CN114114434A - 瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路及其控制方法，包括主电路模块和控制模块，其中主电路模块包括高压供电电源、低压供电电源以及全桥发射电路，全桥发射电路连接有发射线圈，高压供电电源经阻断二极管连接高压电容器为其充电；高压电容器经钳位电压控制开关连接全桥发射电路为其供电；低压供电电源经快恢复二极管连接全桥发射电路为发射线圈供电；还包括电流检测电路，电流检测模块检测发射线圈中的发射电流将其传输给控制模块；控制模块经驱动电路连接钳位电压控制开关的G极和全桥发射电路的控制端组控制其工作。本发明用于实现瞬变电磁发射机双电流脉冲组合的交替发射功能，同时满足大探深与浅层高分辨率的探测需求。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，特别是涉及一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路及其控制方法。
背景技术
瞬变电磁法又称为时间域电磁法，是一种广泛应用于矿产勘探、地质构造研究、油田勘查以及无损检测等诸多领域的地球物理检测方法。瞬变电磁发射机通过发射线圈向地下发送交变电流脉冲，建立起一次脉冲磁场，一次场传导至地下后，地下导电地质体因电磁感应产生包含丰富地质信息的二次脉冲磁场，利用接收线圈在脉冲电流关断间隙接收二次场信号，并对数据反演分析处理，便可掌握地下的地质结构及矿物分布情况等信息。
随着瞬变电磁探测系统的发展，在不断提高探测深度的同时，获取详细的浅部地质信息也变得尤为重要。这就要求瞬变电磁发射机具备宽频带激励信号的输出能力，不仅要有很强的低频信号用于获取深部地质信息，还需要感应出尽量丰富的高频信息来增强浅层分辨率，减少探测盲区。同时，瞬变电磁法探测理论要求发射机发出的电流脉冲具有快速关断的能力，由于发射电流的关断速率受线圈电感量、发射电流峰值、开关管的通断延时等多方面因素影响，若在电流变化期间不加任何控制措施，电流将呈指数形式缓慢变化，需要较长时间才能达到稳态值；而对于浅层探测，关断延时越短，对应频谱的高频信息越多，其对减少探测盲区，提高浅部探测的能力十分重要。因此，无论是获取深部还是浅部地质信息，发射的电流脉冲关断速率都要求越快越好。
目前，瞬变电磁法以发射双极性梯形波或锯齿波脉冲电流作为一次场源。采用双极性脉冲电流的原因在于，根据瞬变电磁法探测原理，一次脉冲磁场是由快速变化的发射电流产生，因此利用高变化速率的下降沿进行探测，在正、负向电流关断后，接收线圈会产生符号相反、大小相同的感应电压，两次信号相减，可增强信号，并消除系统零点。借鉴该思想，若组合式双脉冲发射电路按照“正向大电流脉冲→正向小电流脉冲→反向大电流脉冲→反向小电流脉冲”的次序重复发射，在接收线圈中能够分别产生两组符号相反、大小相同的感应电压。因此利用两组峰值不同的双极性电流脉冲作为一次场源，能够同时获取深部和浅部地质信息，减少探测盲区。
针对深部和浅部同时勘查的探测需求，目前相关的研究工作包括使用同一套发射电路搭载不同线圈或者使用不同的发射系统对同一条测线进行多次勘测，施工效率较低。另外，由于受到发射线圈高感性特点的影响，对于同一套瞬变电磁发射系统而言难以实现多种快关断电流脉冲组合发射。因此，需要设计一种具备双脉冲波形组合发射能力的瞬变电磁发射机电路。
申请号202011443700.X；CN 112578466 A；申请人重庆璀陆探测技术有限公司；发明名称：瞬变电磁发射机馈能型恒压双钳位电路及其控制方法；包括外部直流电源(1)，还包括主控电路(2)、驱动电路(3)、全桥发射电路(4)、钳位电路(5)、补能单元(6)、储能模块(7)和发射线圈(8)，外部直流电源(1)连接全桥发射电路(4)为其提供直流电压；全桥发射电路(4)连接发射线圈(8)为其提供正向或反向的发射电流；储能模块(7)经钳位电路(5)连接全桥发射电路(4)，在发射电流上升沿期间为发射线圈(8)提供能量，在发射电流下降沿期间储存发射线圈(8)回馈的能量；所述钳位电路(5)分别在发射电流上升沿和下降沿期间为发射线圈(8)与储能模块(7)提供发射电流的流通通路，钳位电路(5)还为发射线圈(8)提供电压钳位；外部直流电源(1)经补能单元(6)连接储能模块(7)，用于在发射电流停供电期间为储能模块(7)补充能量；主控电路(2)经驱动电路(3)连接全桥发射电路(4)、钳位电路(5)、补能单元(6)为其提供通断时序。
本发明发射线圈8发射电流的波形是双极性梯形波脉冲，正向和负向的发射电流波形均可按电流的变化趋势分为上升沿、平顶区和下降沿三个阶段。
该专利申请采用单个直流电源供电，并且发送的是双极性梯形波脉冲，不能实现大小双电流脉冲组合循环发射。
申请号CN201610532304.1，发明名称：时间域大电流航空电磁发射装置，包括控制模块以及大功率主回路模块，其中大功率主回路模块包括LC谐振全桥逆变主回路以及恒功率充电主回路，LC谐振全桥逆变主回路包括电容以及发射线圈，控制模块控制恒功率充电主回路为电容进行充电，充电完成后，电容为发射线圈提供电能，在发射线圈中产生发射电流，电容放电结束后，控制模块控制发射线圈向电容反向充电，以回收利用发射线圈剩余的电能，发射线圈的电能释放完全后由恒功率充电主回路继续为电容充电，从而实现了节约剩余电能资源，减轻时间域大电流航空电磁发射装置的重量，实现大磁矩发射的目的。
该专利使用高压充电电路和逆变桥仅实现了一种高峰值正弦波电流脉冲的循环发射，未提及实现双电流脉冲组合交替发射的可复用电路的设计与应用。
因此，现有技术的缺陷是，未实现瞬变电磁发射机双电流脉冲组合的交替发射功能，难以同时满足大探深与浅层高分辨率的探测需求。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明的目的是提供一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，用于实现瞬变电磁发射机双电流脉冲组合的交替发射功能，同时满足大探深与浅层高分辨率的探测需求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，包括主电路模块和控制模块，其中主电路模块包括高压供电电源、低压供电电源以及全桥发射电路，全桥发射电路连接有发射线圈，高压供电电源的正极连接阻断二极管Da的正极，阻断二极管Da的负极连接高压电容器C0的一端，高压电容器C0的另一端连接高压供电电源的负极；高压电容器C0的一端还连接钳位电压控制开关的集电极，钳位电压控制开关的发射极连接全桥发射电路的一端，全桥发射电路的另一端连接高压电容器C0的另一端；低压供电电源的正极连接快恢复二极管Db的正极，快恢复二极管Db的负极连接全桥发射电路的一端，全桥发射电路的另一端还连接低压供电电源的负极；还包括电流检测电路，电流检测模块检测发射线圈中的发射电流将其传输给控制模块；控制模块经驱动电路连接钳位电压控制开关的G极和全桥发射电路的控制端组控制其工作。
还包括电压检测电路，电压检测电路检测高压电容器C0的电压值将其传输给控制模块。
所述高压供电电源通过阻断二极管Da与高压电容器C0连接，可选的，所述高压供电电源可以是DC/DC或者AC/DC高压输出变换器，在大磁矩电流脉冲上升沿期间为高压电容器C0充电。所述高压供电电源与高压电容器C0之间通过普通阻断二极管Da相连，所述阻断二极管Da单相导通，阴极与高压电容器C0的正极连接，防止发射线圈反馈电能时损坏高压供电电源，防止发射线圈感应的反向高电压造成高压供电电源损毁。其中发射线圈为感性负载线圈。
所述低压供电电源通过恢复二极管Db与全桥发射电路连接，可选的，所述低压供电电源可以是DC/DC或者AC/DC低压大电流输出变换器，也可以是低压直流发电机，在电流脉冲平顶端期间为发射线圈供电；所述快恢复二极管Db单向导通，阴极与全桥发射电路的正母线一端连接，防止高电压损坏低压供电电源，防止发射线圈感应的反向高电压损坏低压供电电源。同时,恢复二极管Db在所发射的电流脉冲平顶区为低压供电电源和全桥发射电路提供供能通路，发射大磁矩梯形波时在电流脉冲平顶端阶段使低压供电电源与高压电容器C0一起交替为发射线圈供电，快恢复特性有助于供能回路的快速切换，降低切换时的电压尖峰，提高发射系统的稳定性。
可选的，所述高压电容器C0可以是单个储能电容或者多个储能电容串并联组成的电容器组，所述高压电容器C0的正极与钳位电压控制开关的集电极连接，用于发射大小电流脉冲期间储存能量和为发射线圈提供高压钳位，实现发射电流脉冲上升沿线性提升和下降沿高速关断。所述钳位电压控制开关的发射极与全桥发射电路的正母线一端连接，控制高压电容器C0释放的电能大小，配合全桥发射电路输出电流脉冲。
所述电压检测电路检测高压电容器C0两端的电压值，并将信号实时传输给控制模块；所述电流检测模块检测发射线圈中的发射电流，并将信号实时传输给控制模块；所述控制模块为钳位电压控制开关和全桥发射电路提供通断时序；驱动电路与控制模块相连，将控制模块提供的信号进行隔离放大，控制瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路实现大小磁矩的电流脉冲交替发射。
所述高压供电电源包括高压直流电源HVDC，高压直流电源HVDC并联有电容C1；低压供电电源包括低压直流电源LVDC，低压直流电源LVDC并联有电容C2；钳位电压控制开关包括IGBT开关S5；IGBT开关S5并接有续流二极管D5；全桥发射电路包括IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4；IGBT开关S1并联有续流二极管D1；IGBT开关S2并联有续流二极管D2；IGBT开关S3并联有续流二极管D3；IGBT开关S4并联有续流二极管D4；高压电容器C0的一端还连接IGBT开关S5的集电极，IGBT开关S5的发射极连接IGBT开关S1的集电极，IGBT开关S1的发射极连接IGBT开关S2的集电极，IGBT开关S2的发射极连接高压电容器C0的另一端；IGBT开关S1的集电极还连接IGBT开关S4的集电极，IGBT开关S4的发射极连接IGBT开关S3的集电极，IGBT开关S3的发射极连接IGBT开关S2的发射极，快恢复二极管Db的负极连接IGBT开关S1的集电极，IGBT开关S2的发射极还连接低压供电电源的负极；
IGBT开关S1的发射极还经发射线圈连接IGBT开关S3的集电极；
控制模块经驱动电路连接IGBT开关S1的G极、IGBT开关S2的G极、IGBT开关S3的G极、IGBT开关S4的G极以及IGBT开关S1的G极。
控制模块包括FPGA控制单元、外部同步电路、外部复位电路、发射状态输出模块，FPGA控制单元与外部同步电路、外部复位电路、发射状态输出模块、电压检测电路、电流检测电路以及驱动电路相连。
外部同步电路与外部复位电路分别与FPGA控制单元相连，分别为发射电路提供外部同步信号与外部使能信号；发射状态输出模块接收FPGA控制单元传输的发射电路中高压电容器的实时电压值和负载线圈中的实时电流值，用于状态指示和人机交互。
控制模块中的FPGA控制单元发出逻辑控制信号，按照一定的时序控制全桥发射电路的IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4以及钳位电压控制开关IGBT开关S5的导通与截止，实现大磁矩电流脉冲与小磁矩电流脉冲组合交替发射的全深度探测模式。
一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其关键在于：控制模块按照单周期T内正向大磁矩电流脉冲流程、正向小磁矩电流脉冲流程、反向大磁矩电流脉冲流程、反向小磁矩电流脉冲流程的次序控制主电路模块循环工作。
本发明用于实现磁矩大小不同的两种电流脉冲按“正向大电流脉冲→正向小电流脉冲→反向大电流脉冲→反向小电流脉冲”的次序实现双电流脉冲组合循环发射，保持大勘探深度的同时增强瞬变电磁探测系统的浅层分辨率，减少探测盲区。
可选的，所述双电流脉冲为“大磁矩梯形波与小磁矩锯齿波”组合、“大磁矩锯齿波与小磁矩梯形波”组合、“大磁矩梯形波与小磁矩梯形波”组合、“大磁矩锯齿波与小磁矩锯齿波”组合四种波形输出形式之一，四种组合波形的发射可复用所述瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路实现。
本发明可在发射大电流脉冲完成后的晚期加入小电流脉冲的发射功能，复用同一套电路装置实现四种双电流脉冲组合的循环发射。
在正向大磁矩电流脉冲流程与反向大磁矩电流脉冲流程工作时，两者发射线圈的发射电流波形相同极性相反；在正向小磁矩电流脉冲流程与反向小磁矩电流脉冲流程工作时，两者发射线圈的发射电流波形相同极性相反；正向大磁矩电流脉冲流程与反向大磁矩电流脉冲流程工作时发射线圈的最大电流值为Ia；正向小磁矩电流脉冲流程与反向小磁矩电流脉冲流程工作时发射线圈的最大电流值为Ib；Ia>Ib。
Ia远大于Ib；因此，正向大磁矩电流脉冲流程与反向大磁矩电流脉冲流程时，发射线圈的电流脉冲称之为大电流脉冲，正向小磁矩电流脉冲流程与反向小磁矩电流脉冲流程工作时发射线圈的电流脉冲称之为小电流脉冲。
正向大磁矩电流脉冲流程或者是正向大磁矩梯形波发射流程，或者是正向大磁矩锯齿波发射流程；
正向小磁矩电流脉冲流程或者是正向小磁矩锯齿波发射流程，或者是正向小磁矩梯形波发射流程。
正向大磁矩梯形波发射流程中发射线圈的发射电流为梯形波，该梯形波的波形分为上升沿、平顶端、下降沿三个区间；
正向大磁矩梯形波发射流程包括如下步骤：
步骤A1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，同时高压电容器C0的电容电压有小幅下降，当电压下降至高压供电电源的输出电压UH时，高压供电电源向高压电容器C0充电，以维持电容电压的稳定；控制模块通过电流检测模块检测发射线圈中的发射电流，在发射电流达到预设的高峰值I1时控制IGBT开关S5关闭，形成梯形波的上升沿；
步骤A2：控制模块控制IGBT开关S5关闭后，低压供电电源通过快恢复二极管Db、IGBT开关S1、IGBT开关S3与发射线圈形成电流回路，为发射线圈中的高峰值电流提供低供电电压；控制模块对IGBT开关S5采取PWM调制方式控制其开关，在这一时间段内间歇性短暂开启IGBT开关S5，使高压电容器C0与低压供电电源交替为发射线圈供电以达到稳流的效果，IGBT开关S5的调制频率在10k至100k之间，且调制频率越高，越能精确控制电流脉冲平顶端的纹波大小；
步骤A3：控制模块控制IGBT开关S1、IGBT开关S3同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，使其电压略高于高压供电电源的输出电压值，阻断二极管Da被反向阻断，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零；
正向小磁矩锯齿波发射流程中发射线圈的发射电流的波形为锯齿波；锯齿波可分为上升沿和下降沿两个区间；
正向小磁矩锯齿波发射流程包括如下步骤：
步骤B1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，此阶段IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5的导通时间tr即为小锯齿波电流脉冲的上升时间；发射线圈的发射电流进入上升沿阶段，形成小磁矩锯齿波电流脉冲的上升沿直至IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭；
步骤B2：经过导通时间tr之后，控制模块控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0,发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零。
正向大磁矩锯齿波发射流程中发射线圈的发射电流为锯齿波，该锯齿波的波形分为上升沿、下降沿两个区间；
正向大磁矩锯齿波发射流程包括如下步骤：
步骤C1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，构成了锯齿波的上升沿；直至IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭；
步骤C2：控制模块控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭，脉冲上升沿结束；快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零，构成了锯齿波的下降沿；
正向小磁矩梯形波发射流程中发射线圈的发射电流的波形为梯形波；梯形波可分为上升沿、平顶端和下降沿两个区间；
正向小磁矩梯形波发射流程包括如下步骤：
步骤D1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，同时电容电压有小幅下降，在发射电流达到预设的高峰值I2时控制IGBT开关S5关闭，形成梯形波电流脉冲的上升沿；与发射小锯齿波类似，由于高压电容器C0的存储电压较高，输出电流脉冲时其波动较小，上升沿波形也可以看成是线性上升波形。
为了实现小梯形波电流脉冲在平顶端的稳流效果，控制模块采用电流检测电路实时检测发射电流上升沿期间的电流峰值，直至达到预设电流值I2；
其中，R0为发射线圈的电阻，UL为低压电源供电电压；
步骤D2：控制模块将IGBT开关S5关闭，此时低压供电电源通过快恢复二极管Db、IGBT开关S1、IGBT开关S3与发射线圈形成电流回路，为发射线圈中的高峰值电流提供低供电电压；与大磁矩梯形波电流脉冲发射控制方法不同，由于低压供电电源一般具备UL/Ro的供电能力，无需采用特殊的控制方式，而是由低压供电电源单独供电即可输出稳定的平顶端电流。
步骤D3：控制模块将IGBT开关S1、IGBT开关S3同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零。
大磁矩电流脉冲为上述步骤中输出的大电流梯形波脉冲或大电流锯齿波脉冲；小磁矩电流脉冲为上述步骤中输出的小电流梯形波脉冲或小电流锯齿波脉冲，发射时选择一种大磁矩电流脉冲和一种小磁矩电流脉冲进行组合，按照单周期内“正向大磁矩→正向小磁矩→反向大磁矩→反向小磁矩”的四脉冲发射次序循环发射。
发射周期为T的情况下，正向大磁矩电流脉冲流程与正向小磁矩电流脉冲流程的发射间隔至少为T/4；反向大磁矩电流脉冲流程、反向小磁矩电流脉冲流程的发射间隔至少为T/4。
显著效果:本发明提供了一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路及其控制方法，用于实现瞬变电磁发射机双电流脉冲组合的交替发射功能，同时满足大探深与浅层高分辨率的探测需求。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实例的组合式双脉冲发射电路的模块结构示意图；
图2为本发明主电路模块的电路拓扑图；
图3为本发明大小磁矩双脉冲组合发射时序示意图；
图4A为大电流梯形波脉冲与小电流锯齿波脉冲组合发射的电流波形图；
图4B为大电流锯齿波脉冲与小电流梯形波脉冲组合发射的电流波形图；
图4C为大电流锯齿波脉冲与小电流锯齿波脉冲组合发射的电流波形图；
图4D为大电流梯形波脉冲与小电流梯形波脉冲组合发射的电流波形图；
图5A为本发明的一个较佳实例的大磁矩梯形波与小磁矩锯齿波组合发射的控制时序图；
图5B为本发明的一个较佳实例的大磁矩锯齿波与小磁矩梯形波组合发射的控制时序图；
图6A为本发明正向大磁矩梯形波的第一种工作模态示意图；
图6B为本发明正向大磁矩梯形波的第二种工作模态示意图；
图6C为本发明正向大磁矩梯形波的第三种工作模态示意图；
图6D为本发明正向大磁矩梯形波的第四种工作模态示意图；
图7A为本发明一个较佳实例的大磁矩梯形波与小磁矩锯齿波组合的发射电流仿真波形图；
图7B为本发明一个较佳实例的大磁矩锯齿波与小磁矩梯形波组合的发射电流仿真波形图；
图8为正向大磁矩梯形波发射流程的流程图；
图9为正向小磁矩锯齿波发射流程的流程图；
图10为正向大磁矩锯齿波发射流程的流程图；
图11为正向小磁矩梯形波发射流程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图11所示，一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，包括主电路模块和控制模块两部分，其中主电路模块如图1-图2所示，包括高压供电电源、阻断二极管Da、低压供电电源、快恢复二极管Db、高压电容器C0、全桥发射电路、钳位电压控制开关S5、电压检测电路、电流检测电路和驱动电路。高压供电电源由HVDC和C1组成；经阻断二极管Da与高压电容器C0相连，在高压电容器C0的储能电压降至高压供电电源的电源电压以下时为高压电容器C0充电，防止其电压值大幅跌落；低压供电电源由LVDC和C2组成；经快恢复二极管Db与全桥发射电路相连，在电流脉冲平顶端期间为发射线圈供电，特殊的，发射大磁矩梯形波时在电流脉冲平顶端期间与高压电容器C0一起交替为发射线圈(包括电感Lo、电阻Ro)供电以保持大电流平稳输出；高压电容器C0经钳位电压控制开关连接全桥发射电路，在发射电流上升沿期间为发射线圈提供能量，在发射电流下降沿期间储存发射线圈回馈的能量，特殊的，发射大磁矩梯形波时在电流脉冲平顶端期间与低压供电电源一起交替为发射线圈供电以维持平顶端电流的稳定；全桥发射电路由IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D4组成；连接发射线圈为其提供正向或反向的大、小磁矩组合电流脉冲；钳位电压控制开关由IGBT开关S5和续流二极管D5组成，在发射电流上升沿和下降沿期间为发射线圈与高压电容器C0之间提供发射电流的流通通路，控制高压电容器C0存储及释放的电能大小，特殊的，在发射大磁矩梯形波时以PWM调制方法交替导通和关断以维持大电流平稳输出；电压检测电路检测高压电容器两端的电压值，并将信号实时传输给控制模块；电流检测模块检测感性发射线圈中的发射电流，并将信号实时传输给控制模块；驱动电路与控制模块相连，将控制模块提供的信号进行隔离放大，控制瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路实现大小磁矩的电流脉冲交替发射。控制模块包括FPGA控制单元、外部同步电路、外部复位电路、发射状态输出模块，为钳位电压控制开关和全桥发射电路的四个开关管提供通断时序。外部同步电路与外部复位电路分别与FPGA控制单元相连，分别为发射电路提供外部同步信号与外部使能信号；发射状态输出模块接收FPGA控制单元传输的发射电路中高压电容器C0的实时电压值和发射线圈中的实时电流值，用于状态指示和人机交互。
本发明双脉冲组合循环发射的次序为“正向大电流脉冲→正向小电流脉冲→反向大电流脉冲→反向小电流脉冲”，大小磁矩双脉冲组合发射时序示意图如图3所示，其中小电流脉冲在大电流脉冲完全关断后的晚期道发射，在系统发射频率为25Hz(发射周期T＝40ms)的情况下，大小磁矩电流脉冲关断的起始时间差Δt超过10ms(T/4)，以保证小磁矩电流脉冲的发射不影响深部信息获取。
本发明发射线圈发射的组合电流脉冲波形为“大磁矩梯形波与小磁矩锯齿波”组合(如图4A所示)、“大磁矩锯齿波与小磁矩梯形波”组合(如图4B所示)、“大磁矩锯齿波与小磁矩锯齿波”组合(如图4C所示)、“大磁矩梯形波与小磁矩梯形波”组合(如图4D所示)四种波形输出形式之一，四种组合波形的发射可复用所述瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路实现。
FPGA控制单元产生的逻辑控制信号可以有效控制IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4和IGBT开关S5的导通与截止，通过组合不同的开关模态，可实现不同波形、不同峰值大小的电流脉冲分段控制，发射大磁矩梯形波、小磁矩锯齿波、大磁矩锯齿波、小磁矩梯形波的分段控制方法如下：
分段控制输出大磁矩梯形波(如图5A中[t1,t2]时间段的发射波形)：梯形波大电流脉冲可分为上升沿，平顶端，下降沿三个区间，典型的大磁矩梯形波发射电流脉冲见图7A；
首先，控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通(如图6A所示)，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，同时高压电容器C0的电容电压有小幅下降，当电压下降至高压供电电源的输出电压UH时，高压电源向高压电容器C0充电以维持电容电压的稳定，如图6B所示，在发射电流达到预设的高峰值I1时控制IGBT开关S5关闭，形成梯形波电流脉冲的上升沿；
然后，IGBT开关S5关闭后，低压供电电源通过快恢复二极管Db、IGBT开关S1、IGBT开关S3与发射线圈形成电流回路，如图6C所示，为感性负载中的高峰值电流提供低供电电压，一般情况下低压电源供电电压UL满足：
UL＜＜IoRo；
Ro为发射线圈电阻，Io为发射线圈电流；
如不对电路采取一定的控制措施，脉冲电流将保持下降趋势，无法维持稳定输出，故对IGBT开关S5采取PWM调制方式，在这一时间段内间歇性短暂开启IGBT开关S5，使高压电容器C0与低压供电电源交替为负载供电以达到稳流的效果，IGBT开关S5的调制频率在10k至100k之间，且调制频率越高，越能精确控制电流脉冲平顶端的纹波大小；
最后，IGBT开关S1、IGBT开关S3同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，如图6D所示，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，使其电压略高于高压供电电源的输出电压值，阻断二极管Da被反向阻断，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零。
分段控制输出小磁矩锯齿波(如图5A中[t3,t4]时间段的发射波形)：锯齿波小电流脉冲可分为上升沿，下降沿两个区间，典型的小磁矩锯齿波发射电流脉冲见图7A；
从t3时刻开始，控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，设t3时刻对应高压电容器C0的储能电压为U2，此阶段3个IGBT开关的导通时间tr即为小锯齿波电流脉冲的上升时间，对应二阶电路微分方程为：
Ro为发射线圈电阻，Lo为发射线圈电感；C0为高压电容器的电容值；
其初始条件为：
令
则小锯齿波电流脉冲峰值为：
经过导通时间tr之后，IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0,发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零,令τ＝tan(μtr)，可求得电流脉冲下降沿时间tf为：
分段控制输出大磁矩锯齿波(如图5B中[t5,t6]时间段的发射波形)：锯齿波大电流脉冲可分为上升沿，下降沿两个区间，设上升沿时间为tr,下降沿时间为tf，典型的大磁矩锯齿波发射电流脉冲见图7B；
从t5时刻开始，控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，该阶段实际为二阶谐振电路，可求得上升沿发射电流的时域表达式为：
由于IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5的导通时间tr满足：
U1为对应时刻高压电容器C0的储能电压；
故该谐振阶段的正弦电流波形可以近似为线性上升曲线，构成了锯齿波大电流脉冲的上升沿，直至IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭，脉冲上升沿结束；快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零，下降沿发射电流的时域表达式为：
同样，该谐振阶段的正弦电流波形也可以近似为线性下降曲线，构成了锯齿波大电流脉冲的下降沿。
分段控制输出小磁矩梯形波(如图5B中[t7,t8]时间段的发射波形)：梯形波小电流脉冲可分为上升沿，平顶端，下降沿三个区间，典型的小磁矩梯形波发射电流脉冲见图7B；
首先，控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，同时电容电压有小幅下降，在发射电流达到预设的高峰值I2时控制IGBT开关S5关闭，形成梯形波电流脉冲的上升沿。与发射小锯齿波类似，由于高压电容器C0的存储电压较高，输出电流脉冲时其波动较小，上升沿波形也可以看成是线性上升波形。
为了实现小梯形波电流脉冲在平顶端的稳流效果，需要采用电流检测电路实时检测上升沿期间的电流峰值，直至达到预设电流值；
然后将IGBT开关S5关闭，此时低压供电电源通过快恢复二极管Db、IGBT开关S1、IGBT开关S3与发射线圈形成电流回路，为感性负载中的高峰值电流提供低供电电压，与大磁矩梯形波电流脉冲发射控制方法不同，由于低压供电电源一般具备UL/Ro的供电能力，无需采用特殊的控制方式，而是由低压供电电源单独供电即可输出稳定的平顶端电流。
最后，IGBT开关S1、IGBT开关S3同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零。
本发明实施例中组合式双脉冲中的大磁矩电流脉冲为上述的大电流梯形波脉冲或大电流锯齿波脉冲；小磁矩电流脉冲为上述的小电流梯形波脉冲或小电流锯齿波脉冲，发射基频根据瞬变电磁系统的应用场景和接收系统信号处理要求可选为0.1Hz至200Hz，对应大小电流脉冲的关断时间间隔为2.5秒至1.25毫秒。
本发明实施例中大小磁矩的双极性梯形波、锯齿波负向发射电流产生过程与正向发射电流产生过程基本一致，区别在于正向发射的上升沿时间段，全桥发射电路的IGBT开关S1、IGBT开关S3工作，下降沿时间段续流二极管D2，续流二极管D4,续流二极管D5参与续流；负向发射的上升沿时间段，全桥发射电路的IGBT开关S2、IGBT开关S4工作,下降沿时间段二极管续流二极管D1，续流二极管D3,续流二极管D5参与续流。
发射大小磁矩电流脉冲时，由于采用了高压电容器器C0对感性负载两端进行钳位，保证了电流脉冲上升沿快速提升和下降沿高速关断，同时发射周期为T的情况下，通过对IGBT开关时序的控制保证大磁矩电流脉冲发射后至少间隔T/4时间发射小电流脉冲。采用上述两个措施，可以在双脉冲组合发射模式下依然能够余留出足够的“关断后时间”(TURN-OFF TIME)用于信号接收，在提高探测效率的同时能够保证信号采集和数据质量不受到影响。
最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，其特征在于，包括主电路模块和控制模块，其中主电路模块包括高压供电电源、低压供电电源以及全桥发射电路，全桥发射电路连接有发射线圈，高压供电电源的正极连接阻断二极管Da的正极，阻断二极管Da的负极连接高压电容器C0的一端，高压电容器C0的另一端连接高压供电电源的负极；高压电容器C0的一端还连接钳位电压控制开关的集电极，钳位电压控制开关的发射极连接全桥发射电路的一端，全桥发射电路的另一端连接高压电容器C0的另一端；低压供电电源的正极连接快恢复二极管Db的正极，快恢复二极管Db的负极连接全桥发射电路的一端，全桥发射电路的另一端还连接低压供电电源的负极；还包括电流检测电路，电流检测模块检测发射线圈中的发射电流将其传输给控制模块；控制模块经驱动电路连接钳位电压控制开关的G极和全桥发射电路的控制端组控制其工作。
2.根据权利要求1所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，其特征在于：所述高压供电电源包括高压直流电源HVDC，高压直流电源HVDC并联有电容C1；低压供电电源包括低压直流电源LVDC，低压直流电源LVDC并联有电容C2；钳位电压控制开关包括IGBT开关S5；IGBT开关S5并接有续流二极管D5；全桥发射电路包括IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4；IGBT开关S1并联有续流二极管D1；IGBT开关S2并联有续流二极管D2；IGBT开关S3并联有续流二极管D3；IGBT开关S4并联有续流二极管D4；高压电容器C0的一端还连接IGBT开关S5的集电极，IGBT开关S5的发射极连接IGBT开关S1的集电极，IGBT开关S1的发射极连接IGBT开关S2的集电极，IGBT开关S2的发射极连接高压电容器C0的另一端；IGBT开关S1的集电极还连接IGBT开关S4的集电极，IGBT开关S4的发射极连接IGBT开关S3的集电极，IGBT开关S3的发射极连接IGBT开关S2的发射极，快恢复二极管Db的负极连接IGBT开关S1的集电极，IGBT开关S2的发射极还连接低压供电电源的负极；
IGBT开关S1的发射极还经发射线圈连接IGBT开关S3的集电极；
控制模块经驱动电路连接IGBT开关S1的G极、IGBT开关S2的G极、IGBT开关S3的G极、IGBT开关S4的G极以及IGBT开关S1的G极。
3.根据权利要求1所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，其特征在于：控制模块包括FPGA控制单元、外部同步电路、外部复位电路、发射状态输出模块，FPGA控制单元与外部同步电路、外部复位电路、发射状态输出模块、电压检测电路、电流检测电路以及驱动电路相连。
4.根据权利要求1所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路，其特征在于：还包括电压检测电路，电压检测电路检测高压电容器C0的电压值将其传输给控制模块。
5.根据权利要求2所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其特征在于：控制模块按照单周期T内正向大磁矩电流脉冲流程、正向小磁矩电流脉冲流程、反向大磁矩电流脉冲流程、反向小磁矩电流脉冲流程的次序控制主电路模块循环工作。
6.根据权利要求5所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其特征在于：在正向大磁矩电流脉冲流程与反向大磁矩电流脉冲流程工作时，两者发射线圈的发射电流波形相同极性相反；在正向小磁矩电流脉冲流程与反向小磁矩电流脉冲流程工作时，两者发射线圈的发射电流波形相同极性相反；正向大磁矩电流脉冲流程与反向大磁矩电流脉冲流程工作时发射线圈的最大电流值为Ia；正向小磁矩电流脉冲流程与反向小磁矩电流脉冲流程工作时发射线圈的最大电流值为Ib；Ia>Ib。
7.根据权利要求5所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其特征在于：正向大磁矩电流脉冲流程或者是正向大磁矩梯形波发射流程，或者是正向大磁矩锯齿波发射流程；
正向小磁矩电流脉冲流程或者是正向小磁矩锯齿波发射流程，或者是正向小磁矩梯形波发射流程。
8.根据权利要求7所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其特征在于：
正向大磁矩梯形波发射流程中发射线圈的发射电流为梯形波，该梯形波的波形分为上升沿、平顶端、下降沿三个区间；
正向大磁矩梯形波发射流程包括如下步骤：
步骤A1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，同时高压电容器C0的电容电压下降，当电压下降至高压供电电源的输出电压UH时，高压供电电源向高压电容器C0充电；控制模块通过电流检测模块检测发射线圈中的发射电流，在发射电流达到预设的高峰值I1时控制IGBT开关S5关闭，形成梯形波的上升沿；
步骤A2：控制模块控制IGBT开关S5关闭后，低压供电电源通过快恢复二极管Db、IGBT开关S1、IGBT开关S3与发射线圈形成电流回路，为发射线圈中的高峰值电流提供低供电电压；控制模块对IGBT开关S5采取PWM调制方式控制其开关，在这一时间段内间歇性开启IGBT开关S5，使高压电容器C0与低压供电电源交替为发射线圈供电；
步骤A3：控制模块控制IGBT开关S1、IGBT开关S3同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，使其电压高于高压供电电源的输出电压值，阻断二极管Da被反向阻断，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零；
正向小磁矩锯齿波发射流程中发射线圈的发射电流的波形为锯齿波；锯齿波可分为上升沿和下降沿两个区间；
正向小磁矩锯齿波发射流程包括如下步骤：
步骤B1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流；发射线圈的发射电流进入上升沿阶段；
步骤B2：控制模块控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0,发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零。
9.根据权利要求7所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其特征在于：
正向大磁矩锯齿波发射流程中发射线圈的发射电流为锯齿波，该锯齿波的波形分为上升沿、下降沿两个区间；
正向大磁矩锯齿波发射流程包括如下步骤：
步骤C1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，构成了锯齿波的上升沿；
步骤C2：控制模块控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5同时关闭，脉冲上升沿结束；快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零，构成了锯齿波的下降沿；
正向小磁矩梯形波发射流程中发射线圈的发射电流的波形为梯形波；梯形波可分为上升沿、平顶端和下降沿两个区间；
正向小磁矩梯形波发射流程包括如下步骤：
步骤D1：控制模块输出逻辑信号经驱动电路隔离放大后控制IGBT开关S1、IGBT开关S3、IGBT开关S5导通，高压电容器C0向发射线圈供电迅速提升发射电流，同时电容电压下降，在发射电流达到预设的高峰值I2时控制IGBT开关S5关闭，形成梯形波电流脉冲的上升沿；
控制模块采用电流检测电路实时检测发射电流上升沿期间的电流峰值，直至达到预设电流值I2；
步骤D2：控制模块将IGBT开关S5关闭，此时低压供电电源通过快恢复二极管Db、IGBT开关S1、IGBT开关S3与发射线圈形成电流回路，为发射线圈中的高峰值电流提供低供电电压；
步骤D3：控制模块将IGBT开关S1、IGBT开关S3同时关闭，快恢复二极管Db被反向阻断，由于发射线圈上的电流方向不能突变，因此续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5导通续流，此时发射线圈将能量反馈给高压电容器C0，发射线圈的发射电流进入下降沿阶段，直到发射线圈的发射电流为零。
10.根据权利要求5所述的瞬变电磁发射机组合式双脉冲发射电路的控制方法，其特征在于：发射周期为T的情况下，正向大磁矩电流脉冲流程与正向小磁矩电流脉冲流程的发射间隔至少为T/4；反向大磁矩电流脉冲流程、反向小磁矩电流脉冲流程的发射间隔至少为T/4。
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| Title |
|---|
| 林君等: "基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术", 吉林大学学报(工学版), vol. 45, no. 05, 30 September 2015 (2015-09-30), pages 1718 - 1724 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115128680A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-30 | 吉林大学 | 一种磁性源多波形组合的瞬变电磁靶向测量方法 |
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