投弃式海流电场剖面仪中模拟电路的研制_李鹏宇.pdf

第 37 卷第 1 期2023 年 2 月现代地质GEOSCIENCEVol.37No.1Feb.，2023DOI:10.19657/j.geoscience.1000 8527.2022.076投弃式海流电场剖面仪中模拟电路的研制李鹏宇，张启升，周珂宇，林祖灿，蒋兴远(中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京100083)收稿日期:2022-06-30;改回日期:2022-10-30。基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC2801404，2022YFF0706202)。作者简介:李鹏宇，男，硕士研究生，1996 年出生，电子信息专业，主要从事地球物理仪器研发。Email:。通信作者:张启升，男，教授，博士生导师，1978 年出生，地球探测与信息技术专业，主要从事地球物理仪器研发。Email:zqs 。摘要:投弃式海流电场剖面仪(XCP)是利用海流切割地磁场产生感生电场的原理进行快速测量海流的观测仪器，在地磁场稳定的情况下，感生电场的大小主要取决于海流的速度。因此，通过测量海流产生的感生电场便可以研究海流的运动特征。本文研制了用于 XCP 中的模拟电路，实现了对 XCP 中电极信号、罗盘线圈信号及温度信号的采集预处理。所设计模拟电路主要实现以下功能:(1)通过 INA128 放大电路实现对电极信号与罗盘线圈信号的多级放大处理;(2)考虑到电极信号与罗盘线圈信号均为频率 16 Hz 左右的信号，在电路中加入中心频率点为 16 Hz 的二阶带通滤波电路以提取有效信号;(3)进行硬件电路补偿，在一定程度上克服 XCP 探头下沉引起感生电场的强干扰。实验测试结果表明，所设计模拟电路稳定可靠，可以实现滤除噪声，提取前端微弱信号并进行多级放大，满足实际应用需求。关键词:投弃式海流电场剖面仪;模拟电路研制;信号采集;微弱信号中图分类号:P631文献标志码:A文章编号:1000 8527(2023)01 0107 07Development of the Analog Circuit in Expendable Current ProfilerLI Pengyu，ZHANG Qisheng，ZHOU Keyu，LIN Zucan，JIANG Xingyuan(School of Geophysics and Information Technology，China University of Geosciences，Beijing100083，China)Abstract:Expendable current profiler(XCP)is an observation instrument for rapid measurement of ocean cur-rent based on the principle that ocean current cuts the geomagnetic field to produce induced electric field Whenthe geomagnetic field is stable，the magnitude of the induced electric field predominantly rests with the velocityof the ocean current Therefore，the motion characteristics of the current can be explored by measuring the in-duced electric field originated from the ocean current In this paper，the analog circuit used in XCP wasdeveloped，and the acquisition and preprocessing of electrode signal，compass coil signal and temperature signalin XCP were realized The main functions of the analog circuit are as follows:(1)the multi-stage amplificationof the electrode signal and the coil signal is realized through the INA128 amplification circuit;(2)consideringthat the frequency of the electrode signal and the coil signal is 16 Hz，a second-order band-pass filter circuitwith a central frequency of 16 Hz is added to the circuit to extract the effective signal;(3)compensate hard-ware circuit is adopted to overcome that strong interference of the induced electric field resulted from the sinkingof the XCP probe The experimental results show that the analog circuit is stable and reliable，and it can filterthe noise and extract the front-end weak signal for multi-stage amplification to meet the needs of practical appli-cationsKey words:expendable current profiler;development of analog circuit;signal acquisition;weak signal0引言作为海水运动的普遍形式之一，海流是指海水在大范围大区域内相对稳定的流动1。海流对气候与生态平衡起着影响和制约的作用，同时也对沿海区域人民的生产生活有着重要的影响。了解和掌握海流规律，对保护开发海洋有着重要意义。随着电子系统愈发集成化、智能化、高精度化，借助于电子技术的海流测量技术也愈发成熟。海流测量一般包括海流的流速和流向的测量。目前常见的海流测量仪器分为漂浮式海流计、电磁式 海 流 计、机 械 式 海 流 计、声 学 式 海 流 计 等等2 3。投弃式海流电场剖面仪(XCP)是电磁式海流计的一种，可以利用海流切割地磁场时所产生的感生电场实现快速海流测量。相比于其他测量方法，XCP 采用不停航不回收的工作方式，具有探测周期短、数据获取即时、探测范围较广、布放形式多样等优点，XCP 可从舰船、潜艇、飞机等搭载平台上进行探头发射或人工抛投，可在下沉过程中快速测量海流及温度等剖面参数，并可由探头下沉速度计算出相应水深参数，测量数据以有线或无线通信方式传送至搭载平台，经数据处理后可实时获取海流及温度等随深度变化信息。投弃式海流剖面仪为海洋调查、海洋环境预报、科学研究及军事应用提供了先进高效的测量手段4 7。美国华盛顿大学 Sanford 等人根据法拉第电磁感应定律，在 1971 年提出了海水运动感生电磁场的基本计算公式，并于 1978 年研制出了第一台XCP 样机8 9，后与斯皮坎公司(Sippican)联合进行海试并取得初步测试成果10。目前国际上主要还是美国斯皮坎公司与日本鹤见精机公司掌握XCP 核心探测技术，共同占据了全部国际市场并对相关国家实行技术禁运11。我国在 XCP 研制方面起步较晚，“十一五”期间，在国家 863 计划支持下中国地质大学(北京)与国家海洋技术中心等联合对 XCP 进行国内首次系统且全面的研究，自主研制了我国首套 XCP 设备，并进行了多次海洋试验5。随着电子、通讯、集成电路等相关领域的发展，XCP 系统的性能有望不断提升。目前国内针对弱信号处理电路的研究较多，但大多应用于勘探、医疗、生物等领域，且被采集信号大多在微伏级12 13。而在中纬度地区，1 3 cm/s 流速的海流产生的感生电场经间距为 5 cm 的电场传感器所测得的信号为 20 80 nV 左右14。因此，对于海流感生电场微弱信号的采集与处理极为关键，本文所研制的模拟电路实现了对 XCP 中电极信号、罗盘线圈信号及温度信号的采集预处理，并完成了对海流电场同向分量补偿电路的设计。1XCP 基本原理1.1海流感生电场的计算在一定区域范围内，海流的流向与流速在较长时间内保持稳定，且在大多数情况下海流的水平速度远大于垂直速度15。因此，在实际工作中，多数情况下以研究水平海流为主14 16。海水具有导电性，在运动时会切割地磁场产生感应电动势和感应电流。取海水的流动方向为 y 轴，垂直海平面向下为 z 轴，建立如图 1 所示空间直角坐标系，则地磁场的磁感应强度矢量在坐标轴上对应的分量分别为 Bx、By、Bz。By与海水的流动方向平行，基本不会产生感应电场，Bx和 Bz与海水运动方向垂直，将在海流中感应出电场14。图 1海水流动方向示意图(据文献 14 修改)Fig.1Schematic diagram of the direction of ocean current(modified from ref.14)由于海水在竖直方向上没有形成闭合回路，在 Bx引起的洛伦兹力 Fz作用下带电正离子在海底堆积，带电负离子在海面堆积，在 z 轴上形成一个向上的电场。该电场施加与洛伦兹力方向相反的力给正离子，达到平衡。因此垂直于海平面的电流密度为 0。电场强度 Ez为:Ez=Fz/q=VyBx(1)其中:q 为带电正粒子的电荷量，Vy为海水的流动速度。以海平面的电势为零点，则海中与海面的感应电动势 为:=z0 VyBxdz(2)801现代地质2023 年在 Bz作用下，海水中带电正离子受到的洛伦兹力沿 x 轴方向，其电场强度 Ex为:图 2XCP 中前端传感器及模拟信号处理部分整体框图Fig.2Overall block diagram of front-end sensor and analog signal processing in XCPEx=VyBz(3)但是与垂直海平面方向的 z 轴不同的是，海水在水平方向形成闭合回路，因此沿 x 轴方向电流密度 x为:x=VyBz(4)其中，为海水电导率。假设海水的流动只存在于海表面，则理想化的海流流速 Vy为14:Vy=V0z z1V01 z z1z2 z()1z1 z z20z z2(5)其中:z 为当前海流所在深度;z1、z2为水下的某一深度，z2的深度大于 z1;z2以下海水的流速为 0，z1以上海水的流速为 V0。一般情况下 Bx是一个常量，则电位分布U 为:U=V0z1Bxz z1V0z1Bx+V0Bx2(z2 z1)1 z2 zz2 z()12z1 z z2V0z1Bx+V0Bx2(z2 z1)z z2(6)1.2XCP 测量原理通过两个间距为 L 的电极作为传感器测量海流感生电动势。建立以东为 x 轴，北为 y 轴，向上为 z 轴的坐标系，令感生电场的测量方向与 y 轴存在一个夹角，电极两点中测得的感生电动势1为:1=Bz(V V)L=VE V()EBzLcos(VN VN)BzLsin(7)式中:VE、VN、VE、VN分别为海流的东、北方向分量及其平均速度。由此可知，待测电压与电极距离 L、海流的相对速度 V V成正比。通过测量 1可测得海流的相对速度，因实际中 V 不易确定，所以一般测量结果都是以相对速度的形式表现4 5，14。2XCP 模拟电路设计XCP 的电路部分分为数字电路部分与模拟电路部分，本文主要研制模拟电路部分，分为前端传感器、模拟信号处理部分、模数转换、压频转换及电源部分等。前端传感器及模拟信号处理部分整体框图如图 2 所示。2.1前端传感器XCP 的前端传感器由两个电极(用于测量感生电场)、一个与电极同轴的罗盘线圈(用于测量方位并抵消下沉引起的强干扰)、热敏电阻(用于测量海洋温度信息)组成。电极为以粉末冶金工艺、按照一定的配方比例制成的 Ag AgCl 电极，其对16 Hz 处的信号分辨率满足 XCP 对于纳伏级的海流感生电场微弱信号的测量要求17 19。随着 XCP探头以 16 r/s 的速度在海中旋转下沉，调制海流901第 1 期李鹏宇等:投弃式海流电场剖面仪中模拟电路的研制电场信号产生部分电极信号与线圈信号。同时由于探头下沉，电极切割磁力线产生下沉感生电场信号，下沉感生电场信号与调制后的海流电场信号共同组成电极信号5。海水的温度能直接体现全球气候变化的整体特征分布20。温度信号的采集采用了热敏电阻。随着仪器的下沉，热敏电阻接触海水，电路对热敏电阻检测到的温度值进行采样，将阻值的变化量转换为电压的变化量，通过查询温度与电压值的对应表，可以得出当前环境下的海水温度。从AD(模数转换)的参考电压处输出温度采集电路的供电电压，并加入由 LT1114 构成的电压跟随器，可以保证温度采集结果不受 AD 参考电压波动的影响。2.2模拟信号处理部分XCP 中模拟信号处理部分主要实现对电极信号、罗盘线圈信号、温度信号的采集预处理。电极信号经过后续的信号处理与信息提取，可得到所测区域内海流的相对流速，罗盘线圈信号经过后续处理可得到所测区域内海水的流动方向与其他辅助信息。但探头自身下沉电极切割水平地磁场产生下沉感生电场信号，属于强干扰信号。需设计好电场同向分量补偿电路的比例关系以抵消探头下沉引起的强干扰感生电场。电场同向分量补偿电路 Vm为:Vm=9 250 Ee 0.025 2500 Ec=9 Ve 0.025 Vc(8)其中:Ee是电极上的下沉感生电场信号与海流感生电场信号的叠加，Ec是罗盘线圈信号。电场同向分量补偿电路满足公式(8)时，则 XCP 探头下沉感生电场可以得到最大程度的削弱5。因此信号处理部分主要分为前置放大电路，滤波电路、减法电路等。前置放大电路部分采用了 TI 公司生产的INA128。INA128 是一款高精度、低功耗的通用仪表放大器，其内部集成了三个运算放大器，具有低偏置电压、低温度漂移和高共模抑制等优点。通过调节 INA128 外部电阻 g的阻值大小可以实现 1 10000 的增益选择。电极信号与罗盘线圈信号经过放大后再通过由 LT1114 构成的减法电路实现对下沉引起感生电场信号的抵消，减法电路部分如图 3 所示。考虑到电极信号与罗盘线圈信号均为16 Hz 左右的信号，在放大电路的前端加入 C 无源低通滤图 3减法电路示意图Fig.3Schematic diagram of the subtraction circuit图 4滤波电路示意图Fig.4Band-pass filter circuit波器进行简单的滤波，后续信号处理电路中加入中心点为 16 Hz 的二阶带通滤波电路，在允许 16Hz 信号通过的同时滤除其他频段的干扰，提升信号质量。滤波电路部分如图 4 所示。2.3模数转换及压频转换部分模数转换电路采用了 24 位高精度 AD 芯片CS5532，主要用于接收温度信号并将其转换为数字信号。CS5532 是由 Cirrus Logic 公司推出的极低噪声、多通道的 型模拟/数字转换器。该芯片具有2 个通道，可测量 2 个差分信号，内部集成可编程增益斩波放大器与一个四阶 调制器，具有精度高、动态性能宽的特点。其内部集成有自校正系统，具有消除模数转换芯片的零点增益与漂移误差的功能。模数转换电路如图 5 所示。比较器电路采用了 LM393D 芯片。LM393D是双路电压比较器集成电路，由两个独立的精密电压比较器构成，具有高增益、低功耗的特点，通过比较两路输入电压改变输出电压的高低。线圈信号经电压比较器处理后输出给数字电路部分进行信息提取。压频转换电路采用了 AD650 芯片。AD650 是美国 Analog Devices 公司推出的高精度电压频率(V/F)转换器，具有体积小、精度高且外围电路简单等优点。电极信号与罗盘线圈信号经压频转换电路处理后输出给数字电路部分进行处理。011现代地质2023 年图 5模数转换电路原理图Fig.5Schematic diagram of analog to digital conversion circuit2.4电源部分模拟电路采用锂电池供电，其供电电压为 3.74.25 V。正压部分由锂电池直接供电，经由LTC3426 输出给 LT1962 生成系统所需 5 V 与 2.5V 电源。LT1962 是一款低噪声 LDO，其最大可以提供 300 mA 输出电流，内部集成有保护、限流等电路。负压部分采用 MAX764 生成。MAX764 是美信公司生产的一款高效、低功耗、宽电压输入范围的 DC DC，静态电流仅 120 A，通过调节外部电阻的大小调节输出电压。由于 MAX764 为开关电源，其电源纹波过大，因此采用 LT1964 生成系统所需 5 V 与 2.5 V 电源。LT1964 是一款低噪声 LDO，其输出电压范围为 20 1.22 V，具有低噪声、低功耗、低压差等特点，其电流最大输出为 200 mA。3测试对模拟电路进行测试，验证电路是否满足设计需求。本文主要介绍电源纹波测试、模拟电路放大倍数测试以及电压比较器电路测试。3.1电源纹波测试电源纹波是衡量电路工作的重要指标之一，图 6 所示为系统电源纹波测试结果，可以看出，系统工作时放大器的供电电源噪声在 0.5 mV左右。3.2模拟电路放大倍数测试由于电极信号与罗盘线圈信号较小，普通信号发生器无法产生，且通过导线传输易混杂工频干扰，因此在电路中加入如图 7 所示电阻衰减电路。使用锁相放大器输出频率为 16 Hz、有效值为0.4 mV 的正弦信号，信号经衰减电路之后峰值为图 65 V 电源纹波测试(a)和 5 V 电源纹波测试(b)结果Fig.6esults of 5 V power ripple test(a)and 5 V powerripple test(b)50 nV，再由锁相放大器测得经电路放大后输出的信号。将模拟电路板按 1 6 号进行编号，测试其对应放大倍数。所测得电极通道放大倍数如表 1所示，线圈通道放大倍数如表2 所示。图8 为线圈通道经滤波放大后输出信号，其峰峰值为3.06 V。111第 1 期李鹏宇等:投弃式海流电场剖面仪中模拟电路的研制图 7电阻衰减网络Fig.7esistance attenuation circuit表 1电极通道放大倍数Table 1Electrode channel magnification test电路板编号 信号频率/Hz 衰减电路衰减倍数 电极通道放大倍数1163766.478343120527.302163735.524841119462.093163769.317753111209.964163732.736096115752.145163756.574005119083.406163769.317753111209.95表 2线圈通道放大倍数Table 2Coil channel magnification test电路板编号信号频率/Hz线圈通道放大倍数116252921627043162655416262351627696162600图 8线圈通道输出波形Fig.8Coil channel output waveform3.3电压比较器电路测试信号经电压比较器后输出脉冲信号给后续数字电路进行处理，测试结果如图 9 所示。通道 1所示正弦波为16 Hz 输入信号，通道2 所示方波为图 9电压比较器测试Fig.9Voltage comparator test经过电压比较器后输出的脉冲信号。由图 9 可知两路信号为同频信号，方波峰峰值控制在 2.8 3.3 V 之间，方便后续数字电路部分进行处理。通过对所研制模拟电路的电源纹波测试、放大倍数测试以及电压比较器电路测试，可知所研制的模拟电路满足 XCP 探头的实际应用需求，其各项性能指标及相关功能为:(1)XCP 探头在工作时，其放大器供电电源纹波约为 0.5 mV;(2)电极通道模拟电路部分对于输入信号的放大倍数大于 1.1 105倍，线圈通道模拟电路部分对于输入信号的放大倍数大于 2.5 103倍，可满足 XCP 探头对于电极信号与线圈信号的放大需求;(3)电压比较器实现了 16 Hz 模拟正弦信号向同频方波(数字)信号的转换。4结论本文研制的用于 XCP 中的模拟电路主要实现以下功能:(1)通过滤波、放大电路的设计，实现了对纳伏级海流电场信号的信号处理;(2)通过对海流电场同向分量的硬件电路补偿，在一定程度上抵消 XCP 探头下沉感生电场信号的干扰。经实验测试，系统工作时放大器的供电电源纹波在 0.5 mV 左右，所研制的 XCP 中的模拟电路稳定可靠，对于 16 Hz 的信号采集精度优于 50nV，对信号的放大倍数满足信号处理的要求，电极通道放大倍数大于 1.1 105倍，线圈通道的放大倍数大于 2.5 103倍数。参考文献:1冯士筰，李凤岐，李少菁 海洋科学导论 M 北京:高211现代地质2023 年等教育出版社，1999:144 145 2周庆伟，白杨，封哲，等 海流测量技术发展及应用 J海洋测绘，2018，38(3):73 77 3单忠伟 海流测量技术综述 J 声学与电子工程，2011，28(1):1 5 4刘宁，何鸿鲲 投弃式海流剖面测量仪测量原理研究 J海洋技术，2010，29(1):8 11 5张启升，邓明，刘宁，等 投弃式海流电场剖面仪研制J 地球物理学报，2013，56(11):3699 3707 6 陈文义，张瑞，刘宁，等 旋转对投弃式海洋剖面仪运动特性影响的数值研究 J 海洋技术学报，2011，30(4):61 63，81 7 刘宁，张瑞，陈文义，等 XCP 投弃式海洋探头阻力系数数值计算及试验研究 J 海洋技术学报，2010，29(4):12 14 8SANFOD T B，DEVE G，DUNLAP J H A velocity profi-ler based on the principles of geomagnetic induction J DeepSea esearch，1978，25(2):183 210 9SANFOD T B Motionally induced electric and magnetic fieldsin the sea J Journal of Geophysical esearch，1971，76(15):3476 3492 10 SZUTS Z B Using motionally-induced electric signals to indirectlymeasure ocean velocity:Instrumental and theoretical develop-mentsJ Progress in Oceanography，2012，96(1):108 127 11 刘宁，李永军，朱光文 一种投弃式快速海流剖面观测仪器J 海洋技术，2007，26(3):13 15 12 殷铸灵 低频小信号放大电路的研究D 北京:北京邮电大学，2012 13 刘国梁，胡坚，王震，等 基于小波变换的高光谱激光雷达回波微弱信号处理技术 J 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