[发明专利]一种广域电磁法工频滤波与实时计算技术

说明书

本发明公开了一种广域电磁法工频滤波与实时计算技术，包括：基于现场可编程门阵列FPGA芯片实现，由FIR滤波器、巴特沃斯带阻滤波器、插值抽取模块、FFT计算模块组成，并基于凯瑟窗函数设计，采用凯塞窗函数设计FIR滤波器用于滤除高频干扰信号；采用巴特沃斯带阻滤波器用于滤除50Hz工频干扰噪声；采用插值与抽取方法将广域电磁法电场信号同一变换为2048点后，传入FFT IP核进行FFT计算。其特征在于，通过分析广域电磁法电场信号频率特征，设置滤波器参数和插值与抽取因子，同时对滤波器参数进行量化，利用FPGA可编程与并行处理的优势，对接收到的广域电磁法电场信号进行滤波与实时计算。解决了广域电磁法电场信号采集数据中工频噪声影响大和不能实时FFT计算的问题。

技术领域

本发明涉及地球物理数据处理领域，更具体地涉及广域电磁法接收机采集数据的工频滤波和实时FFT计算。

背景技术

传统电磁法勘探主要缺陷有：理论方法上采用平面波近似公式，探测深部信息不准确；探测技术上单次探测数据量少，大量谐波数据被丢弃，勘测效率不高、分辨率较差等；仪器装备上采集信号信噪比不高，转置笨重成本高等。而广域电磁法建立了全新的曲面波电磁勘探理论，以严格的电磁波方程为基础，不做简化，将电流-频率-位置-大地电阻率-磁导率等全部信息考虑在内，只用测量电分量或磁分量中的一个，采用迭代方式计算出广域视电阻率，实现全息电磁法勘探；探测技术上广域电磁法与伪随机电法相结合，实现了一次可发送和接收多个主频信号，能够反映不同深度的地电信息，提高了勘测效率；目前何继善院士团队基于广域电磁法理论，已经设计研发出高精度广域电磁法接收机，测量精度在1％以内，模数转换分辨率达到了24bit。

目前广域电磁法接收机主控芯片采用的是XILINX的ZYNQ系列芯片，主要包含ARM和FPGA两部分，资源丰富，功能强大。广域电磁法接收基于ZYNQ芯片设计，实现了对广域电磁法电场信号的高精度采集，其主要思路为：传感器输入模拟信号后经过前置放大滤波和噪声压制后，经过A/D高精度模数转换输入到ZYNQ芯片的FPGA端，在FPGA内实现对信号采集的控制以及输入信号的串并转换和缓冲，通过AXI总线传输至ARM的DDR存储器中储存。数据的处理一般将数据读入到PC电脑中进行后续处理。

FPGA仅仅完成了广域电磁法电场信号的接收控制与传输，不能完全发挥FPGA内部更多逻辑资源的作用。FPGA作为可编程逻辑器件，基于RAM实现，非常适合并行计算。FPGA在数字信号处理领域也有着广泛的应用。相比于电脑上的软件处理，基于FPGA设计广域电磁法电场信号的工频滤波和FFT计算，延迟能够控制在us级，达到实时计算的效果。

发明内容

本发明提出一种广域电磁法工频滤波与实时计算技术，解决了广域电磁法电场信号采集数据中工频噪声影响大和不能实时FFT计算的问题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提出一种广域电磁法工频滤波与实时计算技术，包括：基于现场可编程门阵列FPGA芯片实现，由FIR滤波器、巴特沃斯带阻滤波器、插值抽取模块、FFT计算模块组成，包括：

一套FIR高通滤波器参数和多套FIR低通抗混叠滤波器参数，根据带计算广域电磁法电场信号频率特征，并基于凯瑟窗函数设计，由MATLAB的filter designer工具计算得出滤波器系数，计算出的FIR滤波器系数数符合对称性，减小设计复杂度。

一套巴特沃斯50Hz工频带阻滤波器参数，在50Hz附近设置滤波器的通带低频截止频率、通带高频截止频率、阻带低频截止频率、阻带高频截止频率、通带最大衰减、阻带最小衰减等参数，在MATLAB上由buttord算法计算出高阶巴特沃斯带阻滤波器的阶数和截止频率，接着由butter函数求出巴特沃斯带阻滤波器系数，并转换为二阶级联形式，更容易在FPGA上实现。