吳珊，王浩，劉磊，曹展宏

（1.中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊 065000；2.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北廊坊 065000）

時間域航空電磁法是通過機載航空電磁裝備向地下發(fā)射電磁脈沖信號，接收反饋回來的二次場信號，獲得地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)分布的物探方法[1-2]，應用范圍廣泛[3-4]。系統(tǒng)發(fā)射能力決定其是否具備大深度兼顧淺層分辨探測水平的重要因素[5-8]，需要精準的控制系統(tǒng)實現(xiàn)復雜的發(fā)射過程[9]，而FPGA 是一種高性能可編程邏輯器件，具有集成度高、可編程等特點，適用于數(shù)字邏輯電路設(shè)計[10-12]。該文設(shè)計了基于FPGA 頂層設(shè)計的門控信號發(fā)生器，通過信號發(fā)生器實現(xiàn)整個發(fā)射系統(tǒng)的時序邏輯，實現(xiàn)在同一個發(fā)射半周期內(nèi)，發(fā)射一個高能脈沖（半正弦波）和一個或多個低能脈沖（梯形波）組合波，高能脈沖保證了大探測深度，低能脈沖保證了淺層分辨能力。

1 多波脈沖合成原理

多波發(fā)射技術(shù)需具備如圖1 所示的電流波形的發(fā)射能力。采用半正弦波脈沖發(fā)射技術(shù)來實現(xiàn)千安級峰值電流發(fā)射，利用多波發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)快關(guān)斷梯形波脈沖和半正弦脈沖同時發(fā)射。圖1 為該文多波電路工作原理圖，由Q1～Q4 四只IGBT 開關(guān)管組成全橋電路，L1和R1為發(fā)射線圈的電感和電阻，諧振電容C1并聯(lián)在全橋電路兩端。在諧振電容C1和主橋路之間加入開關(guān)管Q5 和Q6，在主橋路兩端并聯(lián)電容C2，就構(gòu)成了可實現(xiàn)多波脈沖發(fā)射的逆變電路。

圖1 多波電路工作原理圖

當發(fā)射半正弦脈沖時，Q5 和Q6 導通，C1和C2等效于單個電容，控制Q1～Q4 的開關(guān)狀態(tài)，通過電容的儲能和放電，實現(xiàn)大電流半正弦波的發(fā)射。

當發(fā)射梯形波時，開關(guān)管Q1～Q6 均保持斷開狀態(tài)，電容C1充能至預定狀態(tài)，即C1初始電壓達到最大值，發(fā)射線圈中的電流維持零值。開關(guān)管Q1、Q4、Q5和Q6 同時導通，C1和C2中的儲能通過Q1、L1、R1和Q4構(gòu)成的回路向電感L1中轉(zhuǎn)移，設(shè)定時間T1。T1的大小主要由梯形波的幅值需求決定，即T1越大，電流脈沖幅值越大。Q5 和Q6 斷開時，通過控制Q1 和Q4 的導通與關(guān)斷，實現(xiàn)電容、電阻、電感、二極管及發(fā)射線圈之間的能量轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)小電流梯形波的發(fā)射。通過分時控制開關(guān)管Q5 和Q6 的通斷時間，實現(xiàn)單、多波脈沖的發(fā)射。

2 多波脈沖驅(qū)動信號產(chǎn)生單元設(shè)計

基于FPGA 設(shè)計的信號發(fā)生器具備以下功能：脈寬選擇、頻率選擇、發(fā)射波形選擇（單波、多波）、觸發(fā)模式選擇（內(nèi)、外觸發(fā)）、保護功能（過壓、欠壓、短路）、隔離功能、蜂鳴器報警和LED 指示功能，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

2.1 驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊

如圖3 所示，IGBT 開關(guān)管驅(qū)動信號發(fā)生器主要用于產(chǎn)生高壓充電電容器和逆變器所用IGBT的門控信號[13]，通過控制IGBT 的開關(guān)信號實現(xiàn)不同的發(fā)射波形。其中，S1、S2、S3、S4 構(gòu)成全橋電路，用于產(chǎn)生雙極性波形；S5、S6 用于實現(xiàn)多波發(fā)射；S7、S8 用于消除關(guān)斷振蕩；SH1～SH3 為Boost 電路中的開關(guān)管。

圖3 發(fā)射機電氣連接示意圖

所有驅(qū)動信號都由信號觸發(fā)模塊觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)模式下，觸發(fā)信號由系統(tǒng)內(nèi)部時鐘20 MHz 分頻得到，外觸發(fā)模式下，觸發(fā)信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供[14]。外同步觸發(fā)信號分別為1.25 Hz、25 Hz 和50 Hz 的方波信號。該觸發(fā)信號使發(fā)生器同步產(chǎn)生所有的輸出信號。S1～S4 為主橋路控制信號，為Q1～Q4 的IGBT 開關(guān)管門控信號。S1 和S4 控制邏輯相同，S2和S3 控制邏輯相同，S2、S3 在時序上等同于S1、S4 延遲半周期[15]。

圖4 是25 Hz 發(fā)射基頻時的主橋路IGBT 門控信號，脈寬較寬的脈沖用于控制半正弦波的上升沿，脈寬較窄的脈沖用于控制產(chǎn)生小能量快速關(guān)斷梯形波。

圖4 主橋路IGBT開關(guān)管驅(qū)動信號波形示意圖

S5、S6為Q5、Q6 IGBT開關(guān)管的門控信號，控制子波控制橋路上的門控信號，寬脈沖對應半正弦脈沖，窄脈沖對應梯形波脈沖，如圖5 所示。阻尼橋路的門控信號為S6、S7，控制Q7、Q8 IGBT開關(guān)管。如圖6所示，每當形成一個完整的發(fā)射脈沖，S7 和S8 就置為高電平，將阻尼并在發(fā)射線圈兩端，用以消除振鈴現(xiàn)象。該電路比直接并聯(lián)電阻的方式可獲得更高的發(fā)射效率。

圖5 開關(guān)管Q5/Q6門控信號S5/S6波形示意圖

圖6 開關(guān)管Q7/Q8門控信號S7/S8的波形示意圖

SH1、SH2、SH3 是高壓充電器QH1、QH2、QH3的開關(guān)管門控信號，三路控制信號具有相同的控制邏輯，通過選擇門控信號的頻率和脈寬來實現(xiàn)發(fā)射功率的調(diào)節(jié)。門控信號波形如圖7 所示。

圖7 高壓充電器開關(guān)管QH1、QH2和QH3門控信號波形示意圖

2.2 單波驅(qū)動信號發(fā)生器

門控信號通過狀態(tài)機產(chǎn)生邏輯來實現(xiàn)[16]，如表1所示，“單波發(fā)射”時，S1、S2、S3、S4 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表1 “單波發(fā)射”S1～S4開關(guān)狀態(tài)

其工作過程描述如下：

1）系統(tǒng)上電，進入初始狀態(tài)T0，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉；

2）選擇單波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測到觸發(fā)信號的上升沿，進入狀態(tài)T1，S1、S4 打開，S2、S3 關(guān)閉，發(fā)射橋路正向?qū)?，計?shù)器開始計時；

3）當計數(shù)到設(shè)定的發(fā)射波形脈寬時，進入狀態(tài)T2，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計數(shù)器清零；

4）當再次檢測到觸發(fā)信號的上升沿時，進入狀態(tài)T3，S1、S4 關(guān)閉，S2、S3 打開，發(fā)射橋路反向?qū)?，計?shù)器開始計時；

5）當計數(shù)到設(shè)定的發(fā)射波形脈寬時，進入初始狀態(tài)T0，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計數(shù)器清零。

2.3 多波驅(qū)動信號發(fā)生器

實現(xiàn)多波發(fā)射，需要同時發(fā)射主波形（半正弦波）和副波形（梯形波）。利用S1～S8 門控信號聯(lián)合驅(qū)動信號。

1）S1～S4 門控信號

門控信號通過狀態(tài)機產(chǎn)生邏輯實現(xiàn)，如表2 所示，“多波發(fā)射”時，S1、S2、S3、S4 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表2 “多波發(fā)射”S1～S4開關(guān)狀態(tài)

①系統(tǒng)上電后，進入初始狀態(tài)T0，S1、S2、S3、S4均關(guān)閉；

②選擇多波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測到觸發(fā)信號的上升沿，進入狀態(tài)T1，S1、S4打開，S2、S3關(guān)閉，發(fā)射橋路正向?qū)?，產(chǎn)生正向主波，計數(shù)器開始計時；

③當計數(shù)到設(shè)定的發(fā)射主波形脈寬時，進入狀態(tài)T2，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計數(shù)器清零并重新開始計時；

④當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定的間隔時間，進入狀態(tài)T3，S1、S4 打開，S2、S3 關(guān)閉，發(fā)射橋路正向?qū)?，產(chǎn)生正向副波，計數(shù)器清零并重新開始計時；

⑤當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定的發(fā)射副波形脈寬時，進入狀態(tài)T4，S1、S2、S3、S4 均關(guān)閉，計數(shù)器清零；

⑥當再次檢測到觸發(fā)信號的上升沿，進入狀態(tài)T5、T6、T7，相反方向的主波和副波的激發(fā)原理和工作過程與上述過程相同，最后進入初始狀態(tài)T0。

2）S5 和S6 門控信號

可能為流量計內(nèi)進入臟污，導致浮子抖動或卡頓，此時需對流量計進行清洗。對于金屬材質(zhì)的浮子，可按順序?qū)⑺?、無水乙醇、丙酮、乙醚注入流量計內(nèi)將贓物洗凈，對于塑料材質(zhì)浮子，則可用洗潔精、水、無水乙醚進行清洗。待管內(nèi)溶劑干燥后再裝回原來位置。

如表3 所示，“多波發(fā)射”時，S5、S6 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表3 “多波發(fā)射”S5、S6開關(guān)狀態(tài)

其工作過程描述如下：

①系統(tǒng)上電后，進入初始狀態(tài)T0，S5、S6均關(guān)閉；

②選擇多波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測到觸發(fā)信號的上升沿，進入狀態(tài)T1，S5 打開，S6 關(guān)閉，計數(shù)器開始計時；

③當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定值時，進入狀態(tài)T2，S5、S6 均打開，電容C1的能量釋放到發(fā)射橋路，產(chǎn)生發(fā)射波形主波，計數(shù)器清零并重新開始計時；

④當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定值時，進入狀態(tài)T3，S5、S6 均關(guān)閉，電容C2的能量釋放到發(fā)射橋路，產(chǎn)生發(fā)射波形副波，計數(shù)器清零并重新開始計時；

⑤當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定的時間間隔，進入狀態(tài)T4，S5、S6 均打開，計數(shù)器清零并重新開始計時；

⑥當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定值時，進入初始狀態(tài)T0，S5、S6 均關(guān)閉，計數(shù)器清零。

3）S7 和S8 門控信號

如表4 所示，“多波發(fā)射”時，S7、S8 的開關(guān)狀態(tài)：“0”為關(guān)閉，“1”為開通。

表4 “多波發(fā)射”S7、S8開關(guān)狀態(tài)

其工作過程描述如下：

①系統(tǒng)上電后，進入初始狀態(tài)T0，S7、S8均關(guān)閉；

②選擇多波發(fā)射，打開發(fā)射開關(guān)，檢測到觸發(fā)信號的上升沿，進入狀態(tài)T1，S7、S8 均關(guān)閉，此時發(fā)射橋路導通，發(fā)射波形主波通過發(fā)射線圈，計數(shù)器開始計時；

③當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定值時，進入狀態(tài)T2，S7、S8 均打開，此時發(fā)射橋路關(guān)斷，接入阻尼電阻R2用于吸收關(guān)斷振蕩，計數(shù)器清零并重新開始計時；

④當計數(shù)器計數(shù)到設(shè)定值時，進入狀態(tài)T3，S7、S8 均關(guān)閉，計數(shù)器清零；

⑤檢測到發(fā)射波形副波的上升沿，進入狀態(tài)T4、T5，副波的發(fā)射原理和工作過程與上述過程相同，最后進入初始狀態(tài)T0。

3 多波發(fā)射電路測試

根據(jù)多波脈沖發(fā)射原理及控制設(shè)計了時間域航空電磁發(fā)射樣機。在野外對發(fā)射波形、峰值電流、發(fā)射磁矩等參數(shù)進行了測試。采用FLUKE199C 監(jiān)控示波器和GMC CP-1005 監(jiān)控電流鉗對波形進行實時監(jiān)控。

1）發(fā)射峰值電流測試

如圖8，發(fā)射頻率為12.5 Hz，峰值發(fā)射電流達到1.22 kA。峰值發(fā)射磁矩M=nIS=4×1.22 kA×248.25 m2=1 211.46 kA·m2，實現(xiàn)了瞬時千安大電流發(fā)射，峰值發(fā)射磁矩超過1.2×106A·m2。

圖8 發(fā)射峰值電流波形

2）多波發(fā)射功能測試

圖9 為多波發(fā)射電流波形，表明該設(shè)計方案能夠有效控制發(fā)射電路同時發(fā)射大能量半正弦波和小能量梯形波。

圖9 多波發(fā)射電流波形

4 結(jié)論

為實現(xiàn)時間域航空電磁具備大探測深度并兼顧淺層分辨率的能力，該文利用FPGA作為硬件平臺[17-18]，基于Verilog 硬件描述語言，通過編程實現(xiàn)脈沖頻率調(diào)制或脈寬調(diào)制，精確控制發(fā)射機產(chǎn)生電流波形、頻率和脈寬的變化，通過設(shè)計合理的單波、多波驅(qū)動信號發(fā)生器實現(xiàn)數(shù)字化精準有效控制，產(chǎn)生精度高、可控性強的多路數(shù)字驅(qū)動信號?；谠撐脑O(shè)計的FPGA 控制發(fā)射電路實現(xiàn)的多波脈沖發(fā)射，其主波發(fā)射脈沖由兩個1/4 正弦波組成，上升沿和下降沿的時長和陡度可以程序獨立調(diào)節(jié)，副波發(fā)射脈沖為快速關(guān)斷沿的小幅值梯形脈沖，通過野外試驗實測可知，發(fā)射波形、發(fā)射頻率、峰值發(fā)射電流及發(fā)射磁矩等均滿足設(shè)計需求，驗證了該文方法的可行性，表明該文設(shè)計的發(fā)射電路能夠為時間域航空電磁實現(xiàn)大探測深度兼顧淺層分辨能力提供有力支撐。