CN111313916B - 一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，包括发射线圈、控制发射线圈连接方式的电子开关Ⅰ、组成桥臂的电子开关Ⅱ，所述发射线圈为双绞线，双绞线包括第一导线和第二导线，第一导线连接电子开关Ⅱ一端，电子开关Ⅱ另一端连接电子开关Ⅰ的一端，电子开关Ⅰ的另一端连接第二导线，通过电子开关Ⅰ控制第一导线和第二导线两端的连接方式为首首相连、尾尾相连或首尾相连，第一导线和第二导线连接后形成发送回路。本发明可以显著减小发射电流的关断时间，有效测量早期道信号，提高晚期道的信噪比，实现瞬变电磁浅层和深层地质信息的有效提取。

Description

一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置及方法

技术领域

本发明涉及电法勘探技术领域，特别涉及一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置及方法。

背景技术

瞬变电磁法也称时间域电磁法，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。二次场的衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

目前，不接地回线作为瞬变电磁的常用发射天线，其工作方法是由两组用于组成桥臂的开关和一个发射回线连成一个全桥发射电路，实现双极性方波电流的磁场发射，发射回线常用2匝或多匝导线绕制或者布置成方形框或矩形框，根据探测深度不同，发送线框边长通常设计在n×10m～n×1Km范围内。在瞬变电磁线框的发射电压U和天线不变的情况下，线框中发送电流的关断时间几乎不随时间改变。因此，瞬变电磁信号的测量会受到关断时间的影响，造成早期数据畸变，无法提取和识别浅层（近距离）地质信息。

关断时间：

其中，L为发射回路电感，R为发射回路电阻，I ₀ 为关断前的电流，U为关断前的输出电压。

目前，减小一次场关断时间的问题仍然是瞬变电磁领域技术人员正在努力探索、试图解决的一个重要问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、可靠性高的减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，并提供一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，包括发射线圈、控制发射线圈连接方式的电子开关Ⅰ、组成桥臂的电子开关Ⅱ，所述发射线圈为双绞线，双绞线包括第一导线和第二导线，第一导线连接电子开关Ⅱ一端，电子开关Ⅱ另一端连接电子开关Ⅰ的一端，电子开关Ⅰ的另一端连接第二导线，通过电子开关Ⅰ控制第一导线和第二导线两端的连接方式为首首相连、尾尾相连或首尾相连，第一导线和第二导线连接后形成发送回路。

上述减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，所述电子开关Ⅱ包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，第一开关的一端、第四开关的一端连接在一起后接至电源正极，第一开关的另一端、第二开关的一端连接在一起后并作为电子开关Ⅱ的输出电极B接至电子开关Ⅰ的一端，第四开关的另一端、第三开关的一端连接在一起后并作为电子开关Ⅱ的输出电极A接至第一导线的首端，第二开关的另一端、第三开关的另一端连接在一起后接地。

上述减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，所述电子开关Ⅰ为双刀双掷开关，电子开关Ⅰ包括位于中间位置的上静触点和下静触点、位于左侧位置的上动触点Ⅰ和下动触点Ⅰ、位于右侧位置的上动触点Ⅱ和下动触点Ⅱ，所述上静触点与电子开关Ⅱ的输出电极B连接，下静触点与第一导线尾端连接，所述上动触点Ⅰ和下动触点Ⅱ均连接第二导线尾端，下动触点Ⅰ和上动触点Ⅱ均连接第二导线首端。

上述减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，发射信号时，电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同。

上述减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，停止发射信号时，电子开关Ⅱ中的第一开关、第四开关断开，第二开关、第三开关导通接地，电子开关Ⅰ置于右端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的尾端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，此时电子开关Ⅱ输出的负载变成了双绞线，呈阻性，电感为零，关断后，若双绞线第一导线和第二导线中有电流，电流大小相等方向相反，对外产生的磁场为零。

上述减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，所述发送回路为正方形或长方形或圆形或椭圆形。

一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置的信号发射方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：判断需要发射信号还是关断信号，若是发射信号，进入步骤二，若是关断信号，则进入步骤三；

步骤二：将电子开关Ⅱ中的第二开关和第四开关断开、第一开关和第三开关导通，或者将电子开关Ⅱ中的第一开关和第三开关断开、第二开关和第四开关导通；同时将电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同；

步骤三：将电子开关Ⅱ中的第一开关、第四开关断开，第二开关、第三开关导通接地，同时将电子开关Ⅰ置于右端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的尾端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，此时电子开关Ⅱ输出的负载变成了双绞线，呈阻性，电感为零，关断后，若双绞线第一导线和第二导线中有电流，电流大小相等方向相反，对外产生的磁场为零。

本发明的有益效果在于：本发明可以显著减小发射电流的关断时间，有效测量早期道信号，提高晚期道的信噪比，实现瞬变电磁浅层（近距离）和深层（远距离）地质信息的有效提取。

附图说明

图1 为本发明信号发射装置的结构示意图。

图2 为发射电磁信号时的等效电路原理图。

图3 为发射信号关断时的等效电路原理示意图。

图4 为瞬变电磁发射的双极性方波电流信号波形图。

图5 为输出正极性电流时的原理电路图。

图6 为输出正极性电流时的关键点波形示意图。

图7 为输出负极性电流时的原理电路图。

图8 为输出负极性电流时的关键点波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，包括发射线圈、控制发射线圈连接方式的电子开关Ⅰ、组成桥臂的电子开关Ⅱ，所述发射线圈为双绞线，双绞线包括第一导线和第二导线，第一导线用黑色实线表示，第二导线用虚线表示，第一导线连接电子开关Ⅱ一端，电子开关Ⅱ另一端连接电子开关Ⅰ的一端，电子开关Ⅰ的另一端连接第二导线，通过电子开关Ⅰ控制第一导线和第二导线两端的连接方式为首首相连、尾尾相连或首尾相连，第一导线和第二导线连接后形成发送回路。

为描述方便起见，所述发送回路为正方形，也可以为长方形、圆形、椭圆形，亦可组成其他任何规则或不规则形状。

所述电子开关Ⅱ包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4，第一开关K1的一端、第四开关K4的一端连接在一起后接至电源正极，第一开关K1的另一端、第二开关K2的一端连接在一起后并作为电子开关Ⅱ的输出电极B接至电子开关Ⅰ的一端，第四开关K4的另一端、第三开关K3的一端连接在一起后并作为电子开关Ⅱ的输出电极A接至第一导线的首端（即1端），第二开关K2的另一端、第三开关K3的另一端连接在一起后接地。采用N沟道增强型高速场效应管设计电子开关的时候，电子开关Ⅱ的各个开关，均可由两个场效应管源极相连接，漏极分别作为开关的两个触点，组成一个电子开关，当两个场效应管的栅源电压V_GS均为高电平时，电子开关导通，V_GS为低电平时，电子开关截止；电子开关Ⅱ的每一个桥臂开关均由1个N沟道增强型场效应管组成，第一开关K1、第四开关K4的漏极接电源正极，第二开关K2、第三开关K3的源极接地，当栅源电压为高电平时，开关导通，栅源电压为低电平时，开关截止。

所述电子开关Ⅰ为双刀双掷开关，电子开关Ⅰ包括位于中间位置的上静触点和下静触点、位于左侧位置的上动触点Ⅰ和下动触点Ⅰ、位于右侧位置的上动触点Ⅱ和下动触点Ⅱ，所述上静触点与电子开关Ⅱ的输出电极B连接，下静触点与第一导线尾端（即3端）连接，所述上动触点Ⅰ和下动触点Ⅱ均连接第二导线尾端（即4端），下动触点Ⅰ和上动触点Ⅱ均连接第二导线首端（即2端）。

发射信号时，将电子开关Ⅱ中的第二开关K2和第四开关K4断开、第一开关K1和第三开关K3导通，此时输出负极性电流时（A-，B+），或者将电子开关Ⅱ中的第一开关K1和第三开关K3断开、第二开关K2和第四开关K4导通，此时输出正极性电流时（A+，B-）；同时将电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同；

电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同。如图2所示，可以很容易看出发射信号时的天线连接方式，图中双绞线的两根导线串联，产生大小相等、极性相同磁场信号叠加输出。

停止发射信号时，电子开关Ⅱ中的第一开关K1、第四开关K4断开，第二开关K2、第三开关K3导通接地，电子开关Ⅰ置于右端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的尾端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，此时电子开关Ⅱ输出的负载变成了双绞线，呈阻性，电感为零，关断后，若双绞线第一导线和第二导线中有电流，电流大小相等方向相反，对外产生的磁场为零。如图3所示，可以很容易看出关断电流时的发射回线的连接方式，图中双绞线的1、2端分别与电子开关ⅡA、B连接，终端短接（双绞线3、4端相连接），第二开关K2、第三开关K3饱和导通接地，此时电子开关Ⅱ的双绞线负载为纯阻性负载，关断时间主要由开关电路本身的下降时间决定，同时，关断后，即便假定在双绞线中有电流，则两根导线中的电流大小相等、方向相反，对外产生的磁场为零。

一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置的信号发射方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：判断需要发射信号还是关断信号，若是发射信号，进入步骤二，若是关断信号，则进入步骤三；

步骤二：将电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同；

步骤三：将电子开关Ⅱ中的第一开关K1、第四开关K4断开，第二开关K2、第三开关K3导通接地，同时将电子开关Ⅰ置于右端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的尾端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，此时电子开关Ⅱ输出的负载变成了双绞线，呈阻性，电感为零，关断后，若双绞线第一导线和第二导线中有电流，电流大小相等方向相反，对外产生的磁场为零。

如图4所示，在瞬变电磁法应用时，关断时间越短，观测盲区越浅，采集信号的信噪比越高，对测量的影响越小。

如图5所示，图5介绍了发射正极性电流时的一种实施方式，采用N型增强型高速场效应管作为电子开关器件，如GaN FET或者MOSFET等功率开关，场效应管在V_GS为高电平时饱和导通（开关闭合），V_GS为低电平时截止（开关断开）。发射信号时（A+，B-），即场效应管K1、K3的V_GS为高电平，K1、K3饱和导通，K2、K4的栅源电压V_GS为低电平，K2、K4断开，电流由A极输出经双绞线中的1根的1端输入、3端输出，流经饱和导通的电子开关K11、K12，再由双绞线2端输入，4端输出，经饱和导通的K31、K32回到B极；关断电流时（V_A=0，V_B=0），K1、K4断开，K2、K3导通接地，K11、K12、K31、K32截止，K41、K42、K21、K22导通，双绞线的3、4端经导通的K41、K42相连接，双绞线的2端经导通的K21、K22与B极相连接，A、B经饱和导通的K2、K3相连接并且与电源地相连接。图中每一个场效应管的漏极均与一个突波吸收二极管的阴极相连接，突波吸收二极管的阳极与同一场效应管的源极相连接，选用突波吸收二极管的最小反向击穿电压略低于场效应管的漏源击穿电压，以保护场效应管，提高信号发射电路的工作可靠性。

参见图6结合图5，输出正极性电流时（A+，B-），输出电流波形I_A-B对应T1段，场效应管K1、K11、K12、K31、K32的VGS均为高电平、开关管饱和导通，场效应管K2、K21、K22、K41、K42的VGS=0，K3的VGS为高电平，K4的VGS为低电平，此时直流电源正极（DC端）输出的电流经饱和导通的K1到A点，然后从双绞线中的一根导线L1的左端（1端）经L1到L1的右端（3端），再经饱和导通的K11、K12到达双绞线中的另一根导线L2的左端（2端），再经L2到达L2的右端（L4），再经饱和导通的K31、K32到达B点，再经饱和导通的K3到达电源地；关断电流时，输出电流波形对应I_A-B对应T2段，场效应管K1、K11、K12、K31、K32的VGS=0，场效应K3、K21、K22、K41、K42的VGS均为高电平、开关管饱和导通，K2的VGS为高电平，K4的VGS为低电平，此时双绞线中的一根导线L1的左端（1端）经饱和导通的电子开关K2接地，双绞线中的另一根导线L2的左端（2端）经饱和导通的电子开关K21、K22后再经饱和导通的电子开关K3接地，导线L2的右端（4端）经饱和导通的电子开关K41、K42与双绞线中的导线L1的右端（3端）短接。

如图7所示， 图7介绍了发射负极性电流时的一种实施方式，采用N型增强型高速场效应管作为电子开关器件，如GaN FET或者MOSFET等功率开关，场效应管在V_GS为高电平时饱和导通（开关闭合），V_GS为低电平时截止（开关断开）。发射信号时（A-，B+），即场效应管K2、K4的V_GS为高电平，K2、K4饱和导通，K1、K3的栅源电压V_GS为低电平，K1、K3断开，K11、K12、K31、K32饱和导通（V_GS为高电平），K41、K42、K21、K22截止（V_GS=0，），电流从直流电源正极（DC端）经饱和导通的开关K4到B点，再由B极输出经饱和导通的电子开关K31、K32与双绞线中的L2的右端（4端）相连接，L2的左端（2端）经饱和导通的K11、K12与双绞线中的另一根L1的右端（3端）相连接，L1的左端（1端）经饱和导通的电子开关K2与电源地连接；关断发射电流时，K1、K4的V_GS为低电平，K1、K4断开，K2、K3的V_GS为高电平，K2、K3导通接地，V_A=0，V_B=0，K11、K12、K31、K32截止（V_GS=0），K41、K42、K21、K22饱和导通（V_GS为高电平），双绞线右端的3、4端经饱和导通的K41、K42短接，双绞线的2端经导通的K21、K22与B极相连接，A、B经饱和导通的K2、K3与地相连接。图中每一个场效应管的漏极均与一个突波吸收二极管的阴极相连接，突波吸收二极管的阳极与同一场效应管的源极相连接，选用突波吸收二极管的最小反向击穿电压略低于场效应管的漏源击穿电压，以保护场效应管，提高信号发射电路的工作可靠性。

参见图8结合图7，输出负极性电流时（A-，B+），输出电流波形I_A-B对应T3段，场效应管K4、K11、K12、K31、K32饱和导通（VGS均为高电平），场效应K3、K21、K22、K41、K42截止（VGS=0），K2的VGS为高电平、K2导通，K1的VGS为低电平、K1截止，此时直流电源正极（DC端）输出的电流经饱和导通的K4到B点，再经饱和导通的K31、K32与双绞线中了L2的右端（4端）相连接，然后从双绞线中的导线L2的左端（2端）经饱和导通的开关K11、K12与双绞线的另一根L1的右端（3端）连接，L1的左端（1端）经饱和导通的K2接地，双绞线中的两根导线中的电流产生大小相等方向相同的磁场叠加后输出。关断电流时，输出电流波形对应I_A-B对应T4段，场效应管K4、K11、K12、K31、K32的VGS=0，场效应管K3、K21、K22、K41、K42饱和导通（VGS均为高电平），K2饱和导通（VGS为高电平），K1截止（VGS=0），此时双绞线中的一根导线L1的左端（1端）经饱和导通的电子开关K2接地，双绞线中的另一根导线L2的左端（2端）经饱和导通的电子开关K21、K22后再经饱和导通的电子开关K3接地，导线L2的右端（4端）经饱和导通的电子开关K41、K42与双绞线中的导线L1的右端（3端）短接。

本发明实施例以使用最广泛的双极性方波发射的情形进行介绍，在采用双极性矩形波或组合矩形波发射时同样适用；采用单极性方波、矩形波或组合矩形波进行信号发射时，本发明同样适用。

本发明不仅适用于瞬变电磁信号的发射，也适用于采用磁性源发射的其他人工源电磁法勘探信号发射的情形。

采用小尺寸的发射线框发射信号的时候，可在线框中置入高磁导率的软磁性材料，达到减小发射天线尺寸、兼顾信号发射强度和便携性的目的，因此，在本发明所涉及的线框中置入高磁导率软磁性材料用于磁场发射的情形同样在本发明的保护范围之类。

Claims (5)

1.一种减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，其特征在于：包括发射线圈、控制发射线圈连接方式的电子开关Ⅰ、组成桥臂的电子开关Ⅱ，所述发射线圈为双绞线，双绞线包括第一导线和第二导线，第一导线连接电子开关Ⅱ一端，电子开关Ⅱ另一端连接电子开关Ⅰ的一端，电子开关Ⅰ的另一端连接第二导线，通过电子开关Ⅰ控制第一导线和第二导线两端的连接方式为首首相连、尾尾相连或首尾相连，第一导线和第二导线连接后形成发送回路；

发射信号时，电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同；

停止发射信号时，电子开关Ⅱ中的第一开关、第四开关断开，第二开关、第三开关导通接地，电子开关Ⅰ置于右端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的尾端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，此时电子开关Ⅱ输出的负载变成了双绞线，呈阻性，电感为零，关断后，若双绞线第一导线和第二导线中有电流，电流大小相等方向相反，对外产生的磁场为零。

2.根据权利要求1所述的减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，其特征在于：所述电子开关Ⅱ包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，第一开关的一端、第四开关的一端连接在一起后接至电源正极，第一开关的另一端、第二开关的一端连接在一起后并作为电子开关Ⅱ的输出电极B接至电子开关Ⅰ的一端，第四开关的另一端、第三开关的一端连接在一起后并作为电子开关Ⅱ的输出电极A接至第一导线的首端，第二开关的另一端、第三开关的另一端连接在一起后接地。

3.根据权利要求2所述的减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，其特征在于：所述电子开关Ⅰ为双刀双掷开关，电子开关Ⅰ包括位于中间位置的上静触点和下静触点、位于左侧位置的上动触点Ⅰ和下动触点Ⅰ、位于右侧位置的上动触点Ⅱ和下动触点Ⅱ，所述上静触点与电子开关Ⅱ的输出电极B连接，下静触点与第一导线尾端连接，所述上动触点Ⅰ和下动触点Ⅱ均连接第二导线尾端，下动触点Ⅰ和上动触点Ⅱ均连接第二导线首端。

4.根据权利要求1所述的减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置，其特征在于：所述发送回路为正方形或长方形或圆形或椭圆形。

5.一种根据权利要求3所述的减小瞬变电磁关断时间的信号发射装置的信号发射方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：判断需要发射信号还是关断信号，若是发射信号，进入步骤二，若是关断信号，则进入步骤三；

步骤二：将电子开关Ⅱ中的第二开关和第四开关断开、第一开关和第三开关导通，或者将电子开关Ⅱ中的第一开关和第三开关断开、第二开关和第四开关导通；同时将电子开关Ⅰ置于左端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的首端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的尾端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，第一导线和第二导线电流产生的磁场大小相等、方向相同；

步骤三：将电子开关Ⅱ中的第一开关、第四开关断开，第二开关、第三开关导通接地，同时将电子开关Ⅰ置于右端，双绞线组成的发射回线中的第一导线的尾端与第二导线的尾端相连接，第一导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极A，第二导线的首端连接电子开关Ⅱ的输出电极B，此时电子开关Ⅱ输出的负载变成了双绞线，呈阻性，电感为零，关断后，若双绞线第一导线和第二导线中有电流，电流大小相等方向相反，对外产生的磁场为零。