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海洋电场变频调谐窄带抑制噪声测量方法的研究进展

一、作者及发表信息
本研究由上海交通大学电子信息与电气工程学院的刘子逸、李平（通信作者）、文玉梅、叶敬昌合作完成，发表于《仪器仪表学报》（Chinese Journal of Scientific Instrument）2025年2月第46卷第2期，DOI编号为10.19650/j.cnki.cjsi.j2413308。研究受国家重点研发计划项目（2022YFB3205703）资助。

二、学术背景与研究目标
海洋电场测量在海洋活动监测、海底资源勘探及军事目标侦察等领域具有重要意义。然而，海洋电场信号频率低（0.01–0.2 Hz）、幅度微弱（微伏级），易受器件1/f噪声和环境变频谐波噪声干扰。传统斩波放大技术虽能抑制1/f噪声，但对频率接近信号的环境谐波噪声（如50 Hz基波的超高次谐波）难以有效滤除，因其需带宽<50 Hz的滤波器，而现有技术难以实现高Q值（>10⁴）的窄带滤波。
本研究提出了一种基于开关变频石英晶体谐振的窄带噪声抑制方法，通过将海洋电场信号上变频至32.768 kHz，利用高Q值石英晶振实现超窄带滤波（带宽<0.4 Hz），最终提升信噪比与灵敏度。

三、研究流程与方法
1. 理论建模与电路设计
- 等效电路分析：建立自然电位法测量电路模型，推导输出信号表达式（式1），指出噪声来源（电极界面阻抗、环境噪声等）。
- 变频调谐原理：设计开关调制电路（场效应管2N7002），将低频信号调制至石英晶振谐振频率（32.768 kHz）。通过理论推导（式4-7）证明，石英晶振的Q值（10⁵）可将环境噪声抑制至16.2%（当噪声与信号频差为1 Hz时）。
- 窄带滤波实现：石英晶振等效电路（动态电感L₁=30 kΩ、电容C₁=16.19 fF、静态电容C₀=0.5 pF）与负载电容（25 pF）构成谐振电路，带宽仅0.4 Hz（式5-6）。

1. 实验平台搭建

   • 电极与信号模拟：采用Ag/AgCl电极，通过信号发生器在金属板间施加5 V直流或0.01–0.2 Hz交流电场，模拟海洋环境。
     
   • 三组对比实验：
     
     • 直接测量：NI数据采集卡PXIe-4309记录原始信号。
       
     • 变频测量：锁相放大器SR830解调开关调制后的高频信号。
       
     • 变频调谐测量：在变频基础上加入石英谐振电路滤波。
       

2. 数据采集与分析

   • 灵敏度测试：记录不同频率（0.01/0.05/0.¹⁄₀.2 Hz）下三组方法的输出峰峰值，计算灵敏度提升倍数。
     
   • 信噪比评估：通过功率谱密度分析（图13）量化噪声抑制效果，按式8计算信噪比提升值（dB）。

四、主要研究结果
1. 灵敏度提升：变频调谐测量对0.01–0.2 Hz信号的输出幅度为直接测量的2.78–2.99倍（图12），表明窄带滤波显著增强信号提取能力。
2. 噪声抑制效果：
- 直接测量中，1.08–3.23 Hz的低频噪声占主导（图13a）；变频调谐测量将0.1 Hz信号的信噪比从16.81 dB提升至36.63 dB，优于变频测量的11.42 dB（图13c）。
- 谐振电路带宽<0.4 Hz（图11），验证了理论设计的超窄带特性。
3. 方法普适性：该方法适用于强噪声环境下的微弱信号检测，并为未来海洋电场测量阵列的构建提供技术基础。

五、结论与价值
本研究通过开关变频+石英晶振窄带滤波的创新组合，解决了环境变频谐波噪声难以抑制的难题。其科学价值在于：
1. 提出了一种高Q值窄带滤波的电路实现路径，突破了传统RLC滤波器的带宽限制。
2. 应用价值显著：在海洋资源勘探、军事目标监测等领域，可实现微伏级信号的可靠检测。实验数据表明，该方法信噪比提升19.82 dB，灵敏度提高近3倍，为实际工程应用提供了可靠方案。

六、研究亮点
1. 方法创新性：首次将石英晶振的超窄带特性引入海洋电场测量，结合开关调制技术，实现“变频+滤波”一体化。
2. 技术突破：谐振电路带宽（0.4 Hz）和Q值（10⁵）达国际领先水平，远超传统斩波放大技术的40 Hz带宽（Wang等，2014）。
3. 跨学科应用：成果可扩展至其他低频微弱信号检测领域，如生物电信号采集、地震前兆电场监测等。

七、其他补充
研究团队开发的3D打印电极夹具（图4）和定制化测量电路（图5）为实验稳定性提供了保障。未来工作可进一步优化石英晶振的温漂特性，以适配深海极端环境。

该报告全面涵盖了研究的背景、方法、结果及意义，突出了技术创新与实用价值，符合学术传播的严谨性要求。