程控增益式海洋电场信号采集系统和装置制造方法及图纸

本实用新型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系统和装置，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，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。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均采用低噪声电路设计，可以用于海洋微弱电场信号的采集。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。

【技术实现步骤摘要】
程控增益式海洋电场信号采集系统和装置
本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系统和装置。
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系统和装置。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，本技术提供了一种程控增益式海洋电场信号采集系统和装置。本技术是这样实现的，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。本技术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系统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，是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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：/n用于检测三个垂直方向的电场信号并传给数据采集电路的电场传感器；/n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；/n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；/n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；/n与主控电路连接，/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种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：
用于检测三个垂直方向的电场信号并传给数据采集电路的电场传感器；
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。


2.如权利要求1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；
现场可编程门阵列与数据采集电路信号接口连接；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；
用于采集的各个通道的海洋电场信号数据存储的CF卡；
用于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时钟同步精度的时钟模块；
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；
用于GPS授时和接收秒脉冲PPS信号的GPS串口；
用于挂载水声通信机，用于远程控制电路放大增益的系统扩展串口。


3.一种搭载权利要求1所述程控增益式海洋电场信号采集装置的...

【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：新型
国别省市：山东;37