海洋電磁信號超低噪聲同步采集系統(tǒng)設計

劉蘭軍，周亞濤，陳家林，黎 明，強嘉晨，謝 鵬

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

0 引言

1 LNS-MEM 系統(tǒng)設計

LNS-MEM系統(tǒng)組成如圖1所示。LNS-MEM系統(tǒng)主要由傳感器模塊、前置放大模塊、A/D 采集模塊、主控模塊組成，可同步采集3 個電場通道信號（E，E，E）、2 個磁場通道信號（H，H）。傳感器模塊包含電場傳感器和磁場傳感器，電場傳感器采用低噪聲不極化Ag/AgCl 電極，磁場傳感器采用低噪聲感應式磁場傳感器（內(nèi)置低噪聲放大電路）。前置放大模塊包括電場信號前置放大和磁場信號前置放大。因采用的磁場傳感器已經(jīng)內(nèi)置低噪聲放大電路，故磁場信號前置放大只是一個低噪聲阻抗匹配放大電路；電場信號前置放大是LNS-MEM 系統(tǒng)的設計重點。電場信號是一個低頻微弱信號，電場前置放大采用超低噪聲斬波放大原理設計。A/D 采集模塊負責將放大后的電場、磁場模擬信號同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采用低噪聲高精度A/D 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。主控模塊采用“低功耗ARM+FPGA”的設計方案，具體包含低功耗ARM 控制器、FPGA、高精度時鐘、數(shù)據(jù)存儲和通信控制接口。低功耗ARM 控制器負責系統(tǒng)任務管理，F(xiàn)PGA 負責多通道信號同步采集控制，高精度時鐘為系統(tǒng)提供高精度時鐘信號，通信控制接口實現(xiàn)系統(tǒng)配置、GPS 授時和數(shù)據(jù)讀取等功能。

圖1 LNS-MEM 系統(tǒng)組成

2 LNS-MEM 系統(tǒng)關鍵模塊設計

2.1 低頻微弱電場信號超低噪聲放大電路設計

圖2 低頻微弱電場信號超低噪聲斬波放大電路系統(tǒng)組成

超低噪聲斬波放大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，理論計算時暫不考慮。電阻熱噪聲的計算公式為：

式中：為玻爾茲曼常量(1.38×10J/K)；為絕對溫度（取=300 K）；為電阻值（單位為Ω）；為帶寬（單位為Hz）。

電路噪聲分析時，式（1）中的帶寬為等效噪聲帶寬B=。其中，為超低噪聲斬波放大通道的上限截止頻率，=100 Hz；為噪聲帶寬系數(shù)，取=1.57。根據(jù)式（1）的電阻熱噪聲計算公式可得：

放大器電路噪聲主要包括輸入端電阻熱噪聲、反饋電阻熱噪聲、運放的輸入噪聲電壓、運放輸入噪聲電流流過放大器之前部分電阻和反饋電阻產(chǎn)生的噪聲。

本文設計的低噪聲斬波放大電路的原理圖如圖3所示。

圖3 超低噪聲斬波放大電路原理圖

超低噪聲斬波放大電路的各單元分析如下：

調(diào)制單元，橋式開關電路單個場效應管的導通電阻為3 Ω，因此，調(diào)制單元可以等效成阻值為6 Ω 的電阻，其電阻熱噪聲為。

解調(diào)單元，由于初級放大增益較大，運算放大器的電路噪聲忽略不計。輸入端電阻=56.2 kΩ，其電阻熱噪聲為；反饋電阻==56.2 kΩ，其電阻熱噪聲為。

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

次級放大，運算放大器的電路噪聲忽略不計，無電阻熱噪聲。

超低噪聲斬波放大電路的輸入端換算本底噪聲密度的計算公式為：

式中：為噪聲電壓幅值；B為等效帶寬（B=157 Hz）；為電路單元對應輸入端的放大增益。根據(jù)式（3），計算得到的各電路單元對應的輸入端換算本底噪聲密度，如表1 所示。

表1 各電路單元的噪聲分析結(jié)果

2.2 高精度分布式時鐘同步方法設計

海洋電磁探測的電磁數(shù)據(jù)處理，需要電磁探測陣列中的各個電磁采集系統(tǒng)具有高精度的時鐘同步。針對電磁采集系統(tǒng)的高精度分布式同步需求，本文設計采用“GPS 授時+高精度溫度補償時鐘”的時鐘同步方案。LNS-MEM 投放前，利用GPS 進行授時，保證各個采集系統(tǒng)啟動時刻精準；LNS-MEM 投放后，基于高精度溫度補償時鐘模塊進行高精度的時鐘走時；LNS-MEM 回收后，再利用GPS 進行校時，獲得各個采集系統(tǒng)的走時偏差。

為了保證LNS-MEM 系統(tǒng)授時/校時的準確性，設計了基于雙秒脈沖的GPS 授時/校時方法，具體授時/校時流程如圖4 所示。授時/校時裝置收到命令后，等GPS 秒脈沖信號上升沿時，向LNS-MEM 系統(tǒng)發(fā)出授時/校時請求，并將時鐘信息發(fā)送給LNS-MEM 系統(tǒng)，LNS-MEM 系統(tǒng)完成系統(tǒng)時鐘信息更新（授時）或時鐘信息記錄（校時）；在下一個秒脈沖信號上升沿時，若授時，LNS-MEM系統(tǒng)啟動系統(tǒng)實時時鐘RTC 開始走時，若校時，記錄RTC 的當前時鐘信息。

圖4 基于雙秒脈沖的GPS 授時/校時流程

為了保證LNS-MEM 投放后的高精度時鐘同步，設計了基于精度為50 ppb 的低功耗溫度補償型壓控晶振的高精度時鐘模塊，高精度時鐘模塊組成如圖5 所示。ARM 通過A/D 采樣獲得壓控晶振的工作環(huán)境溫度測量值（A/D 值）；根據(jù)標定的A/D 值與D/A 值（壓控輸入值）對應關系表，ARM 控制D/A 產(chǎn)生對應的壓控輸入值，調(diào)整溫度補償型壓控晶振的時鐘輸出信號以提高其時鐘精度。

圖5 高精度時鐘模塊

3 LNS-MEM 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

基于實驗室環(huán)境和海洋環(huán)境，開展了LNS-MEM 系統(tǒng)性能測試。實驗室環(huán)境測試場景如圖6 所示，測試了LNS-MEM 系統(tǒng)的電場通道本底噪聲、電場通道帶寬、時鐘同步等性能。實驗室測試系統(tǒng)主要包括LNS-MEM 系統(tǒng)、鎖相放大器、授時/校時裝置、PC 監(jiān)控軟件。其中鎖相放大器用于電場通道帶寬測試；授時/校時裝置用于LNS-MEM 系統(tǒng)的授時/校時；PC 監(jiān)控軟件用于系統(tǒng)參數(shù)配置和實時波形監(jiān)控。海洋環(huán)境測試場景如圖7 所示，主要測試了LNS-MEM 系統(tǒng)在海洋可控源電磁（CSEM）勘探作業(yè)中的數(shù)據(jù)采集性能。

圖6 實驗室環(huán)境測試場景

圖7 海洋環(huán)境測試場景

3.1 電場通道本底噪聲

圖8 電場通道本底噪聲測試結(jié)果

3.2 電場通道帶寬

基于鎖相放大器MODEL 7265 開展了LNS-MEM 系統(tǒng)電場通道的幅頻特性測試，以獲得電場通道帶寬。LNS-MEM 系統(tǒng)采用鋰電池組供電，將電場前置放大電路輸入端連接MODEL 7265 的信號輸出端，電場前置放大電路輸出端連接MODEL 7265 的信號輸入端；MODEL 7265 依次輸出幅值為1 mV、頻率范圍為0.001～100 Hz 的信號；通過MODEL 7265 測量電場前置放大電路的輸出信號幅值；根據(jù)信號幅值計算對應頻點的增益，獲得LNS-MEM 系統(tǒng)電場通道的幅頻特性。

測得的LNS-MEM 系統(tǒng)電場通道的幅頻特性如圖9所示。測試結(jié)果可以看出，電場前置放大通道為一個低通濾波通道，通帶增益為61 dB，-3 dB 上限截止頻率約為100 Hz。

圖9 電場通道幅頻特性測試結(jié)果

3.3 時鐘同步

時鐘同步測試的過程為：首先通過攜帶GPS 模塊的授時/校時裝置對LNS-MEM 系統(tǒng)進行授時，授時之后LNS-MEM 系統(tǒng)連續(xù)工作一段時間，最后通過攜帶GPS模塊的授時/校時裝置對LNS-MEM 系統(tǒng)進行校時。反復開展多次測試，將測試結(jié)果平均得到系統(tǒng)的時鐘同步偏差。連續(xù)測量3次的LNS-MEM系統(tǒng)時鐘同步偏差測試結(jié)果如表2所示。由表2可以得出，LNS-MEM系統(tǒng)平均日時鐘同步偏差為1.485 ms，時鐘同步精度約為17 ppb。

表2 系統(tǒng)時鐘同步誤差測試結(jié)果

3.4 海洋環(huán)境測試

為了進一步測試LNS-MEM 系統(tǒng)在實際海洋環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集性能，利用研制的LNS-MEM 系統(tǒng)在中國南海某海域開展海洋可控源電磁（CSEM）勘探海上試驗。試驗中電磁發(fā)射源的發(fā)射電極極距為150 m，發(fā)射電流為725 A，發(fā)射源離地高度為70 m。圖10 所示是LNSMEM 系統(tǒng)采集的CSEM 時間序列數(shù)據(jù)。由圖10 可知，系統(tǒng)采集到了有效的CSEM 數(shù)據(jù)。

圖10 采集的CSEM 時間序列數(shù)據(jù)

對LNS-MEM 系統(tǒng)電場通道Ex 采集的電磁數(shù)據(jù)進行時頻分析，得到如圖11 所示的時頻分析結(jié)果。從圖中可以看出，電場通道采集到了電磁發(fā)射源經(jīng)過LNSMEM 系統(tǒng)時的CSEM 數(shù)據(jù)。

圖11 電場通道Ex 的數(shù)據(jù)時頻分析結(jié)果

選取電磁發(fā)射源經(jīng)過LNS-MEM 系統(tǒng)上方的時刻附近時長為3 min 的數(shù)據(jù)處理，得到海洋CSEM 探測的MVO 曲線和PVO 曲線，如圖12 所示。

從圖12 中可以看出，研制的LNS-MEM 系統(tǒng)的有效探測范圍可達7.5 km，可以滿足海洋電磁探測的需求。

圖12 海洋CSEM 探測的MVO 曲線和PVO 曲線

4 結(jié)論

海洋微弱電磁信號采集技術是海洋電磁探測的關鍵核心技術之一。本文針對海洋電磁采集系統(tǒng)的低頻超低噪聲信號采集和高精度時鐘同步需求，設計了一種海洋電磁信號超低噪聲同步采集系統(tǒng)LNS-MEM。系統(tǒng)主控采用“低功耗ARM+FPGA”方案，低功耗ARM 負責系統(tǒng)任務管理，F(xiàn)PGA 實現(xiàn)多通道信號同步采集。