一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置及其控制方法，屬于海洋電磁探測【技術(shù)領(lǐng)域】。所述裝置包括全橋DC/DC變換器、發(fā)射橋、電極、控制器和載波調(diào)制器。所述控制方法通過各部分裝置協(xié)同工作，實現(xiàn)了海水中大功率可控源變頻電磁波的發(fā)射。本發(fā)明所述裝置采用直流電源供電，具有體積小，性能可靠，效率和自動化程度高的特點，滿足水下拖體的安裝尺寸和散熱要求。所述控制方法采用零開關(guān)損耗技術(shù)、電流過零檢測技術(shù)、上位機與水下通信采用直流載波通信，無通信電纜或光纖。
【專利說明】一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置及其控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置及其控制方法，屬于海洋電磁探測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋資源勘探開發(fā)過程中，由于鉆井成本高、投資風險大，世界上各大石油公司在進行海上鉆井前，都要開展地震、重力、磁力等多種海洋地球物理方法的綜合勘探工作，以提高鉆井成功率。海洋可控源電磁探測具有能夠區(qū)分圈閉內(nèi)油水性質(zhì)、揭露火山巖覆蓋下的“高阻體”的特點，已成為降低深水油氣資源鉆探風險的最重要手段之一?？煽卦春Ｑ箅姶趴碧较到y(tǒng)通過由拖船拖曳的發(fā)射機向海底供電激發(fā)，將多分量電磁接收機布設(shè)在海底測量電磁場值。通過計算視電阻率和相位，或者直接利用所觀測的電場和磁場達到探測地下電性分布特征的目的，揭示底層結(jié)構(gòu)和油氣等礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律。
[0003]上世紀70年代開始海洋電磁勘探技術(shù)和儀器研制開發(fā)，主要有美國Scripps海洋研究所(SIO)、德國Leibniz海洋科學研究所(IFM-GE0MAR)，英國海底設(shè)備協(xié)會(OCIB)、日本TIERRA公司等。同時，世界幾大海洋電磁探測服務(wù)公司(如挪威EMGS公司，英國OHM公司，美國的AG0，英國的MTEM等)相繼成立，并開展了多項海洋電磁勘探項目。目前發(fā)射機存在體積和重量大、發(fā)熱嚴重，不適合在水下密封，另外輸出電磁波的瞬時性不好，不能滿足石油工業(yè)實際勘探需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就在于針對海洋可控源電磁探測發(fā)射機存在的問題，提供一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置及其控制方法，所述裝置體積小，重量輕，裝置損耗小，瞬時性好，發(fā)熱量小等特點，滿足海洋資源勘探需求。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置，包括:全橋DC/DC變換器、發(fā)射橋、發(fā)射電極和控制器；
[0007]所述全橋DC/DC變換器包括逆變橋、高頻變壓器、高頻整流濾波、電壓檢測模塊和電流檢測模塊；
[0008]所述逆變橋包括四個IGBT模塊；
[0009]所述發(fā)射橋包括四個IGBT模塊和電流檢測模塊；
[0010]所述發(fā)射電極包括發(fā)射電纜、發(fā)射電極A和發(fā)射電極B ;
[0011]船上的直流電源通過電力線與所述全橋DC/DC變換器連接，所述全橋DC/DC變換器連接所述發(fā)射橋，所述發(fā)射橋連接所述發(fā)射電極。
[0012]所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片、電壓調(diào)理電路、電流調(diào)理電路、電流過零檢測電路、驅(qū)動電路和SCI串行通信端口 ；
[0013]所述控制器的DSP芯片和FPGA芯片分別通過所述驅(qū)動電路與所述全橋DC/DC變換器和所述發(fā)射橋連接；
[0014]所述裝置還包括載波調(diào)制器；
[0015]所述載波調(diào)制器包括隔離/放大模塊、載波調(diào)制/解調(diào)模塊和SCI串行通信端口 ；
[0016]所述載波調(diào)制器通過所述SCI串行通信端口連接所述控制器，通過隔離/放大模塊連接到所述船上的直流電源與所述全橋DC/DC變換器之間的電力線上。
[0017]所述的一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:從船上輸送直流電源為整個所述發(fā)射機水下裝置提供電源；
[0019]步驟2:從船上傳輸下來的直流電源經(jīng)所述逆變橋轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，然后經(jīng)過所述高頻變壓器隔離降壓，通過所述高頻整流濾波，得到可控的平穩(wěn)低壓直流電；
[0020]對所述高頻整流濾波輸出的直流電進行檢測以適應(yīng)負載波動和提高輸出直流電壓的精度，經(jīng)過所述電壓電流調(diào)理電路，反饋到所述控制器；
[0021]所述控制器生成四路PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動所述逆變橋的四個IGBT模塊工作；
[0022]滯后橋臂與超前橋臂錯開一定相位，在IGBT模塊開通過程中，使得流過IGBT模塊的電流先降為零，或者在IGBT模塊關(guān)斷過程中，讓IGBT模塊兩端的電壓先降為零；
[0023]步驟3:通過所述發(fā)射橋把從全橋DC/DC變換器輸出的直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的方波交流電，輸出電磁波；
[0024]在發(fā)射橋的IGBT模塊上，當一對橋臂關(guān)斷時，不立即開通另外一對橋臂，當檢測到輸出交流電電流的幅值降為零時，控制器控制開啟另外一對橋臂；
[0025]步驟4:通過發(fā)射電極傳送發(fā)射橋產(chǎn)生的電磁波；
[0026]步驟5:船上上位機和船下所述發(fā)射機下水裝置進行雙向通信，對所述發(fā)射機水下裝置進行監(jiān)測和控制，所述上位機向所述發(fā)射機下水裝置傳輸指令信號，所述發(fā)射機下水裝置向所述上位機傳輸監(jiān)測信號。
[0027]優(yōu)選，當控制器向所述上位機傳輸信號時，控制器通過SCI串行通信端口把數(shù)字信號傳輸?shù)捷d波調(diào)制器，通過載波調(diào)制器內(nèi)的載波調(diào)制/解調(diào)模塊，轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過隔離/放大模塊進行隔離/放大，把模擬信號疊加到電力線上，傳輸?shù)剿錾衔粰C；
[0028]反之，上位機發(fā)出的數(shù)字信號，通過上位機的載波調(diào)制器，轉(zhuǎn)換為模擬信號，疊加到電力線上，然后通過電力線傳輸?shù)乃霭l(fā)射機水下裝置，再由所述發(fā)射機水下裝置的載波調(diào)制器，把電力線上的模擬信號分離出來，經(jīng)過隔離/放大，調(diào)制/解調(diào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過SCI串行通信端口發(fā)送給控制器，實現(xiàn)上位機對下位機通信，無需通信電纜或光纖。
[0029]本發(fā)明的有益效果為:
[0030]本發(fā)明采用直流電源供電，所述裝置體積小，重量輕，裝置損耗小，瞬時性好，發(fā)熱量小，滿足海洋資源勘探需求。
[0031]本發(fā)明所述控制器，控制全橋DC/DC變換器和發(fā)射橋，同時與上位機載波通信，協(xié)同各部分工作。
[0032]本發(fā)明所述控制方法通過全橋DC/DC變換器采用移相零開關(guān)損耗技術(shù)，降低了IGBT高頻工作時的開關(guān)損耗，這樣即提高了效率，又降低了設(shè)備的發(fā)熱損耗。
[0033]本發(fā)明所述控制方法通過發(fā)射橋?qū)敵鲭娏鬟M行過零檢測，進而控制橋臂的切換，大大降低沖擊電壓的幅值。[0034]本發(fā)明所述控制方法通過載波控制器發(fā)送到電力線上進行信號傳輸，實現(xiàn)上位機對下位機通信，無需通信電纜或光纖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖2全橋DC/DC變換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖3發(fā)射橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖4發(fā)射電極結(jié)構(gòu)圖；
[0039]圖5控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0040]圖6載波調(diào)制器連接結(jié)構(gòu)圖；
[0041 ]圖7全橋DC/DC變換器中逆變橋的移相驅(qū)動波形；
[0042]圖8全橋DC/DC變換器中逆變橋的橋臂電壓和電流波形；
[0043]圖9發(fā)射橋輸出電流過零檢測波形；
【具體實施方式】
[0044]根據(jù)附圖敘述發(fā)明的【具體實施方式】。
[0045]根據(jù)本發(fā)明所述的一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置及其控制方法，利用拖纜拖動拖體移動發(fā)射電磁波，激發(fā)海底的被探測目標體，接收機測取其電磁感應(yīng)信號，從而獲得海底以下深層介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)信息，揭示海底底層結(jié)構(gòu)和油氣等礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律。
[0046]—種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置，包括:全橋DC/DC變換器、發(fā)射橋、電極、控制器及載波控制器，如圖1所示。
[0047]所述全橋DC/DC變換器包括逆變橋、高頻變壓器、高頻整流濾波、電壓檢測模塊和電流檢測模塊；
[0048]所述逆變橋包括四個IGBT模塊,如圖2所示。
[0049]所述發(fā)射橋包括四個IGBT模塊和電流檢測模塊，如圖3所示。
[0050]所述發(fā)射電極包括發(fā)射電纜、發(fā)射電極A和發(fā)射電極B，后兩者相距100?300米，如圖4所示，用于傳送發(fā)射橋產(chǎn)生的大功率電磁波。
[0051]所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片、電壓調(diào)理電路、電流調(diào)理電路、電流過零檢測電路、驅(qū)動電路和SCI串行通信端口。
[0052]DSP和FPGA之間采用SPI串行通信端口通信，控制器與上位機之間采用SCI串行通信端口通信，如圖5所示。
[0053]控制器用來控制全橋DC/DC變換器、發(fā)射橋以及和上位機通信。
[0054]所述載波調(diào)制器包括隔離/放大模塊、載波調(diào)制/解調(diào)模塊和SCI串行通信端口，如圖6所示。
[0055]船上的直流電源通過電力線與所述全橋DC/DC變換器連接，所述全橋DC/DC變換器連接所述發(fā)射橋，所述發(fā)射橋連接所述發(fā)射電極；
[0056]所述控制器的DSP芯片和FPGA芯片分別通過所述驅(qū)動電路與所述全橋DC/DC變換器和所述發(fā)射橋連接；[0057]所述載波調(diào)制器通過所述SCI串行通信端口連接所述控制器，通過隔離/放大模塊連接到所述船上的直流電源與所述全橋DC/DC變換器之間的電力線上。
[0058]所述的一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0059]步驟1:從船上輸送直流電源為整個所述水下裝置提供電源；
[0060]步驟2:從船上傳輸下來的直流電源經(jīng)所述逆變橋轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，然后經(jīng)過所述高頻變壓器隔離降壓，通過所述高頻整流濾波，得到可控的平穩(wěn)低壓直流電，為所述發(fā)射橋提供聞精度可控源；
[0061]對所述高頻整流濾波輸出的直流電進行檢測以適應(yīng)負載波動和提高輸出直流電壓的精度，經(jīng)過所述電壓電流調(diào)理電路，反饋到所述控制器；
[0062]所述控制器生成四路PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動所述逆變橋的四個IGBT模塊工作；
[0063]當IGBT模塊工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時，開關(guān)損耗增加，導(dǎo)致電能變換效率下降。為了降低開關(guān)損耗，在IGBT模塊開通過程中，通過移相技術(shù)，即圖7所示脈沖波形，同一相上下橋臂驅(qū)動信號互補，左右橋臂進行移相，所得相位差控制逆變橋的占空比，進而控制輸出直流電壓的大小。每路脈沖寬度180度，滯后橋臂與超前橋臂錯開一定相位，如S3橋臂和SI橋臂錯開或者S4橋臂和S2橋臂錯開一定相位，IGBT模塊開通過程中，讓流過IGBT模塊的電流先降為零，或者在關(guān)斷過程中，讓IGBT模塊兩端的電壓先降為零。每個橋臂上電壓和電流波形如圖8所示。實現(xiàn)IGBT模塊在開關(guān)過程中，電壓和電流不出現(xiàn)重疊，即開關(guān)損耗為零，這樣即提高了變換器的效率，又降低了設(shè)備的發(fā)熱損耗。
[0064]步驟3:通過所述發(fā)射橋把從全橋DC/DC變換器輸出的直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的方波交流電，輸出電磁波；
[0065]發(fā)射橋通過對四個橋臂的開關(guān)控制,輸出0.05Hz?IOOHz頻率的電磁波。由于輸出電極兩端呈阻感特性，橋臂切換時會產(chǎn)生沖擊電壓，毀壞IGBT器件。為了降低沖擊電壓的幅值，當一對橋臂(SI橋臂和S4橋臂)關(guān)斷時，并不立即開通另外一對橋臂(S2橋臂和S3橋臂)，而是檢測到輸出交流電流的幅值降為零時，開啟另外一對橋臂(SI橋臂和S4橋臂)，或是當一對橋臂(S2橋臂和S3橋臂)關(guān)斷時，并不立即開通另外一對橋臂(SI橋臂和S4橋臂)，而是檢測到輸出交流電流的幅值降為零時，控制器控制開啟另外一對橋臂(S2橋臂和S3橋臂)，這樣大大降低了由阻感負載引起的沖擊電壓的幅值。
[0066]圖9給出了發(fā)射的電流波形和過零信號波形，當發(fā)射電流降到零，通過電流過零檢測裝置，生成過零方波信號，啟動另外一對橋臂導(dǎo)通。
[0067]步驟4:通過發(fā)射電極傳送發(fā)射橋產(chǎn)生的電磁波；
[0068]步驟5:船上上位機和船下所述發(fā)射機下水裝置進行雙向通信，對所述發(fā)射機水下裝置進行監(jiān)測和控制，所述上位機向所述發(fā)射機下水裝置傳輸指令信號，所述發(fā)射機下水裝置向所述上位機傳輸監(jiān)測信號。
[0069]優(yōu)選，當控制器向上位機傳輸信號時，控制器通過SCI串行通信端口把數(shù)字信號傳輸?shù)捷d波調(diào)制器，通過載波調(diào)制器內(nèi)的載波調(diào)制/解調(diào)模塊，轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過隔離/放大模塊進行隔離/放大，把模擬信號疊加到電力線上，傳輸?shù)缴衔粰C。
[0070]反之，上位機發(fā)出的數(shù)字信號，通過上位機的載波調(diào)制器，轉(zhuǎn)換為模擬信號，疊加到電力線上，然后通過電力線傳輸?shù)乃霭l(fā)射機水下裝置，再由所述發(fā)射機水下裝置的載波調(diào)制器，把電力線上的模擬信號分離出來，經(jīng)過隔離/放大，調(diào)制/解調(diào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過SCI串行通信端口發(fā)送給控制器，實現(xiàn)上位機對下位機通信，無需通信電纜或光纖。
[0071]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置，其特征在于，包括:全橋DC/DC變換器、發(fā)射橋、發(fā)射電極和控制器； 所述全橋DC/DC變換器包括逆變橋、高頻變壓器、高頻整流濾波、電壓檢測模塊和電流檢測模塊； 所述逆變橋包括四個IGBT模塊； 所述發(fā)射橋包括四個IGBT模塊和電流檢測模塊； 所述發(fā)射電極包括發(fā)射電纜、發(fā)射電極A和發(fā)射電極B ； 船上的直流電源通過電力線與所述全橋DC/DC變換器連接，所述全橋DC/DC變換器連接所述發(fā)射橋，所述發(fā)射橋連接所述發(fā)射電極； 所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片、電壓調(diào)理電路、電流調(diào)理電路、電流過零檢測電路、驅(qū)動電路和SCI串行通信端口 ； 所述控制器的DSP芯片和FPGA芯片分別通過所述驅(qū)動電路與所述全橋DC/DC變換器和所述發(fā)射橋連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置，其特征在于，所述裝置還包括載波調(diào)制器； 所述載波調(diào)制器包括隔離/放大模塊、載波調(diào)制/解調(diào)模塊和SCI串行通信端口 ；所述載波調(diào)制器通過所述SCI串行通信端口連接所述控制器，通過隔離/放大模塊連接到所述船上的直流電源與所述全橋DC/DC變換器之間的電力線上。
3.如權(quán)利要求1所述的一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:從船上輸送直流電源為整個所述發(fā)射機水下裝置提供電能； 步驟2:從船上傳輸下來的直流電源經(jīng)所述逆變橋轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，然后經(jīng)過所述高頻變壓器隔離降壓，通過所述高頻整流濾波，得到可控的平穩(wěn)低壓直流電； 對通過所述高頻整流濾波輸出的直流電進行檢測以適應(yīng)負載波動和提高輸出直流電壓的精度，經(jīng)過所述電壓電流調(diào)理電路，反饋到所述控制器； 所述控制器生成四路PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動所述逆變橋的四個IGBT模塊工作； 滯后橋臂與超前橋臂錯開一定相位，在IGBT模塊開通過程中，使得流過IGBT模塊的電流先降為零，或者在IGBT模塊關(guān)斷過程中，讓IGBT模塊兩端的電壓先降為零； 步驟3:通過所述發(fā)射橋把從全橋DC/DC變換器輸出的直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的方波交流電，輸出電磁波； 在發(fā)射橋的IGBT模塊上，當一對橋臂關(guān)斷時，當檢測到輸出交流電電流的幅值降為零時，控制器控制開啟另外一對橋臂； 步驟4:通過發(fā)射電極傳送發(fā)射橋產(chǎn)生的電磁波； 步驟5:船上上位機和船下所述發(fā)射機下水裝置進行雙向通信，對所述發(fā)射機水下裝置進行監(jiān)測和控制，所述上位機向所述發(fā)射機下水裝置傳輸指令信號，所述發(fā)射機下水裝置向所述上位機傳輸監(jiān)測信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海洋可控源電磁探測發(fā)射機水下裝置的控制方法，其特征在于，當所述控制器向所述上位機傳輸信號時，所述控制器通過所述SCI串行通信端口把數(shù)字信號傳輸?shù)剿鲚d波調(diào)制器，通過所述載波調(diào)制器內(nèi)的所述載波調(diào)制/解調(diào)模塊，轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過所述隔離/放大模塊進行隔離/放大，把模擬信號疊加到所述電力線上，傳輸?shù)缴衔粰C； 反之，所述上位機發(fā)出的數(shù)字信號，通過所述上位機的載波調(diào)制器，轉(zhuǎn)換為模擬信號，疊加到所述電力線上，然后通過所述電力線傳輸?shù)乃霭l(fā)射機水下裝置，再由所述發(fā)射機水下裝置的所述載波調(diào)制器，把所述電力線上的模擬信號分離出來，經(jīng)過隔離/放大，調(diào)制/解調(diào)，轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，通過所述SCI串行通信端口發(fā)送給所述控制器。
【文檔編號】G01V3/12GK103984031SQ201410228041
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】張一鳴, 陶海軍, 史志富, 任喜國, 曾志輝, 朱學政, 王旭紅 申請人:北京工業(yè)大學