CSAMT發射系統抗干擾供電技術初步研究

李　蕩，王珺璐，李　勇，李建華，林品榮

(中國地質科學院　地球物理地球化學勘查研究所，廊坊　065000)

?

CSAMT發射系統抗干擾供電技術初步研究

李蕩，王珺璐，李勇，李建華，林品榮

(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊065000)

摘要：在偽隨機編碼信號的相關辨識理論基礎上，根據可控源音頻大地電磁法(CSAMT)測量頻率范圍及受環境電磁干擾影響的程度，將CSAMT測量劃分為三個頻段，對易受工頻及其諧波成分干擾的頻段采用偽隨機編碼發射，高頻和低頻段采用單頻方波發射。發射系統的人機交互和供電波形的產生基于虛擬儀器LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)軟件平臺，操作方便、控制靈活。

關鍵詞：CSAMT；偽隨機；LabVIEW；電磁干擾

0引言

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在音頻大地電磁法(AMT)基礎上發展起來的一種人工源頻率域測深方法，在勘探石油、天然氣、地熱、金屬礦產以及水文和環境工程中發揮了重要的作用[1-3]，但是在野外勘探過程中，很多地區人文電磁干擾特別嚴重，50 Hz工頻及其諧波干擾嚴重制約了該方法的應用。

CSAMT觀測頻率范圍一般為0.1 Hz～10 kHz。通常情況下，在接收機端，低頻部分(<10Hz)可以通過低通濾波器濾除工頻及其諧波干擾，高頻部分(>1kHz)可以通過高通濾波器濾除掉工頻及其諧波干擾，在10 Hz～1 kHz范圍內的頻點受到工頻及其諧波成分的干擾時，一般采用中心頻率為50 Hz、150 Hz、250 Hz等一系列陷波器組合使用來進行抗干擾處理，但因工頻及其諧波成分復雜，在干擾嚴重時難以取得可靠測量數據，影響了CSAMT效果的發揮，有必要研究10 Hz～1 kHz頻率范圍的CSAMT抗干擾技術。

特殊編碼信號(如偽隨機碼)是按一定規律將不同的信號經合成、編碼組成，它含有近似等幅的各種頻率信號，具有抗干擾能力強，適用于信噪較低的惡劣環境[4]。因此，把CSAMT方法中10 Hz～1 kHz頻率范圍內的頻點通過偽隨機特殊編碼組合發射，接收端把接收到的信號進行相關辨識計算，達到抗干擾的目的。CSAMT抗干擾系統原理示意圖見圖1。

圖1　CSAMT抗干擾系統示意圖Fig.1　The whole principle of CSAMT anti-jamming system

1m序列和L序列偽隨機編碼信號

m序列偽隨機信號是編碼信號的一種，基于m序列偽隨機信號的相關辨識在很多領域有著廣泛地應用，是一種高精度信號檢測技術[4]。Bruce Hobbs等[16]提出了應用偽隨機相關辨識思想設計的電測系統樣機，試驗表明這種方法具有良好的探測能力和效率。

m序列是對于n級反饋式的移位寄存器，從中選擇合適的反饋位與輸出序列經異或運算反饋到移位寄存器的輸入端，產生的最大二進制序列，又稱最長線性移位寄存器序列[5]，長度為N=2n-1，若移位時鐘脈沖周期為ΔT，則m序列信號的周期為T=NΔt。m序列的自相關函數為R(τ)(式(1))，功率譜密度G(ω)有著近似為白噪聲的功率譜特性[4]。信號幅度為±a，周期為T的m序列偽隨機信號x(t)的自相關函數Rxx(τ)是近似于沖激函數δ(t)的三角波。

(1)

由于 m 序列的長度N是奇數，正負電平出現的次數相差“1”，在一個周期內的均值不等于“0”，因此存在直流分量，在系統中會引起較大的誤差[7-8]。所以將產生m序列的激勵時鐘信號二分頻后與m序列進行異或非運算(即對 m 序列信號隔位取反)，得到逆重復 m 序列偽隨機信號L(t)，簡稱 L 序列[9]。

(2)

與 m 序列偽隨機信號類似，L 序列的自相關函數也是三角波，且N 越大，ΔT越小，它越接近于δ函數，理論上對系統辨識的精度越高[10]。所以取 L 序列偽隨機信號L(t)作為編碼信號用于 CSAMT 的抗干擾測量系統中。

2發射系統結構設計

CSAMT抗干擾發射系統由低壓部分、高壓部分和電源部分組成(圖2)。低壓部分主要由LabVIEW軟件平臺及數據采集卡組成；高壓部分由IGBT開關及其驅動模塊組成；電源部分是利用發電機產生交流電，然后通過整流源整流濾波，把交流電轉化為高壓直流，供給高壓部分的IGBT。具體工作流程為LabVIEW軟件平臺控制數據采集卡產生的PWM波形，然后通過高速光耦開關傳遞到高壓部分的IGBT驅動模塊，由IGBT驅動模塊控制IGBT的導通和關斷，從而實現大功率發送信號。

圖2　發射系統設計框圖Fig.2　The architecture of transmitter system

3關鍵技術與實現

3.1軟件結構設計

系統軟件部分基于LabVIEW平臺構建，LabVIEW是由美國國家儀器公司開發的軟件產品，也是目前應用廣泛、功能強大的圖形化軟件集成開發環境，采用圖形化編程語言-G語言進行編程[11]。系統軟件充分利用圖形化編程靈活、直觀的優勢使得發射系統可以連續多組頻率發射、單組方波頻率發射或單一編碼信號發射，而且在程序中可以自主設定方波信號的頻率和編碼信號的碼寬Δt及信號長度N。控制主程序的流程圖如圖3所示。

圖3　主控制程序流程圖Fig.3　The flowchart of the main control program

控制程序建立在狀態機模式的基礎上，在狀態機的默認狀態里面嵌套事件結構，當有發射命令按下時，根據發射命令對應進入單一編碼信號發射、多頻組連續發射或單一方波信號發射。單一編碼信號模式發射分為信號長度N分別為7、15、31、63四種情況，每種情況的碼寬Δt和循環次數是可以靈活輸入的，使用碼寬Δt來決定每組信號的最高發射頻率，循環次數來決定每次發射的時間，這種情況適用于需要靈活變化頻率，自主開展一些編碼信號測量的實驗(圖4)。

多頻組連續發射模式中，需要發射的信號以單一頻率或編碼方式分布在20組發射任務中，實際測量時候可以對照每組任務包含的頻點選擇對應的任務，勾選對應的任務號即可(圖5)。單一方波信號發射模式是在特殊情況下，需要發射單一頻率的方波信號以加強這一頻點的幅度，或者是在測量時通過加密頻點來提高勘探精度時使用，可以自主設定發射信號的頻率。

3.2硬件結構設計

系統硬件部分主要由上位機、數據采集卡、高速光耦、IGBT驅動模塊和IGBT功率模塊幾個部分組成。其中上位機運行LabVIEW軟件，數據采集卡采用的是NI公司生產的USB-6211數據采集卡，該卡是USB總線供電，具有2路模擬輸出(16位,250 kS/s)；16路模擬輸入(16位,250 kS/s)；4路數字輸入；4路數字輸出；32位計數器[12]。光耦隔離芯片采用的是東芝公司生產的TLP250，該芯片隔離電壓為可達2 500 V，輸出電流最大為1.5 A，轉換時間最大為0.5 μS[13]，可以達到信號不畸變、安全隔離的設計要求。光耦隔離芯片輸出的信號通過OP27運算放大器搭建電壓跟隨電路后進入IGBT的驅動保護模塊2SD315A。2SD315A是CONCEPT公司研發的一種集成度較高的驅動器，它具有驅動能力強、有足夠大的反向柵壓、保護動作的閥值電壓可通過改變外接參考電阻方便地加以調整等優點[14]。2SD315A的內部結構決定其一個模塊可同時觸發兩塊IGBT，通過MOD(模式選擇端)可方便選擇直接和半橋兩種工作模式[15]。本系統將MOD端直接接VDD，選擇使用直接模式，兩路信號單獨驅動，互不干擾，如圖6所示，由兩個2SD315A模塊驅動Q1～Q4 四個IGBT開關，PWM方波信號為正電平時，Q1和Q4導通，Q3和Q2截止，A端為V+，B端為V-;PWM方波信號為負電平時，Q2和Q3導通，Q1和Q4截止，A端為V-，B端為V+。

4結論與討論

CSAMT抗干擾發射系統基于偽隨機相關辨識理論，在LabVIEW軟件平臺上具體實現。系統可發射L序列偽隨機信號和單頻方波信號。在實際工作中，可以通過選定任務組數，默認L序列信號和單頻方波信號組合使用，有效壓制50 Hz工頻及其諧波成分的干擾。也可以根據實際情況單獨選擇L序列信號或單頻方波信號，L序列信號的時鐘頻率和序列長度都可以單獨設定，單頻方波信號也可以設定需要的發射頻率。發射系統應用靈活，利用LabVIEW平臺編寫的控制軟件的人機交互友好，操作簡單。

圖4　編碼信號模式發射界面Fig.4　The front page of coded signal transmitting

圖6　硬件結構示意圖Fig.6　Schematic diagram of hardware

參考文獻：

[1]ROUTH P S,OLDENBURG D W.Inversion of controlled source audio-frequency magnetotellurics data for a horizontally layered earth [J].Geophysics,1999,64(6):1689-1698.

[2]LU X Y,UNSWORTH J M,Booker J.Rapid relaxation inversion of CSAMT data[J].Geophysical Journal International.1999,138(2):381-392.

[3]林昌洪,譚捍東,舒晴，等.可控源音頻大地電磁三維共軛梯度反演研究[J].地球物理學報,2012,55(11):3829-3838.

LIN C H,TAN H D,SHU Q,et al.Three-dimesional conjugate gradient inversion of CSAMT data.Chinese Journal of geophysics,2012,55(11):3829-3838.(In Chinese)

[4]劉義國,董浩斌,劉雪軍，等.m序列在電法勘探上的應用初探[J].工程地球物理學報,2010,02:159-163.

LIU Y G,DONG H B,LIU X J,et al.Preliminary study of electrical prospecting based on m sequence.Chinese journal of engineering geophysics,2010,7(2):159-163.(In Chinese)

[5]Bruce H,Anton Z,David W.Multi-Transient Electromagnetics(MTEM)-controlled source equipment for subsurface resistivity investigation//Extended Abstract 18th Workshop.El Vendrell,Spain.2006:23.

[6]湯井田,李飛,羅維斌.基于逆重復m序列的精細探測電法發送機設計[J].地球物理學進展,2007,03:994-1000.

TANG J T,LI F,LUO W B.Electrical fine-exploration transmitter design based on invert-repeated m-squence.Progress in geophysics,2007,22(3):994-1000.(In Chinese)

[7]湯井田,公勁喆,羅維斌.基于CPLD的逆重復m序列偽隨機信號發生器[J].工程地球物理學報,2008,5(2):141-147.

TANG J T,GONG J Z,LUO W B.Invert-Repeated m-sequence pseudorandom signal generator based on CPLD.Chinese journal of engineering geophysics,2008,5(2):141-147.(In Chinese)

[8]湯井田,羅維斌.基于相關辨識的逆重復m序列偽隨機電磁法[J].地球物理學報,2008,04:1226-1233.

TAN J T,LUO W B.Pseudo-random electromagnetic exploration based on Invert-Repeated m-Sequence correlation identification.Chinese Journal of geophysics,2008,51(4):1226-1233.(In Chinese)

[9]李白男.偽隨機信號及相關辨識[M].北京：科學出版社，1987.

LI B N.Pseudo-random signal and correlation identification(in Chinese).Beijing:science press.1987.(In Chinese)

[10]羅維斌,李慶春,湯井田.編碼電磁測深[J].地球物理學報,2012,55(1):341-349.

LUO W B,LI Q C,TAN J T.Coded source electromagnetic sounding method.Chinese Journal of geophysics,2012,55(1):341-349.(In Chinese)

[11]李蕩,李志華,曾信.雙頻激電儀接收機[J].電子測量與儀器學報,2011,25(12):71-78.LI D,LI Z H,ZENG X.Receiver of dual-frequency IP instrument.Journal of electronic measurement and instrument,2011,25(12):1078-1085.(In Chinese)

[12]http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/203190

[13]Toshiba.data sheet of TLP250，Toshiba Integrated Products,2000.

[14]單廣偉,沈錦飛,顏文旭,等.2SD315A集成驅動器的驅動與保護性能[J].江南大學學報,2006,5(3):317-321.

SHAN G W,SHEN J F,YAN W X,et al.Drive and protection capability analusis of 2SD315A intergrated driver.Journal of Southern Yangtze University(Natural Science Edition),2006,5(3):317-321(In Chinese).

[15]田青,姜蘋,李洪濤，等.2SD315A在高壓重復頻率電源中的應用[J].兵工自動化,2010,05:83-85.

TIAN Q,JIANG P,LI H T,et al.Applications of 2SD315A in high voltage repetitive frequency power supply.Ordnance industry automation,2010,29(10):30-34.(In Chinese)

[16]HOBBS B,ZIOLKOWSKI A,WRIGHT D.Multi-transient electromagnetics(MTEM) controlled source equipment for subsurface resistivity investigation.Span:18th IAGA WG 1.2 workshop on electromagnetic induction in the earth,2006:17-23.

A Preliminary Study on CSAMT Anti-jamming Transmitter System

LI Dang，WANG Jun-lu，LI Yong，LI Jian-hua，LIN Pin-rong

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,Chinese Academy of Geological Science,Langfang065000,China)

Abstract:On the basis of the relevant identification theory of pseudo-random code signal,the signals of CSAMT(Controlled Source Audio-Frequency Magneto Tellurics) are divided into three parts according frequency range and the extent affected by environmental electromagnetic interference.The signals are susceptible to 50Hz interference signal and its harmonic components should be set by pseudo-random code way.Others are set by single square waveform way.The human-computer interaction and waveform generated software of the transmitter system is built on the advanced virtual instrument platform,LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench).The software is easy to operation and flexible to control.

Key words:CSAMT；pseudo-random；LabVIEW；electromagnetic interference

收稿日期：2015-06-13改回日期：2015-09-20

基金項目:國家高技術研究發展計劃863計劃(2015AA06A610)；國家自然科學基金項目(41504063)；中央級公益性科研院所基本科研業務費項目(AS2012J08)；國家重大科學儀器設備開發專項(2011YQ050060)

作者簡介：李蕩(1986-)，男，碩士，主要從事儀器研究開發與方法技術研究工作，E-mail:Lidang@igge.cn。

文章編號：1001-1749(2016)02-0175-05

中圖分類號：TB 971

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.05