高精度同步输出多功能发射控制技术

周逢道，王爽，赵心晖，孙彩堂



高精度同步输出多功能发射控制技术

周逢道1, 2，王爽1，赵心晖1，孙彩堂1

(1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春，130061；2. 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心，吉林 长春，130061)

针对现有的电磁探测发射控制系统输出同步精度低、输出信号存在累积误差等不足，提出高精度同步输出发射控制技术。设计以GPS自带时钟源和高精度恒温晶振协同作为系统时钟，结合各自的优点，在GPS同步时，由GPS自带时钟源信号作为系统时钟；在GPS无法同步时，利用GPS秒脉冲信号对恒温晶振输出的分频信号进行同步校正作为系统时钟；根据发射频点的特点，选择合理的校正周期，采用最小公倍数法对输出信号进行同步校正，减少输出频率的误差。研究结果表明：输出同步精度可以达到100 ns级，满足20 mrad以内的相位测量精度要求。利用FPGA强大的计数和分频功能，实现输出波形和频率的多样化。该技术可实现扫频和手动2种发射模式，输出满足频率域电磁探测和时间域电磁探测的多种波形，可扩展性强，同步精度高，满足多功能电磁探测发射系统的控制要求。

发射控制系统；同步校正；输出同步精度；多功能电磁探测

可控音频大地电磁法(controlled source audio-frequency magnetotelluric, CSAMT)是将两端接地的有限长导线作为发射源，人工发射交变电磁场[1]，测量水平方向的电场E和垂直方向的磁场H，通过分析相应的电性参数得到地质结构的相关信息的一种方法[2−5]。阻抗相位是CSAMT探测方法中的重要参数，为了准确地勘探地下介质的电性结构，在野外测量时，必须提高输出信号的同步精度，实现对阻抗相位的高精度测量。恒温晶振具有在短时间内可保持较高精确度、稳定性好且不易受干扰等优点，但它需要工作在恒温环境下，且随时间的推移它会出现老化现象，产生不可逆的频率偏移，长时间使用恒温晶振会产生累积误差[6]，影响电磁探测发射系统的输出精度。GPS自带时钟源具有同步精度高、无累积误差[7]、不受地形或测量距离等影响以及高稳定度等优点[8−9]；但GPS如遇到太阳风暴或卫星失锁等因素时[10]，GPS输出信号将出现短时不稳定，影响同步精度[11]。为此，针对现有的电磁探测发射控制系统输出同步精度低、输出信号存在累积误差等不足之处，提出高精度同步输出发射控制技术。近年来，一些通过秒脉冲信号对恒温晶振输出时钟进行复位，或以秒脉冲信号作为基准源对恒温晶振频率偏移进行估算并修正等双时钟协同工作方式得到了广泛应用，在一定程度上提高了同步精度，但仍具有频点受限、装置复杂性较高等不 足[11]。为了进一步提高系统时钟的稳定性和输出精度，本文作者设计以GPS自带时钟源和高精度恒温晶振协同作为系统时钟，两者相互配合。在提高同步时钟精确度的前提下，该设计还对输出信号进行同步处理，采用最小公倍数法对输出信号进行同步校正，减少阻抗相位的测量误差。该方法充分利用了GPS自带时钟和恒温晶振各自的优点，在提高输出同步精度的同时，利用最小公倍数的同步校正方法简化了高精度同步输出的实现过程。

1 CSAMT测量原理和同步要求

在CSAMT测量时，利用式(1)可以计算视电阻率(卡尼亚电阻率)s，用式(2)计算阻抗相位z，计算并分析这些电性参数，以达到勘探地球内部电性结构的目的[5, 12]。

式中：为角频率；为岩石导磁率；E为水平方向的电场强度；H为垂直方向的磁场强度；为水平电场E的相位角；为垂直磁场H的相位角[13]。

卡尼亚电阻率s和阻抗相位z是可控音频大地电磁法(CSAMT)中的2个重要参数，z是大地对发射场源(激励信号)响应的相位偏移，接收系统测量到的信号和发射系统产生的信号之间所存在的这个相位差可以有效地反映出大地的极化程度，z可以用来识别近区和过渡带，在静态效应的识别和校正方面都有着重要的作用[12, 14]。因此，在CSAMT测量时，除幅度外，接收系统采集到的信号与发射电流之间的相位差也是一个重要的测量参数。为了准确地测量接收和发射之间的相位差，保证实验结果能够准确地反映地下介质构造情况，就需要高精度的收发同步。

假设所发频点的频率为，测量精度为1 mrad时对应的时间间隔为

由式(3)可知：对于相同的相位测量精度，频率越高，则对系统时钟的同步精度要求越高。

根据电偶源频率域电磁测深法技术规程的要求，相位测量误差不应超过±2°，即±35 mrad。为了保证仪器能用于测量，设计仪器的指标应比规范要求高，本文设计的相位测量精度为20 mrad。由于CSAMT的测量频率范围较宽，对于最高测量频点 8 192 Hz，若满足相位测量的精度能够达到20mrad，则需要系统同步时钟误差小于389 ns，此时对于其他小于8 192 Hz的所有频点，相位测量精度都将满足测量要求。

2 高精度同步输出设计

根据上述CSAMT的测量要求，为了准确地勘探地下介质的电性结构，需要精确地对阻抗相位z进行测量。对于传统发射控制系统所采用的恒温晶振同步方式，由于短时精确度高、稳定性好及抗干扰能力强等优点，可以达到较理想的效果，但它需要工作在恒温环境下，且随时间的推移，会由于老化现象而产生不可逆的频率偏移[7]，长时间使用将产生累积误差，最终引起输出信号的频率偏移现象[12]，进一步带来相位的偏移，影响接收信号和发射信号之间相位差Δz的测量结果。因此，在野外测量时，为了实现对z的高精确度测量，必须提高输出信号的同步精度。

如何有效地减小甚至消除由累积误差所引起的输出信号的相位偏移，保证发射与接收之间的高精度时钟同步，减少处理测量参数时的干扰因素，成为发射控制系统所要研究的重点问题。

2.1 系统时钟的同步设计

采用GPS自带时钟源(无累积误差)和恒温晶振共同作为本设计的系统时钟，结合GPS和恒温晶振各自的优点，两者相互配合，取长补短。本设计中，发射和接收系统都采用高精度的CW25−TIM型号GPS芯片，同步精度为100 ns，它可输出高精度的10~3×107Hz信号(默认输出频率为10 MHz)。

在系统的同步时钟设计上，选择在GPS同步时，由GPS的自带时钟源信号作为系统时钟，则输出信号只存在随机误差，而不存在累积误差；在GPS无法同步时，利用GPS的秒脉冲信号对恒温晶振输出的分频信号进行同步校正作为系统时钟，弥补GPS短时间不稳定或不可靠定位的缺点。这种协同作用的系统时钟，减小了输出信号频率的误差，提高了系统输出的同步精度，同步精度可以达到100 ns级，满足20 mrad的相位测量精度。

2.2 输出信号的同步处理

在提高同步时钟精确度的前提下，对输出信号进行同步处理，能够更有效地消除输出信号的累积误差，有效地减小阻抗相位z的测量误差。由于恒温晶振存在累积误差，随着时间的推移，输出信号会逐渐产生频率偏移，引起输出信号的相位偏移。

同步校正主要是以GPS秒脉冲信号作为参考，调节恒温晶振的振荡频率或改变分频系数产生同步时钟，来补偿上述恒温晶振频率偏移对同步时钟的影 响[12, 15−17]。消除输出累积误差实际是一个对输出波形进行校正的过程，以GPS秒脉冲信号作为参考信号，选择合适的校正周期对分频计数器进行清零，直到下一个GPS秒脉冲信号上升沿时输出信号重新以零相位开始输出，从而实现对输出信号的同步校正。为了使接收系统所采集到的信号具有完整性和一致性，需要保证每次校正(分频计数器的清零)都不会影响到输出波形的完整性，即输出波形一直是连续的完整波形。图1所示为选择不同校正周期时输出波形的校正情况，其中1=2.5 Hz(1=0.4 s)，2≈2.389 Hz(2≈0.419 s)，3=2 Hz(3=0.5 s)。当以0=3 s作为校正周期时，只有3能够产生连续完整的输出波形，实现预想的对输出波形同步校正的目的；对于1和2，由于选择的校正周期不是该频点本身周期的整数倍，因此，会出现波形不连续现象，即输出波形相位不连续、波形不完整。因此，只有当校正周期为所发频点周期的整数倍时，才能使每个校正周期内的输出信号都以零相位开始和结束，达到预想的校正效果。

图1 不同校正周期输出波形示意图