程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Signal acquisition method, system, device and application of program-controlled gain offshore electric field

【技术实现步骤摘要】
程控增益式海洋电场信号采集方法、系统、装置和应用
本专利技术属于海洋电磁探测
，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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术是这样实现的，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。本专利技术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；...

【技术保护点】
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；/n所述程控增益放大单元包括：/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兰军，左成，陈家林，黎明，李予国，裴建新，杨文哲，张世凯，李龙，杨凡，周亚涛，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37