【摘要】：隨著對(duì)資源能源需求的增加和易采易探資源的減少,針對(duì)復(fù)雜地形條件的高效率、高精度探測(cè)方法已成為地球物理勘探領(lǐng)域的重要研究方向。目前,以地空頻率域電磁法和直升機(jī)時(shí)間域電磁法應(yīng)用最為廣泛。地空頻率域電磁法采用地面電磁法大功率發(fā)射和航空電磁法快速非接觸式采集的測(cè)量方式,同時(shí)采用的頻率域測(cè)量是在發(fā)射電流不間斷情況下獲取總場(chǎng)來(lái)反應(yīng)地下電阻率信息,信號(hào)較強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)大深度、大范圍區(qū)域的快速勘查。直升機(jī)時(shí)間域電磁法以直升機(jī)為載體,采用空中發(fā)射及接收的測(cè)量方式,具有速度快、成本低、通行性好、大面積覆蓋等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)采用的時(shí)間域測(cè)量是在沒(méi)有一次場(chǎng)背景的情況下觀測(cè)研究二次場(chǎng),簡(jiǎn)化了對(duì)異常場(chǎng)的研究。上述兩種方法在復(fù)雜地形的勘探盲區(qū)均可實(shí)現(xiàn)高效率勘測(cè),但它們的探測(cè)精度受限于產(chǎn)生一次場(chǎng)的發(fā)射電流波形質(zhì)量。目前,國(guó)內(nèi)的地空頻率域電磁法普遍采用2~n偽隨機(jī)波作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波形,依據(jù)頻率測(cè)深原理,針對(duì)特定深度目標(biāo)的高精度勘探,需通過(guò)發(fā)射多組偽隨機(jī)波來(lái)增加所需頻點(diǎn),但多次發(fā)射和重復(fù)飛行測(cè)量將嚴(yán)重降低檢測(cè)效率并增加檢測(cè)成本。對(duì)于直升機(jī)時(shí)間域電磁法則普遍采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)產(chǎn)生雙極性梯形波發(fā)射電流,由于直升機(jī)的載重及蓄電能力有限,為提高電源變換效率,要求發(fā)射系統(tǒng)有盡可能低的開(kāi)關(guān)頻率以減少開(kāi)關(guān)損耗和緩沖損耗,但過(guò)低的開(kāi)關(guān)頻率又將影響發(fā)射波形質(zhì)量,進(jìn)而影響探測(cè)精度。所以亟待開(kāi)發(fā)一種新的電磁激勵(lì)方法,以提高地空頻率域電磁法和直升機(jī)時(shí)間域電磁法的勘探精度及效率。上述兩種電磁測(cè)深方法的發(fā)射系統(tǒng)均可以利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。SHEPWM(選擇性諧波消除脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)是計(jì)算法脈寬調(diào)制技術(shù)的一種,可利用精確的數(shù)學(xué)模型,同時(shí)實(shí)現(xiàn)地空頻率域電磁法發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)和直升機(jī)時(shí)間域電磁法發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但對(duì)于常規(guī)的1/4周期對(duì)稱SHEPWM方法,輸出波形限定為具有1/4周期對(duì)稱性,并不適用于電磁測(cè)深方法。基于上述研究,本文放寬SHEPWM方法的限制條件至1/2周期對(duì)稱和全周期不對(duì)稱,并將其應(yīng)用到上述兩種電磁探測(cè)方法中,實(shí)現(xiàn)發(fā)射波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其相應(yīng)的研究工作簡(jiǎn)要如下:(1)將SHEPWM方法的限制放寬至1/2周期對(duì)稱,SHEPWM非線性方程組的解擴(kuò)展至0~π,SHEPWM逆變器輸出波形的奇次諧波相位可控,適用于輸出波形具有1/4周期對(duì)稱和1/2周期對(duì)稱的情況。將SHEPWM方法的限制放寬至全周期不對(duì)稱,SHEPWM非線性方程組的解擴(kuò)展至0~2π,SHEPWM逆變器輸出波形的各次諧波及直流分量可控,適用于輸出波形具有1/4周期對(duì)稱、1/2周期對(duì)稱和全周期不對(duì)稱的情況。(2)將全周期不對(duì)稱SHEPWM方法應(yīng)用于地空頻率域電磁法,與傳統(tǒng)的2~n偽隨機(jī)觀測(cè)方法相比,該方法實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流的主頻率數(shù)量、幅度、相位、帶寬和分布可控,為任意深度的勘探目標(biāo)提供最優(yōu)的發(fā)射波形,實(shí)現(xiàn)勘探效率及勘探精度的提高。(3)將1/2周期對(duì)稱SHEPWM方法應(yīng)用于直升機(jī)時(shí)間域電磁法,與常規(guī)的PWM控制方法相比,該方法在發(fā)射電流平頂段穩(wěn)定性控制及發(fā)射電流反向過(guò)沖抑制方面有明顯的優(yōu)勢(shì),在開(kāi)關(guān)頻率為PWM三分之一的前提下,實(shí)現(xiàn)發(fā)射波形質(zhì)量及探測(cè)精度的提高。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和野外應(yīng)用測(cè)試,本文提出的地空頻率域SHEPWM電磁激勵(lì)方法和直升機(jī)時(shí)間域SHEPWM電磁激勵(lì)方法均取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果,具有一定的商業(yè)化前景,同時(shí)對(duì)于電磁勘探方法的升級(jí)換代具有一定的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖 2.1 單相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)相橋式逆變電路的輸出電壓由一系列幅值恒等于直出電壓的周期、開(kāi)關(guān)器件的通斷周期及每一個(gè)方波的而不同，因此可以通過(guò)對(duì)單相橋式逆變電路理。 周期輸出電壓波形可以展開(kāi)成收斂傅里葉級(jí)數(shù)形式量和一系列諧波分量的疊加： 01 1sin sin cos 2i i i ii iaA i t a i t b i t ·································諧波次數(shù)，A0為直流分量，Ai為各次諧波的幅值bi、Ai、θi、a0、A0有如下關(guān)系：2 2i i iA a bb

T 為輸出電壓波形周期。式（2.3）表明，輸出波形包含了直流分量及各次諧波的信息，通過(guò)式（2.3求解直流分量及各次諧波的幅值和相位，可以擬合出任意所需時(shí)頻域信息的輸出波形。如圖 2.2 所示，為一個(gè)周期的 SHEPWM 脈沖波形，具有 1/4 周期對(duì)稱性質(zhì)（又稱為雙對(duì)稱），其特點(diǎn)為正（負(fù)）半周期內(nèi)波形沿橫軸水平向右（向左）移動(dòng) 1/2 周期后，與負(fù)（正）半周期內(nèi)波形關(guān)于橫軸對(duì)稱，同時(shí)正（負(fù)）半周期內(nèi)的前后 1/4 周期波形以π/2（3π/2）為軸線對(duì)稱。由于雙對(duì)稱波形特性，其傅里葉分析后的偶數(shù)次諧波幅值為零、直流分量為零。觀察圖 2.2，Ud為逆變器直流側(cè)電壓值，α1, α2,…, αN為 1/4 周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)時(shí)刻，N 為 1/4 周期內(nèi)的切換角總數(shù)（又稱為自由度），，即在 1/4 周期內(nèi)有 N 個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻（不包括 0 和π/2 時(shí)刻），N 可以取奇數(shù)或偶數(shù)。1/4 周期對(duì)稱 SHEPWM 非線性方程組需求得前 1/4 周期的開(kāi)關(guān)角度，依據(jù)對(duì)稱關(guān)系便可推導(dǎo)出全周期的開(kāi)關(guān)角度。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P631.3

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本文編號(hào)：2694732