CN100347566C - 海底平面波电磁场探测装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种海底平面波电磁场探测装置，其包括浮力部件、提升部件、声控释放部件、重力牵引部件、安全保护部件、信号检测部件、数据采集部件、和机械固定部件。各个部件间协同作业，实现了对海底资源的准确探测；并具有自动化程度高，探测成本低的优点。

Description

海底平面波电磁场探测装置及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种物质勘探装置及探测方法，具体地涉及一种探测海底平面波电磁场的电磁信号以研究海底矿产资源分布的装置及其使用方法。

背景技术：

海底以下蕴藏着丰富的矿产资源，尤以石油、天然气和气水合物等紧缺能源最具经济价值。随着陆地资源的急剧减少，世界各国均日益加强对海底资源的探测研究。目前，主要使用电磁波激发场对海底区域实施探测，也就是利用矿产资源与周围岩层存在较大的电性差异的特点实施电磁探测；当包含矿产资源的地层受到外界电磁波激发时，将产生综合的电磁感应，感应信号中携带着地下资源分布的产状、规模、埋深、导电率等几何与物性信息。对此类信号进行探测，采用现代数字信号处理方法对探测到的感应信号进行反演与成像等处理，就可推断出地下矿产资源的分布规律，为圈定资源开采靶区提供科学依据。

以上提到的电磁波激发场源分为主动源和被动源。主动源为人工场源，即以人工发射电磁波激发所探测的区域；被动源为天然激发场源，即电磁波能量来自电离层；但是主动源和被动源的电磁波场激发在实施中均具有不同的困难。在主动源中，尽管该场源可以人为控制以及激发形式多样，但成本昂贵，并且发射源不能无限靠近靶区，又因发射源的发射功率不可能无限增大，则在靶区内不能达到激发效果。譬如，在海洋环境中发射源难以放至海底，难于对海底靶区激发电磁波场。而且，至少在今天，在近海底建立功率足够强的人工电磁场尚属高技术难题。在被动源中，理论上，来自电离层的激发电磁波是一种平面电磁波，其电磁波能量带有随机性，但数天之中随电离层扰动的剧烈程度，总会出现能量大的时刻；当能量大的电磁波传播到探测靶区时，围岩与介质的感应信号能够被仪器分辨，则地下信息的提取就可实现；但是在其中所使用的仪器因技术要求高、制造复杂等原因而不能实现。具体地，在使用被动源场激励的电磁波场探测中，所要求的仪器主要有以下技术难点：

1、海底平面波电磁场探测部件的集成技术。探测海底电磁场，需进行电场信号和磁场信号的测量。因而，仪器系统首先应包括有电场传感器和磁场传感器，以及这些传感器的密封部件。另外，下至海底进行测量，还需解决海面仪器投放和海底仪器回收的问题。为使仪器系统在海面投放后能顺利地下至海底，经济而实用的办法是在仪器的底部配挂重物，或称配重锚系，使仪器下沉到达测量点位。而在仪器回收时，应设法将配重锚系甩去，使水下整套仪器成为正浮力系统，才能最终实现返回海面的目的。因此，仪器系统还需有受控的机械挂钩，以及浮力材料等。上述所有部件，都应集成一体，既实现海底测量，又实现设备运载。这样一个仪器系统，涉及到材料力学、流体力学、声学等多门学科，远远超出了地面电磁场测量所涉及的学科范围，具有更为复杂的技术含量。

2、锚系硬连接仪器的海底释放技术。上述已提及，来自电离层的平面电磁波时大时小，因而，感应信号时强时弱。单位时间统计表明，微伏级弱信号所出现的时刻居多。对于微弱信号测量，为得到较好的信号分辨力，应将测量仪器尽可能地靠近靶区，这就是前面提到的将测量仪器投放至海底。而测量结束后，应使仪器返回海面，以获得实测数据。值得特别指出的是，对电磁场测量有特殊要求，即仪器工作时自身不能晃动。要使海底的仪器立稳，克服海流所带来的推曳影响，实用的方案是配重锚系与测量仪器采用硬连接方式，使仪器与海底紧密接触。但是，这一做法对仪器的回收不利。因大部分海底为软泥底质，一旦仪器陷入泥中，所导致的后果是仪器不能顺利地从海底返回。有关锚系硬连接仪器的海底释放问题至今未见研究报道。

3、海底多台仪器的同步采集技术。为取得地质效果，海底平面波电磁场探测需进行多点成线或多点成网的排列布站方式。投至海底的多台仪器要在同一时刻按相同的采样率进行数据采集。在陆地上，不同点位的多台仪器同步采集问题并不难，采用GPS同步技术就可解决。但在海底，缘于厚厚的海水把GPS信号屏蔽，陆上的卫星对钟技术不能在海底实施。要达到同步目的，需要研发专门针对海底环境的特殊技术。

4、海底仪器的姿态检测问题。电磁场是矢量，在不同方向上，信号变化的幅值不同。为便于后续的数据处理，需将各测点的电与磁信号投影到指定的参考轴上，通常，将正北指定为X轴，正东指定为Y轴，垂直地表指定为Z轴。当测量完成后，把不同点位的测量结果分别作矢量投影，方能识别每台仪器在上述各参考轴上所观测信号的量值大小。而投影角与仪器在测量时的方位指向和倾斜状态有关，因而，记录仪器的水下姿态成为解决问题的技术途径。

5、超长周期信号测量的减采样技术。海底平面波电磁场频带较宽，约为10^-6～10³Hz。在采集超长周期信号(譬如10^-2Hz以下)时，只要满足奈奎斯特定理，信息量就满足要求。这就是说，宜采用低采样率进行测量。当然，用高采样率采集，尔后提取低频成分，理论上也可行，但技术上不尽合理。尤其在海底环境下，当测量重点放在10^-4Hz甚至更低的量级时，海底连续测量时间需达数月。尽管现在有先进的存储芯片，即所谓的海量存储器，但对超长周期来说，高采样率提供的绝大部分信息是冗余的。还应注意到，高采样率工作时，仪器不能进入休眠状态，这对自带电池的仪器极为不利。兼顾节电和提取有效信息两个方面，才能适合海底超长周期测量的技术要求。既然海底平面波电磁场频带较宽，信号采样过程中，在提取高频信号时，用高采样率，而提取低频信号时，用低采样率，即变采样率的方法，才有望取得合理的测量效果。海底平面波电磁场含有多个分量，为达到探测目的，每台仪器至少需同时测量六路信号，即水平正交的两路电场(Ex、Ey)，水平与垂直两两正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)，以及仪器姿态信息。考虑到节省电路硬件资源，每路通道只能采用一种A/D芯片。对同一种A/D芯片，就目前的电子技术而言，还不能做到宽范围的变采样率。因此，在需要低采样率时，就应有相应的减采样电路硬件及驱动软件。可见，减采样技术在海底平面波电磁场测量中占有较重要的位置。

6、海底实时数据备份技术。由于海洋作业环境较恶劣，仪器投放至触底过程中伴有较大的颠簸震动，导致仪器内部电路发生瞬时故障。经验证实，单一数据存盘方式容易出现丢数现象。由于出海作业成本昂贵，若得不到完整的数据，就意味着不可挽回的学术价值与财力物力的损失。因而，为确保数据的完整，必须进行实时数据备份，即采用两个或多个电子盘实时地将测量数据进行两份或多份存储。目前，应用嵌入式计算机进行数据采集并实时备份的，尚未有现成的技术可直接借用。

上述技术问题都是海底平面波电磁场探测所面临的特殊问题，本发明正是围绕这些问题展开研究，攻克上述一系列技术难题，并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新，设计了一种探测海底平面波电磁场探测装置。

发明内容：

本发明提供一种海底平面波电磁场探测装置，其包括浮力部件、提升部件、声控释放部件、重力牵引部件、安全保护部件、信号检测部件、数据采集部件、和机械固定部件。所述浮力部件由浮球、浮球保护箍及其固定立杆组成，用于提供整个装置的浮力；浮球是用保护箍和固定立杆将其装配在不锈钢框架上的空心玻璃球，数个浮球均匀摆放。所述提升部件由提梁组成，用于在设备投放和回收时将整套装置吊起；其中数根不锈钢杆倾斜约为45°且呈等分立体角分布，在不锈钢杆上部焊接在一个水平不锈钢圆环上，不锈钢杆下部与不锈钢框架的数个受力点相连，在所述水平圆环上再焊接一个直立的不锈钢半圆环，从而构成提梁。所述声控释放部件，用于改变所述海底平面波电磁场探测装置的浮力性质；其中所述声控释放部件由声学释放器和受控机械挂钩组成，声学释放器垂直装配在不锈钢框架的中上部。所述重力牵引部件，用于将海底平面波电磁场探测装置牵引下沉至海底；所述重力牵引部件包括由配重锚系及锚链，在所述配重锚系上有一个凸起的梯形台，该梯形台与不锈钢框架下部的下凹形架相吻合，从而形成梯形台连接方式。所述安全保护部件，用于给海底平面波电磁场探测装置提供安全措施，所述安全保护部件包括牺牲阳极、爪钉、水密插座保护罩；其中牺牲阳极由锌合金材料制造；爪钉安装在配重锚系的边沿，使整套装置在较硬质的海底立稳；水密插座保护罩防避其他外部设备对水密插座的摩擦碰撞。所述信号检测部件，用于检测海底平面波电磁场的五路场源信号；所述信号检测部件包括四个电场传感器和三个磁场传感器，电场传感器检测水平正交的两路电场，磁场传感器检测水平与垂直相互正交的三路磁场。所述数据采集部件包括方向传感器、倾斜传感器、PC104嵌入式计算机、测量电路以及锂电池包，所述数据采集部件用于采集海底平面波电磁场探测装置的方位、倾斜信息及锂电池包的工作状态信息，并且将该信息传送至PC104嵌入式计算机和测量电路。所述机械固定部件用于实现海底平面波电磁场探测装置所有功能部件的整体集成，其特征在于：不锈钢框架支撑着浮力部件、提升部件、声控释放部件、信号检测部件及数据采集部件；声控释放部件与不锈钢框架通过声学释放器固定立杆实现连接；数据采集部件与不锈钢框架通过卡箍实现连接；聚丙烯工程塑料板安装在不锈钢框架的外围四周，除起到减缓对设备的摩擦碰撞之外，还将它用于固定电场测量臂；在测量电场信号时，对应于两路电场信号的4个电场传感器被分成两对，分别指向海底平面波电磁场探测装置的中心以外的4个不同方向且固定电场传感器的位置与该中心相距为5米，每对电场传感器的相对距离在10米以上，电场传感器之间用由ABS塑料管制造的电场测量臂伸展；每根电场测量臂的长度大于5米，用不锈钢铰关节实现测量臂的分段连接；测量臂内敷设有水密电缆，电场信号由该电缆经数据采集器承压密封舱端盖上的水密插座传递到舱内的采集电路中。

在本发明的一个实施例中，通过不锈钢框架固定数据采集器承压密封舱和三个磁场传感器承压密封舱，以及平卧安装数据采集器承压密封舱，三个磁场传感器承压密封舱在水平和垂直位置上两两相互正交安装；方向和倾斜传感器、PC104嵌入式计算机以及测量电路装配在数据采集器承压密封舱内，数据采集器承压密封舱与外部器件通过水密电缆实现电气连接。

在本发明的另一个实施例中，配重锚系与不锈钢框架之间的连接部位有8组助力弹簧，配重锚系与声学释放器的受控机械挂钩之间由一根锚链相连；当锚链拴紧且8组弹簧被压缩时，存储弹力；当锚链松开时，弹簧的弹力瞬时起作用，将装置弹离配重锚系。

在本发明的另一个实施例中，数据采集器包括PC104嵌入式计算机、主放大器、高精度应急时钟源、装置姿态传感器件、A/D转换器、逻辑门阵列、存储单元。

在本发明的另一个方面中，数据采集器中的所有电路器件和电池包被密封在由非磁性材料LC4超硬铝制成的圆柱型承压密封舱内，密封舱端盖上有数个水密接插件，以实现舱内外的电气连接；密封舱的承压指标达13MPa，以在1000m水深处安全工作。

在本发明的另一个实施例中，测量电路中包含稳定度为10-7s/s的高精度应急时钟源；在海面一次性与GPS对钟后，该时钟源在整个海底测量期间为海底平面波电磁场探测装置提供计时。

在本发明的另一个方面中，测量电路中包含有六路数据采集通道，其中一至五通道分别采集水平正交的两路电场(Ex、Ey)，水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)，第六通道采集方向和倾斜状态的信息。

在本发明的另一个实施例中，一至五通道采用16种采样间隔进行数据采集，分别为：0.25ms、0.5ms、1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms、128ms、256ms、512ms、1024ms、2048ms、4096ms、8192ms；根据预先设定的程序，可自动定时、变采样周期、定时间长度进行数据采集；在16ms以下，采用级联分样方法进行抗混叠滤波抽样。

在本发明的另一个实施例中，在存储单元中同时采用两个或两个以上的电子盘进行实时数据备份；其中一个电子盘为PC104嵌入式计算机的固有电子盘，其他电子盘为通过PC104总线扩展的以USB口实现通讯的U盘。

本发明还提供一种使用所述海底平面波电磁场探测装置的方法。所述方法为：首先在海面上启动海底平面波电磁场探测装置，进行GPS对钟及采集参数设置，由船上吊臂将整套海底平面波电磁场探测装置投放入海。入水之后，海底平面波电磁场探测装置受配重锚系的重力牵引，自由下沉抵达海底。在海底，按照设定的采集时间及运行参数，海底平面波电磁场探测装置自动进行定时、分频段变采样率的海底平面波电磁场数据采集。每台海底平面波电磁场探测装置的工作节拍与海底其他各点位的海底平面波电磁场探测装置相同，同步精度为10^-7s/s。在采集过程中，海底平面波电磁场探测装置同时记录六路信号，即水平正交的两路电场(Ex、Ey)，水平与垂直两两正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)，以及自身姿态信息。在低采样率运行时，采用级联分样抗混叠减采样技术，在高采样率的样本中提取低频成分予以保存。存盘过程中对所有测量数据进行实时备份，至少存储两份相同数据。海底测量结束后，仪器在原地等待。当海面向海底发出声学释放信号，海底仪器的声学释放器受令动作，打开拴挂配重锚系的机械挂钩，配重锚系与仪器脱离牵连，连接部位的助力弹簧将仪器从淤泥中弹出。受浮球的提升作用，整套装置自动上浮至海面。回收仪器后，对存储在仪器内部的数据进行回放，经数字信号处理，获得海底以下的岩石电性成像，从而推断被测区域的矿产资源分布，为进行开采提供科学依据。

由于本发明采用以上技术方案，与传统的简单的海底平面波电磁场探测装置相比，具有明显的突出的优点，解放了人力且实现了自动探测，并将进一步为海底以下蕴藏的诸如石油、天然气和气水合物之类的丰富矿产资源的探测提供准确详实的数据。

附图说明

根据结合附图的本实施例的下面说明，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得清楚且更容易理解，其中附图：

图1为海底平面波电磁场探测装置机械结构图；

图2为海底平面波电磁场探测装置部件连接关系图；

图3为海底平面波电磁场探测装置锚系硬连接原理图；

图4为海底平面波电磁场探测装置电器连接关系图；

图5为海底仪器姿态检测原理图；

图6为辅助通道电路原理图；

图7为海底平面波电磁场探测仪器数据备份电路原理图；

图8为高精度时钟及逻辑控制电路图；

图9为仪器姿态参数分时采集电路图；

图10为A/D转换及硬件减采样电路图；

图11为实时数据备份电路图；

图12为级联分样原理图；

图13为串并转换及FIFO电路图。

附图中标记的文字说明：

U1   可编程逻辑器件EPM7128； U2  晶振TCXO；

U3   实时钟芯片DS17887；     JAB、JCD  插座PC104总线；

U14  可编程放大器PGA204；    U15A  A/D转换器CS5321；

U16  数字抽取滤波器CS5322；  U402  与门4081；

U403 或非门4001；            U404  DC-DC MAX603；

U405 DC-DC MAX603；          U406  DC-DC MAX603；

U407 运算放大器TL072；       U401  模拟开关MAX308；

UU1  可编程逻辑器件EPM7128； JUAB、JUCD  插座PC104总线；

UU2  晶振TCXO；              UU4 双向数据琐存器74LS245；

UU3  USB接口芯CH375；        U81 可编程逻辑器件EPM7128；

U82、U83、U84 FIFO IDT7208   U87 数据琐存器74LS244；

U85、U86  双向数据琐存器74LS245；S1  方向传感器YLS-3；

S2  倾斜传感器  FEC-60；

具体实施方法：

图1示意地示出根据本发明的实施例的海底平面波电磁场探测仪器机械结构图。参见图1，图(a)表示该机械结构的主视图，图(b)表示该机械结构的侧视图，图(c)表示该机械结构的俯视图，其中附图标记分别表示为：1.配重锚系；2.聚丙烯工程塑料板；3.不锈钢框架；4.卡箍；5.浮球；6.浮球保护箍；7.浮球固定立杆；8.声学释放器；9.受控机械挂钩；10.锚链；11.数据采集器承压舱；12.水密插座保护罩；13.不锈钢绞关节；14.牺牲阳极；15.助力弹簧；16.Z分量磁传感器承压舱；17.声学释放器固定立杆；18.爪钉；19.提梁；20.Y分量磁传感器承压舱；21.电场测量臂；22.电场传感器；23.X分量磁传感器承压舱。

海底平面波电磁场探测装置由8类功能部件集成，其结构外型及连接关系由图1至图3所示，各部件的工作原理及特征在于：

1)浮力部件。由浮球、浮球保护箍及其固定立杆组成，其作用是提供整个装置的浮力。当在海底完成数据采集后，依靠数个浮球的合成浮力，整套装置浮升至海面，从而实现设备回收。浮球是空心玻璃球，为使其下海后不易脱落，用保护箍和固定立杆将其装配在不锈钢框架上，数个浮球均匀摆放(见图1俯视图)。

2)提升部件。由提梁组成。对照图1的示意可见，等分立体角分布的数根不锈钢杆倾斜约为45°，上部焊接在一个水平不锈钢圆环上，下部与不锈钢框架的数个受力点相连。水平圆环上再焊接一个直立的不锈钢半圆环，从而构成提梁。在设备投放和回收时，船上的吊臂钩住半圆环，将整套装置吊起。

3)声控释放部件。由声学释放器和受控机械挂钩组成，其作用是改变整套装置的浮力性质。声学释放器垂直装配在不锈钢框架的中上部。当受控于它的机械挂钩处于闭合状态时，锚链的上端被钩紧，栓住其下端的配重锚系。由于配重锚系重量大，使得整套装置的浮力为负值。下海后，受重力牵引，装置可自由下沉至海底。在设备回收阶段，受海面向海底发出的声纳控制信号驱动，声学释放器按指令动作，打开机械挂钩，甩去配重锚系，使整套装置的浮力变为正值，从而实现设备的上浮。

4)重力牵引部件。由配重锚系及锚链组成，其作用是将海底平面波电磁场探测装置牵引下沉至海底。其结构特征是框架与配重锚系为梯形台连接方式。在锚系上有一个凸起的梯形台(见图1主视图)，而框架下部形状是与梯形台吻合的下凹形架。这种连接结构的特点是，只要锚系立稳不动，框架就不会产生旋转运动。而当装置被声控释放时，锚链一旦松开，框架与配重锚系将顺利分离，不会产生卡壳现象。

5)安全保护部件。由牺牲阳极、爪钉、水密插座保护罩等组成，其作用是给整套装置提供安全措施。牺牲阳极是一种锌合金，它的化学性能较活泼，将其安装在不锈钢框架上，可减弱海水对框架的腐蚀程度。爪钉安装在配重锚系的边沿，使整套装置在较硬质的海底立稳，避免海水拖曳使装置产生位移。水密插座保护罩防避其他外部设备对水密插座的摩擦碰撞。当海底为软底质时，需用到助力弹簧。由于海底平面波电磁场测量所需时间较长，在海底沉积物较多的海区，底质对仪器的吸附力较大。仪器一旦被海泥吸附，即使声学释放器打开，设备也不容易顺利离开海底。要想设备能顺利上浮，单靠增加浮球的数量，因受到整体结构尺寸的限制而不可行。有针对性的解决方案是，在仪器框架和配重锚系之间安装8组助力弹簧(详见图3)。投放前利用锚链的拉力使8组弹簧的长度从160mm压缩至110mm，压缩量为50mm。压缩使得每组弹簧储存26kg的弹力。当声学释放器动作，锚链松开，8组助力弹簧产生208kg的瞬时弹力，再加上数个浮球的浮力，共有数百公斤的向上作用力同时起作用，使仪器在淤泥中松动，脱离吸附，实现上浮。

6)信号检测部件。由四个电场传感器和三个磁场传感器及其承压密封舱组成。其作用是分别检测海底平面波电磁场的五路场源信号，即水平正交的两路电场(Ex、Ey)和水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)。电场传感器在研发阶段已经考虑了密封措施。磁场传感器本身没有密封承压功能，因而需外加非磁性材料的承压密封舱。

7)数据采集部件。包括方向传感器、倾斜传感器、PC104嵌入式计算机、测量电路以及锂电池包等，组成一个数据采集器。整套采集器安装在一个圆形承压密封舱内，其内部电器连接由图4详细说明。

8)机械固定部件。其作用是实现海底平面波电磁场探测装置所有功能部件的整体集成。在不锈钢框架上，支撑着浮力部件、提升部件、声控释放部件、信号检测部件及数据采集部件。其中，声控释放部件与不锈钢框架通过声学释放器固定立杆实现连接；数据采集部件与不锈钢框架则是通过卡箍实现连接。聚丙烯工程塑料板安装在不锈钢框架的外围四周，除起到减缓对设备的摩擦碰撞之外，还将它用于固定电场测量臂。在测量电场信号时，4个电场传感器被分成两对(对应与两路电场信号)，每对电场传感器的相对距离应在10米以上，以确保至少检测到微伏级的信号幅度。为将4个电场传感器分别指向装置中心以外的4个不同方向，且固定位置与该中心相距为5米，需用电场测量臂(其材料为ABS塑料管)伸展。每根电场测量臂的长度大于5米，用不锈钢铰关节实现测量臂的分段连接。测量臂内敷设有水密电缆，电场信号由该电缆经数据采集器承压密封舱端盖上的水密插座传递到舱内的采集电路中。

海底平面波电磁场探测装置电器连接关系见图4，此图示意性地描述了图5至图13的连接关系。各环境信息传感器4008将环境信息转换为电信号传至仪器姿态参数分时采集电路4006，4006在控制信号4019的控制下分时选择一路环境信号输出(环境信号4020)至信号调理板4007。各电场、磁场传感器4009至4013将电场和磁场信号送至信号调理板4007，4007在控制信号4018的驱动下对各路输入的信号进行阻抗匹配及各种选通滤波处理，其处理后所得的模拟信号4014送至A/D转换及硬件减采样电路4005。在控制信号4017的驱动下4005对4014信号进行A/D转换及硬件减采样，使模拟信号4014转换为数字信号4015。4015为多路串行数据，其进入串并转换及FIFO电路4004后便转换为并行数据缓存至FIFO，在FIFO为一定的状态时PC104嵌入式计算机4001将缓存的数据经PC104总线读入，4001对此数据进行软件减采样，然后将减采样后的数据存至DOC电子盘，同时经过PC104总线将此数据发送至USB实时数据备份电路4002。此外，高精度时钟及控制电路通过PC104总线实现与4001的信息交互，从而产生控制信号4016至4019。

海底仪器姿态检测原理见图5、图6、图9。

海底平面波电磁场探测仪器利用辅助通道采集仪器姿态信息，其工作原理图如图5和图6，图6中的TILT代表倾斜传感器5001，ORI代表方向传感器5002。仪器在海底进行姿态监测时，各姿态监测传感器把非电量的姿态信息转换为电量6002后送至多路选择开关(MAX308)6007，姿态信息中，包含一路方向信息，即仪器内x轴磁传感器与地磁正北方向的磁偏角；两路倾斜信息，即仪器内x、y两轴与水平面的倾斜角。因仪器在海底时其姿态信息(方位和倾角)改变较缓慢，还考虑到防止各姿态传感器在工作过程中对被测的海底平面波电磁场信号产生影响，所以在海底较长时间观测电磁信号的过程中关闭姿态信息的测量，仅在每天选取约一分钟短暂时间开启各姿态传感器的电源，进行仪器姿态信息的分时采集。在采集时，逻辑控制门阵列5005(图8 U1第48～50引脚)发出CMD6001控制字，控制多路选择开关分时选定一路信息进入辅助通道，经24位A/D转换5006(图10 U15A)变为串行数据流，此数据流通过串并转换门阵列5006(图13 U81)并行输出至FIFO缓存器5010(图13 U82～U84)。在FIFO5010为非空、半满或全满的情况下串并转换门阵列5008通知PC104 5007进行必要的数据读操作。当仪器回收后PC104 5007将辅助通道所测数据传至上位机，上位机通过联合解析各传感器的标定值和所测数据反演出实测仪器姿态参数物理量，以达到检测仪器姿态的目的。

为实现海底多台仪器的同步采集，本发明研制了时钟及逻辑控制电路，如图8。图8中U1为CPLD器件7128SLC84；U2为高精度晶振TCXO，其时钟稳定度优于10-7s/s；U3为实时钟RTC芯片DS17887，用于存储实时钟信息；JAB和JCD构成PC104总线，此总线与PC104嵌入式计算机相连，实现与电路的信息交互。多台仪器具体同步过程如下：(1)仪器投放之前，在海面上进行GPS对钟。连接GPS与仪器内PC104嵌入式计算机的串口，GPS的PPS秒脉冲信号连接至U1。启动PC104内的GPS对钟程序，对钟程序通过PC104总线向U1提出对钟申请，U1开始接收PPS信号。当PPS秒脉冲到来时，U1向PC104反馈提出中断请求，请求PC104开始接收来自串口的GPS信息并保存于PC104的实时钟芯片中，然后再使此实时钟的秒更新同步于PPS的秒脉冲，对钟程序最后负责将实时钟信息经PC104总线送U1后传至DS17887中。整个海底采集期间，由该实时钟源给测量电路提供时间基准。(2)设置仪器的采集参数表，每台仪器所设的采集参数均相同，即设在同一时刻按相同方式进行数据采集。(3)多台仪器投入至海底后，采集时刻一到，PC104中RTC的闹钟中断将请求采集程序进入同步数据采集状态。由于时钟及逻辑控制电路中U2的时钟稳定度优于10^-7s/s，使得PC104嵌入式计算机RTC的基准时序Clk32768的稳定度也优于10^-7s/s，而多台仪器同步时刻由RTC秒更新的相位差所决定，此秒更新的高稳定度保证了同步采集的实现。

图10为超长周期信号测量的A/D转换与减采样电路。海底平面波电磁场探测仪器中，用于探测两路电场(Ex，Ey)和三路磁场(Hx，Hy，Hz)的电路中均引入了减采样技术。每套仪器内有五路如图10相同的电路，由于五路所使用的减采样技术完全相同，故任取一路叙述。电或磁信号经主放U14(PGA204)进入∑-ΔA/D转换器CS5321，电磁模拟信号转换为过抽样1位∑-Δ位流。为达到硬件上的减采样，1位∑-Δ位流须经过FIR数字抽取滤波器CS5322进行硬件上的减采样。PC104上的采集软件通过控制串并转换门阵列来设置DECC、DECB、DECA，设置过程为：(1)、采集软件读取采集参数表，确定相应数据CMD1；(2)、采集软件向PC104地址总线(图13JAB的A9-A0)上写入W390控制字(采集监控口)，并使 IOW(图13JAB的 IOW)来一下降沿以请求U81读入控制字；(3)、U81读入W390控制字后使U88的 W0置“0”，U85的 EN置“0”，U85的DIR置“0”，由此开辟了从PC104数据总线(图13JAB的D7-D0)到U88输出端Q7-Q0的单向通路；(4)采集软件向PC104数据总线(JAB的D7-D0)上写入CMD1，此数据通过所开辟的单向通路传至U88输出端Q7-Q0，其中Q7-Q5即为DECC、DECB、DECA；(5)、采集软件使 IOW(图13JAB的 IOW)来一上升沿以请求U81控制U88的 W0置“1”，从而断开所开辟的单向通路，使U88锁存DECC、DECB、DECA。通过控制DECC、DECB、DECA为000-111来实现7种硬件采样周期：0.25ms、0.5ms、1ms、2ms、4ms、8ms和16ms。这在一定程度上满足了海底平面波电磁场探测中对高中频电磁信号成分采集的需要，但对超低频、甚低频的信号，若使用16ms采样周期进行记录，势必带来庞大的冗余信息，造成数存空间的浪费。为此在本仪器的采集软件部分嵌入了FIR数字抽取滤波的级联分样技术，达到软件减采样的目的，通过软件级联分样后使整机最长采样周期达8192ms。

级联分样原理图如图12，该图最大分样间隔绘至256ms。其中0级至4级分别对应的是：16ms采样、32ms采样、64ms采样、128ms采样和256ms采样。图中各级抗混叠滤波器算法公式如下：

$y\left(i\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\right)*x(i-n)$

其中x(i)为分样前信号序列，y(i)为分样后的新序列，h(n)为抗混叠滤波器的单位冲激响应。海底平面波电磁场探测仪器选择抗混叠滤波器的阶数N＝10。经设计计算，其单位冲激响应h(n)如下：

h(0)＝h(10)＝0.00474094403641；

h(1)＝h(9)＝0.02376209043250；

h(2)＝h(8)＝0.06538806414210；

h(3)＝h(7)＝0.12489215190769；

h(4)＝h(6)＝0.17993687589557；

h(5)＝0.20255974717145。

第4级以下，还有第5至第9级减采样，每级采样周期以倍数递增。第9级的采样周期为8192ms。每级所采用的滤波器单位冲激响应h(n)均相同。级联分样原理也与图12相同。

海底实时数据备份原理如图7、图11。

海底实时数据备份电路是在海底平面波电磁探测仪器中嵌入支持U盘带电热插拔的USB接口及其外围芯片组合而成。因海底特殊的工作环境，决定了本仪器需要选用低功耗的PC104嵌入式计算机，而现有的低功耗类机型AMPRO386SX和AX10406均无USB接口。若在此低功耗的机型上增加USB，如果采用通常的将转接头接至PC104的串口的做法，势必受到串口速率的瓶颈制约，无法满足海底平面波电磁探测在高采样率工作时数据备份的传输速率要求。因此研发新的接口板，将USB接口挂接至PC104总线上，才是实用可行的方案。但为了抑制USB增加所带来的功耗增加问题，同时兼顾整机设计的一致性，本设计中复用了逻辑控制板中的CPLD，如图11所示。在图11中，与数据备份功能相关的器件主要有UU3、UU4、JUAB以及UU1的CS#、ACT#、INT#引脚。在CPLD内部逻辑中加入了对CH375A及八位双向三态数据收发器74LS245的译码及控制部分，增加了W280-W28F接口用于对USB接口芯片CH375A的读写和控制操作。当PC104总线(JUAB)需要向CH375A(UU3)写数据时，则使总线上的 WR(JUAB的 IOW引脚)置“0”，地址线A9-A0(JUAB的A9-A0引脚)为280H-28FH，此时CPLD(UU1)译码置 CS(UU1的CS#引脚)为“0”，同时控制八位双向三态数据收发器74LS245(UU4)将PC104数据总线(JUAB的D7-D0引脚)上的数据送至CH375A的数据口(UU3的D7-D0引脚)，从而实现对CH375A的写操作，由UU3负责将所写入的并行数据转换为串行数据经引脚UD-、UD+传至P1保存。当PC104总线(JUAB)从CH375A(UU3)读数据时，使总线上的 RD(JUAB的 IOR引脚)置“0”，地址线A9-A0(JUAB的A9-A0引脚)为280H-28FH，此时CPLD(UU1)译码置 CS(UU1的CS#引脚)为“0”，同时控制八位双向三态数据收发器74LS245(UU4)将CH375A上的数据(UU3的D7-D0引脚数据)送至PC104数据总线(JUAB的D7-D0引脚)上，由此实现对CH375A的读操作，而UU3上的并行数据(D7-D0)是由USB接口芯片CH375A将UD-、UD+上的串行数据进行串并转换而来。以CPLD器件来控制USB接口芯片CH375A实现USB接口与PC104总线串并转换的双向数据传输的电路结构示意图如图7。

如上述，已经清楚详细地描述了本发明提出的海底平面波电磁场探测装置。但是，尽管参考本发明的优选实施例详细示出并描述了本发明，但本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (10)

1、一种海底平面波电磁场探测装置，包括浮力部件、提升部件、声控释放部件、重力牵引部件、安全保护部件、信号检测部件、数据采集部件和机械固定部件；其中：

所述浮力部件由浮球、浮球保护箍及固定立杆组成，用于提供整个装置的浮力；浮球是用保护箍和固定立杆将其装配在不锈钢框架上的空心玻璃球，数个浮球均匀摆放；

所述提升部件由提梁组成，用于在设备投放和回收时将整套装置吊起；呈等分立体角分布的数根不锈钢杆倾斜约为45°，在不锈钢杆上部焊接在一个水平不锈钢圆环上，不锈钢杆下部与不锈钢框架的数个受力点相连，在所述水平圆环上再焊接一个直立的不锈钢半圆环，从而构成提梁；

所述声控释放部件，用于改变所述海底平面波电磁场探测装置的浮力性质；所述声控释放部件由声学释放器和受控机械挂钩组成，声学释放器垂直装配在不锈钢框架的中上部；

所述重力牵引部件，用于将海底平面波电磁场探测装置牵引下沉至海底；所述重力牵引部件包括由配重锚系及锚链，在所述配重锚系上有一个凸起的梯形台，该梯形台与不锈钢框架下部的下凹形架相吻合，从而形成梯形台连接方式；

所述安全保护部件，用于给海底平面波电磁场探测装置提供安全措施，所述安全保护部件包括牺牲阳极、爪钉、水密插座保护罩；其中牺牲阳极由锌合金材料制造；爪钉安装在配重锚系的边沿，使整套装置在较硬质的海底立稳；水密插座保护罩防避其他外部设备对水密插座的摩擦碰撞；

所述信号检测部件，用于检测海底平面波电磁场的五路场源信号；所述信号检测部件包括四个电场传感器和三个磁场传感器，电场传感器检测水平正交的两路电场，磁场传感器检测水平与垂直相互正交的三路磁场；

所述数据采集部件包括方向传感器、倾斜传感器、PC104嵌入式计算机、测量电路以及锂电池包，所述数据采集部件用于采集海底平面波电磁场探测装置的方位、倾斜信息及锂电池包的工作状态信息，并且将该信息传送至PC104嵌入式计算机和测量电路；以及

所述机械固定部件用于实现海底平面波电磁场探测装置所有功能部件的整体集成；

其特征在于：不锈钢框架支撑着浮力部件、提升部件、声控释放部件、信号检测部件及数据采集部件；声控释放部件与不锈钢框架通过声学释放器固定立杆实现连接；数据采集部件与不锈钢框架通过卡箍实现连接；聚丙烯工程塑料板安装在不锈钢框架的外围四周，除起到减缓对设备的摩擦碰撞之外，还将它用于固定电场测量臂；在测量电场信号时，对应于两路电场信号的4个电场传感器被分成两对，分别指向海底平面波电磁场探测装置的中心以外的4个不同方向且固定电场传感器的位置与该中心相距为5米，每对电场传感器的相对距离在10米以上，电场传感器之间用由ABS塑料管制造的电场测量臂伸展；每根电场测量臂的长度大于5米，用不锈钢铰关节实现测量臂的分段连接；测量臂内敷设有水密电缆，电场信号由该电缆经数据采集器承压密封舱端盖上的水密插座传递到舱内的采集电路中。

2、按权利要求1所述的海底平面波电磁场探测装置，其中通过不锈钢框架固定数据采集器承压密封舱和三个磁场传感器承压密封舱，以及平卧安装数据采集器承压密封舱，三个磁场传感器承压密封舱在水平和垂直位置上两两相互正交安装；方向和倾斜传感器、PC104嵌入式计算机以及测量电路装配在数据采集器承压密封舱内，数据采集器承压密封舱与外部器件通过水密电缆实现电气连接。

3、按权利要求1所述的海底平面波电磁场探测装置，其中：配重锚系与不锈钢框架之间的连接部位有8组助力弹簧，配重锚系与声学释放器的受控机械挂钩之间由一根锚链相连；当锚链拴紧且8组弹簧被压缩时，存储弹力；当锚链松开时，弹簧的弹力瞬时起作用，将装置弹离配重锚系。

4、按权利要求1所述的海底平面波电磁场探测装置，其中数据采集器包括PC104嵌入式计算机、主放大器、高精度应急时钟源、装置姿态传感器件、A/D转换器、逻辑门阵列、存储单元。

5、按权利要求4所述的海底平面波电磁场探测装置，其中数据采集器中的所有电路器件和电池包被密封在由非磁性材料LC4超硬铝制成的圆柱型承压密封舱内，密封舱端盖上有数个水密接插件，以实现舱内外的电气连接；密封舱的承压指标达13MPa，以在1000m水深处安全工作。

6、按权利要求4所述的海底平面波电磁场探测装置，其中测量电路中包含稳定度为10-7s/s的高精度应急时钟源；在海面一次性与GPS对钟后，该时钟源在整个海底测量期间为海底平面波电磁场探测装置提供计时。

7、按权利要求4所述的海底平面波电磁场探测装置，其中测量电路中包含有六路数据采集通道，其中一至五通道分别采集水平正交的两路电场(Ex、Ey)、水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)，第六通道采集方向和倾斜状态的信息。

8、按权利要求7所述的海底平面波电磁场探测装置，其特征在于：一至五通道采用16种采样间隔进行数据采集，分别为：0.25ms、0.5ms、1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms、128ms、256ms、512ms、1024ms、2048ms、4096ms、8192ms；根据预先设定的程序，可自动定时、变采样周期、定时间长度进行数据采集；在16ms以下，采用级联分样方法进行抗混叠滤波抽样。

9、按权利要求4所述的海底平面波电磁场探测装置，其特征在于：在存储单元中同时采用两个或两个以上的电子盘进行实时数据备份；其中一个电子盘为PC104嵌入式计算机的固有电子盘，其他电子盘为通过PC104总线扩展的以USB口实现通讯的U盘。

10、使用权利要求1所述的海底平面波电磁场探测装置进行海底探测的方法，包括步骤：

(1)首先在海面上启动海底平面波电磁场探测装置，进行GPS对钟及采集参数设置；

(2)由船上吊臂将整套海底平面波电磁场探测装置投放入海；

(3)入水之后，海底平面波电磁场探测装置受配重锚系的重力牵引，自由下沉抵达海底；

(4)在海底，按照设定的采集时间及运行参数，海底平面波电磁场探测装置自动进行定时、分频段变采样率的海底平面波电磁场数据采集；

(5)每台海底平面波电磁场探测装置的工作节拍与海底其他各点位的海底平面波电磁场探测装置相同，同步精度为10^-7s/s；

(6)在采集过程中，海底平面波电磁场探测装置同时记录六路信号，即水平正交的两路电场Ex、Ey和水平与垂直两两正交的三路磁场Hx、Hy、Hz，以及自身姿态信息；

(7)在低采样率运行时，采用级联分样抗混叠减采样技术，在高采样率的样本中提取低频成分予以保存；存盘过程中对所有测量数据进行实时备份，至少存储两份相同数据；

(8)海底测量结束后，仪器在原地等待；

(9)当海面向海底发出声学释放信号，海底仪器的声学释放器受令动作，打开拴挂配重锚系的机械挂钩，配重锚系与仪器脱离牵连，连接部位的助力弹簧将仪器从淤泥中弹出；

(10)受浮球的提升作用，整套装置自动上浮至海面；

(11)回收仪器后，对存储在仪器内部的数据进行回放，经数字信号处理，获得海底以下的岩石电性成像，从而推断被测区域的矿产资源分布。

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