高精度同步輸出多功能發射控制技術

周逢道，王爽，趙心暉，孫彩堂

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高精度同步輸出多功能發射控制技術

周逢道1, 2，王爽1，趙心暉1，孫彩堂1

(1. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春，130061；2. 國家地球物理探測儀器工程技術研究中心，吉林 長春，130061)

針對現有的電磁探測發射控制系統輸出同步精度低、輸出信號存在累積誤差等不足，提出高精度同步輸出發射控制技術。設計以GPS自帶時鐘源和高精度恒溫晶振協同作為系統時鐘，結合各自的優點，在GPS同步時，由GPS自帶時鐘源信號作為系統時鐘；在GPS無法同步時，利用GPS秒脈沖信號對恒溫晶振輸出的分頻信號進行同步校正作為系統時鐘；根據發射頻點的特點，選擇合理的校正周期，采用最小公倍數法對輸出信號進行同步校正，減少輸出頻率的誤差。研究結果表明：輸出同步精度可以達到100 ns級，滿足20 mrad以內的相位測量精度要求。利用FPGA強大的計數和分頻功能，實現輸出波形和頻率的多樣化。該技術可實現掃頻和手動2種發射模式，輸出滿足頻率域電磁探測和時間域電磁探測的多種波形，可擴展性強，同步精度高，滿足多功能電磁探測發射系統的控制要求。

發射控制系統；同步校正；輸出同步精度；多功能電磁探測

可控音頻大地電磁法(controlled source audio-frequency magnetotelluric, CSAMT)是將兩端接地的有限長導線作為發射源，人工發射交變電磁場[1]，測量水平方向的電場E和垂直方向的磁場H，通過分析相應的電性參數得到地質結構的相關信息的一種方法[2?5]。阻抗相位是CSAMT探測方法中的重要參數，為了準確地勘探地下介質的電性結構，在野外測量時，必須提高輸出信號的同步精度，實現對阻抗相位的高精度測量。恒溫晶振具有在短時間內可保持較高精確度、穩定性好且不易受干擾等優點，但它需要工作在恒溫環境下，且隨時間的推移它會出現老化現象，產生不可逆的頻率偏移，長時間使用恒溫晶振會產生累積誤差[6]，影響電磁探測發射系統的輸出精度。GPS自帶時鐘源具有同步精度高、無累積誤差[7]、不受地形或測量距離等影響以及高穩定度等優點[8?9]；但GPS如遇到太陽風暴或衛星失鎖等因素時[10]，GPS輸出信號將出現短時不穩定，影響同步精度[11]。為此，針對現有的電磁探測發射控制系統輸出同步精度低、輸出信號存在累積誤差等不足之處，提出高精度同步輸出發射控制技術。近年來，一些通過秒脈沖信號對恒溫晶振輸出時鐘進行復位，或以秒脈沖信號作為基準源對恒溫晶振頻率偏移進行估算并修正等雙時鐘協同工作方式得到了廣泛應用，在一定程度上提高了同步精度，但仍具有頻點受限、裝置復雜性較高等不 足[11]。為了進一步提高系統時鐘的穩定性和輸出精度，本文作者設計以GPS自帶時鐘源和高精度恒溫晶振協同作為系統時鐘，兩者相互配合。在提高同步時鐘精確度的前提下，該設計還對輸出信號進行同步處理，采用最小公倍數法對輸出信號進行同步校正，減少阻抗相位的測量誤差。該方法充分利用了GPS自帶時鐘和恒溫晶振各自的優點，在提高輸出同步精度的同時，利用最小公倍數的同步校正方法簡化了高精度同步輸出的實現過程。

1 CSAMT測量原理和同步要求

在CSAMT測量時，利用式(1)可以計算視電阻率(卡尼亞電阻率)s，用式(2)計算阻抗相位z，計算并分析這些電性參數，以達到勘探地球內部電性結構的目的[5, 12]。

式中：為角頻率；為巖石導磁率；E為水平方向的電場強度；H為垂直方向的磁場強度；為水平電場E的相位角；為垂直磁場H的相位角[13]。

卡尼亞電阻率s和阻抗相位z是可控音頻大地電磁法(CSAMT)中的2個重要參數，z是大地對發射場源(激勵信號)響應的相位偏移，接收系統測量到的信號和發射系統產生的信號之間所存在的這個相位差可以有效地反映出大地的極化程度，z可以用來識別近區和過渡帶，在靜態效應的識別和校正方面都有著重要的作用[12, 14]。因此，在CSAMT測量時，除幅度外，接收系統采集到的信號與發射電流之間的相位差也是一個重要的測量參數。為了準確地測量接收和發射之間的相位差，保證實驗結果能夠準確地反映地下介質構造情況，就需要高精度的收發同步。

假設所發頻點的頻率為，測量精度為1 mrad時對應的時間間隔為

由式(3)可知：對于相同的相位測量精度，頻率越高，則對系統時鐘的同步精度要求越高。

根據電偶源頻率域電磁測深法技術規程的要求，相位測量誤差不應超過±2°，即±35 mrad。為了保證儀器能用于測量，設計儀器的指標應比規范要求高，本文設計的相位測量精度為20 mrad。由于CSAMT的測量頻率范圍較寬，對于最高測量頻點 8 192 Hz，若滿足相位測量的精度能夠達到20mrad，則需要系統同步時鐘誤差小于389 ns，此時對于其他小于8 192 Hz的所有頻點，相位測量精度都將滿足測量要求。

2 高精度同步輸出設計

根據上述CSAMT的測量要求，為了準確地勘探地下介質的電性結構，需要精確地對阻抗相位z進行測量。對于傳統發射控制系統所采用的恒溫晶振同步方式，由于短時精確度高、穩定性好及抗干擾能力強等優點，可以達到較理想的效果，但它需要工作在恒溫環境下，且隨時間的推移，會由于老化現象而產生不可逆的頻率偏移[7]，長時間使用將產生累積誤差，最終引起輸出信號的頻率偏移現象[12]，進一步帶來相位的偏移，影響接收信號和發射信號之間相位差Δz的測量結果。因此，在野外測量時，為了實現對z的高精確度測量，必須提高輸出信號的同步精度。

如何有效地減小甚至消除由累積誤差所引起的輸出信號的相位偏移，保證發射與接收之間的高精度時鐘同步，減少處理測量參數時的干擾因素，成為發射控制系統所要研究的重點問題。

2.1 系統時鐘的同步設計

采用GPS自帶時鐘源(無累積誤差)和恒溫晶振共同作為本設計的系統時鐘，結合GPS和恒溫晶振各自的優點，兩者相互配合，取長補短。本設計中，發射和接收系統都采用高精度的CW25?TIM型號GPS芯片，同步精度為100 ns，它可輸出高精度的10~3×107Hz信號(默認輸出頻率為10 MHz)。

在系統的同步時鐘設計上，選擇在GPS同步時，由GPS的自帶時鐘源信號作為系統時鐘，則輸出信號只存在隨機誤差，而不存在累積誤差；在GPS無法同步時，利用GPS的秒脈沖信號對恒溫晶振輸出的分頻信號進行同步校正作為系統時鐘，彌補GPS短時間不穩定或不可靠定位的缺點。這種協同作用的系統時鐘，減小了輸出信號頻率的誤差，提高了系統輸出的同步精度，同步精度可以達到100 ns級，滿足20 mrad的相位測量精度。

2.2 輸出信號的同步處理

在提高同步時鐘精確度的前提下，對輸出信號進行同步處理，能夠更有效地消除輸出信號的累積誤差，有效地減小阻抗相位z的測量誤差。由于恒溫晶振存在累積誤差，隨著時間的推移，輸出信號會逐漸產生頻率偏移，引起輸出信號的相位偏移。

同步校正主要是以GPS秒脈沖信號作為參考，調節恒溫晶振的振蕩頻率或改變分頻系數產生同步時鐘，來補償上述恒溫晶振頻率偏移對同步時鐘的影 響[12, 15?17]。消除輸出累積誤差實際是一個對輸出波形進行校正的過程，以GPS秒脈沖信號作為參考信號，選擇合適的校正周期對分頻計數器進行清零，直到下一個GPS秒脈沖信號上升沿時輸出信號重新以零相位開始輸出，從而實現對輸出信號的同步校正。為了使接收系統所采集到的信號具有完整性和一致性，需要保證每次校正(分頻計數器的清零)都不會影響到輸出波形的完整性，即輸出波形一直是連續的完整波形。圖1所示為選擇不同校正周期時輸出波形的校正情況，其中1=2.5 Hz(1=0.4 s)，2≈2.389 Hz(2≈0.419 s)，3=2 Hz(3=0.5 s)。當以0=3 s作為校正周期時，只有3能夠產生連續完整的輸出波形，實現預想的對輸出波形同步校正的目的；對于1和2，由于選擇的校正周期不是該頻點本身周期的整數倍，因此，會出現波形不連續現象，即輸出波形相位不連續、波形不完整。因此，只有當校正周期為所發頻點周期的整數倍時，才能使每個校正周期內的輸出信號都以零相位開始和結束，達到預想的校正效果。

圖1 不同校正周期輸出波形示意圖