串联谐振式航空电磁法发射机关键技术研究毕业论文文档格式.docx
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2.4.1功率器件的选型16
2.4.2谐振线圈的实现18
2.5主控单元的设计与实现19
2.5.1概述19
2.5.2方案选择20
2.5.3硬件设计20
2.5.4软件设计21
2.5.5控制电路仿真22
2.6驱动电路设计23
2.6.1驱动电路的要求23
2.6.2驱动电路与晶闸管连接方式24
2.6.3驱动电路的硬件设计24
2.7控制驱动电路PCB测试25
2.8本章总结27
第3章电流采集记录与过冲削弱关键技术研究28
3.1概述28
3.2电流采集记录单元设计28
3.2.1电流峰值采集单元设计29
3.2.2主控单元硬件部分设计29
3.2.3主控单元软件部分设计31
3.3电流过冲削弱单元设计32
3.3.1时序电路设计33
3.3.3功率电路设计35
3.4弱电系统总结37
第4章发射机整体功能测试与结果分析38
4.1概述38
4.2发射机室内实验38
4.3电流发射测试结果分析38
4.3.1发射电流峰值计算38
4.3.2发射电流波形结果分析40
4.4过冲削弱单元测试结果及分析42
4.5本章总结46
第5章全文总结及未来展望47
5.1概述47
5.2本论文的主要贡献47
5.3展望48
参考文献50
致谢53
第1章绪论
1.1概述
航空地球物理勘察技术能够快速大面积的飞过测区，并通过测量各种地球物理信息来了解区域地质概况，尤其是人工操作比较困难的高山林区，能取得比普通物探勘察更好的效果。
近几十年来，航空物探技术在航空技术、电子技术、计算机技术、勘探地球物理技术的飞速发展的背景下得到了长足的提高和发展。
航空技术的高精度全球定位系统的广泛应用，电子技术的高信噪比测试仪器的发展，各种微型芯片的应用，高性能计算机技术在数据处理方面的应用，使得航空物探具备高精度定位能力，很强的压制干扰的能力和微弱信息提取能力，以及高速数据处理能力[1]。
众多航空物探技术里，航空电磁法（AirborneElectromagneticMethod）在找寻地层水、良导矿体以及地质填图等地质勘察领域应用非常广泛。
其中频率域的固定翼航空电磁测量系统已在我国部分地质勘察项目中应用而且取得了较好的效果，但无法在地势不平坦的高山多植被地带工作，而且该勘探方法只能解决勘探深度在80m以内的地质问题；
频率域的吊舱式直升机航空电磁测量系统也在近年在我国得到应用，可以进行地势地形比较复杂地区的地质勘查工作，但只能勘探150m以内的地质信息。
我国幅员辽阔而且多高山，淡水层或良导体矿的覆盖层分布广泛，且所需勘探目标体深度有时在200m以下，虽然国际上已研制出勘探深度较大的固定翼时间域电磁系统，但因系统过于笨重，难以在地形起伏比较大的地区工作。
对于上述问题的处理，相关文献介绍了时间域吊舱式直升机航空电磁勘察系统[2]。
1.2吊舱式直升机航空瞬变电磁探测原理简介
图1.1所示是吊舱式直升机航空瞬变电磁勘查系统示意图，由直升机、吊舱、发射接收系统组成。
它的基本探测原理与地面瞬变电磁探测原理相似，也是利用不接地回线（也就是发射线圈），在直升机飞行期间通以交变的电流，这样发射线圈就会向地下发送一次交变电磁场（一次场），一次场传播的过程中遇到良导电地质体会激发地质体的涡流效应，产生的涡流电流会以热量的形式消耗掉并衰减，从而感生出新的电磁场（二次场），再通过接收系统测量由探测目标体介质产生的感生电磁场，经过对二次场测量数据的处理得到探测目标体的地质信息，最后通过反演推导目标体的形态和导电性。
在实际应用中，经常采用多次叠加的手段来提高数据精度。
发射线圈中经常采用的发射电流波形主要有双极性矩形波、双极性梯形波、双极性半正弦波以及双极性三角波等[3-6]。
图1.1吊舱式直升机航空电磁探测系统示意图
1.3航空瞬变电磁法仪器的发展现状及其特点
1.3.1国内航空瞬变电磁法仪器发展状况
我国在20世纪50年代开始对航空电磁法进行研究，但是发展过程并不顺利，改革开放后我国开始加大对国外先进的探测设备的引进。
航空电磁法数据处理及解释相对比较复杂。
虽然我国AEM发展不顺利，但我国物探工作者对该方法的数据质量评价、数据处理、图示、反演、解释等还是开展了必要的研究工作。
但总体来说我国航空电法与国际发展水平还有相当大的差距。
因此对航空电磁法系统的研究就显得尤其重要[3]。
我国最早研究的航空电磁法仪器是由地质部物探所研制的长导线半航空电磁探测仪器，而后才开始研制硬支架频域系统，在这段时期内国内多家科研机构都开始了各类航空电磁法系统的研制；
七十年代中期，北京地质仪器厂开始研制时间域直升机航空电磁探测系统，但中途下马；
七十年代末期，桂林冶金地质研究所也研制过时间域直升机电磁系统；
目前，吊舱式时间域直升机电磁勘查系统在国内尚处于空白状态。
1.3.2国外直升机航空瞬变电磁法仪器发展状况
自2000年以来,特别是2003年以后，直升机时间域电磁法发展很快，比较有代表性的系统有南非SpectremAir公司的ExplorHEM（1997）；
澳大利亚NormandyExploration公司的HOISTEM（1998）；
美国NewmontMiningCorporation公司的NEWTEM（1998）；
加拿大T.H.E.M.GeophysicsInc.公司的THEM_EMOSQUITO（1998）；
加拿大AeroquestInternational公司的AeroTEM（1999）；
加拿大McPharGeophysicsPty.Ltd.公司的SCORPION（2002）；
加拿大GeotechLtd.公司的VTEM（2002）；
加拿大Fugro公司的HELIGEOTEM（2005）；
丹麦SkyTEMAps公司的SkyTEM（2003）；
美国OakRidgeNationalLaboratory公司的ORAGS-TEM（2003）。
国际上直升机航空TEM系统的技术指标见表1.1[2]。
表1.1目前国际上主要直升机航空瞬变电磁系统的技术指标
系统
指标
名称
HeliGEOTEM
HoisTEMⅡ
AeroTEMIV
VTEM
THEM
EMOSQUITO
发射面积（m2）
95
375
113
531
105
发射线圈（圈数）
2
1
7
4
发射电流（A）
1210
320
500
300
1400
偶极矩峰值（NIA）
230,000
120,000
395,000
650,000
250,000
发射波形
半正弦
方形
三角
梯形
发射脉冲时间（ms）
5
1.86
4.5.7
发射方向
z
接收分量
x，y，z
x，z
是否全波记录
是
否
计划中
接收带宽
30-11520
25-19722
30/90-23040
25/30-25000
30-30720
ORAGSTEM
NewTEM
SkyTEM
SCORPION
ExplorHEM
36
283
314
8
30
265
83
200
4320
80000
45000
250000
25600
长斜波梯形
2.8
10
3.33
z和垂直梯度
接收带宽（Hz）
90/270-5400
25/30-100000
75-19200
1.3.3现代直升机航空瞬变电磁勘察系统主要特点
通过以上总结分析，现代直升机航空瞬变电磁系统具有以下特点[2]：
（1）新型大功率器件的应用使得发射电流得到很大的提高，从而在相同发射线圈尺寸下具有更大发射磁矩。
另外，电子技术、计算机技术的飞速发展使得对接收线圈返回数据的采集、存储、处理能力有了很大提高，可记录大量的原始数据，经过适当叠加、去噪处理后，使得信噪比大大提高，一般来说探测深度可达300m到500m。
（2）该系统的一个标识性进步在于直升机航空瞬变电磁可在发射电流关断和开通时测量二次场。
能够记录全波数据带宽，包括可加强浅层地质构造的分辨率的开通和关断时的高频信息，同时，全波数据可进一步转化为磁场响应，简化反演剖面解释，更容易发现低阻异常体。
（3）能够进行x、y、z三个方向的多分量测量，同时测量磁感应强度B和磁感应强度随时间的变换dB/dt。
这对于地下低阻体的形态特征、产出位置的确定非常有帮助。
同时，为使解释更准确，三分量测量还可测量吊舱的位置变化。
（4）由于地球物理反演技术的发展，日趋完善了数据处理方式和解释方法，不仅实现了一维和二维半反演解释技术，还发展了三维反演解释，也就是说，直升机瞬变电磁解释正逐步向三维可视化方向发展。
（5）直升机航空瞬变电磁勘察系统的灵活、高效的特点，使得它越来越多的应用到地下水勘查、大型工程基础调查、地质填图、矿产勘查、土壤盐渍化调查,以及遗留未爆炸物的找寻等地质勘察任务中。
1.4论文的研究内容、关键技术及结构安排
1.4.1研究的目的和意义
本论文的研究受到国家高技术研究发展计划（863计划）重大项目——航空地球物理勘查技术系统子课题《吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统开发集成》资助。
近年来直升机航空瞬变电磁勘探仪器在国际上发展很快，由于我国地域辽阔，矿产资源分布广泛，而且资源多分布于植被覆盖区，利用地面瞬变电磁开展勘测工作将会耗费大量的人力和物力，快速着手发展直升机航空瞬变电磁勘察系统变得很重要。
直升机航空瞬变电磁勘察系统主要由发射系统和接收系统组成，不同勘察系统对应的发射系统将会不同。
本论文的主要研究目的是根据课题需要研究串联谐振式的半正弦电流波形发射机的关键技术。
课题要求发射机的技术指标是半正弦波形基频25Hz、峰值电流达到2500A、脉宽4ms、偶极距峰值达到500000NIA，半正弦波形参数如图1.2所示。
图1.2半正弦电流波形参数图
针对课题要求指标参数，本文所研究的发射机主要包括时序信号产生的控制单元、串联谐振功率发射单元、为发射机供电的直流电源单元、峰值电流突变采集记录单元、过冲削
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