海洋電場信號(hào)程控增益超低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉蘭軍 ，周亞濤 ，陳家林 ，黎 明 ，強(qiáng)嘉晨 ，謝 鵬

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省海洋智能裝備技術(shù)工程研究中心，山東 青島 266100)

0 引言

我國海洋面積廣闊，海洋油氣資源豐富。在海洋油氣資源探測過程中，面對愈加復(fù)雜的探測對象，傳統(tǒng)而單一的三維地震探測逐漸顯得力不從心[1]。海洋電磁勘探方法作為海洋地震勘探的重要補(bǔ)充手段[2]，具有高阻異常識(shí)別能力，能夠判斷儲(chǔ)層中含油或是含水[3]，在油氣資源探測和估算中發(fā)揮著越來越重要的作用[4-5]，成為全球各大物探公司發(fā)展的新興業(yè)務(wù)之一[6]。

海洋電磁采集記錄儀作為海洋電磁法勘探的重要技術(shù)裝備之一，國外經(jīng)過長足發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。美國Scripps 研究所(SIO)最早開發(fā)了海洋電磁采集記錄儀，經(jīng)過更新?lián)Q代，其海洋電磁采集記錄儀已經(jīng)技術(shù)成熟并開展了一系列工程項(xiàng)目應(yīng)用。挪威EMGS 公司基于SIO 的產(chǎn)品授權(quán)開發(fā)了商業(yè)化海洋電磁采集記錄儀。SIO 和EMGS 的海洋電磁采集記錄儀的電場本底噪聲密度為@1 Hz、磁場本底噪聲密度為@1 Hz，電路增益為自動(dòng)增益或可選固定增益。在國外相關(guān)技術(shù)裝備封鎖的背景下[7]，國內(nèi)也相繼開展了海洋電磁勘探的技術(shù)研究[8-10]和設(shè)備研制[11-13]工作。2012 年以來，中石油東方地球物理公司、中國海洋大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)等單位聯(lián)合開展了面向深水油氣勘探的海洋可控源電磁(CSEM)方法技術(shù)研究和裝備研制，研制的海洋電磁采集記錄儀的主要技術(shù)指標(biāo)為電場本底噪聲密度@1 Hz、磁場本底噪聲密度@1 Hz[14]，電路增益為固定增益。

微弱電場信號(hào)的超低噪聲放大是海洋電磁采集記錄儀的核心技術(shù)之一。按照場源劃分，海洋電磁勘探方法分為大地電磁(MT)方法和CSEM 方法。MT 方法以天然電磁波為場源信號(hào)[15]，由于海水的電磁波衰減作用，海底大地電磁波呈低頻性，常用于深層海底勘探。CSEM法以人工發(fā)射電磁波作為場源信號(hào)，可以人為調(diào)整場源信號(hào)的發(fā)射頻率和強(qiáng)度，可以用于淺層海底勘探。采用固定增益的海洋電場信號(hào)采集方式無法完全滿足海底電磁勘探的需求。一方面，MT 方法場源信號(hào)弱，需要較大的電路增益，CSEM 方法場源信號(hào)較強(qiáng)，需要較小的電路增益，而電磁勘探作業(yè)中往往同時(shí)存在MT 方法和CSEM 方法，固定增益無法同時(shí)兼顧兩種勘探作業(yè)方式的需求。另一方面，探測目標(biāo)的深度不同，也存在不同電路增益的需求，探測淺層目標(biāo)時(shí)，需要的電路增益較小，探測深層目標(biāo)時(shí)，需要的電路增益較大。針對不同的電路增益需求，固定增益的解決辦法是勘探作業(yè)過程中更換前置放大電路或采用雙增益前置放大電路。更換電路方式施工現(xiàn)場工作量大，效率低；雙增益電路方式導(dǎo)致儀器體積和功耗增加。

針對海洋電磁勘探中微弱動(dòng)態(tài)電場信號(hào)的寬測量范圍需求，本文提出了一種電場信號(hào)程控增益超低噪聲采集(Programmable Gain Ultra-Low Noise Acquisition，PGULNA)方法，給出了PGULNA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。給出了PGULNA 電路設(shè)計(jì)和增益控制方法，對PGULNA 電路進(jìn)行了噪聲分析。開展了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試，測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的PGULNA 電路可滿足海洋電場信號(hào)超低噪聲采集應(yīng)用。

1 PGULNA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的海洋電場信號(hào)PGULNA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)包括低噪聲放大采集電路、FPGA 控制邏輯和主控制器。海底電場信號(hào)為低頻寬帶微弱信號(hào)，考慮到低噪聲運(yùn)算放大器固有的1/f 噪聲問題，低噪聲放大采集電路采用斬波放大原理設(shè)計(jì)，包括調(diào)制單元、隔離變壓器、初級(jí)放大電路、程控增益單元、模擬解調(diào)單元、低通濾波電路、次級(jí)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。FPGA 控制邏輯部分包括調(diào)制解調(diào)邏輯、程控增益邏輯、A/D 采集邏輯。主控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度管理。

圖1 海洋電場信號(hào)PGULNA 系統(tǒng)

電場低噪聲放大采集電路中，調(diào)制單元由4 個(gè)相同的JET 管組成的橋路進(jìn)行調(diào)制；隔離變壓器單元為小信號(hào)音頻變壓器模塊，實(shí)現(xiàn)放大電路的高輸入阻抗與電場傳感器的低輸入阻抗的匹配；考慮到多級(jí)放大電路中初級(jí)放大器的本底噪聲主要決定系統(tǒng)信噪比，故初級(jí)放大電路選用調(diào)制信號(hào)頻段性能優(yōu)良的低噪聲運(yùn)算放大器進(jìn)行電場信號(hào)的超低噪聲放大；程控增益單元?jiǎng)t是將高精度D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)作為反饋電阻，通過控制D/A 轉(zhuǎn)換器得到不同的電阻值以實(shí)現(xiàn)對初級(jí)放大后的電場信號(hào)的不同增益放大；模擬解調(diào)單元?jiǎng)t是通過數(shù)字開關(guān)控制放大器輸入端的連接形式，交替構(gòu)成跟隨器和反相器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模擬解調(diào)；低通濾波電路對解調(diào)過程產(chǎn)生的毛刺信號(hào)進(jìn)行噪聲抑制。次級(jí)放大電路是一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器，保證放大環(huán)節(jié)最終為高輸出阻抗。最終將通過超低噪聲放大的電場信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。在電場信號(hào)超低噪聲放大過程中，F(xiàn)PGA控制邏輯中的調(diào)制解調(diào)邏輯產(chǎn)生所需的高頻方波作為調(diào)制信號(hào)和解調(diào)信號(hào)；程控增益邏輯則控制程控增益單元的D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同的電阻值；A/D采集邏輯控制A/D 轉(zhuǎn)換過程，采集電場數(shù)字信號(hào)。

2 PGULNA 電路設(shè)計(jì)與噪聲分析

2.1 PGULNA 電路設(shè)計(jì)

將超低噪聲集成運(yùn)算放大器與16 位高精度D/A 轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，構(gòu)成程控增益放大單元如圖2 所示。該單元中D/A 轉(zhuǎn)換器的引腳RFB 與OUT 之間接有固定阻值7 kΩ 的電阻Rpg，引 腳VREF 與OUT 的內(nèi)部是T 型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)Rx，通過對D/A 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部寄存器配置數(shù)字控制量n，其內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)Rx具有不同的電阻值。將D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)Rx作為運(yùn)算放大器的反饋電阻，實(shí)現(xiàn)數(shù)字可控增益放大。

根據(jù)D/A 轉(zhuǎn)換器的工作原理，內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)電阻Rx與數(shù)字控制量n 的關(guān)系為Rx=(216/n)×7k，以D/A 轉(zhuǎn)換器引腳RFB 與OUT 之間的7 kΩ 電阻作為輸入端電阻Rpg，因此，圖2 所示的程控增益放大單元的放大倍數(shù)Gpg為：

圖2 程控增益放大單元

PGULNA 設(shè)計(jì)的程控增益單元放大倍數(shù)為8 擋：1、2、4、8、16、32、64、128。

由于D/A 中數(shù)字控制量n 的取值為1～65535 之間的某一整數(shù)，為了得到準(zhǔn)確的放大倍數(shù)Gpg，需要對放大倍數(shù)Gpg與數(shù)字控制量n 之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行測量標(biāo)定。

2.2 PGULNA 電路噪聲分析

PGULNA 電路的原理圖如圖3 所示。圖中調(diào)制單元等效為開關(guān)S0與電阻Rm串聯(lián)；T1為隔離變壓器；初級(jí)放大，C0與R1構(gòu)成低通濾波器，G1為低噪聲運(yùn)放，Rf1與Rf2為反饋電阻，R2為運(yùn)放輸入端電阻；程控增益單元以運(yùn)放G2為核心，D/A 內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)Rx為反饋電阻，Rpg為運(yùn)放輸入端電阻；解調(diào)單元，以運(yùn)放G3為核心，通過等效電子開關(guān)S1控制輸入端的連接形式，交替構(gòu)成跟隨器和反相器，R3為運(yùn)放輸入端電阻，R4與R5為反饋電阻；低通濾波，以R6與C1、R7與C2構(gòu)成二階低通濾波器；次級(jí)放大，運(yùn)放G4構(gòu)成電壓跟隨器；次級(jí)放大的輸出信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換。

圖3 PGULNA 電路原理圖

上述PGULNA 電路的本底噪聲主要包括電阻熱噪聲、放大器電路噪聲和電阻接觸噪聲等，電阻接觸噪聲與電阻材料工藝相關(guān)，理論計(jì)算時(shí)暫不考慮。

電阻熱噪聲的計(jì)算公式為：

式中，k 為玻爾茲曼常量(1.38×10-23J/K)；T 為絕對溫度(一般取T=300 K（27 ℃）)，R 為電阻值(Ω)，B 為帶寬(Hz)。

電路噪聲分析時(shí)，式(2)中的帶寬B 為等效噪聲帶寬Bw：

式中，fc為通道上限截止頻率，本文設(shè)計(jì)的電場信號(hào)的PGULNA 電路的上限截止頻率為100 Hz，fc=100 Hz；w 為噪聲帶寬系數(shù)，取w=1.57?？傻?，等效噪聲帶寬Bw=157 Hz。于是根據(jù)式(2)的電阻熱噪聲計(jì)算公式，可得：

放大器電路的噪聲主要包括輸入端電阻熱噪聲、反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲、運(yùn)放的輸入噪聲電壓以及運(yùn)放輸入噪聲電流流過放大器輸入端電阻和反饋電阻產(chǎn)生的噪聲。

PGULNA 電路的輸入端換算本底噪聲密度e 的計(jì)算公式為：

其中，v 為噪聲電壓幅值，Bw為等效帶寬(取Bw=157 Hz)，G 為電路單元對應(yīng)輸入端的增益放大倍數(shù)。

設(shè)計(jì)的PGULNA 電路的各單元的本底噪聲分析計(jì)算如下所述。

調(diào)制單元，橋式開關(guān)電路單個(gè)場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻為3 Ω，因此，調(diào)制單元可以等效為阻值為6 Ω 的電阻Rm，對應(yīng)的電阻熱噪聲為vm。

初級(jí)放大，低通濾波器部分，由于有效電場信號(hào)頻段在低通濾波器通頻帶內(nèi)，電容C0斷路，因此電阻R1相當(dāng)于未接入電路，其電阻熱噪聲為0。

初級(jí)放大，放大器G1部分，輸入端電阻R2=10 Ω，其電阻熱噪聲為v2；反饋電阻Rf1=Rf2，所以Rf1||Rf2≈Rf1=10 Ω，其電阻熱噪聲為vf；運(yùn)算放大器的輸入噪聲電壓vne1可以通過查閱數(shù)據(jù)手冊的輸入電壓噪聲密度en計(jì)算得到，采用的運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲密度為en1=，從而輸入噪聲電壓；輸入電流噪聲密度為，調(diào)制單元等效電阻Rm，放大器輸入端電阻R2，反饋電阻Rf1||Rf2，以上電阻阻值均較小，輸入噪聲電流流過上述電阻產(chǎn)生的本底噪聲可忽略不計(jì)。

程控增益，放大器G2輸入端電阻Rpg=7 kΩ，其電阻熱噪聲為vpg；程控增益放大倍數(shù)為Gpg；反饋電阻Rx=7GpgkΩ，其電阻熱噪聲為vx；采用的運(yùn)算放大器與初級(jí)放大器相同，由于經(jīng)過隔離變壓器放大和初級(jí)放大器放大后，程控增益單元對應(yīng)輸入端的增益放大倍數(shù)為100 倍，從而輸入噪聲電壓、輸入噪聲電流流過Rm、R2、Rf1||Rf2產(chǎn)生的本底噪聲可忽略不計(jì)。輸入噪聲電流流過Rpg||Rx

解調(diào)單元，放大器G3輸入端電阻R3=56.2 kΩ，其電阻熱噪聲為v3；反饋電阻R4||R5=28.1 kΩ，其電阻熱噪聲為v4。放大器G3的輸入電壓噪聲密度為，輸入噪聲電壓vne3=51.73(nVrms)；輸入電流噪聲密度為，由于in3較小，且解調(diào)單元對應(yīng)輸入端的增益放大倍數(shù)為100Gpg，因此輸入噪聲電流產(chǎn)生的本底噪聲可忽略不計(jì)。

低通濾波，R6=15.6 kΩ，其電阻熱噪聲為v5；R7=233 kΩ，其電阻熱噪聲為v6。

次級(jí)放大，無電阻熱噪聲。采用的運(yùn)算放大器G4與解調(diào)單元相同，輸入噪聲電壓vne4、輸入電流噪聲密度in4較小，且對應(yīng)輸入端的增益放大倍數(shù)較大，所以輸入電流噪聲產(chǎn)生的本底噪聲可忽略不計(jì)。

A/D 轉(zhuǎn)換電路，A/D 芯片滿量程輸入范圍為±2.2 V，采樣率500 kS/s 時(shí)信噪比為127 dB。本底噪聲vAD為vAD=4.4/(1×10127/20)=1 965.4(nVrms)。

根據(jù)式(5)，計(jì)算得到的各電路單元對應(yīng)的輸入端換算本底噪聲密度e 如表1 所示。

表1 中的各噪聲相互獨(dú)立無關(guān)，各電路單元輸入換算本底噪聲密度平方和的平方根就是輸入端換算本底噪聲密度e 的幅值。分析可知，當(dāng)程控增益單元放大倍數(shù)為Gpg=1 時(shí)，e 取最大值。同時(shí)考慮到噪聲密度值小于最大值1/5 的成分影響很小，設(shè)計(jì)的PGULNA 電路的輸入端換算本底噪聲密度e 約為：

表1 各電路單元噪聲分析結(jié)果

3 測試結(jié)果分析

為了測試PGULNA 系統(tǒng)的性能，搭建了如圖4 所示的實(shí)驗(yàn)室測試系統(tǒng)，主要測試了PGULNA 系統(tǒng)的電場通道本底噪聲、電場通道程控增益等性能。測試系統(tǒng)包括PGULNA 系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、PC 配置監(jiān)控軟件、PC 功率密度譜分析軟件。其中信號(hào)源用于程控增益測試過程中的輸入信號(hào)幅值調(diào)整；PC 配置監(jiān)控軟件用于系統(tǒng)參數(shù)配置、實(shí)時(shí)波形監(jiān)控；PC 功率密度譜分析軟件用于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的功率密度譜分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)室測試系統(tǒng)

3.1 本底噪聲測試

PGULNA 系統(tǒng)具有3 個(gè)電場放大采集通道。在電場通道本底噪聲測試中，PGULNA 系統(tǒng)采用鋰電池供電，將各個(gè)電場通道的信號(hào)輸入端分別短接，設(shè)置系統(tǒng)采樣率125 Hz，程控增益單元放大倍數(shù)Gpg=1，采樣時(shí)長20 min。最終，利用PC 功率密度譜分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率密度譜分析，得到如圖5 所示的通道本底噪聲分析結(jié)果。

圖5 本底噪聲測試結(jié)果

從通道本底噪聲分析結(jié)果可以看出，3 個(gè)電場通道的本底噪聲基本一致，儀器通道一致性良好。在1 Hz 頻點(diǎn)處，電場通道本底噪聲密度約為@1 Hz，與理論分析計(jì)算結(jié)果位于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明計(jì)算結(jié)果的合理性。測試結(jié)果高于計(jì)算結(jié)果，說明存在電阻接觸噪聲等其他噪聲源影響。

3.2 程控增益測試

程控增益測試采用在線監(jiān)控方式進(jìn)行信號(hào)和增益調(diào)整。使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)作為電場輸入信號(hào)。為了避免直接產(chǎn)生微弱信號(hào)失真，測試時(shí)將幅值準(zhǔn)確的正弦波信號(hào)通過1 000 倍的衰減線衰減至合適幅值接入電場通道；使用PC 配置監(jiān)控軟件在信號(hào)幅值調(diào)整過程中對增益放大倍數(shù)進(jìn)行配置調(diào)整，并對采集到的信號(hào)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

調(diào)整程控增益放大倍數(shù)從128、64、32、16、8、4、2、1逐漸減小，電場輸出信號(hào)幅值隨之改變。電場通道程控增益放大倍數(shù)測試結(jié)果分別如表2、圖6 所示，測試結(jié)果表明，PGULNA 系統(tǒng)可以滿足電場信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍采集需求。

圖6 程控增益測試結(jié)果

表2 電場通道程控增益放大倍數(shù)測試結(jié)果

4 結(jié)論

海洋電場信號(hào)的超低噪聲放大是海洋電磁勘探的核心技術(shù)之一。本文針對海洋電磁勘探中電場信號(hào)超低噪聲放大的程控增益需求，提出了一種微弱電場信號(hào)程控增益超低噪聲采集方法，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主控采用“低功耗ARM+FPGA”設(shè)計(jì)，ARM 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的管理決策，F(xiàn)PGA 負(fù)責(zé)多個(gè)采集通道的同步采集控制。針對電場信號(hào)低頻微弱的特點(diǎn)，電場信號(hào)放大采集電路采用低噪聲斬波放大原理設(shè)計(jì)。程控增益單元采用以低噪聲運(yùn)算放大器為核心、D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)作為反饋電阻的設(shè)計(jì)方案，通過數(shù)字控制量控制D/A 內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)阻值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益變化。開展了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試，測試結(jié)果表明，電場通道之間一致性良好，本底噪聲約為@1 Hz，程控增益單元放大倍數(shù)為1～128 倍8 擋可調(diào)，能夠滿足海洋電磁勘探中電場信號(hào)程控增益超低噪聲采集需求。