陶 伟 张世田 刘新安 高 俊

（1.海军装备研究院，北京100161；2.海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉430033；3.中国电波传播研究所，山东 青岛266071；4.武汉船舶通信研究所，湖北 武汉430079）

引 言

极低频/超低频/甚低频 （ELF/SLF/VLF）宽带磁传感器是电磁法勘探中的关键仪器设备，主要应用于石油资源、金属矿产的勘探以及深部地球物理勘探，近年来在地热、地下水、火山地质、环境监测、工程勘探、市政工程和土壤盐碱化等领域也得到了应用，有着非常广阔的应用前景［1］。国外地球物理仪器发展较快，而国内磁传感器的技术指标远落后于德国、加拿大和美国等国家，这一现状已严重制约我国电磁法仪器的发展。

电磁法勘探的主要原理是利用自然界低频段的辐射源（如太阳风、大气噪声等），或人工的ELF/SLF/VLF发射源，在一定区域内多点接收特定发射源经地下路径传播后再传回地面的电磁场强度的谱密度，从而得出地面阻抗矩阵对频率的响应，在此基础上按多层介质模型反演出接收点所在处地层电导率随深度的变化［2－3］。 为了探测到地球深部的结构，收测频段的低端频率必须达到ELF频段甚至更低，如0.01Hz；而为了提高浅层地质结构的分辨率，收测频段的高端频率必须达到10kHz左右。这要求相应磁场传感器的频率范围应覆盖从0.01Hz直到10kHz的超宽频段，其中最高与最低频率之比达到106量级，这样的技术要求引发了如下技术难题［4］：为使传感器在工作频段低端的传感系数能够满足需求，必须采用导磁系数大的铁磁材料、纳米晶或坡莫合金作为磁芯［5］；线圈匝数必须很多以保证足够大的有效截面积，而这样的设计必定引起传感器自身具有较大的电感量L和有较大的分布电容C［6］，从而使得天线的谐振频率落在工作频段以内；由于传感器的工作频段跨度达106量级，故其谐振频率一定在测量频段范围内，从而使得传感器的传感系数在整个工作频段内不是简单的随频率线性增加，而是呈一种复杂的变化；但电磁法勘探要求能够准确计算（或测定）出磁场传感器的传感器系数随频率的变化，以便能从测量设备终端接收的电压谱密度中准确求出磁场强度谱密度，因此，需要对传感器系数进行标校。

本文研究分析了ELF/SLF/VLF宽带磁传感器的磁天线低噪声实现、放大器低噪声处理、传感系数标校等关键技术问题，在此基础上研制了宽带磁传感器的样机并进行了测试，测试结果达到或优于相关产品的技术指标。

1.宽带磁传感器的工作原理及关键技术解决

电磁勘探中传感器所接收的信号强度相当微弱，这对传感器的灵敏度提出了很高要求。同时宽带磁传感器的频段跨度高达106量级，如此宽的工作频段导致磁棒线圈的传感系数在低端相对很低，在高端又很高，信号动态范围非常大。为使磁传感器能够适应较大的动态范围，将磁棒天线和前置放大器作为一体，故磁传感器的噪声同时包括磁棒天线热噪声和放大器噪声。

1.1 磁棒天线低噪声实现

磁传感器的接收灵敏度主要取决于天线内禀噪声，而磁棒天线噪声最主要的内禀噪声是天线热噪声，其公式为

式中：k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10－23J/K；T为天线绝对温度；R为绕线电阻。

磁天线线圈感应出的电压为

式中：N为线圈匝数；Φ为磁通量；B为平行于传感器轴线的磁感应强度。

流经线圈中的磁通量计算公式为

式中：H为磁场强度；μ0为真空磁导率；μcore为磁芯的有效磁导率；A为磁芯的横截面积。

由式（3）可知，要想实现磁天线的高信噪比，必须尽可能地增加传感系数以及降低天线绕线电阻，为此除了选取合适的线圈材质外，还需选用高有效磁导率的磁芯。但对于棒状磁芯来说其有效磁导率μcore并不等于其相对磁导率μr，它不仅与磁芯的相对磁导率有关，还与磁芯的直径d、长度l有关［7］，有效磁导率的公式可以近似表示为

由图1可见，l/d越大（对应的磁芯越长）则其有效磁导率越大。但考虑到天线的机械强度及使用方便性，一般l/d取值在30～50之间为宜。此外，磁芯材质应选用具有很高相对磁导率的锰锌铁氧体或者纳米晶合金，这两种材质的磁性材料在低频具有很好的频率特性、很高的有效磁导率、较好的直流叠加特性及较低的损耗系数，能够满足使用要求。

图1 磁棒有效磁导率随l/d的变化

1.2 放大器低噪声处理技术

放大器的噪声基本取决于输入级放大器的噪声。因此，选用低噪声放大器作为前级放大器非常重要。对于ELF频段放大器的噪声主要表现为1/f噪声，其幅度与频率成反比。为了解决1/f噪声对低频弱信号的影响，常采用将微弱的低频信号调制到较高频载波上进行放大，而后再解调恢复的方法。但在对信号收测精度有较高要求的情况下多采用斩波技术。斩波放大电路在对信号放大过程中避开了1/f噪声区，同时各级放大器间采用交流耦合，可以有效地削弱放大器件的1/f噪声及零漂的影响，ELF频段放大器低噪声控制电路如图2所示。

图2 ELF频段放大器低噪声控制

为了使传感器达到宽带幅频特性的技术要求，放大器电路被分离成一个较低频通道（ELF）和一个独立的具有较高频率的AC通道。前者对于低频段可有效削弱放大器件的1/f噪声及零漂，后者用于高频段，但放大器的增益随频率的增加有所下降，使得传感器在整个工作频段的传感系数较为均衡。

在宽带磁传感器系统中，必须特别注意噪声特性，系统中不同的噪声源都可在前置放大器如图3所示，输入端得出等效的输入噪声电压谱密度，即

图3 前置放大器的总体设计方案示意图

下面公式可将噪声电压谱密度与相应噪声磁感应强度谱密度对应

利用上述理论公式，计算了宽带磁传感器的等效噪声磁感应强度谱密度的数值，并在图4中绘出曲线。为了进行比较还绘出了自然噪声磁感应强度谱密度的中值。

宽带磁传感器噪声可以通过测量接收机来测量，为使天线远离环境噪音，测量时将天线放置在屏蔽室中测量。另外，宽带磁传感器的噪声也可在野外通过平行检测来进行测量，根据平行放置的相关性，以及所测得的差分结果，可以计算出噪声谱密度。

图4 宽带磁传感器的噪声磁感应强度谱密度数值

1.3 传感系数标校

对于简谐波磁场强度，可用一个向量表示为H＝H·ejwt，将其代入式（2）；再代入式（1），感应线圈输出的感应电压向量为

式（7）中S0是反映感应线圈灵敏程度的量，它表征磁场强度与感应电压之间的关系。宽带磁传感器总体等效电路原理图如图5所示，图中Vind为线圈感应电压模值，Ri为线圈总电阻，Rd为放大器的输入电阻，L为线圈电感，C为线圈分布电容。

图5 宽带磁传感器总体等效电路图

从图5可以看出，Ve与Vind对频率的响应有很大的差别，再加之放大器G的增益对不同频率也有很复杂的变化。为了从前置放大器的输出电压谱密度中推测出外界磁场的谱密度，必须对宽带磁传感器进行计量与标校［8］，但目前国内尚无低频段天线传输系数标校的标准。参考美国国家标准局（NBS）在1967年制定的对“30Hz至1 000MHz的信号场强”测量标定方法，提出了低频段传输系数标校方法。

传输系数的标校原理为，当接收天线和发射天线的轴线（通过环面中心的垂线）在同一直线上时，此时磁场强度定义为Hρ，则Hρ为

当接收天线环面与发射天线环面处在同一平面上时，此时磁场强度定义为Hφ，则Hφ为

式中：A为发射天线的有效面积；I为通过发射天线的电流有效值；R为收、发天线中心点的距离。对于ELF/VLF而言，R应大于20倍收、发天线直径，但同时小于电波波长的1/20，R一般取值范围为10～30m，这样接收天线口面上的磁场才能认为是“近区”均匀场。

环形接收天线感应磁场后产生的输出电压信号为

式中：Ui为天线输出电压，单位是dBV；H为天线位置的水平磁场强度，单位是dBA/m；S（f）是与频率有关系的传感器的传输系数。

标校过程为：

步骤1：将磁场传感器放置标校发射天线建立的标准场中；

步骤2：根据发射天线上测出的电流I及发射天线中心之间的距离R，计算出标校场的磁场强度H（ω）；

步骤3：读出（测出）磁场传感器上对应的输出电压谱密度Ui（ω）；

步骤4：由式（9）计算出传感器在此频点的传感系数S（f）；

步骤5：改变工作频点重复以上步骤，获得整个工作频段传感器的传感系数S（f）；

标校后，接收点磁场强度H（ω）就等于磁传感器输出电压谱密度Ui（ω）减去S（f）.

2.宽带磁传感器测试结果

在上述ELF/SLF/VLF宽带磁传感器的理论指导下，研究了宽带磁传感器的测试方法和设计方法；计算、设计、制作了宽带磁传感器，并进行反复调试，基本定型后得到如下测试结果。

2.1 灵敏度测试结果

由动态信号分析仪测出感应电压然后算出灵敏度数值如图6所示。

从图6可以看出，在f＝3～4kHz的频率范围内，灵敏度特性相当平坦，其数值大于等于1V/nT；在f＝2Hz以下的频率范围，灵敏度特性满足0.4 V/（nT·Hz）的变化规律；在f＝4～10kHz的频率范围内，灵敏度数值大于等于0.5V/nT.

图7表示宽带磁传感器的相位测试结果。在频率为4Hz时，相位为45.3°.从图7可以看出，该宽带磁传感器的相位分布规律满足地质勘探接收系统的要求。图7中不光滑的部分是由于市电工频及其谐波产生磁场干扰所致，而在野外勘探时此类干扰的影响极其微小。

2.2 噪声测试结果

由测量接收机测出放大器噪声电压后，通过计算得出的噪声磁感应强度谱密度示于表1中。从表1可以看出，噪声磁感应强度谱密度（10－15T/随着频率的增加而降低，基本呈线性规律变化。

表1 宽带磁传感器噪声磁感应强度谱密度测量结果

3.结 论

宽带磁传感器是电磁法勘探中广泛使用的仪器，设计具有高灵敏度和在ELF/SLF/VLF超宽频带中具有良好幅频特性的磁传感器是当前电磁法仪器发展的要求，具有极大的挑战性。通过分析超宽带磁传感器的原理，给出了磁棒天线低噪声设计、放大器低噪声处理和传感器传感系数标校的解决方案，研制了超宽带磁传感器样机并对其幅度和相位特性进行了测试，测试结果表明其性能优于国外同类产品［9］。

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