魏呈霖，胡凱利，余厚全，魏勇，秦玉坤，段俊東，陳亮

（1．長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023；2．中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

隨著超聲測井［1］技術(shù)的發(fā)展，對超聲測井儀器電路提出了越來越高的要求［2］，要求儀器的集成度高，功耗低，性能穩(wěn)定，便于相關(guān)超聲特征參數(shù)的提取?，F(xiàn)有的超聲測井儀器超聲發(fā)射電路的體積較大，其功耗占據(jù)儀器功耗的主要部分。減小發(fā)射電路的體積，降低發(fā)射電路的功耗，提高發(fā)射信號的穩(wěn)定性成為改善儀器性能和研發(fā)新儀器的關(guān)鍵因素之一。

超聲測井儀器的發(fā)射電路通常采用高壓、單窄脈沖激發(fā)方式，主要問題：① 過高的發(fā)射電壓導致電路功耗增大［3］，因為電路的功耗與發(fā)射電路的電源電壓平方成正比；② 發(fā)射電路采用變壓器耦合，變壓器的使用一方面會導致電路的體積較大［4］，同時變壓器的轉(zhuǎn)換效率一般低于70%；③在高溫高壓環(huán)境下，發(fā)射電路的LC參數(shù)值會隨溫度壓力變化發(fā)生漂移，導致發(fā)射的超聲信號發(fā)生頻偏；④ 高壓、單窄脈沖激發(fā)方式的聲波到時檢測采用首波聲幅門檻電平比較的方法，由于超聲波在不同介質(zhì)中和不同傳播距離上的衰減差異很大，超聲波到時檢測的準確性受到門檻電平的影響［5］。為滿足新一代超聲成像測井儀器和超聲隨鉆測井儀器開發(fā)的要求［6］，研究效率高、集成度高、性能穩(wěn)定的超聲發(fā)射電路具有非常重要的實際工程意義。

本文分析了常規(guī)高壓、單窄脈沖聲波發(fā)射電路存在的問題，提出了子波激發(fā)的設(shè)計思想，設(shè)計并實現(xiàn)了基于CMOS集成開關(guān)的雙極性電源供電的雙極性超聲發(fā)射電路。鑒于高溫的雙極性電源芯片片源很少的實際情況，設(shè)計了單電源供電的雙極性超聲波發(fā)射電路。2種電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，效率高，在溫度壓力變化的環(huán)境下工作穩(wěn)定，其研究結(jié)果對超聲測井儀器發(fā)射電路開發(fā)具有重要的參考價值。

1 設(shè)計思想

根據(jù)信號系統(tǒng)理論，單脈沖頻譜主瓣的帶寬與脈沖時域的寬度成反比［7］。設(shè)一個脈寬τ為1μs、幅度為100V的高壓單窄脈沖，其頻譜主瓣的寬度為1MHz。如果用該脈沖激發(fā)一個中心頻率為250kHz、帶寬為40kHz的超聲換能器，理論上發(fā)射信號能量的利用率只有4%（見圖1）。

圖1 激發(fā)電壓100V、激發(fā)時長τ＝1μs激發(fā)信號時域及頻域曲線

對于幅度為100V、脈寬為1μs的高壓單窄脈沖信號，在R個單位的負載上釋放的能量Ea為

由于換能器的帶通特性，實際能量的有效利用率小于5%，約（5×10－4／R）（Ws）。如果考慮常規(guī)發(fā)射電路中實際變壓器的轉(zhuǎn)換效率不高于70%，發(fā)射信號的能量利用率更低。因此，單脈沖信號中在換能器通帶外的頻譜能量都被浪費。為提高發(fā)射信號能量利用率，使發(fā)射信號的頻譜與換能器的傳輸特性相匹配，即使發(fā)射信號的頻譜恰好覆蓋換能器的通帶，避免發(fā)射無效的頻譜分量。

根據(jù)通信調(diào)制理論［7］，產(chǎn)生一個頻譜形狀與換能器傳輸特性匹配的基帶信號e（t），它是1個寬度為Ts的單脈沖，基帶的主瓣帶寬為1／Ts，2／Ts略大于換能器的通帶；用e（t）去調(diào)制一個頻率為換能器中心頻率fc的載波信號c（t）＝sin（2πfct），形成已調(diào)信號s（t）＝e（t）sin（2πfct）。已調(diào)信號的時域波形為長度Ts、頻率fc的子波，頻譜即為基帶信號e（t）的頻譜搬移到fc的結(jié)果，它的頻譜帶寬恰好覆蓋換能器的通帶（見圖2）。將已調(diào)信號作為發(fā)射信號，稱為激發(fā)子波信號。

圖2 匹配設(shè)計過程

對于頻率fc、幅度為Am、持續(xù)時間Ts的激發(fā)子波信號，在相同負載R上，其釋放的能量Eb為

要達到或優(yōu)于上述高壓單窄脈沖的激發(fā)效果，應滿足Eb≥5%Ea的要求，即

若要減小激發(fā)子波的幅度Am，需要增大激發(fā)子波的長度Ts。在實際應用中，Ts選得過大，會在收發(fā)一體的超聲反射測井時導致發(fā)射子波信號的尾部與最近距離回波信號的首波交疊，形成干擾；Ts選得過小，會使子波帶寬過寬，發(fā)射信號中的無效頻譜分量增加，故應根據(jù)實際情況綜合考慮。比如在超聲電視測井中最近的檢測距離若為15mm，則激發(fā)子波信號的時寬Ts可選為12μs，則激發(fā)子波的幅度Am等于9．2V即可。

綜上理論分析，① 采用常壓幅度的子波激發(fā)代替高壓窄脈沖激發(fā)的好處是降低了發(fā)射電壓幅度，提高了發(fā)射信號能量的利用率，并且通過激發(fā)子波信號與接收信號進行相關(guān)處理，實現(xiàn)能量積累，消除干擾，實現(xiàn)準確提取地層信息。② 要實現(xiàn)發(fā)射信號與換能器傳輸特性的最佳匹配，發(fā)射子波的頻率fc要等于換能器的中心頻率，發(fā)射子波長度Ts的選擇應使子波激發(fā)信號的帶寬略大于換能器的帶寬，即使2／Ts略大于換能器的帶寬。

2 雙極性電源供電超聲波發(fā)射電路設(shè)計

基于上述激發(fā)子波的設(shè)計原理，提出了基于CMOS集成開關(guān)的雙極性電源供電的超聲信號發(fā)射電路實現(xiàn)方案。用持續(xù)時間等于或略小于Ts（主瓣雙邊寬恰好等于或略大于換能器通帶）的單脈沖調(diào)制頻率等于換能器中心頻率fc、占空比為50%、幅度滿足信號檢測能量需求的雙極性脈沖序列，形成長度約為Ts、頻率為fc的雙極性脈沖子波，代替長度約為Ts、頻率為fc的正弦子波，Vp為P點的相對于地的電壓波形（見圖3）。

表1 CMOS集成開關(guān)真值表

圖3 基于COMS開關(guān)的超聲波發(fā)射電路及工作時序圖

該電路的核心組成部分為雙單刀雙擲的CMOS集成開關(guān)，其真值見表1?？刂菩盘柗謩e為使能信號EN、開關(guān)信號IN。當EN為高電平時，COMS開關(guān)使能，其持續(xù)時間等于激發(fā)子波的時長Ts。在使能為高電平期間，當IN為高邏輯電平時，開關(guān)S1A、S2A導通，上單刀雙擲接＋Vc，下單刀雙擲接－Vc，在換能器兩端施加＋2Vc的激勵電壓；當IN為低邏輯電平時，開關(guān)S1B、S2B導通，上單刀雙擲接－Vc，下單刀雙擲接＋Vc，在換能器兩端施加－2Vc的激勵電壓。若IN為一頻率等于換能器中心頻率、占空比為50%的邏輯信號，則發(fā)射電路輸出即為持續(xù)時間為Ts、頻率等于換能器中心頻率、幅度為2Vc的雙極性激發(fā)子波。

雙單刀雙擲CMOS集成開關(guān)芯片體積小，2個開關(guān)的匹配性好，且目前市場上的耐壓值達到50V、溫度性能穩(wěn)定、不同開關(guān)速度的CMOS開關(guān)是容易得到的，為實現(xiàn)不同電壓幅度、不同工作頻率的超聲發(fā)射電路提供了工程解決方案。采用CMOS集成開關(guān)芯片ADG1436［8］實現(xiàn)的三路超聲發(fā)射電路，面積僅為40mm×28mm，電路的集成度大大提高。圖4是用該超聲發(fā)射電路在實驗環(huán)境下依次激發(fā)3個自發(fā)自收的超聲換能器得到的回波信號，激發(fā)頻率為250kHz（4μs），峰峰值為30V，激發(fā)持續(xù)時間為12μs。實驗采用的井液泥漿比重為1．26mg／cm3，反射界面為灰磚，反射距離為60mm，采樣頻率為2MHz，每路采集時間長度為200μs。圖4中A段為超聲激發(fā)時間段，對應的波形為發(fā)射子波；B段為回波時間段，對應的波形為反射的回波。實驗結(jié)果表明該電路在155℃的高溫環(huán)境中，能夠穩(wěn)定、可靠地工作。

圖4 超聲發(fā)射電路激發(fā)子波與回波波形圖

3 單極性電源供電超聲波發(fā)射電路設(shè)計

在實際應用中，高溫雙極性集成電源芯片的片源很少，而溫度達到170℃的單極性集成電源芯片的片源相對容易得到。對上述雙極性電源芯片供電的發(fā)射電路進行了改進，提出了采用單極性電源供電的超聲發(fā)射電路方案。在非發(fā)射子波期間，利用單極性電源給電容充電儲存電荷為發(fā)射子波階段提供負電源。電路設(shè)計如圖5所示。

圖5中，U1和C為充電電路部分，為提供負極性電源儲能；U2為發(fā)射電路部分，與圖3（a）所示的電路結(jié)構(gòu)相同。完整的工作周期分為電容充電和發(fā)射子波2個階段。在電容充電階段，控制信號IN－pw置為高邏輯電平，開關(guān)U1的S1A、S2A導通，儲能電容正極接電源，負極接地，完成充電過程，電容兩極保持5V的電位差；在發(fā)射子波階段，控制信號INpw置為低邏輯電平，U1的S1B、S2B導通，電容正極接地，電容負極性端的電壓相對地電位為－5V，為發(fā)射電路提供了負極性電源。

實驗將中心頻率250kHz的超聲換能器放入清水中，以頻率為250kHz、3個時鐘周期的脈沖信號進行激發(fā)。整個電路置于155℃的高溫環(huán)境中，測量結(jié)果見圖6。

圖5 單電源供電的超聲波激發(fā)電路和電路的基本工作時序

圖6 高溫實驗測試結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）基于CMOS集成開關(guān)的單、雙極性電源供電的超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，能非常方便地根據(jù)換能器諧振頻率調(diào)整發(fā)射信號頻率，不會因為溫度壓力變化產(chǎn)生頻偏，性能穩(wěn)定。

（2）采用周期性雙極性子波激發(fā)，使發(fā)射信號的頻譜與換能器的傳輸特性匹配，降低了發(fā)射電路的功耗。

（3）采用特定的子波激發(fā)，通過激發(fā)的子波信號與接收的超聲信號相關(guān)，有效抑制了噪聲干擾，實現(xiàn)有效信號的能量積累，大大提高了超聲特征參數(shù)檢測的準確性。對聲波測井儀器的開發(fā)具有重要的參考價值。

［1］王建華．聲波測井技術(shù)綜述［J］．工程地球物理學報，2006，3（5）：395－400．

［2］原宏壯，陸大衛(wèi)，張辛耘，等．測井技術(shù)新進展綜述［J］．地球物理學進展，2005，20（3）：786－795．

［3］魯放，高紅軍，李劍．高性能超聲電視成像測井儀［J］．測井技術(shù)，2009，33（3）：275－278．

［4］傅元，李德?。晵呙璩上駵y井儀發(fā)射電路［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2012，9（9）：21－24．

［5］張珂，俞國華，劉鋼海．超聲波測距回波信號處理方法的研究［J］．測控技術(shù)，2008，27（1）：48－50．

［6］王建華．聲波測井技術(shù)綜述［J］．工程地球物理學報，2006，3（5）：395－400．

［7］Alan V Oppenheim．信號與系統(tǒng)［M］．劉樹棠譯．西安：西安交通大學出版社，2008：208－210，420－422．

［8］ADG1436技術(shù)文檔［EB／OL］．http：∥www．a(chǎn)nalog．com／static／imported－files／data＿sheets／ADG1436．pdf．