基于FPGA 的時(shí)間域航空電磁多波脈沖發(fā)射電路控制設(shè)計(jì)

吳珊，王浩，劉磊，曹展宏

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊 065000；2.國(guó)家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北廊坊 065000）

時(shí)間域航空電磁法是通過(guò)機(jī)載航空電磁裝備向地下發(fā)射電磁脈沖信號(hào)，接收反饋回來(lái)的二次場(chǎng)信號(hào)，獲得地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)分布的物探方法[1-2]，應(yīng)用范圍廣泛[3-4]。系統(tǒng)發(fā)射能力決定其是否具備大深度兼顧淺層分辨探測(cè)水平的重要因素[5-8]，需要精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的發(fā)射過(guò)程[9]，而FPGA 是一種高性能可編程邏輯器件，具有集成度高、可編程等特點(diǎn)，適用于數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[10-12]。該文設(shè)計(jì)了基于FPGA 頂層設(shè)計(jì)的門控信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的時(shí)序邏輯，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)發(fā)射半周期內(nèi)，發(fā)射一個(gè)高能脈沖（半正弦波）和一個(gè)或多個(gè)低能脈沖（梯形波）組合波，高能脈沖保證了大探測(cè)深度，低能脈沖保證了淺層分辨能力。

1 多波脈沖合成原理

多波發(fā)射技術(shù)需具備如圖1 所示的電流波形的發(fā)射能力。采用半正弦波脈沖發(fā)射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)千安級(jí)峰值電流發(fā)射，利用多波發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)快關(guān)斷梯形波脈沖和半正弦脈沖同時(shí)發(fā)射。圖1 為該文多波電路工作原理圖，由Q1～Q4 四只IGBT 開關(guān)管組成全橋電路，L1和R1為發(fā)射線圈的電感和電阻，諧振電容C1并聯(lián)在全橋電路兩端。在諧振電容C1和主橋路之間加入開關(guān)管Q5 和Q6，在主橋路兩端并聯(lián)電容C2，就構(gòu)成了可實(shí)現(xiàn)多波脈沖發(fā)射的逆變電路。

圖1 多波電路工作原理圖

當(dāng)發(fā)射半正弦脈沖時(shí)，Q5 和Q6 導(dǎo)通，C1和C2等效于單個(gè)電容，控制Q1～Q4 的開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)電容的儲(chǔ)能和放電，實(shí)現(xiàn)大電流半正弦波的發(fā)射。

當(dāng)發(fā)射梯形波時(shí)，開關(guān)管Q1～Q6 均保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，電容C1充能至預(yù)定狀態(tài)，即C1初始電壓達(dá)到最大值，發(fā)射線圈中的電流維持零值。開關(guān)管Q1、Q4、Q5和Q6 同時(shí)導(dǎo)通，C1和C2中的儲(chǔ)能通過(guò)Q1、L1、R1和Q4構(gòu)成的回路向電感L1中轉(zhuǎn)移，設(shè)定時(shí)間T1。T1的大小主要由梯形波的幅值需求決定，即T1越大，電流脈沖幅值越大。Q5 和Q6 斷開時(shí)，通過(guò)控制Q1 和Q4 的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電容、電阻、電感、二極管及發(fā)射線圈之間的能量轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)小電流梯形波的發(fā)射。通過(guò)分時(shí)控制開關(guān)管Q5 和Q6 的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單、多波脈沖的發(fā)射。

2 多波脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元設(shè)計(jì)

基于FPGA 設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器具備以下功能：脈寬選擇、頻率選擇、發(fā)射波形選擇（單波、多波）、觸發(fā)模式選擇（內(nèi)、外觸發(fā)）、保護(hù)功能（過(guò)壓、欠壓、短路）、隔離功能、蜂鳴器報(bào)警和LED 指示功能，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

2.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊

如圖3 所示，IGBT 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器主要用于產(chǎn)生高壓充電電容器和逆變器所用IGBT的門控信號(hào)[13]，通過(guò)控制IGBT 的開關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)射波形。其中，S1、S2、S3、S4 構(gòu)成全橋電路，用于產(chǎn)生雙極性波形；S5、S6 用于實(shí)現(xiàn)多波發(fā)射；S7、S8 用于消除關(guān)斷振蕩；SH1～SH3 為Boost 電路中的開關(guān)管。

圖3 發(fā)射機(jī)電氣連接示意圖

所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)都由信號(hào)觸發(fā)模塊觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)模式下，觸發(fā)信號(hào)由系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘20 MHz 分頻得到，外觸發(fā)模式下，觸發(fā)信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供[14]。外同步觸發(fā)信號(hào)分別為1.25 Hz、25 Hz 和50 Hz 的方波信號(hào)。該觸發(fā)信號(hào)使發(fā)生器同步產(chǎn)生所有的輸出信號(hào)。S1～S4 為主橋路控制信號(hào)，為Q1～Q4 的IGBT 開關(guān)管門控信號(hào)。S1 和S4 控制邏輯相同，S2和S3 控制邏輯相同，S2、S3 在時(shí)序上等同于S1、S4 延遲半周期[15]。

圖4 是25 Hz 發(fā)射基頻時(shí)的主橋路IGBT 門控信號(hào)，脈寬較寬的脈沖用于控制半正弦波的上升沿，脈寬較窄的脈沖用于控制產(chǎn)生小能量快速關(guān)斷梯形波。

圖4 主橋路IGBT開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形示意圖

S5、S6為Q5、Q6 IGBT開關(guān)管的門控信號(hào)，控制子波控制橋路上的門控信號(hào)，寬脈沖對(duì)應(yīng)半正弦脈沖，窄脈沖對(duì)應(yīng)梯形波脈沖，如圖5 所示。阻尼橋路的門控信號(hào)為S6、S7，控制Q7、Q8 IGBT開關(guān)管。如圖6所示，每當(dāng)形成一個(gè)完整的發(fā)射脈沖，S7 和S8 就置為高電平，將阻尼并在發(fā)射線圈兩端，用以消除振鈴現(xiàn)象。該電路比直接并聯(lián)電阻的方式可獲得更高的發(fā)射效率。

圖5 開關(guān)管Q5/Q6門控信號(hào)S5/S6波形示意圖

圖6 開關(guān)管Q7/Q8門控信號(hào)S7/S8的波形示意圖

SH1、SH2、SH3 是高壓充電器QH1、QH2、QH3的開關(guān)管門控信號(hào)，三路控制信號(hào)具有相同的控制邏輯，通過(guò)選擇門控信號(hào)的頻率和脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的調(diào)節(jié)。門控信號(hào)波形如圖7 所示。

圖7 高壓充電器開關(guān)管QH1、QH2和QH3門控信號(hào)波形示意圖

2.2 單波驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器

門控信號(hào)通過(guò)狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)[16]，如表1所示，“單波發(fā)射”時(shí)，S1、S2、S3、S4 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表1 “單波發(fā)射”S1～S4開關(guān)狀態(tài)

其工作過(guò)程描述如下：

1）系統(tǒng)上電，進(jìn)入初始狀態(tài)T0，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉；

2）選擇單波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的上升沿，進(jìn)入狀態(tài)T1，S1、S4 打開，S2、S3 關(guān)閉，發(fā)射橋路正向?qū)?，?jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；

3）當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的發(fā)射波形脈寬時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T2，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零；

4）當(dāng)再次檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的上升沿時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T3，S1、S4 關(guān)閉，S2、S3 打開，發(fā)射橋路反向?qū)?，?jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；

5）當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的發(fā)射波形脈寬時(shí)，進(jìn)入初始狀態(tài)T0，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零。

2.3 多波驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器

實(shí)現(xiàn)多波發(fā)射，需要同時(shí)發(fā)射主波形（半正弦波）和副波形（梯形波）。利用S1～S8 門控信號(hào)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1）S1～S4 門控信號(hào)

門控信號(hào)通過(guò)狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生邏輯實(shí)現(xiàn)，如表2 所示，“多波發(fā)射”時(shí)，S1、S2、S3、S4 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表2 “多波發(fā)射”S1～S4開關(guān)狀態(tài)

①系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始狀態(tài)T0，S1、S2、S3、S4均關(guān)閉；

②選擇多波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的上升沿，進(jìn)入狀態(tài)T1，S1、S4打開，S2、S3關(guān)閉，發(fā)射橋路正向?qū)?，產(chǎn)生正向主波，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；

③當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的發(fā)射主波形脈寬時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T2，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)時(shí)；

④當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定的間隔時(shí)間，進(jìn)入狀態(tài)T3，S1、S4 打開，S2、S3 關(guān)閉，發(fā)射橋路正向?qū)?，產(chǎn)生正向副波，計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)時(shí)；

⑤當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定的發(fā)射副波形脈寬時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T4，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零；

⑥當(dāng)再次檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的上升沿，進(jìn)入狀態(tài)T5、T6、T7，相反方向的主波和副波的激發(fā)原理和工作過(guò)程與上述過(guò)程相同，最后進(jìn)入初始狀態(tài)T0。

2）S5 和S6 門控信號(hào)

可能為流量計(jì)內(nèi)進(jìn)入臟污，導(dǎo)致浮子抖動(dòng)或卡頓，此時(shí)需對(duì)流量計(jì)進(jìn)行清洗。對(duì)于金屬材質(zhì)的浮子，可按順序?qū)⑺?、無(wú)水乙醇、丙酮、乙醚注入流量計(jì)內(nèi)將贓物洗凈，對(duì)于塑料材質(zhì)浮子，則可用洗潔精、水、無(wú)水乙醚進(jìn)行清洗。待管內(nèi)溶劑干燥后再裝回原來(lái)位置。

如表3 所示，“多波發(fā)射”時(shí)，S5、S6 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表3 “多波發(fā)射”S5、S6開關(guān)狀態(tài)

其工作過(guò)程描述如下：

①系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始狀態(tài)T0，S5、S6均關(guān)閉；

②選擇多波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的上升沿，進(jìn)入狀態(tài)T1，S5 打開，S6 關(guān)閉，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；

③當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T2，S5、S6 均打開，電容C1的能量釋放到發(fā)射橋路，產(chǎn)生發(fā)射波形主波，計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)時(shí)；

④當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T3，S5、S6 均關(guān)閉，電容C2的能量釋放到發(fā)射橋路，產(chǎn)生發(fā)射波形副波，計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)時(shí)；

⑤當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定的時(shí)間間隔，進(jìn)入狀態(tài)T4，S5、S6 均打開，計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)時(shí)；

⑥當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入初始狀態(tài)T0，S5、S6 均關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零。

3）S7 和S8 門控信號(hào)

如表4 所示，“多波發(fā)射”時(shí)，S7、S8 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表4 “多波發(fā)射”S7、S8開關(guān)狀態(tài)

其工作過(guò)程描述如下：

①系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始狀態(tài)T0，S7、S8均關(guān)閉；

②選擇多波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的上升沿，進(jìn)入狀態(tài)T1，S7、S8 均關(guān)閉，此時(shí)發(fā)射橋路導(dǎo)通，發(fā)射波形主波通過(guò)發(fā)射線圈，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；

③當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T2，S7、S8 均打開，此時(shí)發(fā)射橋路關(guān)斷，接入阻尼電阻R2用于吸收關(guān)斷振蕩，計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)時(shí)；

④當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)T3，S7、S8 均關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零；

⑤檢測(cè)到發(fā)射波形副波的上升沿，進(jìn)入狀態(tài)T4、T5，副波的發(fā)射原理和工作過(guò)程與上述過(guò)程相同，最后進(jìn)入初始狀態(tài)T0。

3 多波發(fā)射電路測(cè)試

根據(jù)多波脈沖發(fā)射原理及控制設(shè)計(jì)了時(shí)間域航空電磁發(fā)射樣機(jī)。在野外對(duì)發(fā)射波形、峰值電流、發(fā)射磁矩等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。采用FLUKE199C 監(jiān)控示波器和GMC CP-1005 監(jiān)控電流鉗對(duì)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1）發(fā)射峰值電流測(cè)試

如圖8，發(fā)射頻率為12.5 Hz，峰值發(fā)射電流達(dá)到1.22 kA。峰值發(fā)射磁矩M=nIS=4×1.22 kA×248.25 m2=1 211.46 kA·m2，實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)千安大電流發(fā)射，峰值發(fā)射磁矩超過(guò)1.2×106A·m2。

圖8 發(fā)射峰值電流波形

2）多波發(fā)射功能測(cè)試

圖9 為多波發(fā)射電流波形，表明該設(shè)計(jì)方案能夠有效控制發(fā)射電路同時(shí)發(fā)射大能量半正弦波和小能量梯形波。

圖9 多波發(fā)射電流波形

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)時(shí)間域航空電磁具備大探測(cè)深度并兼顧淺層分辨率的能力，該文利用FPGA作為硬件平臺(tái)[17-18]，基于Verilog 硬件描述語(yǔ)言，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)脈沖頻率調(diào)制或脈寬調(diào)制，精確控制發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電流波形、頻率和脈寬的變化，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的單波、多波驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精準(zhǔn)有效控制，產(chǎn)生精度高、可控性強(qiáng)的多路數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)?；谠撐脑O(shè)計(jì)的FPGA 控制發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)的多波脈沖發(fā)射，其主波發(fā)射脈沖由兩個(gè)1/4 正弦波組成，上升沿和下降沿的時(shí)長(zhǎng)和陡度可以程序獨(dú)立調(diào)節(jié)，副波發(fā)射脈沖為快速關(guān)斷沿的小幅值梯形脈沖，通過(guò)野外試驗(yàn)實(shí)測(cè)可知，發(fā)射波形、發(fā)射頻率、峰值發(fā)射電流及發(fā)射磁矩等均滿足設(shè)計(jì)需求，驗(yàn)證了該文方法的可行性，表明該文設(shè)計(jì)的發(fā)射電路能夠?yàn)闀r(shí)間域航空電磁實(shí)現(xiàn)大探測(cè)深度兼顧淺層分辨能力提供有力支撐。