后通过CAN总线与数字采集电路进行通讯。数字采集电路对指令进行解析并通过CAN总线将数据发送给MCU，MCU对上传数据进行编码后将TTL脉冲转换为曼彻斯特码，经差分驱动后耦合到模式变压器进行上传。
3.3. 数字采集电路设计
如图6所示收发短节的数字采集电路原理完全相同，主要由晶振电路、DSP电路、和A/D电路组成。其中晶振电路向A/D电路和DSP电路提供工作时钟；DSP电路通过CAN总线与遥测电路通信、控制其PWM模块输出既定频率方波信号，控制A/D电路工作及数据存储以及实现对采集数据的数字处理；A/D电路在DSP的控制下实现对监测电路模拟输出的数据采集。
由于接收和发射短节不同源特点，较小的频率偏差将对计算精度有较大的影响。经仿真计算在满足接收幅度精度要求的条件下，晶振的稳定度应不大于±50 ppb。设计采用ABRACON公司的M5627LF型20 MHz恒温晶振，其供电电压为3.3 V，频率稳定度在−40℃~85℃温度范围可达±20 ppb。其优点是频率稳定性好，缺点是功耗大，升温加热阶段功耗为1 W，稳定工作阶段功耗为0.4 W，升温过程如图所示耗时约需2分钟。
数字信号处理器(DSP)采用TI公司的32位高性能浮点型处理器TMS320F28335。DSP28335内核工作电压为1.8 V，I/O口电压为3.3 V，连接20 MHz外部恒温晶振时通过内部动态锁相环变频，设置DSP工作频率为140 MHz。DSP电路与遥测电路的通过28335内部CAN核外接TJA1050 + IL712隔离型CAN总线驱动器实现CAN通讯。DSP电路通过设置内部PWM模块，实现既定频率方波输出，此频率源经光耦隔离后送至驱动电路作为发射频率源。DSP电路通过设置GPIO、读写片选、外扩片选等内部功能实现对A/D电路、驱动电路使能和外扩存储器的控制
设计采用ADI公司的AD7760芯片，AD7760是一款高性能、低功耗、24位∑-Δ型模数转换器，最高采样速率可达20 MSPS。它集宽带输入和高速∑-Δ转换于一体，具有宽动态范围，集成缓冲器参考驱动，用于信号缓冲和电平转换的差分放大器，超界标志，内部增益和补偿寄存器，低通数字滤波器，在2.5 MSPS时信噪比可达100 dB非常适合高速数据采集。此外AD7760还提供了可编程的抽样率，也可对数字FIR滤波器进行调整，在要求高信噪比而没有复杂的前端信号处理设计时AD7760是较为理想的应用选择。
采集过程如图7所示。DSP通过16位双向并行接口控制、配置AD7760和采集数据，该时序依靠CS和RD/WR信号来控制采样、转换和数据输出。当AD7760一次转换完成，由DRDY下降沿触发DSP外部中断，DSP在中断服务中读取AD7760的转换结果。从AD7760中读一个转换结果需要执行两次16 位的读操作。CS和RD/WR都为低电平就去执行第一次读操作。CS和RD/WR都为低电平后，数据总线被激活，转换结果的高16位数据通过数据总线输出。在执行第二次读操作之前，CS和RD/WR必须回到高电平一个ICLK周期。第二次读的数据包括转换结果的低8位和6个状态位。CS和RD/WR回到高电平后数据总线回到高阻态。A/D与DSP之间采用并行通信模式，转换数据先存储在外扩RAM中，当达到设定的采样长度后，采集过程结束。在接收到地面系统传的取数命令后，可通过CAN总线或者485总线发送给遥测系统。
3.4. 地面机箱设计
Figure 8. Internal schematic diagram of ground chassis
图8. 地面机箱内部示意图
如图8所示地面机箱由上面板、综合信号处理卡及深度卡等部分组成。上面板包含井下供电开关及数码双显表头、地面系统复位开关、状态显示卡和测试插座等。井下供电开关用于对孔下发射、孔下接收和地面接收等短节的直流供电进行统一控制，实现井下各短节的同时供电和断电；数字地面系统复位开关用于对综合信号处理卡进行局部复位，实现深度处理芯片和解码芯片从异常工作状态中复位退出，同时可以起到应对绞车程控失效等突发状况、提升操作安全性的作用。
在上面板的中间上部，有三个直流双显数码管表头，指示当前地面系统给井下供电的直流电压和电流，可以对孔下发射、孔下接收和地面接收等三路直流供电的情况进行直观显示，以实时监控各井下仪器的供电状态；状态显示卡位于上面板的中间下部，用于辅助显示综合信号处理卡的工作状态，主要包括网络总线的链接和活跃状态指示、收到下发命令指示、深度同步指示以及地面解码状态显示等；同时为便于板卡调试、面板整洁美观起见，兼顾到上面板空间有限，将部分重要的测试端点通过DB-9座引至上面板，一方面可以用于关键测量点信号的示波测量，另一方面便于外接进行串口调试。
综合信号处理卡网络芯片采用LPC1788微控制器，与上位机之间进行基于Ethernet-TCP/IP技术的以太网总线通讯。LPC1788内嵌MAC以太网控制器，支持精简的媒体独立接口RMII和带缓存DMA接口，实现10 M/100 Mbps的以太网接入；DP
83848C
作为物理接口PHY，其MII_MODE和SNI_MODE管脚分别被配置为高电平和低电平，实现与LPC1788芯片的RMII精简模式连接。综合信号处理卡工作在客户端模式，板卡上电并完成初始化后，立即启动tcp_connect()进程，尝试建立与目标主机的TCP连接。上位机工作在服务器模式，服务程序开启后，响应板卡的网络链接请求，实现TCP的三次握手过程，与地面板卡之间建立起可靠的TCP传输链路，开始基于Ethernet-TCP/IP协议的命令与数据的实时交互。测井完成后，上位机程序启动close_socket()服务进程，发起四次挥手来终止TCP连接，从而结束整个总线通讯过程。
输入的深度信号分别来自发射绞车和接收绞车，可以为单端对地信号A、B，也可以为差分信号A+、A−、B+、A−。当信号为A、B对地信号时，SW4_1和SW4_3拨到ON位置，信号滤波后经过74HC14整形，消除信号线上的杂波和尖脉冲干扰，然后进入CLPD深度处理单元。当输入信号为差分信号时，SW4_2和SW4_4拨到ON位置，A+、A和B+、B−分别经过差分芯片AM26LS33变为单端信号，经过滤波整形后进入CLPD深度处理单元。信号预处理电路上，采用AM26LS33进行差分信号的电平转换。当输入信号差值A – B > 500 mV时，输出R为高电平(5 V)；当输入信号差值A – B < −500 mV时，输出R为低电平(0 V)；当输入信号差绝对值在500 mV内时，处于混乱区间。考虑到收发端绞车的深度信号走线较长，且建筑工地环境恶劣，因此在差分信号输入端增加匹配电阻。同时，将差分输入端的正信号进行弱上拉，防止空载情况下深度信号线上耦合干扰信号，造成电路处于混乱状态，从而确保任何时刻都逻辑正确。
4. 工程应用
九峰山位于武汉市洪山区内，山间盆地地势平坦是典型丘陵地势地貌，系统在九峰山某地铁沿线勘探中选择了R64、R65和R66三个钻孔进行工程应用测试。反演结果如图9所示，R64-R65剖面(20 m)和R64-R66剖面(40 m)随着接收深度的变化，测量曲线的变化符合电磁波在地层中的传播规律。从成像图中明显可以看出10 m以上为高吸收层(低阻层10 Ω∙m以下)，10 m以下，尤其是15 m以下为低吸收层(高阻层)，经验证反演结果与实际取芯结果一致。
Figure 9. Antenna scale and sensitivity characteristic diagram
图9. 天线刻度及灵敏度特性图
5. 结论
结合国内外电磁波CT及城市空间勘探现状，设计了30 kHz~300 kHz频段的基于磁天线的新型电磁波CT系统，利用磁场幅度相位联合反演方法和多种抗干扰技术提高了测量距离，简化了作业流程。在多个地铁路沿线的实际勘探中，该系统工作良好，技术指标满足实际工程要求。