半航空瞬变电磁发射机关键技术研究

【类型】学位论文

【作者】李琳琳 

【关键词】 半航空瞬变电磁 发射系统 地回路模型 电流关断 发射机设计

【摘要】矿产资源在工农业生产和日常生活中都起到非常重要的作用,经济发展对矿产资源的需求量日益增大。我国矿产资源虽然丰富,但是受勘查能力和开采能力所限,目前国内的矿产供应缺口仍然很大。发展新的勘查方式对于提升勘查能力、扩大勘查范围有重要意义。半航空瞬变电磁采用了地面发射结合空中接收的模式,将地面电磁的大发射功率和航空电磁的空中大范围灵活接收的优势相结合,是近年来提出的一种新的高效的勘查方式。它减少了地面电磁搬运测量的工作量,同时大功率的发射系统使其高质量的完成探测任务成为可能。该技术在国内目前虽然有一些理论方面的研究成果,但用于半航空瞬变电磁探测的成熟系统还未见报道。研发具有我国自主知识产权的、实用的半航空瞬变电磁仪,对于研究半航空瞬变电磁探测方法、推进半航空瞬变电磁法应用于生产实践、提升我国的矿产勘查能力而言,其意义非凡。发射系统的研究与设计是半航空瞬变电磁仪研发的第一步。本文依托于国家国土资源部公益项目,研究了半航空瞬变电磁发射系统相关的理论方法和发射机设计的关键技术,取得的主要成果和结论如下:(1)根据航空电磁探测的基本理论,研究半航空瞬变电磁正演模拟计算的方法,用于指导发射机的电流参数设计,其中包括:发射电流、发射磁矩、平顶时间等;归一化发射磁矩和接收线圈面积条件下,相同接收高度上,大地电阻率不同对响应的影响;结合接收机的预期设计指标,通过给定收发条件,对偏移距和飞行高度参数变化对发射电流的要求进行了推导;研究了飞行高度一定的情况下,H型层状大地在接收线圈高度50米的平面上不同时刻xV、yV和zV的响应;提出了多点组合源探测模式,计算了2点、4点、8点组合源发射的探测效果,与单源发射相比,组合源在探测区域内部得到了更大、更均匀的探测响应;(2)根据航空电磁采用地回路标定的方法进行逆向思维,提出了通过半航空地回路模型用于确定适用于半航空瞬变电磁探测的发射波形,响应推导过程简单且可以得到解析解。计算了四种常见波形在地回路模型下的响应,将其与理想的负阶跃响应进行对比。实验证明,常见波形的响应均小于理想负阶跃信号,当方波脉冲宽度2.5倍于地回路时间常数时,方波响应可以达到理想化负阶跃响应的90%以上,可以使用方波近似为负阶跃信号作为半航空系统的激励;对地回路的响应上,梯形波在平顶时间不应低于斜坡时间的22倍,否则其响应对方波的误差将超过10%;三角波关断后的响应在相当长时间内仅为阶跃波的33.9%,正弦半波为阶跃波的45.7%,其探测效果均远低于方波和梯形波;通过对比结论结合常规的频谱分析与能量计算,指导了发射系统的波形的选取;(3)采用独特的时间零点位置对斜坡衰减关断和指数关断形式进行了分析,分别对其应当关断的时刻以后的响应进行了计算,并与理想关断进行了对比分析,通过分析明确非理想关断对响应的影响;对斜坡式关断的定量研究表明,非理想化关断在电流完全关断后的响应比理想响应仍大2~3%,因此不能通过推后观测时间达到消除非理想关断影响的目的;50A发射电流情况下,衰减关断时间大于200?s斜坡关断响应对方波的相对误差会超过10%,因此应尽量控制发射机的衰减时间在200?s以内;对指数衰减形式研究表明,进行样机的调试过程中,在选择线圈参数时,应使标定线圈与发射线圈的时间常数尽可能的接近,以期获得更大的响应;对衰减过程的校正理论研究进行了简单的介绍,并完成了Matlab和Multisim环境下的发射机快关断仿真,包括了经典H桥的电流震荡问题、RCD吸收回路的电流响应研究、恒压箝位电路的快关断响应、电流线性上升和恒流控制等。(4)对发射机进行了系统设计,对其中主要的核心模块进行了设计,包括硬件和软件两大部分,硬件设计研究了大功率电源、驱动与保护电路、电压与电流采样电路、微控制器电路、数据通信与存储、同步电路、抗干扰设计,软件部分包括了嵌入式开发架构和流程,PC软件、软件抗干扰设计等。对实验样机在南京冶山地质公园进行了野外的实验测试,分别采用电性源和磁性源方式发射双极性方波信号,采集地面接收数据,完成了对发射机的功能验证,并为下一步改进提出建议。

【学位名称】博士

【学位授予单位】成都理工大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】王绪本，任家富

【读秀链接】读秀链接