CHTEM-I直升機時間域航空電磁發射系統研究

于生寶，孫長玉，姜健，林君，曹學峰

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CHTEM-I直升機時間域航空電磁發射系統研究

于生寶1，孫長玉1，姜健1，林君1，曹學峰2

(1. 吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春，130026；2. 中國國土資源航空物探遙感中心，北京，100083)

提出一種直升機時間域航空電磁發射系統，采用PWM調制技術實現梯形波發射波形的上升沿及平頂段電流可控，提高輸出電流的控制精度，解決上升沿、下降沿拖尾的問題，并利用軟硬件相結合的方法消除下降沿過沖；研究大功率器件的并聯技術和軟關斷技術，實現大功率器件的動、靜態均流；設計雙閉環穩壓電源，提高發射電流波形的穩定性，改善一次場質量；將CHTEM-I系統應用于野外測試。研究結果表明：CHTEM-I系統的發射磁矩達254 469 A?m2，發射電流上升時間小于2.2 ms，峰值為500 A，下降沿關斷時間小于1 ms，具有發射磁矩大、信噪比高、波形穩定性好、反應深層地質信息能力強的特點。

航空電磁法；PWM調制技術；雙閉環；線同步

直升機時間域電磁法(HTEM)是一種以直升機作為載體，并在飛行過程中完成勘探的資源探測方法[1]。其原理是通過在吊艙上的發射線圈中供以幾百安的大發射電流，在空間內建立起穩定的磁場，此后迅速關斷發射電流，在空間內感應出二次場，接收機通過接收線圈傳感器采集二次場感應信號，由電磁場理論解釋該響應分析地下礦體的位置、形態、構造等信息[2]。由于直升機具有飛行高度低、飛行間隔密集、機動性好等特點，與固定翼飛機方式相比，具有分辨礦體異常能力更強和空間分辨率更高的優勢[3]，該方法應用領域涉及金屬礦勘查[4]、地表和地下水勘探[5?7]、地質災害勘察[8?9]、環境監測[10?11]等。直升機時間域航空電磁的物探效果與磁矩、下降沿線性度和波形穩定性等緊密相關。發射電流的磁矩越大，其深層探測能力越強[12]；下降沿線性度越高，波形穩定性越好，越能更好地反映礦體近地表信息；在常用的幾種TEM發射波形中，采用半正弦波與三角波發射，波形的線性度與穩定性較好，對淺層地質信息的分辨能力較高，半正弦波還可以通過加大峰值磁矩的方法，進行深部探測。采用梯形波與方波發射，發射磁矩大，信噪比高，對深層地質信息的空間分辨能力較強，并可以通過提高波形穩定性、增加補償線圈的方法減弱on-time期間的一次場影響，實現全波收錄[13?14]。目前，Aeroquest公司的AeroTEM系統采用小磁矩的三角波電流發射，通過收錄電流上升階段的感應場獲取近地表高導體信息[15]，由于發射磁矩的限制，它在探測深度上不能達到預期要求；GeotechLtd公司的VTEM系統采用大磁矩的多邊形電流發射，通過收錄關斷電流后期的感應場反映深層礦體信息[16]，由于波形穩定性較差，一次場去除困難，淹沒了反映淺層信息的早期信號；Fugro公司的HELIGEOTEM系統[17]采用大磁矩半正弦波發射，通過收錄后半部下降沿感應場反映礦體信息，實現了大磁矩、全波收錄。國內吊艙式直升機時間域直升機航空電磁勘查系統的研究尚處于空白狀態。吉林大學與中國國土資源航空物探遙感中心合作研制的CHTEM-I系統是我國第一套吊艙式直升機時間域航空電磁探測系統，其在大功率、大磁矩、波形穩定性、下降沿線性度、高信噪比、空間分辨能力等方面取得了顯著進展。

1 發射系統設計

CHTEM-I發射系統總體結構如圖1所示，發射系統由電源單元、控制板、驅動單元、全橋電路和同步控制器等組成。

電源單元取電于直升機28 V/4.5 kW的發電機，由多路系統輔助電源和高壓開關電源組成。電源單元采用隔離技術，避免各個模塊之間的電源干擾。高壓開關電源采用直流斬波控制方式，將28 V直升機直流電源提升為500 V高壓。上位機給主控單元設置頻率、上升時間、上升電流、平頂段維持時間、維持電流等參數，實現梯形波發射波形的上升沿及平頂段電流可控；主控單元通過內部PWM(pulse width modulation)調制信號產生單元合成所需PWM調制信號，從而驅動大功率開關器件橋路的開通與關斷，并產生同步信號來與接收機進行同步。利用主控單元內部的A/D模塊對電流進行實時采集和儲存，再通過上位機顯示發射電流的峰值和關斷時間等信息；當產生故障時，驅動單元迅速關斷橋路，產生指示信號，主控單元對指示信號進行判斷，如果是誤觸發，將重新打開橋路，否則關斷驅動，保護發射機安全。吸收保護單元采用軟關斷技術來保證橋路安全可靠地工作。

圖1 發射系統總體結構圖

2 功率逆變電路設計

2.1 發射波形控制技術

CHTEM-I系統采用的是信噪比高、空間分辨能力強的類梯形波電流發射，上升沿、下降沿所用時間越短，響應程度越強[13?14]。鉗位電壓越高，上升沿提升速度越快，下降沿延遲時間越短，波形線性度越好[18]。而時間域航空電磁法的發射電流需要幾百安培，線圈電阻只有幾十毫歐，既要實現陡脈沖發射、大電流快速關斷，又要維持平頂段電流的穩定。因此，用電容充放電電路實現高壓鉗位的常規方法，無法滿足設計 要求。

發射電路如圖2所示，由全橋電路、去過沖電路、吸收電路組成，通過調節開關器件1和3的導通占空比，實現梯形波發射波形的可控，通過控制開關器件5和6的導通時間，消除下降沿過沖，通過無損吸收電路、RCD吸收電路加強對開關器件的吸收保護。圖2中，R為負載等效模型，為高壓開關電源電壓。吸收電路只給出了正向導通開關管1的無損吸收電路及4的RCD吸收電路。結合正向開關器件的驅動信號(如圖3所示)，以正向梯形波為例，進行詳細說明。

圖2 發射電路框圖

圖3 發射系統驅動信號及發射電流波形

2.1.1 上升沿控制技術

在上升沿期間，開關管4一直處于導通狀態，當調制開關1導通時，電流通過1，R和4流通，此時線圈兩端電壓為電源電壓；當調制開關1關斷時，電流通過R，4及2的續流二極管流通，此時線圈兩端電壓為0 V。由PWM調制技術的面積等效原理可知，控制電壓=，因此，可以通過控制1的導通占空比來得到想要的控制電壓，此時，控制電壓和輸出電流的關系為：

2.1.2 平頂段控制技術

在平頂段，減小1導通占空比，實現平頂段電流穩定輸出，電流流通路徑與上升沿一致，調制方式如圖3所示，此時電流基本維持不變，控制電壓=。

2.1.3 下降沿控制技術

在下降沿期間，1和4關斷，線圈中電流通過2和3續流二極管續流，線圈兩端電壓為反向電源電壓，線圈中電流為

令式(2)為0，得到關斷時間：

(3)

由式(2)可以得出下降沿的斜率為

在下降沿期間，負載能量全部轉移到電容1中，為滿足系統安全，應滿足，U為IGBT的額定電壓，0為發射電流峰值。

1應滿足

(6)

在實際使用中，1應取合理的較大值，以保證較好的穩壓效果。

根據課題需要，設計研制1臺發射磁矩峰值大于250 kA?m2，發射功率大于2 kW，發射電流的最大峰值為500 A，上升沿時間為2.2 ms，平頂段時間為0.5 ms，下降沿時間小于1 ms的梯形波發射機。取發射線圈為1.1 mH，為0.07 Ω。根據以上理論分析，上升沿、平頂段、下降沿的控制電壓分別取268，35和500 V。根據PWM調制技術的原理，選取電源電壓為500 V，則上升沿與平頂段的占空比應分別為53.6%和7%，電容1取0.033 F。

由于采用PWM調制技術，在梯形波平頂段存在紋波，紋波由調制頻率決定，為了減小其對數據解釋的影響，紋波應小于等于2 A。通過仿真得到在調制頻率為10 kHz時，紋波為2.1 A，同時兼顧開關損耗，選取10 kHz為調制頻率。

圖4所示為用matlab仿真得到的線圈電壓與電流仿真結果。圖5所示為平頂段紋波。

1—電流1；2—電壓2。

圖5 平頂段紋波

由仿真結果可以看出，上升沿時間約為2.2 ms，平頂段約為0.5 ms，紋波為2.1 A，下降沿時間約為0.9 ms，與預設值基本一致，線圈兩端電壓在調制過程中的導通時刻，幅值為，關斷時刻，幅值接近于0 V，下降沿的鉗位電壓為反向電源電壓，實現快速關斷，與分析結果一致。

2.1.4 去過沖電路設計

反向過沖所產生的欠阻尼震蕩會影響二次場早期形成的信號，形成探測盲區[19]，特別是在航空電磁法大電流高壓反向關斷的情況下，可以形成高達100 A的震蕩型過沖，嚴重影響接收系統數據采集。

結合文獻[20]的設計思想，設計了軟硬件相結合的新型去過沖電路，將電流互感器測得的電流信號對應的電壓信號與基準電壓相比較，通過設定雙限比較器輸入端的電阻比值，使梯形波輸出電流在?20~20 A之間時，雙限比較器輸出為正。此輸出信號再與開關管驅動信號結合，由FPGA軟件控制，當FPGA檢測到上橋臂負跳變和雙向比較器正跳變后發出驅動信號。因為梯形波為雙向的，所以，要區別開正向和負向的導通信號。圖2中去過沖電路的控制原理圖如圖6所示。

在對去過沖電路進行仿真研究時，電容2的取值要遠大于IGBT的結電容，同時附加電路的阻抗應該小于兩端的等效阻抗，基于以上分析，又根據計算方便和容易選取器件的原則，取4組數據(見表1)，仿真結果如圖7所示。

從圖7可以看出工況3的測試效果最好。對應參數為：1=50 Ω，2=5 Ω，2=2.2 μF。

圖6 去過沖控制原理圖

表1 去過沖電路各元件參數

1—工況1；2—工況2；3—工況3；4—工況4。

2.2 軟關斷技術

系統采用軟關斷技術對橋路進行吸收保護，2和4的開關損耗較低，采用RCD吸收電路抑制浪涌電壓。高頻開關管1和3采用新型無損吸收電路，將能量直接回饋給負載，提高了效率。圖2中只給出了正向導通開關管1和4的吸收保護電路圖。

2.2.1 RCD吸收電路

4關斷后，二極管4通過對電容充電，減小4兩端電壓dc的上升速率，當4導通時再由3和4釋放出去。由公式可以得到電容5為

式中：C為流過IGBT的最大電流；為電壓上升限制時間。電阻消耗的功耗為

(8)

吸收的能量要在開關管的最小導通時間on內釋放出去，此時，

布局時，每2個開關管配備1組RCD電路，盡量使RCD電路靠近開關管。

2.2.2 無損吸收電路

由式(8)可以看出，開關管1的功率損耗比4的高100倍左右，所以在高頻部分設計了新型無損吸收電路，將關斷時吸入的能量轉換給負載，這樣較大的提高了效率及可靠性。

如圖2所示，無損吸收電路由二極管1，2，3，吸收電容3，4和電感1組成。當1關斷時，1導通，吸收電容3充電，減緩了1兩端電壓的上升速度，而電容4的能量經負載線圈R，4和3放電，能量回饋到負載；當1導通時，二極管1和3關斷，3中的能量經1，4，2和1回路傳遞，3，4和1組成諧振回路，由于2的存在，當1的電流為零時，諧振結束，能量都儲存在4中。整個過程中，消耗在二極管和分布電阻上的能量很少，實現了能量回饋，提高了效率。

因為3和4能量相互轉換，所以3=4，計算方法與5相同。由于2的作用，3、4的能量交換時間是一個完整諧振周期的一半，而1的最小導通時間S必須大于這個時間。電感1的計算公式為

布局時，電容3要緊挨開關管。

2.3 并聯大電流發射及均流技術

根據航空瞬變電磁法發射電流大、電壓小的特點，采用多個開關器件并聯的方法實現大電流發射。選用具有正的溫度系數的IGBT，根據負反饋原理實現大功率器件的靜態和動態均流。每個并聯的IGBT必須具有獨立的柵極電阻和泄流電阻，必須保證電路分布參數一致，驅動回路電路分布一致。

3 雙閉環穩壓開關電源的設計

系統采用提高開關電源穩定性的方法提高發射電流的穩定性，減小發射電流幅度變化。根據課題要求，需要研制了一臺最大輸出電壓500 V，平均功率大于2.1 kW，瞬時功率為250 kV?A，效率大于80%，質量小于20 kg的輕便大功率高壓開關電源。系統采用直流斬波控制方式把28 V直升機電源提升到500 V，采用電感、電容諧振電路儲能的方式，實現瞬間功率變換達到預期要求，為了維持輸出電壓的穩定，系統引入了雙閉環控制技術，分別為電流內環PI控制方式和電壓外環PI控制方式。高壓開關電源系統工作原理框圖如圖8所示。

圖8 高壓開關電源系統工作原理框圖

圖8中，1，2，3，4是4組MOS開關管，每組由5個MOS管并聯而成。與一般的橋式逆變電路不同的是，電路中加入了換向電感h，這使電路在空載時仍然處于低損耗的諧振狀態，在大電流時進入軟開關狀態，在電流過大時仍然能很好吸收電壓尖峰，從而使電路可靠性加強。濾波電容與濾波電感f構成諧振電路儲能，通過控制導通占空比來控制輸出電壓，器件的占空比為20%。高壓開關電源的控制器對輸出濾波電容電壓和輸出濾波電感電流進行實時檢測，將輸出電壓的采樣信號與系統設置電壓進行比較，得到實際電壓與設置電壓之間的誤差信號，此誤差信號經過電壓控制器進行PI調節，得到控制輸出濾波電感電流的指令電壓，與電感電流的采樣信號進行比較，得到電感電流與設置電流之間的誤差信號，此信號經過電流控制器進行PI調節，得到PWM脈沖信號控制電壓，與三角載波電壓信號進行比較，得到PWM脈沖信號，最后經過驅動電路，輸出PWM驅動脈沖，實現對逆變橋開關管的開通與關斷控制，從而實現對輸出濾波電容電壓的穩定性控制。高壓開關電源的實測結果如圖9所示。

(a) 直流耦合；(b) 交流耦合

由圖9可以看出：高壓開關電源的最大電壓約為500 V，紋波幅值小于150 mV，紋波頻率大于100 kHz。在野外實驗中，發射電流的幅度變化小于0.5%。

4 線同步控制器設計

CHTEM-I探測系統是一種空中勘查儀器系統，接收機安裝在直升機機艙內，發射機安裝在發射線圈的探頭前部，發射機到接收機由40 m長的傳輸電纜連接，因此，本系統采用控制簡單、可靠性高的線同步控制器。FPGA通過內部頻率解析單元讀取鍵盤設置的頻率參數，并在液晶顯示屏上顯示出來。程控頻率產生單元根據解析的頻率參數，對10 kHz信號進行相應分頻，產生同步信號，此信號一路通過數字磁耦合隔離和同步線同步接收機，啟動采集卡采集，一路經PWM調制信號產生單元合成所需PWM調制信號，驅動逆變電路工作。圖10所示為線同步控制方式的控制原理圖。

CHTEM-I系統線同步控制器控制簡單、無累計誤差，實現了高精度25，75和125 Hz的同步信號輸出。

圖10 線同步控制器控制原理圖

5 實測結果

CHTEM-I發射系統是基于大功率開關器件并聯技術的大磁矩航空電磁法發射系統，其最大發射磁矩為254 469 A·m2，最大發射頻率為2.1 kW的梯形波發射機，探測深度可達300 m。H橋路的4個橋臂采用2個IGBT并聯的方式實現大電流發射，IGBT選用具有正溫度系數的韓國LS公司的LWH400G603模塊，發射線圈的匝數為5匝，直徑為15 m，電感為1.1 mH，為0.07 Ω。高壓開關電源的最高輸出電壓為500 V，補償電容1為0.033 F，1為50 Ω/100 W，2為5 Ω/25 W，2為2.2 μF，3422 nF，5為47 nF，3為18 kΩ/5 W，1為5 uH。去過沖電路檢測電流為20 A。調制頻率為10 kHz，占空比分別為53.6%和7%，可實現25，75和125 Hz多頻率段發射。圖11所示為25 Hz下的發射電流與驅動信號波形圖。

由圖11可以看出：發射電流的上升沿時間為2.2 ms，平頂段維持時間為0.5 ms，紋波小于2 A，下降沿關斷時間為0.9 ms，基本無過沖現象。在長時間的野外實驗中，發射電流的幅度相對誤差小于0.5%，頻率相對誤差小于0.008%。

(a) 開關管V1的驅動信號；(b) 開關管V4的驅動信號；(c) 開關管V5的驅動信號

該系統在河南省桐柏縣、黑龍江富錦市進行了地下水水資源分布調查，在內蒙古克什克騰旗進行了礦產資源勘探，測量結果與加拿大Aeroquest公司的AeroTEM系統進行了對比，在發射線圈參數相同的情況下，對比結果如圖12所示。

從圖12可以看出：CHTEM-I系統的脈沖寬度明顯比AeroTEM系統的大，峰值電流相同，在線圈參數相同的情況下，其發射磁矩更大、信噪比更高、反映深層地質信息的能力更強。

1—CHTEM-I系統；2—AeroTEM系統。

6 結論

1) CHTEM-I發射系統采用PWM調制技術實現了大電流陡脈沖發射、高壓鉗位關斷，并配合去過沖電路提高了發射電流下降沿的線性度，具有大電流快速關斷和持續大功率發射能力；研究了大功率開關器件的并聯均流技術、軟關斷技術；引入了雙閉環控制技術，提高了發射波形的穩定性；采用線同步的同步方式，簡單可靠且無誤差，具有大磁矩、高信噪比、空間分辨能力強的特點。

2) CHTEM-I系統作為我國第一套吊艙式時間域直升機航空電磁勘查系統，該技術具有高靈敏度、高分辨率等特點。

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(編輯 趙俊)

Research on airborne electromagnetic transmitting system of CHTEM-I helicopter-borne time-domain

YU Shengbao1, SUN Changyu1, JIANG Jian1, LIN Jun1, CAO Xuefeng2

(1. College of Instrument Science and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center, Beijing 100083, China)

A novel helicopter-borne time-domain airborne electromagnetic transmitting system was proposed. The PWM modulation technology was used to realize the ascending segment and the flat segment of the trapezoidal wave transmitter system under control, which could improve the control precision of the output current, and solve the problems of large trailing currents during the ascending and turn-off time. A method combining hardware and software was used to eliminate over-shot of the current falling-edge. Parallel technology and soft switching technology were considered to realize static and dynamic flow of powerful devices. Double closed-loop control technology was proposed to improve the stability of transmitter current waveform and the quality of primary field. CHTEM-I system was applied to geophysical surveys. The result indicates that the transmitted magnetic moment of CHTEM-I system is about 254 469 A?m2, the ascending time of the proposed circuits is lower than 2.2 ms, turn-off time is lower than 1.2 ms, and the peak transmitter current is up to 500 A. The system has bigger transmitted magnetic moment, higher noise-signal ratio and better ability to reflect the geological information in deep layers.

airborne electromagnetic; PWM modulation technology; double closed-loop; line locking

: 10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.019

P631

A

1672?7207(2017)06?1552?08

2016?06?20；

2016?07?29

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA063904-1)(Project(2013AA063904-1) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

于生寶，教授，博士生導師，從事功率源技術及其應用研究；E-mail：yushengbao@jlu.edu.cn