CN111352164A - 具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统 - Google Patents

具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统。该系统根据安培定则，当与多路发射桥路相连的多匝发射线圈在一个平面且通过线圈的电流方向相同时，多匝发射线圈内电流产生的磁场方向一致,根据矢量叠加的原则，系统产生的总激励磁场为多组发射电路产生的磁场的矢量和。本发明利用多路桥路和多匝发射线圈组合构成多组发射电路，产生具有相同脉宽、上升时间和下降时间的双极性多边形波。由于每组发射电路中发射线圈匝数较少，其电感较小，相对单桥路相同匝数发射线圈的发射系统而言，具有更短的关断时间、更大的发射电流和总发射磁矩，在提高了瞬变电磁探测系统的探测深度的情况下，更加有利于早期信号的提取。

Description

具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统
技术领域
本发明属于瞬变电磁探测领域，具体而言为一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统。
背景技术
目前瞬变电磁探测系统主要有两个研究方向，在深层探测方面，主要有增大发射线圈尺寸、提高峰值发射电流两个方向，主要目的是通过提高发射磁矩提高探测深度；在浅层探测方面，主要有减小关断时间、提高接收系统采样速率两个方向。在峰值电流一定的时减小关断时间，有利于激发更大的磁场，为早期数据的处理提供了更多的点数；提高采样速率可以保证相同的采样时间内有更多处理的点数。
CN107979300A公开的一种《双极性梯形电流的大磁矩发射机及其电流产生方法》和CN106054261B公开的一种《时间域大电流航空电磁发射装置》使用了电源给逆变电路供电，并提供了能量回收电路，尽可能的把能量用于能量的发射，均从能量的利用方面进行大电流的发射。但是大功率发射器件均有自己的极限峰值发射电流，在固定的负载线圈的情况下单桥路发射电路有着最大的发射电流，其发射磁矩固定。
CN102427345B公开了一种《电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法》、CN104682763B公开了一种《馈能恒压钳位高速关断方法和装置》使用了不同的恒压钳位控制方案，控制发射电流快速关断。但是恒压钳位电路对于不同负载其关断时间是固定的，多路组合进行发射磁矩的叠加，在关断时间上无法保持一致。
CN105510979A公开了一种《负载并联放电的瞬变电磁发射机电路》通过控制负载线圈的匝数的多少，控制负载的电感大小。可以实现在同样的关断延时下，能够增加发射电流或者负载圈数，增大等效磁矩。但是该方案在增大发射电流的同时，减小了有效发射面积，其发射磁矩的增加存在一定的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统，在保持大探测深度的同时，保证了系统的快速关断，保证了浅层信号的提取和解析。
本发明是这样实现的，
一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统，包括:发射系统与接收系统，所述接收系统包括接收机、前置放大器和三分量接收线圈，三分量接收线圈接收的信号经前置放大器放大后传至接收机；所述发射系统包括由补偿线圈以及多匝发射线圈构成的负载；所述补偿线圈放置在多匝发射线圈所在平面，或放置在平行于该平面上的任意位置，所述三分量接收线圈放置在补偿线圈内的零磁区域；发射系统包括发射系统主控电路、多路钳位电压监测电路、补偿电路以及多组发射电路，一路发射桥路和单匝或两匝发射线圈构成一组发射电路，补偿电路包括一路补偿发射桥路和一匝补偿线圈，多组发射电路的发射电流峰值大小相同或不同，开启和关闭的时刻一致，多组发射电路和补偿电路有相同的上升时间tr、平顶时间tk、关断时间td，并具有相同的调制频率。
进一步地，每组发射电路的发射线圈匝数为一匝时，多匝发射线圈在水平方向排布成圆形或者正多边形，多匝发射线圈形成的横截面排布成近似正多变形，组成的发射线圈总匝数大于等于3匝。
进一步地，每组发射电路的发射线圈匝数为两匝时，在横截面上，同一组发射电路的两匝发射线圈对称分布，组成的发射线圈总匝数大于等于4匝。
进一步地，所述发射系统包括有发射机，所述发射机的主控电路控制发射线圈的发射电路，发射线圈的发射电路采用多路具有变压钳位功能的桥路组合进行大电流的双极性多边形波发射。
进一步地，发射线圈的发射电路包括驱动电路，驱动电路通过发射系统主控电路控制，驱动H桥逆变电路通过发射线圈发射电流，H桥逆变电路连接钳位电路，所述钳位电路由钳位电压控制电路控制，通过多路钳位电压监测电路对钳位电压进行检测，每一路的钳位电压均和负载有关，根据
Figure BDA0002418978580000031
其中L和R为负载的电感和电阻，i为通过负载的电流，钳位电压控制电路保证发射电路根据不同的负载调整钳位电压。
进一步地，所述补偿发射电路为具有变压钳位功能的发射电路，补偿发射电路的控制时序中上升时间、平顶时间和下降时间和发射线圈的发射电路相同，调制频率也与发射线圈的发射电路相同。
进一步地，所述多路钳位电压监测电路，监测N路发射电路和一路补偿发射电路的钳位电压，并将每路钳位电压探测结果发送给主控电路，主控电路根据探测的电压值进行调控，实现各路发射电路钳位电压的闭环控制，确保各路发射电路有相同的关断时长。
进一步地，通过所述接收机控制发射机，接收机通过同一时钟源产生N+1路同源的隔离同步信号，通过发射系统主控电路分别控制N路发射电路和一路补偿发射电路，确保补偿发射线圈和发射线圈产生一个零磁场区域，用于放置三分量接收线圈。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明采用了多路发射桥路组合进行组合发射，避免了单桥路发射时由于大功率器件的电压限制及发射线圈的电阻存在导致的最大发射电流的限制，实现了在发射电流固定的情况下，发射磁矩的提高。
本发明采用了一路发射电路和一匝或者两匝发射线圈组合进行组合发射，极大的减小了发射线圈的电感，极大的加快了电流从最大值关断为零的速度，有利于激发更强的磁场，且有利于早期信号的提取。
本发明采用接收机控制发射机的方式，接收机通过同一时钟源产生N+1路同源的隔离同步信号，通过主控电路分别控制N路发射桥路和一路补偿发射电路，确保补偿发射线圈和发射线圈产生一个零磁场区域，用于放置三分量接收线圈。
本发明采用了一种闭环变压钳位发射电路，可以通过发射机的发射主控电路控制发射电路关断时间，确保每路发射桥路在负载不完全相同的条件下可以做到同时关断。
本发明采用了一种特殊的发射线圈排布方式，将多组发射线圈水平方向按照圆形或正多边形排布，截面上按照正多边形的方式排布，并将补偿线圈和接收线圈放置在关于截面的对称面上，保证了多路发射电路对补偿电路和接收系统的影响尽可能的平均，确保了系统的对称性。
附图说明
图1为本发明实施例具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统的结构框图；
图2为本发明实施例图1中供电电源的组成框图；
图3为本发明实施例变压钳位发射电路；
图4为本发明实施例发射电流波形图；
图5为本发明实施例多路发射电流关断时间一致波形图；
图6为本发明实施例负载线圈布局图；
图7为本发明实施例单桥路单匝发射线圈可构成的截面图(A)三匝发射线圈的布局(B)四匝发射线圈的布局(C)五匝发射线圈的布局(D)六匝发射线圈的布局；
图8为本发明实施例单桥路双匝发射线圈可构成的截面图(A)四匝发射线圈的布局(B)六匝发射线圈的布局。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统，包括:发射系统与接收系统，所述接收系统包括三分量接收线圈；所述发射系统包括由补偿线圈以及多组发射线圈构成的负载；所述补偿线圈放置在多组发射线圈所在平面，或放置在平行于该对称面的平面上的任意位置，参见图6所示，所述三分量接收线圈放置在补偿线圈内的零磁区域；发射系统包括补偿电路以及多组发射电路，一路发射桥路和单匝或两匝发射线圈构成一组发射电路，补偿电路包括一路补偿发射桥路和一匝补偿线圈，多组发射电路的发射电流峰值大小相同或不同，开启和关闭的时刻一致，多组发射电路和补偿电路有相同的上升时间tr、平顶时间tk、关断时间td，并具有相同的调制频率。
发射系统包括有发射机，发射系统主控电路属于发射机，控制发射线圈的发射电路，发射线圈的发射电路采用多路具有变压钳位功能的桥路发射电路组合进行大电流的双极性多边形波发射，发射电流峰值大小可以相同，也可以不同。但是多路发射桥路开启和关闭的时刻一致，其时序受到发射系统主控电路控制，确保所有的桥路有相同的上升时间tr、平顶时间tk、关断时间td。此外,多发射电路具有相同的调制频率。整个系统的峰值发射磁矩M＝i1×S1+i2×S2+…+iN×SN,其中i1,i2…iN分别为N个桥路在N的发射线圈中的发射电流，S1,S2…SN分别为N的发射线圈的有效面积。发射系统发射的波形为双极性周期多边形波，其基频为25Hz,75Hz,125Hz…等25Hz的倍频或者12.5Hz等25Hz的分频，或者30Hz,90Hz,150Hz…等30Hz的倍频或15Hz等30Hz的分频。其电流上升阶段为调制式阶梯上升，上升时间可调，峰值电流保持时间及峰值电流大小可调，下降阶段线性下降，且多路发射桥路产生的多边形波的下降时间可调。
参见图3所示，每组发射电路包括驱动电路，驱动电路通过发射系统主控电路控制，驱动H桥逆变电路通过发射线圈发射电流，H桥逆变电路连接钳位电路，所述钳位电路由钳位电压控制电路控制，通过多路钳位电压监测电路对钳位电压进行检测，每一路的钳位电压均和负载有关，根据
Figure BDA0002418978580000061
其中L和R为负载的电感和电阻，i为通过负载的电流，钳位电压控制电路保证发射电路根据不同的负载调整钳位电压。
参见图2所示结合图3所示，本发明采用多路隔离低压电源与多路隔离高压电源构成的供电电源。接收机和发射机控制电路部分分别由供电电源的隔离低压电源A1和隔离低压电源A2供电，多路发射机的桥路供电端可以并联由供电电源的单路隔离高压电源B1，也可以每个桥路由一个隔离高压电源供电，钳位电压控制电路由隔离高压电源B2供电。
补偿发射电路为具有变压钳位功能的发射电路，补偿发射电路的控制时序中上升时间、平顶时间和下降时间和发射线圈的发射电路相同，调制频率也与发射线圈的发射电路相同。
所述多路钳位电压监测电路，监测N路发射电路和一路补偿发射电路的钳位电压，并将每路钳位电压探测结果发送给主控电路，主控电路根据探测的电压值进行调控，实现各路发射电路钳位电压的闭环控制，确保各路发射电路有相同的关断时长。
接收系统包括接收机，通过所述接收机控制发射机，接收机通过同一时钟源产生N+1路同源的隔离同步信号，通过发射系统主控电路分别控制N路发射电路和一路补偿发射电路，确保补偿发射线圈和发射线圈产生一个零磁场区域，用于放置三分量接收线圈。
参见图7所示，每组发射电路的发射线圈匝数为一匝，多组发射线圈在水平方向排布成圆形或者正多边形，多组发射线圈形成的横截面排布成近似正多变形，组成的发射线圈总匝数大于等于3匝。单桥路单匝发射线圈可构成的截面图7(A)三匝发射线圈的布局；7(B)四匝发射线圈的布局；7(C)五匝发射线圈的布局；7(D)六匝发射线圈的布局。
参见图8所示，每组发射电路的发射线圈匝数为两匝时，在横截面上，同一组发射电路的两匝发射线圈对称分布，组成的发射线圈总匝数大于等于4匝，一般的，在对下降时间要求更高的场合，采用一路发射电路匹配一匝发射线圈的方式，根据探测深度需求构成单匝、两匝发射线圈或者截面为正N边形的发射线圈；在更加考虑磁矩的场合，单路发射线圈匹配两匝发射线圈的方式，构成两匝、四匝或六匝等截面为正偶数边形的发射线圈，且线圈对称排布。参见单桥路双匝发射线圈可构成的截面图8(A)四匝发射线圈的布局，其中，发射线圈1_1和发射线圈1_2为一个发射桥路，发射线圈2_1和发射线圈2_2为一个发射桥路；8(B)六匝发射线圈的布局，发射线圈1_1和发射线圈1_2为一个发射桥路，发射线圈2_1和发射线圈2_2为一个发射桥路；发射线圈3_1和发射线圈3_2为一个发射桥路。
工作过程包括：首先根据瞬变电磁探测系统的探测需求确定瞬变电磁探测系统每组发射线圈为单匝或者两匝。对于浅层探测等对于关断时间要求很高的场景，一般选择单路发射桥路和单匝发射线圈匹配的方式，主要目标是尽可能的减小负载的电感，减小关断时间；对于给深层探测等对于磁矩(发射电流和有效面积的乘积)要求很高的场景，考虑到功率器件的耐压和发射线圈的电阻等对于最大发射电流的限制，一般选择单路发射桥路和两匝发射线圈匹配的方式，主要目标是在发射电流极限的情况下，通过增加发射线圈的有效面积的方式提高发射磁矩。
然后根据探测深度要求，确定磁矩的大小。根据系统运载平台的负载能力和供电能力，确定负载线圈的直径D和匝数N并将其在截面上布置成正N多边形，最后根据磁矩叠加的方式确定发射电路的发射电流。
接着，将补偿线圈放置在多路发射线圈的水平对称面上，或者放置在平行于该对称面的平面上，将多分量接收线圈放置在补偿线圈内的零磁区域。
在确定了系统的基本结构后，在接收机端控制打开发射电路的路数N，并给予发射机N+1路同步发射信号(频率为发射波形基频的2倍，若发射25Hz双极性梯形波，则给予50Hz的同步信号；若发射30Hz双极性梯形波，则给予60Hz的同步信号)，发射机主控电路接收同步信号后控制N路驱动电路和一路补偿发射电路的驱动电路，H桥逆变电路和钳位电路按照时序产生多边形波。
主控电路采集多路钳位电压监测电路采集的电压值和电流传感器得到的电流波形，通过控制驱动电路调整每路发射电路的上升时间tr和平顶时间tk，确保N+1路发射电路和补偿发射电路，有形同的并通过接收传感器和接收机持续采集由发射系统激发进而产生的地电信息。
为了将本发明涉及到的一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统应用在大范围快速的浅层水资源查找中。
实施例1
根据现有系统的特征，首先确定运载工具为直升机，设计一种直径12m的吊舱系统，其发射线圈匝数选择3匝，3匝线圈按照如图7(A)所示的方式进行排布，并统一用固定形状的吊舱骨架进行固定。本实施例中，采用了三组发射电路进行组合发射，每组发射电路由一路发射桥路配合一匝发射线圈构成。
补偿线圈在发射线圈所在平面或者与该平面的平行面上，补偿线圈设置为单匝直径2m的圆环，将多分量接收线圈放置在补偿线圈内的零磁区域。
连接整个系统后，首先开启接收机，并给予一路同步信号给发射机主控电路(3)，主控电路开启一路发射电路，确定发射的双极性多边形波的发射基频(一般根据当地电网的工频选择，如工频50Hz,则基频选择25Hz,75Hz,125Hz…等25Hz的倍频或者12.5Hz等25Hz的分频；若工频60Hz,则基频选择30Hz,90Hz,150Hz…等30Hz的倍频或15Hz等30Hz的分频)，调整上升时间、平顶时间和下降时间，通过观察供电电源上的供电电压和供电电流与直升机提供的功率的最大值得比较，确定合适的发射峰值电流，确保整个系统正常运行。
在开启一路发射电路，整个系统没有问题的情况下，开启补偿发射电路，调整发射波形的基频，调整上升时间、平顶时间和下降时间，确保发射电路和补偿发射电路有相同的关断时间，发射如图4所示的波形。开启接收传感器，开始进行全时段信号采集，然后移动接收线圈，寻找补偿效果最好的点，接着，调整补偿发射线圈内的峰值电流值，寻找补偿效果最好的补偿发射电流。
接着，开启第2路发射电路，调整基频和波形，峰值发射电流和第1路发射电路接近，关断时间一致；
最后，开启第3路发射电路，调整基频和波形，第3发射电路发射的峰值电流值根据供电电源输入功率和直升机能给予最大功率进行微调，在直升机输出功率运行的范围内尽可能的加大。
在不同负载线圈的作用下，调整图3中钳位电压控制电路，使得3路发射电路有相同的关断时间，如图5所示。
在系统完成探测任务后，按照第3、2的顺序关闭发射电路，然后关闭接收传感器和数据采集，然后依次关闭补偿发射电路和第1发射电路，退出磁盘，关闭接收机，然后进行数据处理。
实施例2
为了将本发明涉及到的一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统应用在大范围快速的深层矿产资源查找中。
根据现有系统的特征，首先确定运载工具为直升机，设计一种直径24m的吊舱系统，其发射线圈匝数选择6匝，6匝线圈按照如图8(B)所示的方式进行排布，并统一用固定形状的吊舱骨架进行固定。因为此时若采用一路发射一匝发射线圈的形式，需要的发射桥路过多，电路结构过于复杂，因此采用一路发射桥路和两匝发射线圈组合的方式组合进行发射，在本实例中，采用了三组发射电路进行组合发射，补偿线圈的截面在发射线圈截面的水平对称面上，或者放置在平行于该对称面的平面上，补偿线圈设置为单匝直径6m的圆环，将多分量接收线圈放置在补偿线圈内的零磁区域。
连接整个系统后，首先开启接收机，并给予一路同步信号给发射机主控电路3，主控电路开启一路发射电路，确定发射的双极性多边形波的发射基频(一般根据当地电网的工频选择，如工频50Hz,则基频选择25Hz,75Hz,125Hz…等25Hz的倍频或者12.5Hz等25Hz的分频；若工频60Hz,则基频选择30Hz,90Hz,150Hz…等30Hz的倍频或15Hz等30Hz的分频)，调整上升时间、平顶时间和下降时间，通过观察供电电源上的供电电压和供电电流与直升机提供的功率的最大值得比较，确定合适的发射峰值电流，确保整个系统正常运行。
在开启一路发射电路，整个系统没有问题的情况下，开启补偿发射电路，调整发射波形的基频，调整上升时间、平顶时间和下降时间，确保发射电路和补偿电路有相同的关断时间，发射如图4所示的波形。开启接收传感器，开始进行全时段信号采集，然后移动接收线圈，寻找补偿效果最好的点，接着，调整补偿发射线圈内的峰值电流值，寻找补偿效果最好的补偿发射电流。
接着，开启第2路发射电路，调整基频和波形，峰值发射电流和第一路接近，关断时间一致；
最后，开启第3路发射电路，调整基频和波形，第3发射电路发射的峰值电流值根据供电电源输入功率和直升机能给予最大功率进行微调，在直升机输出功率运行的范围内尽可能的加大。
在不同负载线圈的作用下，调整图3中钳位电压控制电路，使得3路发射电路有相同的关断时间，如图5所示。
在系统完成探测任务后，按照第3、2的顺序关闭发射电路，然后关闭接收传感器和数据采集，然后依次关闭补偿发射电路和第1发射电路，退出磁盘，关闭接收机，然后进行数据处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统，包括:发射系统与接收系统，其特征在于，所述接收系统包括接收机、前置放大器和三分量接收线圈，三分量接收线圈接收的信号经前置放大器放大后传至接收机；所述发射系统包括由补偿线圈以及多匝发射线圈构成的负载；所述补偿线圈放置在多匝发射线圈所在平面，或放置在平行于该平面上的任意位置，所述三分量接收线圈放置在补偿线圈内的零磁区域；发射系统包括发射系统主控电路、多路钳位电压监测电路、补偿电路以及多组发射电路，一路发射桥路和单匝或两匝发射线圈构成一组发射电路，补偿电路包括一路补偿发射桥路和一匝补偿线圈，多组发射电路的发射电流峰值大小相同或不同，开启和关闭的时刻一致，多组发射电路和补偿电路有相同的上升时间tr、平顶时间tk、关断时间td，并具有相同的调制频率。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，每组发射电路的发射线圈匝数为一匝时，多匝发射线圈在水平方向排布成圆形或者正多边形，多匝发射线圈形成的横截面排布成近似正多变形，组成的发射线圈总匝数大于等于3匝。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，每组发射电路的发射线圈匝数为两匝时，在横截面上，同一组发射电路的两匝发射线圈对称分布，组成的发射线圈总匝数大于等于4匝。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射系统包括有发射机，所述发射机的主控电路控制发射线圈的发射电路，发射线圈的发射电路采用多路具有变压钳位功能的桥路组合进行大电流的双极性多边形波发射。
5.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，发射线圈的发射电路包括驱动电路，驱动电路通过发射系统主控电路控制，驱动H桥逆变电路通过发射线圈发射电流，H桥逆变电路连接钳位电路，所述钳位电路由钳位电压控制电路控制，通过多路钳位电压监测电路对钳位电压进行检测，每一路的钳位电压均和负载有关，根据
Figure FDA0002418978570000021
其中L和R为负载的电感和电阻，i为通过负载的电流，钳位电压控制电路保证发射电路根据不同的负载调整钳位电压。
6.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，所述补偿发射电路为具有变压钳位功能的发射电路，补偿发射电路的控制时序中上升时间、平顶时间和下降时间和发射线圈的发射电路相同，调制频率也与发射线圈的发射电路相同。
7.按照权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多路钳位电压监测电路，监测N路发射电路和一路补偿发射电路的钳位电压，并将每路钳位电压探测结果发送给主控电路，主控电路根据探测的电压值进行调控，实现各路发射电路钳位电压的闭环控制，确保各路发射电路有相同的关断时长。
8.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，通过所述接收机控制发射机，接收机通过同一时钟源产生N+1路同源的隔离同步信号，通过发射系统主控电路分别控制N路发射电路和一路补偿发射电路，确保补偿发射线圈和发射线圈产生一个零磁场区域，用于放置三分量接收线圈。
CN202010199819.0A 2020-03-20 2020-03-20 具有大发射磁矩、短关断时间的瞬变电磁探测系统 Active CN111352164B (zh)

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