一种采用子波激发的超声测井发射电路

魏呈霖，胡凯利，余厚全，魏勇，秦玉坤，段俊东，陈亮

（1．长江大学电子信息学院，湖北 荆州434023；2．中国石油集团测井有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

随着超声测井［1］技术的发展，对超声测井仪器电路提出了越来越高的要求［2］，要求仪器的集成度高，功耗低，性能稳定，便于相关超声特征参数的提取。现有的超声测井仪器超声发射电路的体积较大，其功耗占据仪器功耗的主要部分。减小发射电路的体积，降低发射电路的功耗，提高发射信号的稳定性成为改善仪器性能和研发新仪器的关键因素之一。

超声测井仪器的发射电路通常采用高压、单窄脉冲激发方式，主要问题：① 过高的发射电压导致电路功耗增大［3］，因为电路的功耗与发射电路的电源电压平方成正比；② 发射电路采用变压器耦合，变压器的使用一方面会导致电路的体积较大［4］，同时变压器的转换效率一般低于70%；③在高温高压环境下，发射电路的LC参数值会随温度压力变化发生漂移，导致发射的超声信号发生频偏；④ 高压、单窄脉冲激发方式的声波到时检测采用首波声幅门槛电平比较的方法，由于超声波在不同介质中和不同传播距离上的衰减差异很大，超声波到时检测的准确性受到门槛电平的影响［5］。为满足新一代超声成像测井仪器和超声随钻测井仪器开发的要求［6］，研究效率高、集成度高、性能稳定的超声发射电路具有非常重要的实际工程意义。

本文分析了常规高压、单窄脉冲声波发射电路存在的问题，提出了子波激发的设计思想，设计并实现了基于CMOS集成开关的双极性电源供电的双极性超声发射电路。鉴于高温的双极性电源芯片片源很少的实际情况，设计了单电源供电的双极性超声波发射电路。2种电路结构简单，体积小，效率高，在温度压力变化的环境下工作稳定，其研究结果对超声测井仪器发射电路开发具有重要的参考价值。

1 设计思想

根据信号系统理论，单脉冲频谱主瓣的带宽与脉冲时域的宽度成反比［7］。设一个脉宽τ为1μs、幅度为100V的高压单窄脉冲，其频谱主瓣的宽度为1MHz。如果用该脉冲激发一个中心频率为250kHz、带宽为40kHz的超声换能器，理论上发射信号能量的利用率只有4%（见图1）。

图1 激发电压100V、激发时长τ＝1μs激发信号时域及频域曲线

对于幅度为100V、脉宽为1μs的高压单窄脉冲信号，在R个单位的负载上释放的能量Ea为

由于换能器的带通特性，实际能量的有效利用率小于5%，约（5×10－4／R）（Ws）。如果考虑常规发射电路中实际变压器的转换效率不高于70%，发射信号的能量利用率更低。因此，单脉冲信号中在换能器通带外的频谱能量都被浪费。为提高发射信号能量利用率，使发射信号的频谱与换能器的传输特性相匹配，即使发射信号的频谱恰好覆盖换能器的通带，避免发射无效的频谱分量。

根据通信调制理论［7］，产生一个频谱形状与换能器传输特性匹配的基带信号e（t），它是1个宽度为Ts的单脉冲，基带的主瓣带宽为1／Ts，2／Ts略大于换能器的通带；用e（t）去调制一个频率为换能器中心频率fc的载波信号c（t）＝sin（2πfct），形成已调信号s（t）＝e（t）sin（2πfct）。已调信号的时域波形为长度Ts、频率fc的子波，频谱即为基带信号e（t）的频谱搬移到fc的结果，它的频谱带宽恰好覆盖换能器的通带（见图2）。将已调信号作为发射信号，称为激发子波信号。

图2 匹配设计过程

对于频率fc、幅度为Am、持续时间Ts的激发子波信号，在相同负载R上，其释放的能量Eb为

要达到或优于上述高压单窄脉冲的激发效果，应满足Eb≥5%Ea的要求，即

若要减小激发子波的幅度Am，需要增大激发子波的长度Ts。在实际应用中，Ts选得过大，会在收发一体的超声反射测井时导致发射子波信号的尾部与最近距离回波信号的首波交叠，形成干扰；Ts选得过小，会使子波带宽过宽，发射信号中的无效频谱分量增加，故应根据实际情况综合考虑。比如在超声电视测井中最近的检测距离若为15mm，则激发子波信号的时宽Ts可选为12μs，则激发子波的幅度Am等于9．2V即可。

综上理论分析，① 采用常压幅度的子波激发代替高压窄脉冲激发的好处是降低了发射电压幅度，提高了发射信号能量的利用率，并且通过激发子波信号与接收信号进行相关处理，实现能量积累，消除干扰，实现准确提取地层信息。② 要实现发射信号与换能器传输特性的最佳匹配，发射子波的频率fc要等于换能器的中心频率，发射子波长度Ts的选择应使子波激发信号的带宽略大于换能器的带宽，即使2／Ts略大于换能器的带宽。

2 双极性电源供电超声波发射电路设计

基于上述激发子波的设计原理，提出了基于CMOS集成开关的双极性电源供电的超声信号发射电路实现方案。用持续时间等于或略小于Ts（主瓣双边宽恰好等于或略大于换能器通带）的单脉冲调制频率等于换能器中心频率fc、占空比为50%、幅度满足信号检测能量需求的双极性脉冲序列，形成长度约为Ts、频率为fc的双极性脉冲子波，代替长度约为Ts、频率为fc的正弦子波，Vp为P点的相对于地的电压波形（见图3）。

表1 CMOS集成开关真值表

图3 基于COMS开关的超声波发射电路及工作时序图

该电路的核心组成部分为双单刀双掷的CMOS集成开关，其真值见表1。控制信号分别为使能信号EN、开关信号IN。当EN为高电平时，COMS开关使能，其持续时间等于激发子波的时长Ts。在使能为高电平期间，当IN为高逻辑电平时，开关S1A、S2A导通，上单刀双掷接＋Vc，下单刀双掷接－Vc，在换能器两端施加＋2Vc的激励电压；当IN为低逻辑电平时，开关S1B、S2B导通，上单刀双掷接－Vc，下单刀双掷接＋Vc，在换能器两端施加－2Vc的激励电压。若IN为一频率等于换能器中心频率、占空比为50%的逻辑信号，则发射电路输出即为持续时间为Ts、频率等于换能器中心频率、幅度为2Vc的双极性激发子波。

双单刀双掷CMOS集成开关芯片体积小，2个开关的匹配性好，且目前市场上的耐压值达到50V、温度性能稳定、不同开关速度的CMOS开关是容易得到的，为实现不同电压幅度、不同工作频率的超声发射电路提供了工程解决方案。采用CMOS集成开关芯片ADG1436［8］实现的三路超声发射电路，面积仅为40mm×28mm，电路的集成度大大提高。图4是用该超声发射电路在实验环境下依次激发3个自发自收的超声换能器得到的回波信号，激发频率为250kHz（4μs），峰峰值为30V，激发持续时间为12μs。实验采用的井液泥浆比重为1．26mg／cm3，反射界面为灰砖，反射距离为60mm，采样频率为2MHz，每路采集时间长度为200μs。图4中A段为超声激发时间段，对应的波形为发射子波；B段为回波时间段，对应的波形为反射的回波。实验结果表明该电路在155℃的高温环境中，能够稳定、可靠地工作。

图4 超声发射电路激发子波与回波波形图

3 单极性电源供电超声波发射电路设计

在实际应用中，高温双极性集成电源芯片的片源很少，而温度达到170℃的单极性集成电源芯片的片源相对容易得到。对上述双极性电源芯片供电的发射电路进行了改进，提出了采用单极性电源供电的超声发射电路方案。在非发射子波期间，利用单极性电源给电容充电储存电荷为发射子波阶段提供负电源。电路设计如图5所示。

图5中，U1和C为充电电路部分，为提供负极性电源储能；U2为发射电路部分，与图3（a）所示的电路结构相同。完整的工作周期分为电容充电和发射子波2个阶段。在电容充电阶段，控制信号IN－pw置为高逻辑电平，开关U1的S1A、S2A导通，储能电容正极接电源，负极接地，完成充电过程，电容两极保持5V的电位差；在发射子波阶段，控制信号INpw置为低逻辑电平，U1的S1B、S2B导通，电容正极接地，电容负极性端的电压相对地电位为－5V，为发射电路提供了负极性电源。

实验将中心频率250kHz的超声换能器放入清水中，以频率为250kHz、3个时钟周期的脉冲信号进行激发。整个电路置于155℃的高温环境中，测量结果见图6。

图5 单电源供电的超声波激发电路和电路的基本工作时序

图6 高温实验测试结果

4 结 论

（1）基于CMOS集成开关的单、双极性电源供电的超声波发射电路结构简单，集成度高，能非常方便地根据换能器谐振频率调整发射信号频率，不会因为温度压力变化产生频偏，性能稳定。

（2）采用周期性双极性子波激发，使发射信号的频谱与换能器的传输特性匹配，降低了发射电路的功耗。

（3）采用特定的子波激发，通过激发的子波信号与接收的超声信号相关，有效抑制了噪声干扰，实现有效信号的能量积累，大大提高了超声特征参数检测的准确性。对声波测井仪器的开发具有重要的参考价值。

［1］王建华．声波测井技术综述［J］．工程地球物理学报，2006，3（5）：395－400．

［2］原宏壮，陆大卫，张辛耘，等．测井技术新进展综述［J］．地球物理学进展，2005，20（3）：786－795．

［3］鲁放，高红军，李剑．高性能超声电视成像测井仪［J］．测井技术，2009，33（3）：275－278．

［4］傅元，李德健．超声扫描成像测井仪发射电路［J］．仪表技术与传感器，2012，9（9）：21－24．

［5］张珂，俞国华，刘钢海．超声波测距回波信号处理方法的研究［J］．测控技术，2008，27（1）：48－50．

［6］王建华．声波测井技术综述［J］．工程地球物理学报，2006，3（5）：395－400．

［7］Alan V Oppenheim．信号与系统［M］．刘树棠译．西安：西安交通大学出版社，2008：208－210，420－422．

［8］ADG1436技术文档［EB／OL］．http：∥www．analog．com／static／imported－files／data＿sheets／ADG1436．pdf．