地球表面绝大部分被被海洋所覆盖,海洋中蕴藏着丰富的石油、天然气等矿产资源。随着全球经济的持续发展,陆地资源储备正在迅速减少,能源短缺成为一个日益严峻的问题。因此,开发海洋油气资源逐渐上升为全球的重要战略目标^[1-2]。

海洋可控源电磁探测可以有效探测海底不同电阻率的异常体,该技术的原理是利用船只拖曳大功率海洋电磁发射机,在近海底区域发射电磁波,再通过接收机收集反射的电磁波数据。根据海底岩石电阻率的差异性对数据进行分析就能得到电性异常体的分布情况^[3]。然而海洋环境复杂,海水的高电导率会加速电磁波的衰减,如:温度和盐度的波动会影响电导率,从而影响电磁波的有效传播距离;水下声音和自然电磁等一系列干扰,会降低探测信号的信噪比,干扰信号的接收和处理。为确保 MCSEM海底作业的准确性,MCSEM发射机需具备强大的频谱适应性和抗干扰性。研究有限精度任意频率的信号产生技术,就能有效识别和滤除各种干扰,选择最合适的发射频率,提高探测数据的准确性和可靠性。

自19世纪70年代以来,国际上的研究机构已经开始研发海洋可控源电磁探测技术。美国Scripps海洋研究所的Cox教授率先提出了利用水平电偶极子和接收机进行海洋可控源电磁勘查的概念^[4-5],并且进行了相应的海上试验。这些研究成果促使石油和天然气行业对海洋可控源电磁勘探技术产生了极大的兴趣,并催生了多家提供专业海洋电磁服务的公司,开展了数百个探测项目^[1]。国外研发的海洋可控源电磁发射系统,主要有Scripps的SUESI系列^[6]、OHM公司的DASI系列^[7]以及PGS和EMGS各自开发的发射系统^[8-9],以EMGS为例,EMGS的系统可以发射电流高达10 000A^[10],是行业内的领先技术,公开资料表明,其可实现单频和多频的信号输出,但在任意频率方面技术保密。国内的多个研究和开发机构如中国海洋大学^[11]、中国地质大学(北京)^[12-13]、吉林大学、中国科学院以及东方地球物理公司也在海洋可控源电磁探测技术的自主研发中深耕。但现有发射机也只能发射0.01~100 Hz的固定频率的信号,在任意频率方面研究力度不够。

不同的激发频率对应不同的探测深度,为了更好地对海底以下目标进行电性成像,并且根据国内外研究现状,结合海洋可控源电磁发射的实际需求,本论文开展的任意频率波形产生技术对于发射机的频谱适应性和抗干扰具有重要意义。

直接数字频率合成(direct digital synthesizer,DDS)技术的基本原理就是利用可编程时钟信号作为地址计数器的计时时钟,地址计数器的输出则作为波形存储器的扫描地址,波形存储器以对应地址的数字幅度序列为输出,随后经过数模转换成模拟阶梯波形,最终通过低通滤波器进行平滑滤波以获得输出波形。

DDS的基本结构由参考时钟、相位累加器、波形存储器、D/A 转换器和低通滤波器组成。其中,DDS的参考时钟源通常由晶体振荡器产生,提供稳定的时钟信号,确保整个DDS系统各个部分的同步;频率控制字(FTW)是一个二进制编码的值,用于控制相位累加器的累加步长,进而影响输出信号的频率;相位累加器由加法器和级联寄存器组成,根据频率控制字的设定实现相位累加并输出相应的相位增量;波形存储器用于存储待合成信号的波形数据,相位累加器的输出作为波形存储器的地址线;数模转换器将数字波形数据转换为模拟信号,重新合成输出波形。各部分相互协作,通过数字控制和信号处理,实现对输出信号频率和相位的精确控制,从而实现DDS的功能。

本设计采用直接数字频率合成(DDS)芯片AD9833,由ADI公司生产,带有串行接口功能,具有高精度、低功耗、结构简单、体积小的特点。AD9833内部由相位累加器、频率和相位调节器、正弦只读存储器(SINROM)、数模转换器(DAC)和电压调整器组成。AD9833的输入由FSYNC引脚、SCLK引脚、SDATA引脚控制,芯片内部有1个控制寄存器、2个频率寄存器、2个相位寄存器和1个相位累加器。VOUT输出波形主要根据10位DAC输出正弦波和三角波,或MSB直接输出以及MSB/2输出方波。通过FSYNC引脚、SCLK引脚、SDATA引脚对寄存器进行写入,频率寄存器中的值输入到相位累加器中,再与相位寄存器中的值来进行相位偏移,但输出会被截断至12位,并在SIN ROM中寻找对应相位的DAC值,经过10 DAC输出或MSB直接输出或MSB/2输出到VOUT上。AD9833的基本结构原理图如图1所示。

其中:M表示频率控制字,而f_MCLK是芯片所接的晶振频率,本设计采用1 MHz晶振,即f_MCLK=1 MHz。通过对正弦信号进行采样、量化和编码,DDS系统生成一张存储在只读存储器(ROM)中的正弦函数表。利用线性相位累加的方式,以累加值为地址,从ROM表中获取对应的非线性幅值,然后通过硬件进行并行处理,生成波形。这种波形具有更宽的带宽、更短的转换时间、更高的频率分辨率等显著优势。

芯片核心是由加法器和相位寄存器组成的28位的相位累加器。相位累加器在时钟f_MCLK控制下以步长M进行累加,对应的波形相位变化表示为:

相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入到正弦查询表地址中。正弦查询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息,每个地址对应正弦波中0°~360°范围内的1个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号S(n),经D/A转化器变成阶梯波S(t),再经低通滤波器平滑后就可得到合成的信号波形^[14]。因此,改变相位累加器的控制字M,就可以改变相位值ΔP,从而改变合成信号频率V_OUT,即:

通过以上分析可以得出以下结论:DDS的输出频率仅与频率控制字、系统时钟频率以及相位累加器位数有关;频率分辨率仅与系统时钟频率和相位累加器位数有关。若要提高系统的分辨率,可增加相位累加器位数或降低系统时钟频率。

DDS技术提供了一种简便可靠的波形合成方法,其特点是易于控制、可编程性和全数字化操作。本设计选用AD公司的AD9833进行信号生成,AD9833是一款性能突出的专用DDS芯片,不仅具有较高的工作频率和高精度的D/A转换器,还具备一定的调制功能。综合来看,AD9833操作简便且可靠性高,通过单片机和复杂可编程系统联合调控,产生驱动信号,进而实现海底不同频率的发射。为提高电路的稳定性和适用性,各硬件采用模块化设计,整个系统的硬件结构分为两大部分:嵌入式主控系统和复杂可编程系统。图2为总体设计。

由图2可知,嵌入式主控系统是整个硬件设计的核心,主要负责与上位机和复杂可编程系统通信。由于发射机工作在海水中,此模块还需监控发射机舱内的油压、电池电压和发射电压等关键参数。复杂可编程系统主要负责信号的产生和GPS对钟。通过上位机发送命令给嵌入式主控系统,接收并解析后通过SPI向CPLD发送控制信号,以进行信号产生和发射、对钟及获取时钟偏差查询值等功能。嵌入式主控系统和复杂可编程系统均可拆卸更换,除时钟输入、供电和下载器相关引脚外,其他引脚通过排针引出,提高系统板适用性和容错率。

本设计的主控芯片采用意法半导体公司的STM32F407ZET6。该芯片拥有极其丰富的片内资源,并配备32位的高性能ARM Cortex-M4处理器,最高时钟频率可达168 MHz。内置了192 kb的SRAM和512 kb的FLASH存储空间以及16个支持FIFO和突发传输模式的DMA通道,满足串口通信和数据采集。

复杂可编程系统包括核心芯片MAX10、DDS芯片AD9833、1 MHz高精度恒温晶振、对钟电路等。本设计的主控芯片采用Intel公司的10M08SAE144I7G,属于MAX10系列,内部资源丰富,集成了PLD逻辑、RAM、ADC、两个片上FLASH、锁相环(PLL)、数字信号处理(DSP)等,其IO性能优越,支持多种差分电平接入。图3为系统组成。

本设计选用DDS芯片AD9833作为信号产生电路的核心,这是一款由Analog Devices公司开发的高性能直接数字合成(DDS)芯片,具有高度的可编程性、低功耗设计以及广泛的输出频率范围等特点,具备频率和相位可编程的能力。采用1 MHz的高精度晶振,为AD9833提供了一个稳定的时钟源。高精度晶振为系统提供了准确而稳定的时间基准,使得AD9833能够以极高的精度按照指定频率合成波形。这不仅提高了输出信号的稳定性和准确性,同时也使得芯片能够更精确地生成各种频率和波形的信号。信号产生电路如图4所示。

该芯片在3V供电时的功耗仅为20 mW,可以输出0.01~12.5 MHz之间的频率,这一频率范围可以通过软件控制来灵活调整,本设计根据海底不同发射频率的需求,最终确定生成的控制信号频率范围为0.01~100 Hz。为了实现高速且稳定的数据通信,AD9833采用SPI通信协议,通信速率最高可达40 MHz。这样的高速通信能力确保了数据传输的高效性,实时调整输出频率和波形。

软件设计主要分为两部分,一是嵌入式主控系统软件,二是复杂可编程系统软件。图5为整体程序工作流程。

定义AD9833的IO接口及交叉开关,初始化AD9833。当AD9833初始化时,为避免DAC产生虚假输出,RESET必须置为1(RESET不会复位频率、相位和控制寄存器),直到配置完毕,需要输出时,RESET置为0;RESET为0后的8~9个MCLK时钟周期可在DAC的输出端观察到波形。然后写频率寄存器的控制字,输出所需要的波形。

AD9833芯片通过VOUT引脚输出波形,其电源电压范围为2.3~5.5 V。进行串行数据传输时,先拉低FSYNC引脚,串行数据会在16个时钟脉冲的SCLK下降沿移入器件的输入移位寄存器中。在FSYNC变为低电平时,SCLK必须为处于高电平。D0~D11构成了频率控制字,用于设置输出频率的控制参数,通过设定频率控制字的值,可以控制DDS的输出频率范围和分辨率。D12和D13是相位控制位,用于指定相位寄存器的写入,实现输出信号相位的精确控制和调整。D14和D15是控制位,用于选择输出波形类型,包括正弦波、三角波和方波。改变AD9833控制寄存器的内容需要把D15和D14置为低电平。写入相位寄存器时,D15和D14被置为高电平。表1和表2为控制位功能。

VOUT输出包括正弦波、三角波和方波(DAC数据的MSB)。当OPBITEN=0时,DAC与VOUT相连,MODE位决定输出是正弦波还是三角波(MODE=0则输出正弦波;MODE=1则输出三角波);当OPBITEN=1时,VOUT引脚不再提供DAC的输出,DIV2位控制输出的是MSB还是MSB/2(DIV2=0则输出DAC的MSB/2;DIV2=1则输出DAC的MSB)。具体用法如表3所示。

写入频率寄存器需要进行两次写操作,以完整载入任一频率寄存器。设定B28=1可通过两次连续写入实现一个完整字的载入频率寄存器。首次写入包含频率字的14个LSB,次次写入包含14个MSB。两次全部载入后写入频率寄存器,此时D12被忽略。

当B28=0时,将与D12(HLB)配合,28位频率寄存器则用作两个14位寄存器,分别为14个MSB和14个LSB,两者更新时只需对相应的频率地址执行一次写入,互不影响。D12能连续载入频率寄存器的MSB或LSB,指示载入的14位是传输至所寻址频率寄存器的MSB还是LSB,以单独更改频率字的MSB和LSB。HLB=1允许写入所寻址频率寄存器的14个MSB,HLB=0则对应14个LSB。

FSELECT位定义相位累加器中使用的是FREQ0寄存器还是FREQ1寄存器。PSELECT位定义是将PHASE0寄存器还是PHASE1寄存器的数据增加到相位累加器的输出中。

为保证实验测试的完整性,设计了一款上位机界面,确保设备间的通信可靠、安全和高效,上位机界面如图6所示。

完成PCB板的绘制和焊接后进行各模块组装,在实验室进行实际测试,检查功能是否实现。测试分3部分:直接设置频率值测试、调整频率步进值测试和误差测试,测试实物图如图7所示。

直接设置频率值测试:输入0.01~100 Hz范围内分辨率在0.01 Hz的任意频率,状态栏会显示设置成功标志。如图8所示,举例海洋可控源电磁常用发射频点0.01、0.04、0.05、0.10、2.00、100.00 Hz的波形测试结果。根据实验测试数据分析,本文设计的任意频率发射符合海洋可控源要求。

调整频率步进值测试:上位机逐渐改变发射频率(调整频率-或+)后,状态栏返回调整频率-或+后的实际输出频率值,步进值为0.01 Hz。从1.00 Hz开始,不断调整频率减得到0.99、0.98 Hz,不断调整频率增得到1.01、1.02 Hz,输出信号通过示波器查看,时基均为每格400 ms,可以看到输出信号峰峰值均保持在3.44 V,经过观察,输出信号波形基本稳定、准确,测试结果如图9所示。

误差测试:示波器通道1与测试板相连,示波器通道2与外接GPS模块相连。将测试板输出频率和GPS的秒脉冲都设置为1.00 Hz,并将二者的上升沿对齐。经过实际测试,通过示波器的脉宽测试可以看到,测试板输出频率脉宽与GPS的秒脉冲的偏移很小;长时间输出超过24 h后,会产生一定偏移,但不超过20 ppm,满足指标要求。

对本设计的性能指标进行总结,如表4所示。输出频率范围:基于海洋可控源电磁实际发射,为了更好地电性成像,本文将任意频率波形发生的最高输出频率设置为100 Hz。测试结果表明,本设计在输出0.01~100 Hz方波信号时均能保持较好的波形形状。

频率分辨率:根据第二章的分析,时钟晶振为1 MHz时,在理论上AD9833的输出频率分辨率能达到0.004 Hz。根据海洋可控源电磁发射信号的需求,实际测试时的频率分辨率为0.01 Hz,通过上位机直接设置频率或以0.01 Hz步进调制步进,可以直接在示波器观测。

频率稳定度:DDS芯片AD9833产生信号时的频率稳定度主要取决于晶振的温漂。该晶振在常温(25±2 ℃)条件下频差为±20 ppm。从示波器测试数据来看,满足指标要求,对于发射机的频谱适应性和抗干扰具有重要意义。

本文基于海洋可控源电磁对任意频率发射技术进行了研究。在硬件设计方面,采用DDS芯片实现了海洋可控源驱动发射信号的输出,通过嵌入式主控系统和复杂可编程系统联合产生频率可调的时频域波形。在软件开发方面,通过串口输入频率值,由主控板接收通信命令并控制复杂可编程系统上的DDS波形产生模块进行波形生成,从而产生驱动信号并输出。实现开启、停止、更改发射频率和调整脉宽等功能。