一种半航空电磁大功率发射机及其运行方法与流程

1.本发明属于航空地球物理探测技术领域，特别涉及该领域中的一种半航空电磁大功率发射机及其运行方法。


背景技术：

2.航空地球物理探测技术是快速、高效、非破坏性的现代高科技民用和军用技术，是一种可以快速、准确实现非接触、无损伤探测的方法。在民用方面，发展地下空间是城市空间拓展的重要趋势，城市地下空间拓展也由浅层向深层发展，发展高效、快速、大尺度、精细探测的航空地球物理勘查技术，对城市地下空间开发利用、综合管理和防灾减灾有重要的意义。
3.半航空电磁法又称地—空电磁法，是首先从国外发展起来的一种瞬变电磁探测方式，近年来认可度更高的一种称谓是groullded electrical-source airbome tem，简称greatem。时间域半航空电磁探测方法是将发射机置于地面上，采用飞行器搭载接收机在空中完成接收，因此半航空系统既具备了地面电磁大电流、大功率的发射电流特点，又具备了航空电磁接收灵活高效的特点。
4.半航空瞬变电磁测量系统包括了发射机、飞行器和接收机三大部分。发射线圈通以电流，在磁场达到稳定后，在发射机电流关断过程中，由于电磁感应原理，衰减的发射电流周围必定产生电磁场，即一次场。一次场在向地下的传播过程中，会在导体中激发感应电流一涡流，涡流周围又产生的新电磁场称之为二次场。由于二次场在导电地质体内的感应电流热损耗，其感应电动势对时间的函数基本呈现衰减的形式，从而形成了瞬变场。该瞬变场含有与地下地质体相关的信息，因此对二次场的观测可以实现对地下目标体的探测。
5.半航空发射系统的核心问题是发射机控制问题，包括了波形形状、幅度、频率等，尤为关注的问题是发射电流关断的时间。实际上发射电流在关断后并非立刻实现理想关断或者完全的线性衰减，为避开衰减关断过程中的问题，目前的主流tem仪器(如加拿大的geonics em、澳大利亚的cirotem)主要采集了探测的晚期信号，对早期的数据予以舍弃，这必将牺牲对地下浅部目标的探测和tem系统的分辨率。因此，需要根据目标体的深度，选择合适的发射波形及功率大小。目前，国内外的发射机探测深度在500米以上，甚至更深，但对于浅层的盲区无法精细探测。
6.由于受发射关断时间的影响，现有技术都有一个共同的缺点，就是浅地层属于探测盲区，无法有效探测浅地表信息。如果是方波发射，能量集中于基频，随频率升高，谐波能量迅速衰减。如果是普通伪随机码发射，针对特定深度目标进行探测，需多次发射和重复飞行，勘探效率低，成本高。
7.成都理工大学李琳琳在其博士学位论文《半航空瞬变电磁发射机关键技术研究》中，介绍了一种发射机，其发射线圈为不接地矩形回线或电性源长接地导线，发射波形为双极性方波。其负载为电性源时，发射的关断时间大约为200us，负载为磁性源时，发射关断时间大约为600us。
8.基于0—200米的半航空电磁方法及技术国内研究较少，受敏感性技术和商业垄断的限制，也无法从国外获得，因此，我国开展针对地下0—200米的人工空洞探测方法和大功率发射机研究势在必行。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于探测地下0—200米人工空洞的半航空电磁大功率发射机及其运行方法。
10.本发明采用如下技术方案：一种半航空电磁大功率发射机，其改进之处在于：包括fpga和与fpga电连接的隔离电路、显示驱动电路、信号调理电路、adc采集电路、gps或北斗模块，隔离电路通过驱动电路与igbt全桥电连接， igbt全桥与负载电连接，电压、电流传感器与负载和信号调理电路电连接，此外还在igbt全桥的高压端加载大功率电源，显示驱动电路与显示屏电连接，fpga产生的聚焦2n伪随机序列，经过隔离电路和驱动电路驱动igbt全桥将多频点的序列通过负载发送出去，电压、电流传感器将接收到的负载电压、电流信号通过信号调理电路发送给adc采集电路，adc采集电路将负载电压、电流信号从模拟量转化为数字量后传输到fpga中，fpga通过显示驱动电路将电压、电流信号在显示屏上显示输出，fpga通过gps或北斗模块读取gps的标准时间。
11.进一步的，fpga与恒温晶振电连接、通过网络与上位机实时通讯、通过继电器电路与大功率电源电连接。
12.进一步的，当检测到过流、过压异常信号时，fpga内部禁止输出聚焦2n伪随机序列；fpga读取gps的标准时间后，能选择在某时刻发送聚焦2n伪随机序列。
13.进一步的，dc—dc电源为发射机供电。
14.进一步的，gps或北斗模块与天线电连接。
15.进一步的，igbt全桥还与吸收保护电路电连接。
16.进一步的，大功率电源的功率为100kw，显示屏为液晶显示屏。
17.一种运行方法，适用于上述的半航空电磁大功率发射机，其改进之处在于：首先根据目标深度精细探测需求，然后通过类神经网络控制技术计算出适合目标深度的频率，进而通过fpga控制系统产生特定频率的波形，再通过大功率发射系统，向电性源或感性源负载一次性输出多个频点的高能量谐波，实现目标深度频段内谐波的幅值增强。
18.本发明的有益效果是：本发明所公开的发射机，针对探测0—200米的地下人工空洞设计，能够有效探测浅地表下人工空洞信息，针对特定深度目标，可一次发射目标深度所需的多个频点，减少飞行测量次数，提高探测效率。该发射机由fpga作为控制核心，fpga产生适合于igbt发送的聚焦型伪随机序列。将采集到的电压、电流信号转化为数字量实时显示在液晶显示屏上。fpga读取gps的标准时间，在上位机选择自动发送模式时，进行聚焦型伪随机序列组的自动发送。
19.本发明所公开的运行方法，针对半航空频率域电磁法在详细探查0—200米地下结构时，常规方波和2n伪随机序列等发射波形存在纵向分辨率和探测效率相互制约的问题，采用类神经网络控制的可调频带能谱聚焦波形发射技术，同时控制谐波能量和频带分布，
实现在特定目标深度范围内多个频点紧凑分布的高能量谐波一次性发射，同步提高探测效率和探测精度，为精细快速电磁探测地下结构提供新的发射方法和系统支撑。
附图说明
20.图1是本发明实施例1所公开发射机的系统框图；图2是本发明实施例1所公开运行方法的流程示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种半航空电磁大功率发射机，包括fpga和与fpga电连接的隔离电路、显示驱动电路、信号调理电路、adc采集电路、gps或北斗模块，隔离电路通过驱动电路与igbt全桥电连接， igbt全桥与负载电连接，电压、电流传感器与负载和信号调理电路电连接，此外还在igbt全桥的高压端加载大功率电源，显示驱动电路与显示屏电连接，fpga产生的聚焦2n伪随机序列，经过隔离电路和驱动电路驱动igbt全桥将多频点的序列通过负载发送出去，电压、电流传感器将接收到的负载电压、电流信号通过信号调理电路发送给adc采集电路，adc采集电路将负载电压、电流信号从模拟量转化为数字量后传输到fpga中，fpga通过显示驱动电路将电压、电流信号在显示屏上显示输出，fpga通过gps或北斗模块读取gps的标准时间。
23.在本实施例中，fpga与恒温晶振电连接、通过网络与上位机实时通讯、通过继电器电路与大功率电源电连接。
24.当检测到过流、过压等异常信号时，fpga内部禁止输出聚焦2n伪随机序列；fpga读取gps的标准时间后，可以选择在某时刻发送聚焦2n伪随机序列。
25.dc—dc电源为发射机供电。gps或北斗模块与天线电连接。igbt全桥还与吸收保护电路电连接。大功率电源的功率为100kw，显示屏为液晶显示屏。
26.如图2所示，本实施例还公开了一种运行方法，适用于上述的半航空电磁大功率发射机，首先根据目标深度精细探测需求，然后通过类神经网络控制技术计算出适合目标深度的频率，进而通过fpga控制系统产生特定频率的波形，再通过大功率发射系统，向电性源或感性源负载一次性输出多个频点的高能量谐波，实现目标深度频段内谐波的幅值增强。