海洋電場(chǎng)采集電極極差自動(dòng)補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

劉貴豪，劉蘭軍，黎　明，陳家林，?！【?/p>

（中國(guó)海洋大學(xué)　工程學(xué)院，山東　青島266100）

海洋電場(chǎng)采集電極極差自動(dòng)補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

劉貴豪，劉蘭軍*，黎明，陳家林，牛炯

（中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）

針對(duì)海洋電磁勘探的低頻、微弱電場(chǎng)信號(hào)采集中電極與放大采集電路的耦合問(wèn)題，提出了一種支持直流耦合的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償放大采集電路設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了電極極差自動(dòng)補(bǔ)償放大采集電路和自動(dòng)補(bǔ)償控制算法。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償方法可將0.1～0.7 mV的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償至0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以內(nèi)，滿足了海洋電場(chǎng)采集直流耦合的需求，降低了電場(chǎng)采集電路對(duì)不極化Ag/AgCl電極的極差設(shè)計(jì)要求，可有效應(yīng)用于海洋低頻電場(chǎng)信號(hào)采集。

海洋電磁勘探；電極極差；自動(dòng)補(bǔ)償；直流耦合；弱信號(hào)

海洋電磁法勘探作為海洋地震勘探的有效補(bǔ)充，是海洋油氣資源勘探尤其深海勘探領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，可有效降低海洋油氣鉆探的干井率［1-2］。美國(guó)Scripps海洋研究所、挪威EMGS公司等機(jī)構(gòu)已成功利用海洋電磁法開展了一系列海底油氣資源的探測(cè)應(yīng)用［3-4］。我國(guó)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目的支持下，正在開展海洋電磁勘探裝備研制和數(shù)據(jù)解釋方法研究。

海洋電磁勘探方法分為天然場(chǎng)源（Marine MT，海洋大地電磁法）和人工場(chǎng)源（Marine CSEM，海洋可控源電磁法）［5］。搭載在海底電磁采集站或拖曳式電場(chǎng)采集站上的電磁數(shù)據(jù)記錄儀是海洋電磁勘探的關(guān)鍵裝備之一，負(fù)責(zé)采集海底微弱的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)［6］。微弱磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)的超低噪聲磁場(chǎng)傳感器采集，磁場(chǎng)傳感器本底噪聲要求低于1 pT/電場(chǎng)信號(hào)利用“固態(tài)不極化Ag/AgCl電極+低噪聲放大電路”采集，采集通道本底噪聲要求低于電場(chǎng)信號(hào)為低頻寬帶微弱信號(hào)。電極極差是不極化Ag/AgCl電極的固有特性，其穩(wěn)定性受環(huán)境溫度、離子濃度、玷污雜質(zhì)、水流等因素的影響［7］。電極極差是一個(gè)超低頻的漂移信號(hào)，交流耦合是常用的電極極差消除方法［8］，但深海海洋電磁勘探中，有效電場(chǎng)信號(hào)頻率低至千秒或萬(wàn)秒級(jí)，而低噪聲電場(chǎng)信號(hào)放大電路為低輸入阻抗的變壓器耦合的斬波放大電路，導(dǎo)致交流耦合的隔直電容容量巨大、體積大且穩(wěn)定性差，因此深海海洋電場(chǎng)采集多采用直流耦合方式［9］。在直流耦合方式中，電極極差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致大增益放大電路的輸出飽和，從而限制了對(duì)電場(chǎng)微弱信號(hào)的大增益放大處理，因此一般要求限制電極極差不大于0.1 mV［10］，導(dǎo)致電極加工和使用過(guò)程中需進(jìn)行嚴(yán)格配對(duì)。

針對(duì)直流耦合方式電場(chǎng)信號(hào)放大采集中電極極差所帶來(lái)的問(wèn)題，本文提出了一種支持直流耦合、大增益放大的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妶?chǎng)信號(hào)放大采集方法，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹了電極極差自動(dòng)補(bǔ)償采集的補(bǔ)償放大電路、數(shù)字邏輯和軟件控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償采集電路可有效補(bǔ)償?shù)皖l電極漂移極差，可滿足海洋低頻電場(chǎng)信號(hào)采集應(yīng)用。

1　電極極差自動(dòng)補(bǔ)償方法

本文提出的支持直流耦合的、大增益放大的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償電場(chǎng)放大采集方法的系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，包括放大采集電路和電極極差自動(dòng)補(bǔ)償算法。放大采集電路采用直流耦合方式與電極連接，針對(duì)電場(chǎng)微弱信號(hào)超低頻的特點(diǎn)及低噪聲運(yùn)算放大器的1/f噪聲問(wèn)題，采用斬波放大原理，放大通道包括斬波調(diào)制、隔離變壓器、交流放大、極差補(bǔ)償、解調(diào)、低通濾波、直流放大等環(huán)節(jié)，電場(chǎng)信號(hào)的放大增益為隔離變壓器增益、交流放大增益和直流放大增益的乘積，電極極差補(bǔ)償電路位于第一級(jí)交流放大電路和第二級(jí)直流放大之間，對(duì)電極極差信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以保證第二級(jí)直流放大輸出不飽和。電極極差自動(dòng)補(bǔ)償算法負(fù)責(zé)電極極差計(jì)算并按照自動(dòng)控制策略調(diào)節(jié)電極極差補(bǔ)償電路，電極極差計(jì)算是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)低通濾波模塊，電極極差是一個(gè)頻率遠(yuǎn)低于有效電場(chǎng)信號(hào)的低頻漂移信號(hào)，電極極差計(jì)算根據(jù)所采集的有效電場(chǎng)信號(hào)的低頻指標(biāo)進(jìn)行大時(shí)間常數(shù)的低通濾波運(yùn)算以獲得電極極差信息；電極極差控制模塊根據(jù)所提取的電極極差采用PI調(diào)節(jié)算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電極極差補(bǔ)償電路，以補(bǔ)償、跟蹤調(diào)節(jié)電極極差；電極極差補(bǔ)償電路是對(duì)第一級(jí)交流放大輸出的調(diào)制波形進(jìn)行極差補(bǔ)償，極差調(diào)節(jié)需要與調(diào)制波嚴(yán)格同步。

圖1　電極極差自動(dòng)補(bǔ)償放大采集系統(tǒng)組成

上述電極極差補(bǔ)償方法的工作原理分析如圖2所示。假設(shè)電極極差大于有效電場(chǎng)信號(hào)幅值。電極極差在電場(chǎng)放大電路的源頭是疊加在有效電場(chǎng)信號(hào)中的，如圖中S1；電極極差是一個(gè)超低頻漂移信號(hào)，在有效電場(chǎng)信號(hào)周波內(nèi)可看成直流信號(hào)，如圖中S1’，可以看出，在直流耦合電場(chǎng)放大電路的輸入端，電極極差信號(hào)體現(xiàn)為一個(gè)直流偏置信號(hào)；經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)高于電場(chǎng)有效信號(hào)頻率的調(diào)制波S3進(jìn)行斬波調(diào)制，有效電場(chǎng)信號(hào)和電極極差同時(shí)被調(diào)制，成為關(guān)于時(shí)間軸“對(duì)稱”的高頻交流信號(hào)，如圖中的S4，極差補(bǔ)償電路的輸入信號(hào)就是放大后的該高頻交流信號(hào)；電極極差計(jì)算算法可提取出電極極差VJC，電極極差控制模塊根據(jù)獲得的電極極差VJC輸出如圖中S5所示的電極極差補(bǔ)償控制信號(hào)；經(jīng)過(guò)S5控制信號(hào)補(bǔ)償后補(bǔ)償放大電路的輸出信號(hào)如圖中S6所示，可以看到，S6信號(hào)就是S4信號(hào)與S5信號(hào)的疊加，S6信號(hào)中不再包含電極極差信號(hào)；信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)處理后的波形如圖中S7所示，是經(jīng)過(guò)放大后的有效的電場(chǎng)信號(hào)。

圖2　電極極差補(bǔ)償方法原理示意圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1放大采集電路設(shè)計(jì)

放大采集電路詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示，包括斬波調(diào)制、隔離變壓器、交流放大、極差補(bǔ)償、斬波解調(diào)、低通濾波、直流放大和A/D采集。隔離變壓器增益為10，交流放大增益為10，直流放大增益為1～100。隔離變壓器采用低噪聲變壓器，運(yùn)放U1，U2，U3，U6，U7均采用低噪聲放大器，A/D采集采用24位或32位低噪聲A/D轉(zhuǎn)換器。電極極差補(bǔ)償電路是基于U2運(yùn)放的加法器，極差補(bǔ)償信號(hào)采用高精度、低噪聲16位D/A轉(zhuǎn)換器控制。

圖3　放大采集電路

設(shè)VIN為交流放大后的電場(chǎng)有效信號(hào)，VJC為電極極差信號(hào)，K為隔離變壓器和交流放大的增益乘積，V1，V2如圖中標(biāo)注，DAC的控制數(shù)字量為D，DAC位數(shù)為N，DAC的基準(zhǔn)參考電壓為VREF，則由圖中電路可得：

取R4=R5=R6，R7=R8=2R9，

根據(jù)式（3）可得，電極極差補(bǔ)償?shù)臈l件如式（4）所示：

根據(jù)式（4），可得D/A數(shù)字量發(fā)生1位變化時(shí)，

從式（5）可以看出，電極極差調(diào)節(jié)精度受放大倍數(shù)K，DAC的位數(shù)N、基準(zhǔn)電壓VREF影響。DAC的數(shù)字量D的取值范圍為0～2N，由式（4）可得電極極差調(diào)節(jié)范圍為-VREF/K～VREF/K。

本文所設(shè)計(jì)的電場(chǎng)放大電路，隔離變壓器和交流放大的增益乘積K為100，VREF為0.5 V，DAC的位數(shù)為16，電極極差調(diào)節(jié)精度為0.000 15 mV，電極極差調(diào)節(jié)范圍為-5～5 mV。

2.2電極極差自動(dòng)補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

電極極差補(bǔ)償控制算法的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如圖4所示，包括數(shù)字邏輯和軟件控制算法兩部分。數(shù)字邏輯包括A/D采集接口邏輯、D/A接口邏輯、D/A同步邏輯和電極極差提取計(jì)算邏輯，D/A同步邏輯負(fù)責(zé)根據(jù)調(diào)制時(shí)鐘同步能使電極極差補(bǔ)償，電極極差提取計(jì)算邏輯是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的低通濾波模塊，采用兩級(jí)濾波器實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)是窗口時(shí)間常數(shù)為T1的非滑動(dòng)平均濾波器，第二級(jí)是窗口時(shí)間常數(shù)為T2的滑動(dòng)平均濾波器（滑動(dòng)時(shí)間窗口為T1），時(shí)間常數(shù)T1和T2可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行配置，本文設(shè)計(jì)參數(shù)為T1=0.1 s，T2=1 000 s。軟件控制算法為基于PI調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制算法，根據(jù)電極極差計(jì)算邏輯的輸出結(jié)果與調(diào)節(jié)目標(biāo)極差的偏差，采用PI算法調(diào)節(jié)輸出電極極差補(bǔ)償控制信號(hào)，算法采樣周期為T1，算法公式如式（6）所示：

式中：KP是比例系數(shù)；KI是積分系數(shù)；eK是當(dāng)前計(jì)算偏差；eK-1是上一次計(jì)算偏差；UK為當(dāng)前計(jì)算輸出；UK-1為上一次計(jì)算輸出。本文設(shè)計(jì)參數(shù)為：比例系數(shù)KP=40，積分系數(shù)KI=0.02。

圖4　電極極差補(bǔ)償控制算法

3　測(cè)試結(jié)果分析

為了測(cè)試電極極差自動(dòng)補(bǔ)償方法的性能，搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)包括電極極差自動(dòng)補(bǔ)償電場(chǎng)放大采集電路、信號(hào)發(fā)生器、示波器、上位機(jī)監(jiān)控軟件等。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬帶電極極差的電場(chǎng)信號(hào)，示波器監(jiān)測(cè)解調(diào)前的電場(chǎng)放大電路斬波調(diào)制信號(hào)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)A/D采集后經(jīng)過(guò)極差補(bǔ)償?shù)碾妶?chǎng)信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器采用Agilent的33522A，示波器采用Agilent的DSO-X 3014A。

圖5　極差自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖6所示是電極極差補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的示波器監(jiān)測(cè)波形和上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)波形，示波器監(jiān)測(cè)波形是解調(diào)前的斬波調(diào)制信號(hào)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)波形是解調(diào)后的輸出波形。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)幅度為2 mV，信號(hào)頻率為10 Hz，直流偏移0.7 mV（信號(hào)發(fā)生器輸出經(jīng)1 000倍衰減后接放大采集電路輸入端）。從圖中可以看出，上位機(jī)監(jiān)測(cè)電極極差從0.281 V（增益400）降到了0.037 V（增益400），電極極差得到了有效補(bǔ)償。

圖6　電極極差測(cè)試波形

表1所示為模擬不同電極極差的電極極差補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果。信號(hào)發(fā)生器依次輸出幅度為2 mV、頻率為10 Hz、直流偏移為0.1～0.7 mV正弦信號(hào)（信號(hào)發(fā)生器輸出經(jīng)1 000倍衰減后接放大采集電路輸入端），上位機(jī)監(jiān)測(cè)補(bǔ)償穩(wěn)定后的極差信號(hào)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，補(bǔ)償后的極差為0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以內(nèi)。

表1　極差補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)論

本文提出了一種支持直流耦合、大增益放大的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償放大電路設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹了電極極差自動(dòng)補(bǔ)償放大采集電路和自動(dòng)補(bǔ)償控制算法，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償電路可將0.1～0.7 mV的電極極差自動(dòng)補(bǔ)償至0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以內(nèi)，滿足了海洋電場(chǎng)采集直流耦合的需求，降低了電場(chǎng)采集電路對(duì)不極化Ag/AgCl電極的極差設(shè)計(jì)要求。該電極極差自動(dòng)補(bǔ)償放大電路設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于4 000 m水深海底電磁數(shù)據(jù)記錄儀研制，可推廣應(yīng)用于陸上大地電磁測(cè)量和頁(yè)巖氣開發(fā)微地震信號(hào)檢測(cè)等弱信號(hào)放大采集應(yīng)用場(chǎng)合。

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Design of an Electrode Range Automatic Compensation Method for Marine Electric Field Data Acquisition

LIU Gui-hao，LIU Lan-jun，LI Ming，CHEN Jia-lin，NIU Jiong
College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

To resolve the coupling problem between electrode and amplification acquisition circuit for low frequency and weak electric signal acquisition in marine electromagnetic exploration，this paper presents an electrode range automatic compensation design method supporting DC coupling.It gives system implementation，and introduces in detail the compensation amplification circuit and automatic compensation control algorithm.Test results show that the designed electrode range automatic compensation method can automatically compensate the electrode range form 0.1-0.7 mV to 0.043-0.074 mV，well under the limit of 0.1 mV.The automatic compensation design meets the DC coupling need in marine electric field acquisition，reduces the electrode range design requirements for non-polarizable Ag/AgCl electrode in electric field acquisition circuit，and can effectively support the acquisition and application of marine low frequency electric field signals.

marine electromagnetic exploration；electrode range；automatic compensation；DC coupling；weak signal

P742；P733.6

A

1003-2029（2016）01-0057-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.009

2015-04-14

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA09A201）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011GHY11535）；青島市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育計(jì)劃資助項(xiàng)目（13-4-1-2-gx）

劉貴豪（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)與智能儀器。

劉蘭軍，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)與智能儀器、水聲通信與網(wǎng)絡(luò)。E-mail：hdliulj@ouc.edu.cn