基于斬波技術的長周期大地電磁接收系統

周 煬， 周逢道， 王緒磊

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春130026）

0 引 言

大地電磁測深（Magnetotelluric Sounding，MT）是利用天然場源進行地下電性結構探測的一種地球物理方法［1］。根據趨膚效應原理，不同頻率的電磁波在地下傳播時具有不同的傳導深度。天然電磁場頻率一般在（n × 10-3～n × 102）Hz之間［2］，利用處于該頻帶內的天然場信號可探測至地下深部數km，而勘探深度可達到數百km的長周期大地電磁測深的頻率范圍則在低頻段擴展到了（n ～0． 1n）mHz。目前，我國還沒有自主生產的商業化大地電磁測深儀，需要從國外進口該類儀器，妨礙了相關工業的發展，因此，需要研究具有自主知識產權的長周期大地電磁采集系統［3］。

長周期探測中，采集數據質量直接影響到探測效果。由于野外電磁環境較為復雜，且天然場信號又十分微弱，因而MT 探測中有用信號容易受到干擾。如果采集系統放大電路無法良好地抑制噪聲，采集到的數據質量就會嚴重下降。傳統的放大電路由于放大器的失調噪聲和1 ／ f 噪聲的存在，會干擾到長周期大地電磁測量中采集到的低頻信號數據質量［4］。

本文研制了一種低噪聲長周期大地電磁采集系統，系統自身測試實驗表明，使用了斬波放大技術的采集系統能夠獲得優良的噪聲性能參數。

1 MT探測原理

MT探測中，將天然場看作從高空垂直入射地表的均勻平面電磁波，MT 采集系統通過采集地表的天然電場和磁場，經過后期數據處理和解釋來獲得大地電性結構［5］。當平面波垂直入射均勻介質時，測量一組相互正交的介質表面的電場和磁場水平分量便可以得到該介質的電阻率［5］，即有

式中：Ex和Hy為一組正交的電場和磁場水平分量；ω為電磁場角頻率；μ 為該介質的磁導率。當介質為大地時，式（1）中的ρ并不是真正的電阻率，而是視電阻率，也稱為卡尼亞電阻率［6］。由于大地一般是各向異性的，所以需要測量兩組正交的電場和磁場的水平分量，即Ex和Hy以及Ey和Hx。另外，還需要測量垂直磁場Hz來提高這4 個分量的相關性［6］。MT探測系統野外布局一般如圖1 所示。

圖1 大地電磁測深法測量示意圖

2 斬波放大技術

2.1 放大電路的噪聲

放大電路中的內部噪聲是放大電路中各元器件（包括器件、電阻等）內部載流子運動的不規則所造成的，主要是由電路中的電阻熱噪聲和BJT（或FET）內部噪聲所形成［7］。

當兩種導體非理想接觸時在觸點上電導會隨機變化，這種變化會產生較為明顯的低頻噪聲，稱為接觸噪聲或閃爍噪聲，其功率密度的形式為

式中：K和a是器件常數；I是直流電流；f 是頻率。這種噪聲與頻率成反比，故也稱為1 ／ f 噪聲［8］。普通的運算放大器均存在1 ／ f 噪聲。由于1 ／ f 噪聲的頻帶范圍與長周期大地電磁探測信號頻帶范圍有重疊，因而此種噪聲的存在會嚴重影響采集數據質量。

斬波放大技術能夠很好地抑制失調噪聲和1 ／ f噪聲，在采集系統模擬調理電路中使用斬波技術能夠很好地提高探測效果。

2.2 斬波放大技術原理

斬波技術原理如圖2 所示。輸入信號Uin經高頻信號m1（t）調制后進入基本放大器電路，此后解調信號m2（t）將輸入信號Uin還原到低頻；而基本放大器的失調噪聲和1 ／ f噪聲作為獨立的噪聲源只經過了放大和解調信號m2（t）的調制，即噪聲源被調制到了高頻［9］。

圖2 斬波技術原理

圖2 中：Uin和Uout分別是放大器的輸入、輸出信號電壓；A（f）是放大倍數；m1（t）和m2（t）分別是調制和解調信號，周期為T ＝1 ／ fchop，其中fchop是斬波頻率；UOS和U1／f是放大器的輸入失調和1 ／ f 噪聲。如果SN（f）表示輸入失調和1 ／ f 噪聲的功率譜密度（PSD），那么UOS和U1／f經過m2（t）調制后的PSD［9］為

從式（3）可以看出，輸入失調和1 ／ f噪聲被m2（t）調制到了斬波頻率fchop的奇次諧波處，這樣一來，經過低通濾波便可以濾除掉噪聲信號，獲得所需信號。由以上分析可知，使用斬波放大技術的運放芯片理論上沒有輸入失調電壓噪聲和1 ／ f噪聲。

3 采集系統設計

由上面的分析可以知道，采集電路需要采集來自電場和磁場的共5 路信號。本文所設計的采集系統中，5 路模擬信號通道采用相同的電路結構。采集系統整體結構框圖如圖3 所示，包括5 個模擬信號通道，與每個通道對應的AD轉換電路，液晶顯示電路，按鍵輸入電路，數據存儲電路以及微控制器電路。

圖3 采集系統整體結構框圖

3.1 輸入保護電路

長周期大地電磁采集系統需要在野外長時間工作，如遇雷電天氣或大型電氣設備通斷電以及一些其他電磁脈沖干擾時，采集系統的穩定工作會受到較大影響。為保證采集系統能長期穩定工作，需設計輸入保護電路。如圖4 所示，保護電路由氣體放電管（Gas Discharge Tube，GDT）、自恢復保險絲（Polyer Positive Temperature Coefficent，PPTC）和無極性瞬態抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）組成。

圖4 采集系統輸入保護電路

GDT跨接在差分輸入端上，作為保護電路的第1級。當輸入端出現瞬間高壓時，GDT 會被擊穿，從而將輸入端電壓拉低到較低水平。PPTC 熔斷電流根據后級電路而定，一旦輸入電流超過后級電路所能承受的最大值，保險絲立刻熔斷。瞬態抑制二極管一個跨接在差分信號線之間，防止超過放大器供電電壓的差模瞬態干擾；另外兩個接在信號線和地線之間，防止共模瞬態干擾。

3.2 信號放大電路

采集系統的電場信號來自非極化電極，磁場信號來自磁通門傳感器。非極化電極的輸出電阻與接地情況有關，大小范圍在幾十Ω 到10 kΩ 之間［10］。磁通門傳感器的輸出電阻較為穩定，大小為幾十Ω。為了對輸入信號進行合理的阻抗匹配，使用運放ADA4528設計放大電路。

ADA4528 是ADI生產的低噪聲斬波型放大器，具有低失調電壓，低漂移電壓，低噪聲和單位增益穩定等特點，加上其在共模抑制比（CMRR）和饋電抑制比（PSRR）上的優越表現，ADA4528 非常適合用在MT探測當中，故本文選擇ADA4528 設計放大電路。ADA4528 的主要特性參數見表1。

表1 ADA4528 特性參數

3.3 AD轉換電路

通過配置寄存器，將AD7190 設置為雙極性工作模式，并使能斬波。為達到最佳的采集效果，避免多通道之間信號串擾影響數據質量，本文選擇每個通道信號使用一片AD7190 進行數據轉換。輸入端選擇全差分輸入以減小共模噪聲干擾［11］。通過配置寄存器選擇使用默認基準源輸入引腳。選擇外部時鐘模式，使用有源晶振為5 片AD7190 提供工作時鐘，時鐘頻率為標稱值4． 92 MHz。由于長周期大地電磁測量時間長，過高的ADC采樣率會產生龐大的數據量，同時過多次的寫數據操作還會產生較大噪聲，增加功耗［12］，因此選擇ADC采樣率為12． 5 Hz。

4 測試結果

4.1 采集系統測試結果

將采集系統置于室內進行測試。采集電路放大倍數設置為1 倍，差分信號輸入動態范圍± 2． 5 V，采樣率為12． 5 Hz。將電場輸入端短路，在屏蔽室內進行長達1 × 104s的采集。采集系統測得的短路噪聲時間序列如圖5 所示。從圖中可以看出，系統短路噪聲峰峰值在6 μV左右，直流漂移優于1 μV，無明顯的直流偏移。

圖5 采集系統電場通道短路噪聲時間序列

將5 個輸入通道接入峰值為1V 的正弦波測試信號進行通道一致性測試，并對采集到的數據進行FFT運算后提取相應頻率的峰值，所得結果如表2 所示。由表可以看出，當采集系統各通道輸入1V信號時，各通道僅具有微伏級別的測量差異，具有良好的一致性。

表2 采集系統通道一致性測試結果

4.2 野外對比實驗結果

將采集系統與國外使用LEMI-417 系統進行野外對比實驗，實驗地點為吉林省燒鍋鎮郊外。本系統電場傳感器選用與LEMI-417 系統相同的烏克蘭進口非極化電極，磁場傳感器選用英國Bartington公司的三分量磁通門傳感器Mag-03MCESL100。為了使本系統與LEMI-417 具有相同的動態范圍，將放大電路放大倍數設置為10 倍。本系統動態范圍為± 0． 25 V，采樣率為12． 5 Hz，LEMI-417 系統動態范圍為± 0． 25 V，采樣率為1 Hz。對比實驗采集時長24 h。

圖6 南北方向電場信號Ex 和磁場信號Bx 時間序列

圖6 （a）和圖6（b）為本采集系統和LEMI-417 系統南北方向上電場信號Ex時間序列，兩者形態相似。由于本系統采樣率更高，因此細節反應更為豐富。圖6（c）和圖6（d）為本采集系統和LEMI-417 系統南北方向上磁場信號Bx時間序列，兩者形態基本一致。

圖7 為本系統和LEMI-417 系統采集到的信號時間序列經處理后的視電阻率曲線和相位曲線。從圖中可以看出，與LEMI-417 系統相比，本系統所得到的視電阻率和相位曲線均更加平滑、連續。

圖7 視電阻率曲線與相位曲線對比圖

5 結 語

本文研制了一種低噪聲長周期大地電磁采集系統，系統自身測試實驗表明，使用了斬波放大技術的采集系統能夠獲得優良的噪聲性能參數。在輸入信號動態范圍為± 2． 5 V時，系統短路噪聲在6 μV左右且無明顯的直流偏移；當采集時長為10 × 103s 時，系統短路噪聲漂移優于1 μV。通過本系統與烏克蘭LEMI-417 系統的野外對比實驗，說明了采集系統能夠獲得與國外同類儀器系統相近的測試結果，采集系統可以用于長周期大地電磁探測。