羅明璋，徐川，劉建成，鄒驍，胡凱利,陳宇健

1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710000 3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司延邊供電公司，吉林 延吉 133000

早期測(cè)井儀器的發(fā)射模塊使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，該技術(shù)基于DC-AC逆變產(chǎn)生具有頻率可調(diào)的正弦信號(hào)，但受DC-AC電路和微處理器工作頻率的限制，通常只能產(chǎn)生頻帶較窄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且受小體積和高溫、高壓環(huán)境的限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大功率的輸出[1-4]。發(fā)射模塊中模擬乘法器的性能降低，輸出幅度不穩(wěn)定，諧波抑制相對(duì)較低[5,6]。典型的發(fā)射電路由場(chǎng)效應(yīng)管、儲(chǔ)能電容、限流電阻、變壓器和整流橋構(gòu)成。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)射頻率低，對(duì)設(shè)備的要求低以及儀器占用空間較小，廣泛應(yīng)用于早期的聲波測(cè)井[7,8]。但是由于整流橋、放電回路和儲(chǔ)能電容的并聯(lián)連接，一旦設(shè)備性能下降，將導(dǎo)致能量泄漏和電容兩端的電壓下降，無(wú)法保證正常激勵(lì)。其次，電容放電后電壓不能快速上升，這也會(huì)影響儀器的精度。單芯直流供電聲波儀器中的壓控發(fā)射電路可以產(chǎn)生2000V的高壓發(fā)射脈沖，從而對(duì)發(fā)射換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。高壓傳輸電路中使用直流電源供電，省去了對(duì)交流電壓進(jìn)行整流的中間過(guò)程[9-11]，但由于激發(fā)能量相對(duì)較低，因此不適合在常規(guī)聲波測(cè)井儀中使用。傳統(tǒng)的大功率聲波發(fā)射電路采用變壓器驅(qū)動(dòng)換能器的方式進(jìn)行激勵(lì)，電路采用電阻、電容組成RC定時(shí)電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度，因此調(diào)節(jié)發(fā)射頻率必須改變電路參數(shù)，大大降低測(cè)井速度[12,13]。為此，筆者提出了一種大功率寬頻聲波激勵(lì)方式，產(chǎn)生不同頻率、能量可控的激勵(lì)信號(hào),在高溫、強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下可穩(wěn)定工作，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)井周數(shù)十米范圍內(nèi)的測(cè)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

聲波發(fā)射電路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。聲波發(fā)射電路板是用來(lái)產(chǎn)生高電壓脈沖驅(qū)動(dòng)壓電晶體換能器產(chǎn)生聲波信號(hào)的電路，主要由直流配電轉(zhuǎn)換電路(以下簡(jiǎn)稱低壓電源模塊)、高壓電源模塊、橋式開(kāi)關(guān)模塊、主控模塊、通信模塊和高壓檢測(cè)模塊6個(gè)功能模塊組成。

圖1 聲波發(fā)射電路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理框圖Fig.1 The schematic diagram of acoustic emission circuit system design

低壓電源模塊輸入為28～48V的直流電壓，通過(guò)DC-DC變換電路產(chǎn)生12V和3.3V直流電壓，12V為高壓電路提供工作電源，3.3V為控制邏輯電路提供工作電源。

高壓電源模塊輸出電壓幅度決定輸出激勵(lì)脈沖信號(hào)的幅度，從控制器輸出PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出12V的脈沖信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路將12V的電源電壓變成幅度12V寬度可調(diào)的脈沖，由變壓器升壓到所需要的幅度，再經(jīng)整流濾波電路輸出所需要的直流高壓。

橋式開(kāi)關(guān)模塊將直流高壓通過(guò)極性變換技術(shù)產(chǎn)生2000～3000V的雙極性脈沖，橋式開(kāi)關(guān)電路由IGBT管組成4個(gè)開(kāi)關(guān)管，通過(guò)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)管有規(guī)律地順序?qū)ǎ趽Q能器上產(chǎn)生雙極性的脈沖電壓。

主控模塊在控制電路的控制下，一方面控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉，在特定時(shí)間產(chǎn)生所需寬度的雙極性脈沖，使換能器產(chǎn)生所需要的聲波信號(hào)，根據(jù)脈沖的寬度調(diào)整聲波信號(hào)的頻率；另一方面產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制高壓電源模塊輸出所需要的電壓幅度。

通信模塊主要實(shí)現(xiàn)采用RS232串口保證下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。

高壓檢測(cè)模塊采用A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3208，在主控模塊的控制下對(duì)高壓電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

聲波遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射電路系統(tǒng)的主控模塊是以FPGA為核心的MCU最小系統(tǒng)，該最小系統(tǒng)主要由FPGA微控制器及其時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、濾波電路和調(diào)試接口JATG電路組成。該主控模塊主要完成4項(xiàng)功能：①接收和解析來(lái)自上位機(jī)的命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作；②產(chǎn)生發(fā)射開(kāi)關(guān)的時(shí)序控制信號(hào)；③產(chǎn)生控制高壓的PWM信號(hào)；④驅(qū)動(dòng)MCP3208芯片采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)工作電壓和高壓電路輸出的高壓。其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 發(fā)射開(kāi)關(guān)模塊

為了能夠確保達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，發(fā)射電路的激發(fā)方式顯得尤為重要，筆者采用雙極性脈沖信號(hào)激發(fā)聲波信號(hào)?？紤]到電路功耗以及發(fā)射信號(hào)利用率的問(wèn)題，選擇全橋式開(kāi)關(guān)電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。由主控模塊控制4個(gè)大功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，在換能器上產(chǎn)生頻率可調(diào)的雙極性脈沖信號(hào)。發(fā)射開(kāi)關(guān)電路由4個(gè)IGBT管和4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路組成，IGBT管的控制導(dǎo)通電壓為8～12V，控制關(guān)閉電壓小于4V；驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制邏輯電路輸出的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成為開(kāi)關(guān)需要的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，幅度8～12V，并有足夠的輸出電流。

圖2 主控模塊電路結(jié)構(gòu)框圖 圖3 橋式開(kāi)關(guān)電路框圖Fig.2 The circuit structural diagram of master control module Fig.3 The diagram of bridge switching circuit

2.3 高壓電源模塊

要有效地激勵(lì)超聲換能器，提高探測(cè)靈敏度，電路需要有一定的發(fā)射功率。而發(fā)射功率主要取決于發(fā)射電壓的幅值：發(fā)射脈沖幅度越大，發(fā)射的超聲信號(hào)就越強(qiáng)，發(fā)射功率就越大，回波信號(hào)的信噪比就越高[10,14,15]。高壓電源結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，從控制器輸出PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出12V的脈沖信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路將12V的電源電壓變成幅度12V寬度可調(diào)的脈沖，由變壓器升壓到所需要的幅度，再經(jīng)整流濾波電路輸出所需要的直流高壓。由于整流二極管的耐壓為1000V，二極管實(shí)際承受2倍的電容電壓，次級(jí)線圈采用2組，避免二極管被擊穿，整流方式采用倍壓整流增大輸出電壓，2組整流電路串聯(lián)，輸出400～1500V的直流電壓。

圖4 高壓電源結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The structural diagram of high-voltage power supply

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該聲波遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射電路系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分4個(gè)模塊：PWM脈寬調(diào)制模塊、發(fā)射時(shí)序控制模塊、高壓檢測(cè)模塊以及串口通信模塊。其中，PWM脈寬調(diào)制模塊設(shè)計(jì)主要是產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，發(fā)射時(shí)序控制模塊設(shè)計(jì)主要是控制橋式開(kāi)關(guān)電路中大功率開(kāi)關(guān)管的通斷，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖信號(hào)輸出，高壓檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片MCP3208的驅(qū)動(dòng)，串口通信模塊設(shè)計(jì)主要完成上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)圖Fig.5 The diagram of software architecture

聲波遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射電路系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)思路是：主控模塊接收到來(lái)自上位機(jī)軟件傳送的數(shù)據(jù)幀后，首先數(shù)據(jù)幀會(huì)在命令解析模塊內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，當(dāng)命令解析模塊識(shí)別到Command_0為AA時(shí)，緊接著的Command_1、Command_2、Command_3、Command_4等4個(gè)有效字節(jié)將分別送到PWM脈寬調(diào)制模塊、發(fā)射時(shí)序控制模塊、串口通信模塊、高壓檢測(cè)模塊，執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的操作，一旦識(shí)別到Command_5為55，表示該次數(shù)據(jù)解析完畢，進(jìn)入到空閑模式。聲波遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體流程圖如圖6所示。

圖6 聲波遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 The software design flow chart of acoustic wave emission circuit system for remote detection

4 測(cè)試結(jié)果

為了獲取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，2018年10月在無(wú)錫市海鷹加科海洋技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱海鷹公司)的幫助下,在千島湖實(shí)驗(yàn)基地對(duì)筆者設(shè)計(jì)的低頻雙極性脈沖發(fā)射電路(長(zhǎng)300mm，寬40mm，高10mm，重量300g)和海鷹公司開(kāi)發(fā)的正弦單周期發(fā)射系統(tǒng)(體積0.5m3)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

4.1 驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試

試驗(yàn)選用Valerie發(fā)射換能器作為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，其頻率特性如圖7所示。信號(hào)記錄選用球形多方位水聽(tīng)器。低頻雙極性脈沖發(fā)射電路激發(fā)電壓為1000V。圖8所示為2種電路激發(fā)波形對(duì)比，激發(fā)頻率為1kHz，可以看出2種激發(fā)電路產(chǎn)生的波形幾乎重合。

圖8 Valerie低頻聲波換能器激發(fā)波形對(duì)比Fig.8 The excitation waveform contrast of the low-frequency acoustic wave transducer Valerie

通過(guò)測(cè)量波形的對(duì)比可以得出：①雙極性脈沖激發(fā)電路替代正弦單脈沖激發(fā)電路是完全可行的；②由于脈沖電路工作在開(kāi)關(guān)區(qū)，而正弦電路工作在放大區(qū)，脈沖激發(fā)電路比正弦波單脈沖激發(fā)電路具有更高的工作效率；③脈沖激發(fā)電路比正弦激發(fā)電路體積小，有利于在井下儀器中使用。

4.2 遠(yuǎn)探測(cè)性能測(cè)試

遠(yuǎn)探測(cè)性能測(cè)試在新安江測(cè)試站的測(cè)試船上進(jìn)行(如圖9所示)，測(cè)試站甲板長(zhǎng)約36m，寬9m。發(fā)射換能器仍然選用Valerie，接收選用光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)。

由于光纖接收串長(zhǎng)度較長(zhǎng)(為33m)，而測(cè)試站龍門(mén)吊的高度為5m，硬連接的配接方式不可取，為避免各接收節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)相互干擾，設(shè)計(jì)方案采用吊裝帶和U型卡來(lái)串聯(lián)各接收節(jié)點(diǎn)的軟連接方式，如圖10所示。

圖9 測(cè)試站 圖10 直達(dá)波測(cè)量示意圖 Fig.9 Photo of the test station Fig.10 The schematic diagram of direct wave measurement

將接收系統(tǒng)與聲源分開(kāi)，采用移動(dòng)光纖接收系統(tǒng)的方式改變發(fā)射與接收間距。低頻雙極性脈沖發(fā)射電路在激勵(lì)電壓為1000V、激發(fā)頻率為1kHz的激勵(lì)條件下，光纖在水下30m，距離聲源距離分別為100、800、1000、1500、2000、2300m，測(cè)試結(jié)果如圖11所示，在聲源距離為2000m的條件下，接收信號(hào)仍有較高信噪比。

圖11 不同源距直達(dá)波幅度比較結(jié)果Fig.11 Comparison of direct wave amplitudes with different sound source distances

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際工程需求，開(kāi)發(fā)了一套大功率寬頻聲波發(fā)射電路系統(tǒng)。作為隨鉆遠(yuǎn)探測(cè)聲波探測(cè)器發(fā)射換能器的驅(qū)動(dòng)電路，該系統(tǒng)能產(chǎn)生不同頻率、能量可控的雙極性脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)低頻發(fā)射換能器Valerie發(fā)射聲波信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了如下技術(shù)需求：①可穩(wěn)定輸出雙極性脈沖信號(hào)，信號(hào)幅度在200～3000V范圍內(nèi)可調(diào)，頻率在200～2000Hz范圍內(nèi)可調(diào)；②尺寸滿足井下工作要求；③與同類技術(shù)相比，該系統(tǒng)所激勵(lì)的雙極性脈沖信號(hào)具有更高的工作效率，可應(yīng)用于隨鉆遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井。

綜上所述，筆者提出并實(shí)現(xiàn)的聲波遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射電路系統(tǒng)具有發(fā)射能量大、頻率范圍寬和小體積的特點(diǎn)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)合理，集成度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，各項(xiàng)性能指標(biāo)能滿足隨鉆聲波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)需求，具有較好的應(yīng)用前景。