海洋电场采集电极极差自动补偿方法设计

刘贵豪，刘兰军，黎　明，陈家林，牛　炯

（中国海洋大学　工程学院，山东　青岛266100）

海洋电场采集电极极差自动补偿方法设计

刘贵豪，刘兰军*，黎明，陈家林，牛炯

（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）

针对海洋电磁勘探的低频、微弱电场信号采集中电极与放大采集电路的耦合问题，提出了一种支持直流耦合的电极极差自动补偿放大采集电路设计方法，给出了系统设计实现，详细介绍了电极极差自动补偿放大采集电路和自动补偿控制算法。测试结果表明，所设计的电极极差自动补偿方法可将0.1～0.7 mV的电极极差自动补偿至0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以内，满足了海洋电场采集直流耦合的需求，降低了电场采集电路对不极化Ag/AgCl电极的极差设计要求，可有效应用于海洋低频电场信号采集。

海洋电磁勘探；电极极差；自动补偿；直流耦合；弱信号

海洋电磁法勘探作为海洋地震勘探的有效补充，是海洋油气资源勘探尤其深海勘探领域的研究热点，可有效降低海洋油气钻探的干井率［1-2］。美国Scripps海洋研究所、挪威EMGS公司等机构已成功利用海洋电磁法开展了一系列海底油气资源的探测应用［3-4］。我国在国家高技术研究发展计划（“863”计划）项目的支持下，正在开展海洋电磁勘探装备研制和数据解释方法研究。

海洋电磁勘探方法分为天然场源（Marine MT，海洋大地电磁法）和人工场源（Marine CSEM，海洋可控源电磁法）［5］。搭载在海底电磁采集站或拖曳式电场采集站上的电磁数据记录仪是海洋电磁勘探的关键装备之一，负责采集海底微弱的电场和磁场信号［6］。微弱磁场信号通过精细设计的超低噪声磁场传感器采集，磁场传感器本底噪声要求低于1 pT/电场信号利用“固态不极化Ag/AgCl电极+低噪声放大电路”采集，采集通道本底噪声要求低于电场信号为低频宽带微弱信号。电极极差是不极化Ag/AgCl电极的固有特性，其稳定性受环境温度、离子浓度、玷污杂质、水流等因素的影响［7］。电极极差是一个超低频的漂移信号，交流耦合是常用的电极极差消除方法［8］，但深海海洋电磁勘探中，有效电场信号频率低至千秒或万秒级，而低噪声电场信号放大电路为低输入阻抗的变压器耦合的斩波放大电路，导致交流耦合的隔直电容容量巨大、体积大且稳定性差，因此深海海洋电场采集多采用直流耦合方式［9］。在直流耦合方式中，电极极差过大会导致大增益放大电路的输出饱和，从而限制了对电场微弱信号的大增益放大处理，因此一般要求限制电极极差不大于0.1 mV［10］，导致电极加工和使用过程中需进行严格配对。

针对直流耦合方式电场信号放大采集中电极极差所带来的问题，本文提出了一种支持直流耦合、大增益放大的电极极差自动补偿的电场信号放大采集方法，给出了系统的设计实现。详细介绍了电极极差自动补偿采集的补偿放大电路、数字逻辑和软件控制算法。实验结果表明，所设计的电极极差自动补偿采集电路可有效补偿低频电极漂移极差，可满足海洋低频电场信号采集应用。

1　电极极差自动补偿方法

本文提出的支持直流耦合的、大增益放大的电极极差自动补偿电场放大采集方法的系统拓扑如图1所示，包括放大采集电路和电极极差自动补偿算法。放大采集电路采用直流耦合方式与电极连接，针对电场微弱信号超低频的特点及低噪声运算放大器的1/f噪声问题，采用斩波放大原理，放大通道包括斩波调制、隔离变压器、交流放大、极差补偿、解调、低通滤波、直流放大等环节，电场信号的放大增益为隔离变压器增益、交流放大增益和直流放大增益的乘积，电极极差补偿电路位于第一级交流放大电路和第二级直流放大之间，对电极极差信号进行实时调整以保证第二级直流放大输出不饱和。电极极差自动补偿算法负责电极极差计算并按照自动控制策略调节电极极差补偿电路，电极极差计算是一个大时间常数低通滤波模块，电极极差是一个频率远低于有效电场信号的低频漂移信号，电极极差计算根据所采集的有效电场信号的低频指标进行大时间常数的低通滤波运算以获得电极极差信息；电极极差控制模块根据所提取的电极极差采用PI调节算法实时调节电极极差补偿电路，以补偿、跟踪调节电极极差；电极极差补偿电路是对第一级交流放大输出的调制波形进行极差补偿，极差调节需要与调制波严格同步。

图1　电极极差自动补偿放大采集系统组成

上述电极极差补偿方法的工作原理分析如图2所示。假设电极极差大于有效电场信号幅值。电极极差在电场放大电路的源头是叠加在有效电场信号中的，如图中S1；电极极差是一个超低频漂移信号，在有效电场信号周波内可看成直流信号，如图中S1’，可以看出，在直流耦合电场放大电路的输入端，电极极差信号体现为一个直流偏置信号；经过远高于电场有效信号频率的调制波S3进行斩波调制，有效电场信号和电极极差同时被调制，成为关于时间轴“对称”的高频交流信号，如图中的S4，极差补偿电路的输入信号就是放大后的该高频交流信号；电极极差计算算法可提取出电极极差VJC，电极极差控制模块根据获得的电极极差VJC输出如图中S5所示的电极极差补偿控制信号；经过S5控制信号补偿后补偿放大电路的输出信号如图中S6所示，可以看到，S6信号就是S4信号与S5信号的叠加，S6信号中不再包含电极极差信号；信号经过解调处理后的波形如图中S7所示，是经过放大后的有效的电场信号。

图2　电极极差补偿方法原理示意图

2　系统设计实现

2.1放大采集电路设计

放大采集电路详细设计如图3所示，包括斩波调制、隔离变压器、交流放大、极差补偿、斩波解调、低通滤波、直流放大和A/D采集。隔离变压器增益为10，交流放大增益为10，直流放大增益为1～100。隔离变压器采用低噪声变压器，运放U1，U2，U3，U6，U7均采用低噪声放大器，A/D采集采用24位或32位低噪声A/D转换器。电极极差补偿电路是基于U2运放的加法器，极差补偿信号采用高精度、低噪声16位D/A转换器控制。

图3　放大采集电路

设VIN为交流放大后的电场有效信号，VJC为电极极差信号，K为隔离变压器和交流放大的增益乘积，V1，V2如图中标注，DAC的控制数字量为D，DAC位数为N，DAC的基准参考电压为VREF，则由图中电路可得：

取R4=R5=R6，R7=R8=2R9，

根据式（3）可得，电极极差补偿的条件如式（4）所示：

根据式（4），可得D/A数字量发生1位变化时，

从式（5）可以看出，电极极差调节精度受放大倍数K，DAC的位数N、基准电压VREF影响。DAC的数字量D的取值范围为0～2N，由式（4）可得电极极差调节范围为-VREF/K～VREF/K。

本文所设计的电场放大电路，隔离变压器和交流放大的增益乘积K为100，VREF为0.5 V，DAC的位数为16，电极极差调节精度为0.000 15 mV，电极极差调节范围为-5～5 mV。

2.2电极极差自动补偿算法设计

电极极差补偿控制算法的具体设计实现如图4所示，包括数字逻辑和软件控制算法两部分。数字逻辑包括A/D采集接口逻辑、D/A接口逻辑、D/A同步逻辑和电极极差提取计算逻辑，D/A同步逻辑负责根据调制时钟同步能使电极极差补偿，电极极差提取计算逻辑是一个大时间常数的低通滤波模块，采用两级滤波器实现，第一级是窗口时间常数为T1的非滑动平均滤波器，第二级是窗口时间常数为T2的滑动平均滤波器（滑动时间窗口为T1），时间常数T1和T2可根据设计需要进行配置，本文设计参数为T1=0.1 s，T2=1 000 s。软件控制算法为基于PI调节的闭环控制算法，根据电极极差计算逻辑的输出结果与调节目标极差的偏差，采用PI算法调节输出电极极差补偿控制信号，算法采样周期为T1，算法公式如式（6）所示：

式中：KP是比例系数；KI是积分系数；eK是当前计算偏差；eK-1是上一次计算偏差；UK为当前计算输出；UK-1为上一次计算输出。本文设计参数为：比例系数KP=40，积分系数KI=0.02。

图4　电极极差补偿控制算法

3　测试结果分析

为了测试电极极差自动补偿方法的性能，搭建了如图5所示的实验测试系统。测试系统包括电极极差自动补偿电场放大采集电路、信号发生器、示波器、上位机监控软件等。信号发生器产生模拟带电极极差的电场信号，示波器监测解调前的电场放大电路斩波调制信号，上位机监测A/D采集后经过极差补偿的电场信号，信号发生器采用Agilent的33522A，示波器采用Agilent的DSO-X 3014A。

图5　极差自动补偿测试系统框图

图6所示是电极极差补偿前和补偿后的示波器监测波形和上位机软件监测波形，示波器监测波形是解调前的斩波调制信号，上位机监测波形是解调后的输出波形。实验参数为：信号发生器输出正弦信号幅度为2 mV，信号频率为10 Hz，直流偏移0.7 mV（信号发生器输出经1 000倍衰减后接放大采集电路输入端）。从图中可以看出，上位机监测电极极差从0.281 V（增益400）降到了0.037 V（增益400），电极极差得到了有效补偿。

图6　电极极差测试波形

表1所示为模拟不同电极极差的电极极差补偿测试结果。信号发生器依次输出幅度为2 mV、频率为10 Hz、直流偏移为0.1～0.7 mV正弦信号（信号发生器输出经1 000倍衰减后接放大采集电路输入端），上位机监测补偿稳定后的极差信号。从实验结果可以看出，补偿后的极差为0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以内。

表1　极差补偿测试结果

4　结论

本文提出了一种支持直流耦合、大增益放大的电极极差自动补偿放大电路设计方法，详细介绍了电极极差自动补偿放大采集电路和自动补偿控制算法，给出了系统设计实现，搭建了实验测试系统。测试结果表明，所设计的电极极差自动补偿电路可将0.1～0.7 mV的电极极差自动补偿至0.043～0.074 mV，均控制在0.1 mV以内，满足了海洋电场采集直流耦合的需求，降低了电场采集电路对不极化Ag/AgCl电极的极差设计要求。该电极极差自动补偿放大电路设计方法已应用于4 000 m水深海底电磁数据记录仪研制，可推广应用于陆上大地电磁测量和页岩气开发微地震信号检测等弱信号放大采集应用场合。

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Design of an Electrode Range Automatic Compensation Method for Marine Electric Field Data Acquisition

LIU Gui-hao，LIU Lan-jun，LI Ming，CHEN Jia-lin，NIU Jiong
College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

To resolve the coupling problem between electrode and amplification acquisition circuit for low frequency and weak electric signal acquisition in marine electromagnetic exploration，this paper presents an electrode range automatic compensation design method supporting DC coupling.It gives system implementation，and introduces in detail the compensation amplification circuit and automatic compensation control algorithm.Test results show that the designed electrode range automatic compensation method can automatically compensate the electrode range form 0.1-0.7 mV to 0.043-0.074 mV，well under the limit of 0.1 mV.The automatic compensation design meets the DC coupling need in marine electric field acquisition，reduces the electrode range design requirements for non-polarizable Ag/AgCl electrode in electric field acquisition circuit，and can effectively support the acquisition and application of marine low frequency electric field signals.

marine electromagnetic exploration；electrode range；automatic compensation；DC coupling；weak signal

P742；P733.6

A

1003-2029（2016）01-0057-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.009

2015-04-14

国家高技术研究发展计划（“863”计划）资助项目（2012AA09A201）；山东省科技发展计划资助项目（2011GHY11535）；青岛市战略性新兴产业培育计划资助项目（13-4-1-2-gx）

刘贵豪（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式技术与智能仪器。

刘兰军，副教授，主要研究方向为嵌入式技术与智能仪器、水声通信与网络。E-mail：hdliulj@ouc.edu.cn