一种浅地表电磁发射波形设计方法

1.本发明属于浅地表电磁物探
技术领域：
：，具体地而言为一种浅地表电磁发射波形设计方法。
背景技术：
：：2.随着对能源、矿产资源的不断开发，易采易探的资源迅速减少。针对极端恶劣环境下的高效率、高精度探测方法已成为地球物理勘探领域的重要研究方向。浅地表电磁探测是一种重要的地球物理探测方法，该技术在复杂地形的地质调查、环境评价中得到了广泛应用。在探测中，该方法通过用磁源线圈来探测地下的地质结构和异常分布。根据趋肤深度原理，不同的探测频率对应于不同深度的地电信息。方波以其发射能量高，波形实现容易的优势，经常被用作发射信号。然而，方波的频谱能量主要集中于基频，探测深度范围有限，这对于浅地表电磁探测是极为不利的。通常情况下，针对特定的探测目标需要发射不同基频的方波，进行多次飞行实验，导致实验成本很高。此外，由于环境噪声往往是时变的，难以将多个探测频率下共同的环境噪声滤除，这大大提高了数据处理的难度。为了解决传统方波在勘探中的问题，在地球物理探测中引入了多频激励信号。在电力系统中，谐波会对电力网络和设备带来损害。然而，在地球物理探测领域，谐波有助于提升探测效率。多频发射波形包含多个能量较高的可用频点，可以保证一次飞行试验完成多个深度层的探测。调查计划表明，引入不同于标准方波频谱的发射波形，将增加实验的灵活性，可以获得更好的探测结果。3.目前，已经有一系列方波的频谱修改方案被提出。constable和cox在1996年提出了一种波形，它将主要的频谱能量平均的分配在第一次和第三次谐波上。有效频率的振幅大约是时域最大电流的79％。同时他们在解释他们对波形的选择时指出，以相同的振幅发射多个频率，可以提高区分信号和杂散效应的能力。lu和srnka指出，在能量均匀分配下的多个探测频率是非常可取的，这样就可以只用一个激励源探测一系列的深度。他们提出了一种有代表性的波形，频谱能量在第一次、第二次和第四次谐波之间平均分配。这三个主频的振幅约为时域最大电流的61％。duncan等人1980年采用伪随机二进制序列(prbs)作为发射波形，提供一系列频比固定的探测频率。但该信号中，每个探测频率的电流振幅明显小于上述波形的探测频率，且存在较严重的低频谐波污染，能量利用率低。为了提高信噪比，应在每个信号源位置进行重复实验。周海根提出采用2n伪随机波形的多源发射方案。该方法实现了探测频率的电磁场的叠加。相比于单源发射方案，这种方式提高了探测精度，但也引入了多源之间的环流问题。mittet提出，发射电流应为大振幅，且保持探测电磁场高于收录系统的本底噪声，并提出基于蒙特卡洛法的发射方案，用于实现与期望频谱匹配。然而，该方法是一种使蛮力的方法，需要遍历所有可能的解。此外，该方法要求波形中心对称，以实现直流分量为零，这是对开关次数的浪费。高丽辉提出了一种基于shepwm的深度聚焦波形。由于波形的获取需要求解复杂的非线性超越方程组，因此需要消耗大量的计算时间。类似于遍历寻优方法，该方法只能根据已确定的期望频谱设计发射波形。然而，各探测频率的最高电流值通常是难以准确计算的，因此设计期望频谱时需要留有一定裕量，一旦期望频谱设置不合理，则迭代求解过程会陷入不收敛。此外，上述频谱修改方法很难考虑到开关次数因素，这也对直流电源利用率和探测效率有一定影响。技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种浅地表电磁发射波形设计方法，解决期望频谱设计不合理，对直流电源利用率和探测效率有影响的问题。5.本发明是这样实现的，6.一种浅地表电磁发射波形设计方法，该方法包括：7.将实际发射电流的频谱与期望频谱的匹配程度，最大化探测所需频点的能量以及最小化开关次数作为优化目标，建立多目标合成适应度函数，根据约束条件，求解多目标适应度函数得到最佳开关序列；8.根据最佳开关时刻序列对发射电流进行频谱修正；9.根据修正后的频谱进行电流的发射。10.进一步地，所述多目标合成适应度函数为:z(sm)＝w1·f1(sm)+w2·f2(sm)+w3·f3(sm)，其中w1,w2,w3分别是权重系数，[0011][0012][0013]f3(sm)＝m[0014]其中，sm为开关时刻序列，m为波形在一个周期内切换极性次数，ki表示第i个谐波。[0015]进一步地，所述约束条件包括：各次谐波满足条件：[0016][0017]单个探测频率的振幅极限：[0018][0019]其中，jn为频谱。[0020]进一步地，采用多目标粒子群算法求解多目标适应度函数，将每个开关时刻序列sm视作一个粒子，在粒子空间中存在不同维度的种群，在每次迭代和更新粒子位置后，计算整个粒子群的适配值z，在各种群内比较寻求种群最优值，再进行种群间最优值的比较，进而获得局部最优值。[0021]进一步地，对粒子的运动位置增加第一限制条件：[0022]min{t1-t0,t2-t1,...tm+1-tm}＞2tδ[0023]其中，tδ为1/2的死区时间；[0024]直流分量为零的第二限制条件：[0025][0026]进一步地，根据最佳开关时刻序列对发射电流进行频谱修正，包括：[0027]将电流切换的死区时间td加入到发射电流表达式中，将发射电流表达式修正为：[0028][0029]其中，tδ为td的一半，umax是发射器的最大电压，tm时刻是电流极性切换时刻；[0030]进行傅里叶级数展开为：[0031][0032]其中，n代表谐波次数，ωn是第n次谐波的角频率；[0033]将发射线圈的影响加入到傅里叶系数中得到实际的发射电流的频谱幅值为：[0034][0035]其中，l和r分别为发射线圈的等效电感和电阻，jn和θn为n次谐波的电流振幅和相位；[0036]根据实际的发射电流的频谱幅值表达式求取最佳开关时刻序列对应的发射电流的频谱。[0037]本发明与现有技术相比，有益效果在于：[0038]本发明相比于传统遍历寻优法和计算法，波形设计方法的灵活度更高，可以在占用较少的计算机资源下获取更优的发射波形。为了实现这一方法，通过傅里叶分析建立了波形开关序列和发射电流频谱的关系。随后，我们给出了多个浅地表电磁探测中发射波形的优化设计目标。在浅地表电磁探测中，优化目标可以是多个，包括实际发射电流的频谱与期望频谱的匹配程度，最大化探测所需频点的能量以及最小化开关次数。实际上的最优目标是多个因素的折衷考虑。那么，基于mopso优化算法，可以获得一组最优的开关时刻序列。通过仿真和实验测试，mopso算法收敛速度快，发射电流波形稳定性好。基于mopso算法的发射方案灵活性高，可以根据探测需求得到更优的发射波形。因此，可以等精度测量被实现的同时，探测谐波能量被最大化，从而提高信噪比。此外，所提发射方案不限于浅地表电磁探测，也适用于其他可控源电磁探测方法中，如海洋可控源电磁探测法，地空电磁探测法。附图说明[0039]图1为现有技术中的浅地表电磁探测的原理；[0040]图2为mopso算法的求解过程流程图；[0041]图3为本发明实施例提供的种群适应度值的迭代收敛曲线图；[0042]图4为本发明实施例提供的历史全局最优粒子的分布图；[0043]图5为本发明实施例提供的基于mopso的发射方案的仿真结果，用于匹配期望的频谱in＝{0.600.600.6000000}a(a)电流波形(b)电流频谱；[0044]图6为本发明实施例提供的基于mopso的发射方案的仿真结果，用于匹配期望的频谱in＝{0.600.600.6000000}a，开关次数更少(a)电流波形(b)电流频谱；[0045]图7为本发明实施例提供的基于mopso的发射方案的仿真结果，用于匹配期望的频谱in＝{0.700.700.700000}a(a)电流波形(b)电流频谱；[0046]图8为本发明实施例提供的基于mopso的发射方案的仿真结果，用于最大化第一、第三和第五次谐波(a)电流波形(b)电流频谱。具体实施方式[0047]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。[0048]参见图1所示，浅地表电磁探测的原理。发射系统和收录系统都装配在无人机上。在勘探过程中，发射系统向发射线圈注入双极性电流，建立交变的一次电磁场。地下良导体感应出二次电磁场。同时，接收线圈检测到含有响应信息的总场信号，并沿测线进行完整记录。经过后期的参数提取与分析，可以获得地下电阻率分布并实现异常体定位。根据频率域电磁法理论，探测深度可以由趋肤深度公式估计:[0049][0050]其中，δ是勘探深度，ρ是探测区域的介质电阻率，f是激励频率。[0051]浅地表电磁探测虽然具有无视复杂地形，快捷高效的优点，但由于飞机成本高，飞机载重有限，对发射波形的有效频点的能量强度，直流电源能量利用率，无效谐波含量均具有更高的要求。根据式(1)，当勘探区域的介质电阻率已知时，探测深度与激励频率相关。为了提高探测效率，通常采用含有多个主频的激励信号。然而，信号的总能量是有限的，信号含有多个主频意味着信号能量较为分散。探测时，需要保证每个探测频率的能量高于收录系统的本底噪声。同时，应保证发射能量被更合理的分配，使各谐波的电流幅值应尽可能相等，从而便于异常参数的提取与分析。为确保高能量利用率，低频谐波应尽可能少，以减少不必要的能量损失。在浅地表电磁探测中，这是十分重要的。由于飞机载重能力有限，因此较高的能量利用率可以保证更长的飞行测试时间，在一次飞行试验中实现更大探测范围的覆盖。[0052]频率域电磁探测中，方波和伪随机波以波形产生简单的优势，受到广泛应用。对于传统方波，能量聚集于基频，高频分量几乎不能被利用。针对特定的探测区域，需要连续完成多个基频信号的发射，导致探测效率低。此外，不同探测时间的时变环境噪声会提高数据处理难度，给探测效果带来不利影响。2n伪随机序列包含多个幅值较接近的主频，在频率域电磁探测领域受到了广泛应用。然而，当基频确定后，这一信号的波形和频谱也是固定的。在浅地表电磁探测中，受到线圈电感的抑制作用，高频成分的电流幅值较低，几乎无法被利用。低阶谐波污染严重，主频能量有限的问题限制了其在电磁探测实验中的表现。因此，由于传统发射波形的频谱是固定的，在浅地表电磁探测应用中难以取得较好的探测效果。[0053]结合式(1)，根据特定的调查深度范围和探测分辨率要求，可以将激励信号的能量更合理的分配给多个主频，进而确定期望频谱。此时，如何快速获得期望频谱对应的发射波形是电磁法探测中十分重要的问题。[0054]本发明实施例提供一种浅地表电磁发射波形设计方法，该方法包括：[0055]将实际发射电流的频谱与期望频谱的匹配程度，最大化探测所需频点的能量以及最小化开关次数作为优化目标，建立多目标合成适应度函数，根据约束条件，求解多目标适应度函数得到最佳开关序列；[0056]根据最佳开关时刻序列对发射电流进行频谱修正；[0057]根据修正后的频谱进行电流的发射。[0058]所述多目标合成适应度函数为:z(sm)＝w1·f1(sm)+w2·f2(sm)+w3·f3(sm)，其中w1,w2,w3分别是权重系数，[0059][0060][0061]f3(sm)＝m[0062]其中，sm为开关时刻序列，m为波形在一个周期内切换极性次数，ki表示第i个谐波。[0063]所述约束条件包括：各次谐波满足条件：[0064][0065]单个探测频率的振幅极限：[0066][0067]其中，jn为频谱。[0068]对于电磁探测而言，发射电压u(t)是周期性的，周期为t0：[0069]u(t)＝u(t+t0)ꢀꢀꢀ(2)[0070]在频率域电磁勘探中，为了最大化能量利用率，发射电压为广义的双极性方波，此时电流一直工作于峰值。一个周期内，假设波形在一个周期内切换极性m次，其为偶数，则开关时刻序列可以表示为：[0071]sm＝{t0,t1,...,tm,...,tm+1}ꢀꢀꢀ(3)[0072]此时间序列中，tm时刻是电流极性切换时刻，在此时刻，发射电流的方向改变了180°。其中，t0＝0，tm+1＝t0。[0073]假设umax是发射器的最大电压，那么所提的发射电压波形可以写成：[0074]u(t)＝(-1)m-1umaxtm-1＜t≤tmꢀꢀꢀ(4)[0075]其中，选择电流在从t0到t1的第一个区间处于正峰值。受到开关器件的开关速度的限制，电流切换需要一定的死区时间td，在这个区间内，电流为0。因此，对于开关序列，需满足约束条件：[0076]tm-tm-1＞2tdꢀꢀ(5)[0077]为便于分析，将td平均划分到两个连续周期中，令tδ为td的一半：[0078]td＝2tδꢀꢀꢀꢀ(6)[0079]同时，考虑死区后，所需的发射电流可以修正为：[0080][0081]式(7)的傅里叶级数展开为：[0082][0083]傅里叶系数分别为：[0084][0085]其中n代表谐波次数，ωn是第n次谐波的角频率，由以下公式给出：[0086][0087]结合式(8)，可以将式(9)进一步推导为：[0088][0089]则各次谐波的振幅和相位为：[0090][0091]从式(11)和式(12)基本可以看出，与方波类似，若不加以优化，频谱振幅与频率的倒数成正比，所以电压振幅会随着频率的增加而降低。[0092]在浅地表电磁探测中，磁性源线圈对发射电流的影响因素不可被忽略。因此，发射线圈的影响需要被考虑进式(12)。那么，实际的发射电流的频谱幅值为：[0093][0094]其中，l和r分别为发射线圈的等效电感和电阻，jn和θn为n次谐波的电流振幅和相位。[0095]可见，受到发射线圈电感的影响，高频分量的电流幅值会受到进一步抑制。为了保证高频分量具有足够高的幅值，需要给高频分量分配更多的能量。结合式(12)和式(13)，发射波形的频谱振幅和相位可以由给定的开关时间序列sm计算出来。即频谱是以开关时刻序列sm为自变量的函数。探测中，通过寻找合适的开关时刻序列sm，可以获得最优的频谱，提升探测效率和探测精度。对于发射电流而言，各频点的总能量之和是有限的。为了保证较高的能量利用率，直流分量应控制为0。同时所有谐波幅值应符合parseval理论。因此，各次谐波应满足：[0096][0097]此外，结合方波频谱，单个探测频率的振幅极限可以进一步确定为：[0098][0099]在地质调查中，一旦探测精度和探测深度已经确定，即可得到所需的探测频率。一般来说，为了获得最佳的探测效果，所需的发射方案可以分为以下两种情况。一方面，假设期望的频谱为in，将频谱jn与期望的频谱in相匹配。可以根据特定探测需求，实现任意探测频率的组合。例如，可以实现主频集中的深度聚焦波形以及主频分散的层辨识波形，分别用于对特定深度目标的高分辨率探测以及大尺度范围内的快速勘察。浅地表电磁探测中，往往期望多个主频具有较高且近似相等的幅值，实现等精度测量，降低对接收系统的要求。同时，可以提高特定主频的能量来抵消电磁波在某些地质结构下的强衰减。另一种情况是根据所需频谱，在保证各主频幅值相等的条件下，获得最高的电流幅值，从而获得足够高的能量利用率以及信噪比。同时，期望的频谱也应遵循式(14)和式(15)中的约束条件。除此之外，开关次数n也是一个重要的参考要素，决定了系统的开关损耗和波形的稳定性。理论来说，更多的开关次数带来波形频谱更高的灵活度，从而使电流频谱更接近期望频谱。同时，较高的开关次数会带来较高的开关损耗，造成能量利用率的下降以及散热系统的复杂化那么本发明的目标是寻找一组合适的开关时刻序列sm，实现期望的频谱或得到最优的频谱。这是一种优化问题，其中开关时刻序列的个数和值是未知的。[0100]作为探测实验的源头，电流频谱的质量对检测效果起着至关重要的作用。根据前述的频谱和开关时刻序列之间的关系，找到与探测要求相对应的开关时序sm的最佳方案对发射电流的频谱修改至关重要。目前，求解此类最优问题的有效方法主要分为经典的数值迭代法和仿生优化算法。对于前一种方法，若没有提供适当的初始值，则迭代求解过程不收敛。且随着未知数的增加，算法复杂性增加，寻优过程耗时很长。随着计算机技术的发展，大量智能集群优化方法被提出。其中的粒子群优化算法由于其算法简单、容易实现被广泛应用。[0101]结合发射方案优化目标多的特点，这里使用的优化方案是多目标粒子群算法。粒子群算法中，每个粒子的状态都由位置、速度和适应度值构成。各粒子根据自身经验和种群经验在m维有限空间中搜索最优值。在我们的优化问题中，每个开关时刻序列sm视作一个粒子。由于切换次数也是待优化的目标，而传统粒子群算法中，粒子空间位置的维度是固定的。因此，对粒子群算法作出一定修改，将单一种群扩展为多种群，其在算法中的体现为粒子空间中存在不同维度的种群。在每次迭代和更新粒子位置后，计算整个粒子群的适配值z。随后，先在各种群内比较寻求种群最优值，再进行种群间最优值的比较，进而获得局部最优值。[0102]通过多次不断更新粒子位置，可以获取全局最小值。也就是说，寻找最佳切换时间序列的问题被转化为求解适应度函数的最小值或最大值的问题。该算法不依赖于初值的选取，因此传统方法产生随机数作为粒子位置。但在发射系统中，受到开关器件开关速度限制，对粒子的运动位置增加限制条件：[0103]min{t1-t0,t2-t1,…tm+1-tm}＞2tδꢀꢀ(16)[0104]同样，根据公式(11)，为了确保足够的能量利用，粒子的位置也应该满足直流分量为零的条件，这一点由以下公式给出：[0105][0106]也就是说，粒子初始化及位置的迭代更新过程中，必须时刻满足以上空间约束。通常，适应度函数根据优化目标确定。上面提到，在浅地表电磁探测方案设计中，优化目标，主要考虑开关次数，发射电流频谱与期望频谱的匹配程度以及期望频谱幅值的最大化。为了获得最优频谱，可以同时使用几个优化标准。当希望实际电流频谱匹配期望电流频谱时，一种可行的方案是最小化平方误差：[0107][0108]其中，n是控制的谐波次数。n是一个有限的数值，因为在磁性源探测实验中，高频谐波干扰几乎可以忽略不计，且可以通过合理设置收录系统的带宽滤除这一干扰。[0109]此外，在估计最小化平方误差函数的开关时间序列的同时，可以综合考虑最小化切换次数：[0110]f2(sm)＝mꢀꢀꢀꢀ(17)[0111]因此，多目标适应度函数为：[0112]z(sm)＝w1·f1(sm)+w2·f2(sm)ꢀꢀꢀ(18)[0113]其中，w1和w2是权重系数。[0114]较小的z(sm)代表粒子的适应度较高，也即在该时刻序列下的波峰因数较小。在寻找最优解时，利用循环迭代算法不断更新粒子的位置和速度，更新规则如下：[0115][0116][0117]其中，k是当前的迭代数；c1和c2是学习因子；是第j个粒子的速度；是第j个粒子的位置；r1和r2是[0,1]内的随机数；是第j个粒子的最佳位置；是种群的最佳位置。为了保证粒子的有效搜索，粒子的速度被限制在[-vmax,vmax]，而粒子的位置被限制在[0,t0]。[0118]除了上述优化问题，频谱振幅必须足够高，以保持电磁场高于收录系统的本底噪声，此外，还要最大限度地提高调查的深度。此时，优化目标是最大化的所需频率的能量，且有着相等的电流幅值。同时，切换时间n仍然是修改频谱的一个重要因素。期望频谱in中，通过设置各次谐波为1或0，实现所需谐波的选择，1代表所需探测频率，0代表无用谐波。例如，in＝{0,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0}时，表示需要最大化发射电流的一次、二次和三次谐波的幅值。假设in中要求的谐波是{k1,k2,...,ki,...,kl}，那么优化标准设定如下:[0119][0120][0121]f3(sm)＝mꢀꢀꢀꢀ(23)[0122]那么，多目标合成适应度函数为:[0123]z(sm)＝w1·f1(sm)+w2·f2(sm)+w3·f3(sm)ꢀꢀꢀ(24)[0124]其中，w1,w2,w3分别是权重系数。[0125]该多目标函数中，通过最小化f1(sm)的同时最大化f2(sm)，可以保证所需频率电流相等且最高的电流值，提高传入地下的能量强度以及信噪比。同时，能量得以更合理的分配，各探测主频均具有较高的精度。此外，在一定的权衡下，最小化f3(sm)，从而实现满足探测精度的同时，获得较少的开关次数。图2显示了mopso算法的求解过程的流程图。当全局最优zbest小于要求的收敛精度ξ或迭代次数达到设定值k时，循环结束。然后，全局最优zbest对应的最佳粒子位置sm是发射波形的最佳开关时刻序列。[0126]仿真分析[0127]为了验证所提发射方案的可行性，搭建发射系统仿真模型，仿真参数如表1所示。[0128]表i仿真参数[0129][0130]首先，进行了所提发射方案和基于蒙特卡洛法的频谱修正方案的对比实验。对于期望频谱为in＝{0.600.600.6000.6000000}a的情况，由蒙特卡洛法生成的电流频谱如表ii所示。[0131]表ii用蒙特卡洛方法对第一、第三、第五和第九次谐波优化后的电流频谱[0132][0133]进一步的，可以实施实际频谱与所需频谱相匹配的频谱修正方案。由于频谱jn取决于开关时间序列sm，目前的问题是找到一组合适的sm以控制jn尽可能地接近in。那么，使用mopso算法。设置开关次数m从4到50，每种开关次数m对应的种群大小为3000，以及最大迭代次数为300。迭代收敛曲线如图3所示，可以看出，不同种群的适配度曲线的收敛率收敛情况不同。当迭代次数达到2000次左右时，各曲线均已收敛，证明已经找到了全局最优。[0134]图4显示了各组组合在每次迭代后的最佳粒子位置，其中蓝色的'o'表示迭代期间产生的局部最佳粒子位置，红色的'x'表示全局最佳粒子位置。可见，迭代过程初期m较高的种群中更容易产生使发射电流接近期望频谱的粒子。对于切换次数为4的种群，由于调整能力有限，适应度较低。随着迭代次数的增加，m较低的种群取得更优的适应度。最优解产生于开关次数为12的种群。[0135]在最优开关时刻序列下，仿真测试结果如图5所示。根据图5(a)，发射电流波形为近似的双极性方波。由图5(b)所提发射方案可知，可以根据期望频谱来设计频谱匹配的发射电流波形，测试结果与基于蒙特卡洛方法得到的发射电流比较类似。发射能量可以被平均分配到有限的几个频率。由于各主频的电流幅值比较接近，且几乎不存在低阶谐波。因此可以保证等精度测量，且尽可能降低记录系统的复杂度。相比而言，基于遍历寻优法求解发射电流波形时，则很难对开关次数这一因素进行优化。因为一旦开关次数改变，则需重新寻解，占用大量的计算机资源。同时，由于所提发射方案可以实现多目标优化，可以在优化时考虑多个因素。通过调整适应度函数的权重系数，我们可以得到图6(a)中所示的波形，该波形有着更少的开关次数。由图6(b)可见，该频谱也与期望频谱接近。在允许的频谱偏差下，该发射波形可以有效提高能量利用率。这在浅地表电磁探测中至关重要。由于飞机载重能力有限，因此较高的能量利用率可以保证更长的飞行测试时间，以及更大探测范围的覆盖。[0136]对于期望频谱为in＝{0.700.700.70000}a的情况，由蒙特卡洛法生成的电流频谱如表iii所示。[0137]表iii用蒙特卡洛方法优化的第一、第三和第五次谐波的电流频谱[0138][0139]接下来，用mopso方法得到的仿真结果如图7所示。根据图7(a)，单周期内电流极性切换次数为10次，波形稳定性较好。根据图7(b)，在一次，三次，五次谐波处的电流幅值分别为0.71a，0.71和0.70a，基本实现了与期望频谱一致。相比于蒙特卡洛方法取得的发射波形，主频幅值更为接近，可实现等精度测量。对于传统匹配期望频谱的频谱修正方法，能根据期望频谱求解发射电流波形。否则，传统遍历寻优方法需要将所有可能的开关时刻组合所得频谱逐一比较，将占用极大的计算机资源。而对于基于mopso的发射方案，由于粒子群寻优速度较快，可以快速获得多个不同最优目标的解。接下来，进行以特定谐波幅值最大化为目标的仿真。基于mopso算法，以最大化一次，三次，五次谐波电流幅值为优化目标，得到的发射电流波形及频谱如图8所示。图8(a)为发射电流波形，波形稳定，开关次数为10。图8(b)为相应的频谱，其一次，三次和五次谐波电流幅值均超过0.75a。与蒙特卡洛的发射方案相比，主频电流振幅增加了7％。同时，主频的电流幅值几乎相等，实现了等精度测量。因此，所提出的发射方案具有高度的灵活性。通过进一步优化电流振幅，可以获得更高的电流振幅，从而提高检测精度以及直流电能利用率。[0140]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种浅地表电磁发射波形设计方法，其特征在于，该方法包括：将实际发射电流的频谱与期望频谱的匹配程度，最大化探测所需频点的能量以及最小化开关次数作为优化目标，建立多目标合成适应度函数，根据约束条件，求解多目标适应度函数得到最佳开关序列；根据最佳开关时刻序列对发射电流进行频谱修正；根据修正后的频谱进行电流的发射。2.按照权利要求1所述的一种浅地表电磁发射波形设计方法，其特征在于，所述多目标合成适应度函数为:z(s
m
)＝w1·
f1(s
m
)+w2·
f2(s
m
)+w3·
f3(s
m
)，其中w1,w2,w3分别是权重系数，数，f3(s
m
)＝m其中，s
m
为开关时刻序列，m为波形在一个周期内切换极性次数，k
i
表示第i个谐波。3.按照权利要求1所述的一种浅地表电磁发射波形设计方法，其特征在于，所述约束条件包括：各次谐波满足条件：单个探测频率的振幅极限：其中，j
n
为频谱。4.按照权利要求1所述的一种浅地表电磁发射波形设计方法，其特征在于，采用多目标粒子群算法求解多目标适应度函数，将每个开关时刻序列s
m
视作一个粒子，在粒子空间中存在不同维度的种群，在每次迭代和更新粒子位置后，计算整个粒子群的适配值z，在各种群内比较寻求种群最优值，再进行种群间最优值的比较，进而获得局部最优值。5.按照权利要求3所述的一种浅地表电磁发射波形设计方法，其特征在于，对粒子的运动位置增加第一限制条件：min{t
1-t0,t
2-t1,...t
m+1-t
m
}＞2t
δ
其中，t
δ
为1/2的死区时间；直流分量为零的第二限制条件：6.按照权利要求1所述的一种浅地表电磁发射波形设计方法，其特征在于，根据最佳开关时刻序列对发射电流进行频谱修正，包括：将电流切换的死区时间t
d
加入到发射电流表达式中，将发射电流表达式修正为：
其中，t
δ
为t
d
的一半，u
max
是发射器的最大电压，t
m
时刻是电流极性切换时刻；进行傅里叶级数展开为：其中，n代表谐波次数，ω
n
是第n次谐波的角频率；将发射线圈的影响加入到傅里叶系数中得到实际的发射电流的频谱幅值为：其中，l和r分别为发射线圈的等效电感和电阻，j
n
和θ
n
为n次谐波的电流振幅和相位；根据实际的发射电流的频谱幅值表达式求取最佳开关时刻序列对应的发射电流的频谱。

技术总结
本发明属于浅地表电磁物探技术领域，具体地而言为一种浅地表电磁发射波形设计方法，该方法包括：将实际发射电流的频谱与期望频谱的匹配程度，最大化探测所需频点的能量以及最小化开关次数作为优化目标，建立多目标合成适应度函数，根据约束条件，求解多目标适应度函数得到最佳开关序列；根据最佳开关时刻序列对发射电流进行频谱修正；根据修正后的频谱进行电流的发射。本发明可以等精度测量被实现的同时，探测谐波能量被最大化，从而提高信噪比。从而提高信噪比。从而提高信噪比。


技术研发人员：于生宝 张昕昊 庞笑雨 刘伟宇 杨成龙 周丰喜
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/19