一种多级模块海洋电磁勘探系统的制作方法

本发明涉及一种电磁勘探系统，具体是一种多级模块海洋电磁勘探系统。

背景技术：

电磁探测法是通过获取介质对电磁场的响应，来得知地下矿藏电导率结构信息的方法。电磁探测法广泛应用于地下矿藏和油气的勘探。经过多年的勘探开采，我国地层较浅位置的矿藏资源已经大部分被开采，陆地勘探深度越来越深，并且正逐渐向深海矿藏油气勘探发展。

电磁发射机作为海洋电磁勘探必备的仪器设备，输出频率幅值均可调的电流方波，通过电极发射出去，获得有效的电磁场来进行海底油气资源勘探。传统的电磁发射机是由船上的电源发射相应频率的交流电压，直接接到放入海水中电缆线上，海水里面电缆线末端连接两个电极，以海水为介质，发射大功率的电磁波。与此相比较，本发明为了获得有效的物理数据，船上提供水下所需电源，通过电缆传输到已经下潜到一定海水深度的舱体内，在承压仓体内部进行电能变换，最后引出两个电极发射电磁波，即在海水内部发射电磁波探测，大大提高了探测的可靠性，为进一步深海探测打下了基础。要求发射机具有高功率、大电流、高精度输出的同时具有体积小、效率高、纹波小、质量轻的特点。

电磁发射机所产生电磁场性能的好坏直接影响到地质体感应信号的质量，并且随着探测深度的增加，信号衰减愈发明显。在相同的地质条件下，发射机产生电磁场的大小与发射电流的大小直接相关。在发射极之间电阻一定的条件下，要得到更大的发射电流，就必须提高发射机的功率。针对海水电阻极低的特点，电磁发射机的内阻越小越好，过高的内阻会降低发射机的效率，产生大量的热能，增加了水下发射机全封闭壳体散热设计的难度。针对不同的海底地质条件，需要发射机产生不同频率范围的电磁信号，频率范围越宽，可以探测的地质环境越广泛。因此，发明一款高效率低电压大电流电源是确保电磁发射机系统产生高性能电磁场的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多级模块海洋电磁勘探系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多级模块海洋电磁勘探系统，包括船上部分和水下部分，所述船上部分包括大功率发电机、维也纳整流器、上位机、船上控制电路和载波调制器，大功率发电机连接维也纳整流器，维也纳整流器还连接船上控制电路，上位机分别连接船上控制电路和载波调制器，水下部分包括DC-AC变换器、AC-AC变换器、发射电极和水下控制电路，维也纳整流器通过电缆连接DC-AC变换器的输入端，DC-AC变换器的输出端分别连接AC-AC变换器和水下控制电路，AC-AC变换器还分别连接发射电极和水下控制电路，载波调制器还通过载波通信线路连接水下控制电路。

作为本发明的优选方案：所述水下控制电路包括主DSP控制器、DSP驱动模块、FPGA驱动模块和信号采集电路，主DSP控制器分别连接DSP驱动模块、FPGA驱动模块和信号采集电路，主DSP控制器还通过载波通信线路连接船上部分的上位机监控平台。

作为本发明的优选方案：所述维也纳整流器包含：电感L1、电感L2、电感L3、二极管D1和电容C1，电感L1、电感L2和电感L3的一端分别连接三相大功率发电机的三个输出端，电感L1的另一端连接电阻R1，电阻R1的另一端连接二极管D11的阳极和二极管D13的阴极，二极管D11的阴极连接二极管D1的阳极、二极管D12的阴极和MOS管S1的漏极，电感L2的另一端连接电阻R2，电阻R2的另一端连接二极管D21的阳极和二极管D23的阴极，二极管D21的阴极连接二极管D2的阳极、二极管D22的阴极和MOS管S2的漏极，电感L3的另一端连接电阻R3，电阻R3的另一端连接二极管D31的阳极和二极管D33的阴极，二极管D31的阴极连接二极管D3的阳极、二极管D32的阴极和MOS管S3的漏极，二极管D13的阳极连接二极管D14的阳极和二极管D4的阴极，二极管D23的阳极连接二极管D24的阳极和二极管D5的阴极，二极管D33的阳极连接二极管D34的阳极和二极管D6的阴极，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极、二极管D3的阴极、电容C1和DC-AC变化器，二极管D4的阴极连接二极管D5的阴极、二极管D6的阴极、电容C2和DC-AC变化器，电容C2的另一端连接电容C1的另一端、二极管D12的阳极、二极管D14的阴极、二极管D22的阳极、二极管D24的阴极、二极管D32的阳极和二极管D34的阴极。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过发射偶极将电能激发到海水介质中，实现了海水大功率发射要求。研制的海底电磁探测系统借鉴开关电源技术的最新成果，以获得高稳定、高线性度、高功率密度及高传输效率的发射电流。稳定的发射电流将使我国的海洋电磁探测达到一个新的台阶。

附图说明

图1为本发明的整体方框图。

图2为水下控制电路的电路图。

图3为本发明的电路图。

图4为发电机输入单相电压与电流Saber仿真图。

图5为倍流电路中两个电感电流波形(DG1和DG2)和一个输出电流波形图。

图6为频率1Hz两个电极发射的电压和电流波形图。

图7为发射电极的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，一种多级模块海洋电磁勘探系统，包括船上部分和水下部分，所述船上部分包括大功率发电机、维也纳整流器、上位机、船上控制电路和载波调制器，大功率发电机连接维也纳整流器，维也纳整流器还连接船上控制电路，上位机分别连接船上控制电路和载波调制器，水下部分包括DC-AC变换器、AC-AC变换器、发射电极和水下控制电路，维也纳整流器通过电缆连接DC-AC变换器的输入端，DC-AC变换器的输出端分别连接AC-AC变换器和水下控制电路，AC-AC变换器还分别连接发射电极和水下控制电路，载波调制器还通过载波通信线路连接水下控制电路。

水下控制电路包括主DSP控制器、DSP驱动模块、FPGA驱动模块和信号采集电路，主DSP控制器分别连接DSP驱动模块、FPGA驱动模块和信号采集电路，主DSP控制器还通过载波通信线路连接船上部分的上位机监控平台。

维也纳整流器包含：电感L1、电感L2、电感L3、二极管D1和电容C1，电感L1、电感L2和电感L3的一端分别连接三相大功率发电机的三个输出端，电感L1的另一端连接电阻R1，电阻R1的另一端连接二极管D11的阳极和二极管D13的阴极，二极管D11的阴极连接二极管D1的阳极、二极管D12的阴极和MOS管S1的漏极，电感L2的另一端连接电阻R2，电阻R2的另一端连接二极管D21的阳极和二极管D23的阴极，二极管D21的阴极连接二极管D2的阳极、二极管D22的阴极和MOS管S2的漏极，电感L3的另一端连接电阻R3，电阻R3的另一端连接二极管D31的阳极和二极管D33的阴极，二极管D31的阴极连接二极管D3的阳极、二极管D32的阴极和MOS管S3的漏极，二极管D13的阳极连接二极管D14的阳极和二极管D4的阴极，二极管D23的阳极连接二极管D24的阳极和二极管D5的阴极，二极管D33的阳极连接二极管D34的阳极和二极管D6的阴极，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极、二极管D3的阴极、电容C1和DC-AC变换器，二极管D4的阴极连接二极管D5的阴极、二极管D6的阴极、电容C2和DC-AC变化器，电容C2的另一端连接电容C1的另一端、二极管D12的阳极、二极管D14的阴极、二极管D22的阳极、二极管D24的阴极、二极管D32的阳极和二极管D34的阴极。

本发明的工作原理是：本项目拟在现有的陆地可控源电磁勘探技术的基础上，采用先进的VIENNA整流器、DC-AC变换器和AC-AC变换器等电力电子技术及最优控制策略，设计并研制出符合项目需要的海洋可控源电磁勘探系统。海洋可控源电磁勘探发射系统总体可划分为两个部分：船上部分和水下部分。

1、船上设备主要是柴油机提供工频380V交流原始电能、经过VIENNA整流器的整流滤波、整流后电压可达700V，把直流电压通过电缆直接传送到海底承压仓，船上控制电路一方面控制着VIENNA整流电路，另一方面船上上位机通信，船上上位机接收来自水上和水下控制电路相互通信，水下控制电路与船上上位机使用了载波通信，并据此控制水下发射设备，完成人机交流。直流电源对应的稳定电流可以大大降低电能在海水中传输中的损耗，特别是深海电能传输，通过深拖电缆给发射系统的水下部分供电。

2、水下部分将此船上传过来的直流电进行经DC-AC变换器转化，得到高频交流低电压和大电流，然后在经过AC-AC变换器，最后发射出满足需要的大电流和大电压，满足大功率海水探测需要，从而实现了低电压、大电流、大功率发射。

3、水下发射机控制电路以DSP芯片和FPGA芯片为主体，辅以外围电路，如图2所示。主DSP控制器作为水下发射机的核心控制元件，第一、承载着与水上部分的通信功能，完成命令参数的传输和水下发射信息的实时显示，对上述主回路的闭环控制。第二、与控制两路驱动模块通信，控制逆变器频率并显示出电压和电流等参数。第三、与承压仓信号采集电路通信。第四、接收GPS授时模块的时钟信号，实现发射和接收同步。DSP驱动模块驱动第一逆变桥的开关，FPGA驱动模块驱动第二逆变桥的开关，信号采集电路采集承压仓内部各种传感器数据，实时监控着水下发射机的状态等等。软件包含了主DSP控制器与驱动DSP板通信，主DSP控制器与FPGA驱动模块通信，主DSP控制器与信号采集电路板通信，主DSP控制器与上位机监控平台进行载波通信。

4、船上部分主电路主要是三相VIENNA整流滤波电路，如图2中所示，其包括18个二极管，3个MOS管，3个电阻，3个电感和2个电容组成。船上部分控制电路分别驱动S1，S2，S3三只MOS管的开关断。VIENNA三相三开关三电平电路优势比较明显：

(1)它的结构比六开关的少，成本低。

(2)如果两者能量都是单相流动，VIENNA结构比六开关全桥效率高，交流侧的滤波器尺寸比六开关全桥小，性能更好。

(3)在纹波一定的情况下，VIENNA电路结构输入电感的值比六开关全桥的少。

(4)VIENNA结构降低了输出电压的跳变，同时输出电压谐波含量减少，更加接近目标调制波。

(5)MOS管器件的等效开关频率提高，开关频率可以降得较低，损耗减少，效率提高。VIENNA整流电路比较适用一些中等规模或者较大规模场合的整流器。

5、水下设备主要功能是进行水下电能转换和电压变换、提供发射时序控制、对工作状态和周围环境的监控以及与水上的数据传输等。压力舱里面的电力电子组件和控制平台是发射机的核心主体，包含DC/AC变换器，AC/AC变换器，发射电极，电压电流传感器，水下控制电路等。

6、本发明DC/AC变换器主要是两部分组成，第一逆变器和高频降压变压器，从船上引出VIENNA电路整流的直流电，经过第一逆变器和高频降压变压器。第一逆变器是移相全桥PWM设计，由四个IGBT管子，一个谐振电容，一个谐振电感组成，主要将直流电压转化成交流电压，调节逆变器的占空比把直流电压700V转化交流电压500V，交流频率为20KHz，交流电压经过高频降压变压器进行降压到100V，高频降压变压器是原边与副边匝数比值为5:1。虽然变压器的频率和磁体材料及绕组线圈有关，和体积没有绝对关系。但从变压器的感应电势公式为：

E＝4.44fNφ

式中：E为感应电势有效值，f为频率，N为匝数，φ为主磁通最大值。

输出20KHz频率比工频50Hz大了400倍，当频率高时，匝数、主磁通都可以少，铁芯也就可以小，自然体积随之小。这样高频率大大减少了变压器和电感体积小，便于放置在对体积有严格要求的舱体里面，舱体的体积和重量缩小大大较少了本发明研发成本，同时提高了舱体承受压力的可靠性，为深海探测奠定了技术基础。

7、AC/AC变换器主要是两部分组成，倍流整流滤波电路和第二逆变器，倍流整流滤波电路主要是一个滤波电容，两个二极管及对应的两个电感组成，从DC/AC引出交流电压100V，经过倍流整流滤波电路之后变成100V直流电压。在一些低电压、大电流的地方，使用倍流整流电路进行整流。随着开关电源技术的迅速发展，电源需要输入更大的输出电流和更小的输出电压纹波。

(1)高频变压器副边仅需单一绕组，不需要变压器中心抽头，而且变压器仅需输送近似一半的输出电流，使得变压器结构更简单。相比较而言，桥式整流虽然也是采用单一副边绕组，但使用的二极管数量多一倍；全波整流虽然二极管用得少，但副边绕组需要中心抽头，制作复杂。

(2)在开关死区时，副边侧输出电流基本上不通过高频变压器的副边绕组续流。而且不会影响原边性能，也不会影响占空比的变化。

(3)输出滤波电感可以做得较小，较适合于分布式功率耗散。因为倍流整流的滤波电感的工作频率为全波整流滤波电感的一半，等于开关电源的变压器工作频率；而且一个滤波电感只输送一半的直流输出电流。倍流整流的滤波电感可以比全波整流器的电感做得更小。如图5所示，输出电流纹波明显减少，且频率是单个电源纹波的两倍。

8、发射电极组件，包含了两个电极：近端电极和远端电极。主要功能是将来自发射桥上强大的电流，按时序以不同的极性注入到海水中，发射宽频域电磁波。一般均有两根电极，一正一负，且相距1000米。发射电极离压力舱体也有一定距离。

本发明提出的主电路拓扑结构为维也纳(VIENNA)整流滤波电路，DC-AC变换器，AC-AC变换器，发射电极，这种结构的优点是：

(1)采用了维也纳(VIENNA)整流滤波电路，在满足大功率的同时，这种电路可以大大提高电路的功率因数，减少大量谐波的产生，特别是五次和七次等奇次谐波。

(2)水下部分摒弃了传统的工频或者中频变压器，直接采用了20K高频降压变压器，频率高，变压器的体积也就大大减少，显著减轻水下发射设备的重量和体积，为进一步增加发射机的功率和更深的海底勘探做准备。

(3)全桥逆变电路采用了PWM逆变器，控制PWM占空比，这样的控制量线性度明显较好，据此可大幅提高发射电流的鲁棒性。由于PWM逆变器的交流侧电压线性可控，使得DC/AC拓扑电路发射电流的稳定性对发射负载和发电机发出电压的依赖性显著下降，而且经PWM逆变器，高频降压，及倍流整流后的直流母线电流值能够达到更高。

(4)单相高频变压器与三相工频或者中频变压器的比较后得出的结论，这种架构符合当代电源变换技术的主流思想，有利于把电能高效地从船上传输至海底，尤其是在深海发射时，能够明显地降低线损，能够在发射大电流时，有效地抑制发射机对周围电子设备造成的电磁干扰，绕开国外在海洋电磁探测研究初期时走过的弯路。

(5)末端第二逆变器用于频点发射，前级PWM第一逆变器用于发射电流的恒稳控制，两个逆变桥各司其职，功能明确。

(6)多级模块变换器拓扑工作原理实验及仿真正确可行的，新型运行策略可显著提高变换器的最大输出电流，并具有输出的波形质量高、逆变效果好的优点。

船是在海上在不断变化中，在发射设备处于移动状态中，持续稳定的发射几百安培的电流也不是很容易地实现，更何况在海洋深处，围绕这一核心科学问题展开的关键技术涉及到：

(1)船上电能在海洋中高效和安全可靠的传输。

(2)大功率电力电子整流和逆变以及绝缘技术。

(3)深海发射舱姿态控制和定位以及密封技术。

(4)强电磁干扰条件下的传感器及数据传输技术等。

本发明将结合先进的电力电子技术以及相应的控制策略，引入当代大功率开关电源的最新研究成果，借鉴本发明其他课题解决一些共性问题的成功经验，争取使我国在海洋电磁探测研究领域，有一个崭新而且良好的开局。