聲波遠探測發射電路系統設計

羅明璋，徐川，劉建成，鄒驍，胡凱利,陳宇健

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 710000 3.國網吉林省電力有限公司延邊供電公司，吉林 延吉 133000

早期測井儀器的發射模塊使用脈沖寬度調制(PWM)技術，該技術基于DC-AC逆變產生具有頻率可調的正弦信號，但受DC-AC電路和微處理器工作頻率的限制，通常只能產生頻帶較窄的驅動信號，并且受小體積和高溫、高壓環境的限制而無法實現較大功率的輸出[1-4]。發射模塊中模擬乘法器的性能降低，輸出幅度不穩定，諧波抑制相對較低[5,6]。典型的發射電路由場效應管、儲能電容、限流電阻、變壓器和整流橋構成。該電路結構簡單，發射頻率低，對設備的要求低以及儀器占用空間較小，廣泛應用于早期的聲波測井[7,8]。但是由于整流橋、放電回路和儲能電容的并聯連接，一旦設備性能下降，將導致能量泄漏和電容兩端的電壓下降，無法保證正常激勵。其次，電容放電后電壓不能快速上升，這也會影響儀器的精度。單芯直流供電聲波儀器中的壓控發射電路可以產生2000V的高壓發射脈沖，從而對發射換能器進行驅動。高壓傳輸電路中使用直流電源供電，省去了對交流電壓進行整流的中間過程[9-11]，但由于激發能量相對較低，因此不適合在常規聲波測井儀中使用。傳統的大功率聲波發射電路采用變壓器驅動換能器的方式進行激勵，電路采用電阻、電容組成RC定時電路，用于設定脈沖的周期和寬度，因此調節發射頻率必須改變電路參數，大大降低測井速度[12,13]。為此，筆者提出了一種大功率寬頻聲波激勵方式，產生不同頻率、能量可控的激勵信號,在高溫、強震動環境下可穩定工作，同時能夠實現井周數十米范圍內的測量。

1 總體方案設計

聲波發射電路系統方案設計原理框圖如圖1所示。聲波發射電路板是用來產生高電壓脈沖驅動壓電晶體換能器產生聲波信號的電路，主要由直流配電轉換電路(以下簡稱低壓電源模塊)、高壓電源模塊、橋式開關模塊、主控模塊、通信模塊和高壓檢測模塊6個功能模塊組成。

圖1 聲波發射電路系統方案設計原理框圖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DC-DC變換電路產生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脈沖信號的幅度，從控制器輸出PWM信號，經驅動電路輸出12V的脈沖信號，通過開關電路將12V的電源電壓變成幅度12V寬度可調的脈沖，由變壓器升壓到所需要的幅度，再經整流濾波電路輸出所需要的直流高壓。

橋式開關模塊將直流高壓通過極性變換技術產生2000～3000V的雙極性脈沖，橋式開關電路由IGBT管組成4個開關管，通過控制4個開關管有規律地順序導通，在換能器上產生雙極性的脈沖電壓。

主控模塊在控制電路的控制下，一方面控制開關管的導通和關閉，在特定時間產生所需寬度的雙極性脈沖，使換能器產生所需要的聲波信號，根據脈沖的寬度調整聲波信號的頻率；另一方面產生PWM信號，控制高壓電源模塊輸出所需要的電壓幅度。

通信模塊主要實現采用RS232串口保證下位機與上位機進行數據的通信。

高壓檢測模塊采用A/D轉換芯片MCP3208，在主控模塊的控制下對高壓電源進行監測。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

聲波遠探測發射電路系統的主控模塊是以FPGA為核心的MCU最小系統，該最小系統主要由FPGA微控制器及其時鐘電路、復位電路、電源電路、濾波電路和調試接口JATG電路組成。該主控模塊主要完成4項功能：①接收和解析來自上位機的命令并執行相應的操作；②產生發射開關的時序控制信號；③產生控制高壓的PWM信號；④驅動MCP3208芯片采集數據，實時檢測工作電壓和高壓電路輸出的高壓。其電路結構框圖如圖2所示。

2.2 發射開關模塊

為了能夠確保達到設計指標，發射電路的激發方式顯得尤為重要，筆者采用雙極性脈沖信號激發聲波信號。考慮到電路功耗以及發射信號利用率的問題，選擇全橋式開關電路，其結構框圖如圖3所示。由主控模塊控制4個大功率開關管的導通與關斷，在換能器上產生頻率可調的雙極性脈沖信號。發射開關電路由4個IGBT管和4個驅動電路組成，IGBT管的控制導通電壓為8～12V，控制關閉電壓小于4V；驅動電路的作用是將控制邏輯電路輸出的弱信號轉換成為開關需要的強驅動信號，幅度8～12V，并有足夠的輸出電流。

圖2 主控模塊電路結構框圖 圖3 橋式開關電路框圖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

要有效地激勵超聲換能器，提高探測靈敏度，電路需要有一定的發射功率。而發射功率主要取決于發射電壓的幅值：發射脈沖幅度越大，發射的超聲信號就越強，發射功率就越大，回波信號的信噪比就越高[10,14,15]。高壓電源結構框圖如圖4所示，從控制器輸出PWM信號，經驅動電路輸出12V的脈沖信號，通過開關電路將12V的電源電壓變成幅度12V寬度可調的脈沖，由變壓器升壓到所需要的幅度，再經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，二極管實際承受2倍的電容電壓，次級線圈采用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，輸出400～1500V的直流電壓。

圖4 高壓電源結構框圖Fig.4 The structural diagram of high-voltage power supply

3 系統軟件設計

該聲波遠探測發射電路系統的軟件設計主要分4個模塊：PWM脈寬調制模塊、發射時序控制模塊、高壓檢測模塊以及串口通信模塊。其中，PWM脈寬調制模塊設計主要是產生占空比可調的PWM信號，發射時序控制模塊設計主要是控制橋式開關電路中大功率開關管的通斷，進一步實現雙極性脈沖信號輸出，高壓檢測模塊設計主要實現對芯片MCP3208的驅動，串口通信模塊設計主要完成上位機和下位機之間的數據交互，軟件架構如圖5所示。

圖5 軟件架構圖Fig.5 The diagram of software architecture

聲波遠探測發射電路系統軟件的整體設計思路是：主控模塊接收到來自上位機軟件傳送的數據幀后，首先數據幀會在命令解析模塊內進行數據解析，當命令解析模塊識別到Command_0為AA時，緊接著的Command_1、Command_2、Command_3、Command_4等4個有效字節將分別送到PWM脈寬調制模塊、發射時序控制模塊、串口通信模塊、高壓檢測模塊，執行相對應的操作，一旦識別到Command_5為55，表示該次數據解析完畢，進入到空閑模式。聲波遠探測發射電路系統軟件設計整體流程圖如圖6所示。

圖6 聲波遠探測發射電路系統軟件設計流程圖Fig.6 The software design flow chart of acoustic wave emission circuit system for remote detection

4 測試結果

為了獲取現場試驗結果，2018年10月在無錫市海鷹加科海洋技術有限公司(以下簡稱海鷹公司)的幫助下,在千島湖實驗基地對筆者設計的低頻雙極性脈沖發射電路(長300mm，寬40mm，高10mm，重量300g)和海鷹公司開發的正弦單周期發射系統(體積0.5m3)進行了對比試驗。

4.1 驅動性能測試

試驗選用Valerie發射換能器作為驅動對象，其頻率特性如圖7所示。信號記錄選用球形多方位水聽器。低頻雙極性脈沖發射電路激發電壓為1000V。圖8所示為2種電路激發波形對比，激發頻率為1kHz，可以看出2種激發電路產生的波形幾乎重合。

圖8 Valerie低頻聲波換能器激發波形對比Fig.8 The excitation waveform contrast of the low-frequency acoustic wave transducer Valerie

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

4.2 遠探測性能測試

遠探測性能測試在新安江測試站的測試船上進行(如圖9所示)，測試站甲板長約36m，寬9m。發射換能器仍然選用Valerie，接收選用光纖水聽器系統。

由于光纖接收串長度較長(為33m)，而測試站龍門吊的高度為5m，硬連接的配接方式不可取，為避免各接收節點之間信號相互干擾，設計方案采用吊裝帶和U型卡來串聯各接收節點的軟連接方式，如圖10所示。

圖9 測試站 圖10 直達波測量示意圖 Fig.9 Photo of the test station Fig.10 The schematic diagram of direct wave measurement

將接收系統與聲源分開，采用移動光纖接收系統的方式改變發射與接收間距。低頻雙極性脈沖發射電路在激勵電壓為1000V、激發頻率為1kHz的激勵條件下，光纖在水下30m，距離聲源距離分別為100、800、1000、1500、2000、2300m，測試結果如圖11所示，在聲源距離為2000m的條件下，接收信號仍有較高信噪比。

圖11 不同源距直達波幅度比較結果Fig.11 Comparison of direct wave amplitudes with different sound source distances

5 結語

結合實際工程需求，開發了一套大功率寬頻聲波發射電路系統。作為隨鉆遠探測聲波探測器發射換能器的驅動電路，該系統能產生不同頻率、能量可控的雙極性脈沖信號，驅動低頻發射換能器Valerie發射聲波信號。測試結果表明，該系統性能指標達到了如下技術需求：①可穩定輸出雙極性脈沖信號，信號幅度在200～3000V范圍內可調，頻率在200～2000Hz范圍內可調；②尺寸滿足井下工作要求；③與同類技術相比，該系統所激勵的雙極性脈沖信號具有更高的工作效率，可應用于隨鉆遠探測測井。

綜上所述，筆者提出并實現的聲波遠探測發射電路系統具有發射能量大、頻率范圍寬和小體積的特點，系統整體結構合理，集成度高，可擴展性強，各項性能指標能滿足隨鉆聲波遠探測技術需求，具有較好的應用前景。