CN108957559B - 双极性三角波生成系统及方法、瞬变电磁发射系统及方法 - Google Patents

双极性三角波生成系统及方法、瞬变电磁发射系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种双极性三角波生成系统及方法、瞬变电磁发射系统及方法，该系统包括直流‑直流变换电路和电压输出电路，其中，直流‑直流变换电路包括直流电源和电压变换电路，电压输出电路包括依次连接的微控制芯片、数模转换电路、功率放大电路和负载线圈，通过电压变换电路将直流电源变换为正负极性双电源而向电压输出电路供电，微控制芯片产生的数字电压信号通过数模转换电路和功率放大电路后，在负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流，进一步可通过该负载线圈向地下发射脉冲磁场。本发明采用一种新的拓扑结构产生双极性三角波，其产生的一次脉冲磁场简单，可对激发产生的二次脉冲磁场进行On‑Time采集，适用于地表浅层探测。

Description

双极性三角波生成系统及方法、瞬变电磁发射系统及方法
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种双极性三角波生成系统及方法、瞬变电磁发射系统及方法。
背景技术
瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称TEM，它是利用不接地线圈或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，并在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极接收观测二次涡流场的方法。该方法可查明地下的地质结构，如矿产区、岩溶洞穴与通道、煤矿采空区和深部不规则水体等。
瞬变电磁发射系统常用的发射场源为双极性方波、双极性梯形波、双极性正弦波和双极性三角波。
由于Off-Time采集时信噪比更高并且四种波形中双极性方波产生的一次脉冲磁场激励响应的幅值最强，因此现有瞬变电磁发射系统采用双极性方波激励，采集Off-Time信号。但是对于高电阻率目标体，在Off-Time期间各个波形激励响应幅值均随电导率迅速下降，在On-Time期间三角波和半正弦波激励响应幅值几乎不随电导率变化，方波和梯形波亦随电导率增加衰减显著。因此高电导率目标体适于用三角波或半正弦波激励，采集On-Time信号。高电导率目标体又是最有开发价值的高品位富矿，因此研制能够在On-Time采集的瞬变电磁发射系统为我国矿产资源国家战略提供技术支撑就显得尤为重要。
目前我国瞬变电磁发射波形主要采用双极性方波或梯形波，观测时间为Off-Time观测，对能够产生双极性三角波的瞬变电磁发射系统的研究还较少，更不用提将该产生双极性三角波的瞬变电磁发射系统在On-Time探测上进行应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双极性三角波生成系统及方法、瞬变电磁发射系统及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一个方面，提供一种双极性三角波生成系统，包括直流-直流变换电路和电压输出电路，其中：
直流-直流变换电路，包括：
直流电源；以及
电压变换电路，将直流电源的输出变换为正负极性双电源以向所述电压输出电路供电；以及
电压输出电路，包括：
微控制芯片，用于产生并输出数字电压信号；
数模转换电路，用于将所述微控制芯片输出的数字电压信号转换成模拟电压信号；
功率放大电路，用于将所述数模转换电路输出的模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈；以及
负载线圈，所述功率放大电路的输出电压在负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流。
其中，所述负载线圈具有电阻和电感特性，且该电阻和电感满足：
其中，R为负载线圈的电路，L为负载线圈的电感，Umax为功率放大电路输出的最大电压，Im为功率放大电路输出的最大电流，tr为电流上升沿时间，tf为电流下降沿时间。
其中，所述输出电压的表达式为：
Figure BDA0001683996810000022
其中，
Figure BDA0001683996810000031
Figure BDA0001683996810000033
Figure BDA0001683996810000034
其中，u(t)为负载线圈上的所述输出电压波形；ur(t)为半周期内输出电压波形；u1(t)为对应于初值的非线性变化时间内输出电压波形；u2(t)为对应于峰值的非线性变化时间内输出电压波形；u3(t)为对应于尾值的非线性变化时间内输出电压波形；T为三角波脉冲周期；n为周期数，≥0，Δt1为对应于电流初值处的非线性变化时间；λΔt2为靠近峰值前的非线性变化时间；(1-λ)Δt2为靠近峰值后的非线性变化时间；Δt3为对应于电流尾值处的非线性变化时间；τ为时间常数，有ud(t)为理想电压波形，id(t)为理想双极性三角波电流。
其中，所述电压变换电路包括：
第一电压变换模块，用于向微控制芯片和数模转换电路供电；
第二电压变换模块，用于向功率放大电路供电。
其中，所述直流电源为12V蓄电池；所述第一电压变换模块能够将12V直流电压转换为±5V直流电压；所述第二电压变换模块为输入并联输出串联型组合模块，能够将12V直流电压转换为±30V直流电压。
其中，所述第一电压变换模块优选选用TDN 1-1221WI；所述第二电压变换模块优选选用NQ40W40ETC15NRS-G进行组合。
其中，所述微控制芯片优选选自FPGA、DSP或STM32；所述数模转换电路优选采用LTC1668CG芯片构建；所述功率放大电路优选选用OPA549运算放大器；所述负载线圈优选为由导线绕制而成的磁性源线圈。
作为本发明的另一个方面，一种使用如上所述的双极性三角波生成系统生成双极性三角波的方法，包括以下步骤：
将直流电源的输出变换为正负极性双电源以向电压输出电路供电；
通过所述电压输出电路中的微控制芯片输出数字电压信号；
将所述数字电压信号转换成模拟电压信号；
对所述模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈，在所述负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流。
作为本发明的再一个方面，提供一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，包括如上所述的双极性三角波生成系统，其中，所述负载线圈用于向地下发射一次脉冲磁场。
其中，所述双极性三角波的频率范围介于1～200Hz之间，峰值电流不超过10A，上升沿时间为50μs～1ms，下降沿时间为50μs～1ms；
作为优选，所述双极性三角波瞬变电磁放射系统的平均功率最高达67W，足够用于地表浅层探测。
作为本发明的又一个方面，提供一种使用如上所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统进行双极性三角波发射的发射方法，包括以下步骤：
将直流电源变换为正负极性双电源以向所述电压输出电路供电；
通过所述电压输出电路中的微控制芯片输出数字电压信号；
将所述数字电压信号转换成模拟电压信号；
对所述模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈，在所述负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流；
通过所述负载线圈向地下发射一次脉冲磁场。
作为本发明的又一个方面，提供一种用于在负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流的电压的获取方法，包括以下步骤：
步骤1：建立理想电压波形以在负载线圈中形成一理想三角波正/负电流脉冲，该理想电压波形存在初始跳变点、中间跳变点和末尾跳变点，分别对应于理想三角波正/负电流脉冲的初值、峰值和尾值处；
步骤2：实际电压波形在负载线圈中产生的实际三角波正/负电流脉冲在该初值、峰值和尾值处产生非线性变化，设定分别对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间；
步骤3：通过数据拟合分别获取对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间内实际电压波形，进而产生趋近于理想三角波正/负电流脉冲的实际三角波正/负电流脉冲；
步骤4：结合其余线性变化时间内的理想电压波形，获得完整的输出电压的波形。
其中，对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间的总和为电流上升沿和下降沿时间的总和的1％～2％，且该峰值处的非线性变化时间为初值或尾值处的非线性变化时间的1.5～2倍。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用一种新的拓扑结构来产生双极性三角波，该电流波形产生的一次脉冲磁场简单，可以对激发产生的二次脉冲磁场进行On-Time采集，克服了双极性方波只能Off-Time采集的缺点。
(2)本发明产生的双极性三角波可以用来探测高电导率目标体，而高电导率目标体是具有开发价值的高品位富矿，克服了双极性方波不适于探测高电导率目标体的缺点。
(3)本发明平均功率最高可达67W，足够用于地表浅层探测，产生的双极性三角波电流波形可调，波形质量高。
附图说明
图1是本发明实施例双极性三角波生成系统结构图；
图2是图1中直流-直流变换电路结构图；
图3是本发明实施例电压输出结构图；
图4是R＝2Ω，L＝500μH，tr＝500μs，tf＝500μs的理想电流波形；
图5是R＝2Ω，L＝500μH，tr＝500μs，tf＝500μs的理想电压波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种双极性三角波生成系统，峰值电流最大可以达到8A，平均功率可达67W，可以应用于瞬变电磁发射系统中，用以实现On-Time检测的地质浅层探测，简称探地测浅。在本发明的一实施例中，如图1所示，一种双极性三角波生成系统包括直流-直流变换电路、电压输出电路和负载线圈，其中：直流-直流变换电路包括直流电源和连接至直流电源的电压变换电路，电压输出电路包括微控制芯片、连接至微控制芯片的数模转换电路和连接至数模转换电路的功率放大电路，负载线圈连接至功率放大电路。以下对上述各组成部分作详细说明：
如图2所示，直流-直流变换电路主要包括直流电源和电压变换电路；其中：
直流电源应是能够提供36V以下电压的电源模块，可以采用12V的蓄电池供电。
电压变换电路应是能够将直流电源变换成双电源，可以为电压输出电路供电。具体地，该电压变换电路包括为微控制芯片和数模转换器供电的第一电压变换模块，作为示例，其可以选择TDN 1-1221WI，它能够将12V直流电压转换为±5V直流电压；还包括为功率放大器供电的第二电压变换模块，其可以选择NQ40W40ETC15NRS-G，单个模块能够将9V-40V的直流电压转换为0V-40V的直流电压，因此采用两个模块在输入端并联，输出端串联提供±30V的电压。其中正电压部分为输出正极性三角波电流脉冲提供能量，负电压部分为输出负极性三角波电流脉冲提供能量。数模转换电路和功率放大电路均采用双电源的供电方式以保证输出双极性三角波电流脉冲。
如图3所示，数模转换电路主要包括：微控制芯片、数模转换电路、功率放大电路和负载线圈；其中：
微控制芯片可以是FPGA、DSP和STM32等，主要用来输出计算出的电压数据以及整个系统的控制。
数模转换电路是能够将微控制芯片输出的数字信号转换为模拟信号的电路。作为示例，其可以采用LTC1668CG芯片构建，该模块供电电压为±5V，转换精度高，速度快。输出的模拟电压信号连接到功率放大电路的输入端。
功率放大电路要求能够放大电压到至少25V，设其输出的最大电压为Umax，可输出电流至少为8A，设其输出的最大电流为Im。因此选择OPA549运算放大器，其输出电压最大可达±26V，峰值电流可达10A，满足设计要求。
负载线圈是由导线绕制而成的磁性源线圈，其具有电阻和电感特性，设其电阻为R，电为L。为了负载线圈中的电流能够达到既定的波形，线圈的电阻和电感应满足以下不等式。
Figure BDA0001683996810000071
其中tr为电流上升沿时间，tf为电流下降沿时间，Umax为功率放大电路输出的最大电压，Im为功率放大电路输出的最大电流。
作为本发明的另一个方面，提供了一种使用上述双极性三角波生成系统生成双极性三角波的方法，包括以下步骤：
将直流电源变换为正负极性双电源以向电压输出电路供电；
通过所述电压输出电路中的微控制芯片输出数字电压信号；
将该数字电压信号转换成模拟电压信号；
对该模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈，在该负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流。
作为本发明的再一个方面，提供了一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，包括如上所述的双极性三角波生成系统，其中，双极性三角波生成系统的结构在此不再复述，所该负载线圈用于向地下发射一次脉冲磁场。
其中，作为示例，可调节双极性三角波的频率范围介于1～200Hz之间，峰值电流不超过10A，上升沿时间为50μs～1ms，下降沿时间为50μs～1ms，以在负载线圈中产生既定的三角波脉冲电流，来向地下发射脉冲磁场。作为优选，该双极性三角波瞬变电磁放射系统的平均功率最高达67W，足够用于地表浅层探测。
作为本发明的又一个方面，提供了一种使用上述双极性三角波瞬变电磁发生系统进行双极性三角波发射的发射方法，包括以下步骤：
将直流电源变换为正负极性双电源以向电压输出电路供电；
通过该电压输出电路中的微控制芯片输出数字电压信号；
将该数字电压信号转换成模拟电压信号；
对所述模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈，在该负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流；
通过该负载线圈向地下发射一次脉冲磁场。
作为本发明的又一个方面，为了能够在负载线圈中形成双极性三角波电流，提供了一种用于在负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流的电压的获取方法，包括以下步骤：
步骤1：建立理想电压波形以在负载线圈中形成一理想三角波正/负电流脉冲，该理想电压波形存在初始跳变点、中间跳变点和末尾跳变点，分别对应于理想三角波正/负电流脉冲的初值、峰值和尾值处。
具体地如果要产生如式(1)所期望得到的三角波正电流脉冲，其波形如图4所示，则根据式(2)，所需的电压表达式为(3)，其波形如图5所示：
Figure BDA0001683996810000091
Figure BDA0001683996810000092
Figure BDA0001683996810000093
其中，ud(t)为理想电压波形；id(t)为理想双极性三角波电流；T为三角波周期；uR(t)为电阻电压，uL(t)为电感电压，u(t)为负载线圈中的电压，i(t)为负载线圈中的电流。
式(3)是理想的电压表达式，但是式(3)在电流的初值、峰值和尾值时存在电压跳变，这在实际应用中是不可实现的，因此需要进一步研究跳变电压的实现方法以及实际的电流波形。
步骤2：实际电压波形在负载线圈中产生的实际三角波正/负电流脉冲在该初值、峰值和尾值处产生非线性变化，设定分别对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间。
本实施例中，设在电流初值处的非线性变化时间为Δt1，在峰值之前非线性变化时间为λΔt2，在峰值之后非线性变化时间为(1-λ)Δt2，在电流尾值处的非线性变化的时间为Δt3，λ为取值区间为[0，1]。
步骤3：通过数据拟合分别获取对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间内实际电压波形，进而产生趋近于理想三角波正/负电流脉冲的实际三角波正/负电流脉冲。
本实施例中，负载线圈中电流和电压的关系式如式(2)所示，解得
Figure BDA0001683996810000094
式(4)中τ为时间常数，
Figure BDA0001683996810000101
C1为常数，其值由电流初始值决定。式(4)可以改写为
Figure BDA0001683996810000102
其中A为常数。如果要使初始跳变点之后电流依然是线性变化，则根据数据拟合原理这个阶段电压u1(t)和电流i1(t)必须满足式
Figure BDA0001683996810000103
设
Figure BDA0001683996810000104
则式(6)转化为
Figure BDA0001683996810000105
则满足式(8)的最简单表达式为二次函数，设q1(t)＝at2+bt+c，则带入式(7)可得
可以得到u1(t)和i1(t)，如式(9)和(10)所示
Figure BDA0001683996810000107
同理根据数据拟合原理可得在电流峰值处的非线性变化时间内电压u2(t)和电流i2(t)应满足式(11)，在尾值处的非线性变化时间内电压u3(t)和电流i3(t)应满足式(12)
Figure BDA0001683996810000112
由式(11)计算可得u2(t)的最简单的表达式为式(13)，其对应的电流表达式为(14)
Figure BDA0001683996810000114
由式(12)计算可得u3(t)的最简单的表达式为式(15)，其对应的电流表达式为(16)
Figure BDA0001683996810000122
本实施例中，实际正脉冲电流的电压ur(t)和实际正脉冲电流ir(t)的表达式分别为式(17)和式(18)所示。
Figure BDA0001683996810000124
Figure BDA0001683996810000131
则周期性变化的输出电压的表达式如式(19)所示：
Figure BDA0001683996810000132
因此，在实际使用中在微控制芯片中根据输入的负载线圈的电阻R、电感L、上升沿时间tr和下降沿时间tf计算式(17)具体表达的电压表达式。使用时将电压值量化输出，最后得到实际的电流表达式，该实际的三角波电流的波形趋近于理想三角波电流的波形。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)直流-直流变换模块不限于TDN 1-1221WI和NQ40W40ETC15NRS-G，也可将其替换为其他的满足设计要求的电压变换模块；
(2)数模转换模块不限于LTC1668CG，也可将其替换为其他的满足设计要求的数模转换模块；
(3)运算放大器不限于OPA549，也可将其替换为其他的满足设计要求的运算放大器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双极性三角波生成系统，包括直流-直流变换电路和电压输出电路，其特征在于：
直流-直流变换电路，包括：
直流电源；以及
电压变换电路，将直流电源的输出变换为正负极性双电源以向所述电压输出电路供电；以及
电压输出电路，包括：
微控制芯片，用于产生并输出数字电压信号；
数模转换电路，用于将所述微控制芯片输出的数字电压信号转换成模拟电压信号；
功率放大电路，用于将数模转换电路输出的模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈；以及
负载线圈，所述功率放大电路的输出电压在所述负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流；
其中，所述负载线圈具有电阻和电感特性，且该电阻和电感满足：
Figure FDA0002261789530000011
其中，R为负载线圈的电路，L为负载线圈的电感，Umax为功率放大电路输出的最大电压，Im为功率放大电路输出的最大电流，tr为电流上升沿时间，tf为电流下降沿时间；
其中，所述输出电压的表达式为：
Figure FDA0002261789530000012
其中，
Figure FDA0002261789530000021
Figure FDA0002261789530000022
Figure FDA0002261789530000023
Figure FDA0002261789530000024
其中，u(t)为负载线圈上的所述输出电压波形；ur(t)为半周期内输出电压波形；u1(t)为对应于初值的非线性变化时间内输出电压波形；u2(t)为对应于峰值的非线性变化时间内输出电压波形；u3(t)为对应于尾值的非线性变化时间内输出电压波形；T为三角波脉冲周期；n为周期数，≥0，Δt1为对应于电流初值处的非线性变化时间；λΔt2为靠近峰值前的非线性变化时间；(1-λ)Δt2为靠近峰值后的非线性变化时间；λ的取值区间为[0,1]；Δt3为对应于电流尾值处的非线性变化时间；τ为时间常数，有ud(t)为理想电压波形，id(t)为理想双极性三角波电流。
2.根据权利要求1所述的双极性三角波生成系统，其特征在于：
所述微控制芯片选自FPGA、DSP或STM32；
所述数模转换电路采用LTC1668CG芯片构建；
所述功率放大电路选用OPA549运算放大器；
所述负载线圈为由导线绕制而成的磁性源线圈。
3.一种使用如权利要求1或2所述的双极性三角波生成系统生成双极性三角波的方法，包括以下步骤：
将直流电源的输出变换为正负极性双电源以向电压输出电路供电；
通过所述电压输出电路中的微控制芯片输出数字电压信号；
将所述数字电压信号转换成模拟电压信号；
对所述模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈，在所述负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流。
4.一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，包括如权利要求1或2所述的双极性三角波生成系统，其中，所述负载线圈用于向地下发射一次脉冲磁场。
5.根据权利要求4所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其特征在于，所述双极性三角波的频率范围介于1～200Hz之间，峰值电流不超过10A，上升沿时间为50μs～1ms，下降沿时间为50μs～1ms。
6.根据权利要求4所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其特征在于，所述双极性三角波瞬变电磁放射系统的平均功率最高达67W，足够用于地表浅层探测。
7.一种使用如权利要求4所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统进行双极性三角波发射的发射方法，包括以下步骤：
将直流电源的输出变换为正负极性双电源以向电压输出电路供电；
通过所述电压输出电路中的微控制芯片输出数字电压信号；
将所述数字电压信号转换成模拟电压信号；
对所述模拟电压信号进行放大并输出电压至一负载线圈，在所述负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流；
通过所述负载线圈向地下发射一次脉冲磁场。
8.一种用于在负载线圈上形成双极性三角波脉冲电流的电压的获取方法，包括以下步骤：
步骤1：建立理想电压波形以在负载线圈中形成一理想三角波正/负电流脉冲，该理想电压波形存在初始跳变点、中间跳变点和末尾跳变点，分别对应于理想三角波正/负电流脉冲的初值、峰值和尾值处；
步骤2：实际电压波形在负载线圈中产生的实际三角波正/负电流脉冲在该初值、峰值和尾值处产生非线性变化，设定分别对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间；
步骤3：通过数据拟合分别获取对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间内实际电压波形，进而产生趋近于理想三角波正/负电流脉冲的实际三角波正/负电流脉冲；
步骤4：结合其余线性变化时间内的理想电压波形，获得完整的输出电压的波形。
9.根据权利要求8所述的获取方法，其特征在于，对应于该初值、峰值和尾值处的非线性变化时间的总和为电流上升沿和下降沿时间的总和的1％～2％，且该峰值处的非线性变化时间为初值或尾值处的非线性变化时间的1.5～2倍。
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