综合硬件与软件系统的开发

过去三年，GNPP Aerogeofizika一直致力于开发一套新的综合硬件与软件系统，实现基于DIP-A方法（偶极感应剖面法的航空形式）的航空电磁系统原理。本文作者希望介绍这一研发过程的曲折历程及其成果。遗憾的是，材料的叙述存在一定困难。将细致列出的结果与众所周知的科学前提相联系，然后郑重宣布工作已经完成，这样的写法颇具吸引力。甚至还可以谨慎地列出未来工作的主要方向，以及与之相关的Aerogeofizika整体仪器装备发展趋势。然而，作为研发者，我们认为，向学术界呈现枯燥、平面的结果会失去表现力；而且，研发者总希望展示的不仅是结果，还有解决问题的巧妙之处。因此，本文采用报告形式，更确切地说，是以野外日记的若干片段，逐步呈现整个历程，从各项决策乃至项目本身的基本前提出发。我们知道，这样的叙述并非毫无缺陷。首先，这里所描述的一切，在某种意义上属于Aerogeofizika的“贴身内情”；其次，同样在某种意义上，也包含着在激烈竞争中取胜的希望。下面开始。

D. Fountain关于电磁系统发展史的精彩综述（1）简略提及了DIP-A方法（偶极感应剖面法），并明确暗示，DIP方法及其硬件实现无非就是举世闻名的F400仪器。这并不完全符合事实。DIP方法起源于苏联，其科学基础在苏联建立，最早的航空电磁勘探仪器样机也在那里研制。正如俄罗斯的许多事物一样，这一方法具有自身特色。它是纯粹的频率域方法，却采用固定翼航空系统实现，因此具有若干有趣特点。其在地球物理解释中的应用理论，已在B.S. Svetov的著作及GNPP Aerogeofizika的资料中得到相当详细的论述；一般而言，这些内容与硬件及机载软件研发小组的工作并无直接关系。

我们的工作首先分析了既有方法框架内先前的软硬件研发成果，经过短暂考虑，决定继续发展DIP方法的仪器系统。需要说明的是，上一代系统已采用相当强大的技术手段：信号处理、数字滤波、同步检波，以及自动相位校正和椭圆率补偿过程的数字控制；所补偿的是飞机和拖曳吊舱本身的电导率对测量场造成的椭圆率影响。该仪器总体表现出极高的工作性能，但在很大程度上仍保留了此前各代系统令人困扰的特点——不稳定。在实际飞行中，系统能够调至很高的准确度和灵敏度，极化椭圆半轴比测量通道约为100 ppm，但这一准确度无法长时间维持。其原因并不总是外界条件发生显著变化；大多数主要误差来自测量仪器本身的相位不稳定。此外，在某些情况下，该方法开始产生一些结果，委婉地说，颇为奇怪。

我们的工作正是从这一状况出发。首先研究了数字带通滤波器的设计，以及实现该滤波器的高速算法。这项工作持续约一年，经历了接连的欣喜与失望，最终研制出衰减深度约150 dB、第一旁瓣受到强烈抑制的滤波器。算法的计算性能远超最乐观的预期。只需说明一点：我们正在开发的系统，在普通Intel Pentium 200计算机上每秒四次计算约一百个正交分量。滤波器的频率响应见图1。

在这一阶段，我们与负责解释工作的地球物理专家协商确定了未来系统的主要性能指标；方法未来的应用前景也掌握在他们手中。围绕每一个最低有效位的艰难争论，最终以签署基于DIP方法的频率域电磁系统技术任务书告终，其技术指标如下：

频率组仅有四个频率，但选择十分巧妙：130 Hz、520 Hz、2080 Hz和8320 Hz。希望研究过这一问题的人能体会其中的巧思。最低频率恰好位于50 Hz工频的两个强谐波——二次和三次谐波——之间。最高频率相对于上一代系统提高了一倍，因此也要求较高的信号采样频率；本系统采用最高频率的八倍，即66560 Hz。

接收线圈系统为三分量配置。这一点值得专门讨论。磁场理论指出，若将场源视为点源，磁场强度（磁感应强度）与距场源距离的三次方成反比；同时，敏感线圈又不能彼此过近，否则会产生强烈的相互影响。传统空心线圈通常相隔约0.5 m。在本系统中，即使信号测量装置完全理想，当拖缆长度约为一百米时，吊舱前后接收线圈的信号比也将为100³/101³ ≈ 0.9706。相对于方法预期的50 ppm准确度，百分之三的方向相关差异简直是灾难！也许魔鬼本身还不如其小鬼可怕，通过某些假设或能克服这一问题，但系统调试将需要极大的技巧。对问题进行不算很长的分析后，我们进一步坚定了原有设想：采用铁氧体磁芯敏感线圈，并以紧凑、相互对称的方式布置。必须承认，由于系统可能存在非线性，而且即使最优质的铁氧体也具有固有矫顽力，这一设想曾经而且恐怕仍然相当冒险。在面对自身疑虑及反对铁氧体的意见时，支持我们继续前进的是：优良屏蔽空心线圈的制造工艺，早在上一代仪器甚至更早的研发中就已完善，我们手头也有不少这类线圈，随时可以退回原有方案。不过，这一理由也不完全成立：最高工作频率比上一代翻倍，要求线圈的电屏蔽效率大幅提高。我们制作的紧凑线圈系统（图2）中，各线圈自身已有屏蔽，外部又加设共用双层屏蔽。若敏感系统尺寸约为一米，很难设想如何实现这种结构。不过，我们会在困难出现时逐一应对。目前没有理由认为所制作的铁氧体线圈不适于工作；相反，我们认为它们表现很好。

在拖缆长100 m时，系统极化椭圆半轴测量通道的准确度为20 ppm。在8320 Hz频率下，可将这一准确度换算为信号相位测量准确度，进而换算为时间测量准确度。简单计算表明，系统时间测量误差不得超过2–4 ns。为此，我们采取了所有必要措施：将系统时钟振荡器频率设为所选器件允许的最大值272 MHz；为测量系统配置连续相位跟踪电路；并开展了大量地面实验。然而，对于这样一个部件空间间隔较大的系统能否达到这一准确度，我们至今仍无充分把握。

技术任务书只对激励场发射机的电路和工作原理作了大致规定。而我们从一开始就决定采用最早期DIP仪器的传统谐振发射电路。我们认为，这种电路不仅显著改善能量性能，还能大幅降低发射信号中的寄生谐波。发射机驱动多匝环形偶极子，其磁矩矢量垂直指向（按D. Fountain的术语，为Z偶极子）。除主激励发射机外，系统还配备两个功率较小的发射机，其具体功能尚未完全确定。目前只能明确，它们用于补偿飞机及收放系统导电性质对测量结果的影响。最终发射何种信号，要待关于补偿过程的不同观点中某一种获得最终认可后才能确定。三个发射机的电流均按与接收线圈信号完全相同的方式测量。

对于并非本方法核心的长距离通信线路控制与数据传输电路以及机载计算机接口，我们采用了已在本公司设计中广泛使用的XILINX可编程逻辑阵列实现。实际上，这一部分是系统中最复杂、最难调试的部分，至今仍在持续改进。然而，远端装置交互系统、高吞吐量通信数据通道以及机载计算机接口在原理上既灵活又强大，因此我们将其视为未来一系列产品的基础。

我们早在1999年1月就已制成系统原型，但在开展飞行试验之前，还剩下“一点小事”：根据极化椭圆半轴比、感应线圈测量信号的复数平方和及实数平方和的不变性，探测矢量相位的恒定性，以及常识，开发算法并编写测量数据校正程序。

图3展示了所得结果。
图中为4个工作频率
（与通常一样，最低频率位于最上方）。

红色曲线表示极化椭圆半轴比的变化
（满量程-0.002）。

蓝色和绿色曲线为同相矢量在各灵敏度轴方向上的投影。
这些曲线用于说明系统的旋转过程。
从事过此类工作的人会理解，在地面上正确开展这样的试验十分困难。首先，近地面的工频干扰过强；其次，测量区域内难以获得均匀的场。此外，我们还不得不将仪器和全体外业人员带到交通不便、电力基础设施薄弱的地区开展野外作业。我们确实曾努力在实验室完成这些工作，但未能成功。

总体而言，所开展的工作证实了所选仪器方案的正确性。一次测得的校正参数在12小时内保持稳定，但其测量过程十分复杂。此外，显而易见，一旦吊舱或飞机受潮，尤其是二者同时受潮，所得的全部参数值就将不再适用。需要采用另一种更适合飞行测量的校正参数确定方法。我们目前正在研究这种方法，初步结果令人鼓舞。

还应指出，未来系统的部分组件已在我们改进的上一代仪器中运行。接收线圈的放大器和前置滤波器、辅助发生器功率放大器的控制电路与输出级，以及其他一些组件，均已完成这种试验性调试，并在一定意义上接受了飞行试验。

目前，系统正在为主要阶段的飞行试验做准备，试验预计于2000年春季开展。我们希望系统随后几乎立即投入使用，为GNPP Aerogeofizika本已丰富的技术装备和航空地球物理方法再添新成员。

参考文献

1. D. Fontain. Airborne electromagnetic systems — 50 years of development（航空电磁系统——50年的发展）. Exploration Geophysics, Vol. 29, 1998。
2. Svetov B. S.《低频感应电磁勘探的理论、方法与资料解释》。莫斯科：Nedra出版社，1973年。