无人机全航空时间域电磁系统组合脉冲发射机及控制方法

本公开涉及航空电磁探测、电磁脉冲发射机，尤其涉及一种无人机全航空时间域电磁系统组合脉冲发射机及控制方法。

背景技术：

1、时间域电磁法又称瞬变电磁法，是重要的地球物理勘探方法之一，如今已经发展出适用多种地况的一系列方法，如地面、全航空、半航空、海洋、井下电磁法等。时间域电磁法探测由于原理本身的特点，用较短长度的仪器即可完成长尺寸频率域探测设备才能完成的远距离探测。

2、进入21世纪以来，航空瞬变电磁法(aem)以其高效性、低成本、地形适应性好等优点，被广泛应用于工程勘查、矿产勘探、地质绘图、自然灾害预防、地下水研究等方面。

3、航空瞬变电磁探测系统以航空飞行器为载体，由电磁脉冲发射机、发射线圈、接收系统组成，利用发射机和发射线圈向大地发射电磁场，当发射线圈中通有恒定的电流时，其周围建立起稳定的一次场，在某时刻发射线圈中的电流关断，其周围的一次场随之消失，此时地下导体目标中产生的感应涡流将激励出随时间变化的感应电磁场(通常又被称为二次场)，接收系统采集二次场信息。由于地下不同物理特性的异常目标激励起的感应涡流大小和衰减速率不同，因此其产生的二次场反映了目标本身的物理特征信息。对二次场的衰减规律进行分析，就可以了解地下具有不同电性地质体的分布以及相关的物理参数，达到探测的目的。

4、电磁脉冲发射机是航空瞬变电磁探测系统的核心部分，很大程度上决定了系统的探测性能。传统的航空电磁法的运载工具主要为固定翼飞机和有人直升机，可承载大质量大体积的的电磁脉冲发射机，主要对深层地下进行探测。近年来随着无人机的发展，其灵活性以及经济效益远高于传统的直升机和固定翼飞机，可以搭载小型电磁脉冲发射机对浅层地下进行探测。无人机全航空瞬变电磁探测近年来开始发展。

5、然而，由于无人机载载重能力有限，要求其发射系统在较小的设备尺寸基础上实现较大电流脉冲发射。目前的小型电磁脉冲发射机主要发射幅度固定的电流脉冲，会造成浅部探测盲区，难以实现深浅兼顾的高精度探测。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、基于上述问题，本公开提供了一种无人机全航空时间域电磁系统组合脉冲发射机及控制方法，以缓解现有技术中的上述技术问题。

3、(二)技术方案

4、本公开提供一种无人机全航空时间域电磁系统组合脉冲发射机，包括：可调压双电源切换模块，mosfet全桥逆变模块，电流脉冲调整单元，检测单元，控制模块；其中，可调压双电源切换模块用于提供幅值不同且可调的两路供电电压；mosfet全桥逆变模块与所述可调压双电源切换模块相连，所述mosfet全桥逆变模块被配置为在所述两路供电电压的作用下发出双极性组合电流脉冲至相连的发射负载，以使所述发射负载产生电磁场作用于待测目标；电流脉冲调整单元与所述mosfet全桥逆变模块相连，用于对双极性组合电流脉冲中的每个子脉冲的上升沿和下降沿进行钳位，并对每个子脉冲的下降沿后期电流进行阻尼优化；检测单元与所述可调压双电源切换模块、mosfet全桥逆变模块，电流脉冲调整单元分别相连，并被配置为用于对双极性组合电流脉冲、对所述两路供电电压、以及对钳位电压进行检测；控制模块与所述检测单元相连，并被配置为基于检测单元的检测结果发出不同的时序逻辑控制信号分别作用于相连的所述mosfet全桥逆变模块、所述可调压双电源切换模块、所述电流脉冲调整单元，以实现对所述双极性组合电流脉冲的调整。

5、根据本公开实施例，所述电流脉冲调整单元包括：有源自适应可调双钳位模块，多级可调阻尼匹配模块。有源自适应可调双钳位模块与所述mosfet全桥逆变模块相连，用于对双极性组合电流脉冲中的每个子脉冲的上升沿和下降沿进行钳位；级可调阻尼匹配模块与所述发射负载和mosfet全桥逆变模块相连，用于对双极性组合电流脉冲中每个子脉冲的下降沿后期电流进行阻尼优化。

6、根据本公开实施例，检测单元包括：电流检测模块，电源电压检测模块，钳位电压检测模块。其中，电流检测模块与所述发射负载相连，用于对发射负载中的双极性组合电流脉冲进行检测；电源电压检测模块与所述可调压双电源切换模块相连，用于对所述两路供电电压进行检测；钳位电压检测模块与所述有源自适应可调双钳位模块相连，用于对钳位电压进行检测。

7、根据本公开实施例，可调压双电源切换模块包括：第一电源支路，第二电源支路。其中，第一电源支路用于在控制模块发出的控制信号作用下提供可调的第一供电电压；第二电源支路用于在控制模块发出的控制信号作用下提供可调的第二供电电压，所述第一供电电压和第二供电电压幅值不同；所述第一电源支路和所述第二电源支路在控制模块发出的控制信号的作用下交替提供第一供电电压和第二供电电压至所述mosfet全桥逆变模块，以使所述mosfet全桥逆变模块发出双极性组合电流脉冲。

8、根据本公开实施例，所述mosfet全桥逆变模块包括第一mosfet功率开关组和第二mosfet功率开关组，所述第一mosfet功率开关组和第二mosfet功率开关组在所述控制模块发出的时序逻辑控制信号的作用下交替导通或截止，从而发出双极性组合电流脉冲。

9、根据本公开实施例，第一mosfet功率开关组包括第一mosfet功率开关和第四mosfet功率开关；所述第二mosfet功率开关组包括第二mosfet功率开关和第三mosfet功率开关；第一mosfet功率开关、第二mosfet功率开关、第三mosfet功率开关和第四mosfet功率开关中分别含有第一体二极管d1、第二体二极管d2、第三体二极管d3、第四体二极管d4，当第一mosfet功率开关组或第二mosfet功率开关组导通时，第一体二极管d1、第二体二极管d2、第三体二极管d3、第四体二极管d4处于反向截止状态；当第一mosfet功率开关组或第二mosfet功率开关组关断时，由于发射负载是感性负载，电流不能突变，第一体二极管d1、第二体二极管d2、第三体二极管d3、第四体二极管d4短暂处于导通状态以将发射负载上的能量迅速释放。

10、根据本公开实施例，所述有源自适应可调双钳位模块包括：可调压高压电源，功率二极管，高压电容、高压电容泄放电阻，第五mosfet功率开关。其中，可调压高压电源一端与所述控制模块相连并在控制信号的作用下输出可调电压；功率二极管串联在可调压高压电源的输出电路上；高压电容及高压电容泄放电阻，分别并联在可调压高压电源的电路两端；第五mosfet功率开关串联在高压电容和mosfet全桥逆变模块之间。

11、根据本公开实施例，通过控制第五mosfet功率开关在双极性组合电流脉冲的上升沿导通第一设定时间段，使得高压电容在脉冲上升沿通过mosfet全桥逆变模块向发射负载释放能量，使电流脉冲快速建立；控制第五mosfet功率开关在双极性组合电流脉冲的下降沿前段导通第二设定时间段，高压电容吸收发射负载在关断瞬间产生的电压尖峰，使双极性组合电流脉冲实现快速线性的下降。

12、根据本公开实施例，控制模块包括自适应控制模组，电源电压控制模组，钳位电压控制模组，钳位时间控制模组。其中，自适应控制模组与所述检测单元相连并根据检测结果输出不同的控制量；电源电压控制模组基于自适应控制模组输出的控制量作用于可调压双电源切换模块以调节两路供电电压；钳位电压控制模组基于自适应控制模组输出的控制量作用于电流脉冲调整单元以调节钳位电压；钳位时间控制模组基于自适应控制模组输出的控制量作用于电流脉冲调整单元以调节钳位介入时间。

13、本公开的另一方面，提供一种无人机全航空时间域电磁系统组合脉冲发射机控制方法，以控制以上任一项所述的组合脉冲电磁发射机，所述控制方法包括：提供幅值不同且可调的两路供电电压；在所述可调的两路供电电压的作用下发出双极性组合电流脉冲至相连的发射负载，以使所述发射负载产生磁场作用于待测目标；对双极性组合电流脉冲中的每个子脉冲的上升沿和下降沿进行有源自适应可调双钳位，并对每个子脉冲的下降沿后期电流进行阻尼优化；对双极性组合电流脉冲、对所述两路供电电压、以及对钳位电压进行检测；以及基于检测结果以及人员的控制发出不同的时序逻辑控制信号，以实现对所述双极性组合电流脉冲的调整。

14、(三)有益效果

15、从上述技术方案可以看出，本公开无人机全航空时间域电磁系统组合脉冲发射机及控制方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

16、(1)实现双电源精确时间切换供电，实现组合电磁脉冲发射，对浅部探测盲区进行压制，实现深浅兼顾的高分辨率探测；

17、(2)实现基于模型自适应控制方法根据电流脉冲参数以及发射负载特性对钳位电压值自适应调节，实现不同幅值不同宽度的电流脉冲在上升沿的快速线性上升，同时抑制电流下降沿早期震荡，还可控制电流上升和下降沿的斜率，满足更广的探测需求；

18、(3)实现基于模型自适应控制方法根据电流脉冲参数以及发射负载特性对钳位电压介入时间自适应调节，避免电流上升过慢或出现顶部过冲，同时使电流下降沿前中期快速线性下降；

19、(4)实现根据电流脉冲参数以及发射负载特性对阻尼介入时间进行调节，避免了介入时间过长导致系统能量使用效率低和过热现象，同时防止介入时间较晚造成的波形抑制效果不佳；

20、(5)实现根据电流脉冲参数以及发射负载特性对阻尼介入值进行调节，实现电流下降沿末期的线性快速下降，避免了下降末期的过冲与震荡；

21、(6)实现对电流脉冲的高精度控制，有效提升电流波形质量。