專(zhuān)利名稱(chēng)：電磁勘探的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁勘探。本發(fā)明尤其涉及勘探油氣儲(chǔ)層或者其它可由它們的電特性識(shí)別的地層時(shí)電磁(EM)場(chǎng)的生成。
背景技術(shù)：
在地球物理勘測(cè)領(lǐng)域中確定地殼內(nèi)地下地層對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)是一種有價(jià)值的工具?？梢匝芯繜帷嵋夯虼呕顒?dòng)區(qū)中出現(xiàn)的地質(zhì)過(guò)程。另外，在地下石油探查和勘探的環(huán)境下電磁測(cè)探技術(shù)可以提供有用的對(duì)自然狀態(tài)并且尤其對(duì)可能的油氣含量的了解。
在石油探查考察中采用傳統(tǒng)的地震技術(shù)以便確定地下巖層中儲(chǔ)層的存在、位置和范圍。盡管地震勘探能識(shí)別這種結(jié)構(gòu)，該技術(shù)常常不能區(qū)分這些結(jié)構(gòu)中孔隙流體可能的不同成分，尤其當(dāng)孔隙流體具有類(lèi)似的機(jī)械性質(zhì)時(shí)。
盡管充油和充水的儲(chǔ)層機(jī)械上類(lèi)似，它們卻具有明顯不同的可通過(guò)主動(dòng)(active)EM勘探區(qū)別的電特性。主動(dòng)EM勘探基于利用定位成靠近海底的適當(dāng)EM源產(chǎn)生EM場(chǎng)。接著來(lái)自該源的能量通過(guò)穿過(guò)地下地層的擴(kuò)散傳播并且通過(guò)設(shè)置在海底上的或者靠近海底的遠(yuǎn)程接收器測(cè)量。術(shù)語(yǔ)“主動(dòng)”用于區(qū)別大地電磁(MT)勘探中的被動(dòng)EM技術(shù)，后者測(cè)量地下地層對(duì)地球上方大氣自然產(chǎn)生的EM場(chǎng)的響應(yīng)。
主動(dòng)EM所使用的標(biāo)準(zhǔn)EM源是從牽引潛水艇伸出的電偶極天線(xiàn)，該牽引潛水艇通常稱(chēng)為水下?tīng)恳?UTV)或遙控船(ROV)，以下使用后一個(gè)名稱(chēng)。通過(guò)從勘探船即從水上提供的適當(dāng)電波形驅(qū)動(dòng)電偶極子。由于穿過(guò)地下地層傳播的擴(kuò)散EM信號(hào)強(qiáng)烈衰減，造成檢測(cè)器接收的信號(hào)弱，從而對(duì)于EM源高功率是重要的。對(duì)于產(chǎn)生有力信號(hào)的天線(xiàn)，ROV必須通過(guò)傳輸電纜從水上接收高功率信號(hào)。沿電纜發(fā)送高功率電信號(hào)接著施加該電信號(hào)的常規(guī)困難是傳輸損耗、計(jì)時(shí)漂移、阻抗匹配等等。
一種已知設(shè)計(jì)[1]在水上使用交流發(fā)電機(jī)和升壓器并且把電波形轉(zhuǎn)換成高電壓/低電流信號(hào)以供從水上傳輸?shù)絉OV，從而減小電纜上的傳輸損耗。在傳輸?shù)絉OV之后，該高電壓/低電流信號(hào)重新轉(zhuǎn)換成低電壓/高電流信號(hào)并接著用來(lái)驅(qū)動(dòng)流線(xiàn)天線(xiàn)。該流線(xiàn)天線(xiàn)包括二個(gè)沿天線(xiàn)的長(zhǎng)度間隔的電極并且當(dāng)沒(méi)入水中時(shí)由海水彼此隔開(kāi)。但是，盡管海水提供電極之間的電流流動(dòng)路徑，海水也提供本質(zhì)上高感性的負(fù)載。實(shí)際上，這證明是有問(wèn)題的，因?yàn)樵撠?fù)載的高感性在切換電流時(shí)造成產(chǎn)生反電勢(shì)，該反電勢(shì)的作用是產(chǎn)生可以損傷波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)源中的元器件的電壓瞬變。
理想主動(dòng)EM源的另一個(gè)重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是能產(chǎn)生的波形。理想EM源應(yīng)能產(chǎn)生任何任意函數(shù)形式。實(shí)際上，方波(或矩形波)是一種重要的能產(chǎn)生的形狀。感興趣的不僅是它的基頻而且包括它產(chǎn)生的高階諧波，如從方波的傅里葉展開(kāi)理解那樣。換言之，方波源可以作為多頻源使用。從而重要的是能產(chǎn)生良好定義的振幅和計(jì)時(shí)規(guī)范的規(guī)則方波。
該已知的循環(huán)轉(zhuǎn)換器部件[1]操作成，在預(yù)定數(shù)量的周期上對(duì)輸入的交流波形進(jìn)行全波整流以產(chǎn)生二倍頻的正極性全波整流波形。在產(chǎn)生正極性全波整流波形之后，在另一些預(yù)定數(shù)量的周期上顛倒整流極性以產(chǎn)生二倍頻的負(fù)極性全波整流波形。正、負(fù)極性全波整流波形一起提供近似的方波波形。
通過(guò)檢測(cè)輸入的交流波形中出現(xiàn)的過(guò)零并且加以計(jì)數(shù)，可以在輸入交流信號(hào)的多重半波長(zhǎng)上進(jìn)行整流極性的周期切換，從而提供基頻和輸入的交流波形相對(duì)應(yīng)的方波近似波形。這種方波近似波形具有二個(gè)主頻率分量，即和極性切換頻率對(duì)應(yīng)的低基頻分量，以及為輸入的交流信號(hào)頻率的倍數(shù)的高頻分量。
通過(guò)廣泛的和成功的使用，已經(jīng)清楚已知循環(huán)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的限制。天線(xiàn)產(chǎn)生的交流信號(hào)的相位和振幅上的變化是不希望有的。出現(xiàn)這些問(wèn)題主要由于從水上向ROV傳輸AC信號(hào)期間的漂移和可變衰減。ROV上極性切換定時(shí)取決于該交流信號(hào)的相位穩(wěn)定性，而它可在從水上向下的傳輸中由感性和容性效應(yīng)削弱。例如，該交流信號(hào)的退化可以產(chǎn)生錯(cuò)誤的過(guò)零點(diǎn)或者造成不檢測(cè)真實(shí)過(guò)零點(diǎn)，這進(jìn)而造成在不正確的時(shí)刻觸發(fā)極性切換事件。因此，我們的結(jié)構(gòu)是，循環(huán)轉(zhuǎn)換器的有效操作需要對(duì)向它提供的交流信號(hào)進(jìn)行良好的穩(wěn)定性控制，并且盡可能地緩和ROV中的附加設(shè)計(jì)特性造成的任何不穩(wěn)定效果。此外，方波近似中從正到負(fù)以及從負(fù)到正的極性躍遷時(shí)期取決于所供給的交流信號(hào)的頻率。這引導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)高頻產(chǎn)生設(shè)備以便快速驅(qū)動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)換器從而縮短躍遷周期。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于海底電磁勘探的潛水電磁(EM)場(chǎng)發(fā)生器。該潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器包括可操作成從交流(AC)輸入生成直流(DC)輸出的AC到DC轉(zhuǎn)換器，可操作成通過(guò)選擇性地切換該DC輸出產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換模塊，以及可操作成響應(yīng)該波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生EM場(chǎng)的天線(xiàn)。
通過(guò)從DC輸出產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)，不僅提供帶有陡躍遷特性的近似方波，而且波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)基本上和AC輸入的特性無(wú)關(guān)。此外，利用該設(shè)計(jì)ROV上的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器不需要通過(guò)水上設(shè)備中的專(zhuān)用高頻功率源驅(qū)動(dòng)。例如，該以ROV為基地的場(chǎng)發(fā)生器可以由設(shè)置在水上的標(biāo)準(zhǔn)船用50/60赫電源驅(qū)動(dòng)。
依據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于海底電磁勘探的電磁(EM)場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)。該EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)包括依據(jù)本發(fā)明的第一方面的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，可操作成和該電磁場(chǎng)發(fā)生器的AC到DC轉(zhuǎn)換器連接的電源，以及可操作成和該潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器的控制器連接的控制模塊。該控制模塊可操作成控制驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
該控制模塊可位于水面船上并且用于遙控潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的EM場(chǎng)。這轉(zhuǎn)而能產(chǎn)生帶有已知和/或可變分布的海下EM場(chǎng)并且允許EM場(chǎng)的產(chǎn)生和位于海面上的該控制模塊同步。
在各種實(shí)施例中，該控制模塊本身可操作成和GPS接收器連接，從而允許水上控制器協(xié)調(diào)EM場(chǎng)生成和海底地層上對(duì)EM場(chǎng)效應(yīng)的測(cè)量。該水上控制器可激勵(lì)該控制模塊并且和GPS發(fā)送器指示的絕對(duì)時(shí)間同步地得到帶有時(shí)戳的EM期探測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)。
依據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于海底電磁勘探的電磁(EM)場(chǎng)生成方法。該方法包括提供AC信號(hào)，從該AC信號(hào)產(chǎn)生DC信號(hào)，通過(guò)切換該DC信號(hào)產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及利用該波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電偶極子以產(chǎn)生EM場(chǎng)。


為了更好地理解本發(fā)明并且展示實(shí)際上如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，現(xiàn)作為例子參照各附圖，附圖中圖1示出包括依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的潛水EM場(chǎng)發(fā)生器的海底勘探系統(tǒng)；圖2示出在依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的潛水EM場(chǎng)發(fā)生器中使用的AC到DC轉(zhuǎn)換器和切換模塊；圖3示出在依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的潛水EM場(chǎng)發(fā)生器中使用的切換模塊和瞬變抑制電路；圖4示意示出用于依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的海底電磁勘探的EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)；以及圖5示意示出由依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的潛水EM場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出包含潛水EM場(chǎng)發(fā)生器5的海底勘探系統(tǒng)1。EM場(chǎng)發(fā)生器5由通過(guò)水面船4牽引的潛水船12攜帶。潛水船12對(duì)海底22保持大致固定的距離。這種間距是通過(guò)測(cè)量潛水船12離海底的距離的并且把關(guān)于測(cè)到的間距的信息轉(zhuǎn)發(fā)到水面船14的回聲定位模塊14達(dá)到的。接著可以通過(guò)把連接電纜10卷放到適當(dāng)長(zhǎng)度或者通過(guò)其它方式(例如利用船載推進(jìn)器和/或流體動(dòng)力表面控制潛水船12)調(diào)整潛水船12的深度。
通過(guò)連接電纜10從水面船4向潛水船12發(fā)送能量和控制信號(hào)，該電纜還提供水面船4和潛水船12之間的機(jī)械鏈接。EM場(chǎng)發(fā)生器5利用這些能量信號(hào)和控制信號(hào)產(chǎn)生經(jīng)海底22貫入到海下地層24、26中的EM場(chǎng)。
該EM場(chǎng)和海下地層24、26的交互作用產(chǎn)生EM場(chǎng)信號(hào)。該EM場(chǎng)信號(hào)攜帶著有關(guān)海下地層24、26的組成的信息，它們可用來(lái)識(shí)別載液海底地層26中含有的液體的類(lèi)型。通過(guò)離潛水船12一定距離的一個(gè)或多個(gè)接收天線(xiàn)28檢測(cè)該EM場(chǎng)信號(hào)的分量。高導(dǎo)電海水強(qiáng)烈衰減EM場(chǎng)發(fā)生器5和接收天線(xiàn)28之間的EM場(chǎng)直接傳輸，從而間距超過(guò)幾百米的情況下可忽略該分量對(duì)接收到的EM場(chǎng)信號(hào)的貢獻(xiàn)。
典型地，設(shè)置接收天線(xiàn)28陣列或格網(wǎng)，其中每個(gè)接收天線(xiàn)位于海底22的各個(gè)預(yù)定位置上。每個(gè)接收天線(xiàn)28可操作成和各自的遠(yuǎn)程成套設(shè)備30以及可遠(yuǎn)程展開(kāi)的漂浮部件32連接。遠(yuǎn)程成套設(shè)備30記錄與接收天線(xiàn)28檢測(cè)到的FM場(chǎng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。在部署到海底22上之前，遠(yuǎn)程成套設(shè)備30中的時(shí)鐘和水面船上的主時(shí)鐘(未示出)同步。一旦完成EM勘探，從水上船4向可展開(kāi)的漂浮部件32發(fā)送遠(yuǎn)程激勵(lì)信號(hào)，從而展開(kāi)它們并使遠(yuǎn)程成套設(shè)備30上升到海平面上以供回收。一旦回收，可以從容地分析來(lái)自遠(yuǎn)程成套設(shè)備30的數(shù)據(jù)。
EM場(chǎng)發(fā)生器5包括AC到DC轉(zhuǎn)換器18，切換模塊19以及天線(xiàn)20。AC到DC轉(zhuǎn)換器18對(duì)切換模塊19提供DC輸出。通過(guò)切換各種DC電平切換模塊19生成至天線(xiàn)20的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如，可以對(duì)天線(xiàn)切換后面跟著零電壓電平的正DC電壓，以逼近一個(gè)周期的方波式波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
通過(guò)連接電纜10從水上船上的電源6向EM場(chǎng)發(fā)生器5的AC到DC轉(zhuǎn)換器18發(fā)送AC輸入。例如，電源6可以產(chǎn)生具有4500伏峰到峰電壓的50或60赫的三相正弦波。采用高電壓AC能在電源6和EM場(chǎng)發(fā)生器5之間達(dá)到高效的功率傳送。另外，電源6可以是一個(gè)三相發(fā)電機(jī)并且通過(guò)連接電纜10發(fā)送全部三個(gè)電力相。采用這種三相電源不僅改進(jìn)功率轉(zhuǎn)換效率，還可以用來(lái)從利用較少的器件構(gòu)成的AC到DC轉(zhuǎn)換器18輸出低脈動(dòng)DC。通過(guò)采用比三相更多的相可以進(jìn)一步提高脈動(dòng)的減少。
通過(guò)位于水上船4中的控制模塊8產(chǎn)生控制信號(hào)并且通過(guò)連接電纜10中的光纖鏈路發(fā)送到位于潛水船12中的控制器16。采用光纖鏈路的好處是，它提供水上船4上控制信號(hào)生成和控制器16接收該信號(hào)之間的小的固定傳輸?shù)却龝r(shí)間。控制模塊8可操作成和GPS接收器3連接。GPS接收器3接收從基于衛(wèi)星的GPS發(fā)送器2發(fā)送的GPS計(jì)時(shí)信號(hào)。基于這些GPS計(jì)時(shí)信號(hào)以及內(nèi)部電子電路，控制模塊8可產(chǎn)生包含著高頻時(shí)鐘信號(hào)(例如1024赫)和低頻時(shí)鐘信號(hào)(例如每分鐘發(fā)送的脈沖信號(hào)或突發(fā)信號(hào))的計(jì)時(shí)信號(hào)?？刂颇K8把這些時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到控制器16。
通過(guò)采用帶有GPS接收器3的控制模塊8，可以遠(yuǎn)程地同步操作控制器16以在相對(duì)于GPS計(jì)時(shí)信號(hào)已知的時(shí)刻上產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。另外，可以通過(guò)控制器16進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并且利用對(duì)GPS時(shí)間產(chǎn)生的準(zhǔn)確時(shí)戳，潛水船12上收集的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以是帶著時(shí)戳的數(shù)據(jù)。而且，可以調(diào)制EM場(chǎng)信號(hào)以包含指示EM場(chǎng)信號(hào)生成時(shí)的絕對(duì)時(shí)間的時(shí)戳信號(hào)，從而減小遠(yuǎn)程成套設(shè)備28包含對(duì)位于水上船4上的控制模塊8同步的準(zhǔn)確時(shí)鐘的要求?？梢杂蛇h(yuǎn)程成套設(shè)備28記錄時(shí)戳信號(hào)并且隨后在分析數(shù)據(jù)以便確定載液地層26中的液體類(lèi)型時(shí)使用。
應(yīng)理解，盡管出于方便具體指出了GPS，可以替代地使用其它無(wú)線(xiàn)發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，如果可以得到它們或者將來(lái)變成可以得到它們的話(huà)。這些信號(hào)可以來(lái)自陸上信號(hào)臺(tái)或者基于衛(wèi)星。例如，對(duì)于近?？梢园岩苿?dòng)電話(huà)信號(hào)用作為時(shí)基。
此外，控制模塊8可以向控制器16發(fā)送命令信號(hào)。這些命令信號(hào)指示控制器16操作切換模塊以產(chǎn)生各種波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如，這些命令信號(hào)可以選擇具有各種不同的頻率、傳號(hào)空號(hào)比、振幅、波形形狀等的特定波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
圖2示出供在潛水EM場(chǎng)發(fā)生器5中使用的AC到DC轉(zhuǎn)換器18和切換模塊。通過(guò)連接電纜10向AC到DC轉(zhuǎn)換器18提供三相電力(例如4500伏)。AC到DC轉(zhuǎn)換器18對(duì)三相輸入整流以在匯流條54和56上產(chǎn)生對(duì)偶電壓正、負(fù)DC信號(hào)。接著通過(guò)切換模塊19切換匯流條54、56上產(chǎn)生的DC信號(hào)以在波形輸出電極組60上產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
AC到DC轉(zhuǎn)換器18包括三相降壓器42和橋式整流器52。從連接電纜10向三相降壓器42的初級(jí)繞組提供三相電力。三相降壓器42提供三個(gè)輸出相46、48、50。對(duì)這三個(gè)輸出相46、48、50的每相提供電壓降低的AC信號(hào)(例如47伏)。
橋式整流器52包括各為二個(gè)二極管的三個(gè)組，每個(gè)組包括二個(gè)串聯(lián)連接在匯流條54、56之間的二極管。每個(gè)輸出相46、48、50在二個(gè)二極管的連接點(diǎn)處驅(qū)動(dòng)各自的一對(duì)二極管。在三相電源的整個(gè)周期上一對(duì)二極管中的二極管交替地驅(qū)動(dòng)成導(dǎo)通狀態(tài)，從而在第一匯流條54上產(chǎn)生正極性的DC信號(hào)并在第二匯流條56上產(chǎn)生負(fù)極性的DC信號(hào)。
切換模塊19由各串聯(lián)連接在匯流條54、56之間的第一對(duì)開(kāi)關(guān)62、63和第二對(duì)開(kāi)關(guān)64、65組成。開(kāi)關(guān)對(duì)的開(kāi)關(guān)間連接點(diǎn)提供一個(gè)波形輸出電極?？梢允褂冒粋€(gè)或更多的二極管(未示出)的尖峰抑制電流，以便操作開(kāi)關(guān)62、63、64、65時(shí)防止開(kāi)關(guān)產(chǎn)生感應(yīng)反電勢(shì)。為了在波形輸出電極對(duì)60上產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按預(yù)定順序操作開(kāi)關(guān)對(duì)中的每個(gè)開(kāi)關(guān)62、63、64、65。
一種選擇是通過(guò)在波形輸出電極60之間生成正向電流、反向電流和零電流產(chǎn)生三狀態(tài)波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)同時(shí)閉合第一開(kāi)關(guān)對(duì)中的開(kāi)關(guān)63以及第二開(kāi)關(guān)對(duì)中的開(kāi)關(guān)64從而造成電流在波形輸出電極60之間按第一方向流動(dòng)可以生成正向電流。通過(guò)保證所有開(kāi)關(guān)62、63、64、65都打開(kāi)得到零電流。通過(guò)同時(shí)閉合第一開(kāi)關(guān)對(duì)中的開(kāi)關(guān)62以及第二開(kāi)關(guān)對(duì)中的開(kāi)關(guān)65從而造成電流在波形輸出電極60之間按相反于第一方向的方向流動(dòng)可以生成反向電流。
波形輸出電極對(duì)60可以連接到一對(duì)形成天線(xiàn)20的銅電極。使用中，這些銅電極用于把電流流到海水中以響應(yīng)波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生EM場(chǎng)。這種天線(xiàn)20等同于低電阻、高電感負(fù)載。
圖3示出潛水EM場(chǎng)發(fā)生器5中使用的切換模塊19′和瞬變抑制電路。該切換模塊19′和瞬變抑制電路可用來(lái)替代上面對(duì)圖2提到的切換模塊19。
切換模塊19′由各串聯(lián)連接在匯流條54、56之間的第一MOSFET開(kāi)關(guān)對(duì)80、81和第二MOSFET開(kāi)關(guān)對(duì)82、83構(gòu)成。每對(duì)MOSFET開(kāi)關(guān)的MOSFET開(kāi)關(guān)間的連接點(diǎn)提供一個(gè)波形輸出電極。另外，這些MOSFET開(kāi)關(guān)對(duì)中的每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83并聯(lián)地和各自的二極管68、69、70、71連接，這防止MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83操作時(shí)MOSFET產(chǎn)生感應(yīng)反電勢(shì)。為了在波形輸出電極對(duì)60上產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83的門(mén)極施加控制信號(hào)的控制單元16按照預(yù)定的順序操作MOSFET開(kāi)關(guān)對(duì)中的各個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83。
每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83的源極和各自的瞬變電壓抑制器85、87、89、91的第一端連接并且和開(kāi)爾文源連接器對(duì)43、45、47、49的對(duì)應(yīng)第一引線(xiàn)連接。每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83的門(mén)極和各自的瞬變電壓抑制器85、87、89、91的第二端連接并且和開(kāi)爾文源連接器43、45、47、49的對(duì)應(yīng)第二引線(xiàn)連接。開(kāi)爾文源連接器對(duì)43、45、47、49各把對(duì)應(yīng)MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83的源極和門(mén)極連接到控制單元16。
控制單元16可以是為產(chǎn)生預(yù)定波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離操作的自主單元，或者可以是遠(yuǎn)程命令的，例如通過(guò)從水面船4提供信號(hào)。
采用諸如MOSFET開(kāi)關(guān)的固態(tài)開(kāi)關(guān)具有提供可靠的快速開(kāi)關(guān)的好處。此外，MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83中的一個(gè)或多個(gè)可以用其它半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件例如IGBT(集成門(mén)雙極晶體管)和/或用多個(gè)并聯(lián)連接并且具有公用門(mén)極連接的MOSFET開(kāi)關(guān)或其它半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)替代，以提高開(kāi)關(guān)的電流通過(guò)能力。
瞬變抑制電路由一組獨(dú)立的瞬變抑制電路84、86、88、90、92組成并且設(shè)計(jì)成能使切換模塊19′在不損害MOSFET開(kāi)關(guān)80、81、82、83的情況下切換高功率信號(hào)(例如大于10千瓦)。每個(gè)瞬態(tài)抑制電路84、86、88、90、92提供一個(gè)根據(jù)瞬變效應(yīng)的性質(zhì)調(diào)到特定頻率或特定頻率范圍的抑制元件。在分析功率傳輸系統(tǒng)的特性例如連接電纜10、匯流條54和56等的電感后，確定瞬變抑制電路各元器件采取的值。一種設(shè)計(jì)中采用的示例值是C4＝C5＝6800μF，385V；C3＝30μF，250V；C1＝C2＝1μF；D1＝85A；R3＝R4＝10Ω；500W；以及R1＝1Ω，2W。應(yīng)注意可以設(shè)置多組這樣的瞬態(tài)抑制電路以改進(jìn)潛水EM場(chǎng)發(fā)生器5的總瞬變抑制特性。
圖4示意示出用于海底電磁勘探的EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)9。EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)9包括電源6和控制模塊8。GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘11可操作成和控制模塊8連接。GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘11、電源6和控制模塊8典型地位于水面船4中。EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)9還包括典型地位于潛水船12中的控制器16、數(shù)據(jù)收集模塊106、AC到DC轉(zhuǎn)換器18、切換模塊19和天線(xiàn)20。
通過(guò)連接電纜10從電源6對(duì)AC到DC轉(zhuǎn)換器18提供AC電力。AC到DC轉(zhuǎn)換器18產(chǎn)生一個(gè)或更多的可接著由切換模塊19切換的DC信號(hào)，以提供用來(lái)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)20的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而提供EM場(chǎng)。
控制模塊8包括同步器100和水上控制器102。水上控制器102提供中央控制和數(shù)據(jù)日志，并且它可以由一個(gè)或多個(gè)可選用為連網(wǎng)在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供。水上控制器102和GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘11產(chǎn)生的低頻時(shí)鐘信號(hào)同步，例如每分鐘和/或每秒鐘。水上控制器102利用該低頻時(shí)鐘信號(hào)同步EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)9的各種控制器時(shí)鐘。使用GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘11能把各控制器的時(shí)鐘設(shè)定成準(zhǔn)確的絕對(duì)時(shí)間。
GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘11能操作成在同步器100中產(chǎn)生合成的高頻時(shí)鐘信號(hào)，例如諸如1024赫的1至5千赫之間的頻率。該高頻時(shí)鐘信號(hào)由EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)用作為全局主時(shí)鐘并且在同步操作之間保證各種控制器時(shí)鐘間的低時(shí)間漂移(例如＜10-20)。
經(jīng)連接電纜10在光纖鏈路101a上發(fā)送該高頻時(shí)鐘信號(hào)。光纖鏈路101a包括基于激光二極管的發(fā)送器模塊94a和光接收器模塊95a。光接收器模塊95a向構(gòu)成控制器16一部分的水下控制器104以及狀態(tài)寄存器108提供該高頻時(shí)鐘信號(hào)。還通過(guò)光纖鏈路101a向數(shù)據(jù)收集模塊106提供該高頻時(shí)鐘信號(hào)。
光纖鏈路101b提供至水下控制器104的控制通信鏈路。水上控制器102通過(guò)光纖鏈路101b和底部控制器104通信并且通知底部控制器104它可期待何時(shí)接收同步信號(hào)。光纖鏈路101b還用于其它控制通信，例如對(duì)要生成的波形的編排。還可以利用光纖鏈路101b回送底部控制器104收集的各種數(shù)據(jù)?？梢园压饫w鏈路101b和101c組合成單條鏈路。例如，可以利用單條光纖進(jìn)行多路復(fù)用。
在額定操作中，切換模塊19的操作定時(shí)依賴(lài)于發(fā)送到水下控制器104和狀態(tài)寄存器108的合成高頻時(shí)鐘信號(hào)。水下控制器104對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，并且當(dāng)要改變波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換狀態(tài)的適當(dāng)計(jì)數(shù)逼近(通過(guò)編程的波形決定)時(shí)它指示狀態(tài)寄存器108在適當(dāng)時(shí)刻改變切換模塊的切換配置。這提供準(zhǔn)確的切換定時(shí)，因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)等待時(shí)間固定邏輯器件的狀態(tài)寄存器108在知道切換操作和該高頻時(shí)鐘信號(hào)之間的等待時(shí)間下執(zhí)行切換操作。
如果沒(méi)有狀態(tài)寄存器108，底部控制器104直接操作開(kāi)關(guān)模塊19，即使底部控制器104實(shí)時(shí)操作，切換等待時(shí)間的一致性會(huì)消失并且平均上等待時(shí)間會(huì)增加。另外，采用狀態(tài)寄存器108能使水下控制器104在不影響切換操作的定時(shí)下在光纖鏈路101b上通信，例如利用串行或基于分組的通信協(xié)議。
同步器101在光纖鏈路101a上發(fā)送該高頻時(shí)鐘信號(hào)。這也可以用來(lái)使底部控制器的時(shí)鐘和GPS時(shí)間關(guān)聯(lián)。水上控制器102通過(guò)GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定到絕對(duì)時(shí)間，但不是高精度的。水上控制器102準(zhǔn)確到足以確定下個(gè)低頻同步信號(hào)預(yù)定在何時(shí)。水上控制器102把同步器100置成在接收低頻同步信號(hào)的時(shí)刻改變高頻時(shí)鐘信號(hào)。水下控制器104把高頻時(shí)鐘信號(hào)中的改變解釋成一條立即或者在預(yù)定的時(shí)間之后把它的計(jì)數(shù)器復(fù)位成零的指令。從而利用絕對(duì)時(shí)間同步底部控制104的零計(jì)數(shù)。
EM場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)9包括數(shù)據(jù)收集模塊106。數(shù)據(jù)收集模塊106可配置成收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)(例如，發(fā)送波形的詳細(xì)測(cè)量，診斷信息等)或環(huán)境數(shù)據(jù)(例如，海底輪廓，海水溫度信息，海水導(dǎo)電率數(shù)據(jù)等)。利用絕對(duì)時(shí)間和/或利用高頻時(shí)鐘信號(hào)可以對(duì)數(shù)據(jù)收集模塊106得到的數(shù)據(jù)加時(shí)戳。這些數(shù)據(jù)可以發(fā)送到水下控制器104或者經(jīng)光纖鏈路101c發(fā)送到水上控制器102。
當(dāng)水下控制器104或水上控制器102對(duì)數(shù)據(jù)收集模塊106的數(shù)據(jù)采樣時(shí)，可以立即利用根據(jù)GPS調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘11提供的絕對(duì)時(shí)間加上時(shí)戳?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)或更多的對(duì)高頻時(shí)鐘周期和/或同步信號(hào)(例如作為高頻時(shí)鐘信號(hào)中的變化發(fā)送的同步信號(hào))計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器跟蹤絕對(duì)時(shí)間。然后各計(jì)數(shù)器的內(nèi)容可以充當(dāng)時(shí)戳。這意味著，一旦對(duì)在典型地離水上船相當(dāng)遠(yuǎn)的其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和可靠性可能要折衷考慮的水下控制器104上得到的數(shù)據(jù)予以采集和加時(shí)戳，可以利用基于分組的傳輸協(xié)議例如以太網(wǎng)在光纖電纜上長(zhǎng)距離地發(fā)送該數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)加時(shí)戳確保任何傳輸時(shí)延，例如基于分組的傳輸協(xié)議的固有可變時(shí)延，不會(huì)損害數(shù)據(jù)。
圖5示意示出潛水EM場(chǎng)發(fā)生器5產(chǎn)生的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)103。該波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)103是通過(guò)選擇性地切換二個(gè)DC信號(hào)+V和-V產(chǎn)生的三狀態(tài)方波近似。該波形的一次循環(huán)包括其中把DC信號(hào)+V切換到EM場(chǎng)發(fā)生器5的輸出上的第一階段tpos。其后面跟著其中二個(gè)DC信號(hào)都不提供到EM場(chǎng)發(fā)生器5的輸出上的零信號(hào)階段t0。接著EM場(chǎng)發(fā)生器5的輸出在tneg階段切換到-V上，然后以另一個(gè)零信號(hào)階段t0結(jié)束這次循環(huán)。
業(yè)內(nèi)人士理解本文說(shuō)明的各實(shí)施例僅僅是例子，許多變型和修改是明顯的。另外，業(yè)內(nèi)人士會(huì)意識(shí)到天線(xiàn)等同于實(shí)現(xiàn)電偶極子的任何器件，并且術(shù)語(yǔ)“方波”不是只等同于只在二個(gè)電平之間切換的純方波。還應(yīng)理解本發(fā)明可等效地應(yīng)用于勘探淡水例如大的湖泊，從而海底，海水等的引用不應(yīng)當(dāng)成是限制。
參考文獻(xiàn)[1]GB 2 381 137A
權(quán)利要求
1.一種用于海底電磁勘探的潛水電磁(EM)場(chǎng)發(fā)生器，包括可操作成從AC輸入產(chǎn)生DC輸出的AC到DC轉(zhuǎn)換器；可操作成通過(guò)選擇性地切換該DC輸出產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換模塊；以及可操作成響應(yīng)該波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生EM場(chǎng)的天線(xiàn)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該AC到DC轉(zhuǎn)換器可操作成從三相AC輸入產(chǎn)生DC輸出。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該切換模塊包括至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。
4.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該AC到DC轉(zhuǎn)換器還可操作成產(chǎn)生至少一個(gè)附加DC輸出，從而存在多個(gè)DC輸出，并且該切換模塊還可操作成通過(guò)選擇性切換該多個(gè)DC輸出來(lái)產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
5.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，還包括電涌保護(hù)電路。
6.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，還包括控制器，其可操作成控制該切換模塊的選擇性切換從而產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
7.依據(jù)權(quán)利要求6的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該控制器可操作成接收外同步信號(hào)，并且響應(yīng)該信號(hào)來(lái)控制該切換模塊的操作，從而啟動(dòng)波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成。
8.依據(jù)權(quán)利要求6或7的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該控制器可操作成接收一個(gè)外部命令信號(hào)，和控制該切換模塊從而取決于該外命令信號(hào)產(chǎn)生多種預(yù)定波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的一種。
9.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，還可操作成接收一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)。
10.依據(jù)權(quán)利要求9的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該切換模塊可操作成和該外部時(shí)鐘信號(hào)同步地生成波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
11.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，還包括數(shù)據(jù)收集模塊。
12.依據(jù)當(dāng)依據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10時(shí)的權(quán)利要求11的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該數(shù)據(jù)收集模塊可操作成接收該外部時(shí)鐘信號(hào)并且利用從該外部時(shí)鐘信號(hào)生成的時(shí)戳對(duì)該數(shù)據(jù)收集模塊收集的數(shù)據(jù)加時(shí)戳。
13.依據(jù)權(quán)利要求11或12的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器，其中該數(shù)據(jù)收集模塊還可操作成把該數(shù)據(jù)收集模塊收集的數(shù)據(jù)從潛水船發(fā)送到水上設(shè)備。
14.一種用于海底電磁勘探的電磁(EM)場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，包括依據(jù)權(quán)利要求6-13中任一權(quán)利要求的潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器；可操作成和該電磁場(chǎng)發(fā)生器的AC到DC轉(zhuǎn)換器連接的電源；以及可操作成和該潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器的控制器連接的控制模塊，其中該控制模塊可操作成控制用于驅(qū)動(dòng)該天線(xiàn)的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
15.依據(jù)權(quán)利要求14的電磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，其中該控制模塊可操作成和全球定位衛(wèi)星(GPS)接收器連接，并且還可操作成和GPS發(fā)送器信號(hào)同步地產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。
16.依據(jù)權(quán)利要求15的電磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，其中該控制模塊可操作成對(duì)該控制器提供該時(shí)鐘信號(hào)。
17.依據(jù)權(quán)利要求15或16的電磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，其中該控制模塊可操作成對(duì)數(shù)據(jù)收集模塊提供該時(shí)鐘信號(hào)。
18.依據(jù)權(quán)利要求17的電磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)收集模塊可操作成利用從該時(shí)鐘信號(hào)生成的時(shí)戳對(duì)收集到的數(shù)據(jù)加時(shí)戳。
19.依據(jù)權(quán)利要求14至18中任一權(quán)利要求的電磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，其中該控制模塊可操作成利用光纖電纜和該潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器的控制器連接。
20.一種產(chǎn)生用于海底電磁勘探的電磁(EM)場(chǎng)的方法，包括提供AC信號(hào)；從該AC信號(hào)產(chǎn)生DC信號(hào)；通過(guò)切換該DC信號(hào)產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及利用該波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電偶極子以產(chǎn)生EM場(chǎng)。
21.權(quán)利要求20的方法，還包括產(chǎn)生至少一個(gè)附加DC信號(hào)從而存在多個(gè)DC信號(hào)，并且通過(guò)選擇性地切換該多個(gè)DC信號(hào)產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
22.一種控制依據(jù)權(quán)利要求20或21的電磁(EM)場(chǎng)的生成的方法，包括與從水上提供的時(shí)鐘信號(hào)同步在潛水電磁場(chǎng)發(fā)生器信號(hào)上產(chǎn)生的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成。
全文摘要
用于海底電磁勘探的潛水電磁(EM)場(chǎng)發(fā)生器(5)包括可操作成從AC輸入產(chǎn)生DC輸出的AC到DC轉(zhuǎn)換器(18)和可操作成通過(guò)選擇性地切換該DC輸出產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換模塊(19)。該EM場(chǎng)發(fā)生器還包括可操作成響應(yīng)該波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生EM場(chǎng)的天線(xiàn)(20)。該采用切換式DC源的設(shè)計(jì)方法允許產(chǎn)生帶有陡躍遷特性并且基本上和AC輸入特性無(wú)關(guān)的方或矩形波EM信號(hào)。
文檔編號(hào)G01V3/12GK1820214SQ200580000617
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
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