研究背景
能源爭奪是國際競爭的永久話題，能源勘察是能源競爭的基礎。能源勘察不僅影響當前經濟的發展，也是國家制定發展規劃的基礎，制約著國家經濟的可持續發展；工程地質勘察、地下水資源勘查、災害地質調查在國家基礎建設、環境保護、國家安全中發揮了越來越大的作用。1999年，國土資源部啟動了為期12年的國土資源大調查專項工作，探測分析技術和信息技術是大調查的重點工作之一。作為地質勘察技術，電磁探測技術廣泛地得到各個國家政府、研究單位、企業的高度重視。我國對探測儀器的需求大量依賴進口，發展自己的電磁探測技術與儀器，非常緊迫。
電磁探測儀器一般由激勵場源（天然場源的大地電磁法除外）、接收儀器等組成，激勵場源性能的好壞直接影響到地質體感應信號的質量，因此，激勵場源的研究是地學儀器的重要課題。
瞬變電磁法
瞬變電磁法基本原理
電磁探測技術是地球物理勘探技術的一大種類，從場源的形式，分為人工場源和天然場源；從場源的性質，分為電耦源和磁耦源兩類；按回響的性質，分為頻域電磁法和時間域電磁法。
瞬變電磁法（TransientElectroMagnetic，簡稱TEM），或稱時間域電磁法（Timedomainelectromagnetic，簡稱TDEM），是一種利用電磁法原理進行地質勘探的先進技術。以接地導線通以脈衝電流為激勵場源，稱電耦源瞬變電磁法；以不接地導線通以脈衝電流為激勵場源，稱磁耦源瞬變電磁法。TEM最早由Ward於1938年提出，50年代，原蘇聯提出了遠區和近區建場法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系統投入使用。此後，國內外各研究機構和生產廠家,不斷推出智慧型化瞬變電磁儀。
電磁探測特種電源磁耦源瞬變電磁法工作模式分同點裝置、偶極裝置和大定回線裝置三種。圖為大定回線裝置系統框圖，系統由發射系統和接收系統兩部分構成。
系統各部分作用如下：
發射機系統：由電池組、瞬變電磁發射機、發射線圈、GPS同步控制器組成，用於產生激勵電流波形，負載為發射線圈。激勵電流有雙極性電流脈衝、三角波和半正弦波幾種。但最常用的是雙極性電流脈衝，發射波形頻率在0.0625~32Hz之間，發射功率為數百瓦~數十千瓦，發射電流為幾安培至上百安培，發射時序由GPS同步控制器產生。
接收機系統：由瞬變電磁信號接收機、接收線圈、GPS同步控制器組成。接收地質體的感應信號，感測器為接收線圈、有源磁探頭或高溫超導量子干涉儀，接收由GPS同步控制器控制。
GPS同步控制器：用於協調發射機、接收機的時序（在同點裝置或小回線套用時也可採用電纜同步）。
在大定回線裝置系統中，為了提高工作效率，多套接收系統可以同時同步工作。
瞬變電磁法發射技術的關鍵問題
實際的發射機不可能做到理想的階躍電流激勵，存在關斷延時，在電流下降沿期間，存在一次場和二磁場的混疊。為了提高淺層探測能力，應縮短發射機的關斷延時，將數據採集起始時刻儘量前移。另外，發射機還存在開關噪聲、下降沿波形無規律、受負載變化影響等問題。
①發射電流波形類型
瞬變電磁法的激勵場源分單極性和雙極性電流脈衝兩類。產生單極性電流脈衝的原理近似於照相機閃光燈原理，利用電容存儲高能量，在瞬間釋放，可產生高達100A的放電電流，這種技術也叫能量壓縮技術。
單極性場源產生的回響信號強，儀器節能、低損耗，但存在明顯缺點：由於脈衝很窄，上升沿和下降沿產生的電磁回響混迭在一起，上升沿的影響不能忽略；設計加速電流下降和改善下降沿波形的電感能量釋放迴路很困難；對於雙極性激勵，可採用正向、負向回響相減的辦法，消除運算放大器零點，但單極性激勵無法採用這種技術。因此，目前的TEM系統一般採用雙極性場源。
②關斷延時對TEM回響的影響
關斷延時越小，諧波分量越豐富，對探測淺部信息越有利，淺部地質結構產生的回響衰減較快，反映在TEM接收信號早期，深部地質結構產生的回響衰減較慢，反映在TEM接收信號晚期。
③電流下降沿波形形狀影響
由於負載呈感性，電流一般呈指數上升，需要經過一段時間才能達到穩態；在電流下降沿，由於不同發射機的電感能量泄放迴路拓撲結構的不同，下降沿形狀變化較多，較普遍的是呈指數規律下降，也可能是線性或其他函式。電流下降沿波形與電感能量釋放網路結構、負載電感量、負載電阻、發射電流、器件參數有關。電子開關的極間電容產生振盪、二極體的恢復時間會造成電流過沖、IGBT拖尾電流使波形畸變、非理想的驅動信號都會造成電流波形失真。
④發射電流大小
大的發射電流有利於增強信噪比，並增強深部地質結構的電磁回響，因此，總是希望發射電流越大越好。目前，雙極性脈衝電流一般在50A以內。
準諧振高速關斷電路
耗能型準諧振高速關斷電路
電路原理：
電磁探測特種電源提出的耗能型準諧振高速關斷電路見圖虛線框內電路。常規RCD吸收電路、PCB深孔電鍍電源等電路的關斷延時與電源相關，由此構想，如果在關斷期間阻斷負載與電源的續流通路，其性能就有可能得到改善。根據該思想，在母線上加二極體D3，在關斷期間的續流由虛線框內電路完成。
分析電路工作原理：
①正向供電時，開關J1、J4、J6導通，J5、J2、J3截止，在負載得到正向電流。假設正向供電時間足夠長，電流上升達到穩態I0。
②在停供時，J1、J4截止，由於J6預先開通，L、RL、J6、D2、RC網路形成續流迴路，負載能量一部分由R1消耗，另一部分存儲到C1中。當電感電流下降為零後，電容C1存儲能量需再經過一段時間，才能由R1消耗完畢，J6截止。
③反向供電情況與上類似：在供電期間J5導通，關斷的續流迴路由L、RC網路、D1、J5、RL構成。
饋能型準諧振高速關斷電路
電磁探測特種電源發射電路在TEM大回線工作方式耗能可達數十瓦，如果去掉上圖中的R1（見右圖），主開關關斷時，將電感能量暫存於電容中，在下一個脈衝上升沿通過負載釋放，實現能量的回饋，由於在放電初期電容電壓遠大於供電電壓，因此可提升脈衝上升沿，使電流儘快達穩態。
在脈衝上升沿釋放電容能量時，電容電壓不會釋放到零，而會存在殘壓，殘壓大小等於供電電壓，供電電壓越大，關斷延時越短，而電容參數最優解和線性度隨供電電壓變化不大。
恆壓鉗位高速關斷電路
準諧振高速關斷電路的電路參數最優解與負載、發射電流相關，國內外一些瞬變電磁發射機通過改變阻尼電阻或吸收電容的方法，改善下降沿特性，因此，很難使發射機工作於最優狀態。本章提出了恆壓鉗位原理和三種恆壓鉗位高速關斷電路拓撲，在解決了最佳化參數與負載、發射電流的相關性問題的同時，進一步縮短了關斷延時，提高了下降沿線性度，與準諧振型電路和已報導的高速關斷電路相比，該電路具有顯著優點，是理想的大功率TEM發射電路。
恆壓鉗位高速關斷電路有耗能型、饋能型和無損型三種電路拓撲，具有以下特點：
①三種恆壓鉗位電路具有相同的下降沿特性（相同的關斷延時和線性度）；
②恆壓鉗位高速關斷電路下降沿線性度高，通過對鉗位電壓源的控制，可實現下降沿斜率可調；
③與已報導的雙極性電流源相比，恆壓鉗位高速關斷電路關斷延時最短(在負載L=1.9mH，發射電流I=57A時，已報導文獻最短關斷延時為280µs，而恆壓鉗位電路為171µs)；
④饋能型高速關斷電路減少了能量損耗，縮短了脈衝上升時間（在負載L=1.9mH，發射電流I=57A時，電流上升時間由2.89ms降至201µs），可顯著提高工作效率（按參數計算，可提高效率18%）；
⑤電路參數最優解不隨電源、負載、脈衝電流幅值變化，解決了國內外許多TEM發射機需實時改變阻尼電阻以實現最佳匹配的問題；
⑥耗能型和饋能型恆壓鉗位高速關斷電路存在一定損耗，無損恆壓鉗位高速關斷電路有利於發射機的小型化。
無源鉗位與串聯型高速關斷電路
前面提出的高速關斷電路僅考慮了負載能量的釋放時間，實際上，關斷延時由驅動延時、開關延時和負載能量的釋放時間構成，在大電感、大電流情況下，關斷延時主要由負載能量的釋放時間決定，但在小磁矩（發射電流、發射線框面積、線框匝數的乘積）發射情況下，驅動延時和開關延時就不能不考慮。針對中、小功率的瞬變電磁發射，進一步縮短開關延時和負載能量的釋放時間。
針對小功率套用，宜採用基於MOSFET的TVS型電路，電路結構簡單，輸出特性好；針對中功率套用，宜採用Sidac-R陣列型和耗能型恆壓鉗位高速關斷電路，電路結構和控制簡單，輸出特性好；針對大功率套用，宜採用無損恆壓鉗位高速關斷電路，輸出特性好，損耗小；針對超淺層套用，宜採用TVS的串聯拓撲，進一步縮短關斷延時，二極體位於上橋臂較優，下橋臂驅動信號不與控制系統隔離，可使得發射電流的關斷更好地與控制信號同步。
