CSAMT发射系统抗干扰供电技术初步研究

李　荡，王珺璐，李　勇，李建华，林品荣

(中国地质科学院　地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　065000)



CSAMT发射系统抗干扰供电技术初步研究

李荡，王珺璐，李勇，李建华，林品荣

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊065000)

摘要：在伪随机编码信号的相关辨识理论基础上，根据可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量频率范围及受环境电磁干扰影响的程度，将CSAMT测量划分为三个频段，对易受工频及其谐波成分干扰的频段采用伪随机编码发射，高频和低频段采用单频方波发射。发射系统的人机交互和供电波形的产生基于虚拟仪器LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)软件平台，操作方便、控制灵活。

关键词：CSAMT；伪随机；LabVIEW；电磁干扰

0引言

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在音频大地电磁法(AMT)基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法，在勘探石油、天然气、地热、金属矿产以及水文和环境工程中发挥了重要的作用[1-3]，但是在野外勘探过程中，很多地区人文电磁干扰特别严重，50 Hz工频及其谐波干扰严重制约了该方法的应用。

CSAMT观测频率范围一般为0.1 Hz～10 kHz。通常情况下，在接收机端，低频部分(<10Hz)可以通过低通滤波器滤除工频及其谐波干扰，高频部分(>1kHz)可以通过高通滤波器滤除掉工频及其谐波干扰，在10 Hz～1 kHz范围内的频点受到工频及其谐波成分的干扰时，一般采用中心频率为50 Hz、150 Hz、250 Hz等一系列陷波器组合使用来进行抗干扰处理，但因工频及其谐波成分复杂，在干扰严重时难以取得可靠测量数据，影响了CSAMT效果的发挥，有必要研究10 Hz～1 kHz频率范围的CSAMT抗干扰技术。

特殊编码信号(如伪随机码)是按一定规律将不同的信号经合成、编码组成，它含有近似等幅的各种频率信号，具有抗干扰能力强，适用于信噪较低的恶劣环境[4]。因此，把CSAMT方法中10 Hz～1 kHz频率范围内的频点通过伪随机特殊编码组合发射，接收端把接收到的信号进行相关辨识计算，达到抗干扰的目的。CSAMT抗干扰系统原理示意图见图1。

图1　CSAMT抗干扰系统示意图Fig.1　The whole principle of CSAMT anti-jamming system

1m序列和L序列伪随机编码信号

m序列伪随机信号是编码信号的一种，基于m序列伪随机信号的相关辨识在很多领域有着广泛地应用，是一种高精度信号检测技术[4]。Bruce Hobbs等[16]提出了应用伪随机相关辨识思想设计的电测系统样机，试验表明这种方法具有良好的探测能力和效率。

m序列是对于n级反馈式的移位寄存器，从中选择合适的反馈位与输出序列经异或运算反馈到移位寄存器的输入端，产生的最大二进制序列，又称最长线性移位寄存器序列[5]，长度为N=2n-1，若移位时钟脉冲周期为ΔT，则m序列信号的周期为T=NΔt。m序列的自相关函数为R(τ)(式(1))，功率谱密度G(ω)有着近似为白噪声的功率谱特性[4]。信号幅度为±a，周期为T的m序列伪随机信号x(t)的自相关函数Rxx(τ)是近似于冲激函数δ(t)的三角波。

(1)

由于 m 序列的长度N是奇数，正负电平出现的次数相差“1”，在一个周期内的均值不等于“0”，因此存在直流分量，在系统中会引起较大的误差[7-8]。所以将产生m序列的激励时钟信号二分频后与m序列进行异或非运算(即对 m 序列信号隔位取反)，得到逆重复 m 序列伪随机信号L(t)，简称 L 序列[9]。

(2)

与 m 序列伪随机信号类似，L 序列的自相关函数也是三角波，且N 越大，ΔT越小，它越接近于δ函数，理论上对系统辨识的精度越高[10]。所以取 L 序列伪随机信号L(t)作为编码信号用于 CSAMT 的抗干扰测量系统中。

2发射系统结构设计

CSAMT抗干扰发射系统由低压部分、高压部分和电源部分组成(图2)。低压部分主要由LabVIEW软件平台及数据采集卡组成；高压部分由IGBT开关及其驱动模块组成；电源部分是利用发电机产生交流电，然后通过整流源整流滤波，把交流电转化为高压直流，供给高压部分的IGBT。具体工作流程为LabVIEW软件平台控制数据采集卡产生的PWM波形，然后通过高速光耦开关传递到高压部分的IGBT驱动模块，由IGBT驱动模块控制IGBT的导通和关断，从而实现大功率发送信号。

图2　发射系统设计框图Fig.2　The architecture of transmitter system

3关键技术与实现

3.1软件结构设计

系统软件部分基于LabVIEW平台构建，LabVIEW是由美国国家仪器公司开发的软件产品，也是目前应用广泛、功能强大的图形化软件集成开发环境，采用图形化编程语言-G语言进行编程[11]。系统软件充分利用图形化编程灵活、直观的优势使得发射系统可以连续多组频率发射、单组方波频率发射或单一编码信号发射，而且在程序中可以自主设定方波信号的频率和编码信号的码宽Δt及信号长度N。控制主程序的流程图如图3所示。

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

控制程序建立在状态机模式的基础上，在状态机的默认状态里面嵌套事件结构，当有发射命令按下时，根据发射命令对应进入单一编码信号发射、多频组连续发射或单一方波信号发射。单一编码信号模式发射分为信号长度N分别为7、15、31、63四种情况，每种情况的码宽Δt和循环次数是可以灵活输入的，使用码宽Δt来决定每组信号的最高发射频率，循环次数来决定每次发射的时间，这种情况适用于需要灵活变化频率，自主开展一些编码信号测量的实验(图4)。

多频组连续发射模式中，需要发射的信号以单一频率或编码方式分布在20组发射任务中，实际测量时候可以对照每组任务包含的频点选择对应的任务，勾选对应的任务号即可(图5)。单一方波信号发射模式是在特殊情况下，需要发射单一频率的方波信号以加强这一频点的幅度，或者是在测量时通过加密频点来提高勘探精度时使用，可以自主设定发射信号的频率。

3.2硬件结构设计

系统硬件部分主要由上位机、数据采集卡、高速光耦、IGBT驱动模块和IGBT功率模块几个部分组成。其中上位机运行LabVIEW软件，数据采集卡采用的是NI公司生产的USB-6211数据采集卡，该卡是USB总线供电，具有2路模拟输出(16位,250 kS/s)；16路模拟输入(16位,250 kS/s)；4路数字输入；4路数字输出；32位计数器[12]。光耦隔离芯片采用的是东芝公司生产的TLP250，该芯片隔离电压为可达2 500 V，输出电流最大为1.5 A，转换时间最大为0.5 μS[13]，可以达到信号不畸变、安全隔离的设计要求。光耦隔离芯片输出的信号通过OP27运算放大器搭建电压跟随电路后进入IGBT的驱动保护模块2SD315A。2SD315A是CONCEPT公司研发的一种集成度较高的驱动器，它具有驱动能力强、有足够大的反向栅压、保护动作的阀值电压可通过改变外接参考电阻方便地加以调整等优点[14]。2SD315A的内部结构决定其一个模块可同时触发两块IGBT，通过MOD(模式选择端)可方便选择直接和半桥两种工作模式[15]。本系统将MOD端直接接VDD，选择使用直接模式，两路信号单独驱动，互不干扰，如图6所示，由两个2SD315A模块驱动Q1～Q4 四个IGBT开关，PWM方波信号为正电平时，Q1和Q4导通，Q3和Q2截止，A端为V+，B端为V-;PWM方波信号为负电平时，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止，A端为V-，B端为V+。

4结论与讨论

CSAMT抗干扰发射系统基于伪随机相关辨识理论，在LabVIEW软件平台上具体实现。系统可发射L序列伪随机信号和单频方波信号。在实际工作中，可以通过选定任务组数，默认L序列信号和单频方波信号组合使用，有效压制50 Hz工频及其谐波成分的干扰。也可以根据实际情况单独选择L序列信号或单频方波信号，L序列信号的时钟频率和序列长度都可以单独设定，单频方波信号也可以设定需要的发射频率。发射系统应用灵活，利用LabVIEW平台编写的控制软件的人机交互友好，操作简单。

图4　编码信号模式发射界面Fig.4　The front page of coded signal transmitting

图6　硬件结构示意图Fig.6　Schematic diagram of hardware

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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

基金项目:国家高技术研究发展计划863计划(2015AA06A610)；国家自然科学基金项目(41504063)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(AS2012J08)；国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ050060)

作者简介：李荡(1986-)，男，硕士，主要从事仪器研究开发与方法技术研究工作，E-mail:Lidang@igge.cn。

文章编号：1001-1749(2016)02-0175-05

中图分类号：TB 971

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.05