基于斬波技術(shù)的長周期大地電磁接收系統(tǒng)

周 煬， 周逢道， 王緒磊

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春130026）

0 引 言

大地電磁測深（Magnetotelluric Sounding，MT）是利用天然場源進(jìn)行地下電性結(jié)構(gòu)探測的一種地球物理方法［1］。根據(jù)趨膚效應(yīng)原理，不同頻率的電磁波在地下傳播時(shí)具有不同的傳導(dǎo)深度。天然電磁場頻率一般在（n × 10-3～n × 102）Hz之間［2］，利用處于該頻帶內(nèi)的天然場信號(hào)可探測至地下深部數(shù)km，而勘探深度可達(dá)到數(shù)百km的長周期大地電磁測深的頻率范圍則在低頻段擴(kuò)展到了（n ～0． 1n）mHz。目前，我國還沒有自主生產(chǎn)的商業(yè)化大地電磁測深儀，需要從國外進(jìn)口該類儀器，妨礙了相關(guān)工業(yè)的發(fā)展，因此，需要研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長周期大地電磁采集系統(tǒng)［3］。

長周期探測中，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響到探測效果。由于野外電磁環(huán)境較為復(fù)雜，且天然場信號(hào)又十分微弱，因而MT 探測中有用信號(hào)容易受到干擾。如果采集系統(tǒng)放大電路無法良好地抑制噪聲，采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量就會(huì)嚴(yán)重下降。傳統(tǒng)的放大電路由于放大器的失調(diào)噪聲和1 ／ f 噪聲的存在，會(huì)干擾到長周期大地電磁測量中采集到的低頻信號(hào)數(shù)據(jù)質(zhì)量［4］。

本文研制了一種低噪聲長周期大地電磁采集系統(tǒng)，系統(tǒng)自身測試實(shí)驗(yàn)表明，使用了斬波放大技術(shù)的采集系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)良的噪聲性能參數(shù)。

1 MT探測原理

MT探測中，將天然場看作從高空垂直入射地表的均勻平面電磁波，MT 采集系統(tǒng)通過采集地表的天然電場和磁場，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理和解釋來獲得大地電性結(jié)構(gòu)［5］。當(dāng)平面波垂直入射均勻介質(zhì)時(shí)，測量一組相互正交的介質(zhì)表面的電場和磁場水平分量便可以得到該介質(zhì)的電阻率［5］，即有

式中：Ex和Hy為一組正交的電場和磁場水平分量；ω為電磁場角頻率；μ 為該介質(zhì)的磁導(dǎo)率。當(dāng)介質(zhì)為大地時(shí)，式（1）中的ρ并不是真正的電阻率，而是視電阻率，也稱為卡尼亞電阻率［6］。由于大地一般是各向異性的，所以需要測量兩組正交的電場和磁場的水平分量，即Ex和Hy以及Ey和Hx。另外，還需要測量垂直磁場Hz來提高這4 個(gè)分量的相關(guān)性［6］。MT探測系統(tǒng)野外布局一般如圖1 所示。

圖1 大地電磁測深法測量示意圖

2 斬波放大技術(shù)

2.1 放大電路的噪聲

放大電路中的內(nèi)部噪聲是放大電路中各元器件（包括器件、電阻等）內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則所造成的，主要是由電路中的電阻熱噪聲和BJT（或FET）內(nèi)部噪聲所形成［7］。

當(dāng)兩種導(dǎo)體非理想接觸時(shí)在觸點(diǎn)上電導(dǎo)會(huì)隨機(jī)變化，這種變化會(huì)產(chǎn)生較為明顯的低頻噪聲，稱為接觸噪聲或閃爍噪聲，其功率密度的形式為

式中：K和a是器件常數(shù)；I是直流電流；f 是頻率。這種噪聲與頻率成反比，故也稱為1 ／ f 噪聲［8］。普通的運(yùn)算放大器均存在1 ／ f 噪聲。由于1 ／ f 噪聲的頻帶范圍與長周期大地電磁探測信號(hào)頻帶范圍有重疊，因而此種噪聲的存在會(huì)嚴(yán)重影響采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

斬波放大技術(shù)能夠很好地抑制失調(diào)噪聲和1 ／ f噪聲，在采集系統(tǒng)模擬調(diào)理電路中使用斬波技術(shù)能夠很好地提高探測效果。

2.2 斬波放大技術(shù)原理

斬波技術(shù)原理如圖2 所示。輸入信號(hào)Uin經(jīng)高頻信號(hào)m1（t）調(diào)制后進(jìn)入基本放大器電路，此后解調(diào)信號(hào)m2（t）將輸入信號(hào)Uin還原到低頻；而基本放大器的失調(diào)噪聲和1 ／ f噪聲作為獨(dú)立的噪聲源只經(jīng)過了放大和解調(diào)信號(hào)m2（t）的調(diào)制，即噪聲源被調(diào)制到了高頻［9］。

圖2 斬波技術(shù)原理

圖2 中：Uin和Uout分別是放大器的輸入、輸出信號(hào)電壓；A（f）是放大倍數(shù)；m1（t）和m2（t）分別是調(diào)制和解調(diào)信號(hào)，周期為T ＝1 ／ fchop，其中fchop是斬波頻率；UOS和U1／f是放大器的輸入失調(diào)和1 ／ f 噪聲。如果SN（f）表示輸入失調(diào)和1 ／ f 噪聲的功率譜密度（PSD），那么UOS和U1／f經(jīng)過m2（t）調(diào)制后的PSD［9］為

從式（3）可以看出，輸入失調(diào)和1 ／ f噪聲被m2（t）調(diào)制到了斬波頻率fchop的奇次諧波處，這樣一來，經(jīng)過低通濾波便可以濾除掉噪聲信號(hào)，獲得所需信號(hào)。由以上分析可知，使用斬波放大技術(shù)的運(yùn)放芯片理論上沒有輸入失調(diào)電壓噪聲和1 ／ f噪聲。

3 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由上面的分析可以知道，采集電路需要采集來自電場和磁場的共5 路信號(hào)。本文所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)中，5 路模擬信號(hào)通道采用相同的電路結(jié)構(gòu)。采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，包括5 個(gè)模擬信號(hào)通道，與每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示電路，按鍵輸入電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路以及微控制器電路。

圖3 采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3.1 輸入保護(hù)電路

長周期大地電磁采集系統(tǒng)需要在野外長時(shí)間工作，如遇雷電天氣或大型電氣設(shè)備通斷電以及一些其他電磁脈沖干擾時(shí)，采集系統(tǒng)的穩(wěn)定工作會(huì)受到較大影響。為保證采集系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作，需設(shè)計(jì)輸入保護(hù)電路。如圖4 所示，保護(hù)電路由氣體放電管（Gas Discharge Tube，GDT）、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（Polyer Positive Temperature Coefficent，PPTC）和無極性瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）組成。

圖4 采集系統(tǒng)輸入保護(hù)電路

GDT跨接在差分輸入端上，作為保護(hù)電路的第1級(jí)。當(dāng)輸入端出現(xiàn)瞬間高壓時(shí)，GDT 會(huì)被擊穿，從而將輸入端電壓拉低到較低水平。PPTC 熔斷電流根據(jù)后級(jí)電路而定，一旦輸入電流超過后級(jí)電路所能承受的最大值，保險(xiǎn)絲立刻熔斷。瞬態(tài)抑制二極管一個(gè)跨接在差分信號(hào)線之間，防止超過放大器供電電壓的差模瞬態(tài)干擾；另外兩個(gè)接在信號(hào)線和地線之間，防止共模瞬態(tài)干擾。

3.2 信號(hào)放大電路

采集系統(tǒng)的電場信號(hào)來自非極化電極，磁場信號(hào)來自磁通門傳感器。非極化電極的輸出電阻與接地情況有關(guān)，大小范圍在幾十Ω 到10 kΩ 之間［10］。磁通門傳感器的輸出電阻較為穩(wěn)定，大小為幾十Ω。為了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行合理的阻抗匹配，使用運(yùn)放ADA4528設(shè)計(jì)放大電路。

ADA4528 是ADI生產(chǎn)的低噪聲斬波型放大器，具有低失調(diào)電壓，低漂移電壓，低噪聲和單位增益穩(wěn)定等特點(diǎn)，加上其在共模抑制比（CMRR）和饋電抑制比（PSRR）上的優(yōu)越表現(xiàn)，ADA4528 非常適合用在MT探測當(dāng)中，故本文選擇ADA4528 設(shè)計(jì)放大電路。ADA4528 的主要特性參數(shù)見表1。

表1 ADA4528 特性參數(shù)

3.3 AD轉(zhuǎn)換電路

通過配置寄存器，將AD7190 設(shè)置為雙極性工作模式，并使能斬波。為達(dá)到最佳的采集效果，避免多通道之間信號(hào)串?dāng)_影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文選擇每個(gè)通道信號(hào)使用一片AD7190 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。輸入端選擇全差分輸入以減小共模噪聲干擾［11］。通過配置寄存器選擇使用默認(rèn)基準(zhǔn)源輸入引腳。選擇外部時(shí)鐘模式，使用有源晶振為5 片AD7190 提供工作時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為標(biāo)稱值4． 92 MHz。由于長周期大地電磁測量時(shí)間長，過高的ADC采樣率會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，同時(shí)過多次的寫數(shù)據(jù)操作還會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，增加功耗［12］，因此選擇ADC采樣率為12． 5 Hz。

4 測試結(jié)果

4.1 采集系統(tǒng)測試結(jié)果

將采集系統(tǒng)置于室內(nèi)進(jìn)行測試。采集電路放大倍數(shù)設(shè)置為1 倍，差分信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍± 2． 5 V，采樣率為12． 5 Hz。將電場輸入端短路，在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行長達(dá)1 × 104s的采集。采集系統(tǒng)測得的短路噪聲時(shí)間序列如圖5 所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)短路噪聲峰峰值在6 μV左右，直流漂移優(yōu)于1 μV，無明顯的直流偏移。

圖5 采集系統(tǒng)電場通道短路噪聲時(shí)間序列

將5 個(gè)輸入通道接入峰值為1V 的正弦波測試信號(hào)進(jìn)行通道一致性測試，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算后提取相應(yīng)頻率的峰值，所得結(jié)果如表2 所示。由表可以看出，當(dāng)采集系統(tǒng)各通道輸入1V信號(hào)時(shí)，各通道僅具有微伏級(jí)別的測量差異，具有良好的一致性。

表2 采集系統(tǒng)通道一致性測試結(jié)果

4.2 野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將采集系統(tǒng)與國外使用LEMI-417 系統(tǒng)進(jìn)行野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為吉林省燒鍋鎮(zhèn)郊外。本系統(tǒng)電場傳感器選用與LEMI-417 系統(tǒng)相同的烏克蘭進(jìn)口非極化電極，磁場傳感器選用英國Bartington公司的三分量磁通門傳感器Mag-03MCESL100。為了使本系統(tǒng)與LEMI-417 具有相同的動(dòng)態(tài)范圍，將放大電路放大倍數(shù)設(shè)置為10 倍。本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為± 0． 25 V，采樣率為12． 5 Hz，LEMI-417 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為± 0． 25 V，采樣率為1 Hz。對(duì)比實(shí)驗(yàn)采集時(shí)長24 h。

圖6 南北方向電場信號(hào)Ex 和磁場信號(hào)Bx 時(shí)間序列

圖6 （a）和圖6（b）為本采集系統(tǒng)和LEMI-417 系統(tǒng)南北方向上電場信號(hào)Ex時(shí)間序列，兩者形態(tài)相似。由于本系統(tǒng)采樣率更高，因此細(xì)節(jié)反應(yīng)更為豐富。圖6（c）和圖6（d）為本采集系統(tǒng)和LEMI-417 系統(tǒng)南北方向上磁場信號(hào)Bx時(shí)間序列，兩者形態(tài)基本一致。

圖7 為本系統(tǒng)和LEMI-417 系統(tǒng)采集到的信號(hào)時(shí)間序列經(jīng)處理后的視電阻率曲線和相位曲線。從圖中可以看出，與LEMI-417 系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)所得到的視電阻率和相位曲線均更加平滑、連續(xù)。

圖7 視電阻率曲線與相位曲線對(duì)比圖

5 結(jié) 語

本文研制了一種低噪聲長周期大地電磁采集系統(tǒng)，系統(tǒng)自身測試實(shí)驗(yàn)表明，使用了斬波放大技術(shù)的采集系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)良的噪聲性能參數(shù)。在輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為± 2． 5 V時(shí)，系統(tǒng)短路噪聲在6 μV左右且無明顯的直流偏移；當(dāng)采集時(shí)長為10 × 103s 時(shí)，系統(tǒng)短路噪聲漂移優(yōu)于1 μV。通過本系統(tǒng)與烏克蘭LEMI-417 系統(tǒng)的野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)，說明了采集系統(tǒng)能夠獲得與國外同類儀器系統(tǒng)相近的測試結(jié)果，采集系統(tǒng)可以用于長周期大地電磁探測。