频率域航电测量系统抗干扰技术研究

李军峰， 高卫东， 吴　珊, 余　洋

(中国地质科学院　地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　065000)



频率域航电测量系统抗干扰技术研究

李军峰， 高卫东， 吴珊, 余洋

(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：简要介绍了频率域航电系统的工作原理，分析研究了主要干扰因素的特点和抑制措施。针对HDY-401三频航电测量系统近频干扰抑制能力不足及噪声电平过载的问题，提出了基于同步滤波和锁定放大技术相结合的微弱二次场信号检测方法；针对航电接收探头的振动及静电干扰问题，采取双层减振和梳状屏蔽措施，有效提高了仪器系统的抗干扰能力。应用相关技术改进研发出一套HDY-402三频航电测量系统，取得了较好的应用效果。

关键词：频率域航空电磁系统; 干扰抑制; 锁定放大器; 电磁屏蔽

0前言

在检测仪器仪表领域，对于常规小信号检测，一般可以通过滤波消噪处理、调制放大与解调、零位法和反馈补偿法等方法技术,来消除或减弱干扰噪声的不利影响并提高其性能[1]；与常规小信号相比，频率域航电信号的信噪比要低得多，其检测技术也要困难得多。航空电磁测量系统的灵敏度直接取决于系统的噪声水平，因此，对各种干扰因素进行分析研究并采取有效的抑制措施,是测量系统达到较高技术指标的关键问题。

作者简要分析了航空电磁测量系统的主要干扰因素，针对我国自主研发的HDY-401频率域航电测量样机系统中锁定放大器噪声抑制能力弱、动态储备不足的问题，提出了基于同步滤波和锁定放大技术相结合的设计思路，在输入信号通道主增益级之前，利用具有超窄带特性的同步滤波器抑制干扰，从而提高了系统的过载电平、动态储备范围；针对飞机电气干扰和振动干扰，采取了梳状屏蔽和减振措施，有效地提高了系统的抗干扰能力。

1系统工作原理及干扰因素分析

HDY-401航电测量系统由三个工作频率分别为463 Hz、1.625 kHz和8.33 kHz的发射、接收和补偿子系统以及一套数据采集收录系统组成。接收/发射探头安装在固定翼飞机上，构成翼尖硬架补偿式航空电磁测量系统。工作原理简述如下：

在发射线圈内通过某一频率的正弦交变电流，其周围空间中就产生一个交变磁场，称作一次磁场。在接收线圈附近的一次磁场强度为H0，当飞机经过地下导体上空时，导体附近出现一强度为H1的一次磁场，在它的作用下，导体内部产生涡流，从而在导体周围产生频率相同、相位和幅度随导体视电阻率变化的二次磁场；接收线圈附近的二次场强度为H2，由接收机分别记录它的实分量(与一次场同相位的分量)和虚分量(与一次场相位相差90°的分量)，从而实现对地下目标体的测量目的。当系统处在正常测量飞行高度时，在接收线圈处，H2仅为H0幅值的万分之一，甚至更小。要在如此强的一次场背景上，测量微弱的二次场信号是十分困难的，为了可靠地测量H2，在接收线圈处加一个与H0相位差180°、幅值相等的补偿场H0补，将H0抵消掉，这样接收线圈处只剩下有用的二次场信号。

航空电磁测量系统的干扰可以分为两大类：

1)与发射场源有关的干扰(如接收线圈和发射线圈相对几何位置变化而引起的挠曲干扰、扭转干扰等)。抑制这一类干扰，进行窄带滤波效果不大，增大发射磁矩则是无用的，只有采取专门措施来解决。物化探所在HDY-202单频航电系统中采用了具有补偿效果的安装结构，解决了这一干扰问题并取得了理想的效果。

2)干扰与发射场源无关(如天电干扰，飞机电气干扰，接收线圈振动切割地磁场而引起的振动干扰等[2])，这一类干扰的频谱较宽，抑制这类干扰的有效措施之一是适当增大发射磁矩以提高信噪比，更为有效的措施是针对干扰噪声频谱较宽的特点进行窄带滤波，以提高信噪比，对于某些较强的干扰还必须采取特殊的措施，以直接抑制干扰源。

作者重点研究“与发射场无关干扰”的抑制措施，根据消除或削弱干扰源、设法使检测电路对干扰噪声不敏感、使噪声传输通道的耦合作用最小化三大原则，首先针对这一类干扰频谱较宽的特点，研究高性能的超窄带滤波技术，对干扰进行抑制；其次针对航空测量系统的特点，综合应用电磁屏蔽和减振技术，来解决振动干扰和飞机电气干扰等问题。

2锁定放大技术

基于锁定放大器在微弱信号检测方面显示出的优秀性能[3]，国内、外的频率域航电接收机均采用了锁定放大技术，来实现超窄带滤波及正交矢量检测。图1是HDY-401接收机原理框图，该接收机实际上是一台具有窄带接收能力的正交类型锁定放大器(LIA)，由输入信号通道、参考信号通道和相敏检波通道共同组成。工作原理为：

输入信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱的输入信号放大到足以推动相敏检波器工作的电平，并且通过带通滤波器消除部分干扰噪声，以提高相敏检测的动态范围。参考信号通道对取自发射电流的信号进行整形、斩波、移相、正交变换处理，然后送至相敏检波通道作为参考信号。相敏检波通道以参考信号为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱从ω0处迁移到ω=0处，再经过低通滤除噪声，其输出对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了即鉴幅又鉴相的目的。因为低通的频带可以做到很窄，所以锁定放大器具有较强的噪声抑制能力。

图1　HDY-401接收机原理框图Fig．1　The block diagram of the HDY-401 receiver

锁定放大器的主要性能指标包括满刻度输入电平FS、过载电平OVL、最小可测信号MDS、输入总动态范围、输出动态范围和动态储备等。其中，动态储备反应检测系统抵御干扰和噪声的能力，定义为过载电平与满刻度输入电平的比值。

动态储备=20lg(OVL/FS)(dB)

HDY-401系统的主要问题是输入信号通道对干扰的抑制能力不足，导致输入信号在进入相敏检波之前就发生噪声电平过载，使得锁定放大器的窄带抑制能力无从发挥。为解决这个问题，需要有效地增大信号输入通道的交流增益和减小直流增益，扩展动态储备以提高输入总动态范围。

作者借鉴同步积分器[4]和旋转电容滤波器[1]的工作原理，基于锁相环技术[5]设计了一款如图2所示的改进型的锁定放大器，在输入信号通道中插入一个8阶同步滤波器，实现了输入信号的窄带滤波，有效地提高了系统的动态储备。

图2　基于同步滤波器的正交类型LIA原理方框图Fig．2　The principle diagram of the orthogonal type LIA based on synchronous filter

图3所示的同步滤波器是由锁相8倍频器(鉴相器PD、低通LF、压控振荡器VCO)、8比特移位寄存器、模拟开关组(S1a～S8a、S1b～S8b)、低通网络(电阻R1～R8、电容C1～C8)及电压跟随器构成。图4是该电路关键节点的仿真波形。工作原理为：一个被噪声污染了的频率为fs的正弦波输入信号U1(t)，经锁相环后输出一个频率为8fs的方波信号U2(t)，再通过8比特移位寄存器，生成8路同步信号S1～S8来控制8对模拟开关信号轮流接通电容器C1～C8对U1(t)进行取样，电压跟随器输出的信号Q(t)就是输入信号U1(t)的阶梯近似波，再使用简单的RC滤波器组合，就可以恢复输入信号U1(t)。同步滤波器具有超窄带特性，噪声抑制能力远高于带通滤波器。将同步滤波器放在锁定放大器的前向通道中的主增益级之前，可以提高交流增益，从而解决噪声电平过载问题。

图3　同步滤波器原理框图Fig．3　The principle diagram of the synchronous filter

图4　同步滤波器关键节点仿真波形图Fig．4　The key nodes simulation waveform of the synchronous filter

为了说明改进效果，做了对比实验：接收机交流放大倍数1 000倍，输入信号Vin由工作频率信号Ui和噪声信号Ud(偏调500 Hz)叠加构成，Ui恒定为0.2 FS(FS为满刻度电平)，逐渐增加Ud信号的幅值，观察接收机输出直流分量的变化情况。图5是HDY-401系统的测试结果，当Ud的的幅值小于1 FS时，由于锁定放大器的窄带特性，输出Uo始终锁定在有用信号Ui的幅值上。但当Ud超过1 FS时，输入信号经放大后出现失真，即Ud信号发生过载，导致Uo跳变。图6是HDY-402系统的测试结果，由于同步滤波器的超窄带特性，当偏调500 Hz的噪声电平达到500 FS时，主增益级输出才出现过载，过载电平提高了500 倍，动态储备增加了50 dB。

图5　HDY-401系统噪声电平过载曲线Fig．5　The HDY-401 system noise level overload curve

图6　HD-402系统噪声电平过载曲线图Fig．6　The HDY-402 system noiselevel overload curve

3接收探头的抗干扰措施

接收探头是频率域航空电磁接收系统的核心部分，它由接收探头、谐振电容、前置放大器及长线传输驱动电路构成。三频接收探头由三个同轴的电磁接收线圈、避振装置以及安装骨架构成。除了采用并联谐振接收和长线传输驱动技术来提高接收探头的灵敏度和抗干扰能力，实现二次场信号接收功能外，解决振动干扰和静电感应问题是接收探头研制的关键内容。

3.1 静电屏蔽措施

由电学理论可知，两个相互绝缘的导体相对放置时，一方的电荷变化必将通过电力线影响另一方。飞机机体在一次场的作用下产生同频的涡流场，接收线圈和机体之间存在电容耦合，当两者的相对位置发生改变，或温度和湿度导致电介常数发生变化时，接收线圈耦合的飞机机体涡流场信号就会产生变化，从而形成干扰，当接收探头的屏蔽措施不理想时，处于发射磁场中的人体靠近接收探头附近，或触碰飞机探头附近的机体，会导致测量基线的剧烈变化；另一个现象是当飞机改变飞行高度时，系统基线(零点)会随着高度的变化而变化，产生零漂干扰。

在HDY-401系统中采用了一种较为简单的静电屏蔽法(图7(a))，即将最外层线圈的中心点接飞机地，使得最外层线圈形成一个等电位屏蔽层，这种方法对于低频及中频线圈的屏蔽效果较好，但对于高频，最外层的线圈并不能视作等电位，因此，采用这种方法后静电干扰依然较大；另一种方法是在变压器中广泛采用的外加屏蔽绕组法如图7(b)所示，用与线圈绕线方向垂直的外加绕组缠绕线圈，一端接地，形成静电屏蔽层，这种屏蔽方法可以有效地降低屏蔽层的涡流效应，但由于本身是一个接地电感，易于引入高频干扰；HDY-402系统采用的梳状屏蔽法[6]如图7(c)所示，是将上述外加绕组从中间剖开，一边用接地导线连接，形成梳状屏蔽层，该结构减小了屏蔽层的电感，使得屏蔽层基本可视为等电位体，从而可以起到良好的电场屏蔽作用。

图7　几种探头屏蔽方法Fig．7　Several probe shield method(a)探头剖视图；(b)外加屏蔽绕组法；(c)梳状屏蔽法

图8和图9对比了采取梳状屏蔽措施前后测量系统不同高度飞行测量情况下的零漂变化现象。由此可见，采用梳状屏蔽措施后，高频实虚分量的基线(Hre和Him)随飞行高度(Alt)变化的现象得以明显改善。

图8　改进前系统零漂实测曲线Fig．8　The zero drift curve of the system without comb shielding

图9　改进后系统零漂实测曲线Fig．9　The zero drift curve of the system with comb shielding

3.2避振措施

接收线圈在飞行中受到振动，使线圈切割地磁场的磁力线而产生了频率与振动频率相同的电动势，此电动势引入仪器而产生干扰。根据实测结果，飞机翼尖的振幅基本上与频率的一次至二次方成反比，在三个工作频率中，低频干扰最大。因此，接收探头避振装置的研究重点，是解决低频接收探头的避振问题。

HDY-202单频系统采用了避振气垫方式可以将振动干扰衰减100倍，但结构较为复杂，由于经常需要补气作业，实用性不强；HDY-401系统采用了弹性材料填充的方法来减振，对于中频(1.5 kHz)和高频(8.3 kHz)线圈效果明显，由于飞机翼尖的振动能量集中于低频段，所以单层减振措施不足以取得理想效果。为此HDY-402系统采用了双层减振[7-8]以提高抗冲击性，为了减小冲击作用下的位移量，采用了具有较大位移补偿能力的柔性连接件作为减振材料。图10展示了HDY-402三频航电接收探头的装置结构。图11对比了单层(SL)和双层(DL)减振措施的应用效果,由此可见，改进后低频实分量(Hre)的噪声有明显改善。

图10　HDY-402系统接收线圈结构示意图Fig．10　The schematic diagram of the 　receiving coil structure

图11　减振效果对比图Fig．11　The damping effect comparison chart

4应用试验

2008年—2011年，物化探所将改进研制的HDY-402频率域航电测量系统集成到了Y-12固定翼飞机平台上，先后开展了《内蒙古自治区大兴安岭中南段1∶50 000航空物探综合站勘查》、《内蒙古自治区通辽市南部1∶50 000航空物探综合站勘查》、《内蒙古自治区锡林郭勒盟—赤峰市东部1∶50 000航空物探综合站测量》等项目的生产测量工作，总计完成356 131测线千米航电测量任务。资料质量统计结果表明，新系统的噪声水平明显改善。

图12是内蒙古自治区大兴安岭中南段某测区的中频(1.625 kHz)实分量剖面图。上半部分取自HDY-401系统的测量数据，下半部分为HDY-402系统的测量结果。从图12可以看出，上半部分噪声水平大，而下半部分可以清晰地区分低背景场中的低幅值异常，且异常具有一定的分布规律，说明采用的抗干扰措施是有效的。

图12　航空电磁测量剖面图(中频实分量)Fig．12　Airborne electromagnetic survey profile (MR)

5结语

作者在分析频率域航电系统“与发射场源无关干扰”的基础上，对此类干扰抑制方法进行了研究。为实现微弱的二次场信号检测，采用基于同步滤波的正交类型的锁定放大器技术，增强了接收机抗干扰能力，在实现超窄带滤波和二次磁场正交矢量检测的同时，提高了接收机噪声容限；采用梳状静电屏蔽措施，有效抑制了飞机机体对接收线圈感应干扰，接收探头采用双层弹性避振措施降低了低频线圈的共振动干扰。实测数据表明，通过抗干扰措施改进，研发的HDY-402三频航空电磁系统的干扰抑制能力有了明显的提高。

参考文献：

[1]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004.

GAO J Z. Detection of Weak Signals[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.(In Chinese)

[2]温英才.对补偿式航空电磁法干扰因素的讨论[J].物探与化探,1993,17(2):139-146.

WEN Y C.A Discussion on the Interference Factors in The Application of Compensation-Style Airborne Electromagnetic Method [J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 1993, 17(2): 139-146.(In Chinese)

[3]聂娅琴,许雪梅,李奔荣,等.基于动态采样的锁相放大微弱信号检测[J].传感技术学报，2013,26(9):1243-1247.

NIE Y Q, XU X M, LI B R, et al. Weak Signal Detection Method Based on Lock-In Amplifier[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2013,26(9):1243-1247.(In Chinese)

[4]唐鸿宾.新型锁定放大器[J].南京大学学报，1980(4):49-58.

TANG H B.New Type of Lock-in Amplifier[J].Journal of Nanjing University,1980(4):49-58.(In Chinese)

[5]万心平，张厥盛.集成锁相环路—原理、特性、应用[M].北京：人民邮电出版社，1995.

WAN X P. ZHANG J S. Integrated Phase Locked Loop-Principles, characteristics, applications[M]. Beijing: Posts&telecom press,1995.(In Chinese)

[6]陈庆彬，陈为.梳状电场屏蔽体高频电磁场屏蔽特性分析与应用[J],电工电能新技术，2013,32(3)：75-80.

CHEN Q B, CHEN W. Analysis &applications of comb-shaped electric shielding characteristics on high frequency electromagnetic fielding shielding effect in SMPS[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ,2013,32(3):75-80.(In Chinese)

[7]常辉兰.随机激振下双层减振系统结构参数的确定[J].华东工业大学学报，1997,19(1)：104-109.

CHANG H L. Determination of stuctural parameters of the double-deck vibration isolator under random excitation[J].Journal of East China University of Technology,1997,19(1):104-109.(In Chinese)

[8]翁雪涛，蒋学武，信世堡，等. 减震系统的抗冲击性能计算[J].噪声与振动控制，1999，4(2):16-18.

WENG X T, JIANG X W, XIN S B,et al. The calculation of anti shock performance of damping system[J]. Noise and Vibration Control, 1999,4(2):16-18.(In Chinese)

收稿日期：2014-05-23改回日期：2014-10-05

基金项目:中国地质调查局地质矿产调查评价项目(12120113099400)；物化探所基本科研业务费专项资金项目(AS2007F01)

作者简介：李军峰(1972-)，男，博士，教授级高级工程师，主要从事航空地球物理勘查设备研发和应用方面的研究工作，E-mail:lijunfeng@igge.cn。

文章编号：1001-1749(2016)03-0334-06

中图分类号：P 631.3

文献标志码：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