【摘要】：隨著對資源能源需求的增加和易采易探資源的減少,針對復(fù)雜地形條件的高效率、高精度探測方法已成為地球物理勘探領(lǐng)域的重要研究方向。目前,以地空頻率域電磁法和直升機時間域電磁法應(yīng)用最為廣泛。地空頻率域電磁法采用地面電磁法大功率發(fā)射和航空電磁法快速非接觸式采集的測量方式,同時采用的頻率域測量是在發(fā)射電流不間斷情況下獲取總場來反應(yīng)地下電阻率信息,信號較強,可實現(xiàn)大深度、大范圍區(qū)域的快速勘查。直升機時間域電磁法以直升機為載體,采用空中發(fā)射及接收的測量方式,具有速度快、成本低、通行性好、大面積覆蓋等優(yōu)點,同時采用的時間域測量是在沒有一次場背景的情況下觀測研究二次場,簡化了對異常場的研究。上述兩種方法在復(fù)雜地形的勘探盲區(qū)均可實現(xiàn)高效率勘測,但它們的探測精度受限于產(chǎn)生一次場的發(fā)射電流波形質(zhì)量。目前,國內(nèi)的地空頻率域電磁法普遍采用2~n偽隨機波作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波形,依據(jù)頻率測深原理,針對特定深度目標(biāo)的高精度勘探,需通過發(fā)射多組偽隨機波來增加所需頻點,但多次發(fā)射和重復(fù)飛行測量將嚴(yán)重降低檢測效率并增加檢測成本。對于直升機時間域電磁法則普遍采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)產(chǎn)生雙極性梯形波發(fā)射電流,由于直升機的載重及蓄電能力有限,為提高電源變換效率,要求發(fā)射系統(tǒng)有盡可能低的開關(guān)頻率以減少開關(guān)損耗和緩沖損耗,但過低的開關(guān)頻率又將影響發(fā)射波形質(zhì)量,進(jìn)而影響探測精度。所以亟待開發(fā)一種新的電磁激勵方法,以提高地空頻率域電磁法和直升機時間域電磁法的勘探精度及效率。上述兩種電磁測深方法的發(fā)射系統(tǒng)均可以利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)。SHEPWM(選擇性諧波消除脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)是計算法脈寬調(diào)制技術(shù)的一種,可利用精確的數(shù)學(xué)模型,同時實現(xiàn)地空頻率域電磁法發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計和直升機時間域電磁法發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計。但對于常規(guī)的1/4周期對稱SHEPWM方法,輸出波形限定為具有1/4周期對稱性,并不適用于電磁測深方法。基于上述研究,本文放寬SHEPWM方法的限制條件至1/2周期對稱和全周期不對稱,并將其應(yīng)用到上述兩種電磁探測方法中,實現(xiàn)發(fā)射波形的優(yōu)化設(shè)計。其相應(yīng)的研究工作簡要如下:(1)將SHEPWM方法的限制放寬至1/2周期對稱,SHEPWM非線性方程組的解擴展至0~π,SHEPWM逆變器輸出波形的奇次諧波相位可控,適用于輸出波形具有1/4周期對稱和1/2周期對稱的情況。將SHEPWM方法的限制放寬至全周期不對稱,SHEPWM非線性方程組的解擴展至0~2π,SHEPWM逆變器輸出波形的各次諧波及直流分量可控,適用于輸出波形具有1/4周期對稱、1/2周期對稱和全周期不對稱的情況。(2)將全周期不對稱SHEPWM方法應(yīng)用于地空頻率域電磁法,與傳統(tǒng)的2~n偽隨機觀測方法相比,該方法實現(xiàn)發(fā)射電流的主頻率數(shù)量、幅度、相位、帶寬和分布可控,為任意深度的勘探目標(biāo)提供最優(yōu)的發(fā)射波形,實現(xiàn)勘探效率及勘探精度的提高。(3)將1/2周期對稱SHEPWM方法應(yīng)用于直升機時間域電磁法,與常規(guī)的PWM控制方法相比,該方法在發(fā)射電流平頂段穩(wěn)定性控制及發(fā)射電流反向過沖抑制方面有明顯的優(yōu)勢,在開關(guān)頻率為PWM三分之一的前提下,實現(xiàn)發(fā)射波形質(zhì)量及探測精度的提高。經(jīng)過實驗室測試和野外應(yīng)用測試,本文提出的地空頻率域SHEPWM電磁激勵方法和直升機時間域SHEPWM電磁激勵方法均取得了良好的實驗效果,具有一定的商業(yè)化前景,同時對于電磁勘探方法的升級換代具有一定的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖 2.1 單相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)相橋式逆變電路的輸出電壓由一系列幅值恒等于直出電壓的周期、開關(guān)器件的通斷周期及每一個方波的而不同，因此可以通過對單相橋式逆變電路理。 周期輸出電壓波形可以展開成收斂傅里葉級數(shù)形式量和一系列諧波分量的疊加： 01 1sin sin cos 2i i i ii iaA i t a i t b i t ·································諧波次數(shù)，A0為直流分量，Ai為各次諧波的幅值bi、Ai、θi、a0、A0有如下關(guān)系：2 2i i iA a bb

T 為輸出電壓波形周期。式（2.3）表明，輸出波形包含了直流分量及各次諧波的信息，通過式（2.3求解直流分量及各次諧波的幅值和相位，可以擬合出任意所需時頻域信息的輸出波形。如圖 2.2 所示，為一個周期的 SHEPWM 脈沖波形，具有 1/4 周期對稱性質(zhì)（又稱為雙對稱），其特點為正（負(fù)）半周期內(nèi)波形沿橫軸水平向右（向左）移動 1/2 周期后，與負(fù)（正）半周期內(nèi)波形關(guān)于橫軸對稱，同時正（負(fù)）半周期內(nèi)的前后 1/4 周期波形以π/2（3π/2）為軸線對稱。由于雙對稱波形特性，其傅里葉分析后的偶數(shù)次諧波幅值為零、直流分量為零。觀察圖 2.2，Ud為逆變器直流側(cè)電壓值，α1, α2,…, αN為 1/4 周期內(nèi)的開關(guān)時刻，N 為 1/4 周期內(nèi)的切換角總數(shù)（又稱為自由度），，即在 1/4 周期內(nèi)有 N 個開關(guān)時刻（不包括 0 和π/2 時刻），N 可以取奇數(shù)或偶數(shù)。1/4 周期對稱 SHEPWM 非線性方程組需求得前 1/4 周期的開關(guān)角度，依據(jù)對稱關(guān)系便可推導(dǎo)出全周期的開關(guān)角度。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P631.3

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本文編號：2694732