CN111323827A - 一种双频激电信号发送装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频激电信号发送装置，包括双频信号源、输出回路和多个发送通道，每个发送通道均包括高频隔离放大电路、低频隔离放大电路、加法器、低通滤波电路、功率放大电路；高频隔离放大电路的输入端、低频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连，高频隔离放大电路的输出端、低频隔离放大电路的输出端连接加法器的输入端，加法器、低通滤波电路、功率放大电路依次串接；所有发送通道的功率放大电路的输出端连接输出回路为大地供电。本发明采用RC低通滤波电路直接降低复合双频信号的边沿变化率后进行高保真功率放大，再对大地供电，从而显著降低电法勘探信号发送回路引起的电磁耦合干扰，压制电磁耦合干扰对激电信号测量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电法勘探技术领域，特别涉及一种双频激电信号发送装置及方法。
背景技术
专利“一种双频道多参数频谱激电观测系统”，（ZL88105655.3，何继善，鲍光淑，任宝琳），其发明的观测方法简称“双频激电法”，发明的观测装置简称“双频激电仪”，为我国矿产资源普查与勘探常用方法和装置之一，具有抗干扰能力强、操作简便、无需地形改正、装置轻便等优点，目前的双频激电仪常用频组有8Hz、8/13Hz，4Hz4/13Hz，2Hz2/13Hz，1Hz1/13Hz共4个频组，可选其中任意一个频组工作。但是，在双频激电法的应用中不可避免地存在电磁耦合干扰等频率域激电法应用中的共性问题，它由发送机输出回路与接收机输入回路之间的感性耦合和容性耦合两种因素引起，其强弱主要由感性耦合决定，受干扰的程度随地下电阻率的降低、频率的升高、极距的加大而增强，直接影响激电幅频率测量值，是频率域激电法应用中客观存在的一种很强的干扰因素，尤其是在低电阻率覆盖区或大极距测量时，严重影响幅频率测量数据质量，影响地质评价准确度。
为了校正电磁耦合干扰的不良影响，国内外学者主要采用数据处理的方法对电磁耦合干扰的影响予以校正，这在电磁耦合干扰较弱时尚有较好的校正效果，当电磁耦合干扰增强时，校正效果普遍较差，难以满足野外复杂的地质条件下的勘探需要。在硬件直接去耦方面，专利“一种频率域电法仪GPS精密同步斩波去耦器”，ZL200710035797.9，发明了一种针对接收信号同步斩波以消除接收信号中的电磁耦合干扰的方法，去耦效果良好，但是该方法存在斩波引入测量误差的问题以及需要发送机与接收机严格同步的使用条件。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、输出波形稳定的双频激电信号发送装置，并提供一种双频激电信号发送方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种双频激电信号发送装置，包括双频信号源、给大地供电的输出回路和多个发送通道，每个发送通道均包括高频隔离放大电路、低频隔离放大电路、加法器、低通滤波电路、功率放大电路，双频信号源同步产生高频方波和低频方波；每个发送通道中，高频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连以接收高频方波，低频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连以接收低频方波，高频隔离放大电路的输出端、低频隔离放大电路的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端、低通滤波电路、功率放大电路依次串接；所有发送通道的功率放大电路的输出端连接输出回路为大地供电。
上述双频激电信号发送装置，所述高频隔离放大电路、低频隔离放大电路结构相同，高频隔离放大电路包括第一电阻、第二电阻、光耦、第一场效应管、第二场效应管，所述第一电阻的一端作为高频隔离放大电路的输入端并连接双频信号源的输出端，第一电阻的另一端连接光耦的第1引脚，光耦的第2引脚接地，光耦的第4引脚分别与第二电阻的一端、第一场效应管的栅极、第二场效应管的栅极相连，第二电阻的另一端、第一场效应管的源极与正电源相连，光耦的第3引脚、第二场效应管的源极均与该通道的负电源相连，第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极相连并作为高频隔离放大电路的输出端。
上述双频激电信号发送装置，所述第一场效应管为P沟道增强型场效应管，第二场效应管为N沟道增强型场效应管。
上述双频激电信号发送装置，所述加法器包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、运算放大器，所述第三电阻的一端接地，第三电阻的另一端接运算放大器的输出端和反相输入端，第四电阻的一端与高频隔离放大电路的输出端相连，第五电阻的一端与低频隔离放大电路的输出端相连，第四电阻的另一端与第五电阻的另一端连接在一起并接至运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端作为加法器的输出端。
上述双频激电信号发送装置，所述低通滤波电路包括电容、第一开关，所述第一开关的一端作为低通滤波电路的输入端并连接加法器的输出端，第一开关的另一端与电容一端连接在一起并作为低通滤波电路的输出端，电容另一端接地，所述第一开关两端并接若干个支路，每个支路均包括串联的一个电阻和一个开关。
上述双频激电信号发送装置，所述双频信号源同步产生的高频方波和低频方波双频信号为8Hz、8/13Hz频组或4Hz4/13Hz频组或2Hz2/13Hz或1Hz1/13Hz频组中的任意一组，各频组中高频与低频信号的频比S=13；或者频率在0.01Hz-100Hz范围内，频比为S=7或者S=9、11、13、15、17、19的任意双频组合矩形波信号。
上述双频激电信号发送装置，所述双频信号源采用单片机、可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列器件FPGA、数字信号处理器DSP、直接数字式频率合成器DDS、时序逻辑电路中的一种。
上述双频激电信号发送装置，所有发送通道的功率放大电路的输出端单独，或多个功率放大电路串联连接输出回路为大地供电。
一种双频激电信号发送方法，包括以下步骤：
步骤一：双频信号源同步产生高频方波和低频方波，并将高频方波送入高频隔离放大电路，低频方波送入低频隔离放大电路；
步骤二：各发送通道中，高频隔离放大电路对双频信号源产生的高频方波信号进行电隔离后输出，低频隔离放大电路对双频信号源产生的低频方波信号进行电隔离后输出；
步骤三：加法器将高频隔离放大电路输出的信号与低频隔离放大电路输出的信号相加成为双频组合矩形波；
步骤四：低通滤波电路对加法器输出的信号进行滤波后输出；
步骤五：功率放大电路对低通滤波电路输出的信号进行放大后输出；
步骤六：各发送通道中的功率放大电路输出的信号经输出回路单独或串联后对大地供电。
上述双频激电信号发送方法，所述步骤三中，通过改变低通滤波电路中支路开关的通断来改变接入的支路数量，从而改变低通滤波电路的时间常数。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的发送装置中包括低通滤波电路，能够通过改变低通滤波电路中支路开关的通断来改变接入的支路数量，从而改变低通滤波电路的时间常数，进而调节输出波形的边沿变化率，压制发送回路输出波形中的高次分量，显著降低发送回路电流对接收机输入回路的感应耦合干扰，抑制电磁耦合干扰对接收机测量数据的影响。
2、本发明发送机输出波形的边沿变化率可以根据野外工作需要，通过切换低通滤波电路的时间常数来设定，且发送机输出波形受接地条件影响小，操作简便。
3、本发明的发送装置在需要较高输出电压时，任意多个发送通道的输出端可以级联（串联）输出，提供更高的输出电压。
4、本发明采用RC低通滤波电路直接降低组合双频信号的边沿变化率后进行高保真功率放大，再对大地供电，从而显著降低电法勘探信号发送回路产生的电磁耦合干扰，压制电磁耦合干扰对激电信号测量的影响，提高接收信号的信噪比和接收数据质量。
附图说明
图1为本发明的双频激电信号发送装置的结构框图。
图2为图1中高频隔离放大电路的电路原理图。
图3为图1中加法器的电路原理图。
图4为图1中低通滤波电路的电路原理图。
图5为本发明的矩形波上升沿波形仿真图。
图6为本发明的矩形波下降沿波形仿真图。
图7为本发明在双频信号中的高频与低频的频比为13时的发送装置部分测试点波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种双频激电信号发送装置，包括双频信号源、给大地供电的输出回路和多个发送通道，每个发送通道均包括高频隔离放大电路、低频隔离放大电路、加法器、低通滤波电路、功率放大电路，第一发送通道包括高频隔离放大电路1、低频隔离放大电路1、加法器1、低通滤波电路1、功率放大电路1，第二发送通道包括高频隔离放大电路2、低频隔离放大电路2、加法器2、低通滤波电路2、功率放大电路2，第三发送通道包括高频隔离放大电路3、低频隔离放大电路3、加法器3、低通滤波电路3、功率放大电路3，...，第n发送通道包括高频隔离放大电路n、低频隔离放大电路n、加法器n、低通滤波电路n、功率放大电路n；双频信号源同步产生高频方波和低频方波；每个发送通道中，高频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连以接收高频方波，低频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连以接收低频方波，高频隔离放大电路的输出端、低频隔离放大电路的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端、低通滤波电路、功率放大电路依次串接；所有发送通道的功率放大电路的输出端可单独或级联（串联）连接输出回路为大地供电，根据需要切换发送通道的低通滤波电路的时间常数，即可调节发送波形的边沿变化率。
所述双频信号源采用单片机产生高频方波和低频方波信号，也可以采用复杂可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列器件FPGA、数字信号处理器DSP、直接数字式频率合成器DDS、搭建时序逻辑电路产生。
所述高频隔离放大电路、低频隔离放大电路结构相同，高频隔离放大电路、低频隔离放大电路可以是光耦隔离、光纤隔离、隔离驱动芯片、隔离驱动模块中的一种来实现隔离驱动功能。如图2所示，高频隔离放大电路包括第一电阻R0、第二电阻R01、光耦U1、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2，所述第一场效应管Q1为P沟道增强型场效应管，第二场效应管Q2为N沟道增强型场效应管；所述第一电阻R0的一端作为高频隔离放大电路的输入端IN并连接双频信号源的输出端，第一电阻R0的另一端连接光耦U1的第1引脚，光耦U1的第2引脚接地，光耦U1的第4引脚分别与第二电阻R01的一端、第一场效应管Q1的栅极、第二场效应管Q2的栅极相连，第二电阻R01的另一端、第一场效应管Q1的源极与正电源+2.5V相连，光耦U1的第3引脚、第二场效应管Q2的源极均与该通道的负电源-2.5V相连，第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的漏极相连并作为高频隔离放大电路的输出端OUT。
图2中，双频信号源产生的方波信号由光耦U1的第1引脚输入，第4引脚输出，当输入方波信号为高电平时，光耦U1内部的发光二极管发光、光敏三极管饱和导通，光耦第4引脚输出低电平，Q1导通、Q2截止，OUT端输出高电平；输入方波信号为低电平时，光耦U1内部的发光二极管截止、光敏三极管截止，光耦第4引脚输出高电平，Q1截止、Q2导通，OUT端输出低电平。高频隔离放大电路、低频隔离放大电路完成双频信号源与光耦后级电路的电隔离，并将方波信号放大并钳位在+2.5V（高电平）和-2.5V（低电平）。
如图3所示，所述加法器包括第三电阻Rn、第四电阻RG、第五电阻RD、运算放大器Un，所述第三电阻Rn的一端接地，第三电阻Rn的另一端接运算放大器Un的反相输入端和输出端，第四电阻RG的一端与高频隔离放大电路的输出端相连，第五电阻RD的一端与低频隔离放大电路的输出端相连，第四电阻RG的另一端与第五电阻RD的另一端连接在一起并接至运算放大器Un的同相输入端，运算放大器Un的输出端作为加法器的输出端。第四电阻RG与第五RD阻值相等，经加法器处理之后的信号由加法器的输出端即LPin端相连接。设加法器输入的高频方波信号为VG，低频方波信号为VD，则加法器输出的信号为（VG+VD）/2。
低通滤波电路为时间常数固定或多档可选或可调节的RC低通滤波电路；如图4所示，低通滤波电路包括电容C、与电容串联的可任意切换的电阻，电阻与电容构成RC低通滤波电路，低通滤波后的信号由C的上端，即LPout端输出。其中，加法器的输出端与低通滤波电路的LPin端相连接，LPin端与开关S0左端、电阻R1左端、电阻R2左端、…、电阻Rn左端相连接，电阻R1的右端与开关S1左端相连接，电阻R2的右端与开关S2左端相连接，…、电阻Rn的右端与开关Sn左端相连接，电容C的上端分别与开关S0右端、开关S1右端、开关S2右端、…、开关Sn右端相连接，电容C的下端与该通道电路的电源地相连接，低通滤波后的信号由电容的上端即LPout端输出到功率放大电路的输入端。开关S0闭合时，低通滤波时间常数为零，开关S1、S2、…、Sn中的任意一个开关闭合或任意两个开关闭合或任意多个开关闭合用来设定RC低通滤波电路的时间常数，其中R为低通滤波电路等效电阻（S1~Sn中任意一个闭合时与此开关串联的电阻值、或者任意多个开关闭合时接入低通滤波电路中电阻的并联值即为等效电阻），切换低通滤波电路的RC时间常数即可改变双频组合矩形波边沿的变化率。
本发明的多个发送通道中的低通滤波时间常数一般设置为相同的数值，也可以根据需要，各个发送通道设置不同的低通滤波时间常数；各个发送通道可以独立工作，也可以级联（串联）输出高电压信号，在接地电阻非常低所需发送电流很大的应用中也可以采取多个发送通道输出端并联的方法以增大输出电流，此时要求各个信号发送通道的增益相同、且低通滤波电路的时间常数相同。
所述双频信号源同步产生的高频方波和低频方波双频信号为8Hz、8/13Hz频组或4Hz4/13Hz频组或2Hz2/13Hz或1Hz1/13Hz频组中的任意一组，也可以频率在0.01Hz-100Hz范围内，频比为S=7或者S=9、11、13、15、17、19的任意双频组合矩形波信号，当双频信号中的高频频率在10Hz以上时的低通滤波电路的时间常数应相应减小，以保证发送组合矩形波信号中波形的大致形态。
所述功率放大电路可采用高保真模拟功率放大电路或数字功率放大电路，采用数字功放电路时，电源转换效率高且轻便可靠；功放增益设计为多档可选或设计为固定增益，以保证增益精度和输出电平的稳定性。所有发送通道的功率放大电路的输出端可以单独为大地提供电流；也可以级联（串联）连接输出回路为大地供电，以提供更高的输出电压；或者在接地电阻很低的地区采用输出端并联的方法用于提供更大的输出电流。
一种双频激电信号发送方法，包括以下步骤：
步骤一：双频信号源同步产生高频方波和低频方波，并将高频方波送入高频隔离放大电路，低频方波送入低频隔离放大电路；
步骤二：各发送通道中，高频隔离放大电路对双频信号源产生的高频方波信号进行电隔离后输出，低频隔离放大电路对双频信号源产生的低频方波信号进行电隔离后输出；
步骤三：加法器将高频隔离放大电路输出的信号与低频隔离放大电路输出的信号相加成为双频组合矩形波；通过改变低通滤波电路中支路开关的通断来改变接入的支路数量，从而改变低通滤波电路的时间常数；
步骤四：低通滤波电路对加法器输出的信号进行滤波后输出；
步骤五：功率放大电路对低通滤波电路输出的信号进行放大后输出；
步骤六：各发送通道中的功率放大电路输出的信号经输出回路单独或串联后对大地供电。
根据需要设置低通滤波电路的时间常数，此时的发送机输出信号取样后作为校准信号送接收机校准，校准后的接收机即可进行实际测量；切换发送端的低通滤波时间常数后，接收机需要与发送机联机进行校准，然后进行实际测量；亦可预先针对发送波形的各个低通滤波时间常数逐一联机校准接收机并保存校准参数，在施工中约定发送装置的低通滤波时间常数与对应的接收机校准档位保持一致，即可进行实际测量。
参见图5和图6，本发明的矩形波边沿低通滤波仿真图，切换低通滤波时间常数，即可改变矩形波边沿变化率，经功放后输出为大地供电，即可大幅降低电法勘探信号发送端引起的电磁耦合干扰。
参见图7，图7中波形u1为双频信号源输出的高频方波信号经隔离放大后的输出波形示意图，u2为双频信号源输出的低频方波经隔离放大后的输出波形示意图，u3为加法器输出波形示意图（双频组合矩形波，频比S=13），u4为低通滤波后的输出波形示意图，u4所示波形经高保真放大后对大地供电，或者多个信号发送通道的功放输出端级联（串联）后输出更高高压的双频组合矩形波信号对大地供电。
Claims (10)
1.一种双频激电信号发送装置，其特征在于：包括双频信号源、给大地供电的输出回路和多个发送通道，每个发送通道均包括高频隔离放大电路、低频隔离放大电路、加法器、低通滤波电路、功率放大电路，双频信号源同步产生高频方波和低频方波；每个发送通道中，高频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连以接收高频方波，低频隔离放大电路的输入端与双频信号源相连以接收低频方波，高频隔离放大电路的输出端、低频隔离放大电路的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端、低通滤波电路、功率放大电路依次串接；所有发送通道的功率放大电路的输出端连接输出回路为大地供电。
2.根据权利要求1所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所述高频隔离放大电路、低频隔离放大电路结构相同，高频隔离放大电路包括第一电阻、第二电阻、光耦、第一场效应管、第二场效应管，所述第一电阻的一端作为高频隔离放大电路的输入端并连接双频信号源的输出端，第一电阻的另一端连接光耦的第1引脚，光耦的第2引脚接地，光耦的第4引脚分别与第二电阻的一端、第一场效应管的栅极、第二场效应管的栅极相连，第二电阻的另一端、第一场效应管的源极与正电源相连，光耦的第3引脚、第二场效应管的源极均与该通道的负电源相连，第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极相连并作为高频隔离放大电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所述第一场效应管为P沟道增强型场效应管，第二场效应管为N沟道增强型场效应管。
4.根据权利要求2所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所述加法器包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、运算放大器，所述第三电阻的一端接地，第三电阻的另一端接运算放大器的输出端和反相输入端，第四电阻的一端与高频隔离放大电路的输出端相连，第五电阻的一端与低频隔离放大电路的输出端相连，第四电阻的另一端与第五电阻的另一端连接在一起并接至运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端作为加法器的输出端。
5.根据权利要求4所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所述低通滤波电路包括电容、第一开关，所述第一开关的一端作为低通滤波电路的输入端并连接加法器的输出端，第一开关的另一端与电容一端连接在一起并作为低通滤波电路的输出端，电容另一端接地，所述第一开关两端并接若干个支路，每个支路均包括串联的一个电阻和一个开关。
6.根据权利要求5所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所述双频信号源同步产生的高频方波和低频方波双频信号为8Hz、8/13Hz频组或4Hz4/13Hz频组或2Hz2/13Hz或1Hz1/13Hz频组中的任意一组，各频组中高频与低频信号的频比S=13；或者频率在0.01Hz-100Hz范围内，频比为S=7或者S=9、11、13、15、17、19的任意双频组合矩形波信号。
7.根据权利要求1所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所述双频信号源采用单片机、可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列器件FPGA、数字信号处理器DSP、直接数字式频率合成器DDS、时序逻辑电路中的一种。
8.根据权利要求1所述的双频激电信号发送装置，其特征在于：所有发送通道的功率放大电路的输出端单独，或多个功率放大电路串联连接输出回路为大地供电。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的双频激电信号发送装置的双频激电信号发送方法，包括以下步骤：
步骤一：双频信号源同步产生高频方波和低频方波，并将高频方波送入高频隔离放大电路，低频方波送入低频隔离放大电路；
步骤二：各发送通道中，高频隔离放大电路对双频信号源产生的高频方波信号进行电隔离后输出，低频隔离放大电路对双频信号源产生的低频方波信号进行电隔离后输出；
步骤三：加法器将高频隔离放大电路输出的信号与低频隔离放大电路输出的信号相加成为双频组合矩形波；
步骤四：低通滤波电路对加法器输出的信号进行滤波后输出；
步骤五：功率放大电路对低通滤波电路输出的信号进行放大后输出；
步骤六：各发送通道中的功率放大电路输出的信号经输出回路单独或串联后对大地供电。
10.根据权利要求9所述的双频激电信号发送方法，其特征在于：所述步骤三中，通过改变低通滤波电路中支路开关的通断来改变接入的支路数量，从而改变低通滤波电路的时间常数。
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| CN202010242772.1A CN111323827B (zh) | 2020-03-31 | 一种双频激电信号发送装置及方法 |
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