本發(fā)明涉及一種電磁勘探系統(tǒng)，具體是一種多級模塊海洋電磁勘探系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電磁探測法是通過獲取介質(zhì)對電磁場的響應(yīng)，來得知地下礦藏電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息的方法。電磁探測法廣泛應(yīng)用于地下礦藏和油氣的勘探。經(jīng)過多年的勘探開采，我國地層較淺位置的礦藏資源已經(jīng)大部分被開采，陸地勘探深度越來越深，并且正逐漸向深海礦藏油氣勘探發(fā)展。

電磁發(fā)射機(jī)作為海洋電磁勘探必備的儀器設(shè)備，輸出頻率幅值均可調(diào)的電流方波，通過電極發(fā)射出去，獲得有效的電磁場來進(jìn)行海底油氣資源勘探。傳統(tǒng)的電磁發(fā)射機(jī)是由船上的電源發(fā)射相應(yīng)頻率的交流電壓，直接接到放入海水中電纜線上，海水里面電纜線末端連接兩個(gè)電極，以海水為介質(zhì)，發(fā)射大功率的電磁波。與此相比較，本發(fā)明為了獲得有效的物理數(shù)據(jù)，船上提供水下所需電源，通過電纜傳輸?shù)揭呀?jīng)下潛到一定海水深度的艙體內(nèi)，在承壓倉體內(nèi)部進(jìn)行電能變換，最后引出兩個(gè)電極發(fā)射電磁波，即在海水內(nèi)部發(fā)射電磁波探測，大大提高了探測的可靠性，為進(jìn)一步深海探測打下了基礎(chǔ)。要求發(fā)射機(jī)具有高功率、大電流、高精度輸出的同時(shí)具有體積小、效率高、紋波小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

電磁發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生電磁場性能的好壞直接影響到地質(zhì)體感應(yīng)信號的質(zhì)量，并且隨著探測深度的增加，信號衰減愈發(fā)明顯。在相同的地質(zhì)條件下，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁場的大小與發(fā)射電流的大小直接相關(guān)。在發(fā)射極之間電阻一定的條件下，要得到更大的發(fā)射電流，就必須提高發(fā)射機(jī)的功率。針對海水電阻極低的特點(diǎn)，電磁發(fā)射機(jī)的內(nèi)阻越小越好，過高的內(nèi)阻會(huì)降低發(fā)射機(jī)的效率，產(chǎn)生大量的熱能，增加了水下發(fā)射機(jī)全封閉殼體散熱設(shè)計(jì)的難度。針對不同的海底地質(zhì)條件，需要發(fā)射機(jī)產(chǎn)生不同頻率范圍的電磁信號，頻率范圍越寬，可以探測的地質(zhì)環(huán)境越廣泛。因此，發(fā)明一款高效率低電壓大電流電源是確保電磁發(fā)射機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生高性能電磁場的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多級模塊海洋電磁勘探系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種多級模塊海洋電磁勘探系統(tǒng)，包括船上部分和水下部分，所述船上部分包括大功率發(fā)電機(jī)、維也納整流器、上位機(jī)、船上控制電路和載波調(diào)制器，大功率發(fā)電機(jī)連接維也納整流器，維也納整流器還連接船上控制電路，上位機(jī)分別連接船上控制電路和載波調(diào)制器，水下部分包括DC-AC變換器、AC-AC變換器、發(fā)射電極和水下控制電路，維也納整流器通過電纜連接DC-AC變換器的輸入端，DC-AC變換器的輸出端分別連接AC-AC變換器和水下控制電路，AC-AC變換器還分別連接發(fā)射電極和水下控制電路，載波調(diào)制器還通過載波通信線路連接水下控制電路。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述水下控制電路包括主DSP控制器、DSP驅(qū)動(dòng)模塊、FPGA驅(qū)動(dòng)模塊和信號采集電路，主DSP控制器分別連接DSP驅(qū)動(dòng)模塊、FPGA驅(qū)動(dòng)模塊和信號采集電路，主DSP控制器還通過載波通信線路連接船上部分的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述維也納整流器包含：電感L1、電感L2、電感L3、二極管D1和電容C1，電感L1、電感L2和電感L3的一端分別連接三相大功率發(fā)電機(jī)的三個(gè)輸出端，電感L1的另一端連接電阻R1，電阻R1的另一端連接二極管D11的陽極和二極管D13的陰極，二極管D11的陰極連接二極管D1的陽極、二極管D12的陰極和MOS管S1的漏極，電感L2的另一端連接電阻R2，電阻R2的另一端連接二極管D21的陽極和二極管D23的陰極，二極管D21的陰極連接二極管D2的陽極、二極管D22的陰極和MOS管S2的漏極，電感L3的另一端連接電阻R3，電阻R3的另一端連接二極管D31的陽極和二極管D33的陰極，二極管D31的陰極連接二極管D3的陽極、二極管D32的陰極和MOS管S3的漏極，二極管D13的陽極連接二極管D14的陽極和二極管D4的陰極，二極管D23的陽極連接二極管D24的陽極和二極管D5的陰極，二極管D33的陽極連接二極管D34的陽極和二極管D6的陰極，二極管D1的陰極連接二極管D2的陰極、二極管D3的陰極、電容C1和DC-AC變化器，二極管D4的陰極連接二極管D5的陰極、二極管D6的陰極、電容C2和DC-AC變化器，電容C2的另一端連接電容C1的另一端、二極管D12的陽極、二極管D14的陰極、二極管D22的陽極、二極管D24的陰極、二極管D32的陽極和二極管D34的陰極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過發(fā)射偶極將電能激發(fā)到海水介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)了海水大功率發(fā)射要求。研制的海底電磁探測系統(tǒng)借鑒開關(guān)電源技術(shù)的最新成果，以獲得高穩(wěn)定、高線性度、高功率密度及高傳輸效率的發(fā)射電流。穩(wěn)定的發(fā)射電流將使我國的海洋電磁探測達(dá)到一個(gè)新的臺(tái)階。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體方框圖。

圖2為水下控制電路的電路圖。

圖3為本發(fā)明的電路圖。

圖4為發(fā)電機(jī)輸入單相電壓與電流Saber仿真圖。

圖5為倍流電路中兩個(gè)電感電流波形(DG1和DG2)和一個(gè)輸出電流波形圖。

圖6為頻率1Hz兩個(gè)電極發(fā)射的電壓和電流波形圖。

圖7為發(fā)射電極的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖1-7，一種多級模塊海洋電磁勘探系統(tǒng)，包括船上部分和水下部分，所述船上部分包括大功率發(fā)電機(jī)、維也納整流器、上位機(jī)、船上控制電路和載波調(diào)制器，大功率發(fā)電機(jī)連接維也納整流器，維也納整流器還連接船上控制電路，上位機(jī)分別連接船上控制電路和載波調(diào)制器，水下部分包括DC-AC變換器、AC-AC變換器、發(fā)射電極和水下控制電路，維也納整流器通過電纜連接DC-AC變換器的輸入端，DC-AC變換器的輸出端分別連接AC-AC變換器和水下控制電路，AC-AC變換器還分別連接發(fā)射電極和水下控制電路，載波調(diào)制器還通過載波通信線路連接水下控制電路。

水下控制電路包括主DSP控制器、DSP驅(qū)動(dòng)模塊、FPGA驅(qū)動(dòng)模塊和信號采集電路，主DSP控制器分別連接DSP驅(qū)動(dòng)模塊、FPGA驅(qū)動(dòng)模塊和信號采集電路，主DSP控制器還通過載波通信線路連接船上部分的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。

維也納整流器包含：電感L1、電感L2、電感L3、二極管D1和電容C1，電感L1、電感L2和電感L3的一端分別連接三相大功率發(fā)電機(jī)的三個(gè)輸出端，電感L1的另一端連接電阻R1，電阻R1的另一端連接二極管D11的陽極和二極管D13的陰極，二極管D11的陰極連接二極管D1的陽極、二極管D12的陰極和MOS管S1的漏極，電感L2的另一端連接電阻R2，電阻R2的另一端連接二極管D21的陽極和二極管D23的陰極，二極管D21的陰極連接二極管D2的陽極、二極管D22的陰極和MOS管S2的漏極，電感L3的另一端連接電阻R3，電阻R3的另一端連接二極管D31的陽極和二極管D33的陰極，二極管D31的陰極連接二極管D3的陽極、二極管D32的陰極和MOS管S3的漏極，二極管D13的陽極連接二極管D14的陽極和二極管D4的陰極，二極管D23的陽極連接二極管D24的陽極和二極管D5的陰極，二極管D33的陽極連接二極管D34的陽極和二極管D6的陰極，二極管D1的陰極連接二極管D2的陰極、二極管D3的陰極、電容C1和DC-AC變換器，二極管D4的陰極連接二極管D5的陰極、二極管D6的陰極、電容C2和DC-AC變化器，電容C2的另一端連接電容C1的另一端、二極管D12的陽極、二極管D14的陰極、二極管D22的陽極、二極管D24的陰極、二極管D32的陽極和二極管D34的陰極。

本發(fā)明的工作原理是：本項(xiàng)目擬在現(xiàn)有的陸地可控源電磁勘探技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的VIENNA整流器、DC-AC變換器和AC-AC變換器等電力電子技術(shù)及最優(yōu)控制策略，設(shè)計(jì)并研制出符合項(xiàng)目需要的海洋可控源電磁勘探系統(tǒng)。海洋可控源電磁勘探發(fā)射系統(tǒng)總體可劃分為兩個(gè)部分：船上部分和水下部分。

1、船上設(shè)備主要是柴油機(jī)提供工頻380V交流原始電能、經(jīng)過VIENNA整流器的整流濾波、整流后電壓可達(dá)700V，把直流電壓通過電纜直接傳送到海底承壓倉，船上控制電路一方面控制著VIENNA整流電路，另一方面船上上位機(jī)通信，船上上位機(jī)接收來自水上和水下控制電路相互通信，水下控制電路與船上上位機(jī)使用了載波通信，并據(jù)此控制水下發(fā)射設(shè)備，完成人機(jī)交流。直流電源對應(yīng)的穩(wěn)定電流可以大大降低電能在海水中傳輸中的損耗，特別是深海電能傳輸，通過深拖電纜給發(fā)射系統(tǒng)的水下部分供電。

2、水下部分將此船上傳過來的直流電進(jìn)行經(jīng)DC-AC變換器轉(zhuǎn)化，得到高頻交流低電壓和大電流，然后在經(jīng)過AC-AC變換器，最后發(fā)射出滿足需要的大電流和大電壓，滿足大功率海水探測需要，從而實(shí)現(xiàn)了低電壓、大電流、大功率發(fā)射。

3、水下發(fā)射機(jī)控制電路以DSP芯片和FPGA芯片為主體，輔以外圍電路，如圖2所示。主DSP控制器作為水下發(fā)射機(jī)的核心控制元件，第一、承載著與水上部分的通信功能，完成命令參數(shù)的傳輸和水下發(fā)射信息的實(shí)時(shí)顯示，對上述主回路的閉環(huán)控制。第二、與控制兩路驅(qū)動(dòng)模塊通信，控制逆變器頻率并顯示出電壓和電流等參數(shù)。第三、與承壓倉信號采集電路通信。第四、接收GPS授時(shí)模塊的時(shí)鐘信號，實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收同步。DSP驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)第一逆變橋的開關(guān)，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)第二逆變橋的開關(guān)，信號采集電路采集承壓倉內(nèi)部各種傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控著水下發(fā)射機(jī)的狀態(tài)等等。軟件包含了主DSP控制器與驅(qū)動(dòng)DSP板通信，主DSP控制器與FPGA驅(qū)動(dòng)模塊通信，主DSP控制器與信號采集電路板通信，主DSP控制器與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行載波通信。

4、船上部分主電路主要是三相VIENNA整流濾波電路，如圖2中所示，其包括18個(gè)二極管，3個(gè)MOS管，3個(gè)電阻，3個(gè)電感和2個(gè)電容組成。船上部分控制電路分別驅(qū)動(dòng)S1，S2，S3三只MOS管的開關(guān)斷。VIENNA三相三開關(guān)三電平電路優(yōu)勢比較明顯：

(1)它的結(jié)構(gòu)比六開關(guān)的少，成本低。

(2)如果兩者能量都是單相流動(dòng)，VIENNA結(jié)構(gòu)比六開關(guān)全橋效率高，交流側(cè)的濾波器尺寸比六開關(guān)全橋小，性能更好。

(3)在紋波一定的情況下，VIENNA電路結(jié)構(gòu)輸入電感的值比六開關(guān)全橋的少。

(4)VIENNA結(jié)構(gòu)降低了輸出電壓的跳變，同時(shí)輸出電壓諧波含量減少，更加接近目標(biāo)調(diào)制波。

(5)MOS管器件的等效開關(guān)頻率提高，開關(guān)頻率可以降得較低，損耗減少，效率提高。VIENNA整流電路比較適用一些中等規(guī)模或者較大規(guī)模場合的整流器。

5、水下設(shè)備主要功能是進(jìn)行水下電能轉(zhuǎn)換和電壓變換、提供發(fā)射時(shí)序控制、對工作狀態(tài)和周圍環(huán)境的監(jiān)控以及與水上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。壓力艙里面的電力電子組件和控制平臺(tái)是發(fā)射機(jī)的核心主體，包含DC/AC變換器，AC/AC變換器，發(fā)射電極，電壓電流傳感器，水下控制電路等。

6、本發(fā)明DC/AC變換器主要是兩部分組成，第一逆變器和高頻降壓變壓器，從船上引出VIENNA電路整流的直流電，經(jīng)過第一逆變器和高頻降壓變壓器。第一逆變器是移相全橋PWM設(shè)計(jì)，由四個(gè)IGBT管子，一個(gè)諧振電容，一個(gè)諧振電感組成，主要將直流電壓轉(zhuǎn)化成交流電壓，調(diào)節(jié)逆變器的占空比把直流電壓700V轉(zhuǎn)化交流電壓500V，交流頻率為20KHz，交流電壓經(jīng)過高頻降壓變壓器進(jìn)行降壓到100V，高頻降壓變壓器是原邊與副邊匝數(shù)比值為5:1。雖然變壓器的頻率和磁體材料及繞組線圈有關(guān)，和體積沒有絕對關(guān)系。但從變壓器的感應(yīng)電勢公式為：

E＝4.44fNφ

式中：E為感應(yīng)電勢有效值，f為頻率，N為匝數(shù)，φ為主磁通最大值。

輸出20KHz頻率比工頻50Hz大了400倍，當(dāng)頻率高時(shí)，匝數(shù)、主磁通都可以少，鐵芯也就可以小，自然體積隨之小。這樣高頻率大大減少了變壓器和電感體積小，便于放置在對體積有嚴(yán)格要求的艙體里面，艙體的體積和重量縮小大大較少了本發(fā)明研發(fā)成本，同時(shí)提高了艙體承受壓力的可靠性，為深海探測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

7、AC/AC變換器主要是兩部分組成，倍流整流濾波電路和第二逆變器，倍流整流濾波電路主要是一個(gè)濾波電容，兩個(gè)二極管及對應(yīng)的兩個(gè)電感組成，從DC/AC引出交流電壓100V，經(jīng)過倍流整流濾波電路之后變成100V直流電壓。在一些低電壓、大電流的地方，使用倍流整流電路進(jìn)行整流。隨著開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展，電源需要輸入更大的輸出電流和更小的輸出電壓紋波。

(1)高頻變壓器副邊僅需單一繞組，不需要變壓器中心抽頭，而且變壓器僅需輸送近似一半的輸出電流，使得變壓器結(jié)構(gòu)更簡單。相比較而言，橋式整流雖然也是采用單一副邊繞組，但使用的二極管數(shù)量多一倍；全波整流雖然二極管用得少，但副邊繞組需要中心抽頭，制作復(fù)雜。

(2)在開關(guān)死區(qū)時(shí)，副邊側(cè)輸出電流基本上不通過高頻變壓器的副邊繞組續(xù)流。而且不會(huì)影響原邊性能，也不會(huì)影響占空比的變化。

(3)輸出濾波電感可以做得較小，較適合于分布式功率耗散。因?yàn)楸读髡鞯臑V波電感的工作頻率為全波整流濾波電感的一半，等于開關(guān)電源的變壓器工作頻率；而且一個(gè)濾波電感只輸送一半的直流輸出電流。倍流整流的濾波電感可以比全波整流器的電感做得更小。如圖5所示，輸出電流紋波明顯減少，且頻率是單個(gè)電源紋波的兩倍。

8、發(fā)射電極組件，包含了兩個(gè)電極：近端電極和遠(yuǎn)端電極。主要功能是將來自發(fā)射橋上強(qiáng)大的電流，按時(shí)序以不同的極性注入到海水中，發(fā)射寬頻域電磁波。一般均有兩根電極，一正一負(fù)，且相距1000米。發(fā)射電極離壓力艙體也有一定距離。

本發(fā)明提出的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為維也納(VIENNA)整流濾波電路，DC-AC變換器，AC-AC變換器，發(fā)射電極，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)采用了維也納(VIENNA)整流濾波電路，在滿足大功率的同時(shí)，這種電路可以大大提高電路的功率因數(shù)，減少大量諧波的產(chǎn)生，特別是五次和七次等奇次諧波。

(2)水下部分摒棄了傳統(tǒng)的工頻或者中頻變壓器，直接采用了20K高頻降壓變壓器，頻率高，變壓器的體積也就大大減少，顯著減輕水下發(fā)射設(shè)備的重量和體積，為進(jìn)一步增加發(fā)射機(jī)的功率和更深的海底勘探做準(zhǔn)備。

(3)全橋逆變電路采用了PWM逆變器，控制PWM占空比，這樣的控制量線性度明顯較好，據(jù)此可大幅提高發(fā)射電流的魯棒性。由于PWM逆變器的交流側(cè)電壓線性可控，使得DC/AC拓?fù)潆娐钒l(fā)射電流的穩(wěn)定性對發(fā)射負(fù)載和發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓的依賴性顯著下降，而且經(jīng)PWM逆變器，高頻降壓，及倍流整流后的直流母線電流值能夠達(dá)到更高。

(4)單相高頻變壓器與三相工頻或者中頻變壓器的比較后得出的結(jié)論，這種架構(gòu)符合當(dāng)代電源變換技術(shù)的主流思想，有利于把電能高效地從船上傳輸至海底，尤其是在深海發(fā)射時(shí)，能夠明顯地降低線損，能夠在發(fā)射大電流時(shí)，有效地抑制發(fā)射機(jī)對周圍電子設(shè)備造成的電磁干擾，繞開國外在海洋電磁探測研究初期時(shí)走過的彎路。

(5)末端第二逆變器用于頻點(diǎn)發(fā)射，前級PWM第一逆變器用于發(fā)射電流的恒穩(wěn)控制，兩個(gè)逆變橋各司其職，功能明確。

(6)多級模塊變換器拓?fù)涔ぷ髟韺?shí)驗(yàn)及仿真正確可行的，新型運(yùn)行策略可顯著提高變換器的最大輸出電流，并具有輸出的波形質(zhì)量高、逆變效果好的優(yōu)點(diǎn)。

船是在海上在不斷變化中，在發(fā)射設(shè)備處于移動(dòng)狀態(tài)中，持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)射幾百安培的電流也不是很容易地實(shí)現(xiàn)，更何況在海洋深處，圍繞這一核心科學(xué)問題展開的關(guān)鍵技術(shù)涉及到：

(1)船上電能在海洋中高效和安全可靠的傳輸。

(2)大功率電力電子整流和逆變以及絕緣技術(shù)。

(3)深海發(fā)射艙姿態(tài)控制和定位以及密封技術(shù)。

(4)強(qiáng)電磁干擾條件下的傳感器及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等。

本發(fā)明將結(jié)合先進(jìn)的電力電子技術(shù)以及相應(yīng)的控制策略，引入當(dāng)代大功率開關(guān)電源的最新研究成果，借鑒本發(fā)明其他課題解決一些共性問題的成功經(jīng)驗(yàn)，爭取使我國在海洋電磁探測研究領(lǐng)域，有一個(gè)嶄新而且良好的開局。