地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (11): 4160-4164   PDF    
高频大功率CSAMT发射技术研究
真齐辉1,2,3, 底青云1,2     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程院重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要:近年来,随着我国对矿产资源需求量的逐年增加,人工源大地电磁法作为地球电性探测的感应类电法得到了迅猛发展,自主研制的地球物理仪器陆续推出.电磁法仪器的出现逐步摆脱了对国外相关仪器的依赖,可控源音频大地电磁法(CSAMT)发射机作为该方法的电偶极子源具有举足轻重的作用,然而,当前野外施工所用的CSAMT发射机普遍存在高频电流发射受阻,发射功率较小,收发距的大小受到很大的限制;到低频区,较小的收发距,使得接收机进入近场区,待后续数据处理时需要做近场校正,不仅增加了一个校正工序,也带来了校正数据误差,同时,较小的收发距,限制了野外施工的效率.另外,随着CSAMT的研究逐步深入,CSAMT三维阵列式探测也逐渐引起学者的重视,实现高频大电流的发射,为CSAMT三维阵列式探测提供了有利支持.本文详细分析了实现高频大功率发射技术的方法,通过模型建立和方程求解,获得了影响发射电流的主要因素,进而,有望达到高频发射电流大于低频发射电流的目的.
关键词: 大功率      CSAMT      双发射系统      高频电流     
High-frequency high-power CSAMT transmitting technology research
ZHEN Qi-Hui1,2,3, DI Qing-Yun1,2     
1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: In recent years, the demand of mineral resources in our country is increasing year by year, and the artificial source magnetotelluric method develops rapidly. The electromagnetic instruments gradually get rid of the dependence on foreign countries and independently developed geophysical instruments are emerging. For controlled source audio-frequency magnetotelluric method (CSAMT) the transmitter plays a pivotal role as the electric dipole source. However, the transmitters currently used in the field are not able to emit powerful current at high frequencies, and are limited by the separation between receivers and transmitter, since receivers are easy got into near-field zone at low frequencies, which brings extra works of near-field correction in the following data processing, and also brings about artificial errors at the same time. Meanwhile, the efficiency of field work is also reduced due to small separations. In addition, with further research on CSAMT, three dimensional arrays CSAMT survey has drawn more-attention of scholars. On the other hand, the realization of transmitting large current at high frequencies provides a good support to it. This article presents detail implementation method to transmit large power at high frequencies. Through modelling and solving the governing equations, we focus on the main factors influencing current transmission, and possibly achieve more large current at high frequencies than at low frequencies.
Key words: High-power    CSAMT    Double transmitter system    High frequency current    
1 引言

可控源音频大地电磁法在地质资源探测、地质工程勘探、环境评估以及大地构造研究中发挥着重要作用,电磁勘探设备尤其是电磁勘探发射机是人工源大地电磁法的核心工具(邓明等, 2003, 2004, 2013王猛等,2013底青云等,2013刘石等,2006白宜诚等,2004张友山和何继善,1995),电磁勘探中,高频电磁场具有较高的勘探分辨率,对地层浅部电阻率模型具有很好的约束,从而确保了对深部探测的有效性.大功率发射机1 Hz低频电流可以发射几百安培,可是10 kHz高频电流只有十几安培甚至几安培的大小,无法发射高频电流(于生宝等,2014汤井田等,2007林品荣等,2010).发射机无法发射高频大电流,人工源电磁法勘探的分辨率与探测深度被严重地限制,很多新的方法理论研究无法顺利开展,发挥其最大的优势.高频大电流电磁勘探发射技术研究意义重大,可为频率域和时间域电磁勘探的进一步开展研究与应用提供有力的技术支持.

利用提高发射电压来提高发射高频电流的效果非常有限(樊伟,2013真齐辉等,2013李军强,2009石福升,2009),AB电极距较大的条件下,甚至看不出有提高发射高频电流的能力,同时,太高的发射电压,给仪器的研制带来了很多问题,比如,器件的电压应力,瞬间电流应力都会变得异常的大,仪器的复杂度也增加.

针对当前人工源电磁法勘探发射机存在的以上问题,提出了一种全新的双发射机系统解决方案,该方案克服了供电线寄生电感的限制,利用寄生电感效应来提高高频发射电流,而且在某种条件下,相同发射电压时,高频发射电流可以大于低频发射电流,并为CSAMT三维阵列式探测提供了有力支持.本文通过分析系统的模型方程,获得了该系统的一些基本特性.

2 系统模型

方案实现如图 1所示.把两个发射机分别放在两个供电电极旁边,A发射机把发射桥模块的左边桥臂接到A电极上,B发射机把发射桥模块的右边桥臂接到B电极上,两个发射机之间拉出2根供电线,其中一根在两个发射机旁边分别接入一个继电器(或者IGBT等构成的双向开关管),当发射高频的时候,闭合继电器(或者双向开关管导通),当发射低频的时候,打开继电器(或者双向开关管关断).最后,两个发射机母线电压的负极性通过一根供电线相连接.两个发射机的母线电压相同.

图 1 双发射机系统结构图 Fig. 1 Double transmitter system structure

利用同步技术(同步时间小于1 μs),只要确保两个发射机发射桥臂的工作模态一致,双发射机系统就可以很好地工作.这种双发射机的施工结构令供电线的电感在系统中发挥作用,对减小电流的上升时间具有贡献,从而确保了在发射高频的时候,具有更高的发射电流.

假设发射电压的支撑电容足够大,那么可以认为发射电压是一个理想的直流电压;供电线等效为一个电感L;两个发射电极之间等效于一个接地电阻R.那么,双发射系统的发射回路等效电路如图 2.

图 2 双发射系统电路模型 Fig. 2 Double transmitter system circuit model

为了分析图 2系统,需要把系统发射一个周期的波形以半个周期为界分成两个阶段,假设稳态时,两个阶段除了电流极性相反外,其他完全相同.

以发射机的某一半周期为例,说明在发射半个周期内的电路模型,如图 3所示.

图 3 某半个周期的电路回路 Fig. 3 A half cycle circuit loop

假设桥路开关管是理想开关,两边发射系统的发射电压相等为V0,那么t在[0, T/2]区间内,得到:

(1)

(2)

2.1 发射电流的求解

方程(1)和方程(2)相加,得

(3)

两边求导数,可得

(4)

把(4)式代入(1)式可得

(5)

解一元二次微分方程得

(6)

于是可得

(7)

把(7)式代入(3)式可得

(8)

假设发射周期为T,且发射频率足够高,使得发射电流无法达到V0/R的水平,并且假设大地是一个各向同性的均匀介质,那么,在稳态的时候,发射电流的最大正负极性电流相等,即有

(9)

从而可以确定:

(10)

于是获得发射电流为

(11)

可见,从零时刻开始,发射电流逐渐增大,直到T/2为止,此时,发射电流大小为

(12)

可见,发射电流大于低频发射电流的大小V0/R,必须满足条件:

(13)

即:f表示发射频率.

图 4所示,实体填充部分为满足条件的参数可视化.

图 4 参数分布可视化 Fig. 4 Parameter distribution visualization

图 4中接地电阻[10, 100]Ω,供电线寄生电感[0.5, 5]mH,发射频率[10, 10000]Hz.缺口的部分表示不满足高频电流大于低频电流,可见,在绝大多条件下,高频电流大于低频电流都是可以实现的,比如,在正常的野外施工中,接地电阻R通常大于10 Ω,电感在1~3 mH之间,如果发射频率选择1 kHz,那么,此时就满足高频发射电流大于低频发射电流的条件.

2.2 系统仿真

为了说明双发射机系统提高高频发射电流的能力,与传统单发射机做一个对比试验.当直流母线的电压为500 V,接地电阻为50 Ω,单根供电线的等效电感为2 mH,发射频率为10 kHz,传统发射机与新型设计的发射机发射电流波形如图 5所示.

图 5 两种发射系统的发射电流 Fig. 5 The current waveform of traditional transmitter and new design of transmitter

图 2可以看出,双发射机系统的输出电流明显高于单发射机系统,而且双发射机系统的发射电流峰值还高于10 A,达到了12.7 A的水平,这个比低频发射电流峰值为10 A还要高出2.7 A.

可以看出,利用双发射机系统,在发射高频的时候,电流也可以有效地发射,解决了一直困扰电磁发射机高频电流发射受阻的难题.

3 结论

在野外施工中,由于电磁场趋肤效应的作用,高频能量集中在浅层,而低频能量在较深地层也有分布,所以,当高频发射功率与低频发射功率相当的时候,高频具有更多能量集中在地面,信号覆盖范围不大(高频波长尺度小),但强度很大,而低频的能量被深部地层吸收,在地面分布的能量很小,从而信号的强度很弱,不利于探测,但信号覆盖范围很广(低频波长尺度大).

利用双发射机系统可以有效地提高高频发射电流,从而可以实现较大的收发距条件下获得较强的信号,保证了接收机在波区中接收数据,而不必担心低频数据进入了近区,极大地提高了野外的施工灵活性,为获得可靠质量的数据提供了有效保证.

致谢

感谢审稿专家提出的修改意见!

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