李　蕩，王珺璐，李　勇，李建華，林品榮

(中國地質(zhì)科學(xué)院　地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊　065000)

?

CSAMT發(fā)射系統(tǒng)抗干擾供電技術(shù)初步研究

李蕩，王珺璐，李勇，李建華，林品榮

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊065000)

摘要：在偽隨機編碼信號的相關(guān)辨識理論基礎(chǔ)上，根據(jù)可控源音頻大地電磁法(CSAMT)測量頻率范圍及受環(huán)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(fā)射，高頻和低頻段采用單頻方波發(fā)射。發(fā)射系統(tǒng)的人機交互和供電波形的產(chǎn)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(guān)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(chǔ)上發(fā)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?zé)?、金屬礦產(chǎn)以及水文和環(huán)境工程中發(fā)揮了重要的作用[1-3]，但是在野外勘探過程中，很多地區(qū)人文電磁干擾特別嚴(yán)重，50 Hz工頻及其諧波干擾嚴(yán)重制約了該方法的應(yīng)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(nèi)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(fù)雜，在干擾嚴(yán)重時難以取得可靠測量數(shù)據(jù)，影響了CSAMT效果的發(fā)揮，有必要研究10 Hz～1 kHz頻率范圍的CSAMT抗干擾技術(shù)。

特殊編碼信號(如偽隨機碼)是按一定規(guī)律將不同的信號經(jīng)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(huán)境[4]。因此，把CSAMT方法中10 Hz～1 kHz頻率范圍內(nèi)的頻點通過偽隨機特殊編碼組合發(fā)射，接收端把接收到的信號進行相關(guān)辨識計算，達到抗干擾的目的。CSAMT抗干擾系統(tǒng)原理示意圖見圖1。

圖1　CSAMT抗干擾系統(tǒng)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(guān)辨識在很多領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，是一種高精度信號檢測技術(shù)[4]。Bruce Hobbs等[16]提出了應(yīng)用偽隨機相關(guān)辨識思想設(shè)計的電測系統(tǒng)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(jīng)異或運算反饋到移位寄存器的輸入端，產(chǎn)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(guān)函數(shù)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(guān)函數(shù)Rxx(τ)是近似于沖激函數(shù)δ(t)的三角波。

(1)

由于 m 序列的長度N是奇數(shù)，正負(fù)電平出現(xiàn)的次數(shù)相差“1”，在一個周期內(nèi)的均值不等于“0”，因此存在直流分量，在系統(tǒng)中會引起較大的誤差[7-8]。所以將產(chǎn)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(fù) 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(guān)函數(shù)也是三角波，且N 越大，ΔT越小，它越接近于δ函數(shù)，理論上對系統(tǒng)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(tǒng)中。

2發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

CSAMT抗干擾發(fā)射系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集卡組成；高壓部分由IGBT開關(guān)及其驅(qū)動模塊組成；電源部分是利用發(fā)電機產(chǎn)生交流電，然后通過整流源整流濾波，把交流電轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的PWM波形，然后通過高速光耦開關(guān)傳遞到高壓部分的IGBT驅(qū)動模塊，由IGBT驅(qū)動模塊控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)大功率發(fā)送信號。

圖2　發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.2　The architecture of transmitter system

3關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

3.1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分基于LabVIEW平臺構(gòu)建，LabVIEW是由美國國家儀器公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用廣泛、功能強大的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境，采用圖形化編程語言-G語言進行編程[11]。系統(tǒng)軟件充分利用圖形化編程靈活、直觀的優(yōu)勢使得發(fā)射系統(tǒng)可以連續(xù)多組頻率發(fā)射、單組方波頻率發(fā)射或單一編碼信號發(fā)射，而且在程序中可以自主設(shè)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(tài)機模式的基礎(chǔ)上，在狀態(tài)機的默認(rèn)狀態(tài)里面嵌套事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)有發(fā)射命令按下時，根據(jù)發(fā)射命令對應(yīng)進入單一編碼信號發(fā)射、多頻組連續(xù)發(fā)射或單一方波信號發(fā)射。單一編碼信號模式發(fā)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(huán)次數(shù)是可以靈活輸入的，使用碼寬Δt來決定每組信號的最高發(fā)射頻率，循環(huán)次數(shù)來決定每次發(fā)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(xù)發(fā)射模式中，需要發(fā)射的信號以單一頻率或編碼方式分布在20組發(fā)射任務(wù)中，實際測量時候可以對照每組任務(wù)包含的頻點選擇對應(yīng)的任務(wù)，勾選對應(yīng)的任務(wù)號即可(圖5)。單一方波信號發(fā)射模式是在特殊情況下，需要發(fā)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(shè)定發(fā)射信號的頻率。

3.2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由上位機、數(shù)據(jù)采集卡、高速光耦、IGBT驅(qū)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(shù)據(jù)采集卡采用的是NI公司生產(chǎn)的USB-6211數(shù)據(jù)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(shù)字輸入；4路數(shù)字輸出；32位計數(shù)器[12]。光耦隔離芯片采用的是東芝公司生產(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(qū)動保護模塊2SD315A。2SD315A是CONCEPT公司研發(fā)的一種集成度較高的驅(qū)動器，它具有驅(qū)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(diào)整等優(yōu)點[14]。2SD315A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其一個模塊可同時觸發(fā)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(tǒng)將MOD端直接接VDD，選擇使用直接模式，兩路信號單獨驅(qū)動，互不干擾，如圖6所示，由兩個2SD315A模塊驅(qū)動Q1～Q4 四個IGBT開關(guān)，PWM方波信號為正電平時，Q1和Q4導(dǎo)通，Q3和Q2截止，A端為V+，B端為V-;PWM方波信號為負(fù)電平時，Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4截止，A端為V-，B端為V+。

4結(jié)論與討論

CSAMT抗干擾發(fā)射系統(tǒng)基于偽隨機相關(guān)辨識理論，在LabVIEW軟件平臺上具體實現(xiàn)。系統(tǒng)可發(fā)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(wù)組數(shù)，默認(rèn)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(jù)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(shè)定，單頻方波信號也可以設(shè)定需要的發(fā)射頻率。發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)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(fā)射界面Fig.4　The front page of coded signal transmitting

圖6　硬件結(jié)構(gòu)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(xué)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(yīng)用初探[J].工程地球物理學(xué)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(fù)m序列的精細(xì)探測電法發(fā)送機設(shè)計[J].地球物理學(xué)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(fù)m序列偽隨機信號發(fā)生器[J].工程地球物理學(xué)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(guān)辨識的逆重復(fù)m序列偽隨機電磁法[J].地球物理學(xué)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(guān)辨識[M].北京：科學(xué)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(xué)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(xué)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(qū)動器的驅(qū)動與保護性能[J].江南大學(xué)學(xué)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(fù)頻率電源中的應(yīng)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(shù)研究發(fā)展計劃863計劃(2015AA06A610)；國家自然科學(xué)基金項目(41504063)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(AS2012J08)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ050060)

作者簡介：李蕩(1986-)，男，碩士，主要從事儀器研究開發(fā)與方法技術(shù)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(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.05