基于斩波技术的长周期大地电磁接收系统

周 炀， 周逢道， 王绪磊

（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026）

0 引 言

大地电磁测深（Magnetotelluric Sounding，MT）是利用天然场源进行地下电性结构探测的一种地球物理方法［1］。根据趋肤效应原理，不同频率的电磁波在地下传播时具有不同的传导深度。天然电磁场频率一般在（n × 10-3～n × 102）Hz之间［2］，利用处于该频带内的天然场信号可探测至地下深部数km，而勘探深度可达到数百km的长周期大地电磁测深的频率范围则在低频段扩展到了（n ～0． 1n）mHz。目前，我国还没有自主生产的商业化大地电磁测深仪，需要从国外进口该类仪器，妨碍了相关工业的发展，因此，需要研究具有自主知识产权的长周期大地电磁采集系统［3］。

长周期探测中，采集数据质量直接影响到探测效果。由于野外电磁环境较为复杂，且天然场信号又十分微弱，因而MT 探测中有用信号容易受到干扰。如果采集系统放大电路无法良好地抑制噪声，采集到的数据质量就会严重下降。传统的放大电路由于放大器的失调噪声和1 ／ f 噪声的存在，会干扰到长周期大地电磁测量中采集到的低频信号数据质量［4］。

本文研制了一种低噪声长周期大地电磁采集系统，系统自身测试实验表明，使用了斩波放大技术的采集系统能够获得优良的噪声性能参数。

1 MT探测原理

MT探测中，将天然场看作从高空垂直入射地表的均匀平面电磁波，MT 采集系统通过采集地表的天然电场和磁场，经过后期数据处理和解释来获得大地电性结构［5］。当平面波垂直入射均匀介质时，测量一组相互正交的介质表面的电场和磁场水平分量便可以得到该介质的电阻率［5］，即有

式中：Ex和Hy为一组正交的电场和磁场水平分量；ω为电磁场角频率；μ 为该介质的磁导率。当介质为大地时，式（1）中的ρ并不是真正的电阻率，而是视电阻率，也称为卡尼亚电阻率［6］。由于大地一般是各向异性的，所以需要测量两组正交的电场和磁场的水平分量，即Ex和Hy以及Ey和Hx。另外，还需要测量垂直磁场Hz来提高这4 个分量的相关性［6］。MT探测系统野外布局一般如图1 所示。

图1 大地电磁测深法测量示意图

2 斩波放大技术

2.1 放大电路的噪声

放大电路中的内部噪声是放大电路中各元器件（包括器件、电阻等）内部载流子运动的不规则所造成的，主要是由电路中的电阻热噪声和BJT（或FET）内部噪声所形成［7］。

当两种导体非理想接触时在触点上电导会随机变化，这种变化会产生较为明显的低频噪声，称为接触噪声或闪烁噪声，其功率密度的形式为

式中：K和a是器件常数；I是直流电流；f 是频率。这种噪声与频率成反比，故也称为1 ／ f 噪声［8］。普通的运算放大器均存在1 ／ f 噪声。由于1 ／ f 噪声的频带范围与长周期大地电磁探测信号频带范围有重叠，因而此种噪声的存在会严重影响采集数据质量。

斩波放大技术能够很好地抑制失调噪声和1 ／ f噪声，在采集系统模拟调理电路中使用斩波技术能够很好地提高探测效果。

2.2 斩波放大技术原理

斩波技术原理如图2 所示。输入信号Uin经高频信号m1（t）调制后进入基本放大器电路，此后解调信号m2（t）将输入信号Uin还原到低频；而基本放大器的失调噪声和1 ／ f噪声作为独立的噪声源只经过了放大和解调信号m2（t）的调制，即噪声源被调制到了高频［9］。

图2 斩波技术原理

图2 中：Uin和Uout分别是放大器的输入、输出信号电压；A（f）是放大倍数；m1（t）和m2（t）分别是调制和解调信号，周期为T ＝1 ／ fchop，其中fchop是斩波频率；UOS和U1／f是放大器的输入失调和1 ／ f 噪声。如果SN（f）表示输入失调和1 ／ f 噪声的功率谱密度（PSD），那么UOS和U1／f经过m2（t）调制后的PSD［9］为

从式（3）可以看出，输入失调和1 ／ f噪声被m2（t）调制到了斩波频率fchop的奇次谐波处，这样一来，经过低通滤波便可以滤除掉噪声信号，获得所需信号。由以上分析可知，使用斩波放大技术的运放芯片理论上没有输入失调电压噪声和1 ／ f噪声。

3 采集系统设计

由上面的分析可以知道，采集电路需要采集来自电场和磁场的共5 路信号。本文所设计的采集系统中，5 路模拟信号通道采用相同的电路结构。采集系统整体结构框图如图3 所示，包括5 个模拟信号通道，与每个通道对应的AD转换电路，液晶显示电路，按键输入电路，数据存储电路以及微控制器电路。

图3 采集系统整体结构框图

3.1 输入保护电路

长周期大地电磁采集系统需要在野外长时间工作，如遇雷电天气或大型电气设备通断电以及一些其他电磁脉冲干扰时，采集系统的稳定工作会受到较大影响。为保证采集系统能长期稳定工作，需设计输入保护电路。如图4 所示，保护电路由气体放电管（Gas Discharge Tube，GDT）、自恢复保险丝（Polyer Positive Temperature Coefficent，PPTC）和无极性瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）组成。

图4 采集系统输入保护电路

GDT跨接在差分输入端上，作为保护电路的第1级。当输入端出现瞬间高压时，GDT 会被击穿，从而将输入端电压拉低到较低水平。PPTC 熔断电流根据后级电路而定，一旦输入电流超过后级电路所能承受的最大值，保险丝立刻熔断。瞬态抑制二极管一个跨接在差分信号线之间，防止超过放大器供电电压的差模瞬态干扰；另外两个接在信号线和地线之间，防止共模瞬态干扰。

3.2 信号放大电路

采集系统的电场信号来自非极化电极，磁场信号来自磁通门传感器。非极化电极的输出电阻与接地情况有关，大小范围在几十Ω 到10 kΩ 之间［10］。磁通门传感器的输出电阻较为稳定，大小为几十Ω。为了对输入信号进行合理的阻抗匹配，使用运放ADA4528设计放大电路。

ADA4528 是ADI生产的低噪声斩波型放大器，具有低失调电压，低漂移电压，低噪声和单位增益稳定等特点，加上其在共模抑制比（CMRR）和馈电抑制比（PSRR）上的优越表现，ADA4528 非常适合用在MT探测当中，故本文选择ADA4528 设计放大电路。ADA4528 的主要特性参数见表1。

表1 ADA4528 特性参数

3.3 AD转换电路

通过配置寄存器，将AD7190 设置为双极性工作模式，并使能斩波。为达到最佳的采集效果，避免多通道之间信号串扰影响数据质量，本文选择每个通道信号使用一片AD7190 进行数据转换。输入端选择全差分输入以减小共模噪声干扰［11］。通过配置寄存器选择使用默认基准源输入引脚。选择外部时钟模式，使用有源晶振为5 片AD7190 提供工作时钟，时钟频率为标称值4． 92 MHz。由于长周期大地电磁测量时间长，过高的ADC采样率会产生庞大的数据量，同时过多次的写数据操作还会产生较大噪声，增加功耗［12］，因此选择ADC采样率为12． 5 Hz。

4 测试结果

4.1 采集系统测试结果

将采集系统置于室内进行测试。采集电路放大倍数设置为1 倍，差分信号输入动态范围± 2． 5 V，采样率为12． 5 Hz。将电场输入端短路，在屏蔽室内进行长达1 × 104s的采集。采集系统测得的短路噪声时间序列如图5 所示。从图中可以看出，系统短路噪声峰峰值在6 μV左右，直流漂移优于1 μV，无明显的直流偏移。

图5 采集系统电场通道短路噪声时间序列

将5 个输入通道接入峰值为1V 的正弦波测试信号进行通道一致性测试，并对采集到的数据进行FFT运算后提取相应频率的峰值，所得结果如表2 所示。由表可以看出，当采集系统各通道输入1V信号时，各通道仅具有微伏级别的测量差异，具有良好的一致性。

表2 采集系统通道一致性测试结果

4.2 野外对比实验结果

将采集系统与国外使用LEMI-417 系统进行野外对比实验，实验地点为吉林省烧锅镇郊外。本系统电场传感器选用与LEMI-417 系统相同的乌克兰进口非极化电极，磁场传感器选用英国Bartington公司的三分量磁通门传感器Mag-03MCESL100。为了使本系统与LEMI-417 具有相同的动态范围，将放大电路放大倍数设置为10 倍。本系统动态范围为± 0． 25 V，采样率为12． 5 Hz，LEMI-417 系统动态范围为± 0． 25 V，采样率为1 Hz。对比实验采集时长24 h。

图6 南北方向电场信号Ex 和磁场信号Bx 时间序列

图6 （a）和图6（b）为本采集系统和LEMI-417 系统南北方向上电场信号Ex时间序列，两者形态相似。由于本系统采样率更高，因此细节反应更为丰富。图6（c）和图6（d）为本采集系统和LEMI-417 系统南北方向上磁场信号Bx时间序列，两者形态基本一致。

图7 为本系统和LEMI-417 系统采集到的信号时间序列经处理后的视电阻率曲线和相位曲线。从图中可以看出，与LEMI-417 系统相比，本系统所得到的视电阻率和相位曲线均更加平滑、连续。

图7 视电阻率曲线与相位曲线对比图

5 结 语

本文研制了一种低噪声长周期大地电磁采集系统，系统自身测试实验表明，使用了斩波放大技术的采集系统能够获得优良的噪声性能参数。在输入信号动态范围为± 2． 5 V时，系统短路噪声在6 μV左右且无明显的直流偏移；当采集时长为10 × 103s 时，系统短路噪声漂移优于1 μV。通过本系统与乌克兰LEMI-417 系统的野外对比实验，说明了采集系统能够获得与国外同类仪器系统相近的测试结果，采集系统可以用于长周期大地电磁探测。