極低頻/超低頻/甚低頻寬帶磁傳感器技術研究

陶 偉 張世田 劉新安 高 俊

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢430033；3.中國電波傳播研究所，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鍵儀器設備，主要應用于石油資源、金屬礦產的勘探以及深部地球物理勘探，近年來在地熱、地下水、火山地質、環境監測、工程勘探、市政工程和土壤鹽堿化等領域也得到了應用，有著非常廣闊的應用前景［1］。國外地球物理儀器發展較快，而國內磁傳感器的技術指標遠落后于德國、加拿大和美國等國家，這一現狀已嚴重制約我國電磁法儀器的發展。

電磁法勘探的主要原理是利用自然界低頻段的輻射源（如太陽風、大氣噪聲等），或人工的ELF/SLF/VLF發射源，在一定區域內多點接收特定發射源經地下路徑傳播后再傳回地面的電磁場強度的譜密度，從而得出地面阻抗矩陣對頻率的響應，在此基礎上按多層介質模型反演出接收點所在處地層電導率隨深度的變化［2－3］。 為了探測到地球深部的結構，收測頻段的低端頻率必須達到ELF頻段甚至更低，如0.01Hz；而為了提高淺層地質結構的分辨率，收測頻段的高端頻率必須達到10kHz左右。這要求相應磁場傳感器的頻率范圍應覆蓋從0.01Hz直到10kHz的超寬頻段，其中最高與最低頻率之比達到106量級，這樣的技術要求引發了如下技術難題［4］：為使傳感器在工作頻段低端的傳感系數能夠滿足需求，必須采用導磁系數大的鐵磁材料、納米晶或坡莫合金作為磁芯［5］；線圈匝數必須很多以保證足夠大的有效截面積，而這樣的設計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內；由于傳感器的工作頻段跨度達106量級，故其諧振頻率一定在測量頻段范圍內，從而使得傳感器的傳感系數在整個工作頻段內不是簡單的隨頻率線性增加，而是呈一種復雜的變化；但電磁法勘探要求能夠準確計算（或測定）出磁場傳感器的傳感器系數隨頻率的變化，以便能從測量設備終端接收的電壓譜密度中準確求出磁場強度譜密度，因此，需要對傳感器系數進行標校。

本文研究分析了ELF/SLF/VLF寬帶磁傳感器的磁天線低噪聲實現、放大器低噪聲處理、傳感系數標校等關鍵技術問題，在此基礎上研制了寬帶磁傳感器的樣機并進行了測試，測試結果達到或優于相關產品的技術指標。

1.寬帶磁傳感器的工作原理及關鍵技術解決

電磁勘探中傳感器所接收的信號強度相當微弱，這對傳感器的靈敏度提出了很高要求。同時寬帶磁傳感器的頻段跨度高達106量級，如此寬的工作頻段導致磁棒線圈的傳感系數在低端相對很低，在高端又很高，信號動態范圍非常大。為使磁傳感器能夠適應較大的動態范圍，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 磁棒天線低噪聲實現

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

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

磁天線線圈感應出的電壓為

式中：N為線圈匝數；Φ為磁通量；B為平行于傳感器軸線的磁感應強度。

流經線圈中的磁通量計算公式為

式中：H為磁場強度；μ0為真空磁導率；μcore為磁芯的有效磁導率；A為磁芯的橫截面積。

由式（3）可知，要想實現磁天線的高信噪比，必須盡可能地增加傳感系數以及降低天線繞線電阻，為此除了選取合適的線圈材質外，還需選用高有效磁導率的磁芯。但對于棒狀磁芯來說其有效磁導率μcore并不等于其相對磁導率μr，它不僅與磁芯的相對磁導率有關，還與磁芯的直徑d、長度l有關［7］，有效磁導率的公式可以近似表示為

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

圖1 磁棒有效磁導率隨l/d的變化

1.2 放大器低噪聲處理技術

放大器的噪聲基本取決于輸入級放大器的噪聲。因此，選用低噪聲放大器作為前級放大器非常重要。對于ELF頻段放大器的噪聲主要表現為1/f噪聲，其幅度與頻率成反比。為了解決1/f噪聲對低頻弱信號的影響，常采用將微弱的低頻信號調制到較高頻載波上進行放大，而后再解調恢復的方法。但在對信號收測精度有較高要求的情況下多采用斬波技術。斬波放大電路在對信號放大過程中避開了1/f噪聲區，同時各級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

為了使傳感器達到寬帶幅頻特性的技術要求，放大器電路被分離成一個較低頻通道（ELF）和一個獨立的具有較高頻率的AC通道。前者對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，使得傳感器在整個工作頻段的傳感系數較為均衡。

在寬帶磁傳感器系統中，必須特別注意噪聲特性，系統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計方案示意圖

下面公式可將噪聲電壓譜密度與相應噪聲磁感應強度譜密度對應

利用上述理論公式，計算了寬帶磁傳感器的等效噪聲磁感應強度譜密度的數值，并在圖4中繪出曲線。為了進行比較還繪出了自然噪聲磁感應強度譜密度的中值。

寬帶磁傳感器噪聲可以通過測量接收機來測量，為使天線遠離環境噪音，測量時將天線放置在屏蔽室中測量。另外，寬帶磁傳感器的噪聲也可在野外通過平行檢測來進行測量，根據平行放置的相關性，以及所測得的差分結果，可以計算出噪聲譜密度。

圖4 寬帶磁傳感器的噪聲磁感應強度譜密度數值

1.3 傳感系數標校

對于簡諧波磁場強度，可用一個向量表示為H＝H·ejwt，將其代入式（2）；再代入式（1），感應線圈輸出的感應電壓向量為

式（7）中S0是反映感應線圈靈敏程度的量，它表征磁場強度與感應電壓之間的關系。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對頻率的響應有很大的差別，再加之放大器G的增益對不同頻率也有很復雜的變化。為了從前置放大器的輸出電壓譜密度中推測出外界磁場的譜密度，必須對寬帶磁傳感器進行計量與標校［8］，但目前國內尚無低頻段天線傳輸系數標校的標準。參考美國國家標準局（NBS）在1967年制定的對“30Hz至1 000MHz的信號場強”測量標定方法，提出了低頻段傳輸系數標校方法。

傳輸系數的標校原理為，當接收天線和發射天線的軸線（通過環面中心的垂線）在同一直線上時，此時磁場強度定義為Hρ，則Hρ為

當接收天線環面與發射天線環面處在同一平面上時，此時磁場強度定義為Hφ，則Hφ為

式中：A為發射天線的有效面積；I為通過發射天線的電流有效值；R為收、發天線中心點的距離。對于ELF/VLF而言，R應大于20倍收、發天線直徑，但同時小于電波波長的1/20，R一般取值范圍為10～30m，這樣接收天線口面上的磁場才能認為是“近區”均勻場。

環形接收天線感應磁場后產生的輸出電壓信號為

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強度，單位是dBA/m；S（f）是與頻率有關系的傳感器的傳輸系數。

標校過程為：

步驟1：將磁場傳感器放置標校發射天線建立的標準場中；

步驟2：根據發射天線上測出的電流I及發射天線中心之間的距離R，計算出標校場的磁場強度H（ω）；

步驟3：讀出（測出）磁場傳感器上對應的輸出電壓譜密度Ui（ω）；

步驟4：由式（9）計算出傳感器在此頻點的傳感系數S（f）；

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

標校后，接收點磁場強度H（ω）就等于磁傳感器輸出電壓譜密度Ui（ω）減去S（f）.

2.寬帶磁傳感器測試結果

在上述ELF/SLF/VLF寬帶磁傳感器的理論指導下，研究了寬帶磁傳感器的測試方法和設計方法；計算、設計、制作了寬帶磁傳感器，并進行反復調試，基本定型后得到如下測試結果。

2.1 靈敏度測試結果

由動態信號分析儀測出感應電壓然后算出靈敏度數值如圖6所示。

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

圖7表示寬帶磁傳感器的相位測試結果。在頻率為4Hz時，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律滿足地質勘探接收系統的要求。圖7中不光滑的部分是由于市電工頻及其諧波產生磁場干擾所致，而在野外勘探時此類干擾的影響極其微小。

2.2 噪聲測試結果

由測量接收機測出放大器噪聲電壓后，通過計算得出的噪聲磁感應強度譜密度示于表1中。從表1可以看出，噪聲磁感應強度譜密度（10－15T/隨著頻率的增加而降低，基本呈線性規律變化。

表1 寬帶磁傳感器噪聲磁感應強度譜密度測量結果

3.結 論

寬帶磁傳感器是電磁法勘探中廣泛使用的儀器，設計具有高靈敏度和在ELF/SLF/VLF超寬頻帶中具有良好幅頻特性的磁傳感器是當前電磁法儀器發展的要求，具有極大的挑戰性。通過分析超寬帶磁傳感器的原理，給出了磁棒天線低噪聲設計、放大器低噪聲處理和傳感器傳感系數標校的解決方案，研制了超寬帶磁傳感器樣機并對其幅度和相位特性進行了測試，測試結果表明其性能優于國外同類產品［9］。

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