極低頻/超低頻/甚低頻寬帶磁傳感器技術(shù)研究

陶 偉 張世田 劉新安 高 俊

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033；3.中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266071；4.武漢船舶通信研究所，湖北 武漢430079）

引 言

極低頻/超低頻/甚低頻 （ELF/SLF/VLF）寬帶磁傳感器是電磁法勘探中的關(guān)鍵儀器設(shè)備，主要應(yīng)用于石油資源、金屬礦產(chǎn)的勘探以及深部地球物理勘探，近年來(lái)在地?zé)帷⒌叵滤?、火山地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程勘探、市政工程和土壤鹽堿化等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，有著非常廣闊的應(yīng)用前景［1］。國(guó)外地球物理儀器發(fā)展較快，而國(guó)內(nèi)磁傳感器的技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)落后于德國(guó)、加拿大和美國(guó)等國(guó)家，這一現(xiàn)狀已嚴(yán)重制約我國(guó)電磁法儀器的發(fā)展。

電磁法勘探的主要原理是利用自然界低頻段的輻射源（如太陽(yáng)風(fēng)、大氣噪聲等），或人工的ELF/SLF/VLF發(fā)射源，在一定區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)接收特定發(fā)射源經(jīng)地下路徑傳播后再傳回地面的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的譜密度，從而得出地面阻抗矩陣對(duì)頻率的響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上按多層介質(zhì)模型反演出接收點(diǎn)所在處地層電導(dǎo)率隨深度的變化［2－3］。 為了探測(cè)到地球深部的結(jié)構(gòu)，收測(cè)頻段的低端頻率必須達(dá)到ELF頻段甚至更低，如0.01Hz；而為了提高淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分辨率，收測(cè)頻段的高端頻率必須達(dá)到10kHz左右。這要求相應(yīng)磁場(chǎng)傳感器的頻率范圍應(yīng)覆蓋從0.01Hz直到10kHz的超寬頻段，其中最高與最低頻率之比達(dá)到106量級(jí)，這樣的技術(shù)要求引發(fā)了如下技術(shù)難題［4］：為使傳感器在工作頻段低端的傳感系數(shù)能夠滿足需求，必須采用導(dǎo)磁系數(shù)大的鐵磁材料、納米晶或坡莫合金作為磁芯［5］；線圈匝數(shù)必須很多以保證足夠大的有效截面積，而這樣的設(shè)計(jì)必定引起傳感器自身具有較大的電感量L和有較大的分布電容C［6］，從而使得天線的諧振頻率落在工作頻段以?xún)?nèi)；由于傳感器的工作頻段跨度達(dá)106量級(jí)，故其諧振頻率一定在測(cè)量頻段范圍內(nèi)，從而使得傳感器的傳感系數(shù)在整個(gè)工作頻段內(nèi)不是簡(jiǎn)單的隨頻率線性增加，而是呈一種復(fù)雜的變化；但電磁法勘探要求能夠準(zhǔn)確計(jì)算（或測(cè)定）出磁場(chǎng)傳感器的傳感器系數(shù)隨頻率的變化，以便能從測(cè)量設(shè)備終端接收的電壓譜密度中準(zhǔn)確求出磁場(chǎng)強(qiáng)度譜密度，因此，需要對(duì)傳感器系數(shù)進(jìn)行標(biāo)校。

本文研究分析了ELF/SLF/VLF寬帶磁傳感器的磁天線低噪聲實(shí)現(xiàn)、放大器低噪聲處理、傳感系數(shù)標(biāo)校等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上研制了寬帶磁傳感器的樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到或優(yōu)于相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。

1.寬帶磁傳感器的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)解決

電磁勘探中傳感器所接收的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)微弱，這對(duì)傳感器的靈敏度提出了很高要求。同時(shí)寬帶磁傳感器的頻段跨度高達(dá)106量級(jí)，如此寬的工作頻段導(dǎo)致磁棒線圈的傳感系數(shù)在低端相對(duì)很低，在高端又很高，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍非常大。為使磁傳感器能夠適應(yīng)較大的動(dòng)態(tài)范圍，將磁棒天線和前置放大器作為一體，故磁傳感器的噪聲同時(shí)包括磁棒天線熱噪聲和放大器噪聲。

1.1 磁棒天線低噪聲實(shí)現(xiàn)

磁傳感器的接收靈敏度主要取決于天線內(nèi)稟噪聲，而磁棒天線噪聲最主要的內(nèi)稟噪聲是天線熱噪聲，其公式為

式中：k為波爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10－23J/K；T為天線絕對(duì)溫度；R為繞線電阻。

磁天線線圈感應(yīng)出的電壓為

式中：N為線圈匝數(shù)；Φ為磁通量；B為平行于傳感器軸線的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

流經(jīng)線圈中的磁通量計(jì)算公式為

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率；μcore為磁芯的有效磁導(dǎo)率；A為磁芯的橫截面積。

由式（3）可知，要想實(shí)現(xiàn)磁天線的高信噪比，必須盡可能地增加傳感系數(shù)以及降低天線繞線電阻，為此除了選取合適的線圈材質(zhì)外，還需選用高有效磁導(dǎo)率的磁芯。但對(duì)于棒狀磁芯來(lái)說(shuō)其有效磁導(dǎo)率μcore并不等于其相對(duì)磁導(dǎo)率μr，它不僅與磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率有關(guān)，還與磁芯的直徑d、長(zhǎng)度l有關(guān)［7］，有效磁導(dǎo)率的公式可以近似表示為

由圖1可見(jiàn)，l/d越大（對(duì)應(yīng)的磁芯越長(zhǎng)）則其有效磁導(dǎo)率越大。但考慮到天線的機(jī)械強(qiáng)度及使用方便性，一般l/d取值在30～50之間為宜。此外，磁芯材質(zhì)應(yīng)選用具有很高相對(duì)磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體或者納米晶合金，這兩種材質(zhì)的磁性材料在低頻具有很好的頻率特性、很高的有效磁導(dǎo)率、較好的直流疊加特性及較低的損耗系數(shù)，能夠滿足使用要求。

圖1 磁棒有效磁導(dǎo)率隨l/d的變化

1.2 放大器低噪聲處理技術(shù)

放大器的噪聲基本取決于輸入級(jí)放大器的噪聲。因此，選用低噪聲放大器作為前級(jí)放大器非常重要。對(duì)于ELF頻段放大器的噪聲主要表現(xiàn)為1/f噪聲，其幅度與頻率成反比。為了解決1/f噪聲對(duì)低頻弱信號(hào)的影響，常采用將微弱的低頻信號(hào)調(diào)制到較高頻載波上進(jìn)行放大，而后再解調(diào)恢復(fù)的方法。但在對(duì)信號(hào)收測(cè)精度有較高要求的情況下多采用斬波技術(shù)。斬波放大電路在對(duì)信號(hào)放大過(guò)程中避開(kāi)了1/f噪聲區(qū)，同時(shí)各級(jí)放大器間采用交流耦合，可以有效地削弱放大器件的1/f噪聲及零漂的影響，ELF頻段放大器低噪聲控制電路如圖2所示。

圖2 ELF頻段放大器低噪聲控制

為了使傳感器達(dá)到寬帶幅頻特性的技術(shù)要求，放大器電路被分離成一個(gè)較低頻通道（ELF）和一個(gè)獨(dú)立的具有較高頻率的AC通道。前者對(duì)于低頻段可有效削弱放大器件的1/f噪聲及零漂，后者用于高頻段，但放大器的增益隨頻率的增加有所下降，使得傳感器在整個(gè)工作頻段的傳感系數(shù)較為均衡。

在寬帶磁傳感器系統(tǒng)中，必須特別注意噪聲特性，系統(tǒng)中不同的噪聲源都可在前置放大器如圖3所示，輸入端得出等效的輸入噪聲電壓譜密度，即

圖3 前置放大器的總體設(shè)計(jì)方案示意圖

下面公式可將噪聲電壓譜密度與相應(yīng)噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度對(duì)應(yīng)

利用上述理論公式，計(jì)算了寬帶磁傳感器的等效噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度的數(shù)值，并在圖4中繪出曲線。為了進(jìn)行比較還繪出了自然噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度的中值。

寬帶磁傳感器噪聲可以通過(guò)測(cè)量接收機(jī)來(lái)測(cè)量，為使天線遠(yuǎn)離環(huán)境噪音，測(cè)量時(shí)將天線放置在屏蔽室中測(cè)量。另外，寬帶磁傳感器的噪聲也可在野外通過(guò)平行檢測(cè)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)平行放置的相關(guān)性，以及所測(cè)得的差分結(jié)果，可以計(jì)算出噪聲譜密度。

圖4 寬帶磁傳感器的噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度數(shù)值

1.3 傳感系數(shù)標(biāo)校

對(duì)于簡(jiǎn)諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度，可用一個(gè)向量表示為H＝H·ejwt，將其代入式（2）；再代入式（1），感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)電壓向量為

式（7）中S0是反映感應(yīng)線圈靈敏程度的量，它表征磁場(chǎng)強(qiáng)度與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系。寬帶磁傳感器總體等效電路原理圖如圖5所示，圖中Vind為線圈感應(yīng)電壓模值，Ri為線圈總電阻，Rd為放大器的輸入電阻，L為線圈電感，C為線圈分布電容。

圖5 寬帶磁傳感器總體等效電路圖

從圖5可以看出，Ve與Vind對(duì)頻率的響應(yīng)有很大的差別，再加之放大器G的增益對(duì)不同頻率也有很復(fù)雜的變化。為了從前置放大器的輸出電壓譜密度中推測(cè)出外界磁場(chǎng)的譜密度，必須對(duì)寬帶磁傳感器進(jìn)行計(jì)量與標(biāo)校［8］，但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)低頻段天線傳輸系數(shù)標(biāo)校的標(biāo)準(zhǔn)。參考美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）在1967年制定的對(duì)“30Hz至1 000MHz的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)”測(cè)量標(biāo)定方法，提出了低頻段傳輸系數(shù)標(biāo)校方法。

傳輸系數(shù)的標(biāo)校原理為，當(dāng)接收天線和發(fā)射天線的軸線（通過(guò)環(huán)面中心的垂線）在同一直線上時(shí)，此時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度定義為Hρ，則Hρ為

當(dāng)接收天線環(huán)面與發(fā)射天線環(huán)面處在同一平面上時(shí)，此時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度定義為Hφ，則Hφ為

式中：A為發(fā)射天線的有效面積；I為通過(guò)發(fā)射天線的電流有效值；R為收、發(fā)天線中心點(diǎn)的距離。對(duì)于ELF/VLF而言，R應(yīng)大于20倍收、發(fā)天線直徑，但同時(shí)小于電波波長(zhǎng)的1/20，R一般取值范圍為10～30m，這樣接收天線口面上的磁場(chǎng)才能認(rèn)為是“近區(qū)”均勻場(chǎng)。

環(huán)形接收天線感應(yīng)磁場(chǎng)后產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)為

式中：Ui為天線輸出電壓，單位是dBV；H為天線位置的水平磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位是dBA/m；S（f）是與頻率有關(guān)系的傳感器的傳輸系數(shù)。

標(biāo)校過(guò)程為：

步驟1：將磁場(chǎng)傳感器放置標(biāo)校發(fā)射天線建立的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)中；

步驟2：根據(jù)發(fā)射天線上測(cè)出的電流I及發(fā)射天線中心之間的距離R，計(jì)算出標(biāo)校場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H（ω）；

步驟3：讀出（測(cè)出）磁場(chǎng)傳感器上對(duì)應(yīng)的輸出電壓譜密度Ui（ω）；

步驟4：由式（9）計(jì)算出傳感器在此頻點(diǎn)的傳感系數(shù)S（f）；

步驟5：改變工作頻點(diǎn)重復(fù)以上步驟，獲得整個(gè)工作頻段傳感器的傳感系數(shù)S（f）；

標(biāo)校后，接收點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H（ω）就等于磁傳感器輸出電壓譜密度Ui（ω）減去S（f）.

2.寬帶磁傳感器測(cè)試結(jié)果

在上述ELF/SLF/VLF寬帶磁傳感器的理論指導(dǎo)下，研究了寬帶磁傳感器的測(cè)試方法和設(shè)計(jì)方法；計(jì)算、設(shè)計(jì)、制作了寬帶磁傳感器，并進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，基本定型后得到如下測(cè)試結(jié)果。

2.1 靈敏度測(cè)試結(jié)果

由動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)出感應(yīng)電壓然后算出靈敏度數(shù)值如圖6所示。

從圖6可以看出，在f＝3～4kHz的頻率范圍內(nèi)，靈敏度特性相當(dāng)平坦，其數(shù)值大于等于1V/nT；在f＝2Hz以下的頻率范圍，靈敏度特性滿足0.4 V/（nT·Hz）的變化規(guī)律；在f＝4～10kHz的頻率范圍內(nèi)，靈敏度數(shù)值大于等于0.5V/nT.

圖7表示寬帶磁傳感器的相位測(cè)試結(jié)果。在頻率為4Hz時(shí)，相位為45.3°.從圖7可以看出，該寬帶磁傳感器的相位分布規(guī)律滿足地質(zhì)勘探接收系統(tǒng)的要求。圖7中不光滑的部分是由于市電工頻及其諧波產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾所致，而在野外勘探時(shí)此類(lèi)干擾的影響極其微小。

2.2 噪聲測(cè)試結(jié)果

由測(cè)量接收機(jī)測(cè)出放大器噪聲電壓后，通過(guò)計(jì)算得出的噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度示于表1中。從表1可以看出，噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度（10－15T/隨著頻率的增加而降低，基本呈線性規(guī)律變化。

表1 寬帶磁傳感器噪聲磁感應(yīng)強(qiáng)度譜密度測(cè)量結(jié)果

3.結(jié) 論

寬帶磁傳感器是電磁法勘探中廣泛使用的儀器，設(shè)計(jì)具有高靈敏度和在ELF/SLF/VLF超寬頻帶中具有良好幅頻特性的磁傳感器是當(dāng)前電磁法儀器發(fā)展的要求，具有極大的挑戰(zhàn)性。通過(guò)分析超寬帶磁傳感器的原理，給出了磁棒天線低噪聲設(shè)計(jì)、放大器低噪聲處理和傳感器傳感系數(shù)標(biāo)校的解決方案，研制了超寬帶磁傳感器樣機(jī)并對(duì)其幅度和相位特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明其性能優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品［9］。

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