CN111323828A - 程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋电磁探测技术领域，公开了一种程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用，系统包括调制、变压器隔离放大、固定增益放大、程控增益放大、带通滤波、模拟解调、低通滤波和信号跟随单元。变压器隔离放大、固定增益放大、程控增益放大串联形成电路放大增益，程控增益放大的电路放大增益是可控的。程控增益放大单元实现程控增益的高精度数字控制。带通滤波用于抑制调制后信号的工频干扰和高频干扰，低通滤波用于抑制模拟解调后信号的解调噪声。通过控制程控增益放大单元的电路放大增益，可以满足海洋大地电磁(MT)勘探的高电路放大增益和海洋可控源电磁(CSEM)勘探的较低电路放大增益需求。
Description
技术领域
本发明属于海洋电磁探测技术领域，尤其涉及一种程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：我国的海洋面积广阔，初步估计，我国海洋石油占全国石油总量的23％，海洋天然气占全国天然气总量的30％。我国海洋油气资源大约有70％在深海区域，深海区域的底层一般是陆地岩石风化剥蚀的产物和海水中生物作用或化学作用形成的各种低电阻率的沉积物，当底层饱含油气时，电阻率往往能达到前者的几十甚至上百倍，可根据这一特性来探测海底油气的存在。地震法和电磁勘探法相结合来勘探海底底层构造以探测海底油气储层是目前有效的勘探方法。海洋电磁勘探技术主要包括两种，分别是大地电磁(MT)勘探和可控源电磁勘探(CSEM)。海底电磁信号采集记录仪是海洋电磁勘探的关键核心技术装备之一。
海底电磁信号采集方面，美国Scripps研究所(SIO)最早推出了其海底电磁接收机，经过更新换代，其海底电磁接收机已经技术成熟并开展了一系列工程项目应用，挪威EMGS公司的商业化海底电磁接收机基于SIO的产品授权开发，SIO和EMGS的海底电磁接收机的主要技术指标为电场本底噪声密度0.1～0.12nV/m/sqrt(Hz)@1Hz、磁场本底噪声密度0.1～0.11pT/sqrt(Hz)@1Hz、A/D转换24位、电路增益为固定增益等。国内海洋电磁探测技术研究起步较晚。长春科技大学于1994年开始研制海底阵列式大地电磁测深仪，并在辽东湾浅海滩涂区进行了试验。1998年以来，中国地质大学(北京)开展了海底MT探测研究，研制成功首台海底MT仪器样机，并在东海陆架区获得了海底MT数据。2012年以来，中石油东方地球物理公司、中国海洋大学、北京地质大学(北京)等单位联合承担了国家863项目“深水可控源电磁勘探系统开发”，开展深水油气探测的海洋CSEM方法技术研究，研制的海底电磁接收机的主要技术指标定位为跟踪国外的技术指标，电场本底噪声密度0.1nV/m/sqrt(Hz)@1Hz、磁场本底噪声密度0.1pT/sqrt(Hz)@1Hz、A/D转换24位、电路增益为固定增益等。2016年，中国海洋大学、中国地质大学(北京)研发的海底电磁接收机在中国南海开展了海洋CSEM联调试验。
海底微弱电场信号为低频宽带信号(带宽0.001～100Hz)，为避开低噪声运算放大器固有的1/f噪声，其前置信号放大电路均采用斩波放大原理设计，包括斩波调制、隔离耦合、信号放大、斩波解调、信号滤波等环节。信号放大环节是为了满足模数转换采集的信号信噪比需求，是一个低噪声、大增益的电路放大环节，目前均采用固定增益的设计方式。
但固定增益式海洋电场信号采集方式已越来越不能满足海底电磁勘探的需求，主要表现为：1)海洋电磁勘探包括大地电磁(MT)勘探和可控源电磁(CSEM)勘探，MT勘探信号弱需要高的电路增益，CSEM勘探信号强需要较低的电路增益，而每次电磁勘探作业中往往同时存在MT勘探(无可控源信号时)和CSEM勘探，固定增益方式无法同时兼顾两种勘探方式的需求，只能在勘探作业时进行平衡考虑或优先考虑一方面；2)只开展大地电磁(MT)勘探或可控源电磁(CSEM)勘探的场合，因为探测目标底层的深度不同，也存在不同电路增益的需求，探测浅层目标时，需要电路增益较小，探测深层目标时，需要电路增益较大。针对不同电路增益的需求，固定增益式海洋电场信号采集方法的解决办法是勘探作业过程中更换前置信号放大电路板或采用双增益前置信号放大电路板。更换前置信号放大电路板方式增加了施工现场工作量，降低了施工效率；双增益前置信号放大电路板方式增加了海洋电场信号接收机的体积和功耗。
针对海洋电磁勘探中对海洋微弱电磁信号的可变增益、低噪声采集需求，本发明将超低噪声集成运算放大器与高精度数模转换器相结合，设计了一种低噪声的程控增益放大器，并与固定增益模拟解调式微弱电场信号放大电路结合，提出了一种程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用。通过控制程控增益放大单元的电路放大增益，可以满足海洋大地电磁(MT)勘探的高电路放大增益和海洋可控源电磁(CSEM)勘探的较低电路放大增益需求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用。
本发明是这样实现的，一种程控增益式海洋电场信号采集系统，所述程控增益式海洋电场信号采集系统在固定增益放大单元和模拟解调单元之间连接有程控增益放大单元；
所述程控增益放大单元包括：
低噪声反相放大电路，运算放大器采用低噪声集成运算放大器，其反馈电阻可控，用于将固定增益放大单元的输出信号进行可控增益的反相放大；
低噪声数模转换电路，其内部电阻网络作为低噪声反相放大电路的反馈电阻，实现程控增益的高精度数字控制。
进一步，所述程控增益放大单元通过数模转换电路的数字接口，访问数模转换电路的寄存器，数模转换电路的内部电阻网络是T型R-2R电阻网络，内部电阻网络根据寄存器的配置值控制电阻值，内部电阻网络作为可控反馈电阻，实现数字可控放大增益。
进一步，所述程控增益式海洋电场信号采集系统还包括：调制单元、变压器隔离放大单元、带通滤波单元、低通滤波单元、信号跟随单元；
调制单元与变压器隔离放大单元连接，变压器隔离放大单元与固定增益放大单元连接，固定增益放大单元与程控增益放大单元连接，程控增益放大单元与带通滤波单元连接，带通滤波单元与模拟解调单元连接，模拟解调单元与低通滤波单元连接，低通滤波单元与信号跟随单元连接；
调制单元，用于将低频电场信号调制为高频交流信号；
变压器隔离放大单元，用于不同电场通道隔离，用于微弱电场信号放大，用于电场传感器的阻抗匹配；
固定增益放大单元，用于调制后电场信号的固定增益放大；
程控增益放大单元，用于调制后电场信号的程控增益放大；
带通滤波单元，用于抑制调制后电场信号的工频干扰和高频干扰；
模拟解调单元，用于放大后的调制电场信号的解调；
低通滤波单元，用于抑制模拟解调后的电场信号的解调噪声；
信号跟随单元，用于解调后的电场信号的输出阻抗匹配。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述程控增益式海洋电场信号采集系统的程控增益式海洋电场信号采集方法，所述程控增益式海洋电场信号采集方法包括以下步骤：
第一步，调制单元将前端电场传感器输出的微弱低频的电场信号，经过电容隔离直流信号后，再经过由4个相同的JET管组成的桥路进行调制；
第二步，变压器隔离放大单元是通过小信号音频变压器模块实现，在调制单元与固定增益放大单元之间实现放大电路的高输入阻抗与电场传感器的低输入阻抗的匹配；
第三步，电场信号在经过调制单元和变压器隔离放大单元后，通过固定增益放大单元进行放大；
第四步，调制后的电场信号进入程控增益放大单元中，通过数控改变反馈电阻调整电路放大增益以实现调制后的电场信号的不同增益放大；
第五步，放大后的调制电场信号经过带通滤波单元以抑制工频干扰和高频干扰；
第六步，放大后的调制电场信号经过模拟解调单元进行解调；
第七步，放大后的解调后的电场信号经过低通滤波单元以抑制解调噪声。
进一步，所述程控增益式海洋电场信号采集方法采用的调制信号频率为2kHz，调制信号是FPGA内部逻辑产生的方波信号；
带通滤波单元为无源带通滤波电路，低通滤波单元为无源低通滤波电路；
放大后的调制电场信号经过模拟解调电路进行解调，解调信号为与调制信号同频率的方波信号，解调信号通过控制集成运算放大器同相端的一个MOS管实现解调，当解调信号为正时，MOS管截止，模拟解调电路实现信号跟随功能，当解调信号为负时，MOS管导通，模拟解调电路实现一倍反相放大功能，实现信号的解调。
本发明的另一目的在于提供一种采用所述的程控增益式海洋电场信号采集方法的程控增益式海洋电场信号采集装置，所述程控增益式海洋电场信号采集装置包括：
电场传感器，用于检测三个垂直方向的电场信号并传给数据采集电路；
与数据采集电路连接，用于控制三个电场通道的调制和解调信号的产生、程控增益控制、同步采集与存储的主控电路；
与主控电路连接，用于为系统提供电源的电池；电池首先引入系统电源板，经过DC-DC变换给主控电路、数据采集电路供电，三个通道数据采集电路分别用独立的DC-DC变换供电，数字电源和模拟电源分开；
与主控电路连接，用于数据导出的以太网接口、参数配置的串口、GPS授时的串口、系统扩展的串口。
进一步，所述数据采集电路包括：信号调理电路、AD采集电路。所述主控电路包括：现场可编程门阵列、CF卡、时钟模块。
信号调理电路，是包括前述程控增益式海洋电场信号采集系统的电路；
AD采集电路，采用32位低噪声、高精度、4阶ΔΣ型模数转换器；
现场可编程门阵列作为主控电路核心，内部使用NIOS II作为处理器，NIOS II通过Avalon总线访问各种外设；现场可编程门阵列与数据采集电路信号接口连接，为AD采集电路提供高精度时钟，为信号调理电路提供调制和解调信号；锁相环将外部高精度10MHz的时钟信号锁成100MHz作为NIOS II处理器的系统时钟信号，通过两级锁相环处理，精确产生4.096MHz时钟信号作为AD采集电路的时钟信号；现场可编程门阵列与信号调理电路的程控增益电路接口连接，对程控增益放大器中的反馈电阻进行控制以实现增益控制；
CF卡用于采集的各个通道的海洋电场信号的数据存储；
时钟模块为具有温度补偿功能的高精度时钟，保证主控电路的数字控制系统的时钟同步精度，同时也保证多台海洋电场信号采集站之间的时钟同步精度；
所述串口包括参数配置串口、GPS串口、系统扩展串口；
参数配置串口，连接PC上位机对系统进行参数配置，设置存储文件名、采集/上传通道数量、电场各通道增益、采样率、人工授时；
GPS串口，用于GPS授时和接收秒脉冲PPS信号；
系统扩展串口，用于挂载水声通信机，用于远程控制电路放大增益。
本发明的另一目的在于提供一种所述程控增益式海洋电场信号采集装置在低频、微弱海洋电场信号采集中的应用。所述应用包括：锚块、磁场传感器、水声通信机、方位姿态记录仪、回收指示旗、水面定位信标、声学释放器、钛合金框架、程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置、电极延长杆、第一电场传感器、第二电场传感器、第三电场传感器；
锚块上固定有钛合金框架，电极延长杆安装在竖向右侧的钛合金框架上和底部的两个钛合金框架之间；左侧的钛合金框架上自下向上依次安装有磁场传感器、水声通信机、水面定位信标、回收指示旗，程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置与水声通信机、电场传感器、磁场传感器连接；电极延长杆上安装有第一电场传感器、第二电场传感器、第三电场传感器；横向的钛合金框架上安装有方位姿态记录仪，程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置固定在竖向的钛合金框架之间。
综上所述，本发明针对海洋电磁勘探中对海洋微弱电磁信号的可变增益、低噪声采集需求，提供了一种程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)低噪声程控增益放大器设计
针对程控增益放大单元的低噪声、数控设计需求，本发明提供了一种基于低噪声集成运算放大器和低噪声数模转换器的低噪声程控增益放大器设计。所述低噪声程控增益放大器包括：低噪声反相放大电路，运算放大器采用本底噪声密度为nV级的低噪声集成运算放大器，其反馈电阻可控；低噪声数模转换电路，其内部电阻网络作为低噪声反相放大电路的反馈电阻，实现程控增益的高精度数字控制。本发明提供的低噪声程控增益放大器解决了集成式程控增益放大器本底噪声大、不能满足微弱海洋电场信号程控增益设计需求的问题。
(2)程控增益式海洋电场信号采集方法与系统
针对海洋电磁勘探中日益需要的低噪声可变电路增益需求，本发明提供了一种低噪声程控增益式海洋电场信号采集方法与系统，可远程控制前置信号放大电路增益，与固定增益式海洋电场采集方法相比，不需要回收海底观测设备更换前置信号放大电路板，减少了施工现场的工作量，提高了施工效率；与双增益式海洋电场采集方法相比，减少了前置信号放大电路板的数量，减小了接收机体积和功耗。
(3)程控增益式海洋电场信号采集装置与应用
本发明在提出的低噪声程控增益式海洋电场信号采集方法与系统的基础上，提供了一种基于FPGA、32位模数转换器的程控增益式海洋电场信号采集装置，并将其应用于海洋电场信号采集中。采用支持SOPC技术开发的FPGA作为系统主控，FPGA内部集成微处理器，与传统采用的“微处理器+FPGA”的架构相比，提高了系统灵活性和集成度。采用了低噪声32位模数转换器，与传统的24位模数转换器相比，降低了对前置信号放大电路的增益需求，提高了信号的测量范围和精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集系统的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集方法流程图。
图4是本发明实施例提供的信号调制解调原理示意图。
图5是本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集装置结构示意图；
图6是本发明实施例提供的A/D采集电路示意图。
图7是本发明实施例提供的主控电路示意图。
图8是本发明实施例提供的FPGA内部的SOPC系统示意图。
图9是本发明实施例提供的系统电源管理示意图。
图10是本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集装置在海底电磁采集应用中的结构示意图；
图中：1、调制单元；2、变压器隔离放大单元；3、固定增益放大单元；4、程控增益放大单元；4-1、调制与隔离电路；4-2、低噪声交流放大器；4-3、程控增益放大器；4-4、解调电路；4-5、跟随电路；5、带通滤波单元；6、模拟解调单元；7、低通滤波单元；8、信号跟随单元；9、锚块；10、磁场传感器；11、水声通信机；12、方位姿态记录仪；13、回收指示旗；14、水面定位信标；15、第一电场传感器；16、电极延长杆；17、声学释放器；18、钛合金框架；19、程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置；20、第二电场传感器；21、第三电场传感器。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集系统包括：调制单元1、变压器隔离放大单元2、固定增益放大单元3、程控增益放大单元4、带通滤波单元5、模拟解调单元6、低通滤波单元7、信号跟随单元8。
调制单元1与变压器隔离放大单元2连接，变压器隔离放大单元2与固定增益放大单元3连接，固定增益放大单元3与程控增益放大单元4连接，程控增益放大单元4与带通滤波单元5连接，带通滤波单元5与模拟解调单元6连接，模拟解调单元6与低通滤波单元7连接，低通滤波单元7与信号跟随单元8连接。
如图2所示，本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集系统的原理电路包括：调制与隔离电路4-1、低噪声交流放大器4-2、程控增益放大器4-3、解调电路4-4、跟随电路4-5。
调制与隔离电路4-1，对应图1中的调制单元1与变压器隔离放大单元2，用于将前端电场传感器输出的微弱低频的电场信号调制为高频交流信号，实现后续低噪声交流放大器4-2的高输入阻抗与电场传感器的低输出阻抗的匹配。
低噪声交流放大器4-2，对应图1中的固定增益放大单元3，用于将调制与隔离后的电场信号进行低噪声固定增益的放大。
程控增益放大器4-3，对应图1中的程控增益放大单元4、带通滤波单元5，通过数控方式控制电路放大增益，用于将低噪声交流放大器4-2输出的电场信号进行低噪声程控增益放大；集成运算放大器U2后端连接的电容、电阻网络是一个无源带通滤波器，用于滤出调制后的电场信号的工频干扰和高频噪声。
解调电路4-4，对应图1中的模拟解调单元6，用于实现调制后的电场信号的解调。
跟随电路4-5，对应图1中的低通滤波单元7、信号跟随单元8，集成运算放大器U4前端的电阻、电容网络是一个无源低通滤波器，用于滤除解调电路4-4的解调噪声；集成运算放大器U4构成的跟随电路用于实现电路输出信号与后续AD采集电路的阻抗匹配。
如图3所示，本发明实施例提供的程控增益式海洋电场信号采集方法包括以下步骤：
S301：调制单元将前端电场传感器输出的微弱低频的电场信号，经过电容隔离直流信号后，再经过由4个相同的JET管组成的桥路进行调制；
S302：变压器隔离放大单元是通过小信号音频变压器模块实现，在调制单元与固定增益放大单元之间实现放大电路的高输入阻抗与电场传感器的低输入阻抗的匹配；
S303：电场信号在经过调制单元和变压器隔离放大单元后，通过固定增益放大单元进行放大；
S304：调制后的电场信号进入程控增益放大单元中，通过数控改变反馈电阻调整电路放大增益以实现调制后的电场信号的不同增益放大；
S305：放大后的调制电场信号经过带通滤波单元以抑制工频干扰和高频干扰；
S306：放大后的调制电场信号经过模拟解调单元进行解调；
S307：放大后的解调后的电场信号经过低通滤波单元以抑制解调噪声。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
在传统固定增益式海洋电场信号采集系统的基础上，本发明提出了一种程控增益式海洋电场信号采集系统，如图1所示，在固定增益放大单元3后增加了程控增益放大单元4，可有效提高电场信号测量范围，信号较强时，降低电路增益，采集的数据不会溢出，当信号较弱时，提高增益，提高模数转换器输入信号的信噪比。
程控增益式海洋电场信号采集系统的具体电路如图2所示，包括：调制与隔离电路、低噪声交流放大器、程控增益放大器、解调电路、跟随电路。
由于海底微弱电场信号为低频宽带信号(带宽0.001～100Hz)，为避开低噪声运算放大器的固有的低频1/f噪声，本发明放大电路采用斩波放大原理，调制单元采用的调制信号频率为2kHz，调制信号是FPGA内部逻辑产生的方波信号。
调制单元将前端电场传感器输出的经过电容隔离直流信号的微弱低频的电场信号，经过由4个相同的JET管组成的桥路进行调制。隔离电路采用小信号音频变压器模块实现，在调制电路与低噪声交流放大电路之间起到承接作用，实现放大电路高输入阻抗与低输入阻抗的匹配，起隔离作用。电场信号在经过调制和隔离电路之后，进入低噪声交流放大器进行放大，该放大器采用固定增益方式，提供了一个基础增益，提高电场信号的信噪比。
固定增益放大后，电场信号进入程控增益放大电路中。使用程控增益的方式，一方面能够配合前级固定增益放大器一起产生足够大的放大倍数，另一方面当信号较强的时候，可以适当的改变放大倍数，避免采集信号过强而数据溢出。
程控增益放大器由低噪声反相放大电路和低噪声数模转换电路构成，运算放大器采用低噪声集成运算放大器，其反馈电阻可控，低噪声数模转换电路的内部电阻网络作为低噪声反相放大电路的反馈电阻，FPGA通过数模转换电路的数字接口，访问数模转换电路的寄存器，数模转换电路的内部电阻网络是T型R-2R电阻网络，内部电阻网络根据寄存器的配置值控制电阻值，内部电阻网络作为可控反馈电阻，实现数字可控放大增益。
程控增益放大后接无源带通滤波器，用于抑制调制后信号的工频干扰和高频干扰。
电场信号在经过放大和滤波处理之后，进入解调电路进行解调，模拟解调的原理如图4所示，P1信号的UA是电场传感器检测到的信号，其中Ui为有效信号，Ujc为极差信号。P2时P1的局部放大。P2经过2kHz的调制波调制后的信号为P3，经过模拟解调后可得到信号P4。解调电路如图2所示，解调信号是FPGA内部逻辑产生的方波信号，经过比较器产生解调信号T2，解调信号控制一个N沟道MOS管，当T2电压为正时，MOS管截止，U3为一个跟随器，P4信号等于P3信号，当T2电压为负时，MOS管导通，U3为一个反相器，P4信号等于P3信号的反相，这样通过解调电路就能够实现调制信号的解调。
本发明提供的程控增益式海洋电场信号采集装置的组成结构如图5所示，该装置采用前述程控增益式海洋电场信号采集方法构成信号调理电路，采用并行独立的AD采集电路采集信号调理电路输出的信号，采用支持SOPC技术的FPGA作为主控单元，实现对低频微弱电场信号的处理和采集。选用支持SOPC技术的FPGA作为主控单元提高系统的灵活性和集成度。系统外接三个电场传感器，传感器将三个垂直方向的电场信号传给信号调理电路，主控电路控制三个信号调理电路的斩波调制信号、解调信号和程控增益，电场信号在信号调理电路之后进入AD采集电路，主控电路给数据采集电路的A/D芯片提供高精度时钟，通过SPI接口配置A/D芯片和接收A/D芯片采集的电场信号数据。AD采集电路将采集到的电场信号传输给FPGA，FPGA将数据处理后存储至CF卡或通过串口上传给PC上位机，PC上位机也可以通过该串口对系统进行配置和通过以太网接口读取CF卡存储的数据。
AD采集电路是数据采集电路的核心之一，A/D转换芯片的性能决定了数据采集电路的性能，所以较之传统使用的24位A/D转换芯片，本发明采用了32位低噪声、高精度、4阶ΔΣ型模数转换器。A/D采集电路如图6所示。图中A/D芯片的基准电压Vrefp和Vrefn采用通道独立设计的基准电源模块，电压稳定精度在5ppm/1000h；供电电压AVDD和AVSS采用通道独立的LDO电源模块，防止通道之间干扰，模拟地AGND和数字地DGND分开，防止数字干扰；信号输入设计了保护二极管用于钳制A/D芯片输入接口电压，避免A/D转换芯片的过压损坏；A/D芯片通过SPI数字接口与FPGA连接。
主控电路的具体组成如图7所示，支持SOPC技术的FPGA作为数字控制核心。FPGA通过数据采集电路接口与数据采集电路连接，高精度温度补偿晶振给FPGA系统提供高精度的10Mhz时钟。
CF卡存储单元用于系统采集的电场信号数据的存储，使用FatFS文件系统进行文件管理，CF卡存储单元最大支持128GB数据存储。CF卡采用这种多针插槽插槽结构，可有效抗震保证结构的稳定性。
以太网通信模块用于提供一对多的同时读取多台设备CF卡数据的接口，提高数据导出效率；该模块使用高速SPI通讯，最大数据传输速率能达到10MB/s，可以对采集系统进行远程监控与远程数据读取。同时支持硬件TCP/IP协议，能够有效地保证数据的稳定传输。
串口通信模块包括参数配置串口、GPS串口和系统扩展串口。参数配置串口，连接上位机对系统进行配置，可以用于设置存储文件名、采集/上传通道数量、电场各通道增益、采样率、人工授时等参数，可让系统处于不同的工作模式；GPS串口用于GPS授时和接收秒脉冲(PPS)信号；系统扩展串口可用于挂载不同的传感器，提高系统的可拓展性，用于挂载一台水声通信机，用于远程增益实时控制和传输数据。
SRAM用于FPGA内部SOPC系统的高速数据缓存，EPCQ256用于FPGA内部SOPC系统的硬件配置文件存储器和程序存储器。
图8是本发明的FPGA内部SOPC系统的组成示意图。FPGA内部SOPC系统以NIOS II软核处理器为核心，通过Avalon总线访问外部部件。外部部件包括标准外部部件和自定制外部部件。以太网接口、串口、CF卡接口为标准外设，采用标准外部部件。与数据采集电路连接的外部部件为自定制外部部件，包括A/D控制逻辑、程控增益、调制解调、高精度RTC和校时逻辑。
锁相环是FPGA内部独立于SOPC系统的数字逻辑单元，将外部输入的10MHz的时钟信号锁成100MHz作为NIOS II处理器的系统时钟；通过两级锁相环处理，产生高精度的4.096MHz时钟信号作为AD采集电路中的A/D转换芯片的时钟信号。
A/D控制逻辑负责A/D转换芯片的配置、同步采集和数据处理，A/D控制逻辑包括A/D控制器逻辑、同步采集控制逻辑和数据滤波器逻辑：A/D控制器逻辑连接Avalon总线与NIOS II处理器通信，NIOS II处理器发送配置命令给A/D控制器逻辑，A/D控制器逻辑便产生相应的SPI时序给A/D转换器，实现对A/D转换器的工作参数和模式配置，同时通过SPI接口接收A/D转换器的数据。同步采集控制逻辑是用于产生同步信号，控制三通道电场采集电路中不同A/D转换器的同步采集。数据滤波器逻辑将A/D控制器逻辑输出的数据进行滤波处理，传输给后续的数据控制逻辑。
为实现连续的A/D采集，本发明采用兵乓双端口RAM作为数据缓冲区，数据控制逻辑负责乒乓双端口RAM的存储控制。系统将采集数据先存放在FPGA中的512B的乒乓RAM中，再缓存在SOPC系统中的50kB缓存中，缓存满后再写到CF卡中进行存储，这样能够有效减少CF卡的写入次数以降低系统数字噪声。
调制解调逻辑用于产生给信号调理电路的调制和解调波，同时NIOS II处理器能够通过总线来控制调制解调信号的产生。
程控增益逻辑通过SPI总线对前端程控增益放大器中反馈电阻进行控制以实现增益控制。
高精度RTC逻辑用于根据系统高精度10MHz时钟产生一个高精度的RTC时钟，为乒乓双端口RAM中的采集数据提供高精度的时间信息。
校时逻辑，根据GPS时钟信息和PPS秒脉冲信号校准高精度RTC逻辑。
本发明采用锂电池单电源供电，为尽量延长装置在海底的工作时长，降低功耗很有必要。另一方面，采集电路的各通道共同使用一个供电模块，采集通道之间会产生耦合，会提高系统的本底噪声。本发明提供了图9所示的系统供电方法，锂电池电源经过DC-DC变换后为主控板、电场板供电，电场的三个通道分别用三个电源转换模块进行独立供电，数字电源和模拟电源分开。采取模块化的供电设计方式，CF卡模块，以太网模块，GPS串口，参数配置串口，系统扩展串口，PPS调理模块等之间都单独的进行供电，具有独立的可控开关，能够有效管理系统的功耗。电源开关电路采用了一个N沟道和一个P沟道的MOS管，当NIOS II将控制引脚拉成高电平时，开关导通，接通电源，同理当NIOS II将控制引脚拉成低电平时，使电源断开。当该某个模块处于闲置状态下，关断其供电电路。系统可实时监测锂电池电压，先将30V电压按一定比例分压，经过运算放大器后进入A/D芯片，FPGA访问A/D芯片实时监测电源电压。
本发明提供了一种基于程控增益和模拟解调的32位低噪声海洋电场信号采集记录方法和装置。该装置在海底电磁采集应用中的采集站结构示意图如图10所示。在下水工作前，通过PC上位机或者甲板操控仪对电场信号记录仪进行参数配置和GPS授时，然后将采集站布放到海底探测电场信号，采集站上装配水声通信机和电场信号记录仪相连接，实现远程增益控制。采集站上有3个电场信号传感器Ex、Ey和Ez，电场传感器将低频微弱的电场信号通过水密缆连接至电场信号记录仪，电场信号记录仪可以同步采集3个通道的电场信号并将电场信号存储在电场信号记录仪内部的CF卡中，工作结束时，通过控制声学释放器来释放锚块，采集站浮到水面上，此时水面定位信标开始工作，发送GPS定位信息给上位机来回收采集站，采集站回收后数据可通过以太网接口导出到PC机上。
如图10所示，采集站包括：锚块9、磁场传感器10、水声通信机11、方位姿态记录仪12、回收指示旗13、水面定位信标14、第一电场传感器15、电极延长杆16、声学释放器17、钛合金框架18、程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置19、第二电场传感器20、第三电场传感器21。
锚块9的上固定有钛合金框架18，电极延长杆16安装在竖向右侧的钛合金框架18上和底部的两个钛合金框架18之间；左侧的钛合金框架18上自下向上依次安装有磁场传感器10、水声通信机11、水面定位信标14、回收指示旗13，程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置19与水声通信机11连接；电极延长杆16上安装有第一电场传感器15、第二电场传感器20、第三电场传感器21；横向的钛合金框架18上安装有方位姿态记录仪12，程控增益式海洋电场采集装置和磁场采集装置19固定在竖向的钛合金框架18之间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种程控增益式海洋电场信号采集系统，其特征在于，所述程控增益式海洋电场信号采集系统在固定增益放大单元和模拟解调单元之间连接有程控增益放大单元；
所述程控增益放大单元包括：
低噪声反相放大电路，运算放大器采用低噪声集成运算放大器，其反馈电阻可控，用于将固定增益放大单元的输出信号进行可控增益的反相放大；
低噪声数模转换电路，其内部电阻网络作为低噪声反相放大电路的反馈电阻，实现程控增益的高精度数字控制。
2.如权利要求1所述的程控增益式海洋电场信号采集系统，其特征在于，所述程控增益放大单元通过数模转换电路的数字接口，访问数模转换电路的寄存器，数模转换电路的内部电阻网络是T型R-2R电阻网络，内部电阻网络根据寄存器的配置值控制电阻值，内部电阻网络作为可控反馈电阻，实现数字可控放大增益。
3.如权利要求1所述的程控增益式海洋电场信号采集系统，其特征在于，所述程控增益式海洋电场信号采集系统还包括：调制单元、变压器隔离放大单元、带通滤波单元、低通滤波单元、信号跟随单元；
调制单元与变压器隔离放大单元连接，变压器隔离放大单元与固定增益放大单元连接，固定增益放大单元与程控增益放大单元连接，程控增益放大单元与带通滤波单元连接，带通滤波单元与模拟解调单元连接，模拟解调单元与低通滤波单元连接，低通滤波单元与信号跟随单元连接；
调制单元，用于将低频电场信号调制为高频交流信号；
变压器隔离放大单元，用于不同电场通道隔离，用于微弱电场信号放大，用于电场传感器的阻抗匹配；
固定增益放大单元，用于调制后电场信号的固定增益放大；
程控增益放大单元，用于调制后电场信号的程控增益放大；
带通滤波单元，用于抑制调制后电场信号的工频干扰和高频干扰；
模拟解调单元，用于放大后的调制后电场信号的解调；
低通滤波单元，用于抑制模拟解调后电场信号的解调噪声；
信号跟随单元，用于解调后的电场信号的输出阻抗匹配。
4.一种基于权利要求1所述程控增益式海洋电场信号采集系统的程控增益式海洋电场信号采集方法，其特征在于，所述程控增益式海洋电场信号采集方法包括以下步骤：
第一步，调制单元将前端电场传感器输出的微弱低频的电场信号，经过电容隔离直流信号后，再经过由4个相同的JET管组成的桥路进行调制；
第二步，变压器隔离放大单元是通过小信号音频变压器模块实现，在调制单元与固定增益放大单元之间实现放大电路的高输入阻抗与电场传感器的低输入阻抗的匹配；
第三步，电场信号在经过调制单元和变压器隔离放大单元后，通过固定增益放大单元进行放大；
第四步，调制后的电场信号进入程控增益放大单元中，通过数控改变反馈电阻调整电路放大增益以实现调制后的电场信号的不同增益放大；
第五步，放大后的调制电场信号经过带通滤波单元以抑制工频干扰和高频干扰；
第六步，放大后的调制电场信号经过模拟解调单元进行解调；
第七步，放大后的解调后的电场信号经过低通滤波单元以抑制解调噪声。
5.如权利要求4所述的程控增益式海洋电场信号采集方法，其特征在于，所述程控增益式海洋电场信号采集方法的调制单元采用的调制信号为一定频率的方波信号；
带通滤波单元为无源带通滤波电路，低通滤波单元为无源低通滤波电路；
放大后的调制电场信号经过模拟解调电路进行解调，解调信号为与调制信号同频率的方波信号，解调信号通过控制集成运算放大器同相端的一个MOS管实现解调，当解调信号为正时，MOS管截止，模拟解调电路实现信号跟随功能，当解调信号为负时，MOS管导通，模拟解调电路实现一倍反相放大功能，实现信号的解调。
6.一种采用权利要求4所述的程控增益式海洋电场信号采集方法的程控增益式海洋电场信号采集装置，其特征在于，所述程控增益式海洋电场信号采集装置包括：
电场传感器，用于检测三个垂直方向的电场信号并传给数据采集电路；
与电场传感器连接，用于对电场信号进行调制、隔离、程控增益放大、解调、模数转换的数据采集电路；
与数据采集电路连接，用于控制三个电场通道的调制和解调信号的产生、程控增益控制、同步采集与存储的主控电路；
与主控电路连接，用于为系统提供电源的电池；电池首先引入系统电源板，经过DC-DC变换给主控电路、数据采集电路供电，三个通道数据采集电路分别用独立的DC-DC变换供电，数字电源和模拟电源分开；
与主控电路连接，用于数据导出的以太网接口、参数配置的串口、GPS授时的串口、系统扩展的串口。
7.如权利要求6所述的程控增益式海洋电场信号采集装置，其特征在于，所述数据采集电路包括：信号调理电路、AD采集电路；
信号调理电路，是包括前述程控增益式海洋电场信号采集系统的电路；
AD采集电路，采用32位低噪声、高精度、4阶ΔΣ型模数转换器；
所述主控电路包括：现场可编程门阵列、CF卡、时钟模块；
现场可编程门阵列作为主控电路核心，内部使用NIOS II作为处理器，NIOS II通过Avalon总线访问各种外设；现场可编程门阵列与数据采集电路信号接口连接，为AD采集电路提供高精度时钟，为信号调理电路提供调制和解调信号；锁相环将外部高精度10MHz的时钟信号锁成100MHz作为NIOS II处理器的系统时钟信号，通过两级锁相环处理，精确产生4.096MHz时钟信号作为AD采集电路的时钟信号；现场可编程门阵列与信号调理电路的程控增益电路接口连接，对程控增益放大器中的反馈电阻进行控制以实现增益控制；
CF卡用于采集的各个通道的海洋电场信号的数据存储；
时钟模块为具有温度补偿功能的高精度时钟，保证主控电路的数字控制系统的时钟同步精度，同时也保证多台海洋电场信号采集站之间的时钟同步精度；
所述串口包括参数配置串口、GPS串口、系统扩展串口；
参数配置串口，连接PC上位机对系统进行参数配置，设置存储文件名、采集/上传通道数量、电场各通道增益、采样率、人工授时；
GPS串口，用于GPS授时和接收秒脉冲PPS信号；
系统扩展串口，用于挂载水声通信机，用于远程控制电路放大增益。
8.一种如权利要求1～3任意一项所述程控增益式海洋电场信号采集系统在海洋低频、微弱电场信号采集中的应用。
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