基于选择性谐波消除技术的电磁测深激励方法研究

发布时间：2020-06-03 11:05

【摘要】：随着对资源能源需求的增加和易采易探资源的减少,针对复杂地形条件的高效率、高精度探测方法已成为地球物理勘探领域的重要研究方向。目前,以地空频率域电磁法和直升机时间域电磁法应用最为广泛。地空频率域电磁法采用地面电磁法大功率发射和航空电磁法快速非接触式采集的测量方式,同时采用的频率域测量是在发射电流不间断情况下获取总场来反应地下电阻率信息,信号较强,可实现大深度、大范围区域的快速勘查。直升机时间域电磁法以直升机为载体,采用空中发射及接收的测量方式,具有速度快、成本低、通行性好、大面积覆盖等优点,同时采用的时间域测量是在没有一次场背景的情况下观测研究二次场,简化了对异常场的研究。上述两种方法在复杂地形的勘探盲区均可实现高效率勘测,但它们的探测精度受限于产生一次场的发射电流波形质量。目前,国内的地空频率域电磁法普遍采用2~n伪随机波作为标准发射波形,依据频率测深原理,针对特定深度目标的高精度勘探,需通过发射多组伪随机波来增加所需频点,但多次发射和重复飞行测量将严重降低检测效率并增加检测成本。对于直升机时间域电磁法则普遍采用PWM(脉冲宽度调制)技术产生双极性梯形波发射电流,由于直升机的载重及蓄电能力有限,为提高电源变换效率,要求发射系统有尽可能低的开关频率以减少开关损耗和缓冲损耗,但过低的开关频率又将影响发射波形质量,进而影响探测精度。所以亟待开发一种新的电磁激励方法,以提高地空频率域电磁法和直升机时间域电磁法的勘探精度及效率。上述两种电磁测深方法的发射系统均可以利用脉冲宽度调制技术实现。SHEPWM(选择性谐波消除脉冲宽度调制)技术是计算法脉宽调制技术的一种,可利用精确的数学模型,同时实现地空频率域电磁法发射系统设计和直升机时间域电磁法发射系统设计。但对于常规的1/4周期对称SHEPWM方法,输出波形限定为具有1/4周期对称性,并不适用于电磁测深方法。基于上述研究,本文放宽SHEPWM方法的限制条件至1/2周期对称和全周期不对称,并将其应用到上述两种电磁探测方法中,实现发射波形的优化设计。其相应的研究工作简要如下:(1)将SHEPWM方法的限制放宽至1/2周期对称,SHEPWM非线性方程组的解扩展至0~π,SHEPWM逆变器输出波形的奇次谐波相位可控,适用于输出波形具有1/4周期对称和1/2周期对称的情况。将SHEPWM方法的限制放宽至全周期不对称,SHEPWM非线性方程组的解扩展至0~2π,SHEPWM逆变器输出波形的各次谐波及直流分量可控,适用于输出波形具有1/4周期对称、1/2周期对称和全周期不对称的情况。(2)将全周期不对称SHEPWM方法应用于地空频率域电磁法,与传统的2~n伪随机观测方法相比,该方法实现发射电流的主频率数量、幅度、相位、带宽和分布可控,为任意深度的勘探目标提供最优的发射波形,实现勘探效率及勘探精度的提高。(3)将1/2周期对称SHEPWM方法应用于直升机时间域电磁法,与常规的PWM控制方法相比,该方法在发射电流平顶段稳定性控制及发射电流反向过冲抑制方面有明显的优势,在开关频率为PWM三分之一的前提下,实现发射波形质量及探测精度的提高。经过实验室测试和野外应用测试,本文提出的地空频率域SHEPWM电磁激励方法和直升机时间域SHEPWM电磁激励方法均取得了良好的实验效果,具有一定的商业化前景,同时对于电磁勘探方法的升级换代具有一定的指导意义。
【图文】：

输出电压波形,逆变电路,通断周期

图 2.1 单相桥式逆变电路结构相桥式逆变电路的输出电压由一系列幅值恒等于直出电压的周期、开关器件的通断周期及每一个方波的而不同，因此可以通过对单相桥式逆变电路理。周期输出电压波形可以展开成收敛傅里叶级数形式量和一系列谐波分量的叠加： 01 1sin sin cos 2i i i ii iaA i t a i t b i t ·································谐波次数，A0为直流分量，Ai为各次谐波的幅值bi、Ai、θi、a0、A0有如下关系：2 2i i iA a bb

脉冲波形,周期对称,脉冲波形

T 为输出电压波形周期。式（2.3）表明，输出波形包含了直流分量及各次谐波的信息，通过式（2.3求解直流分量及各次谐波的幅值和相位，可以拟合出任意所需时频域信息的输出波形。如图 2.2 所示，为一个周期的 SHEPWM 脉冲波形，具有 1/4 周期对称性质（又称为双对称），其特点为正（负）半周期内波形沿横轴水平向右（向左）移动 1/2 周期后，与负（正）半周期内波形关于横轴对称，同时正（负）半周期内的前后 1/4 周期波形以π/2（3π/2）为轴线对称。由于双对称波形特性，其傅里叶分析后的偶数次谐波幅值为零、直流分量为零。观察图 2.2，Ud为逆变器直流侧电压值，α1, α2,…, αN为 1/4 周期内的开关时刻，N 为 1/4 周期内的切换角总数（又称为自由度），，即在 1/4 周期内有 N 个开关时刻（不包括 0 和π/2 时刻），N 可以取奇数或偶数。1/4 周期对称 SHEPWM 非线性方程组需求得前 1/4 周期的开关角度，依据对称关系便可推导出全周期的开关角度。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.3

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