海洋電場采集電極極差自動補償方法設計

劉貴豪，劉蘭軍，黎　明，陳家林，牛　炯

（中國海洋大學　工程學院，山東　青島266100）

海洋電場采集電極極差自動補償方法設計

劉貴豪，劉蘭軍*，黎明，陳家林，牛炯

（中國海洋大學工程學院，山東青島266100）

針對海洋電磁勘探的低頻、微弱電場信號采集中電極與放大采集電路的耦合問題，提出了一種支持直流耦合的電極極差自動補償放大采集電路設計方法，給出了系統設計實現，詳細介紹了電極極差自動補償放大采集電路和自動補償控制算法。測試結果表明，所設計的電極極差自動補償方法可將0.1～0.7 mV的電極極差自動補償至0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以內，滿足了海洋電場采集直流耦合的需求，降低了電場采集電路對不極化Ag/AgCl電極的極差設計要求，可有效應用于海洋低頻電場信號采集。

海洋電磁勘探；電極極差；自動補償；直流耦合；弱信號

海洋電磁法勘探作為海洋地震勘探的有效補充，是海洋油氣資源勘探尤其深海勘探領域的研究熱點，可有效降低海洋油氣鉆探的干井率［1-2］。美國Scripps海洋研究所、挪威EMGS公司等機構已成功利用海洋電磁法開展了一系列海底油氣資源的探測應用［3-4］。我國在國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）項目的支持下，正在開展海洋電磁勘探裝備研制和數據解釋方法研究。

海洋電磁勘探方法分為天然場源（Marine MT，海洋大地電磁法）和人工場源（Marine CSEM，海洋可控源電磁法）［5］。搭載在海底電磁采集站或拖曳式電場采集站上的電磁數據記錄儀是海洋電磁勘探的關鍵裝備之一，負責采集海底微弱的電場和磁場信號［6］。微弱磁場信號通過精細設計的超低噪聲磁場傳感器采集，磁場傳感器本底噪聲要求低于1 pT/電場信號利用“固態不極化Ag/AgCl電極+低噪聲放大電路”采集，采集通道本底噪聲要求低于電場信號為低頻寬帶微弱信號。電極極差是不極化Ag/AgCl電極的固有特性，其穩定性受環境溫度、離子濃度、玷污雜質、水流等因素的影響［7］。電極極差是一個超低頻的漂移信號，交流耦合是常用的電極極差消除方法［8］，但深海海洋電磁勘探中，有效電場信號頻率低至千秒或萬秒級，而低噪聲電場信號放大電路為低輸入阻抗的變壓器耦合的斬波放大電路，導致交流耦合的隔直電容容量巨大、體積大且穩定性差，因此深海海洋電場采集多采用直流耦合方式［9］。在直流耦合方式中，電極極差過大會導致大增益放大電路的輸出飽和，從而限制了對電場微弱信號的大增益放大處理，因此一般要求限制電極極差不大于0.1 mV［10］，導致電極加工和使用過程中需進行嚴格配對。

針對直流耦合方式電場信號放大采集中電極極差所帶來的問題，本文提出了一種支持直流耦合、大增益放大的電極極差自動補償的電場信號放大采集方法，給出了系統的設計實現。詳細介紹了電極極差自動補償采集的補償放大電路、數字邏輯和軟件控制算法。實驗結果表明，所設計的電極極差自動補償采集電路可有效補償低頻電極漂移極差，可滿足海洋低頻電場信號采集應用。

1　電極極差自動補償方法

本文提出的支持直流耦合的、大增益放大的電極極差自動補償電場放大采集方法的系統拓撲如圖1所示，包括放大采集電路和電極極差自動補償算法。放大采集電路采用直流耦合方式與電極連接，針對電場微弱信號超低頻的特點及低噪聲運算放大器的1/f噪聲問題，采用斬波放大原理，放大通道包括斬波調制、隔離變壓器、交流放大、極差補償、解調、低通濾波、直流放大等環節，電場信號的放大增益為隔離變壓器增益、交流放大增益和直流放大增益的乘積，電極極差補償電路位于第一級交流放大電路和第二級直流放大之間，對電極極差信號進行實時調整以保證第二級直流放大輸出不飽和。電極極差自動補償算法負責電極極差計算并按照自動控制策略調節電極極差補償電路，電極極差計算是一個大時間常數低通濾波模塊，電極極差是一個頻率遠低于有效電場信號的低頻漂移信號，電極極差計算根據所采集的有效電場信號的低頻指標進行大時間常數的低通濾波運算以獲得電極極差信息；電極極差控制模塊根據所提取的電極極差采用PI調節算法實時調節電極極差補償電路，以補償、跟蹤調節電極極差；電極極差補償電路是對第一級交流放大輸出的調制波形進行極差補償，極差調節需要與調制波嚴格同步。

圖1　電極極差自動補償放大采集系統組成

上述電極極差補償方法的工作原理分析如圖2所示。假設電極極差大于有效電場信號幅值。電極極差在電場放大電路的源頭是疊加在有效電場信號中的，如圖中S1；電極極差是一個超低頻漂移信號，在有效電場信號周波內可看成直流信號，如圖中S1’，可以看出，在直流耦合電場放大電路的輸入端，電極極差信號體現為一個直流偏置信號；經過遠高于電場有效信號頻率的調制波S3進行斬波調制，有效電場信號和電極極差同時被調制，成為關于時間軸“對稱”的高頻交流信號，如圖中的S4，極差補償電路的輸入信號就是放大后的該高頻交流信號；電極極差計算算法可提取出電極極差VJC，電極極差控制模塊根據獲得的電極極差VJC輸出如圖中S5所示的電極極差補償控制信號；經過S5控制信號補償后補償放大電路的輸出信號如圖中S6所示，可以看到，S6信號就是S4信號與S5信號的疊加，S6信號中不再包含電極極差信號；信號經過解調處理后的波形如圖中S7所示，是經過放大后的有效的電場信號。

圖2　電極極差補償方法原理示意圖

2　系統設計實現

2.1放大采集電路設計

放大采集電路詳細設計如圖3所示，包括斬波調制、隔離變壓器、交流放大、極差補償、斬波解調、低通濾波、直流放大和A/D采集。隔離變壓器增益為10，交流放大增益為10，直流放大增益為1～100。隔離變壓器采用低噪聲變壓器，運放U1，U2，U3，U6，U7均采用低噪聲放大器，A/D采集采用24位或32位低噪聲A/D轉換器。電極極差補償電路是基于U2運放的加法器，極差補償信號采用高精度、低噪聲16位D/A轉換器控制。

圖3　放大采集電路

設VIN為交流放大后的電場有效信號，VJC為電極極差信號，K為隔離變壓器和交流放大的增益乘積，V1，V2如圖中標注，DAC的控制數字量為D，DAC位數為N，DAC的基準參考電壓為VREF，則由圖中電路可得：

取R4=R5=R6，R7=R8=2R9，

根據式（3）可得，電極極差補償的條件如式（4）所示：

根據式（4），可得D/A數字量發生1位變化時，

從式（5）可以看出，電極極差調節精度受放大倍數K，DAC的位數N、基準電壓VREF影響。DAC的數字量D的取值范圍為0～2N，由式（4）可得電極極差調節范圍為-VREF/K～VREF/K。

本文所設計的電場放大電路，隔離變壓器和交流放大的增益乘積K為100，VREF為0.5 V，DAC的位數為16，電極極差調節精度為0.000 15 mV，電極極差調節范圍為-5～5 mV。

2.2電極極差自動補償算法設計

電極極差補償控制算法的具體設計實現如圖4所示，包括數字邏輯和軟件控制算法兩部分。數字邏輯包括A/D采集接口邏輯、D/A接口邏輯、D/A同步邏輯和電極極差提取計算邏輯，D/A同步邏輯負責根據調制時鐘同步能使電極極差補償，電極極差提取計算邏輯是一個大時間常數的低通濾波模塊，采用兩級濾波器實現，第一級是窗口時間常數為T1的非滑動平均濾波器，第二級是窗口時間常數為T2的滑動平均濾波器（滑動時間窗口為T1），時間常數T1和T2可根據設計需要進行配置，本文設計參數為T1=0.1 s，T2=1 000 s。軟件控制算法為基于PI調節的閉環控制算法，根據電極極差計算邏輯的輸出結果與調節目標極差的偏差，采用PI算法調節輸出電極極差補償控制信號，算法采樣周期為T1，算法公式如式（6）所示：

式中：KP是比例系數；KI是積分系數；eK是當前計算偏差；eK-1是上一次計算偏差；UK為當前計算輸出；UK-1為上一次計算輸出。本文設計參數為：比例系數KP=40，積分系數KI=0.02。

圖4　電極極差補償控制算法

3　測試結果分析

為了測試電極極差自動補償方法的性能，搭建了如圖5所示的實驗測試系統。測試系統包括電極極差自動補償電場放大采集電路、信號發生器、示波器、上位機監控軟件等。信號發生器產生模擬帶電極極差的電場信號，示波器監測解調前的電場放大電路斬波調制信號，上位機監測A/D采集后經過極差補償的電場信號，信號發生器采用Agilent的33522A，示波器采用Agilent的DSO-X 3014A。

圖5　極差自動補償測試系統框圖

圖6所示是電極極差補償前和補償后的示波器監測波形和上位機軟件監測波形，示波器監測波形是解調前的斬波調制信號，上位機監測波形是解調后的輸出波形。實驗參數為：信號發生器輸出正弦信號幅度為2 mV，信號頻率為10 Hz，直流偏移0.7 mV（信號發生器輸出經1 000倍衰減后接放大采集電路輸入端）。從圖中可以看出，上位機監測電極極差從0.281 V（增益400）降到了0.037 V（增益400），電極極差得到了有效補償。

圖6　電極極差測試波形

表1所示為模擬不同電極極差的電極極差補償測試結果。信號發生器依次輸出幅度為2 mV、頻率為10 Hz、直流偏移為0.1～0.7 mV正弦信號（信號發生器輸出經1 000倍衰減后接放大采集電路輸入端），上位機監測補償穩定后的極差信號。從實驗結果可以看出，補償后的極差為0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以內。

表1　極差補償測試結果

4　結論

本文提出了一種支持直流耦合、大增益放大的電極極差自動補償放大電路設計方法，詳細介紹了電極極差自動補償放大采集電路和自動補償控制算法，給出了系統設計實現，搭建了實驗測試系統。測試結果表明，所設計的電極極差自動補償電路可將0.1～0.7 mV的電極極差自動補償至0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以內，滿足了海洋電場采集直流耦合的需求，降低了電場采集電路對不極化Ag/AgCl電極的極差設計要求。該電極極差自動補償放大電路設計方法已應用于4 000 m水深海底電磁數據記錄儀研制，可推廣應用于陸上大地電磁測量和頁巖氣開發微地震信號檢測等弱信號放大采集應用場合。

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Design of an Electrode Range Automatic Compensation Method for Marine Electric Field Data Acquisition

LIU Gui-hao，LIU Lan-jun，LI Ming，CHEN Jia-lin，NIU Jiong
College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

To resolve the coupling problem between electrode and amplification acquisition circuit for low frequency and weak electric signal acquisition in marine electromagnetic exploration，this paper presents an electrode range automatic compensation design method supporting DC coupling.It gives system implementation，and introduces in detail the compensation amplification circuit and automatic compensation control algorithm.Test results show that the designed electrode range automatic compensation method can automatically compensate the electrode range form 0.1-0.7 mV to 0.043-0.074 mV，well under the limit of 0.1 mV.The automatic compensation design meets the DC coupling need in marine electric field acquisition，reduces the electrode range design requirements for non-polarizable Ag/AgCl electrode in electric field acquisition circuit，and can effectively support the acquisition and application of marine low frequency electric field signals.

marine electromagnetic exploration；electrode range；automatic compensation；DC coupling；weak signal

P742；P733.6

A

1003-2029（2016）01-0057-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.009

2015-04-14

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）資助項目（2012AA09A201）；山東省科技發展計劃資助項目（2011GHY11535）；青島市戰略性新興產業培育計劃資助項目（13-4-1-2-gx）

劉貴豪（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式技術與智能儀器。

劉蘭軍，副教授，主要研究方向為嵌入式技術與智能儀器、水聲通信與網絡。E-mail：hdliulj@ouc.edu.cn