本文是一篇电气自动化论文，本文利用ZYNQ-7020开发板对基于天基平台的甚低频电磁探测样机进行研究，包括能够探测宽频电磁信号的磁传感器以及3通道采集系统，实现了对信号的采集和存储。
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
在对地下空间结构、灾害风险源、地下资源以及地下人工构筑物等目标体的探查过程中，通常依赖的是地面或航空探测技术，但其缺点是难以在全球范围内开展快速普查。相比之下，卫星快速、均匀的时空覆盖特性使其具有作为地球物理探测新载体的巨大潜力[1]。
无论是地面探测还是航空探测，其核心都是利用电磁波进行探测，可见电磁波对于地下探测的重要性。电磁波的传播随地层深度的增加而衰减，且衰减程度与电磁波的频率成正比，即电磁波频率越高，能够穿透的地层深度越浅。
在对地球近地空间环境的研究中，甚低频/低频无线电波可提供较为丰富的频谱信息[2]。按照国际电信联盟（ITU）对于无线电波频段的划分，甚低频（VLF，Very Low Frequency）是指频率为3kHz-30kHz的无线电波，极低频（ELF，Extremely Low Frequency）的频率为300Hz-3kHz，低频（LF，LowFrequency）的频率为30kHz-300kHz。对甚低频的研究通常会涉及到极低频和低频部分频段，为了简化称呼，把对1kHz-100kHz无线电波的研究统称为甚低频研究[3]。甚低频电磁波主要来源于两方面：（1）甚低频台站：VLF可以在地面和电离层之间反射传播，衰减率较低，约为2-3dB/1000km，对海水、地表具有相对高的趋肤深度。因此，在对潜通讯、航海导航等领域，甚低频发挥了巨大作用。目前世界各地存在很多工作频率在10kHz-100kHz之间的甚低频工作站，像日本的JJY-40，中国的BPC，英国的MSF等等；（2）自然界中闪电所辐射的电磁波：闪电是一种以大电流脉冲形式放电的过程，包含云间闪电和云地闪电两种类型，其中云地闪电是指闪电在云层和大地之间进行放电，伴随着闪电先导和回击过程。
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1.2卫星电磁探测国内外现状
1979年10月，美国发射了磁测卫星MAGSAT，专门用于对地磁场进行测量。对地磁场三分量的矢量测量和总强度测量，所得到的数据能够反映出地球磁场的三维结构[17-18]。1999年2月23日，丹麦气象中心（DMI）发射了Orsted地磁卫星。该卫星总重量61kg，轨道呈椭圆形，近地点649km，远地点865km，变化周期为100min。其载有的主要仪器包括CSC磁通门磁力仪（稳定性在±0.5nT以内，还有用于对CSC仪器测量的绝对校准的Overhauser磁力仪（精度小于0.5nT），用来确定CSC磁力仪以及卫星方向的星相仪。Oersted卫星磁测数据不仅仅对现有地磁场模型的不断完善和改进提供了便利条件，也对其他多个领域的科学研究起到了很大的推动作用[19]。
2004年6月，法国发射了DEMETER卫星，用于对地震、火山喷发等突发事件引起的电磁异常和电离层扰动的研究[20-22]。所携带的IMSC是由3个正交的磁性天线（搜索线圈类型）组成，搜索线圈是由上千匝铜线缠绕在低磁导率磁芯制成，所测频带为100Hz-17.4kHz。三个天线装配在一个螺母上，优化后的螺母重量最小（430g，电缆80cm），在1.9m吊杆的末端安装统一，以减少来自卫星的干扰的强度。感应电动势信号经前置放大器放大后进行模拟-数字转换。图1.4为DEMETER卫星。
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第2章电磁探测系统总体设计
2.1甚低频电磁法探测原理
甚低频电磁法探测，一般是利用甚低频台站发射的电磁波作为场源对地进行探测。台站的发射天线可以看成一垂直电偶极子，发射的电磁波在地表上能够分解为一垂直地面的电矢量和一平行于地表的磁矢量。探测区域一般都在距离甚低频台站较远的位置，可将台站发射的电磁波看成是横向磁场的平面波，由于电磁波在大气与大地中传播时折射率较大，故可将甚低频在地下导电体中的传播方向看成是垂直地表向下的，遇到导电体发生电磁感应，如图2.1所示。甚低频电磁波的传播方向与地下导电体的走向同向时，一次场与导电体垂直，此时感生出的二次场较强；当两者方向不相同且垂直时，一次场与导电体平行，此时感生出的二次场较弱。两者同向时，变化最为显著的是磁场，两者方向垂直时，变化最为显著的则是电场。
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2.2系统方案设计
本设计目标是通过测量闪电源在地下激发的二次场，进而推测出地下资源或地下结构信息，本设计选择利用磁传感器对二次场信号进行测量。信号调理电路对来自磁传感器的模拟信号进行处理，经ADC将其转化为数字信号后，再2.2系统方案设计本设计目标是通过测量闪电源在地下激发的二次场，进而推测出地下资源或地下结构信息，本设计选择利用磁传感器对二次场信号进行测量。
磁传感器是能够将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。在对磁场的测量中，根据被测磁场磁感应强度的大小、频率、频段以及检测要求（灵敏度、精度等）的不同，磁传感器的选择也各有差异。
通过两种探测器的对比分析，可以看出，标量/总场探测器只能探测磁场强度，且对于窄带磁场的测量，灵敏度较高。矢量探测器能够同时探测磁场的大小及其方向，不同类别探测器所测磁场带宽不同，几十kHz-MHz不等，因此对于宽频带磁场的测量，磁矢量探测器较为合适。
磁通门计由于在低频指标优异，且尺寸较小，灵敏度高，因此被应用于DC、弱磁检测中[31-32]。超导量子磁强计（SQUID）是目前最为灵敏的低频磁场探测器，也是弱磁场测量仪器中最为精密的。SQUID可以分为高温SQUID和低温SQUID，高温SQUID工作温度为77K（开尔文），低温SQUID工作温度为4.2K，由于其工作温度的严格限制，所以要在液氮/液氦罐中工作，这就使得其便携性受到很大限制[33]。除此之外，制作难度大、价格贵也是该仪器不能普及的重要原因。霍尔效应传感器其原理为处于磁场中的通电导体，导体内的电荷向垂直于磁场和电流方向的两端流动，从而产生电压，通过测量电压进而测量磁场[34]。
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第3章 磁传感器设计 .................................. 15
3.1 感应式磁传感器原理 ........................... 15
3.2 磁传感器的物理参数研究 ............................. 17
第4章 采集系统设计 ..................................... 34
4.1 模数转换单元设计 .................................... 34
4.1.1 模数转换芯片选型 .................................. 34
4.1.2 模数转换电路设计 ..................................... 35
第5章 实验测试与结果分析 ............................... 48
5.1 感应式磁传感器灵敏度测试 .............................. 48
5.2 数据采集系统测试 ............................................... 51
第5章实验测试与结果分析
5.1感应式磁传感器灵敏度测试
对于磁传感器而言，灵敏度可以用来评估其接收性能的好坏。为了减少外界环境对测试结果的影响，故选择在电磁屏蔽室环境下完成测试。电磁屏蔽室由双层铜网紧密拼接组成，其外壳接地，因此屏蔽室中可以近似看成是零磁空间，但测试时使用的仪器如电流源、动态信号分析仪等工作时也会产生干扰，故测试时将传感器放入磁屏蔽筒内。在电磁屏蔽室与磁屏蔽筒的双重屏蔽下，可得到相对准确的测试结果。磁屏蔽筒由多层坡莫合金筒组成，在测试时需将传感器放入筒内中心区域，然后将各层坡莫合金筒用筒盖密封。图5.1为磁屏蔽筒实物图。
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由于磁传感器灵敏度测试时需要较为稳定的磁场，故选择利用亥姆霍兹线圈进行传感器的标定。亥姆霍兹（Helmhohz）线圈是由一对彼此平行且连通的线圈组成，两线圈中电流方向相同，大小也相等。常用的线圈形状为圆形，当两线圈的距离d和线圈的半径R相等时，线圈内部的轴线中心区域的磁场才是比较均匀的。
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第6章总结
6.1全文总结
本文利用ZYNQ-7020开发板对基于天基平台的甚低频电磁探测样机进行研究，包括能够探测宽频电磁信号的磁传感器以及3通道采集系统，实现了对信号的采集和存储，取得的主要成果有:
（1）研制了宽频带高灵敏度磁传感器。
通过分析影响磁感应线圈灵敏度的关键物理参数，查找资料以及进行仿真确定了磁感应线圈中磁芯、绕线的具体设计方案；根据实际设计需要，采用磁通负反馈的方式对带宽进行拓展，将窄带几kHz拓展到40kHz；采用信号调理电路对线圈产生的感应电压进行处理，采用低噪声放大电路将弱信号进行放大，带内增益为80dB，设计了巴特沃斯滤波电路，其通频带为40kHz-80kHz，减少了带外信号对工作频带信号的干扰。
（2）研制了后端数据采集系统。
该采集系统主要包括AD转换电路和以ZYNQ-7020为核心板的信号处理单元。选用16位SAR型、8通道同步并行模数芯片AD7606对A/D转换电路进行设计，实现模拟量与数字量的转换。同时完成了系统电源模块设计，使用DC-DC开关电源加LDO低压差线性稳压电源结构，减小电源噪声对系统的影响，也提高了电源的精度。以ZYNQ-7020为核心板，实现了3通道磁场的数据采集、数据传输和数据存储功能。
（3）磁传感器及采集系统性能测试。
通过测试，该传感器灵敏度在通频带内最大可达0.1mV/nT。对采集系统进行了有效位数、线性度、不确定度测试。经测试，AD有效位数约为13.3bit，信噪比SNR为81.826 dB；线性拟合系数R2为0.9999，各通道在采集同一电压时，所测数据偏差均小于0.6%，线性度小于0.4%，通道一致性良好；合成不确定度约为1.4077x10-5，基本达到设计要求，通过实际测试，证明该系统可以测试到商丘（BPC）发射的信号。
参考文献（略）