基于FPGA 的时间域航空电磁多波脉冲发射电路控制设计

吴珊，王浩，刘磊，曹展宏

（1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000；2.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北廊坊 065000）

时间域航空电磁法是通过机载航空电磁装备向地下发射电磁脉冲信号，接收反馈回来的二次场信号，获得地下介质电性结构分布的物探方法[1-2]，应用范围广泛[3-4]。系统发射能力决定其是否具备大深度兼顾浅层分辨探测水平的重要因素[5-8]，需要精准的控制系统实现复杂的发射过程[9]，而FPGA 是一种高性能可编程逻辑器件，具有集成度高、可编程等特点，适用于数字逻辑电路设计[10-12]。该文设计了基于FPGA 顶层设计的门控信号发生器，通过信号发生器实现整个发射系统的时序逻辑，实现在同一个发射半周期内，发射一个高能脉冲（半正弦波）和一个或多个低能脉冲（梯形波）组合波，高能脉冲保证了大探测深度，低能脉冲保证了浅层分辨能力。

1 多波脉冲合成原理

多波发射技术需具备如图1 所示的电流波形的发射能力。采用半正弦波脉冲发射技术来实现千安级峰值电流发射，利用多波发射技术实现快关断梯形波脉冲和半正弦脉冲同时发射。图1 为该文多波电路工作原理图，由Q1～Q4 四只IGBT 开关管组成全桥电路，L1和R1为发射线圈的电感和电阻，谐振电容C1并联在全桥电路两端。在谐振电容C1和主桥路之间加入开关管Q5 和Q6，在主桥路两端并联电容C2，就构成了可实现多波脉冲发射的逆变电路。

图1 多波电路工作原理图

当发射半正弦脉冲时，Q5 和Q6 导通，C1和C2等效于单个电容，控制Q1～Q4 的开关状态，通过电容的储能和放电，实现大电流半正弦波的发射。

当发射梯形波时，开关管Q1～Q6 均保持断开状态，电容C1充能至预定状态，即C1初始电压达到最大值，发射线圈中的电流维持零值。开关管Q1、Q4、Q5和Q6 同时导通，C1和C2中的储能通过Q1、L1、R1和Q4构成的回路向电感L1中转移，设定时间T1。T1的大小主要由梯形波的幅值需求决定，即T1越大，电流脉冲幅值越大。Q5 和Q6 断开时，通过控制Q1 和Q4 的导通与关断，实现电容、电阻、电感、二极管及发射线圈之间的能量转换，即可实现小电流梯形波的发射。通过分时控制开关管Q5 和Q6 的通断时间，实现单、多波脉冲的发射。

2 多波脉冲驱动信号产生单元设计

基于FPGA 设计的信号发生器具备以下功能：脉宽选择、频率选择、发射波形选择（单波、多波）、触发模式选择（内、外触发）、保护功能（过压、欠压、短路）、隔离功能、蜂鸣器报警和LED 指示功能，如图2所示。

图2 驱动信号发生器结构框图

2.1 驱动信号产生模块

如图3 所示，IGBT 开关管驱动信号发生器主要用于产生高压充电电容器和逆变器所用IGBT的门控信号[13]，通过控制IGBT 的开关信号实现不同的发射波形。其中，S1、S2、S3、S4 构成全桥电路，用于产生双极性波形；S5、S6 用于实现多波发射；S7、S8 用于消除关断振荡；SH1～SH3 为Boost 电路中的开关管。

图3 发射机电气连接示意图

所有驱动信号都由信号触发模块触发，内触发模式下，触发信号由系统内部时钟20 MHz 分频得到，外触发模式下，触发信号由数据采集系统提供[14]。外同步触发信号分别为1.25 Hz、25 Hz 和50 Hz 的方波信号。该触发信号使发生器同步产生所有的输出信号。S1～S4 为主桥路控制信号，为Q1～Q4 的IGBT 开关管门控信号。S1 和S4 控制逻辑相同，S2和S3 控制逻辑相同，S2、S3 在时序上等同于S1、S4 延迟半周期[15]。

图4 是25 Hz 发射基频时的主桥路IGBT 门控信号，脉宽较宽的脉冲用于控制半正弦波的上升沿，脉宽较窄的脉冲用于控制产生小能量快速关断梯形波。

图4 主桥路IGBT开关管驱动信号波形示意图

S5、S6为Q5、Q6 IGBT开关管的门控信号，控制子波控制桥路上的门控信号，宽脉冲对应半正弦脉冲，窄脉冲对应梯形波脉冲，如图5 所示。阻尼桥路的门控信号为S6、S7，控制Q7、Q8 IGBT开关管。如图6所示，每当形成一个完整的发射脉冲，S7 和S8 就置为高电平，将阻尼并在发射线圈两端，用以消除振铃现象。该电路比直接并联电阻的方式可获得更高的发射效率。

图5 开关管Q5/Q6门控信号S5/S6波形示意图

图6 开关管Q7/Q8门控信号S7/S8的波形示意图

SH1、SH2、SH3 是高压充电器QH1、QH2、QH3的开关管门控信号，三路控制信号具有相同的控制逻辑，通过选择门控信号的频率和脉宽来实现发射功率的调节。门控信号波形如图7 所示。

图7 高压充电器开关管QH1、QH2和QH3门控信号波形示意图

2.2 单波驱动信号发生器

门控信号通过状态机产生逻辑来实现[16]，如表1所示，“单波发射”时，S1、S2、S3、S4 的开关状态：“0”为关闭，“1”为开通。

表1 “单波发射”S1～S4开关状态

其工作过程描述如下：

1）系统上电，进入初始状态T0，S1、S2、S3、S4 均关闭；

2）选择单波发射，打开发射开关，检测到触发信号的上升沿，进入状态T1，S1、S4 打开，S2、S3 关闭，发射桥路正向导通，计数器开始计时；

3）当计数到设定的发射波形脉宽时，进入状态T2，S1、S2、S3、S4 均关闭，计数器清零；

4）当再次检测到触发信号的上升沿时，进入状态T3，S1、S4 关闭，S2、S3 打开，发射桥路反向导通，计数器开始计时；

5）当计数到设定的发射波形脉宽时，进入初始状态T0，S1、S2、S3、S4 均关闭，计数器清零。

2.3 多波驱动信号发生器

实现多波发射，需要同时发射主波形（半正弦波）和副波形（梯形波）。利用S1～S8 门控信号联合驱动信号。

1）S1～S4 门控信号

门控信号通过状态机产生逻辑实现，如表2 所示，“多波发射”时，S1、S2、S3、S4 的开关状态：“0”为关闭，“1”为开通。

表2 “多波发射”S1～S4开关状态

①系统上电后，进入初始状态T0，S1、S2、S3、S4均关闭；

②选择多波发射，打开发射开关，检测到触发信号的上升沿，进入状态T1，S1、S4打开，S2、S3关闭，发射桥路正向导通，产生正向主波，计数器开始计时；

③当计数到设定的发射主波形脉宽时，进入状态T2，S1、S2、S3、S4 均关闭，计数器清零并重新开始计时；

④当计数器计数到设定的间隔时间，进入状态T3，S1、S4 打开，S2、S3 关闭，发射桥路正向导通，产生正向副波，计数器清零并重新开始计时；

⑤当计数器计数到设定的发射副波形脉宽时，进入状态T4，S1、S2、S3、S4 均关闭，计数器清零；

⑥当再次检测到触发信号的上升沿，进入状态T5、T6、T7，相反方向的主波和副波的激发原理和工作过程与上述过程相同，最后进入初始状态T0。

2）S5 和S6 门控信号

可能为流量计内进入脏污，导致浮子抖动或卡顿，此时需对流量计进行清洗。对于金属材质的浮子，可按顺序将水、无水乙醇、丙酮、乙醚注入流量计内将赃物洗净，对于塑料材质浮子，则可用洗洁精、水、无水乙醚进行清洗。待管内溶剂干燥后再装回原来位置。

如表3 所示，“多波发射”时，S5、S6 的开关状态：“0”为关闭，“1”为开通。

表3 “多波发射”S5、S6开关状态

其工作过程描述如下：

①系统上电后，进入初始状态T0，S5、S6均关闭；

②选择多波发射，打开发射开关，检测到触发信号的上升沿，进入状态T1，S5 打开，S6 关闭，计数器开始计时；

③当计数器计数到设定值时，进入状态T2，S5、S6 均打开，电容C1的能量释放到发射桥路，产生发射波形主波，计数器清零并重新开始计时；

④当计数器计数到设定值时，进入状态T3，S5、S6 均关闭，电容C2的能量释放到发射桥路，产生发射波形副波，计数器清零并重新开始计时；

⑤当计数器计数到设定的时间间隔，进入状态T4，S5、S6 均打开，计数器清零并重新开始计时；

⑥当计数器计数到设定值时，进入初始状态T0，S5、S6 均关闭，计数器清零。

3）S7 和S8 门控信号

如表4 所示，“多波发射”时，S7、S8 的开关状态：“0”为关闭，“1”为开通。

表4 “多波发射”S7、S8开关状态

其工作过程描述如下：

①系统上电后，进入初始状态T0，S7、S8均关闭；

②选择多波发射，打开发射开关，检测到触发信号的上升沿，进入状态T1，S7、S8 均关闭，此时发射桥路导通，发射波形主波通过发射线圈，计数器开始计时；

③当计数器计数到设定值时，进入状态T2，S7、S8 均打开，此时发射桥路关断，接入阻尼电阻R2用于吸收关断振荡，计数器清零并重新开始计时；

④当计数器计数到设定值时，进入状态T3，S7、S8 均关闭，计数器清零；

⑤检测到发射波形副波的上升沿，进入状态T4、T5，副波的发射原理和工作过程与上述过程相同，最后进入初始状态T0。

3 多波发射电路测试

根据多波脉冲发射原理及控制设计了时间域航空电磁发射样机。在野外对发射波形、峰值电流、发射磁矩等参数进行了测试。采用FLUKE199C 监控示波器和GMC CP-1005 监控电流钳对波形进行实时监控。

1）发射峰值电流测试

如图8，发射频率为12.5 Hz，峰值发射电流达到1.22 kA。峰值发射磁矩M=nIS=4×1.22 kA×248.25 m2=1 211.46 kA·m2，实现了瞬时千安大电流发射，峰值发射磁矩超过1.2×106A·m2。

图8 发射峰值电流波形

2）多波发射功能测试

图9 为多波发射电流波形，表明该设计方案能够有效控制发射电路同时发射大能量半正弦波和小能量梯形波。

图9 多波发射电流波形

4 结论

为实现时间域航空电磁具备大探测深度并兼顾浅层分辨率的能力，该文利用FPGA作为硬件平台[17-18]，基于Verilog 硬件描述语言，通过编程实现脉冲频率调制或脉宽调制，精确控制发射机产生电流波形、频率和脉宽的变化，通过设计合理的单波、多波驱动信号发生器实现数字化精准有效控制，产生精度高、可控性强的多路数字驱动信号。基于该文设计的FPGA 控制发射电路实现的多波脉冲发射，其主波发射脉冲由两个1/4 正弦波组成，上升沿和下降沿的时长和陡度可以程序独立调节，副波发射脉冲为快速关断沿的小幅值梯形脉冲，通过野外试验实测可知，发射波形、发射频率、峰值发射电流及发射磁矩等均满足设计需求，验证了该文方法的可行性，表明该文设计的发射电路能够为时间域航空电磁实现大探测深度兼顾浅层分辨能力提供有力支撑。