CC BY
5Формирование и усиление сигналов
УДК 621.317.75
Аналоговые тракты системы регистрации и обработки геомагнитных сигналов
Кулигин М.Н.
Аннотация: В статье рассмотрены особенности и специфика датчиков и схем входных цепей их предварительных усилителей, входящих в состав системы регистрации электромагнитных полей геомагнитных пульсаций в диапазоне сверхнизких частот - (0.002-5) Гц. Рассматриваемая система предназначена для эксплуатации в полевых условиях в непрерывном круглосуточном режиме; система многоканальная, при реализации системы необходимо обеспечить идентичные амплитудно-частотные характеристики аналоговых трактов всех каналов, что требует тщательного анализа как самих датчиков, так и трактов усиления и фильтрации регистрируемых сигналов.
Ключевые слова: сверхнизкие частоты, геомагнитные пульсации Земли, геовольтметр, индукционный магнитометр, постоянная времени активного датчика, плоская модель изотропной проводящей среды, пространственно-квадратурные электрические поля.
Введение
Особым видом изменения геомагнитного поля Земли являются так называемые геомагнитные пульсации - электромагнитные волны очень низкой частоты, наблюдающиеся на поверхности Земли. Геомагнитные пульсации порождаются за счет взаимодействия плазмы гидромагнитных волн, идущих от Солнца, с магнитосферой Земли.
Пульсации электромагнитного поля Земли относятся к классу геомагнитных сигналов и являются в настоящее время ценным инструментом, дающим большое количество информации, в частности, в исследованиях космического околоземного пространства и изучении земной коры и верхней мантии. Прикладное значение зарегистрированных на земной поверхности геомагнитных пульсаций для изучения структуры земной коры и верхней мантии велико и в настоящее время не вызывает сомнений [1]. Одна из практических задач, которую можно решить, используя поле геомагнитных пульсаций, представлена в [2].
Современная система регистрации и обработки геомагнитных сигналов представляет собой сложный программно-аппаратный комплекс устройств. Это объясняется, прежде всего, обилием и противоречивостью требований, которым она должна удовлетворять. Рабочий диапазон частот аппаратуры (от 0.002 - 5 Гц) для исследовательских целей должен учитывать неравномерность амплитудного спектра и ширину спектра отдельных видов пульсаций [3].
В качестве подобной системы может выступать один из множества существующих сейчас универсальных микропроцессорных комплексов сбора данных. Однако, вследствие того, что они не разрабатывались изначально для регистрации геомагнитных пульсаций, им присущи два недостатка. Во-первых, ненужная избыточность - многие функции таких систем на практике никогда не будут применяться, поэтому нет смысла за них переплачивать. А во-вторых, сигналы, получаемые в результате регистрации геомагнитных
пульсаций, настолько специфичны (частота от долей герца до 5 герц, меняющийся во времени динамический диапазон, высокий уровень помех), что эти системы просто не могут адекватно обработать такие данные. В связи с этим разработка подобной системы сбора данных является весьма актуальной.
Постановка задачи
Разработка эффективных и надежных систем сбора и обработки геомагнитных сигналов является важнейшим направлением при организации современных геомониторинговых систем. Она включает в себя решение трех основных задач [4]:
- задача проектирования аналого-цифрового тракта, который предполагает возможность адаптации аналоговой части системы датчик - канал измерения под конкретную геофизическую информацию и под условия конкретного эксперимента;
- задача разработки алгоритмов предварительной обработки данных регистрации электромагнитных полей (эта задача является особенно актуальной в системах реального времени, используемых в автоматизированных измерительных комплексах, которые предназначены для долговременной регистрации и обработки геофизической информации в условиях полевого эксперимента) [5];
- задача тестового контроля и обеспечения достоверности регистрируемых геофизических данных [5].
Исходя из анализа параметров исследуемых полей и условий проведения экспериментов (долговременная синхронная регистрация шести компонент поля пульсаций), можно сформулировать общие требования к измерительному тракту системы регистрации и обработки геомагнитных сигналов [6,7].
1. При синхронной регистрации компонент поля все измерительные каналы аппаратурного комплекса должны быть
идентичны по своим параметрам, а их передаточные характеристики стабильны в течение длительного периода работы.
2. Должны быть приняты меры для защиты от возможных помех при измерениях (сигнал помехи, как правило, многократно превышает полезный сигнал).
3. Требуется обеспечить стабильность амплитудно-частотных характеристик измерительных трактов регистрации геомагнитного поля.
4. Необходимо обеспечить минимальное время переходных процессов при воздействии внешних импульсных возмущений, перегружающих измерительный тракт.
5. Согласовать динамический диапазон геомагнитных пульсаций во всем измерительном диапазоне частот с параметрами измерительного тракта и регистрирующей микропроцессорной системы.
Выполнение перечисленных требований достигается выбором соответствующей конструкции датчиков, а также выбором современной элементной базы для построения аналогового тракта предварительного усиления и фильтрации регистрируемых сигналов.
Аналоговый тракт предварительного усиления и фильтрации электрической компоненты электромагнитного поля Земли назван геовольтметром, а аналоговый тракт предварительного усиления и фильтрации магнитной компоненты электромагнитного поля Земли назван магнитометром.
Целью данной работы является анализ датчиков и схем входных цепей геовольтметра и магнитометра.
Датчик электрического поля и синфазная помеха
На рис. 1 представлена плоская модель изотропной проводящей среды (сетка с шагом проводимости g) под воздействием двух плоских пространственно - квадра-
турных электрических полей с напряжённостью Ех и Еу. Эти поля определяют направления и величины элементарных токов гх и гу и соответствующие им элементарные напряжения их — iJgx, иу = Ь^у.
Измерительный прибор (геовольтметр), включенный между узлами А и В (по эквипотенциали относительно Ех), будет показывать падение напряжения:
в в
иАВ =Е iУ 7 gy = iУ Е17 &У (1)
А А
независимо от перемещения точки «С» (собственной «земли» вольтметра) по направлению АВ.
Ситуация изменится, если точку «С» перенести с направления АВ и поместить в точку С1. Тогда к входам а' и Ь' (см. рис. 1), кроме напряжения иАВ, будет приложено синфазное напряжение Цсс1 — ixlgx. При смещении «земли» в точку С2 величины синфазных напряжений на входе вольтметра (входном усилителе геовольтметра) останутся неизменными, изменятся лишь составляющие напряжения
Еу
иАВ — иАС2 + иС2В.
Таким образом, величина синфазных напряжений зависит от удаления «земли» прибора по перпендикуляру к линии АВ и от напряжённости поля Ех вдоль этой нормали:
Ci
UCCi = ix Z1/.
(2)
t
1у, t » 1 1 1 1
1 1 1 1 S
ч А С В
ci4 С2
Ci Ск
Ч 1 !* * &
1х 1х 1х 1х
ЕЛ 1 I \ \ \ \ \ \ \ \
Рис. 1. Плоская модель изотропной проводящей среды для электрических компонент поля Земли
Причиной возникновения синфазного напряжения может быть и локальная анизотропия - возникла лужа от дождя и, соответственно, изменилась проводимость почвы вблизи узла «С», которая «перетянет» его по направлению к С1.
Наличие синфазного сигнала помехи требует применение входных усилителей с дифференциальным входом и большим коэффициентом подавления синфазного сигнала с целью подавления этого сигнала. Этим достигается ВЕКТОРМЕР-НОСТЬ измерительного тракта (необходимо измерять синхронно три компоненты вектора электрического поля Земли) и стабильность режимов работы его узлов. Геовольтметр должен иметь большое входное сопротивление
в
^вх & , которое необходимо
не только для повышения передачи входной цепи, но и для устранения «измерительной анизотропии».
Подавление синфазного сигнала современными инструментальными усилителями превышает значение 100 дБ и осуществляется непосредственно внутри операционных усилителей, на базе которых реализованы эти усилители. Но если возникновение синфазного сигнала связано с другой
пространственно-квадратурной компонентой Ех, то почему бы, вообще говоря, не измерять эту синфазную составляющую, ис-
пользуя внутри геовольтметра не только разностные подавляющие устройства (для выделения несинфазного сигнала), но и суммирующие (для выделения синфазного сигнала). Опыта таких измерений, к сожалению, пока нет.
Входные цепи геовольтметра
Регистрация сигналов в диапазоне сверхнизких частот предполагает использование в качестве датчика электрических сигналов заземлённых линий, представляющих собой пару электродов (пластин из свинца), расположенных на глубине примерно 0,5 метра от поверхности земли. Измерение трёх компонент вектора электрического поля осуществляется использованием двух пар заземлённых линий, расположенным по направлениям север-юг и восток-запад, а для измерения вертикальной компоненты необходима скважина глубиной не менее 100 метров, в которой размещается ещё одна пара электродов. Расстояние между электродами фиксировано и равно обычно 100 м. От каждого электрода к геовольтметру прокладывается изолированный кабель (линия датчика) длиной (100-150) метров, который кроме передачи полезного сигнала, является антенной для помех промышленной частоты. Возникает проблема подавления помех: собственные шумы геовольтметра, помехи промышленной частоты и помехи, обусловленные электрохимическими процессами в почве.
Расширение диапазона частот в сторону ниже 0,01 Гц приводит к возрастанию дрейфа нуля (постоянной составляющей) усилителей геовольтметра и прохождению ультранизкочастотных помех. При измерениях в диапазонах (0,01^0,1) Гц и выше естественно стремление к ёмкостной связи предварительного усилителя геовольтметра с линией. Но такое решение требует обеспечения соответствующей постоянной времени входной цепи,
то есть возрастания ёмкостей разделительных конденсаторов и сопротивлений, которое сопровождается возрастанием наводок во входных цепях вследствие увеличения габаритов и возрастанием собственных шумов и дрейфа нуля входных операционных усилителей (ОУ), критичных к величине сопротивления утечек. Поэтому при выборе в качестве базовой схемы предусилителя геовольтметра основное внимание уделяется его входным цепям.
На рис. 2 а, б, приведено два возможных варианта схем входных цепей геовольтметра.
Наиболее простая и широко распространённая на практике входная цепь предусилителя геовольтметра (рис.2 а) с постоянной времени т = CRВ может быть реализована в трёх вариантах исполнения.
Первый случай равенства т =- (юн -
нижняя частота диапазона) предъявляет высокие требования к точности и стабильности постоянной времени, так как она определяет совместно с трактом фильтрации нижнюю частоту среза и равномерность АЧХ. Для исключения влияния сопротивления измерительной линии RI необходимо выполнять условие RВ >> RI. Так как на нижней рабочей ча-1
стоте R =■
rnHC
то полное сопротивле-
ние, подключенное к входу ОУ, соизмеримо с утечкой, а не с сопротивлением линии:
Z^ ) = R2 >> R
(3)
при условии g2 < gв, gl < gз, gз >> g2.
Поэтому необходимо постоянную времени т1 выбирать из условия т1 = ——.
Обеспечение требуемого значения т1 = CR2 достигается увеличением сопротивления R2. Благодаря 100%-ой ОС по постоянному току режим ОУ стабилен, выбором же величин RB и обеспечивается приемлемый уровень шумов. Подавление прохождения сигнала на постоянном токе можно осуществлять применением звена ФВЧ первого порядка, сопряжённого с входной цепью (компенсация «полюса» «нулём»).
На рис. 2 б представлена схема входной цепи с умножением сопротивления резистора RB, позволяющая обеспечить необходимую постоянную времени вход-
ной цепи т
= C ■ R
1+R
R
(
1 +
\
R
в у
меньшей величине сопротивления сравнительно с предыдущей схемой:
РТвх
при Rв
к (p) = K0
1 + Р*в
где
К = 1 + R2
0 Ri
i+R Ri
г
i R2
1+—
R
в у
(4)
Такое включение позволяет снизить уровень шумов ОУ. Отметим, что увеличение эквивалентного входного сопротивления Rвх не связано с величиной ограниченного усиления схемы (не зависит от R2).
Наконец, если величина синфазного сигнала одного порядка с измеряемым (асинфазным), то можно, в принципе, вообще отказаться от ёмкостной связи во входной цепи, используя дифференциальный усилитель с открытым входом. Формирование же АЧХ и нижней частоты среза в этом случае можно провести после сумматора, когда будет обеспечено требуемое отношение сигнала к шуму.
Анализ параметров активного индукционного датчика магнитометра
Индукционный магнитометр в своей базовой модели состоит из индукционного датчика и предусилителя, а также последующего тракта фильтрации и управления. Схема основной части (датчик с предусилителем - активный датчик) приведена на рис. 3.
Индукционный датчик содержит катушку индуктивности датчика Lg с большим (сотни тысяч) числом витков Wg и катушку связи (калибровки) Lc с меньшим (тысячи) числом витков Wc. Катушки образуют низкодобротный (с учетом активных сопротивлений обмоток и паразитных емкостей) трансформатор с ферромагнитным сердечником, что допускает анализ схемы с использованием схемы замещения трансформатора. Интересующими параметрами является передача наведенной в катушках магнитометра Э.Д.С. на выход его, влияния вводимой обратной связи (ОС) на частотные характеристики тракта, калибровочные соотношения между ампервитками катушки Lc и входными и выходными реакциями. Так как анализ направлен в первую очередь в область ультранизких частот, то используются соответствующие схемы замещения, хотя общность анализа (при учете физических величин проводимостей) позволяет распространить его и на область верхних частот.
Передача наведенной в датчике Э.Д.С.
Для произвольной спектральной компоненты магнитного потока Ф(t) = Ф0 cos at Э.Д.С. индукции в катушке:
e = Sd- = £Ф0а(- sin at) = уаФ0С0Sat,
где S - конструктивная постоянная ка-
e
тушки. Величину отношения -= jaS
Ф0
можно рассматривать как передаточную функцию индукционного датчика (операция дифференцирования над спектральной компонентой)
KD (P) = jaS = pS . (5) Поэтому коэффициент передачи (см. U
С учетом представленных обозначений коэффициент передачи индуцированного сигнала для схемы без ОС определяется апериодическим низкочастотным звеном первого порядка
K (p)=- KK
1 + ртя
(7)
рис. 3.) KM = -Ф^ можно отобразить где rg = Lgj(r„*||R + Rb)) -
Ф о
произведением двух коэффициентов передач:
е и
Км (Р) = —= Ко(Р) * Ке (Р), (6)
Ф о е
где вторая составляющая Ке(Р) отображает передачу индуцированной Э.Д.С. в катушке на выход предусилителя «К».
Рассмотрим детально эту передачу для случая с ОС и без ОС.
Передача Э.Д.С. без обратной связи (прямая передача)
Эквивалентная схема датчика магнитометра приведена на рис.4. в предположении, что сопротивление R (см. рис. 3.) отключено от выхода усилителя «К» и заземлено, т. е. катушка обратной связи нагружена. На схеме обозначено: Я& - активное сопротивление катушки датчика; ЯЪ - входное сопротивление усилителя;
Яп = Яп2 - приведенное к катушке Lg сопротивление нагрузки катушки Lc при коэффициенте трансформации п = > 1.
активного
постоянная
датчика;
времени
k0 = ЯЪ/ (Я& + ЯЪ ) - коэффициент деления.
Следует отметить, что при разомкну*
той катушке связи (Яп = да) постоянная времени датчика уменьшается до величины т& = ч/ (я& + яъ ).
В соответствии с выражениями (5-7) коэффициент передачи активного датчика «по полю» для схемы без ОС определяется высокочастотным звеном первого порядка
К! (р ) = kо К .
1+Рт&
Передача Э.Д.С. при наличии ОС
Эквивалентная схема для случая с обратной связью приведена на рис.5, где пунктиром обведена схема замещения индукционного датчика, включающая элементы, пересчитанные к обмотке связи LC: ЯС - активное сопротивление катушки; Я/, Яь - пересчитанные сопротивления катушки датчика и входное сопротивле-
R„
R
ние усилителя: R' = ; R\ = ^; Ry -* n n
добавочное сопротивление в цепи ОС.
Для анализа возможное объединение, соответствующее предыдущим схемам:
= и„.
Rc + Ry = R
пересчитанное входное
напряжение. Кроме того, на рис. 5 присутствуют элементы Rk, ек, ес, которые при данном анализе можно исключить.
Передача Э.Д.С. при наличии ОС может быть определена по формуле, известной из теории устройств с ОС:
—1 (Р ) _
K 2 ( Р )=■
1 + ß(p )K
ko K
1 + P*c
1 + pr 1 + pzc (1 + к o KRW/Rn )
о^ 1V/
где тс = Lcn2|Rw - постоянная времени цепи ОС, р(р) - коэффициент передачи ОС, Rw = Rb + К* - сопротивление шунта.
Краткие выводы по результатам анализа
Из проведённого анализа схем входных цепей геовольтметра следует, что для практической реализации предпочтительней будет третий вариант схемы - дифференциальный усилитель с открытым входом (без использования разделительных конденсаторов большой ёмкости).
Поступила 17 июня 2013 г.
Информация
Анализ параметров индукционного датчика магнитометра показал, что введение обратной связи приводит к расширению АЧХ активного датчика в область сверхнизких частот.
Литература
1. Анисимов С.В., Дмитриев Э.М., Аниси-мова Е.Б., Бокастов С.С. Информационно-измерительный комплекс Геофизической обсерватории "Борок", Электронный научно-информационный журнал "Вестник ОГГГГН РАН", М.: ОИФЗ РАН URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/4-2000/anisimov. htm.
2. Кузичкин О.Р. Методы и устройства обработки информации в системе мониторинга импульсных геомагнитных источников. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2008. 168 с.
3. Troitskaya V.A., Chetaiev D.N., Mor-ghounov V.A. et. al. On the structure of geomagnetic pulsations field // Program and Abstracts for the XVI IUGG General Assembly. Grenoble, 1975. Р.233.
4. Кузичкин О.Р., Кулигин М.Н., Пикалкин Ю.В., Сокольников М.А. Основные критерии проектирования автоматизированной системы сбора и обработки параметров полей геомагнитных пульсаций // Математические и технические средства обработки данных и знаний. Ташкент: НПО «Кибернетика» АН РУЗ, 1996. С. 36-40.
5. Кулигин М.Н. Первичная обработка информации в системе регистрации геомагнитных пульсаций Земли на базе учебных стендов SDK-1.1 и SDX-09 // Радиопромышленность. 2012. выпуск 1. с. 132-138.
6. Кулигин М.Н. Шестикомпонентная станция регистрации поля геомагнитных пульсаций. // Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ. 2010. выпуск 1. с. 134-139.
7. Кулигин М.Н. Исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций типа Рс-3 и Pi-2: Автореферат дис... .канд. физ.-мат. наук. М.: ИФЗ АН СССР, 1989.
об авторе
n
Кулигин Михаил Николаевич - кандидат физико-математических наук, доцент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых". E-mail: kaf-eivt@yandex.ru. Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23.
English
Analog highways of geomagnetic signals recording and processing system
Kuligin Mikhail Nikolayevich - candidate of technical sciences, assistant professor Murom institute (branch) of the «Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Address: 602264, Murom, st. Orlovskaya, h. 23.
Abstract: The article describes the features of signal recording in the range of ultralow frequency and specificity of sensors and input circuit of preamplifiers included in the registration system of geomagnetic pulsations of electromagnetic fields in the frequency range - ( 0.002-5 ) Hz. This system is intended for operation in the field in a continuous clock , a multichannel system , the implementation of a system must be identical to ensure that the amplitude- frequency characteristics of the analog paths of all channels that requires careful analysis of both the sensors and the gain and filtering paths detected signals. Analog section preamplifier and filter the electrical component of the electromagnetic field of the Earth called geo voltmeter and analog section pre-amplification and filtering of the magnetic component of the electromagnetic field of the Earth is called a magnetometer. Magnetic field sensor for ultra-low -frequency range under consideration is a helical (200000 turns) coil with a core of permalloy. In the sensor is mounted instrumentation preamplifier ; sensor with preamplifier and sealed while working in the field are in the ground at a depth of about (0.50.6) m length cable to connect this sensor to the registration system is 100-150 m. The complexity of solving the problems of collection, processing and analysis of geomagnetic signals associated with their complex internal structure. They are non-stationary, include local features of various shapes and temporal extension, as well as noise factors of different nature. Local features provide useful and important information about the state of the magnetic field of the earth and must be identified.
Key words: ultralow frequencies, the Earth's geomagnetic pulsations, geovoltmeter, induction magnetometer, active transducer response time, two-dimensional model of isotropic conducting medium, spatial quadrature electric fields.
References
1. Anisimov S.V., Dmitriev E.M., Anisimova E.B., Bokastov S.S. Informatsionno-izmeritel'nyi kom-pleks Geofizicheskoi observatorii "Borok" [Information-measuring complex of the Geophysical Observatory "Borok"], Elektronnyi nauchno-informatsionnyi zhurnal "Vestnik OGGGGN RAN", M.: OIFZ RAN URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/4-2000/anisimov.htm.
2. Kuzichkin O.R. Metody i ustroistva obrabotki informatsii v sisteme monitoringa impul'snykh geo-magnitnykh istochnikov [Information-processing Methods and Devices in the Monitor System of Impulsive Geomagnetic Sources] M.: SAINS-PRESS, 2008, 168 p.
4. Kuzichkin O.R., Kuligin M.N., Pikalkin Iu.V., Sokol'nikov M.A. Osnovnye kriterii proektirovaniia avtomatizirovannoi sistemy sbora i obrabotki parametrov polei geomagnitnykh pul'satsii [The main criteria for designing an automated system for the collection and processing of field parameters of geomagnetic pulsations] Matematicheskie i tekhnicheskie sredstva obrabotki dannykh i znanii. Tashkent: NPO «Kibernetika» AN RUZ, 1996, pp. 36-40.
5. Kuligin M.N. Pervichnaia obrabotka informatsii v sisteme registratsii geomagnitnykh pul'satsii Zemli na baze uchebnykh stendov SDK-1.1 i SDX-09 [Initial processing of information in the registration system of geomagnetic pulsations of the Earth based on the basis of educational booths SDK-1.1 and SDX-09] Radiopromyshlennosf. 2012. V1, pp. 132-138.
6. Kuligin M.N. Shestikomponentnaia stantsiia registratsii polia geomagnitnykh pul'satsii [Six-station registration field of geomagnetic pulsations] Voprosy radioelektroniki, seriia OT, 2010, V1, pp. 134-139.
7. Kuligin M.N. Issledovanie kharakteristik rasprostraneniia geomagnitnykh pul'satsii tipa Rs-3 i Pi-2. Diss. cand. fiz.-mat. nauk [The study of the propagation properties of geomagnetic pulsations of the Pc-3 and Pi-2. Cand. phys. and math. sci. diss.]. Moscow, 1989. 182 p.
