高压大功率拖曳式瞬变电磁探测装置及探测方法与流程

本技术属于地球物理电磁探测，具体而言，涉及一种高压大功率拖曳式瞬变电磁探测装置及探测方法。

背景技术：

1、随着经济飞速发展和智能化技术不断迭代，无人机、无人驾驶汽车及智能船舶等移动平台的应用场景持续拓展，依托这类平台开展高效探测已成为资源勘探、环境监测等领域的重要发展方向。在此背景下，适配移动平台、兼具灵活性与精准性的探测技术显得尤为重要。电磁法作为主流地球物理探测技术之一，其中拖曳式瞬变电磁探测方法因其探测深度大、覆盖范围广、作业便捷且可与无人机、无人驾驶汽车及智能船舶灵活适配等优势，在各类移动平台搭载探测场景中展现出显著的应用价值。

2、然而，传统的瞬变电磁发射系统在实际应用中仍存在诸多技术瓶颈：首先，目前的瞬变电磁系统受限于电路结构设计及发射线圈的阻感特性，大多只能输出峰值电流较小的单磁矩波形；这会导致对深层地质体的激发能量不足，使其电磁响应信号偏弱，最终难以同时兼顾浅、深区域的探测需求；其次，传统瞬变电磁发射系统受器件耐压与结构影响无法做到高压大功率输出，探深能力及稳定性较弱且传统串联式瞬变电磁发射系统存在各个器件不均压的情况，器件易被击穿，设备具有不稳定性；再者，现有瞬变电磁设备多存在功能单一的问题，若要完成不同深度的地质探测任务，通常需频繁更换设备，这一操作大大降低了整体的探测效率；此外，系统在运行过程中易出现发热严重、器件损坏导致不能正常工作的情况，不仅影响设备稳定性，也限制了长时间连续作业的能力。

3、这些问题共同导致了现有拖曳式瞬变电磁系统在复杂的探测环境中难以实现多深度、高压大功率输出及高精度的综合探测，无法满足当前复杂探测环境及智能化探测相结合对探测技术提出的更高要求。因此，亟需通过创新电路结构和系统设计，突破现有技术局限，开发一种能够兼顾深浅层探测、具有更高效率和更好稳定性的拖曳式瞬变电磁系统。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本技术一方面提供了一种高压大功率拖曳式瞬变电磁探测装置，另一方面提供了一种高压大功率拖曳式瞬变电磁探测方法。该瞬变电磁探测装置与探测方法通过多h桥创新串联技术发射多磁矩波形且发射电流可达上百安培能够有效兼顾多深度层次的地质探测需求，显著提升了探测效率与系统稳定性。

2、本技术的目的是通过以下技术方案实现的：

3、本技术第一方面实施例提供的一种高压大功率拖曳式瞬变电磁探测装置，包括：

4、主控模块，用于生成变频变占空比的pwm控制信号，并协调全装置的时序逻辑；

5、n个h桥发射模块，每个h桥发射模块具有独立的直流母线输入端和双极性交流输出端，各h桥发射模块的交流输出端通过模式切换开关组可配置为串联连接后共同驱动同一发射线圈；

6、n个独立供电单元，分别与所述n个h桥发射模块的直流母线输入端对应连接，每个供电单元包括dc-dc升压模块及其对应的保护二极管，用于为对应h桥发射模块提供可独立调节的母线电压；

7、n个高压钳位单元，分别并联于所述n个h桥发射模块的直流母线两端，每个高压钳位单元包含钳位电容组及串联连接的igbt开关管，所述igbt开关管具有反并联体二极管，用于在电流关断阶段通过体二极管将线圈续流引导至钳位电容组实现电压钳位；

8、模式切换开关组，包括：igbt开关管，设置于各高压钳位单元与对应h桥发射模块之间；

9、拓扑切换开关，设置于相邻h桥发射模块的交流输出端之间，用于选择性地将各h桥发射模块的输出配置为串联叠加组合；

10、发射线圈，与所述h桥发射模块或串联组合输出端连接，用于根据组合后的双极性发射电流产生激发磁场。

11、进一步地，所述模式切换开关组通过主控模块的控制，在n个h桥发射模块之间切换以下工作状态中的任意一种或组合：

12、独立工作模式：仅单个h桥发射模块投入工作，对应单个dc-dc升压模块供电；

13、串联叠加模式：将k个h桥发射模块的交流输出端串联连接，各模块母线电压叠加输出。

14、进一步地，还包括有阻尼电路，包括串联的阻尼电阻和一控制开关，所述阻尼电路并联在发射线圈两端，。

15、进一步地，各dc-dc升压模块的母线电压独立可调，在不同磁矩模式下，主控模块通过调节投入工作的dc-dc升压模块的数量及各dc-dc升压模块的电压设定值，结合h桥发河模块的串联拓扑配置，实现发射磁矩的连续或分级精细调节。

16、进一步地，每个h桥发射模块包括第一半桥支路和第二半桥支路，所述第一半桥支路包括串联连接的晶体管q1和晶体管q2，所述第二半桥支路包括串联连接的晶体管q3和晶体管q4；第一个h桥发射模块的晶体管q1和晶体管q2的串联节点通过第一连接线所述发射线圈的一端，第一连接线上设置一拓扑控制开关，所述晶体管q3和晶体管q4的串联节点连接下一个相连的h桥发射模块的第一半桥支路；第n个h桥发射模块的晶体管q3和晶体管q4的串联节点连接发射线圈的另一端，其余的h桥发射模块的晶体管q3和晶体管q4的串联节点均与第一连接线之间设置一拓扑控制开关。

17、本技术第二方面实施例提供一种高压大功率拖曳式瞬变电磁探测方法，包括以下步骤：

18、通过上位机分别输入各dc-dc升压模块的电压参数、发射周期数和发射频率，并传入主控模块；主控模块根据输入的电压参数分别调整各dc-dc升压模块输出指定电压，并根据输入的发射频率f调整发射波形的频率和占空比；

19、通过设置于发射回路中的电流传感器对发射线圈的电流大小进行持续采集，主控模块启动电流检测流程；

20、在一个激发脉冲周期t内，按照预设的多磁矩模式序列，执行包含k个不同峰值电流的磁矩脉冲波形发射，其中k为正整数且2≤k≤n，n为h桥发射模块总数，各模式的峰值电流依次递增或按预设序列变化；

21、判断是否完成所有预设磁矩脉冲波形的发射，若是则工作结束，否则重复执行所述多模式序列发射。

22、进一步地，所述多磁矩模式序列发射中，发射模式按照以下方式依次切换每个磁矩脉冲发射模式：

23、第1模式：仅1个h桥发射模块投入工作，对应1个dc-dc升压模块供电；

24、第2模式：2个h桥发射模块投入工作，对应2个dc-dc升压模块供电；

25、以此类推，第n模式：k个h桥发射模块投入工作，对应k个dc-dc升压模块供电。

26、进一步地，每个磁矩脉冲发射模式发射的时间为：t/(2k)，过程包括：

27、主控模块根据当前模式编号，控制对应的igbt开关管和拓扑控制开关闭合，将k个dc-dc升压模块和k个高压钳位模块同时连入电路，并将k个h桥发射模块配置为串联输出，k为正整数且1≤k≤k；

28、pwm驱动模块发射pwm-a信号驱动对应的h桥发射模块，使各h桥发射模块中第一对角开关管闭合，进入电流快速上升阶段；

29、判断发射电流是否上升到预设峰值，若否则重复判断，若是则进入下一步，判断依据为电流传感器采集的实时电流参数是否达到当前模式的预设峰值；

30、主控模块控制对应的钳位开关断开，由当前投入工作的k个dc-dc升压模块共同维持发射电流进入平顶阶段；

31、判断控制信号pwm-a是否结束，若否则重复判断，若是则进入下一步，判断依据为电流传感器采集的实时电流参数是否开始下降；

32、当控制信号pwm-a结束，电路电流经过对应钳位开关的igbt开关管的体二极管流入对应的k个钳位电容组，各钳位电容组在发射线圈两端共同施加反向钳位电压，使发射线圈电流快速下降；

33、主控模块控制阻尼开关闭合，使阻尼电阻接入发射线圈，抑制电流过冲和拖尾振荡。

34、通过上述设计方案，本技术与现有技术相比，有益效果在于：

35、本技术通过多个h桥发射模块逻辑开关控制串联技术，从而达到高压大功率输出的效果，发射电流可达上百安培，且实现单个周期内多磁矩发射效果，即发射不同幅值电流，实现多层次同时探测的效果，解决了传统瞬变电磁发射功率较小及无法深浅兼顾的痛点问题；

36、本技术通过多h桥发射模块串联技术，可以达到高耐压、级联均压的效果，达到更大功率激发情况下的快速关断。由于拖曳式多匝小尺寸发射线圈寄生参数大，关断时瞬间产生较高电压，易导致器件被击穿，同时，外部钳位电压受限于开关管耐压值，而该发明技术可以使耐压程度提高n倍，n即串联h桥发射模块数量，大大提高稳定性、降低了关断时间；

37、本技术通过多h桥发射模块串联技术，对于该技术还可以做到单个h桥发射模块工作达到独立探测互不影响的效果，对于整体系统稳定性有较大提高。