投弃式海流电场剖面仪中模拟电路的研制_李鹏宇.pdf
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1、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
2、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
3、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,ZHA
4、NG 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 cu
5、ts 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
6、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 amplif
7、icationof 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 th
8、e 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
9、 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
10、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
11、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”
12、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
13、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
14、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:=
15、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
16、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=
17、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
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