基于电容补偿技术的电性源CSAMT高频供电研究

doi:10.11720/wtyht.2018.1165

基于电容补偿技术的电性源CSAMT高频供电研究

李荡¹^,², 郑采君¹^,², 林品荣¹^,², 王珺璐¹^,², 李建华¹^,², 李勇¹^,²

1. 国土资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室,河北廊坊 065000

2. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊 065000

A study of electrical source CSAMT high frequency transmitting based on Capacitor Compensation technology

LI Dang¹^,², ZHENG Cai-Jun¹^,², LIN Pin-Rong¹^,², WANG Jun-Lu¹^,², LI Jian-Hua¹^,², LI Yong¹^,²

1. Laboratory of Geophysical EM Probing Technologies, MLR, Langfang 065000, China

2. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000, China

收稿日期: 2017-04-14 修回日期: 2018-08-14 网络出版日期: 2018-12-05

基金资助:

中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所基本科研业务费专项资金项目.  YYWF201632
国家自然科学基金项目.  41504063
国家高技术研究发展计划(863计划)项目.  2014AA06A610

Received: 2017-04-14 Revised: 2018-08-14 Online: 2018-12-05

作者简介 About authors

李荡(1986-),男,硕士,主要从事仪器研究开发与方法技术研究工作。Email:lidang@igge.cn 。

摘要

在CSAMT勘查时,回路导线上的感性阻抗会随着发送信号频率的升高而增大,因此,当发电机供电电压和接地电阻一定时,供电电流会随着发送信号频率的升高而急剧下降,导致接收端接收到的信号变弱,影响了勘探效果。本文通过分析发送回路的阻抗特性及RCL串联谐振电路,对比发送回路不增加电容和增加不同容值电容的幅频特性仿真曲线,证明了在发送回路中增加不同容值的补偿电容可提高高频发送信号的发送电流。基于此,设计了带有电容补偿电路的电性源CSAMT发送机。发送机工作时,首先通过试供的方法确定发送回路的阻抗情况,然后在发送过程中根据发送信号频率自动调整电容补偿电路的开关,切换不同容值的补偿电容进入发送回路,实现高频区发送电流的有效增大。在野外施工时对该方案进行了初步验证测试,结果表明串入不同容值的电容后,高频区特定频点或频段信号的发送电流比没有串接电容提高明显。预期该方法可增强高频区信号的发送电流,提升CSAMT的观察数据质量。

关键词： CSAMT ; 发射机 ; 电性源 ; 高频供电 ; 电容补偿

Abstract

In the CSAMT survey, the inductive on transmitting circuit wire increases with the increasing frequency of the transmitting signal. When the power supply voltage and grounding resistance is constant, the transmitting current will drop with the increasing frequency of the transmitting signal, so the received signal in the receiver becomes weak, and the exploration effect is seriously affected. In this paper, by analyzing the impedance characteristics of the transmitting circuit and RCL series resonant circuit and simulating the amplitude and frequency characteristic curve of transmitting circuit which adds the different value compensating capacitors, the authors proved that it is possible to increase the transmitting current of the high frequency signal by adding the different compensation capacitor in the transmitting circuit. On such a basis, the authors designed electrical source CSAMT transmitter based on compensation capacitors technology. Through the high and low frequency signal transmitting, the transmission circuit impedance is determined, then in the transmission process it can be sent with the signal frequency changes and the compensation capacitor is constantly adjusted to achieve effective increase of high frequency band send current. In the working process, first the test method is used to determine the impedance of the transmitting circuit, and then the transmitter will automatically adjust the capacitor compensation network switch with the changing of the frequency of the transmitting signal, the different compensation capacitors are switched into the transmitting circuit to achieve the transmitting current increases. The scheme was tested and verified in practice. The recorded data show that the current in the high frequency area is improved obviously after the compensating capacitor is connected in transmitting circuit. It is expected that this method will enhance the transmitting current of the high frequency area and improve the observation data quality of CSAMT.

Keywords： CSAMT ; transmitter ; electrical source ; high frequency power supply ; Capacitor Compensation

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本文引用格式

李荡, 郑采君, 林品荣, 王珺璐, 李建华, 李勇. 基于电容补偿技术的电性源CSAMT高频供电研究. 物探与化探[J], 2018, 42(6): 1253-1258 doi:10.11720/wtyht.2018.1165

LI Dang, ZHENG Cai-Jun, LIN Pin-Rong, WANG Jun-Lu, LI Jian-Hua, LI Yong. A study of electrical source CSAMT high frequency transmitting based on Capacitor Compensation technology. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2018, 42(6): 1253-1258 doi:10.11720/wtyht.2018.1165

0 引言

可控源音频大地电磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics, CSAMT)是在音频大地电磁法基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法,通过测量大地介质对入射电磁场的响应,获得地质体电导率结构信息^[1,2,3],在地质构造划分、能源矿产勘查及水文、工程、环境地质勘查中取得了良好的效果^{[4,5,6,7,8,9]}。一般情况下,CSAMT观测频率范围在0.01 Hz~10 kHz之间^[10],认为1 kHz~10 kHz范围内的信号为高频信号,将这一频率范围统称为高频信号区,简称高频区,而0.01 Hz~10 Hz范围内的信号为低频信号,将这一频率范围称为低频信号区,简称低频信号区。

CSAMT电性源发送机是将直流电源以所需频率进行逆变,通过接地电极发送出去,建立人工源电磁场来进行地球物理勘探^[11]。在相同的大地介质条件下,发送机发送的电流强度直接决定了建立的电磁场场强大小^[12],发送电流越大,电磁场场强越强,接收机端接收到的信号越强,勘探效果越好。发送电流大小取决于发送机输出电压、发送回路阻抗和输出信号的频率,在同等发送电压的条件下,发送回路的阻抗会随着发送信号频率的升高而升高,阻抗越高发送电流越小,其原因是发送导线过长,导线自身所带的电感感抗会随着频率的变高而增大,导致高频信号的发送电流较低频信号要小很多。文献[13]表明,当线上电感为3 mH,发送信号频率为10 kHz时,发送电流值仅为低频区(信号频率100 Hz为例)的0.3倍,由此可见高频区确实很难进行大电流供电。据真齐辉、底青云等人^[13]的研究,在CSAMT高频区供电,发送电流的大小基本上由发送导线的电感来决定,若要提高高频区的发送电流,则只能通过多股供电线并连或加粗供电线的方式减小导线的感抗来提高发送电流^[14]。野外施工时,不管是放多股供电线还是加粗供电线,工作量都会增加很多,不利于高效开展工作。磁性源发射时,根据文献[15,16]表述,万云霞、程德福等人设计了由多个电容和程控开关组成的匹配谐振电容阵列,使环形天线阻抗与发射驱动阻抗相匹配,根据不同的发射频率匹配不同的电容使之达到谐振,从而实现较大电流、较高频率的场源信号发射。近些年来,电子技术在飞速发展,电容制造技术有了极大的提高,无极性电容的容值和耐压值都有较大的拓宽,原来仅适用于磁性源发射的电容匹配谐振的方法也可以拓展到电性源发射中,用以解决高频区电流信号弱这一问题。鉴于此,提出在CSAMT勘查施工时引入电容补偿电路来抵消回路导线的感性作用,以提高CSAMT电性源高频区的供电电流。

1 电路原理及仿真

1.1 发送回路分析

由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发的DEM大功率电法系统^[17,18,19]的发送装置如图1所示,车载大功率柴油发电机发送三相交流电源,交流电源连接至大功率高压整流电源,由整流电源将交流电整流为电压范围从0~1 200 V连续可调的直流电,经发送机频率合成和脉宽调制控制后,由绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)控制直流电从A、B端输出,通过长距离发送电缆线接入大地,形成发送回路。

图1

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图1 大功率电性源发送装置示意

发送回路的电流I为

$I = |\frac{U_{0}}{R + j ωL}| = \frac{U_{0}}{\sqrt[]{R^{2} + ω^{2} L^{2}}} = \frac{U_{0}}{ω \sqrt[]{{(R / ω)}^{2} + L^{2}}}$

其中:U₀为发送机输出电压,R为接地电阻,L为供电线电感,ω/2π为发送信号频率。发送回路电路模型见图2所示。

图2

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图2 发送回路等效电路模型

接地电阻R通常为几十欧姆,但由于供电电极线长达几公里,所以导致发送机负载的感性成分较大,其大小的估算公式为L=200l[ln(4l/d)-0.75],其中:l表示线长,单位m;d表示线的直径,单位m;L为电感,单位H。假设供电电极线长为1.2 km,线径为0.2 cm,可得该电缆拥有的电感大小约3.3 mH,这个电感就比较大了^[14]。当高频区信号发送时,即频率大于1 kHz时,数公里长的供电线电感L对发送回路的影响逐渐明显,而且随着发送信号频率的增高会愈发明显,当频率较高时,回路接地电阻的影响可以忽略不计,回路电流I≈U₀/ωL,基本上取决于供电线的电感值大小。

在CSAMT探测中,低频信号对应地下的深部信息,高频信号对应地下的浅部信息^[20],当探测浅部信息时,发送信号频率较高,回路的感抗较大,发送电流小,对应的电磁场场强均较弱,接收机端接收到的数据质量低,不能较好地反映地质信息。

1.2 RCL串联谐振电路的分析

根据上述分析可知,通过增大接地面积、多浇盐水等常规方法^[21]处理发送源,减小接地电阻R的阻值,可以提高CSAMT低频区信号发送电流,但不能提高高频区信号的发送电流。由图2简化后的电路模型可以看出,通过在供电回路中串入高压电容,组成RLC串联谐振电路,可以改变发送回路的阻抗特性,提高特定频段的发送电流。加入电容补偿后的发送装置示意见图3,电路模型如图4所示。

图3

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图3 加入电容补偿后发送装置示意

图4

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图4 加入电容补偿后发送回路的等效电路

发送电路可以等效为AB输出端串接了电阻、电感和电容,发送回路阻抗等效为接地电阻R、导线的电感jωL和补偿电容1/(jωC):

$Z (j ω) = R + j ωL + \frac{1}{j ωC} = R + j (ωL - \frac{1}{ωC}),$

频率特性表示为

$\begin{array}{l} φ (j ω) = \arctan (\frac{ωL - \frac{1}{ωC}}{R}), \\ | Z (j ω) | = \frac{R}{\cos [φ (j ω)]} 。 \end{array}$

可以看出,由于串联电路中同时存在着电感L和电容C,两者的频率特性不仅相反(感抗与ω成正比,而容抗与ω成反比),而且直接相减(电抗角差180°)^[22]。可以肯定,一定存在一个角频率ω₀,使得感抗和容抗相互完全抵消,即X(jω₀)=0。阻抗随频率变化的曲线如图5所示。

图5

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图5 Z(jω₀)频响曲线

发送电路回路电流为

$\begin{array}{l} I = |\frac{U_{0}}{R + j ωL + \frac{1}{j ωC}}| = |\frac{U_{0}}{R + j (ωL - \frac{1}{ωC})}| = \\ \frac{U_{0}}{\sqrt[]{R^{2} + {(ωL - \frac{1}{ωC})}^{2}}} 。 \end{array}$

式中:U₀为发送机输出电压,R为接地电阻,L为供电线电感,C为串入回路中的高压电容,ω/2π为发送信号频率。可以看出,当ω=ω₀= $\frac{1}{\sqrt[]{LC}}$ 时,发送电流I= $\frac{U_{0}}{R}$ 达到最大值,不再受电感影响。工程上将电路的这一特殊状态定义为谐振,把ω₀称为谐振角频率,谐振频率f₀= $\frac{1}{2 π \sqrt[]{LC}}$ 。当发送信号频率和谐振频率f₀匹配时,理论上回路电流就会达到最大值,可见,通过发送回路中串入不同容值的谐振电容,使之与发送导线的电感在不同频点发生或接近谐振状态,就可以提高高频区发送信号的电流。电路谐振时,L、C串联端口相当于短路,但是U_L、U_C都不等于0,两者模值相等且反向,相互完全抵消,谐振电路的品质因数Q= $\frac{1}{R} \sqrt[]{\frac{L}{C}}$ ,Q值不仅综合反映了电路中三个参数对谐振状态的影响,也是分析和比较谐振电路频率特性的一个重要参数。需要注意的是当串入电容发生谐振时,电容两端的电压为输入电压的Q倍,防止电容被高电压击穿。

1.3 电路仿真分析

设回路电阻R=50 Ω,L=3 mH,回路中无电容串入和分别串入不同容值的电容后,电阻两端电压的幅相频特性曲线如图6、图7所示,串入电容C=1 200 nF时,回路谐振频率为2.65 kHz,蓝色曲线为其幅相频特性曲线,串入电容C=200 nF时,回路的谐振频率为6.50 kHz, 红色曲线为其幅相频特性曲线,无电容串入时,绿色曲线为其幅相频特性曲线。由幅相频特性曲线可以看出,串入谐振电容后,在中心频率附近的高频区频点的供电电流得到极大提升。串入不同容值的谐振电容后,回路的中心频率、Q值和通带宽度均不相同,电容越大中心频率越小,Q值越小,通带宽度越宽。

图6

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图6 电阻两端幅频特性曲线

图7

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图7 电阻两端的相频特性曲线

2 电容补偿电路设计

在原发送机的基础上,通过增加电容补偿电路对电性源CSAMT发送机做了改进和优化,来实现高频区信号大电流供电的目标,设计方案如图8所示。电性源CSAMT发送机主要包含电源部分、控制平台和高压部分三部分。电源部分是利用发电机产生交流电,然后通过整流源整流滤波,把交流电转化为高压直流,供给高压部分的IGBT开关^[10],而控制平台由ARM加FPGA双核及外围电路组成,负责控制发送波形的产生和人机交互处理。本文设计的电容补偿电路串入发送回路,由控制平台产生控制信号对其自动控制。

图8

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图8 发送系统整体设计框图

发送机在高频区信号发送时,要求频点可自动切换并连续发送,所以设计的电容补偿电路也应根据发送信号的频率来及时、快速、准确地选择合适的电容容值来匹配该频率的信号发送。电容补偿电路设计如图9所示。因为补偿电容的容值为标称值,耐压值要求均在3 000 V以上,而且可接入电路的电容数量有限,只能选择几种不同容值的电容通过串、并组合,形成电容网络,控制程序通过最优算法来确定组合方式,然后控制开关通断将电容补偿电路接入发送回路中,如发送低频信号则闭合S9和S10两个开关,绕开电容器,直接发送。

图9

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图9 电容补偿电路

在正式供电之前,先不接入补偿电容,直接试供发送信号,同时利用霍尔传感器采集电流信号,通过ADC读入电流信号并记录电流信号的有效值,根据公式I= $|\frac{U_{0}}{R + j ωL}|$ = $\frac{U_{0}}{\sqrt[]{R^{2} + ω^{2} L^{2}}}$ 计算出当前回路的接地电阻R和回路中电感L值的大小,并保存在处理器的存储器中。正式供电时,发送每一频点前通过公式f= $\frac{1}{2}$ π $\sqrt[]{LC}$ 计算出所需补偿的电容值,根据计算出来的电容理论值与补偿电容网络比对,选择与理论所需电容值最接近的电容网络,打开对应开关。控制平台同时要计算出电路的Q值,计算出电容两端的电压在安全电压范围之内,确保系统安全。

3 野外实验

对该设计进行了初步的野外实验验证。实验时, A、B两个发送源直线距离3 km,由于地形原因,AB的供电线长4.2 km,经计算,供电电压设定为400 V,发送信号频率为1 Hz时,供电电流为14 A,发送信号频率为1.1 kHz时,发送电流为5.1 A,根据公式

$I = |\frac{U_{0}}{R + j ω L}| = \frac{U_{0}}{\sqrt[]{R^{2} + ω^{2} L^{2}}}$

可以得出该AB间接地电阻R为28.5 Ω,导线自身电感值约10 mH。串入回路的高压电容容值分别为4.8、2.4、1.2、0.6、0.3、0.15、0.1 μF,发送信号频率从8.8 kHz~59 Hz共14个频点,依次供电。不串电容和串入不同容值电容时记录的发送信号电流有效值如表1所示。

表1 串入不同容值电容的RCL串联谐振供电电流记录 A

频率/Hz	电容容值
频率/Hz	无	4.8 μF	2.4μF	1.2 μF	0.6 μF	0.3 μF	0.15 μF	0.1 μF
8827	0.4	0.3	0.4	0.3	0.3	0.4	0.6	0.9
6918	0.4	0.4	0.4	0.4	0.5	0.6	1.4	3.5
5333	0.5	0.5	0.5	0.6	0.9	1.5	5.8	2.3
4031	0.7	0.8	0.9	1.1	1.7	5.9	1.5	0.5
3121	0.9	1.1	1.0	2.1	4.9	3.8	0.6	0.3
2426	1.4	2.0	2.3	4.7	6.8	1.0	0.5	0.4
1828	2.4	2.1	5.3	8.5	2.1	0.4	0.4	0.2
1426	3.5	5.8	9.1	4.7	1.0	0.5	0.3	0.2
1075	5.1	9.6	7.9	2.1	0.9	0.6	0.3	0.2
825	6.7	10.3	4.2	1.8	0.7	0.3	0.3	0.2
625	8.1	6.6	3.1	1.9	0.6	0.3	0.2	0.2
424	10.0	4.6	2.4	1.0	0.4	0.2	0.2	0.2
188	11.8	1.6	1.1	0.4	0.3	0.2	0.2	0.2
59	13.8	0.7	0.3	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2

注:供电电压400 V(1 Hz试供14 A)

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由此实验可以看出,当串入电容为0.1 μF,发送信号频率为6.9 kHz信号时,有效电流值从0.4 A提高至3.5 A,发送电流强度提高了将近9倍,同时对8.8 kHz频点、5.3 kHz频点的发送电流也有一定影响,提高了这两个频点的发送电流,当串入电容为0.15 μF时,发送信号频率为5.3 kHz时,有效电流值从0.5 A提高至5.8 A,提高了11倍多,周边频点的发送电流也有所提高,当串入电容为4.8 μF时,对频率为825 Hz频点影响最大,发送电流由无串联电容时的6.7 A提高至10.3 A,同时1.4 kHz、1.1 kHz频点也有大幅提高。发送回路中串入不同容值电容后,可以提高不同频率发送信号的发送电流,串入电容容值越小,中心频率越高,影响频点范围越窄,这与图5、图6仿真所得规律相吻合,说明通过该方法可以有效提高高频区信号的发送电流。

串入电容为EACO公司生产的专用高频大电流谐振电容,单个电容的耐压值均达到3 000 V以上,单个电容的容值范围为0.1、0.15、0.22、0.33、0.47、 0.56、0.82 μF几种,每种容值的等效串联电阻均不超过10 mΩ(@10 kHz)^[23]。实验中所用容值为这些单个电容通过串并联组合实现。

4 结论

本文通过仔细分析CSAMT发送回路的阻抗特性及RCL串联谐振电路原理,对比发送回路不增加电容和增加不同容值电容的幅频特性仿真曲线,提出在原发送机的基础上增加了电容补偿电路,设计了基于电容补偿技术的电性源CSAMT发送机,在发送过程中可随着发送信号频率变化而不断调整补偿电容,实现高频区发送电流有效增大。在野外施工时对该方案进行了初步验证测试,数据表明串入不同容值的电容后,高频区特定频点或频段信号的发送电流比没有串接电容提高明显。预期该方法可增大高频区发送信号的发送电流,提高信噪比,进而提升CSAMT的勘查数据质量。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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原文顺序

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随着CSAMT法精细结构探测应用需求的日益增多,其相关分辨率的研究逐渐成为研究的热点.在CSAMT三维地质结构数值模拟中,积分方程法因只在异常体处剖分,具有计算速度快、求解精度高等优点.本文首先介绍了三维积分法的原理,然后利用3D积分方程正演程序模拟计算了四种情况下的模型:同一埋深不同体积的模型、同一大小不同埋深的模型、同一大小同一埋深情况下改变其与背景电阻差异大小的模型和两个相同异常体相隔不同距离的模型.除此之外,还设计了一个由岩浆的交代或围岩蚀变作用而在岩浆周围成矿的典型模型.通过这些模型的数值模拟,得出了以下结论:异常体的体积、异常体埋深、异常体与背景电阻率差异对异常响应特征影响明显,并且从数值模拟结果中可以看出CSAMT可以很好的将相距一定距离的多个异常体分辨出来,其对低阻体具有较强的探测能力,而对高阻体的勘探能力相对较弱,这可能对在高阻体边缘寻找金属矿床具有一定的优势.

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安徽某铜矿区由于电磁、人文干扰严重,传统的电磁法无法取得有效的数据,抗干扰能力较强的CSAMT法在该区检查点数据均方相对误差达到了53.6%,勘探效果较差。将广域电磁法应用到该矿区,取得了质量较高的数据,平均相对均方误差为5.6%。与相同剖面上的CSAMT法反演结果相比,广域电磁法的反演结果与地质资料吻合,深度误差小于10%,矿体的位置与钻孔信息相符。试验结果表明,广域电磁法具有较强的抗干扰能力,可用于强干扰矿区探测。

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静态效应是深部探测噪声之一。为深入认识静态效应,以均匀大地为背景,卡尼亚视电阻率为解释参数,分别模拟旁侧和轴侧两种观测方式中含有静态效应的地表响应,得到以下结论:(1)两种观测方式中的静态效应特征表现一致。(2)异常体正上方的测点受干扰程度最大,测点离异常体越远,受干扰程度越小。(3)低阻异常体引起干扰区域的等值线下凹,电阻率越低下凹越明显,高阻异常体引起干扰区域的等值线上凸,但增大异常体的电阻率,等值线上凸的变化并不明显;无论是低阻异常还是高阻异常都会引起干扰区域的中高频段等值线近乎直立。(4)低阻体的静态效应使低频段的标准曲线平行下移,但在中高频段标准曲线平行下移程度与低阻体的电阻率有关,电阻率越低,标准曲线平行下移程度越差,这是由于电阻率较低的异常体在中高频段有较强的电磁感应异常,这种异常被叠加到了静态效应中;而高阻体的静态效应使标准曲线在整个频段上平行上移。研究结果可为静态效应的识别及校正算法的改进提供参考,具有一定的理论和应用价值。

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多功能电法系统是近年来研发的具有我国自主知识产权的地球物理勘探系统，适用于金属矿、地下水、地热、油气藏等资源勘查和研究。选择甘肃柳园地区的花牛山热水沉积型铅锌矿区，开展了多功能电法的应用试验，验证新技术在此类矿床普查评价阶段的有效性。利用大功率激电剖面测量圈定激电异常，并结合已知地质资料进行了评价分析；在有激电异常的主要剖面部署了可控源音频大地电磁测深，获取了地下电性结构。应用结果表明，开展的大功率激电测量和可控源音频大地电磁测深反映出了与矿体有关的地球物理异常，试验应用成果可为同类型矿床的勘查起到示范作用。

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[J]. 物探与化探, 2015,39(6):1292-1298.

DOI:10.11720/wtyht.2015.6.32 URL Magsci [本文引用: 1]

在电磁探测理论中,电导率和磁导率是两个重要的岩石物性参数。在磁性较强的地区进行大地电磁探测工作时,电磁场信号必然受到介质磁性的影响。将磁化率参数引入到二维大地电磁正演理论中,实现了含磁化率的大地电磁有限单元法数值模拟。建立棱柱体模型计算并分析了磁化率参数对大地电磁的电场、磁场、视电阻率及相位等参数的影响。数值模拟结果表明:高磁性介质导致电场升高,磁场降低,视电阻率增大,相位复杂变化,且随着磁性物质的增多或磁化率的增大,这种影响逐渐变大。引入电导率、磁化率光滑约束与磁化率对数约束,采用改进的特别快速模拟退火法实现了电阻率、磁化率参数一维同时反演。对K型、H型中间层高磁地电模型进行反演试算,反演结果良好。该研究为在高磁性地区开展大地电磁工作提供了基础,对实现"第二找矿空间"内的矿产勘探,具有一定的意义。

[10]

李荡, 王珺璐, 李勇 , 等.

CSAMT发射系统抗干扰供电技术初步研究

[J]. 物探化探计算技术, 2016,38(2):175-179.

DOI:10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.05 URL [本文引用: 2]

在伪随机编码信号的相关辨识理论基础上,根据可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量频率范围及受环境电磁干扰影响的程度,将CSAMT测量划分为三个频段,对易受工频及其谐波成分干扰的频段采用伪随机编码发射,高频和低频段采用单频方波发射。发射系统的人机交互和供电波形的产生基于虚拟仪器LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)软件平台,操作方便、控制灵活。

[11]

余飞

高压大功率电磁发射机供电关键技术的研究

[D]. 北京:北京工业大学, 2013.

[本文引用: 1]

[12]

, Zhang Y

Modeling and control method for high-power electromagnetic transmitter power supplies

[J]. Journal of Power Electronics, 2013,13(4):679-691.

DOI:10.6113/JPE.2013.13.4.679 URL [本文引用: 1]

[13]

真齐辉, 底青云, 王亚璐 .

大功率CSAMT发射机发射大电流的实现

[A]//中国地球物理学会年会, 2014.

[本文引用: 2]

[14]

真齐辉, 底青云, 刘汉北 .

励磁控制的CSAMT发送机若干技术研究

[J]. 地球物理学报, 2013,56(11):3751-3760.

DOI:10.6038/cjg20131116 Magsci [本文引用: 2]

文章介绍了利用励磁控制来实现可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method,缩写为CSAMT)发送机的系统结构与工作原理,对发送机的主要模块进行说明.该系统最大的优点就是功率可扩展性极强,其低频发送功率基本上只受限于发电机的功率与开关器件的参数.目前在实验室内已完成30KW样机,野外已实现了850V/25A的发送.该系统电路结构简单,易于维护,稳定性高.该研究为其它有源电磁法勘探大功率发送机研制提供了行之有效的方案.

[15]

万云霞, 程德福, 卢浩 , 等.

混场源电磁探测仪器发射天线设计

[J]. 吉林大学学报:工学版, 2012,42(6):1432-1436.

URL [本文引用: 1]

为了满足混场源电磁探测中人工场源信号的获取,设计了一种基于磁性源的场源发射装置。分别对发射天线的物理结构、等效电路模型等方面进行了讨论,建立了发射天线电路模型,并得出天线在z方向和x、y方向产生的磁感应强度。试验结果表明:该发射装置可提供1～80kHz的有效人工场源,弥补了天然场源的不足,拓宽了仪器的勘探深度。

[16]

程德福, 王君, 李秀平 , 等.

混场源电磁法仪器研制进展

[J]. 地球物理学进展, 2004,19(4):778-781.

DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2004.04.012 URL Magsci [本文引用: 1]

混场源电磁法综合了MT和CSAMT方法的特点,以天然和人工电磁场相结合为场源,探测介质的电阻率,信号频带为0.01 Hz～100kHz,探测深度从几m到1000 m,主要用于地下水、环境、矿产、工程等探测.本文介绍电磁波发射机、接收机、宽频带磁传感器的研制进展与关键技术,讨论了需要解决的问题.野外实验结果验证了仪器原理样机技术方案的可行性.

[17]

林品荣, 郭鹏, 石福升 .

大深度多功能电磁探测技术研究

[J]. 地球学报, 2010,31(4):149-154.

[本文引用: 1]

[18]

石福升

大功率多功能发射系统研究

[J]. 地球物理学进展, 2009,24(3):1109-1114.

DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.03.043 URL Magsci [本文引用: 1]

DEM-T70是自行研制的具有自主知识产权的大功率多功能智能发射系统，用于为地面电磁法勘探提供大功率的人工场信号.发射系统中采用了GPS同步、DDS(直接数字频率合成)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、数字式PWM(脉冲宽度调制)稳流和发电机励磁稳流等新技术，开发了多频同步供电、高密度频点供电、全自动扫频供电和大功率快速逆变等关键技术，研制出大功率(70 kW)多功能(CSAMT-可控源音频大地电磁、SIP-谱激电、TDIP-时域激电)电磁法发射系统，其最高供电频率为8000 Hz，最高电压1200 V，最大电流100 A.场地试验表明，发射系统功能设计合理、技术指标先进、性能稳定可靠，该系统填补了我国在该领域的空白.

[19]

石福升, 刘莺莺, 郭鹏 .

小功率智能多频发射系统研究与应用

[J]. 物探与化探 , 2007,31(10):11-18.

URL [本文引用: 1]

采用先进的开放式设计理念和模块化设计思想,以多处理器控制技术为基本构架,研制出具有多频同步供电、高精度数字 PWM 稳流和自动扫频供电等特色技术的智能化电磁发射系统。该系统在矿区应用的效果表明方法技术的有效性。

[20]

薛开昶

地电场电性源发射机可靠性关键技术研究

[D]. 长春:吉林大学, 2015.

[本文引用: 1]

[21]

刘俊峰, 邓居智, 张志勇 , 等.

电性源发射端接地电阻的理论计算及影响因素分析

[J]. 工程地球物理学报, 2012,9(4):380-384.

[本文引用: 1]

[22]

邱关源, 罗先觉 .电路(第五版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 281-285.

[本文引用: 1]

[23]

广东意壳电子科技有限公司.Snubber

[EB/OL].[ 2016- 10- 9]. .

URL [本文引用: 1]

2005

... 可控源音频大地电磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics, CSAMT)是在音频大地电磁法基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法,通过测量大地介质对入射电磁场的响应,获得地质体电导率结构信息^[1,2,3],在地质构造划分、能源矿产勘查及水文、工程、环境地质勘查中取得了良好的效果^{[4,5,6,7,8,9]}.一般情况下,CSAMT观测频率范围在0.01 Hz~10 kHz之间^[10],认为1 kHz~10 kHz范围内的信号为高频信号,将这一频率范围统称为高频信号区,简称高频区,而0.01 Hz~10 Hz范围内的信号为低频信号,将这一频率范围称为低频信号区,简称低频信号区. ...

三维地电结构下CSAMT分辨能力研究

2014

强干扰矿区中广域电磁法与CSAMT探测效果对比

2015

均匀大地CSAMT 静态效应模拟及其特征研究

2015

强干扰矿区中广域电磁法与CSAMT探测效果对比

2015

甘肃柳园地区典型矿床的多功能电法应用试验

2016

谐波信号在人工源电磁法WEM中的应用

2013

井地电磁发送机嵌入式人机交互软件设计

2016

磁化率对大地电磁响应的影响及其提取方法

2015

CSAMT发射系统抗干扰供电技术初步研究

2016

... 在原发送机的基础上,通过增加电容补偿电路对电性源CSAMT发送机做了改进和优化,来实现高频区信号大电流供电的目标,设计方案如图8所示.电性源CSAMT发送机主要包含电源部分、控制平台和高压部分三部分.电源部分是利用发电机产生交流电,然后通过整流源整流滤波,把交流电转化为高压直流,供给高压部分的IGBT开关^[10],而控制平台由ARM加FPGA双核及外围电路组成,负责控制发送波形的产生和人机交互处理.本文设计的电容补偿电路串入发送回路,由控制平台产生控制信号对其自动控制. ...

高压大功率电磁发射机供电关键技术的研究

2013

... CSAMT电性源发送机是将直流电源以所需频率进行逆变,通过接地电极发送出去,建立人工源电磁场来进行地球物理勘探^[11].在相同的大地介质条件下,发送机发送的电流强度直接决定了建立的电磁场场强大小^[12],发送电流越大,电磁场场强越强,接收机端接收到的信号越强,勘探效果越好.发送电流大小取决于发送机输出电压、发送回路阻抗和输出信号的频率,在同等发送电压的条件下,发送回路的阻抗会随着发送信号频率的升高而升高,阻抗越高发送电流越小,其原因是发送导线过长,导线自身所带的电感感抗会随着频率的变高而增大,导致高频信号的发送电流较低频信号要小很多.文献[13]表明,当线上电感为3 mH,发送信号频率为10 kHz时,发送电流值仅为低频区(信号频率100 Hz为例)的0.3倍,由此可见高频区确实很难进行大电流供电.据真齐辉、底青云等人^[13]的研究,在CSAMT高频区供电,发送电流的大小基本上由发送导线的电感来决定,若要提高高频区的发送电流,则只能通过多股供电线并连或加粗供电线的方式减小导线的感抗来提高发送电流^[14].野外施工时,不管是放多股供电线还是加粗供电线,工作量都会增加很多,不利于高效开展工作.磁性源发射时,根据文献[15,16]表述,万云霞、程德福等人设计了由多个电容和程控开关组成的匹配谐振电容阵列,使环形天线阻抗与发射驱动阻抗相匹配,根据不同的发射频率匹配不同的电容使之达到谐振,从而实现较大电流、较高频率的场源信号发射.近些年来,电子技术在飞速发展,电容制造技术有了极大的提高,无极性电容的容值和耐压值都有较大的拓宽,原来仅适用于磁性源发射的电容匹配谐振的方法也可以拓展到电性源发射中,用以解决高频区电流信号弱这一问题.鉴于此,提出在CSAMT勘查施工时引入电容补偿电路来抵消回路导线的感性作用,以提高CSAMT电性源高频区的供电电流. ...

Modeling and control method for high-power electromagnetic transmitter power supplies

2013

大功率CSAMT发射机发射大电流的实现

2014

... [13]的研究,在CSAMT高频区供电,发送电流的大小基本上由发送导线的电感来决定,若要提高高频区的发送电流,则只能通过多股供电线并连或加粗供电线的方式减小导线的感抗来提高发送电流^[14].野外施工时,不管是放多股供电线还是加粗供电线,工作量都会增加很多,不利于高效开展工作.磁性源发射时,根据文献[15,16]表述,万云霞、程德福等人设计了由多个电容和程控开关组成的匹配谐振电容阵列,使环形天线阻抗与发射驱动阻抗相匹配,根据不同的发射频率匹配不同的电容使之达到谐振,从而实现较大电流、较高频率的场源信号发射.近些年来,电子技术在飞速发展,电容制造技术有了极大的提高,无极性电容的容值和耐压值都有较大的拓宽,原来仅适用于磁性源发射的电容匹配谐振的方法也可以拓展到电性源发射中,用以解决高频区电流信号弱这一问题.鉴于此,提出在CSAMT勘查施工时引入电容补偿电路来抵消回路导线的感性作用,以提高CSAMT电性源高频区的供电电流. ...

励磁控制的CSAMT发送机若干技术研究

2013

... 接地电阻R通常为几十欧姆,但由于供电电极线长达几公里,所以导致发送机负载的感性成分较大,其大小的估算公式为L=200l[ln(4l/d)-0.75],其中:l表示线长,单位m;d表示线的直径,单位m;L为电感,单位H.假设供电电极线长为1.2 km,线径为0.2 cm,可得该电缆拥有的电感大小约3.3 mH,这个电感就比较大了^[14].当高频区信号发送时,即频率大于1 kHz时,数公里长的供电线电感L对发送回路的影响逐渐明显,而且随着发送信号频率的增高会愈发明显,当频率较高时,回路接地电阻的影响可以忽略不计,回路电流I≈U₀/ωL,基本上取决于供电线的电感值大小. ...

混场源电磁探测仪器发射天线设计

2012

混场源电磁法仪器研制进展

2004

大深度多功能电磁探测技术研究

2010

... 由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发的DEM大功率电法系统^[17,18,19]的发送装置如图1所示,车载大功率柴油发电机发送三相交流电源,交流电源连接至大功率高压整流电源,由整流电源将交流电整流为电压范围从0~1 200 V连续可调的直流电,经发送机频率合成和脉宽调制控制后,由绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)控制直流电从A、B端输出,通过长距离发送电缆线接入大地,形成发送回路. ...

大功率多功能发射系统研究

2009

小功率智能多频发射系统研究与应用

2007

地电场电性源发射机可靠性关键技术研究

2015

... 在CSAMT探测中,低频信号对应地下的深部信息,高频信号对应地下的浅部信息^[20],当探测浅部信息时,发送信号频率较高,回路的感抗较大,发送电流小,对应的电磁场场强均较弱,接收机端接收到的数据质量低,不能较好地反映地质信息. ...

电性源发射端接地电阻的理论计算及影响因素分析

2012

... 根据上述分析可知,通过增大接地面积、多浇盐水等常规方法^[21]处理发送源,减小接地电阻R的阻值,可以提高CSAMT低频区信号发送电流,但不能提高高频区信号的发送电流.由图2简化后的电路模型可以看出,通过在供电回路中串入高压电容,组成RLC串联谐振电路,可以改变发送回路的阻抗特性,提高特定频段的发送电流.加入电容补偿后的发送装置示意见图3,电路模型如图4所示. ...

2006

... 可以看出,由于串联电路中同时存在着电感L和电容C,两者的频率特性不仅相反(感抗与ω成正比,而容抗与ω成反比),而且直接相减(电抗角差180°)^[22].可以肯定,一定存在一个角频率ω₀,使得感抗和容抗相互完全抵消,即X(jω₀)=0.阻抗随频率变化的曲线如图5所示. ...

广东意壳电子科技有限公司.Snubber

2016

... 串入电容为EACO公司生产的专用高频大电流谐振电容,单个电容的耐压值均达到3 000 V以上,单个电容的容值范围为0.1、0.15、0.22、0.33、0.47、 0.56、0.82 μF几种,每种容值的等效串联电阻均不超过10 mΩ(@10 kHz)^[23].实验中所用容值为这些单个电容通过串并联组合实现. ...

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