劉蘭軍，周亞濤，陳家林，黎 明，強(qiáng)嘉晨，謝 鵬

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省海洋智能裝備技術(shù)工程研究中心，山東 青島 266100）

0 引言

1 LNS-MEM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LNS-MEM系統(tǒng)組成如圖1所示。LNS-MEM系統(tǒng)主要由傳感器模塊、前置放大模塊、A/D 采集模塊、主控模塊組成，可同步采集3 個(gè)電場(chǎng)通道信號(hào)（E，E，E）、2 個(gè)磁場(chǎng)通道信號(hào)（H，H）。傳感器模塊包含電場(chǎng)傳感器和磁場(chǎng)傳感器，電場(chǎng)傳感器采用低噪聲不極化Ag/AgCl 電極，磁場(chǎng)傳感器采用低噪聲感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器（內(nèi)置低噪聲放大電路）。前置放大模塊包括電場(chǎng)信號(hào)前置放大和磁場(chǎng)信號(hào)前置放大。因采用的磁場(chǎng)傳感器已經(jīng)內(nèi)置低噪聲放大電路，故磁場(chǎng)信號(hào)前置放大只是一個(gè)低噪聲阻抗匹配放大電路；電場(chǎng)信號(hào)前置放大是LNS-MEM 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。電場(chǎng)信號(hào)是一個(gè)低頻微弱信號(hào)，電場(chǎng)前置放大采用超低噪聲斬波放大原理設(shè)計(jì)。A/D 采集模塊負(fù)責(zé)將放大后的電場(chǎng)、磁場(chǎng)模擬信號(hào)同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采用低噪聲高精度A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。主控模塊采用“低功耗ARM+FPGA”的設(shè)計(jì)方案，具體包含低功耗ARM 控制器、FPGA、高精度時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信控制接口。低功耗ARM 控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)管理，F(xiàn)PGA 負(fù)責(zé)多通道信號(hào)同步采集控制，高精度時(shí)鐘為系統(tǒng)提供高精度時(shí)鐘信號(hào)，通信控制接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、GPS 授時(shí)和數(shù)據(jù)讀取等功能。

圖1 LNS-MEM 系統(tǒng)組成

2 LNS-MEM 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 低頻微弱電場(chǎng)信號(hào)超低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

圖2 低頻微弱電場(chǎng)信號(hào)超低噪聲斬波放大電路系統(tǒng)組成

超低噪聲斬波放大電路的本底噪聲主要包括電阻熱噪聲、放大器電路噪聲和電阻接觸噪聲等。電阻接觸噪聲與電阻材料工藝相關(guān)，理論計(jì)算時(shí)暫不考慮。電阻熱噪聲的計(jì)算公式為：

式中：為玻爾茲曼常量(1.38×10J/K)；為絕對(duì)溫度（取=300 K）；為電阻值（單位為Ω）；為帶寬（單位為Hz）。

電路噪聲分析時(shí)，式（1）中的帶寬為等效噪聲帶寬B=。其中，為超低噪聲斬波放大通道的上限截止頻率，=100 Hz；為噪聲帶寬系數(shù)，取=1.57。根據(jù)式（1）的電阻熱噪聲計(jì)算公式可得：

放大器電路噪聲主要包括輸入端電阻熱噪聲、反饋電阻熱噪聲、運(yùn)放的輸入噪聲電壓、運(yùn)放輸入噪聲電流流過(guò)放大器之前部分電阻和反饋電阻產(chǎn)生的噪聲。

本文設(shè)計(jì)的低噪聲斬波放大電路的原理圖如圖3所示。

圖3 超低噪聲斬波放大電路原理圖

超低噪聲斬波放大電路的各單元分析如下：

調(diào)制單元，橋式開(kāi)關(guān)電路單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻為3 Ω，因此，調(diào)制單元可以等效成阻值為6 Ω 的電阻，其電阻熱噪聲為。

解調(diào)單元，由于初級(jí)放大增益較大，運(yùn)算放大器的電路噪聲忽略不計(jì)。輸入端電阻=56.2 kΩ，其電阻熱噪聲為；反饋電阻==56.2 kΩ，其電阻熱噪聲為。

低通濾波，=15.6 kΩ，其電阻熱噪聲為；=233 kΩ，其電阻熱噪聲為。

次級(jí)放大，運(yùn)算放大器的電路噪聲忽略不計(jì)，無(wú)電阻熱噪聲。

超低噪聲斬波放大電路的輸入端換算本底噪聲密度的計(jì)算公式為：

式中：為噪聲電壓幅值；B為等效帶寬（B=157 Hz）；為電路單元對(duì)應(yīng)輸入端的放大增益。根據(jù)式（3），計(jì)算得到的各電路單元對(duì)應(yīng)的輸入端換算本底噪聲密度，如表1 所示。

表1 各電路單元的噪聲分析結(jié)果

2.2 高精度分布式時(shí)鐘同步方法設(shè)計(jì)

海洋電磁探測(cè)的電磁數(shù)據(jù)處理，需要電磁探測(cè)陣列中的各個(gè)電磁采集系統(tǒng)具有高精度的時(shí)鐘同步。針對(duì)電磁采集系統(tǒng)的高精度分布式同步需求，本文設(shè)計(jì)采用“GPS 授時(shí)+高精度溫度補(bǔ)償時(shí)鐘”的時(shí)鐘同步方案。LNS-MEM 投放前，利用GPS 進(jìn)行授時(shí)，保證各個(gè)采集系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻精準(zhǔn)；LNS-MEM 投放后，基于高精度溫度補(bǔ)償時(shí)鐘模塊進(jìn)行高精度的時(shí)鐘走時(shí)；LNS-MEM 回收后，再利用GPS 進(jìn)行校時(shí)，獲得各個(gè)采集系統(tǒng)的走時(shí)偏差。

為了保證LNS-MEM 系統(tǒng)授時(shí)/校時(shí)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了基于雙秒脈沖的GPS 授時(shí)/校時(shí)方法，具體授時(shí)/校時(shí)流程如圖4 所示。授時(shí)/校時(shí)裝置收到命令后，等GPS 秒脈沖信號(hào)上升沿時(shí)，向LNS-MEM 系統(tǒng)發(fā)出授時(shí)/校時(shí)請(qǐng)求，并將時(shí)鐘信息發(fā)送給LNS-MEM 系統(tǒng)，LNS-MEM 系統(tǒng)完成系統(tǒng)時(shí)鐘信息更新（授時(shí)）或時(shí)鐘信息記錄（校時(shí)）；在下一個(gè)秒脈沖信號(hào)上升沿時(shí)，若授時(shí)，LNS-MEM系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC 開(kāi)始走時(shí)，若校時(shí)，記錄RTC 的當(dāng)前時(shí)鐘信息。

圖4 基于雙秒脈沖的GPS 授時(shí)/校時(shí)流程

為了保證LNS-MEM 投放后的高精度時(shí)鐘同步，設(shè)計(jì)了基于精度為50 ppb 的低功耗溫度補(bǔ)償型壓控晶振的高精度時(shí)鐘模塊，高精度時(shí)鐘模塊組成如圖5 所示。ARM 通過(guò)A/D 采樣獲得壓控晶振的工作環(huán)境溫度測(cè)量值（A/D 值）；根據(jù)標(biāo)定的A/D 值與D/A 值（壓控輸入值）對(duì)應(yīng)關(guān)系表，ARM 控制D/A 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓控輸入值，調(diào)整溫度補(bǔ)償型壓控晶振的時(shí)鐘輸出信號(hào)以提高其時(shí)鐘精度。

圖5 高精度時(shí)鐘模塊

3 LNS-MEM 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和海洋環(huán)境，開(kāi)展了LNS-MEM 系統(tǒng)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試場(chǎng)景如圖6 所示，測(cè)試了LNS-MEM 系統(tǒng)的電場(chǎng)通道本底噪聲、電場(chǎng)通道帶寬、時(shí)鐘同步等性能。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)主要包括LNS-MEM 系統(tǒng)、鎖相放大器、授時(shí)/校時(shí)裝置、PC 監(jiān)控軟件。其中鎖相放大器用于電場(chǎng)通道帶寬測(cè)試；授時(shí)/校時(shí)裝置用于LNS-MEM 系統(tǒng)的授時(shí)/校時(shí)；PC 監(jiān)控軟件用于系統(tǒng)參數(shù)配置和實(shí)時(shí)波形監(jiān)控。海洋環(huán)境測(cè)試場(chǎng)景如圖7 所示，主要測(cè)試了LNS-MEM 系統(tǒng)在海洋可控源電磁（CSEM）勘探作業(yè)中的數(shù)據(jù)采集性能。

圖6 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試場(chǎng)景

圖7 海洋環(huán)境測(cè)試場(chǎng)景

3.1 電場(chǎng)通道本底噪聲

圖8 電場(chǎng)通道本底噪聲測(cè)試結(jié)果

3.2 電場(chǎng)通道帶寬

基于鎖相放大器MODEL 7265 開(kāi)展了LNS-MEM 系統(tǒng)電場(chǎng)通道的幅頻特性測(cè)試，以獲得電場(chǎng)通道帶寬。LNS-MEM 系統(tǒng)采用鋰電池組供電，將電場(chǎng)前置放大電路輸入端連接MODEL 7265 的信號(hào)輸出端，電場(chǎng)前置放大電路輸出端連接MODEL 7265 的信號(hào)輸入端；MODEL 7265 依次輸出幅值為1 mV、頻率范圍為0.001～100 Hz 的信號(hào)；通過(guò)MODEL 7265 測(cè)量電場(chǎng)前置放大電路的輸出信號(hào)幅值；根據(jù)信號(hào)幅值計(jì)算對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的增益，獲得LNS-MEM 系統(tǒng)電場(chǎng)通道的幅頻特性。

測(cè)得的LNS-MEM 系統(tǒng)電場(chǎng)通道的幅頻特性如圖9所示。測(cè)試結(jié)果可以看出，電場(chǎng)前置放大通道為一個(gè)低通濾波通道，通帶增益為61 dB，-3 dB 上限截止頻率約為100 Hz。

圖9 電場(chǎng)通道幅頻特性測(cè)試結(jié)果

3.3 時(shí)鐘同步

時(shí)鐘同步測(cè)試的過(guò)程為：首先通過(guò)攜帶GPS 模塊的授時(shí)/校時(shí)裝置對(duì)LNS-MEM 系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)，授時(shí)之后LNS-MEM 系統(tǒng)連續(xù)工作一段時(shí)間，最后通過(guò)攜帶GPS模塊的授時(shí)/校時(shí)裝置對(duì)LNS-MEM 系統(tǒng)進(jìn)行校時(shí)。反復(fù)開(kāi)展多次測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果平均得到系統(tǒng)的時(shí)鐘同步偏差。連續(xù)測(cè)量3次的LNS-MEM系統(tǒng)時(shí)鐘同步偏差測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可以得出，LNS-MEM系統(tǒng)平均日時(shí)鐘同步偏差為1.485 ms，時(shí)鐘同步精度約為17 ppb。

表2 系統(tǒng)時(shí)鐘同步誤差測(cè)試結(jié)果

3.4 海洋環(huán)境測(cè)試

為了進(jìn)一步測(cè)試LNS-MEM 系統(tǒng)在實(shí)際海洋環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集性能，利用研制的LNS-MEM 系統(tǒng)在中國(guó)南海某海域開(kāi)展海洋可控源電磁（CSEM）勘探海上試驗(yàn)。試驗(yàn)中電磁發(fā)射源的發(fā)射電極極距為150 m，發(fā)射電流為725 A，發(fā)射源離地高度為70 m。圖10 所示是LNSMEM 系統(tǒng)采集的CSEM 時(shí)間序列數(shù)據(jù)。由圖10 可知，系統(tǒng)采集到了有效的CSEM 數(shù)據(jù)。

圖10 采集的CSEM 時(shí)間序列數(shù)據(jù)

對(duì)LNS-MEM 系統(tǒng)電場(chǎng)通道Ex 采集的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到如圖11 所示的時(shí)頻分析結(jié)果。從圖中可以看出，電場(chǎng)通道采集到了電磁發(fā)射源經(jīng)過(guò)LNSMEM 系統(tǒng)時(shí)的CSEM 數(shù)據(jù)。

圖11 電場(chǎng)通道Ex 的數(shù)據(jù)時(shí)頻分析結(jié)果

選取電磁發(fā)射源經(jīng)過(guò)LNS-MEM 系統(tǒng)上方的時(shí)刻附近時(shí)長(zhǎng)為3 min 的數(shù)據(jù)處理，得到海洋CSEM 探測(cè)的MVO 曲線和PVO 曲線，如圖12 所示。

從圖12 中可以看出，研制的LNS-MEM 系統(tǒng)的有效探測(cè)范圍可達(dá)7.5 km，可以滿足海洋電磁探測(cè)的需求。

圖12 海洋CSEM 探測(cè)的MVO 曲線和PVO 曲線

4 結(jié)論

海洋微弱電磁信號(hào)采集技術(shù)是海洋電磁探測(cè)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。本文針對(duì)海洋電磁采集系統(tǒng)的低頻超低噪聲信號(hào)采集和高精度時(shí)鐘同步需求，設(shè)計(jì)了一種海洋電磁信號(hào)超低噪聲同步采集系統(tǒng)LNS-MEM。系統(tǒng)主控采用“低功耗ARM+FPGA”方案，低功耗ARM 負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)管理，F(xiàn)PGA 實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)同步采集。