一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置及方法
阅读说明：本技术 一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置及方法 (Ground transmitting device and method suitable for wireless remote measuring system for drilling ) 是由 方娟 李天禄 于 2021-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置及发射方法,该装置包括变压器,该变压器通过非线性器件与发射电源电连接,通过整流电路与发射天线电连接,非线性器件与频率合成模块电连接,频率合成模块则通过通信模块与外界通信。本发明所公开的装置,利用地面电磁波大功率发射技术和频率合成大功率驱动电路,将极低频信号通过频率合成方法,利用变压器、发射电源、非线性器件向地层发射。该装置设计巧妙、使用方法简单,电阻匹配适应范围广,稳定可靠,无需其它额外配件和操作,提高了钻孔无线遥测系统的实用性和灵活性。(The invention discloses a ground transmitting device and a transmitting method suitable for a drilling wireless remote measuring system. The device disclosed by the invention utilizes a ground electromagnetic wave high-power transmitting technology and a frequency synthesis high-power driving circuit, and transmits extremely-low-frequency signals to the stratum by a frequency synthesis method and by using a transformer, a transmitting power supply and a nonlinear device. The device has the advantages of ingenious design, simple use method, wide resistance matching application range, stability, reliability and no need of other additional accessories and operation, and improves the practicability and flexibility of the drilling wireless remote measuring system.)
技术领域
本发明属于电路驱动技术领域，特别涉及该领域中的一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置及方法，既能应用于钻孔的双向通信中，又可应用于其他需要大功率发射的领域。
背景技术
当前钻孔无线遥测技术发展迅猛，但大多数为单向通信，例如在钻孔现场作业中，正常工作模式是井下发射采集到的实时数据信号，地面接收这些信号并解析，从而指导现场工作，即井下发射、地面接收。但如要更改井下的传输参数或通信链路的某些参数，就需要实现地面与井下的双向通信，目前常规方法是利用泵序变化实现对井下的控制，即通过地面泵的开停时序下发，进行简单的切换，但这些切换要求现场人员进行精确操作或者需要在立管上安装专门的分流工具进行泵序控制。
目前在国内现场未见采用电磁波发射方式实现井下控制，如要采用电磁波技术实现对井下的控制，怎样在井筒与径向分布参考电极之间加载大功率极低频电磁波信号是技术难点。虽然在不少发明专利中提及了钻孔无线遥测系统的地面发射技术，但均未详细说明要如何实现，只是泛泛说要有发射驱动电路、功率控制电路等等。
常用的发射驱动电路设计方法有：单电源互补对称电路OTL、双电源互补对称功放电路OCL、平衡桥式功率放大电路BTL。OTL电路无变压器、单电源供电、电路简单，但是需要输出两组大体积耦合电解电容，低频特性差，且输出功率低；OCL电路无输出电容、效率较高、输出功率较OTL电路高，但是需要双电源供电；BTL电路的功率是OCL电路的4倍，频率特性好，但是效率低且电路复杂，由两个OTL电路或OCL电路组成。
井场上漏电、电弧焊、重载设备运行引起的干扰较易引入地面发射电极中，导致大功率驱动电路受到干扰，加上地表参考电极与井筒之间等效阻抗的不稳定性，大功率驱动电路无法采用上述三种常用设计方法。由于体积非常大，笨重且频率特性不稳定，不适合直接采用传统的变压器进行阻抗匹配。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置，其改进之处在于：包括变压器，该变压器通过非线性器件与发射电源电连接，通过整流电路与发射天线电连接，非线性器件与频率合成模块电连接，频率合成模块则通过通信模块与外界通信。
进一步的，变压器为大功率高频脉冲变压器，功率不低于50W，有3组以上输出。
进一步的，非线性器件为IGBT。
进一步的，发射电源为开关电源或线性电源。
进一步的，整流电路包括大功率整流桥和大功率滤波电容。
进一步的，频率合成模块将待发射的极低频信号调制至高频信号。
进一步的，极低频信号的频率为3.125Hz，高频信号的频率为1kHz。
进一步的，通信模块的通信方式包括USB通信、网口通信、RS-485通信和RS-232通信，通信对象包括计算机和电路。
一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射方法，使用上述的装置，其改进之处在于：通过通信模块获得发射需求，将待发射的极低频信号通过频率合成模块调制至高频信号，用来控制非线性器件的导通，以此控制发射电源的接入，从而控制变压器输出交变电压，最后通过整流电路输出已编制好的大功率极低频信号，加载在井筒与径向分布参考电极之间。
进一步的，频率合成模块由单片机的主控CPU编程实现，首先编写约定好的极低频编码信号，再将该信号调制在高频信号上。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的装置，利用地面电磁波大功率发射技术和频率合成大功率驱动电路，将极低频信号通过频率合成方法，利用变压器、发射电源、非线性器件向地层发射。该装置设计巧妙、使用方法简单，电阻匹配适应范围广，稳定可靠，无需其它额外配件和操作，提高了钻孔无线遥测系统的实用性和灵活性。既可用于钻孔无线遥测系统的双向通信、中继通信等领域，也可应用于所有需要大功率发射的驱动系统。目前该装置各项技术指标和性能都已得到充分验证，并能成功应用于现有的无线随钻测量系统中。
本发明所公开的装置，采用频率合成方法，降低变压器设计难度，减小变压器体积。采用非线性器件、变压器和发射电源组成大功率驱动电路，结构简单，不需要复杂繁多的器件即可实现大功率信号的输出。
本发明所公开的方法，可在钻孔无线遥测系统中将地面信号通过地层实时快速发给井下，不影响现场施工。该方法如与井下接收装置配合使用，可以实现双向通信。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开装置的组成框图。
具体实施方式
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。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射装置，包括变压器1，该变压器通过非线性器件2与发射电源3电连接，通过整流电路4与发射天线5电连接，非线性器件与频率合成模块6电连接，频率合成模块则通过通信模块7与外界通信对象8通信。
在本实施例中，变压器为大功率高频脉冲变压器，满足该功率/频率的脉冲变压器均可使用。此处的功率要求不低于50W，并且可以根据井下仪器所在深度及当前地层电阻率要求及需要，设计合理的输出组数，本实施例共有3组以上输出。如此设计的变压器较之未进行频率合成的变压器设计难度降低，且体积小，方便安装使用。
由非线性器件和发射电源组成驱动电路，非线性器件采用任意可满足条件的IGBT。发射电源要求是能满足输出上述输出功率的电源模块，可以是开关电源，也可以是线性电源。
整流电路包括大功率整流桥和大功率滤波电容。频率合成模块将待发射的极低频信号调制至高频信号。极低频信号的频率为3.125Hz，高频信号的频率为1kHz。
通信模块的通信方式不仅限于USB通信、网口通信、RS-485通信和RS-232通信等，任何交互通信方式均可使用。通信对象可以直接是计算机，也可以是其他电路。本实施例采用USB通信方式，通信对象为计算机。
本实施例还公开了一种适用于钻孔无线遥测系统的地面发射方法，使用上述的装置，通过通信模块获得发射需求，将待发射的极低频信号通过频率合成模块调制至高频信号，用来控制非线性器件的导通，以此控制发射电源的接入，从而控制变压器输出交变电压，最后通过整流电路输出已编制好的大功率极低频信号，加载在井筒与径向分布参考电极之间。
频率合成模块主要由如单片机的主控CPU编程实现，首先编写约定好的极低频（如3.125Hz）编码信号，再将该信号调制在高频信号（如1kHz）上。
本实施例所提出的极低频信号、高频信号仅仅是为了使用在随钻测量系统的地面发射上，本发明方法不仅仅限于这两个频段，所有采用频率合成的频段均可使用。