電磁探測特種電源

電磁探測特種電源是指套用於電磁探測，具有縮短脈衝上升時間，減小波形畸變的特種電源。有耗能型、饋能型和無損型電路三種形式。

電磁探測技術是地球物理勘探技術的一大種類，從場源的形式，分為人工場源和天然場源；從場源的性質，分為電耦源和磁耦源兩類；按回響的性質，分為頻域電磁法和時間域電磁法。

基本介紹

• 中文名：電磁探測特種電源
• 外文名：Special Power Supply forElectromagnetic Detecting
• 形式：關斷延時最短
• 學科：電氣工程
• 形式：耗能型、饋能型和無損型
• 套用：電磁探測

研究背景

能源爭奪是國際競爭的永久話題，能源勘察是能源競爭的基礎。能源勘察不僅影響當前經濟的發展，也是國家制定發展規劃的基礎，制約著國家經濟的可持續發展；工程地質勘察、地下水資源勘查、災害地質調查在國家基礎建設、環境保護、國家安全中發揮了越來越大的作用。1999年，國土資源部啟動了為期12年的國土資源大調查專項工作，探測分析技術和信息技術是大調查的重點工作之一。作為地質勘察技術，電磁探測技術廣泛地得到各個國家政府、研究單位、企業的高度重視。我國對探測儀器的需求大量依賴進口，發展自己的電磁探測技術與儀器，非常緊迫。

電磁探測儀器一般由激勵場源（天然場源的大地電磁法除外）、接收儀器等組成，激勵場源性能的好壞直接影響到地質體感應信號的質量，因此，激勵場源的研究是地學儀器的重要課題。

瞬變電磁法

瞬變電磁法基本原理

電磁探測技術是地球物理勘探技術的一大種類，從場源的形式，分為人工場源和天然場源；從場源的性質，分為電耦源和磁耦源兩類；按回響的性質，分為頻域電磁法和時間域電磁法。

瞬變電磁法（TransientElectroMagnetic，簡稱TEM），或稱時間域電磁法（Timedomainelectromagnetic，簡稱TDEM），是一種利用電磁法原理進行地質勘探的先進技術。以接地導線通以脈衝電流為激勵場源，稱電耦源瞬變電磁法；以不接地導線通以脈衝電流為激勵場源，稱磁耦源瞬變電磁法。TEM最早由Ward於1938年提出，50年代，原蘇聯提出了遠區和近區建場法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系統投入使用。此後，國內外各研究機構和生產廠家,不斷推出智慧型化瞬變電磁儀。

磁耦源瞬變電磁法工作模式分同點裝置、偶極裝置和大定回線裝置三種。圖為大定回線裝置系統框圖，系統由發射系統和接收系統兩部分構成。

系統各部分作用如下：

發射機系統：由電池組、瞬變電磁發射機、發射線圈、GPS同步控制器組成，用於產生激勵電流波形，負載為發射線圈。激勵電流有雙極性電流脈衝、三角波和半正弦波幾種。但最常用的是雙極性電流脈衝，發射波形頻率在0.0625~32Hz之間，發射功率為數百瓦~數十千瓦，發射電流為幾安培至上百安培，發射時序由GPS同步控制器產生。

接收機系統：由瞬變電磁信號接收機、接收線圈、GPS同步控制器組成。接收地質體的感應信號，感測器為接收線圈、有源磁探頭或高溫超導量子干涉儀，接收由GPS同步控制器控制。

GPS同步控制器：用於協調發射機、接收機的時序（在同點裝置或小回線套用時也可採用電纜同步）。

在大定回線裝置系統中，為了提高工作效率，多套接收系統可以同時同步工作。

瞬變電磁法發射技術的關鍵問題

實際的發射機不可能做到理想的階躍電流激勵，存在關斷延時，在電流下降沿期間，存在一次場和二磁場的混疊。為了提高淺層探測能力，應縮短發射機的關斷延時，將數據採集起始時刻儘量前移。另外，發射機還存在開關噪聲、下降沿波形無規律、受負載變化影響等問題。

①發射電流波形類型

瞬變電磁法的激勵場源分單極性和雙極性電流脈衝兩類。產生單極性電流脈衝的原理近似於照相機閃光燈原理，利用電容存儲高能量，在瞬間釋放，可產生高達100A的放電電流，這種技術也叫能量壓縮技術。

單極性場源產生的回響信號強，儀器節能、低損耗，但存在明顯缺點：由於脈衝很窄，上升沿和下降沿產生的電磁回響混迭在一起，上升沿的影響不能忽略；設計加速電流下降和改善下降沿波形的電感能量釋放迴路很困難；對於雙極性激勵，可採用正向、負向回響相減的辦法，消除運算放大器零點，但單極性激勵無法採用這種技術。因此，目前的TEM系統一般採用雙極性場源。

②關斷延時對TEM回響的影響

關斷延時越小，諧波分量越豐富，對探測淺部信息越有利，淺部地質結構產生的回響衰減較快，反映在TEM接收信號早期，深部地質結構產生的回響衰減較慢，反映在TEM接收信號晚期。

③電流下降沿波形形狀影響

由於負載呈感性，電流一般呈指數上升，需要經過一段時間才能達到穩態；在電流下降沿，由於不同發射機的電感能量泄放迴路拓撲結構的不同，下降沿形狀變化較多，較普遍的是呈指數規律下降，也可能是線性或其他函式。電流下降沿波形與電感能量釋放網路結構、負載電感量、負載電阻、發射電流、器件參數有關。電子開關的極間電容產生振盪、二極體的恢復時間會造成電流過沖、IGBT拖尾電流使波形畸變、非理想的驅動信號都會造成電流波形失真。

④發射電流大小

大的發射電流有利於增強信噪比，並增強深部地質結構的電磁回響，因此，總是希望發射電流越大越好。目前，雙極性脈衝電流一般在50A以內。

準諧振高速關斷電路

耗能型準諧振高速關斷電路

電路原理：

提出的耗能型準諧振高速關斷電路見圖虛線框內電路。常規RCD吸收電路、PCB深孔電鍍電源等電路的關斷延時與電源相關，由此構想，如果在關斷期間阻斷負載與電源的續流通路，其性能就有可能得到改善。根據該思想，在母線上加二極體D3，在關斷期間的續流由虛線框內電路完成。

分析電路工作原理：

①正向供電時，開關J1、J4、J6導通，J5、J2、J3截止，在負載得到正向電流。假設正向供電時間足夠長，電流上升達到穩態I0。

②在停供時，J1、J4截止，由於J6預先開通，L、RL、J6、D2、RC網路形成續流迴路，負載能量一部分由R1消耗，另一部分存儲到C1中。當電感電流下降為零後，電容C1存儲能量需再經過一段時間，才能由R1消耗完畢，J6截止。

③反向供電情況與上類似：在供電期間J5導通，關斷的續流迴路由L、RC網路、D1、J5、RL構成。

饋能型準諧振高速關斷電路

發射電路在TEM大回線工作方式耗能可達數十瓦，如果去掉上圖中的R1（見右圖），主開關關斷時，將電感能量暫存於電容中，在下一個脈衝上升沿通過負載釋放，實現能量的回饋，由於在放電初期電容電壓遠大於供電電壓，因此可提升脈衝上升沿，使電流儘快達穩態。

在脈衝上升沿釋放電容能量時，電容電壓不會釋放到零，而會存在殘壓，殘壓大小等於供電電壓，供電電壓越大，關斷延時越短，而電容參數最優解和線性度隨供電電壓變化不大。

恆壓鉗位高速關斷電路

準諧振高速關斷電路的電路參數最優解與負載、發射電流相關，國內外一些瞬變電磁發射機通過改變阻尼電阻或吸收電容的方法，改善下降沿特性，因此，很難使發射機工作於最優狀態。本章提出了恆壓鉗位原理和三種恆壓鉗位高速關斷電路拓撲，在解決了最佳化參數與負載、發射電流的相關性問題的同時，進一步縮短了關斷延時，提高了下降沿線性度，與準諧振型電路和已報導的高速關斷電路相比，該電路具有顯著優點，是理想的大功率TEM發射電路。

恆壓鉗位高速關斷電路有耗能型、饋能型和無損型三種電路拓撲，具有以下特點：

①三種恆壓鉗位電路具有相同的下降沿特性（相同的關斷延時和線性度）；

②恆壓鉗位高速關斷電路下降沿線性度高，通過對鉗位電壓源的控制，可實現下降沿斜率可調；

③與已報導的雙極性電流源相比，恆壓鉗位高速關斷電路關斷延時最短(在負載L=1.9mH，發射電流I₀=57A時，已報導文獻最短關斷延時為280µs，而恆壓鉗位電路為171µs)；

④饋能型高速關斷電路減少了能量損耗，縮短了脈衝上升時間（在負載L=1.9mH，發射電流I₀=57A時，電流上升時間由2.89ms降至201µs），可顯著提高工作效率（按參數計算，可提高效率18%）；

⑤電路參數最優解不隨電源、負載、脈衝電流幅值變化，解決了國內外許多TEM發射機需實時改變阻尼電阻以實現最佳匹配的問題；

⑥耗能型和饋能型恆壓鉗位高速關斷電路存在一定損耗，無損恆壓鉗位高速關斷電路有利於發射機的小型化。

無源鉗位與串聯型高速關斷電路

前面提出的高速關斷電路僅考慮了負載能量的釋放時間，實際上，關斷延時由驅動延時、開關延時和負載能量的釋放時間構成，在大電感、大電流情況下，關斷延時主要由負載能量的釋放時間決定，但在小磁矩（發射電流、發射線框面積、線框匝數的乘積）發射情況下，驅動延時和開關延時就不能不考慮。針對中、小功率的瞬變電磁發射，進一步縮短開關延時和負載能量的釋放時間。

針對小功率套用，宜採用基於MOSFET的TVS型電路，電路結構簡單，輸出特性好；針對中功率套用，宜採用Sidac-R陣列型和耗能型恆壓鉗位高速關斷電路，電路結構和控制簡單，輸出特性好；針對大功率套用，宜採用無損恆壓鉗位高速關斷電路，輸出特性好，損耗小；針對超淺層套用，宜採用TVS的串聯拓撲，進一步縮短關斷延時，二極體位於上橋臂較優，下橋臂驅動信號不與控制系統隔離，可使得發射電流的關斷更好地與控制信號同步。