近地表电磁探测多频数字驱动信号产生技术

0 引言

　　近地表电磁探测利用电磁波的穿透性，向地下发射不同频率的电磁波，激发地下异常体产生二次场并接收此二次场获取不同深度的地层信息，在地质灾害预测、地下水及土壤污染调查、地下管线探测、地下空洞探测、地下未爆炸物识别等近地表勘查领域具有广泛的应用前景[1-2]。单一频率的电磁波只能达到单一的探测深度，反映单一地层信息，工作效率低;多频电磁探测系统一次可发射多个频率电磁波，实现对地下不同深度目标体的同时探测[5]。多频数字驱动信号产生技术是近地表电磁探测仪器的核心技术之一，发射信号的质量将直接影响系统接收的数据质量，最终影响探测结果。近地表电磁探测领域现已应用的多频信号产生技术主要有伪随机法[3-4]和位流(Bit-Stream)法[5]，伪随机法产生的多频信号在频率上间隔固定，同时由于该方法在负载线圈中产生的多频电流信号总谐波失真(THD)过大，需要加入功率滤波器，导致系统结构复杂;位流法产生多频信号算法复杂，且算法与负载线圈参数密切相关，一旦线圈参数改变，需要重新修改算法。为了克服传统多频信号产生技术的缺点，本文基于单极性倍频SPWM理论[6-8]，在此基础上进行拓展，利用可编程逻辑器件FPGA搭建硬件平台，将其具体实现，产生出精度高、可控性强、频率间隔小的多频数字驱动信号。

1 单极性倍频SPWM合成原理

　　单极性倍频SPWM由自然采样法产生，采用多频调制波us(t)与三角波uc(t)比较产生H桥中桥臂A的控制脉冲，桥臂B的控制脉冲则由该正弦波与反向的三角波(或者反向的正弦波与三角波)比较产生。桥臂A的上下两个功率管驱动信号分别为s1和s2，其中s2为s1的取反信号;桥臂B的上下两个功率管驱动信号分别为s3和s4，其中s4为s3的取反信号(不考虑死区时间)。如图1所示为双频信号的SPWM驱动信号产生示意图。

　　由图1可以看出，输出电压uo是驱动信号的“与”逻辑，当H桥的一对功率管(s1与s3或者s与s4)控制脉冲同为高电平时，负载电平输出为高，当其中一个为低电平时，负载电平输出为低，因此功率管只开关了一次，驱动电平在一个载波周期中共有两次状态转换，输出的电压电平也有两次变化，相当于载波频率为功率器件开关频率的两倍。单极性倍频SPWM直流电压利用率和普通SPWM一致，由于输出电压脉动频率增加了一倍，谐波特性有了很大变化，除基次外，各次谐波分布在偶数倍开关频率的奇数次边带上(见式(5))。谐波成分远小于同等条件下的单相单极性SPWM，性能得到很大提升[6,8]。

多频合成信号波形数学表达式为