基于选择性谐波消除技术的电磁测深激励方法研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国内外直升机时间域电磁探测方法研究现状
•     1.2.2 国内外地空频率域电磁探测方法研究现状
•     1.2.3 国内外选择性谐波消除脉宽调制技术研究现状
•   1.3 SHEPWM电磁激励方法的研究目的及关键问题
•     1.3.1 SHEPWM方法
•     1.3.2 直升机时间域SHEPWM电磁激励方法
•     1.3.3 地空频率域SHEPWM电磁激励方法
•   1.4 本文研究内容与结构安排
• 第2章 SHEPWM技术原理
•   2.1 引言
•   2.2 SHEPWM方法非线性方程组建立
•     2.2.1 1/4 周期对称SHEPWM基本原理及特性
•     2.2.2 1/2 周期对称SHEPWM基本原理及特性
•     2.2.3 全周期不对称SHEPWM基本原理及特性
•   2.3 SHEPWM方法非线性方程组求解
•     2.3.1 基于三角载波比较法求解SHEPWM初值
•     2.3.2 基于人工神经网络方法求解SHEPWM开关角
•   2.4 仿真研究
•     2.4.1 1/4 周期对称SHEPWM仿真研究
•     2.4.2 1/2 周期对称SHEPWM仿真研究
•     2.4.3 全周期不对称SHEPWM仿真研究
•   2.5 本章小结
• 第3章 直升机时间域SHEPWM电磁激励方法研究
•   3.1 引言
•   3.2 HTEM PWM技术激励方法
•     3.2.1 直升机时间域电磁法原理
•     3.2.2 双极性梯形波PWM控制方法
•     3.2.3 仿真及实验研究
•   3.3 HTEM SHEPWM电压分段控制激励方法
•     3.3.1 HTEM双极性1/2 周期对称SHEPWM电压分段控制方法
•     3.3.2 HTEM单极性1/2 周期对称SHEPWM电压分段控制方法
•     3.3.3 仿真及实验研究
•   3.4 HTEM SHEPWM电流分段控制激励方法
•     3.4.1 HTEM双极性1/2 周期对称SHEPWM电流分段控制方法
•     3.4.2 HTEM单极性1/2 周期对称SHEPWM电流分段控制方法
•     3.4.3 仿真及实验研究
•   3.5 方法对比分析
•     3.5.1 发射电流反向过冲分析
•     3.5.2 发射电流平顶端稳定性分析
•   3.6 本章小结
• 第4章 地空频率域SHEPWM电磁激励方法研究
•   4.1 引言
•   4.2 GAFDEM伪随机观测方案
•     4.2.1 地空频率域电磁法原理
•     4.2.2 伪随机多频信号原理及特性
•   4.3 GAFDEM SHEPWM激励方法
•     4.3.1 全周期不对称SHEPWM伪随机波形设计方法
•     4.3.2 全周期不对称SHEPWM深度聚焦波形设计方法
•     4.3.3 全周期不对称SHEPWM层辨识波形设计方法
•   4.4 方法对比分析
•     4.4.1 单一异常纵向分辨率对比分析
•     4.4.2 多个异常纵向分辨率对比分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 SHEPWM电磁激励方法应用实例
•   5.1 引言
•   5.2 江苏省南通市如东县应用实例
•     5.2.1 工程背景和地质概况
•     5.2.2 地空频率域电磁勘探过程
•     5.2.3 测量结果
•   5.3 贵州省凯里市万潮镇应用实例
•     5.3.1 工程背景和地质概况
•     5.3.2 地空频率域电磁勘探过程
•     5.3.3 测量结果
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 创新点
•   6.3 全文展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高丽辉

导师: 于生宝

关键词: 频率域,时间域,地空探测,航空探测

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 吉林大学

基金: 吉林省重点科技攻关项目:采空区地空频率域电磁探测系统研制(20160204034GX),国家重点研发计划重点专项:直升机航空电磁测量技术系统研制(2017YFC0601802)

分类号: P631.3

DOI: 10.27162/d.cnki.gjlin.2019.000114

总页数: 139

文件大小: 13370K

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