CN111200447A - 一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路，天线主线圈由两个绕向一致的铜线圈串联组成，分别等效为电感Lpc1与电阻Rsc1的串联和电感Lpc2与电阻Rsc2的串联，再分别并联电容Csc1和Csc2，其感应的信号电压分别为e1和e2，其改进之处在于：Rsc1和Rsc2分别与一个放大电路电连接，两个放大电路则分别接入第三放大电路的两个输入端，由上述三个放大电路组成差分输入三运放电路。本发明所公开的电路，系统电路稳定：前放电路能够将带磁通负反馈的磁偶极子天线接收到的80KHz~110KHz信号进行有效放大。电路长时间稳定工作，不再轻易自激。
Description
技术领域
本发明属于接收天线领域，特别涉及该领域中的一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路。
背景技术
钻孔电磁波成像技术是一种通过利用电磁波的传播特性进行孔(井)间探测的地球物理勘探方法，该方法通过改变放置在两个钻孔(套管)中的发射天线和接收天线的位置，记录不同位置下的电磁波收发的幅度和相位信息，并对采集的数据进行反演，进而获取两孔间电阻率剖面图。
现有的钻孔电磁波成像技术一般用在石油电子测井领域和物探领域。其中石油电子测井的井间电磁成像系统，发射和接收用的是磁偶天线，传输使用的电磁波频率为极低频(Extremely Low Frequency，ELF)，频率为3Hz～3KHz；而用于物探领域的跨孔电磁CT系统则采用高频(High Frequency，HF)，频率为3MHz～30MHz，由于其使用频率较高，一般采用偶极天线发射、鞭状天线接收的形式。在实际的浅表地层探测工程运用中，我们也可以借助钻孔电磁波成像技术来实现，如实际地铁工程中遇到的地连墙渗漏检测问题等。由于分辨率与反演精度的综合要求，需要采用特定的频率去实现。
针对实际地铁工程中的地连墙渗漏问题开发的新一代钻孔电磁波成像技术电磁波收发采用了80KHz～110KHz频率段，在保证足够高的灵敏度和分辨率同时，还能够满足工程使用中有足够的传输距离。本发明正是针对该钻孔电磁波成像系统开发的微弱信号前放电路。
磁偶极子天线的谐振频率容易受温度等环境因素的影响而发生改变，所以现有的磁偶极子天线一般都会采用磁通负反馈的形式。如果钻孔电磁波成像系统的接收短节采用磁偶极子天线，一般会采用如图1所示的电路结构形式。其中主线圈等效为电感Lpc与电阻Rsc的串联，再并联电容Csc，e为主线圈感应的信号电压，Ls为反馈线圈的电感。
钻孔电磁波成像系统接收短节的前放电路一般都是针对磁偶极子天线的特性而设计的。现有的具有高灵敏度的磁偶极子天线有着线圈匝数多、电感量大、分布电容容值高等特点，这就会带来噪声大、工频及其谐波分量干扰大、信噪比低等不可避免的问题。
针对噪声干扰问题，现有的前放电路通常都会采用以下两种方案：
1)JEFT(场效应晶体管)和其它分立元件去搭建放大电路。
2)采用低噪声的运算放大器来减小电路自身产生的噪声。
JEFT有着良好的白噪声低噪特性，但是1/f噪声不理想，同时分立元件的搭建增加了电路的复杂性。低噪声的集成运放电路由于自身GBWP(增益带宽积)的限制，接入带磁通负反馈的磁偶极子天线后电路不稳定，很容易自激，尤其是当系统采用LF波段(大于50KHz)的频率时。
此外电路一般还会采用2～4阶的有源RC滤波来限制系统带宽，以减小白噪声功率和工频干扰。但是由于此类天线灵敏度极高，再加上市区空间中的工频干扰大，2～4阶的有源RC无法满足在市内工程施工的实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路。
本发明采用如下技术方案：
一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路，天线主线圈由两个绕向一致的铜线圈串联组成，分别等效为电感Lpc1与电阻Rsc1的串联和电感Lpc2与电阻Rsc2的串联，再分别并联电容Csc1和Csc2，其感应的信号电压分别为e1和e2，其改进之处在于：Rsc1和Rsc2分别与一个放大电路电连接，两个放大电路则分别接入第三放大电路的两个输入端，由上述三个放大电路组成差分输入三运放电路；第三放大电路的输出接第一电压跟随器，第一电压跟随器的输出分两路，一路通过反馈电阻Rf1接入天线反馈线圈的一端，另一路作为第二电压跟随器的输入，第二电压跟随器输出一个反向信号，通过反馈电阻Rf2接入天线反馈线圈的另一端，由上述两个电压跟随器组成磁通负反馈驱动电路；此外还在三运放电路的输出端连接固定增益放大电路，该固定增益放大电路依次通过四级八阶巴特沃兹带通滤波器和可编程增益放大电路与A/D采集模块电连接。
进一步的，与Rsc1和Rsc2电连接的放大电路，输入噪声电压为0.9nV/√Hz，输入噪声电流为2.4pA/√Hz，单位增益为1的-3dB，带宽为65MHz，第三放大电路的输入噪声电压为0.9nV/√Hz，输入噪声电流为2pA/√Hz，单位增益为10的-3dB，带宽为8MHz。
进一步的，四级八阶巴特沃兹带通滤波器的中心频率为90KHz、通带增益为0dB、通带-3dB带宽为20KHz、阻带-40dB带宽为66KHz。
本发明的有益效果是：
(1)系统电路稳定：前放电路能够将带磁通负反馈的磁偶极子天线接收到的80KHz～110KHz信号进行有效放大。电路长时间稳定工作，不再轻易自激。
(2)低系统电路噪声：选择用JEFT输入的集成运放ADA4898-2作为第一级放大器，有着不输于JEFT分立元件的噪声性能，同时有着更简化的电路结构。同时尽量减小电路中的阻值，尽可能降低电阻热噪声的功率谱密度。
(3)低工频及其谐波干扰干扰：在电路的适当环节采用高阶的带通滤波器来减小工频及其谐波干扰，从硬件电路上解决噪声干扰问题，比采用软件滤波简单且稳定可靠，同时减少了计算的复杂度。
(4)高共模抑制比：采用对称式的前放设计思路，能够有效的提高电路的共模抑制比，降低共模信号的干扰。
附图说明
图1是现有带磁通负反馈的磁偶极子天线前放电路的结构图；
图2是本发明前放电路的结构图；
图3是四级八阶巴特沃兹带通滤波器的电路结构图；
图4是四级八阶巴特沃兹带通滤波器的幅频特性图；
图5是四级八阶巴特沃兹带通滤波器的相频特性图；
图6是可编程增益放大电路的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提出了一种SZK(钻孔电磁波成像系统)接收短节的低噪前放电路，其适用于特定工作频率为80kHz—110KHz，且带有中心抽头和磁通负反馈的对称式磁偶极子天线，本实施例电路设计稳定可靠，解决了此类磁偶极子天线在LF波段(大于50KHz)下电路的自激问题；解决了钻孔电磁波成像系统中高灵敏度的接收天线在市区工程施工场地被工频及其谐波分量干扰的问题。
实施例1，本实施例公开了一种钻孔电磁波成像系统的接收电路，其电路结构图如图2所示。该接收电路包括：(1)由放大电路1、2和放大电路3组成的差分输入三运放电路；(2)反向电压跟随器1和2组成的磁通负反馈驱动电路；(3)固定增益放大电路；(4)四级八阶带通滤波电路；(5)可编程增益放大电路。
(1)三运放电路
天线主线圈采用对称式结构设计，由两个绕向一致的铜线圈串联组成，分别等效为电感Lpc1(Lpc2)与电阻Rsc1(Rsc2)的串联，再并联电容Csc1(Csc2)，e1(e2)为主线圈感应的信号电压，由于两个线圈的绕向和匝数等完全一致，我们可以认为其各项固有属性也相同，即Lpc1＝Lpc2、Rsc1＝Rsc2、Csc1＝Csc2、e1＝e2。
图1结构图中的磁偶极子天线输入为差分信号，磁通负反馈环路中的电路采用了经典的三运放结构，它有较高的CMRR(共模抑制比)，能够很好地抑制共模干扰。放大电路1和2中的集成电路采用了ADI公司的双通道低噪声运放ADA4898-2，该运算放大器有着超低的噪声性能，典型的输入噪声电压只有0.9nV/√Hz，输入噪声电流2.4pA/√Hz；其单位增益为1的-3dB带宽为65MHz。放大电路3用的是电压反馈型低噪声运算放大器AD797，它的输入噪声电压0.9nV/√Hz，输入噪声电流2pA/√Hz；其单位增益为10的-3dB带宽为8MHz。
(2)磁通负反馈驱动电路
反向电压跟随器采用的TI公司的双通道集成运放TLE2022，它具有较宽的输入电压范围，输入差模电压能接近电源电压；有着较高的输出电流带载能力，最大输出电流为±30mA。三运放电路输出先接电压跟随器1，将其输出通过反馈电阻Rf1接入反馈线圈的一端，同时该输出作为电压跟随器2的输入，电压跟随器2输出一个反向信号，接反馈电阻Rf2后接入反馈线圈的另一端。在该电路中，电压跟随器1对电路起隔离的作用，而电压跟随器2与电压跟随器1配合产生一个差分电压信号，然后再通过两个反馈电阻Rf将该差分电压转换为反馈电流提供给反馈线圈，从而为主线圈提供一个磁通量相反的匀强磁场，Ls为反馈线圈的电感。
(3)固定增益放大电路
三运放电路输出外接固定增益放大电路，采用集成运放AD797将信号进一步放大，此环节电路的固定增益根据天线的绝对灵敏度和空间的工频干扰等实际需要进行调节，控制工频及其谐波分量干扰的最大幅值不让电路输出信号过大甚至饱和。固定增益放大电路的设计为后续带通滤波提供足够的信号强度。
(4)四级八阶巴特沃兹带通滤波器
将固定增益放大电路的输出信号接入四级八阶巴特沃兹带通滤波器，该带通滤波器的电路结构如图3所示，采用了多重反馈的形式，主要设计参数为：中心频率90KHz、通带增益为0dB、通带-3dB带宽为20KHz、阻带-40dB带宽为66KHz。使用运放ADA4898-2作为集成电路，并尽可能的采用较低的电阻阻值以降低滤波器的电阻热噪声。
由于电路阶次较高，使滤波器的过渡带变窄，截止频率段变得更陡峭，所以系统响应更加接近理想滤波器，这样做对工频及其谐波干扰和带外的白噪声都有着更好的抑制作用。滤波器的电路幅频特性和相频特性分别如图4和图5所示。
(5)可编程增益放大电路
可编程增益放大电路的电路原理图如图6所示，该电路中使用集成电路AD797将带通滤波器的输出进行再次放大，同时加入模拟开关AGD1409来实现电路增益的程控可调，通过Gain_Ctrl1和Gain_Ctrl2分别控制A0和A1的电平状态，A0和A1高低电平状态可以有四种不同的组合，每种组合可以选通S1A～S4A中的一路，并通过DA管脚导通输出。同时将单端信号通过双通道集成电路ADA4001-2来转换为差分输出信号，方便驱动后续的A/D采集电路。
Claims (3)
1.一种特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路，天线主线圈由两个绕向一致的铜线圈串联组成，分别等效为电感Lpc1与电阻Rsc1的串联和电感Lpc2与电阻Rsc2的串联，再分别并联电容Csc1和Csc2，其感应的信号电压分别为e1和e2，其特征在于：Rsc1和Rsc2分别与一个放大电路电连接，两个放大电路则分别接入第三放大电路的两个输入端，由上述三个放大电路组成差分输入三运放电路；第三放大电路的输出接第一电压跟随器，第一电压跟随器的输出分两路，一路通过反馈电阻Rf1接入天线反馈线圈的一端，另一路作为第二电压跟随器的输入，第二电压跟随器输出一个反向信号，通过反馈电阻Rf2接入天线反馈线圈的另一端，由上述两个电压跟随器组成磁通负反馈驱动电路；此外还在三运放电路的输出端连接固定增益放大电路，该固定增益放大电路依次通过四级八阶巴特沃兹带通滤波器和可编程增益放大电路与A/D采集模块电连接。
2.根据权利要求1所述特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路，其特征在于：与Rsc1和Rsc2电连接的放大电路，输入噪声电压为0.9nV/√Hz，输入噪声电流为2.4pA/√Hz，单位增益为1的-3dB，带宽为65MHz，第三放大电路的输入噪声电压为0.9nV/√Hz，输入噪声电流为2pA/√Hz，单位增益为10的-3dB，带宽为8MHz。
3.根据权利要求1所述特定频率的钻孔电磁波接收天线的前放电路，其特征在于：四级八阶巴特沃兹带通滤波器的中心频率为90KHz、通带增益为0dB、通带-3dB带宽为20KHz、阻带-40dB带宽为66KHz。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113848588A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-28 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种lf频段大跨距电磁波ct成像系统 |
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2019
- 2019-12-30 CN CN201911398600.7A patent/CN111200447A/zh active Pending
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