航空瞬变电磁法组合波脉冲电流发射电路

刘 磊，李军峰，吴 珊，刘俊杰，王 浩，曹展宏

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，河北廊坊 065000)

0 引言

航空瞬变电磁法具有快速、灵活、高效等优点，目前已经成为较流行的矿产资源勘查手段，它广泛用于矿产资源勘探、水文地质调查、未爆炸物探测等领域[1-2]。近几年，在国家863计划资助下，由中国地质科学院物化探研究所和吉林大学仪电学院分别开展了硬架式固定翼和吊舱式直升机航空TEM系统的开发和集成工作，并取得一些阶段性成果[3-5]。

TEM发射波形主要有方波或梯形波、半正弦波、三角波，比如VTEM旋翼系统，发射电流波形为梯形波(Smith R.S.et al，2000)；GeoTEM固定翼系统，发射电流波形为半正弦波(L.Z.Cheng et al，2009)；AeroTEM旋翼系统发射电流波形为三角波(Balch S.J.et al，2003)等[6-9]。吉林大学的陈曙东[10-12]等研究了不同发射电流波形对瞬变电磁响应的影响，利用自由空间中回线作为目标体，推导出方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的响应，研究表明：对于低电导率目标体，四种波形中方波激励响应最强。由于多匝发射线圈电感(L)大、电阻(R)小，对应的时间常数L/R较大，导致发射波形的边沿过度时间长，很难得到理想的方波发射脉冲。

针对低供电电压、多匝发射线圈(低电阻、大电感)的特点，基于谐振原理设计了一种航空瞬变电磁法组合波脉冲电流发射电路，不仅能有效地控制发射波形的边沿，而且利用了关断瞬间电感的储能，提高了发射机的效率，实现了大磁矩发射。

1 发射系统设计

图1为发射系统结构框图，主要由大功率直流变换电源、超级电容储能器、Boost升压电路、全桥逆变电路、IGBT驱动板和驱动信号发生器等组成。

图1 发射系统结构框图

大功率直流变换电源、滤波电感和超级电容储能器，给发射机提供足够的瞬时功率和平均功率输出；Boost升压电路实现控制发射电流波形的上升沿；基于FPGA的驱动信号发生器和IGBT驱动板，控制全桥逆变电路的大功率开关管；发射线圈两端并联馈能恒压钳位电路，实现控制发射电流波形的下降沿；同时采集多路关键节点和支路的电压、电流及开关信号，完成对发射机的多参量监控[13-15]。

2 组合波脉冲电流发射电路

针对低供电电压、多匝发射线圈(低电阻、大电感)的特点，基于谐振原理设计了图2所示的组合波脉冲电流发射电路。

图2 组合波脉冲电流发射电路

飞机上的28 V直流电源通过稳流充电电源V1、滤波电感L2和超级电容储能器C7为发射桥路提供足够的瞬时功率和平均功率输出，克服了飞机电源瞬时功率输出不足的问题；在超级电容储能器和发射桥路之间并联Boost升压电路(由电感L3、IGBT模块S5、二极管D2、高压电容C6组成)实现控制发射电流波形的上升沿；由4个IGBT模块S1、S2、S3、S4构成的H桥电路实现发射电流波形为双极性，每个IGBT模块两端并联一个电容(分别为C1、C2、C3、C4)作为缓冲吸收电路，可以有效抑制开关过程中的浪涌电压，减小关断损耗；H桥电路与发射线圈(由电感L1、电阻R1构成)连接，发射线圈两端并联馈能恒压钳位电路(由二极管D4、D5、高压电容C5组成)，实现控制发射电流波形的下降沿。

由于双极性发射波形的正向和负向的控制原理是一样的，所以只对正向发射波形进行说明：

第一阶段(预储能阶段)：此时，IGBT模块S1、S2、S3、S4断开，Boost升压电路中的IGBT S5以一定频率和占空比进行开关，将高压电容C6两端电压上升到一个预定值；

第二阶段(上升沿阶段)：此时IGBT模块S1、S4闭合，S2、S3依然处于断开状态，S5断开。由高压电容C6、二极管D3、IGBT模块S1、发射线圈(电感L1、电阻R1)、IGBT模块S4形成发射回路，实现发射电流波形的上升沿；

第三阶段(平顶阶段)：此时IGBT模块S1、S2、S3、S4、S5的状态与第二阶段一样。高压电容C6两端电压下降到超级电容储能器C7的电压值，由超级电容储能器C7、二极管D1、IGBT模块S1、发射线圈(电感L1、电阻R1)、IGBT模块S4形成发射回路，实现发射电流波形的平顶阶段；

第四阶段(下降沿阶段)：此时IGBT模块S1、S4断开，S2、S3依然处于断开状态，S5断开。发射线圈中的能量通过二极管D4、高压电容C5、IGBT模块S3中的反并联二极管，形成续流回路，通过高压电容C5将发射线圈两端的电压钳到一个高位，缩短了下降沿时间，实现发射电流波形的下降沿阶段。

3 结束语

针对低供电电压、多匝发射线圈(低电阻、大电感)的特点，基于谐振原理设计了一种航空瞬变电磁法组合波脉冲电流发射电路，不仅能有效地控制发射波形的边沿，而且利用了关断瞬间电感的储能，提高了发射机的效率，实现了大磁矩发射。与传统的半正弦波发射电路相比，该电路的发射电流波形具有脉宽、边沿独立可调的优点，具有更高的探测分辨能力。如图3，经过测试，该发射电路的电流峰值达到640 A，峰值发射磁矩达到54万A·m2(发射线圈4匝，面积212 m2)。

图3 发射电流波形