李軍峰， 高衛(wèi)東， 吳　珊, 余　洋

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

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頻率域航電測(cè)量系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究

李軍峰， 高衛(wèi)東， 吳珊, 余洋

(中國(guó)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：簡(jiǎn)要介紹了頻率域航電系統(tǒng)的工作原理，分析研究了主要干擾因素的特點(diǎn)和抑制措施。針對(duì)HDY-401三頻航電測(cè)量系統(tǒng)近頻干擾抑制能力不足及噪聲電平過(guò)載的問(wèn)題，提出了基于同步濾波和鎖定放大技術(shù)相結(jié)合的微弱二次場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)方法；針對(duì)航電接收探頭的振動(dòng)及靜電干擾問(wèn)題，采取雙層減振和梳狀屏蔽措施，有效提高了儀器系統(tǒng)的抗干擾能力。應(yīng)用相關(guān)技術(shù)改進(jìn)研發(fā)出一套HDY-402三頻航電測(cè)量系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：頻率域航空電磁系統(tǒng); 干擾抑制; 鎖定放大器; 電磁屏蔽

0前言

在檢測(cè)儀器儀表領(lǐng)域，對(duì)于常規(guī)小信號(hào)檢測(cè)，一般可以通過(guò)濾波消噪處理、調(diào)制放大與解調(diào)、零位法和反饋補(bǔ)償法等方法技術(shù),來(lái)消除或減弱干擾噪聲的不利影響并提高其性能[1]；與常規(guī)小信號(hào)相比，頻率域航電信號(hào)的信噪比要低得多，其檢測(cè)技術(shù)也要困難得多。航空電磁測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度直接取決于系統(tǒng)的噪聲水平，因此，對(duì)各種干擾因素進(jìn)行分析研究并采取有效的抑制措施,是測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到較高技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵問(wèn)題。

作者簡(jiǎn)要分析了航空電磁測(cè)量系統(tǒng)的主要干擾因素，針對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的HDY-401頻率域航電測(cè)量樣機(jī)系統(tǒng)中鎖定放大器噪聲抑制能力弱、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備不足的問(wèn)題，提出了基于同步濾波和鎖定放大技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，在輸入信號(hào)通道主增益級(jí)之前，利用具有超窄帶特性的同步濾波器抑制干擾，從而提高了系統(tǒng)的過(guò)載電平、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備范圍；針對(duì)飛機(jī)電氣干擾和振動(dòng)干擾，采取了梳狀屏蔽和減振措施，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1系統(tǒng)工作原理及干擾因素分析

HDY-401航電測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)工作頻率分別為463 Hz、1.625 kHz和8.33 kHz的發(fā)射、接收和補(bǔ)償子系統(tǒng)以及一套數(shù)據(jù)采集收錄系統(tǒng)組成。接收/發(fā)射探頭安裝在固定翼飛機(jī)上，構(gòu)成翼尖硬架補(bǔ)償式航空電磁測(cè)量系統(tǒng)。工作原理簡(jiǎn)述如下：

在發(fā)射線圈內(nèi)通過(guò)某一頻率的正弦交變電流，其周圍空間中就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，稱作一次磁場(chǎng)。在接收線圈附近的一次磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0，當(dāng)飛機(jī)經(jīng)過(guò)地下導(dǎo)體上空時(shí)，導(dǎo)體附近出現(xiàn)一強(qiáng)度為H1的一次磁場(chǎng)，在它的作用下，導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生頻率相同、相位和幅度隨導(dǎo)體視電阻率變化的二次磁場(chǎng)；接收線圈附近的二次場(chǎng)強(qiáng)度為H2，由接收機(jī)分別記錄它的實(shí)分量(與一次場(chǎng)同相位的分量)和虛分量(與一次場(chǎng)相位相差90°的分量)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)體的測(cè)量目的。當(dāng)系統(tǒng)處在正常測(cè)量飛行高度時(shí)，在接收線圈處，H2僅為H0幅值的萬(wàn)分之一，甚至更小。要在如此強(qiáng)的一次場(chǎng)背景上，測(cè)量微弱的二次場(chǎng)信號(hào)是十分困難的，為了可靠地測(cè)量H2，在接收線圈處加一個(gè)與H0相位差180°、幅值相等的補(bǔ)償場(chǎng)H0補(bǔ)，將H0抵消掉，這樣接收線圈處只剩下有用的二次場(chǎng)信號(hào)。

航空電磁測(cè)量系統(tǒng)的干擾可以分為兩大類：

1)與發(fā)射場(chǎng)源有關(guān)的干擾(如接收線圈和發(fā)射線圈相對(duì)幾何位置變化而引起的撓曲干擾、扭轉(zhuǎn)干擾等)。抑制這一類干擾，進(jìn)行窄帶濾波效果不大，增大發(fā)射磁矩則是無(wú)用的，只有采取專門措施來(lái)解決。物化探所在HDY-202單頻航電系統(tǒng)中采用了具有補(bǔ)償效果的安裝結(jié)構(gòu)，解決了這一干擾問(wèn)題并取得了理想的效果。

2)干擾與發(fā)射場(chǎng)源無(wú)關(guān)(如天電干擾，飛機(jī)電氣干擾，接收線圈振動(dòng)切割地磁場(chǎng)而引起的振動(dòng)干擾等[2])，這一類干擾的頻譜較寬，抑制這類干擾的有效措施之一是適當(dāng)增大發(fā)射磁矩以提高信噪比，更為有效的措施是針對(duì)干擾噪聲頻譜較寬的特點(diǎn)進(jìn)行窄帶濾波，以提高信噪比，對(duì)于某些較強(qiáng)的干擾還必須采取特殊的措施，以直接抑制干擾源。

作者重點(diǎn)研究“與發(fā)射場(chǎng)無(wú)關(guān)干擾”的抑制措施，根據(jù)消除或削弱干擾源、設(shè)法使檢測(cè)電路對(duì)干擾噪聲不敏感、使噪聲傳輸通道的耦合作用最小化三大原則，首先針對(duì)這一類干擾頻譜較寬的特點(diǎn)，研究高性能的超窄帶濾波技術(shù)，對(duì)干擾進(jìn)行抑制；其次針對(duì)航空測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合應(yīng)用電磁屏蔽和減振技術(shù)，來(lái)解決振動(dòng)干擾和飛機(jī)電氣干擾等問(wèn)題。

2鎖定放大技術(shù)

基于鎖定放大器在微弱信號(hào)檢測(cè)方面顯示出的優(yōu)秀性能[3]，國(guó)內(nèi)、外的頻率域航電接收機(jī)均采用了鎖定放大技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)超窄帶濾波及正交矢量檢測(cè)。圖1是HDY-401接收機(jī)原理框圖，該接收機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)具有窄帶接收能力的正交類型鎖定放大器(LIA)，由輸入信號(hào)通道、參考信號(hào)通道和相敏檢波通道共同組成。工作原理為：

輸入信號(hào)通道對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行交流放大，將微弱的輸入信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢波器工作的電平，并且通過(guò)帶通濾波器消除部分干擾噪聲，以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。參考信號(hào)通道對(duì)取自發(fā)射電流的信號(hào)進(jìn)行整形、斬波、移相、正交變換處理，然后送至相敏檢波通道作為參考信號(hào)。相敏檢波通道以參考信號(hào)為基準(zhǔn)，對(duì)有用信號(hào)x(t)進(jìn)行相敏檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)頻譜遷移過(guò)程。將x(t)的頻譜從ω0處遷移到ω=0處，再經(jīng)過(guò)低通濾除噪聲，其輸出對(duì)x(t)的幅度和相位都敏感，這樣就達(dá)到了即鑒幅又鑒相的目的。因?yàn)榈屯ǖ念l帶可以做到很窄，所以鎖定放大器具有較強(qiáng)的噪聲抑制能力。

圖1　HDY-401接收機(jī)原理框圖Fig．1　The block diagram of the HDY-401 receiver

鎖定放大器的主要性能指標(biāo)包括滿刻度輸入電平FS、過(guò)載電平OVL、最小可測(cè)信號(hào)MDS、輸入總動(dòng)態(tài)范圍、輸出動(dòng)態(tài)范圍和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備等。其中，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備反應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)抵御干擾和噪聲的能力，定義為過(guò)載電平與滿刻度輸入電平的比值。

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備=20lg(OVL/FS)(dB)

HDY-401系統(tǒng)的主要問(wèn)題是輸入信號(hào)通道對(duì)干擾的抑制能力不足，導(dǎo)致輸入信號(hào)在進(jìn)入相敏檢波之前就發(fā)生噪聲電平過(guò)載，使得鎖定放大器的窄帶抑制能力無(wú)從發(fā)揮。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要有效地增大信號(hào)輸入通道的交流增益和減小直流增益，擴(kuò)展動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備以提高輸入總動(dòng)態(tài)范圍。

作者借鑒同步積分器[4]和旋轉(zhuǎn)電容濾波器[1]的工作原理，基于鎖相環(huán)技術(shù)[5]設(shè)計(jì)了一款如圖2所示的改進(jìn)型的鎖定放大器，在輸入信號(hào)通道中插入一個(gè)8階同步濾波器，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的窄帶濾波，有效地提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備。

圖2　基于同步濾波器的正交類型LIA原理方框圖Fig．2　The principle diagram of the orthogonal type LIA based on synchronous filter

圖3所示的同步濾波器是由鎖相8倍頻器(鑒相器PD、低通LF、壓控振蕩器VCO)、8比特移位寄存器、模擬開關(guān)組(S1a～S8a、S1b～S8b)、低通網(wǎng)絡(luò)(電阻R1～R8、電容C1～C8)及電壓跟隨器構(gòu)成。圖4是該電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的仿真波形。工作原理為：一個(gè)被噪聲污染了的頻率為fs的正弦波輸入信號(hào)U1(t)，經(jīng)鎖相環(huán)后輸出一個(gè)頻率為8fs的方波信號(hào)U2(t)，再通過(guò)8比特移位寄存器，生成8路同步信號(hào)S1～S8來(lái)控制8對(duì)模擬開關(guān)信號(hào)輪流接通電容器C1～C8對(duì)U1(t)進(jìn)行取樣，電壓跟隨器輸出的信號(hào)Q(t)就是輸入信號(hào)U1(t)的階梯近似波，再使用簡(jiǎn)單的RC濾波器組合，就可以恢復(fù)輸入信號(hào)U1(t)。同步濾波器具有超窄帶特性，噪聲抑制能力遠(yuǎn)高于帶通濾波器。將同步濾波器放在鎖定放大器的前向通道中的主增益級(jí)之前，可以提高交流增益，從而解決噪聲電平過(guò)載問(wèn)題。

圖3　同步濾波器原理框圖Fig．3　The principle diagram of the synchronous filter

圖4　同步濾波器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)仿真波形圖Fig．4　The key nodes simulation waveform of the synchronous filter

為了說(shuō)明改進(jìn)效果，做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)：接收機(jī)交流放大倍數(shù)1 000倍，輸入信號(hào)Vin由工作頻率信號(hào)Ui和噪聲信號(hào)Ud(偏調(diào)500 Hz)疊加構(gòu)成，Ui恒定為0.2 FS(FS為滿刻度電平)，逐漸增加Ud信號(hào)的幅值，觀察接收機(jī)輸出直流分量的變化情況。圖5是HDY-401系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)Ud的的幅值小于1 FS時(shí)，由于鎖定放大器的窄帶特性，輸出Uo始終鎖定在有用信號(hào)Ui的幅值上。但當(dāng)Ud超過(guò)1 FS時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)放大后出現(xiàn)失真，即Ud信號(hào)發(fā)生過(guò)載，導(dǎo)致Uo跳變。圖6是HDY-402系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，由于同步濾波器的超窄帶特性，當(dāng)偏調(diào)500 Hz的噪聲電平達(dá)到500 FS時(shí)，主增益級(jí)輸出才出現(xiàn)過(guò)載，過(guò)載電平提高了500 倍，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備增加了50 dB。

圖5　HDY-401系統(tǒng)噪聲電平過(guò)載曲線Fig．5　The HDY-401 system noise level overload curve

圖6　HD-402系統(tǒng)噪聲電平過(guò)載曲線圖Fig．6　The HDY-402 system noiselevel overload curve

3接收探頭的抗干擾措施

接收探頭是頻率域航空電磁接收系統(tǒng)的核心部分，它由接收探頭、諧振電容、前置放大器及長(zhǎng)線傳輸驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。三頻接收探頭由三個(gè)同軸的電磁接收線圈、避振裝置以及安裝骨架構(gòu)成。除了采用并聯(lián)諧振接收和長(zhǎng)線傳輸驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)提高接收探頭的靈敏度和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)二次場(chǎng)信號(hào)接收功能外，解決振動(dòng)干擾和靜電感應(yīng)問(wèn)題是接收探頭研制的關(guān)鍵內(nèi)容。

3.1 靜電屏蔽措施

由電學(xué)理論可知，兩個(gè)相互絕緣的導(dǎo)體相對(duì)放置時(shí)，一方的電荷變化必將通過(guò)電力線影響另一方。飛機(jī)機(jī)體在一次場(chǎng)的作用下產(chǎn)生同頻的渦流場(chǎng)，接收線圈和機(jī)體之間存在電容耦合，當(dāng)兩者的相對(duì)位置發(fā)生改變，或溫度和濕度導(dǎo)致電介常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，接收線圈耦合的飛機(jī)機(jī)體渦流場(chǎng)信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生變化，從而形成干擾，當(dāng)接收探頭的屏蔽措施不理想時(shí)，處于發(fā)射磁場(chǎng)中的人體靠近接收探頭附近，或觸碰飛機(jī)探頭附近的機(jī)體，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量基線的劇烈變化；另一個(gè)現(xiàn)象是當(dāng)飛機(jī)改變飛行高度時(shí)，系統(tǒng)基線(零點(diǎn))會(huì)隨著高度的變化而變化，產(chǎn)生零漂干擾。

在HDY-401系統(tǒng)中采用了一種較為簡(jiǎn)單的靜電屏蔽法(圖7(a))，即將最外層線圈的中心點(diǎn)接飛機(jī)地，使得最外層線圈形成一個(gè)等電位屏蔽層，這種方法對(duì)于低頻及中頻線圈的屏蔽效果較好，但對(duì)于高頻，最外層的線圈并不能視作等電位，因此，采用這種方法后靜電干擾依然較大；另一種方法是在變壓器中廣泛采用的外加屏蔽繞組法如圖7(b)所示，用與線圈繞線方向垂直的外加繞組纏繞線圈，一端接地，形成靜電屏蔽層，這種屏蔽方法可以有效地降低屏蔽層的渦流效應(yīng)，但由于本身是一個(gè)接地電感，易于引入高頻干擾；HDY-402系統(tǒng)采用的梳狀屏蔽法[6]如圖7(c)所示，是將上述外加繞組從中間剖開，一邊用接地導(dǎo)線連接，形成梳狀屏蔽層，該結(jié)構(gòu)減小了屏蔽層的電感，使得屏蔽層基本可視為等電位體，從而可以起到良好的電場(chǎng)屏蔽作用。

圖7　幾種探頭屏蔽方法Fig．7　Several probe shield method(a)探頭剖視圖；(b)外加屏蔽繞組法；(c)梳狀屏蔽法

圖8和圖9對(duì)比了采取梳狀屏蔽措施前后測(cè)量系統(tǒng)不同高度飛行測(cè)量情況下的零漂變化現(xiàn)象。由此可見，采用梳狀屏蔽措施后，高頻實(shí)虛分量的基線(Hre和Him)隨飛行高度(Alt)變化的現(xiàn)象得以明顯改善。

圖8　改進(jìn)前系統(tǒng)零漂實(shí)測(cè)曲線Fig．8　The zero drift curve of the system without comb shielding

圖9　改進(jìn)后系統(tǒng)零漂實(shí)測(cè)曲線Fig．9　The zero drift curve of the system with comb shielding

3.2避振措施

接收線圈在飛行中受到振動(dòng)，使線圈切割地磁場(chǎng)的磁力線而產(chǎn)生了頻率與振動(dòng)頻率相同的電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)引入儀器而產(chǎn)生干擾。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，飛機(jī)翼尖的振幅基本上與頻率的一次至二次方成反比，在三個(gè)工作頻率中，低頻干擾最大。因此，接收探頭避振裝置的研究重點(diǎn)，是解決低頻接收探頭的避振問(wèn)題。

HDY-202單頻系統(tǒng)采用了避振氣墊方式可以將振動(dòng)干擾衰減100倍，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由于經(jīng)常需要補(bǔ)氣作業(yè)，實(shí)用性不強(qiáng)；HDY-401系統(tǒng)采用了彈性材料填充的方法來(lái)減振，對(duì)于中頻(1.5 kHz)和高頻(8.3 kHz)線圈效果明顯，由于飛機(jī)翼尖的振動(dòng)能量集中于低頻段，所以單層減振措施不足以取得理想效果。為此HDY-402系統(tǒng)采用了雙層減振[7-8]以提高抗沖擊性，為了減小沖擊作用下的位移量，采用了具有較大位移補(bǔ)償能力的柔性連接件作為減振材料。圖10展示了HDY-402三頻航電接收探頭的裝置結(jié)構(gòu)。圖11對(duì)比了單層(SL)和雙層(DL)減振措施的應(yīng)用效果,由此可見，改進(jìn)后低頻實(shí)分量(Hre)的噪聲有明顯改善。

圖10　HDY-402系統(tǒng)接收線圈結(jié)構(gòu)示意圖Fig．10　The schematic diagram of the 　receiving coil structure

圖11　減振效果對(duì)比圖Fig．11　The damping effect comparison chart

4應(yīng)用試驗(yàn)

2008年—2011年，物化探所將改進(jìn)研制的HDY-402頻率域航電測(cè)量系統(tǒng)集成到了Y-12固定翼飛機(jī)平臺(tái)上，先后開展了《內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺中南段1∶50 000航空物探綜合站勘查》、《內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市南部1∶50 000航空物探綜合站勘查》、《內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟—赤峰市東部1∶50 000航空物探綜合站測(cè)量》等項(xiàng)目的生產(chǎn)測(cè)量工作，總計(jì)完成356 131測(cè)線千米航電測(cè)量任務(wù)。資料質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，新系統(tǒng)的噪聲水平明顯改善。

圖12是內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺中南段某測(cè)區(qū)的中頻(1.625 kHz)實(shí)分量剖面圖。上半部分取自HDY-401系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，下半部分為HDY-402系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果。從圖12可以看出，上半部分噪聲水平大，而下半部分可以清晰地區(qū)分低背景場(chǎng)中的低幅值異常，且異常具有一定的分布規(guī)律，說(shuō)明采用的抗干擾措施是有效的。

圖12　航空電磁測(cè)量剖面圖(中頻實(shí)分量)Fig．12　Airborne electromagnetic survey profile (MR)

5結(jié)語(yǔ)

作者在分析頻率域航電系統(tǒng)“與發(fā)射場(chǎng)源無(wú)關(guān)干擾”的基礎(chǔ)上，對(duì)此類干擾抑制方法進(jìn)行了研究。為實(shí)現(xiàn)微弱的二次場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)，采用基于同步濾波的正交類型的鎖定放大器技術(shù)，增強(qiáng)了接收機(jī)抗干擾能力，在實(shí)現(xiàn)超窄帶濾波和二次磁場(chǎng)正交矢量檢測(cè)的同時(shí)，提高了接收機(jī)噪聲容限；采用梳狀靜電屏蔽措施，有效抑制了飛機(jī)機(jī)體對(duì)接收線圈感應(yīng)干擾，接收探頭采用雙層彈性避振措施降低了低頻線圈的共振動(dòng)干擾。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)抗干擾措施改進(jìn)，研發(fā)的HDY-402三頻航空電磁系統(tǒng)的干擾抑制能力有了明顯的提高。

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收稿日期：2014-05-23改回日期：2014-10-05

基金項(xiàng)目:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目(12120113099400)；物化探所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(AS2007F01)

作者簡(jiǎn)介：李軍峰(1972-)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事航空地球物理勘查設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用方面的研究工作，E-mail:lijunfeng@igge.cn。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)03-0334-06

中圖分類號(hào)：P 631.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.07

The anti-jamming technology of the FAEN system

LI Jun-feng, GAO Wei-dong, WU Shan, YU Yang

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang065000, China)

Abstract:This paper introduced the work principle of the FAEM system briefly, and analyzed the interference factors and control measures. In order to improve the anti-interference ability and solve the noise level overload problem, a weak signal detection method was proposed based on synchronous filter and lock amplifying technology. In addition, the double damping and comb-shielding measures were implied to solve the vibration problem and electrostatic coupling problem. A set of HDY-402 FAEM system has being developed with these techniques and has achieved good application effect in the field survey.

Key words:frequency domain airborne electromagnetic system(FAEM); interference suppression; lock-in amplifier; electromagnetic shielding