基于海流的海洋微小信號前端放大電路的研究

崔辰元，杜立彬，陳光源，賀海靖，雷卓，吳承璇

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

地球作為太陽系中唯一存在大量水的星體，海洋總面積約為3.67億平方米，占全球總面積的百分之七十。海洋中蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)資源，是全球生命支持系統(tǒng)的一個重要組成部分。海洋資源的開發(fā)利用，在很大程度上推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，滿足了人類向海洋要效益的愿望，對于緩解目前資源短缺的現(xiàn)狀起到了一定的作用[1]。由于海洋各部分的密度、溫度、氣壓梯度、氣候環(huán)境等參數(shù)不同，并且受地轉(zhuǎn)偏向力以及月球引力等多重因素影響，產(chǎn)生了海洋的一種重要活動——海水流動[2]。海流運動的方向和速度是海洋學(xué)的重要參數(shù)，對海水流動進(jìn)行探測是目前人類探索海洋的重要活動，研究海水的運動規(guī)律，對了解海洋地理環(huán)境以及海洋對大氣、環(huán)境等的影響具有非常重要的參考價值[3]。

海流傳感器主要測量海水的流速和流向，配合其他配件，安裝在浮標(biāo)、錨定資料浮標(biāo)、淺標(biāo)、海床基、自治水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)、調(diào)查船等海洋測流平臺上，用于海流觀測[4]。但是由于受到海底生物發(fā)出的聲音、船只等海洋交通工具的電磁信號以及氣候變化、海底地質(zhì)變化等方面的影響，使得海流信號噪聲大、難以分辨，給觀測造成了很大的困難[5]。本研究主要以地磁場作為激發(fā)場源的地磁式傳感器作為研究對象，由于海水流動時切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢非常微弱，相對于海底噪聲環(huán)境更是微不足道，這給采集過程增加了許多的困難。

近年來，越來越多的沿海國家開始重視對海洋環(huán)境的監(jiān)測和對海洋參數(shù)的檢測，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的歐美國家，早在19世紀(jì)末就開展了多項對海洋開發(fā)和利用的研究工作，產(chǎn)品技術(shù)成熟，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到海洋調(diào)查、科學(xué)研究及國防軍事之中。目前掌握電磁式海流探測技術(shù)并生產(chǎn)這類儀器的國家只有美國和日本，兩國共同占據(jù)了全部國際市場，并對非盟友國家實行禁運。我國作為擁有較長海岸線的國家，從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行船用投棄式海水剖面測量技術(shù)研究[6]，隨后山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所開展了投棄式溫深儀(XBT)和投棄式溫鹽深儀(XCTD)的研制。進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)開展了地磁式海流剖面測量儀器的研究，相關(guān)的理論都處于探索中。國家海洋技術(shù)中心的劉寧[2,7-8]等對地磁式海流剖面測量儀器的前期理論做了大量的工作，分析了測量設(shè)備在海水中的相關(guān)運動規(guī)律，測量探頭在海水中阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式等，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬，但未對后續(xù)的電路設(shè)計、采集微小信號放大等實際工作有進(jìn)一步研究。

目前，常用的放大電路多采用集成運放來搭建，其增益高、輸入電阻大且輸出電阻低、共模抑制比高。同時種類很多，可滿足電路的不同要求和功能。國外以海流信號為基礎(chǔ)的微小信號放大電路技術(shù)已相對成熟，信號增益大、帶寬較寬、放大信號穩(wěn)定。國內(nèi)針對微小信號放大電路的研究也有很多，但主要是應(yīng)用于醫(yī)療、地質(zhì)勘探等方面，這類信號幅值多在微伏級，通過對信號放大可達(dá)到毫伏級或者伏級的觀測水平。例如殷鑄靈[9]通過兩級級聯(lián)達(dá)到100 dB增益放大倍數(shù)；劉懿[10]針對生物信號進(jìn)行放大電路設(shè)計，其放大增益可達(dá)到109 dB，但其采集信號已達(dá)到微伏級。海流信號與這些信號相比，待采集信號幅值更低，背景噪聲更加復(fù)雜，采集環(huán)境惡劣。海流信號的有用信號為納伏級信號，且海底噪聲巨大，所以采集工作比較復(fù)雜。賈志成等[11]對地磁式海流剖面測量儀器的研究也處在前期設(shè)計實驗階段?；谀壳暗难芯?，本文對海流電場微弱信號進(jìn)行濾波提取，完成了對該信號同相分量補(bǔ)償式放大電路和多級放大選頻電路的設(shè)計，實現(xiàn)了海流微小信號的低失真、大比例放大的設(shè)計要求。

1 海流信號探測原理

海流是指海水大規(guī)模相對穩(wěn)定的流動，是海水重要的普遍運動形式之一。由于海流的水平尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其鉛垂尺度，所以在實際工作中，以研究水平海流為主[12-15]。海水運動時，切割地磁場磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。在地磁場穩(wěn)定的情況下，感應(yīng)電動勢的大小主要取決于海流的速度。通過測量海流產(chǎn)生的感生電場，就可以知道海流的速度大小，從而研究海流的運動特征[16]。

圖1 建立海流流向坐標(biāo)Fig.1 Establishment of ocean current flow coordinates

如圖1所示，建立以水平海流為研究對象的海水流速測量模型，以x軸指向地磁東向、y軸指向地磁北向、z軸向上建立直角坐標(biāo)系。當(dāng)海流沿任意方向水平流動，感生電壓的測量方向與y軸存在一個夾角(測量方位角θ)時，水平放置的距離為L電極兩點間探測到的海流感生電動勢為：

(1)

2 海底噪聲分析

作為水聲信道中的一種干擾背景場，海洋噪聲是本研究中噪聲濾除的主要研究對象。文中研究的信號主要是通過調(diào)制后的低頻信號，因此在分析海洋噪聲干擾時主要針對低頻段噪聲。

海洋環(huán)境中出現(xiàn)的低頻電磁噪聲主要是由地球的地殼運動、潮汐、湍流以及大氣中的聲源引起的。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，海洋環(huán)境也發(fā)生了巨大變化[17]。隨著人類在海洋中的活動日益深入，各類船艦、潛艇等在海洋中產(chǎn)生的噪聲也在不斷增加。目前，海洋環(huán)境中出現(xiàn)的超低頻、低頻噪聲多與航船、潛艇相關(guān)。航速的提高、推進(jìn)功率的增大、螺旋槳葉片頻率以及潛艇航速的變化，給海底噪聲帶來了較大數(shù)量級的增長。美國的McDonald等[18]在同一海域的不同時間對海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行了測量，顯示九十年代后期的十年間，30～50 Hz海洋環(huán)境噪聲級增加了10～12 dB；高于50 Hz頻段的噪聲并沒有明顯的增加，甚至在高于200 Hz海洋環(huán)境噪聲級反而有所降低。由此可見，當(dāng)前海洋環(huán)境噪聲中的低頻段主要集中在50 Hz附近，也是本次研究所需采集低頻信號的主要干擾因素。但是由于低頻噪聲主要由軸頻電場和工頻電場在超低頻頻段內(nèi)的分量產(chǎn)生，并與潛艇航速有直接關(guān)系，出于保密需要，國內(nèi)外公開的文獻(xiàn)中并無具體數(shù)值可參考，此處無法進(jìn)行仿真實驗。

3 前端弱信號處理電路設(shè)計

3.1 電路設(shè)計總體思路

本文重點研究的是通過濾除采集信號中的干擾信號，將有效信號提取出來，并將納伏級信號放大將近百萬倍，達(dá)到毫伏級，送入后級信號處理電路中。由公式(1)可知，感應(yīng)電動勢主要與地磁場強(qiáng)度有關(guān)，但在海洋中地磁場強(qiáng)度微弱。以中低緯度地區(qū)為例，通過計算可知，1 cm/s海流切割地磁場所產(chǎn)生的感生電場量值小于1 μV/m，大約為50 nV，但在傳感器下沉的過程中，本身產(chǎn)生的強(qiáng)干擾感生電場已超過7 μV。由此可知，電路中主要設(shè)計工作集中于前端弱信號處理電路，特別是對納伏級微弱信號的處理。同時，由于海底噪聲包括生物噪聲、人為噪聲，還會有地震噪聲和雨噪聲等偶發(fā)性噪聲，作為水聲信道中的強(qiáng)干擾背景場，需要檢測提取的信號非常微弱，濾波工作的重要性不言而喻。

在采集信號前期，通過對探頭的設(shè)計，使得探頭在下沉過程中將信號調(diào)制為窄帶單頻信號，這樣做的優(yōu)點有兩個：(1)該窄帶頻段為海洋中的超低噪聲頻段，可最大化地降低信號所處場中的噪聲；(2)單頻信號中的噪聲更易于優(yōu)化，做降噪濾噪處理。

在電路設(shè)計過程中，首先要考慮的是將有效信號從噪聲中提取出來，濾波電路在選擇和設(shè)計過程中，要將工頻干擾放在濾波首位。選擇濾除頻帶較窄的濾波電路，以免將有效信號一并濾除，影響有效信號的質(zhì)量。通過濾波電路的有效信號非常的微弱，在選擇放大器芯片時需要選擇自身電噪聲盡量小的器件，以免使信號淹沒在電路所帶來的噪聲中。

在設(shè)計過程中還要考慮到后期需要搭配電極共同完成海流信號的測量，但是電極下沉?xí)r也會切割地磁場，產(chǎn)生附加感生電動勢，屬于超強(qiáng)干擾。所以在該電路設(shè)計時，需要設(shè)計模擬電路來補(bǔ)償電極自身下沉過程中切割水平磁力線產(chǎn)生的電場信號。

綜合以上因素，電路的設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 電路設(shè)計流程圖Fig.2 Flow chart of circuit design

由圖2可知，由于本設(shè)計對信號的放大倍數(shù)太大，如果采用單次較大倍數(shù)放大的方法會給信號引入較強(qiáng)的干擾，所以采用了三次級聯(lián)放大的方法：

(1)對前端采集到的感生電場信號進(jìn)行基礎(chǔ)的濾除工頻干擾和前級放大，對海流電場感生電動勢進(jìn)行放大；

(2)由于傳感器下降過程中，其電極切割磁感線產(chǎn)生了下沉感生電動勢，并被傳感器采集到，所以對該信號進(jìn)行了補(bǔ)償式放大，將信號中的電極下沉感生電場信號部分進(jìn)行了抵消；

(3)隨后對信號進(jìn)行主控放大若干倍。

至此，該海水切割磁感線產(chǎn)生的感生電場信號被放大到示波器可觀測的范圍。因海流電場信號在下沉中均被調(diào)制為低頻近似單頻信號，故在探頭前端弱信號處理電路中加入中心頻率點為該低頻頻率的二階帶通濾波電路，由此提取有效信號。

3.2 前端濾波電路的設(shè)計

由于采集到的信號通過調(diào)制到低頻段，在前期電路設(shè)計調(diào)試過程中，50 Hz的工頻信號對于有用信號來說，干擾很大，在電路中首先需要盡量濾除的就是此信號。濾波電路包括有源濾波和無源濾波，無源濾波的優(yōu)點是不會引入多余的電噪聲干擾，但濾波過程中過渡帶較寬，諧波濾除率較低。圖3所示是無源濾波電路及其仿真圖，主要濾除50 Hz工頻干擾的電路，可以看到其濾波效果并不理想。

所以，本次設(shè)計采用了具有濾波、反饋、調(diào)節(jié)功能的可調(diào)Q值雙T有源帶阻濾波電路，如圖4a所示。其中R4具有調(diào)節(jié)電路品質(zhì)因數(shù)Q值的作用，Q值越大，阻帶寬度越窄，電路的選頻性能越好。同時通過調(diào)節(jié)R4，可以設(shè)置阻帶中心頻率，阻帶帶寬在2 Hz以內(nèi)。圖4b是該電路的仿真效果圖。

圖3 無源濾波電路及其仿真圖Fig.3 Passive filter circuit and its simulation diagram

圖4 濾除50 Hz工頻電路及其仿真圖Fig.4 Circuit for filtering out 50 Hz power frequency and its simulation diagram

3.3 前置放大電路芯片選擇

對于微弱信號的檢測需要選用自身噪聲極小的放大器對信號進(jìn)行放大。由于前期采集到的信號為納伏級信號，所以放大器芯片的噪聲不能超過10 nV，否則有用信號在前端放大時就被淹沒在芯片自身帶來的噪聲中。如圖5a所示，這是一款最低噪聲為2.5 nV/Hz1/2的芯片AD8022，在輸入信號為20 nV，放大一千萬倍后，信號已被淹沒在芯片的噪聲中，且偏置非常大。

通過不斷在Multisim中仿真，并閱讀芯片的數(shù)據(jù)手冊，尋找到一款最低噪聲為1.1 nV/Hz1/2，低失真，帶寬為10 MHz，偏置電壓為10 μV的芯片AD8599。通過在Multisim中進(jìn)行仿真,如圖5b中所示，在相同的輸入信號、相同的放大倍數(shù)下，可看到該芯片的低噪聲、低電壓偏置對微弱信號的影響相對非常小，基本達(dá)到所需要求。經(jīng)過前端放大電路放大后，此時信號已接近微伏級。

a AD8022放大仿真圖 b AD8599放大仿真圖圖5 前端放大電路Fig.5 Front-end amplifier circuit

通過前端放大電路的放大后，信號對元器件的要求不再苛刻，之后的放大電路選擇儀表放大器。儀表放大器具有非常低的直流偏移、低漂移和低噪聲，具有高輸入阻抗、足夠大的放大倍數(shù)、有效抑制共模信號等特點，適用于精確性穩(wěn)定性非常高的電路。

3.4 二級補(bǔ)償式放大

電極在海水中下落，切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過后期的信號處理，可得到所測區(qū)域海水的相對速率，同時線圈在隨電極下降過程中切割磁感線產(chǎn)生的信號將所測區(qū)域海水的流動方向等其他輔助信息傳遞給后期信號處理平臺，構(gòu)成海水的流速信息。但是由于探頭自身也會切割磁感線，產(chǎn)生附加電場，對所需采集的信號屬于強(qiáng)干擾。如果單獨設(shè)計電路抵消附加電場，會增加整體電路和功耗的負(fù)擔(dān)，因此通過設(shè)計電路，將線圈的感應(yīng)電動勢作為參考信號處理后，并通過一定的比例公式將干擾信號抵消掉，有效地將干擾和有用信號進(jìn)行了隔離，同時對信號進(jìn)行小數(shù)量級的放大。圖6所示為抵消干擾信號的示意圖。

圖6 抵消干擾信號示意圖Fig.6 Diagram of counteracting interference signal

4 Multisim仿真結(jié)果

我國某些地區(qū)的海水切割磁感線產(chǎn)生電動勢的信號為納伏級，所以傳感器需要采集處理的信號為納伏級。假設(shè)1 cm/s的海流在20°N海域所感生的電場在電極距離為5 cm的海流電場傳感器上產(chǎn)生的電壓差大約是20 nV左右，所以在仿真中假設(shè)采集到的信號為20 nV。

按照電路設(shè)計流程，首先設(shè)計了濾除50 Hz工頻濾波器，通過Multisim軟件仿真結(jié)果,可以在模擬波特測試儀中看到濾波效果。輸入信號可以看成近似正弦波信號，圖4b中可以看到在50 Hz中心頻率處出現(xiàn)帶阻濾波現(xiàn)象，其他頻段幅頻特性曲線平穩(wěn)，并且阻帶帶寬非常窄，接近1 Hz。

為獲得更高的放大倍數(shù)和功率輸出，此設(shè)計采用三級放大電路。分別進(jìn)行了前置放大，補(bǔ)償式放大和主放大三部分。傳感器需要采集的電極感生電壓為20 nV，但是在下沉過程中產(chǎn)生的感生電場信號大約為7.3 μV，即實際采集到的信號有7.32 μV。該信號經(jīng)過前置放大后，通過設(shè)計補(bǔ)償電路，加入補(bǔ)償信號，對強(qiáng)干擾信號7.3 μV進(jìn)行了抵消，只剩下20 nV經(jīng)過放大后的信號，約5.8 mV，實現(xiàn)了納伏級信號到毫伏級信號的放大目標(biāo)。對整個放大電路進(jìn)行仿真，輸入一個幅值為7.32 μV的正弦信號，經(jīng)補(bǔ)償并放大后輸出波形如圖7所示(振幅較小的為輸入信號，振幅大的為輸出信號)，可以滿足本次設(shè)計對信號的放大要求，使信號擴(kuò)大到毫伏級，便于使用示波器觀察。

圖7 放大倍數(shù)仿真Fig.7 Magnification simulation

由于海底噪聲干擾較大，為將有效信號頻移到海流電場傳感器的超低噪聲頻段，所以設(shè)計最初將信號調(diào)制到較低頻率。此時，信號需通過帶通濾波電路，將所需的低頻信號過濾出來。

5 結(jié)語

海流信號傳感器在海水中采集到的信號為極為微弱的納伏級信號，并且非常容易被噪聲淹沒。通過將有用信號頻移到海底噪聲較低的頻段，大大降低了采集信號中混入的海底高頻噪聲。同時使用補(bǔ)償式放大電路，對信號進(jìn)行多級放大，降低了傳感器及其電極自身所帶來的干擾噪聲，提高了采集信號的質(zhì)量。最后利用Multisim仿真軟件對電路進(jìn)行仿真，提高了設(shè)計的可靠性，同時也證明了所設(shè)計電路的可行性，滿足了課題研究的技術(shù)要求，對海流信號采集及處理研究具有重要意義。