劉 磊，李軍峰，吳 珊，劉俊杰，王 浩，曹展宏

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，自然資源部地球物理電磁法探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065000)

0 引言

航空瞬變電磁法具有快速、靈活、高效等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為較流行的礦產(chǎn)資源勘查手段，它廣泛用于礦產(chǎn)資源勘探、水文地質(zhì)調(diào)查、未爆炸物探測(cè)等領(lǐng)域[1-2]。近幾年，在國(guó)家863計(jì)劃資助下，由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所和吉林大學(xué)儀電學(xué)院分別開展了硬架式固定翼和吊艙式直升機(jī)航空TEM系統(tǒng)的開發(fā)和集成工作，并取得一些階段性成果[3-5]。

TEM發(fā)射波形主要有方波或梯形波、半正弦波、三角波，比如VTEM旋翼系統(tǒng)，發(fā)射電流波形為梯形波(Smith R.S.et al，2000)；GeoTEM固定翼系統(tǒng)，發(fā)射電流波形為半正弦波(L.Z.Cheng et al，2009)；AeroTEM旋翼系統(tǒng)發(fā)射電流波形為三角波(Balch S.J.et al，2003)等[6-9]。吉林大學(xué)的陳曙東[10-12]等研究了不同發(fā)射電流波形對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響，利用自由空間中回線作為目標(biāo)體，推導(dǎo)出方波、梯形波、半正弦波、三角波激勵(lì)的響應(yīng)，研究表明：對(duì)于低電導(dǎo)率目標(biāo)體，四種波形中方波激勵(lì)響應(yīng)最強(qiáng)。由于多匝發(fā)射線圈電感(L)大、電阻(R)小，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)L/R較大，導(dǎo)致發(fā)射波形的邊沿過度時(shí)間長(zhǎng)，很難得到理想的方波發(fā)射脈沖。

針對(duì)低供電電壓、多匝發(fā)射線圈(低電阻、大電感)的特點(diǎn)，基于諧振原理設(shè)計(jì)了一種航空瞬變電磁法組合波脈沖電流發(fā)射電路，不僅能有效地控制發(fā)射波形的邊沿，而且利用了關(guān)斷瞬間電感的儲(chǔ)能，提高了發(fā)射機(jī)的效率，實(shí)現(xiàn)了大磁矩發(fā)射。

1 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要由大功率直流變換電源、超級(jí)電容儲(chǔ)能器、Boost升壓電路、全橋逆變電路、IGBT驅(qū)動(dòng)板和驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器等組成。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

大功率直流變換電源、濾波電感和超級(jí)電容儲(chǔ)能器，給發(fā)射機(jī)提供足夠的瞬時(shí)功率和平均功率輸出；Boost升壓電路實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射電流波形的上升沿；基于FPGA的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器和IGBT驅(qū)動(dòng)板，控制全橋逆變電路的大功率開關(guān)管；發(fā)射線圈兩端并聯(lián)饋能恒壓鉗位電路，實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射電流波形的下降沿；同時(shí)采集多路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和支路的電壓、電流及開關(guān)信號(hào)，完成對(duì)發(fā)射機(jī)的多參量監(jiān)控[13-15]。

2 組合波脈沖電流發(fā)射電路

針對(duì)低供電電壓、多匝發(fā)射線圈(低電阻、大電感)的特點(diǎn)，基于諧振原理設(shè)計(jì)了圖2所示的組合波脈沖電流發(fā)射電路。

圖2 組合波脈沖電流發(fā)射電路

飛機(jī)上的28 V直流電源通過穩(wěn)流充電電源V1、濾波電感L2和超級(jí)電容儲(chǔ)能器C7為發(fā)射橋路提供足夠的瞬時(shí)功率和平均功率輸出，克服了飛機(jī)電源瞬時(shí)功率輸出不足的問題；在超級(jí)電容儲(chǔ)能器和發(fā)射橋路之間并聯(lián)Boost升壓電路(由電感L3、IGBT模塊S5、二極管D2、高壓電容C6組成)實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射電流波形的上升沿；由4個(gè)IGBT模塊S1、S2、S3、S4構(gòu)成的H橋電路實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流波形為雙極性，每個(gè)IGBT模塊兩端并聯(lián)一個(gè)電容(分別為C1、C2、C3、C4)作為緩沖吸收電路，可以有效抑制開關(guān)過程中的浪涌電壓，減小關(guān)斷損耗；H橋電路與發(fā)射線圈(由電感L1、電阻R1構(gòu)成)連接，發(fā)射線圈兩端并聯(lián)饋能恒壓鉗位電路(由二極管D4、D5、高壓電容C5組成)，實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射電流波形的下降沿。

由于雙極性發(fā)射波形的正向和負(fù)向的控制原理是一樣的，所以只對(duì)正向發(fā)射波形進(jìn)行說(shuō)明：

第一階段(預(yù)儲(chǔ)能階段)：此時(shí)，IGBT模塊S1、S2、S3、S4斷開，Boost升壓電路中的IGBT S5以一定頻率和占空比進(jìn)行開關(guān)，將高壓電容C6兩端電壓上升到一個(gè)預(yù)定值；

第二階段(上升沿階段)：此時(shí)IGBT模塊S1、S4閉合，S2、S3依然處于斷開狀態(tài)，S5斷開。由高壓電容C6、二極管D3、IGBT模塊S1、發(fā)射線圈(電感L1、電阻R1)、IGBT模塊S4形成發(fā)射回路，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流波形的上升沿；

第三階段(平頂階段)：此時(shí)IGBT模塊S1、S2、S3、S4、S5的狀態(tài)與第二階段一樣。高壓電容C6兩端電壓下降到超級(jí)電容儲(chǔ)能器C7的電壓值，由超級(jí)電容儲(chǔ)能器C7、二極管D1、IGBT模塊S1、發(fā)射線圈(電感L1、電阻R1)、IGBT模塊S4形成發(fā)射回路，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流波形的平頂階段；

第四階段(下降沿階段)：此時(shí)IGBT模塊S1、S4斷開，S2、S3依然處于斷開狀態(tài)，S5斷開。發(fā)射線圈中的能量通過二極管D4、高壓電容C5、IGBT模塊S3中的反并聯(lián)二極管，形成續(xù)流回路，通過高壓電容C5將發(fā)射線圈兩端的電壓鉗到一個(gè)高位，縮短了下降沿時(shí)間，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流波形的下降沿階段。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)低供電電壓、多匝發(fā)射線圈(低電阻、大電感)的特點(diǎn)，基于諧振原理設(shè)計(jì)了一種航空瞬變電磁法組合波脈沖電流發(fā)射電路，不僅能有效地控制發(fā)射波形的邊沿，而且利用了關(guān)斷瞬間電感的儲(chǔ)能，提高了發(fā)射機(jī)的效率，實(shí)現(xiàn)了大磁矩發(fā)射。與傳統(tǒng)的半正弦波發(fā)射電路相比，該電路的發(fā)射電流波形具有脈寬、邊沿獨(dú)立可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的探測(cè)分辨能力。如圖3，經(jīng)過測(cè)試，該發(fā)射電路的電流峰值達(dá)到640 A，峰值發(fā)射磁矩達(dá)到54萬(wàn)A·m2(發(fā)射線圈4匝，面積212 m2)。

圖3 發(fā)射電流波形