CN102253418B - 一种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法，发射系统由船载大功率发电机、甲板升压单元、甲板端监控单元、深拖缆、海底降压整流单元、海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、发射电极系等部件集合而成，各个部件间协同作业，实现了在海水中发射大功率可控源电磁波。该系统具有自动化程度高，探测成本低的特点。

Description

一种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法

技术领域：

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种地球物理勘探设备及其使用方法，为一种用于海洋可控源电磁场的发射以研究海底矿产资源分布的系统及其使用方法。

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、硫化矿、天然气水合物等最具经济价值。随着陆地资源的日趋减少，对海洋矿产资源的探测与开发需求剧增。电磁学方法用于探测海底矿产资源的基本原理在于所探矿物与海底沉积物的电学性质差异。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、电导率等物性信息。利用在海底投放的电磁接收机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可控源和天然场源。可控源为人工场源，即以人工发射的电磁波激发所探测区域；被动源为天然激发场源，即电磁波能量来自电离层。本发明所涉及的发射系统就是人工激励场源，其技术方法是海洋可控源电磁探测的重要组成部分。总体来说，通过海洋可控源电磁探测获得海底以下介质纵向及横向的电阻率变化，并结合其他学科资料可对海底矿产资源的含量进行估计。为此，加紧研究、发展海洋可控源电磁探测技术对我国海域海底矿产资源的调查与评价具有重要的意义。

具体地，在进行海洋可控源电磁发射过程中，所要求的仪器主要有以下技术难点：

1、海洋可控源电磁发射系统的集成技术。海洋可控源电磁探测方法研究中，需要发射大功率电磁波来激励海底以下介质。因此，海洋可控源电磁发射系统包括船载大功率发电机、甲板升压单元、深拖缆、海底降压整流单元、海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、发射电极系等部件集合而成。上述所有部件，最终集成一体，既实现海底可控源电磁场激发，又实现水下走航式作业。这样一个仪器系统，涉及到电磁学、材料学、流体力学、电子学等多门学科，远远超出了地面电磁场激发所涉及的学科范围，具有更为复杂的技术含量，将为我国海洋可控源电磁探测提供高技术支撑。

2、近海底电磁场激发技术。理论正演计算表明，在近海底0-50m范围内，向海底激发的电磁波形成的电磁场没有明显衰减。为保证发射机拖体的安全，需实时监测拖曳体距离海底的高度，并通过深拖缆和船速来调节拖曳体距海底的高度，保持在0-50m范围内。有关近海底拖曳激发人工源电磁场的问题国内至今未见研究报道。

3、海底发射机和接收机的时间同步技术。在海底可控源电磁探测后期数据处理过程中，要求发射的波形和接收到的波形严格同步。在陆地上，发射机和接收机时间同步问题并不难，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直接实施。要达到时间同步目的，需要研发专门针对海底环境的特殊技术。

4、海底发射机的姿态方位检测技术。除了通过设计合理的框架结构，还需实时监测和记录其姿态信息，保证其在海底被拖曳过程中不会发生严重的侧倾和俯仰，另外还需监测拖曳体的方位。结合船行的航迹信息，对拖体的位置进行估计，为后续的数据处理解释提供资料参考。

5、大功率电磁脉冲逆变技术。即是在发射机的控制下，将输入的直流电逆变成为交流的方波电磁信号通过发射偶极发送出去。大功率电磁脉冲逆变过程中，逆变模块等电力器件会因效率问题而发热，设计高效的散热方案是解决途径之一。另外，由于发射机是向海水供电，负载具有独特性，有关向海水中激发大功率电磁波的问题国内至今未见研究报道。

6、电磁发射机低压主控单元软硬件设计。海底拖曳的发射机要求高稳定度和高智能化，实现这一目标，就应对本发射机移植可剪裁操作系统和开发相应的驱动程序。电磁发射机低压主控单元软硬件是实现发射机各项功能的核心控制单元，能够实现各种预定的控制功能，诸如开启和关闭发射、更改发射频率、测量正反向发射电流和直流供电电压、控制高度计测量距海底高度、测量发射机拖体的姿态等功能，还可以测量承压密封舱的内部温度和锂电池包电压，实时监测发射机工作状况，防止仪器内部温度过高和电池电量过低而影响电路的正常工作。主控单元通过光电复合缆和甲板端监控软硬件进行远程通信，下载运行控制命令或上传状态信息。这是陆上电磁探测未曾涉及而海洋环境下却必须解决的特殊技术。

7、远程数据通信和甲板端监控单元软硬件的开发。发射机拖体一经投放入水，只能通过甲板监控软件界面对其进行监控。为实现利用万米深拖缆进行长距离远程通信，需研制与海底通信模块相匹配的上位机光电信号转换单元，开发基于高级可视化图形编程工具的上位机软件，实现对发射机的监控和信息记录。在发射机承压密封舱内，主控单元通过串口转光纤模块将串口数据转换为能够进行长距离数据通信的光纤数据，在甲板端，再通过该模块，将串口数据还原，从而实现发射机与甲板端的通信。

上述技术问题都是海洋可控源电磁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，设计了一种海洋可控源电磁发射系统。

发明内容：

为了克服在海底进行可控源电磁发射的特殊问题，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，设计了一种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法。

本发明提供的一种海洋可控源电磁发射系统，主要包括船载大功率发电机、甲板升压单元、甲板端监控单元、深拖缆、海底降压整流单元、海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、发射电极系等部件；各部件的具体作用如下：

船载大功率发电机，与甲板升压单元相连，为整个发明装置提供大功率电能支持；

甲板升压单元，被固定于船甲板上，通过电力线与船载大功率发电机和深拖缆相连，用于将船载发电机产生的三相工业电升压至高压电，在所述深拖缆中传输该高压电；

通过深拖缆连接的甲板端监控单元，用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大功率电磁发射机的工作状况；

深拖缆，能够直接拖曳海底的海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体行进，并借助分线器引出通信用光纤和电力线；

海底降压整流单元，用于将深拖缆中的交流高压电降压至低压并整流，然后输出给海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机；

海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机，与所述深拖缆和所述发射电极系相连，作为海底可控源电磁场的激励场源；

发射电极系，传送海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机产生的大功率逆变电磁波。

优选地，甲板升压单元包括大功率三相隔离变压器、功率保险丝、电压表和电流表及风扇；其中大功率三相隔离变压器，是升压部件，利用变压器的抽头、交流接触器和旋钮开关等部件选择输出预定的高压电压；功率保险丝，用于保护电路系统；电压表和电流表，用于测量输出电压和电流幅值；风扇，其用于甲板升压单元机箱的内部散热。

优选地，深拖缆包括：甲板端分线器，用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传输的光纤分开；万米铠装光电复合缆，通过光端机的光电转换和串口接口，实现所述甲板端监控单元和发射机内部通信模块的远程连接；电力线用于电能的长距离低损耗传输；水下分线器，除了具有甲板端分线器的功能外，还具有水密承压性能，利用其将水下分线器连接至发射机承压密封舱。

优选地，海底降压整流单元，先将深拖缆中传输的交流高压通过内部的降压变压器变至低压交流，然后利用整流模块实现到直流低压的转换，并通过专门的水密接插件接至发射机内部的逆变模块；海底降压整流单元安装于一个专门的承压密封舱，内部充有绝缘导热油，电力转换过程中产生的热量，可通过导热油传递至承压密封舱壁，借助海水散热。

优选地，海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机包括：主控模块，其采用嵌入式主控电路板，以实现海洋可控源电磁发射系统的总体逻辑控制；通信模块，将电性数据信号转换为可以在光纤中传输的光信号，主控模块通过通信模块和深拖缆实现甲板端和发射机的远程通信；驱动模块，其为逆变模块提供驱动信号；逆变模块，其用于实现直流到预定大功率交流方波的转换并具有逆变开关功能，本发明采用智能功率模块(IPM)其以低饱和压降IGBT芯片为基本功率开关元件；散热模块，通过铸铝散热器将所述整流模块和逆变模块工作过程中产生的热量传导至所述承压密封舱舱壁；锂电池包，用以给所述驱动模块、主控模块、通信模块和辅助信息测量单元供给电能，并且与船载大功率发电机产生的电力供应的隔离；辅助信息测量单元，在主控模块控制下，实现辅助信息的测量；发射机拖体，用于承载海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机。

优选地，发射电极系包括：发射电缆，一端连接至发射机承压密封舱末端端盖，发射电缆的另一端连至铜管材质的发射偶极；发射偶极，其为紫铜材质，并且具有接触面积大的空心状型材结构；牵引缆，其为高分子聚乙烯纤维绳；浮力材料，其采用微珠材料，能够在深水环境下提供浮力。

进一步地，辅助信息测量单元包括：姿态方位读出模块，用于测量所述发射机拖体的俯仰、横滚和航向等姿态方位信息；GPS对钟及时间同步模块，发射机内部包含由高精度温度补偿晶振构成的时钟稳定度为10^-8s/s(周期稳定度的单位，秒每秒，即1秒中变化的量10^-8s，)的实时钟模块，该模块在整个海底探测期间为所述发射机提供计时和同步功能；温度传感器，用于监测发射机承压密封舱内部的温度；电流传感器，通过霍尔电流传感器，用以监测发射的正向和反向发射电流；电压传感器，用来检测直流供电电压和锂电池包剩余电量；高度计，安装在所述拖体中部前端，底端预留出20cm×20cm的空间，利用声学特性测量拖曳体距离海底的高度，其输出的信号通过水密电缆和所述承压密封舱端盖输送至发射机内部的主控模块，再利用通信模块传送至甲板端监控单元。

更进一步地，发射机拖体包括：水密接插件，包括水密电缆和水密插座，用于连接所述发射机中各电气接口；承压密封舱，通过一对不锈钢卡箍安装在发射机拖体中部，发射机内部的所有电路器件和锂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45MPa，以在4000m水深处安全工作；导流头和平衡翼，分别安装于拖体前端和尾端；配重铅块，安装于拖体中间底部；拖体框架，是用耐海水腐蚀的钢制作完成；限位梁，用于水下分线器的限位，防止深拖缆铰接在所述拖体框架上；万向轮，拖体底部安装有四个承重万向轮，方便于所述发射机拖体的陆上搬运。

另外，提供一种使用上述海洋可控源电磁发射系统的方法，其具体包括步骤：

(1)将船开至预定发射点位附近，在海面上启动海洋可控源电磁发射系统，进行GPS对钟及仪器原理性测试；

(2)开始投放由浮力材料捆绑好的发射偶极和发射电缆，投放过程中船速小于2节；投放完毕后由船上A型吊臂将海洋可控源电磁发射机拖体投放入海；

(3)入水之后，发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引，自由下沉抵达近海底，下沉过程中通过高度计时刻监视发射机距离海底的高度；发射机拖体到达距离海底0-50m范围内时，可以开启甲板发电机和变压器总开关，按照预定发射方案开始正式向海底供电；

(4)投放至海底的混场源电磁接收机阵列开始自动分频段变采样率地进行海洋可控源电磁场数据采集；

(5)发射机与接收机之间的工作节拍相同，同步精度为10^-8s/s。

(6)在采集过程中，海底混场源电磁接收机同时记录六路信号，即水平正交的两路电场、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)海底发射和测量结束后，回收仪器设备；

(8)最后对存储在接收机内部的数据进行回放，经数字信号处理，获得海底以下的电阻率信息。

由于本发明采用以上技术方案，与传统的地震勘探仪器相比，海上施工难度相对变小，并且该设备与以往同类地质勘探设备成本大幅度降低，揭示海底以下介质电性分层结构的优势明显，因此将进一步为海底以下蕴藏的诸如石油、天然气、硫化矿和天然气水合物之类的丰富矿产资源的探测提供准确详实的科学数据。

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为依据本发明的海洋可控源电磁发射系统原理框图；

图2为依据本发明的甲板端监控单元的功能框图；

图3为依据本发明的甲板端上位机监控示意图

图4为依据本发明的逆变模块原理框图；

图5为依据本发明的辅助信息测量单元原理框图；

图6为依据本发明的发射机拖体原理框图；

图7为依据本发明的海洋可控源电磁发射机拖体结构图；

图8为依据本发明的海洋可控源电磁发射机功能框图；

图9为依据本发明的发射机运行程序框图；

图10为依据本发明的海洋可控源电磁探测系统海试作业示意图。

附图中标记的文字说明：

ARM精简指令集高级单片机；

IPM智能功率模块；

CPLD可编程逻辑芯片；

GPS全球卫星定位系统；

URAT通用串行总线接口；

GPIO通用输入输入接口；

A/D模拟数字转换；

RTC实时钟模块。

附图1和图9中，1表示舰载大功率发电机，2表示甲板升压单元，21表示大功率三相隔离变压器，22表示电压表/电流表，23表示功率保险丝，24表示风扇，3表示甲板端监控单元，4表示深拖缆，41表示甲板端分线器，42表示万米铠装光电复合缆，43表示水下分线器，5表示海底降压整流单元，6表示海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机，61表示主控模块，62表示通信模块，63表示驱动模块，64表示逆变模块，65表示散热模块，66表示锂电池包，67表示辅助信息测量单元，68表示发射机拖体，7表示发射电极系，71表示发射电缆，72表示发射偶极，73表示牵引缆，74表示浮力材料。

附图2中，3表示甲板端监控单元，31表示锂电池包剩余电量，32表示直流供电电压，33表示正反向发射电流，34表示舱内及基板温度，35表示姿态方位信息，36表示拖体距离海底高度，37表示发射机工作模式，38表示发射机工作状态。

附图3中，64表示逆变模块，641表示逆变脉冲产生电路，642表示死区时间产生电路，643表示缓冲电路，644表示隔离电路，645表示电流监测电路，646表示报警电路。

附图4中，67表示辅助信息测量单元，671表示姿态方位读出模块，672表示GPS对钟及时间同步模块，673表示温度传感器，674表示电流传感器，675表示电压传感器，676表示高度计。

附图5和附图6中，68表示发射机拖体，681表示水密接插件，682表示承压密封舱，683表示导流头，684表示平衡翼，685表示配重铅块，686表示拖体框架，687表示限位梁，688表示万向轮。

附图7中，3表示甲极端监控单元，42表示万米铠装光电复合缆，62表示通信模块，61表示主控模块。

具体实施方法：

依据本发明所述的海洋可控源电磁发射系统及其使用方法，利用拖曳式轴向电偶源发射人工电磁场，激发海底以下的被探测目标体，测取其电磁感应信号，从而获得海底以下深层纵向及横向介质的电性结构信息，揭示底层结构和油气等矿产资源的分布规律。

本发明采用的技术方案为一种海洋可控源电磁发射系统，其包括船载大功率发电机、甲板升压单元、甲板端监控单元、深拖缆、海底降压整流单元、海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、发射电极系；其中船载大功率发电机，与所述甲板升压单元相连，为整个发明装置提供大功率电能支持；甲板升压单元，被固定于船甲板上，通过电力线与船载大功率发电机和深拖缆相连，用于将船载发电机产生的三相工业电升压至高压，在所述深拖缆中传输该高压；通过深拖缆连接的甲板端监控单元，用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大功率电磁发射机的工作状况；深拖缆，与所述甲板升压单元、所述海底降压整流单元和所述发射机等相连，能够直接拖曳海底的发射机拖体行进，借助分线器引出通信用光纤和电力线；其具有一定的抗拉性能；海底降压整流单元，与所述深拖缆和所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机相连，将深拖缆中的高压交流转换为低压直流，并给所述发射机供电；海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机，与所述深拖缆和所述发射电极系相连，作为海底可控源电磁场的激励场源，是实现海洋可控源电磁发射的关键设备；发射电极系，是传送大功率逆变电磁波的媒介。

甲板升压单元包括大功率三相隔离变压器、功率保险丝、电压表和电流表及风扇；大功率三相隔离变压器，是升压部件，利用变压器的抽头、交流接触器和旋钮开关等部件选择输出预定的高压电压；功率保险丝，用于保护电路系统；电压表和电流表，用以测量输出电压和电流幅值；风扇，用于甲板升压单元机箱的内部散热。

深拖缆包括：甲板端分线器，用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传输的光纤分开；万米铠装光电复合缆，通过光端机的光电转换和串口接口，实现所述甲板端监控单元和发射机内部通信模块的远程连接，其中的电力线用于电能的长距离低损耗传输；水下分线器，除了具有甲板端分线器的功能外，还具有水密承压性能，利用所述水密接插件将其连接至发射机承压密封舱。

所述海底降压整流单元，先将所述深拖缆中传输的交流高压通过内部的降压变压器变至低压交流，然后利用整流模块实现到直流低压的转换，并通过专门的所述水密接插件接至所述发射机内部的所述逆变模块；所述海底降压整流单元安装于一个专门的承压密封舱，内部充有绝缘导热油，电力转换过程中产生的热量，可通过导热油传递至承压密封舱壁，借助海水散热。

所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机包括：主控模块，采用嵌入式主控电路板，可以实现发射机装置的总体逻辑控制；通信模块，将电性数据信号转换为可以在光纤中传输的光信号，所述主控模块通过所述通信模块和所述深拖缆实现甲板端和发射机的远程通信；驱动模块，提供适当的驱动信号以确保所述逆变模块正常工作；逆变模块，实现直流到预定大功率交流方波的转换，本发明采用智能功率模块IPM作为逆变开关模块，它以低饱和压降IGBT芯片为基本功率开关元件，可以承受大电流，具有高的可靠性与安全性；散热模块，通过定制的铸铝散热器，将所述整流模块和逆变模块工作过程中产生的热量传导至所述承压密封舱舱壁，借助海水散热；锂电池包，用以给所述驱动模块、主控模块、通信模块和辅助信息测量单元供给电能，确保与船载大功率发电机产生的电力供应的隔离；辅助信息测量单元，在所述主控模块控制下，实现辅助信息的测量，比如拖曳体姿态方位信息(俯仰角度、横摇角度、航向角度)、正反向发射电流、直流供电电压、锂电池包剩余电量、拖曳体距离海底高度、承压密封舱内部温度等等；发射机拖体，用于承载所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机各所属部件。

所述发射电极系包括：发射电缆，由发射机承压密封舱末端端盖引出，电缆的另一端连至铜管材质的所述发射偶极；发射偶极，经过若干次室内盐水槽测试，选定不易折断、导电性能好的紫铜作为发射偶极的材料，且选定接触面积大的空心状型材作为电极的结构，能有效降低功率损耗，利于向海底介质中发送大功率电流；牵引缆，为耐腐蚀、中性浮力的高分子聚乙烯纤维绳，抗拉力为1吨，防止所述发射电缆和发射偶极受力；浮力材料，采用特殊的微珠材料，能够在深水环境下提供浮力，经过配重计算的所述浮力材料均匀地捆绑在牵引缆各处，保证所述发射电缆和发射偶极在海水中的中性状态，利于拖曳行进。

所述辅助信息测量单元包括：姿态方位读出模块，用于测量所述发射机拖体的俯仰、横滚和航向等姿态方位信息；GPS对钟及时间同步模块，发射机内部包含由高精度温度补偿晶振构成的时钟稳定度为10^-8s/s的实时钟模块；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所述发射机提供计时和同步功能；温度传感器，用于监测所述发射机承压密封舱内部的温度；电流传感器，通过霍尔电流传感器，用以监测发射的正向和反向发射电流；电压传感器，用来检测直流供电电压和锂电池包剩余电量；高度计，安装在所述拖体中部前端，底端预留出20cm×20cm的空间，利于声波信号测距，利用声学特性测量拖曳体距离海底的高度，其输出的信号通过专门的水密电缆连接至所述承压密封舱端盖，进而连接至发射机内部的所述主控模块，再通过所述通信模块传送至所述甲板端监控单元。

所述发射机拖体包括：水密接插件，包括水密电缆和水密插座，用于连接所述发射机中各电气接口；承压密封舱，通过一对不锈钢卡箍安装在所述发射机拖体中部，发射机内部的所有电路器件和所述锂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45MPa，以在4000m水深处安全工作；导流头和平衡翼，分别安装于所述拖体前端和尾端，减少前行阻力，利于拖体破水前进；配重铅块，安装于拖体中间底部，有助于拖体稳定下沉；拖体框架，所述拖体框架是用耐海水腐蚀的特种钢制作完成，包含板材、管材、弯管和角钢等；限位梁，用于所述水下分线器的限位，防止所述深拖缆铰接在所述拖体框架上；万向轮，拖体底部安装有四个承重万向轮，方便于所述发射机拖体的陆上搬运。

在上面所述的仪器系统在海底进行可控源电磁场激发的方法，包括步骤：

(1)将船开至预定发射点位附近，在海面上启动海洋可控源电磁发射系统，进行GPS对钟及仪器原理性测试；

(2)开始投放由浮力材料捆绑好的发射偶极和发射电缆，投放过程中船速小于2节。投放完毕后由船上A型吊臂将海洋可控源电磁发射机拖体投放入海。

(3)入水之后，发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引，自由下沉抵达近海底，下沉过程中可以通过高度计时刻监视发射机距离海底的高度。发射机拖体到达距离海底0-50m范围内时，可以开启甲板发电机和变压器总开关，按照预定发射方案开始正式向海底供电。

(4)同时，投放至海底的混场源电磁接收机阵列开始自动分频段变采样率地进行海洋可控源电磁场数据采集。

(5)发射机与接收机之间的工作节拍相同，同步精度为10^-8s/s。

(6)在采集过程中，海底混场源电磁接收机同时记录六路信号，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。

(7)海底发射和测量结束后，回收各台仪器设备。

(8)最后对存储在接收机内部的数据进行回放，经数字信号处理，获得海底以下的电阻率信息，通过分析海底纵向及横向的电阻率变化，并结合其他学科资料，可以对海底矿产资源分布和含量进行估计，为进行实际开采提供科学依据。

为了更进一步详细说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的结构原理和构成部分及使用方法进行具体描述。但是本领域技术人员应当清楚，下面对各相应部分的解释和说明仅仅是示例性的；不应当将本发明限制到具体实施例，本领域技术人员也可以经过创造性劳动，通过其他途径来实现本发明的技术方案。

参见图1，图1为依据本发明的海洋可控源电磁发射系统原理框图。本发明是依据海洋可控源电磁法在近海底完成大功率拖曳式电磁场激发的系统，包括船载大功率发电机1，与所述甲板升压单元2相连，为整个发明系统提供大功率电能支持；甲板升压单元2，固定于船甲板某处，通过电力线与所述船载大功率发电机1和深拖缆4相连，用于将船载发电机1产生的三相工业电升压至高压，便于在深拖缆4中进行传输；甲板端监控单元3，与所述深拖缆4相连，用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大功率电磁发射机6；深拖缆4，具有一定的抗拉性能，能够直接拖曳海底的所述发射机6行进，借助所述分线器41和43引出通信用光纤和电力线；海底降压整流单元5，与所述深拖缆4和所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6相连，用于将所述深拖缆4中传输的高压交流转换为输送至所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6的低压直流；海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6，与所述深拖缆4、所述海底降压整流单元5和所述发射电极系6相连，作为海底可控源电磁场的激励场源，是实现海洋可控源电磁发射的关键设备；发射电极系6，是传送大功率逆变电磁波的媒介。

再参加图1，所述甲板升压单元2包括大功率三相隔离变压器21，是主要升压部件，利用变压器的抽头、交流接触器和旋钮开关等部件选择输出预定的高压电压；功率保险丝23，用于保护电路系统；电压表和电流表22，用以测量输出电压和电流幅值；风扇24，用于甲板升压单元机箱的内部散热。

再参见图1，所述深拖缆4包括：甲板端分线器41，用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传输的光纤分开；万米铠装光电复合缆42，通过光端机的光电转换和串口接口，实现所述甲板端监控单元3和所述发射机内部通信模块62的远程连接，其中的电力线用于电能的长距离低损耗传输；水下分线器43，除了具有甲板端分线器的功能外，还具有水密承压性能，利用所述水密接插件681将它们连接至所述发射机承压密封舱682。

再参见图1，所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6，包括：主控模块61，采用嵌入式主控电路板，可以实现发射机系统的总体逻辑控制；通信模块62，将电性数据信号转换为可以在光纤中传输的光信号，所述主控模块61通过所述通信模块62和所述深拖缆4实现甲板端和发射机的远程通信；驱动模块63，实现弱电的控制电路和强电的供电主回路电气上的隔离，避免控制部分受到影响甚至破坏，另外提供适当的驱动信号以确保所述逆变模块64正常工作；逆变模块64，实现直流到预定大功率交流方波的转换，本发明采用智能功率模块IPM作为逆变开关模块，本发明采用智能功率模块IPM作为逆变开关模块，它以低饱和压降IGBT芯片为基本功率开关元件，可以承受大电流，具有高的可靠性与安全性；散热模块65，通过定制的铸铝散热器，将所述逆变模块64工作过程中产生的热量传导至所述承压密封舱682舱壁，借助海水散热；辅助信息测量单元67，在所述主控模块61控制下，实现辅助信息的测量，比如拖曳体姿态方位信息(俯仰角度、横摇角度、航向角度)、正反向发射电流、直流供电电压、锂电池包剩余电量、拖曳体距离海底高度、承压密封舱内部温度等等；锂电池包66，用以给所述主控模块61、通信模块62、驱动模块63和辅助信息测量单元67供给电能，确保与电力供电的隔离；发射机拖体68，用于承载所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6各所属部件。

再参见图1，所述发射电极系7包括：发射电缆71，由所述发射机承压密封舱682末端端盖引出，电缆的另一端连至铜管材质的所述发射偶极72；发射偶极72，经过若干次室内盐水槽测试，选定不易折断、导电性能好的紫铜作为发射偶极的材料，且选定接触面积大的空心状型材作为电极的结构，能有效降低功率损耗，利于向海底介质中发送大功率电流；牵引缆73，为耐腐蚀、中性浮力的高分子聚乙烯纤维绳，抗拉力为1吨，防止所述发射电缆71和发射偶极72受力；浮力材料74，采用特殊的微珠材料，能够在深水环境下提供浮力，经过配重计算的所述浮力材料74均匀地捆绑在牵引缆各处，保证所述发射电缆71和发射偶极72在海水中的中性状态，利于拖曳行进。

参见图2和图3，图2为甲板端监控单元功能框图，图3为甲板端上位机监控示意图。在本发明的另一个方面中，在甲板上利用自主编写的图形化监控程序，通过所述深拖缆4可以与在海底被拖曳的海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6建立远程数据通信，实现对发射机的实时监测和状态控制。该软件功能为：将实时监测的数据以图形化的方式直观地显示出来，譬如锂电池包剩余电量31、直流供电电压32、正反向发射电流33、舱内及基板温度35、所述发射机拖体68的姿态方位信息35、拖体离海底的高度36；可更改发射机的工作模式37，比如频域或时域供电；可更改发射机的工作状态38，比如开启和关闭电磁发射、更改发射频率、设置定时发射等。监视海下拖体的姿态信息，可以明确拖体行进过程中是否发生意外；记录正确的方位，可有利于后续航迹数据的校正处理；直流供电电压和发射电流是发射机正常工作的间接反映，正反向发射电流同时也是后续数据解释处理不可或缺的参数；实时监视锂电池包的剩余电量和仪器舱内部的温度，可监测仪器的工作情况。

参见图4，图4为逆变模块原理框图。所述逆变模块64，包括：逆变脉冲产生电路641，通过所述主控模块61和驱动模块63来控制逆变模块IPM的通断，将加在所述发射机6上的直流电逆变成所要求的正负相间的交流波形发送出去，逆变后的交流信号波形、频率由所述甲板监控单元3发出的指令来控制；死区时间产生电路642，通过硬件和软件产生的死区时间，可避免上下两相开关同时导通而导致发送回路短路烧毁器件；缓冲电路643，通过IPM内部集成和外部设计的缓冲电路，可以有效吸收逆变过程中产生的电流和电压尖脉冲；隔离电路644，实现弱电的控制电路和强电的供电主回路电气上的隔离，避免控制部分受到影响甚至破坏；电流监测电路645，通过所述主控模块61内部的模数转换器和电流传感器实现正反向发射电流的监测；报警电路646，如果IPM检测到有过流、短路、欠压和过热等现象，它将每隔一定的时间，通过报警信号来提示所述主控模块61，使其发出指令停止IPM的控制操作。

参加图5，图5为辅助信息测量单元原理框图。所述辅助信息测量单元67，包括：姿态方位读出模块671，用于测量所述发射机拖体68的俯仰、横滚和航向等姿态方位信息；GPS对钟及时间同步模块672，发射机内部包含由高精度温度补偿晶振构成的时钟稳定度为10^-8s/s的实时钟模块；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所述发射机6提供计时和同步功能；温度传感器673，用于监测所述发射机承压密封舱682内部的温度；电流传感器674，通过霍尔电流传感器，用以监测发射的正向和反向发射电流；电压传感器675，用来检测直流供电电压和锂电池包剩余电量；高度计676，安装在所述拖体68中部前端，底端预留出20cm×20cm的空间，利于声波信号测距，利用声学特性测量所述拖曳体68距离海底的高度，其输出的信号通过专门的水密电缆连接至所述承压密封舱682端盖，进而连接至发射机内部的所述主控模块61，再通过所述通信模块62传送至所述甲板端监控单元3。

参见图6和图7，图6为发射机拖体原理框图，图7为海洋可控源电磁发射机拖体结构图。所述发射机拖体68，包括：水密接插件681，包括水密电缆和水密插座，用于连接所述发射机6中各电气接口；承压密封舱682，通过一对不锈钢卡箍安装在所述发射机拖体68中部，发射机内部的所有电路器件和所述锂电池包66被密封在由非磁性材料LC4超硬铝制成的所述圆柱型承压密封舱682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45MPa，以在4000m水深处安全工作；导流头683和平衡翼684，分别安装于所述拖体68前端和尾端，减少前行阻力，利于拖体破水前进；配重铅块685，安装于所述拖体68中间底部，有助于拖体稳定下沉；拖体框架686，所述拖体框架686是用耐海水腐蚀的特种钢制作完成，包含板材、管材、弯管和角钢等；限位梁687，用于所述水下分线器43的限位，防止所述深拖缆4铰接在所述拖体框架686上；万向轮688，所述发射机拖体68底部安装有四个承重万向轮，方便于所述发射机拖体68的陆上搬运。

参见图8，图8为海洋可控源电磁发射机功能框图。在本发明中，发射机中的所述主控模块56是系统运行控制的核心，能够完成如下功能：进行GPS对钟，读取精确时间和位置信息，更新实时钟模块RTC，进行时间同步；通过自定的协议通讯和GPIO接口，使可编程逻辑控制芯片CPLD来控制逆变发射单元IPM，使其开启、停止、更改发射频率和调整发射脉宽等；通过所述姿态方位读出模块671和串口UART，可以测量所述发射机拖体68的姿态方位信息；通过所述高度计676可以得出所述发射机拖体68距离海底的高度信息；通过A/D接口，测量正反向发射电流，实时监控发射电流的大小；所述主控模块61还可以测量仪器的内部温度和电池包电压，实时监控发射机工作状况，防止仪器内部温度过高和电池电量过低而影响电路的正常工作；所述主控模块61通过串口与所述通信模块62建立通讯，所述通讯模块62通过内部的光端机将串口数据转换为能够进行长距离数据通信的光纤数据，再经过所述万米铠装光电复合缆42的传输，在甲板端通过所述甲板端监控单元3将串口数据还原，从而实现所述发射机6与甲板端监控单元3的通信，下载运行控制命令或上传状态信息。

参见图9，图9为发射机运行程序框图。所述发射机6电路上电启动后，开始进行所述主控模块61和其他模块的初始化，等待外部命令的控制。为使整个海底测网按同一个标准时间运行，初始化完成后，需要在甲板上进行GPS对钟，保证整个系统的时间同步。在对钟完成之后，投放所述发射机6。所述甲板监控单元3依照既定的通信协议与所述发射机6进行通信。通信协议中包含读取各个状态信息的命令，比如读取仪器舱内温度、锂电池剩余电量、直流供电电压、正反向发射电流、拖体距离海底高度、拖体姿态方位等辅助信息。另外，协议中也包含了控制发射机运行的命令，例如，控制发射机复位和启停、改变供电频率和模式、测试发射机运行状态等命令。投放过程中，可以随时监视发射机的下沉状态，实时测量距离海底高度，待拖体距离海底高度稳定在安全值时，开始按照通信协议进行发射机供电运行。所述电磁发射机6在海底被拖曳过程中，通过信号线实时监视和控制其工作状态。如图8右侧内容所示，以测量舱内温度为例，如果时刻监测的舱内温度超过警戒值，则开始报警并让发射机停止工作，并采取降温措施，待温度处于安全温度以内，开启发射机继续供电工作。其他参量的监测和温度监测类似，不再赘述。

参见图10，图10为海洋可控源电磁探测系统海试作业示意图。海试作业时，有拖曳移动的设备(所述海底降压整流单元5和海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机6)，也有静止观测的设备(海底电磁接收阵列)。海试过程中，拖曳移动设备由作业船牵引，沿预计的航线匀速行进。静止观测的设备则分布在海底，由作业船在试验前将其投放，并在试验后对其回收。具体作业过程如下：首先连接和准备好海洋可控源电磁探测硬件系统，预先沿测线在各测点投放若干台海底电磁接收机；在海面上启动所述海洋可控源电磁发射系统，进行GPS对钟及仪器原理性测试，将船开至预定发射点位附近，开始投放由浮力材料捆绑好的所述发射电极系6，投放过程中船速小于2节。所述发射电极系7投放完毕后由船上A型吊臂将所述海洋可控源电磁发射机6拖体投放入海。入水之后，发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引，自由下沉抵达近海底，下沉过程中可以通过高度计时刻监视发射机距离海底的高度。发射机拖体到达距离海底0-50m范围内时，可以开启甲板发电机和变压器总开关，按照预定发射方案开始正式向海底供电。该发射系统是由所述船载大功率发电机1提供电力，在甲板上利用所述升压单元2将供电电压提升至2000V以上，便于在所述深拖缆4上长距离低损耗传输；在海底的所述海底降压整流单元4将所述深拖缆4上的高压小电流变换为低压直流大电流，再转输给所述发射机的逆变模块64和发射电极系7发射到海底的介质里，从而形成海洋可控源电磁场激励场源；甲板端监控单元3可通过所述通信模块62和深拖缆4与海底的发射机6建立远程数据通信，从而查看和更改发射机的运行状态。投放至海底的电磁接收阵列开始自动分频段变采样率地进行海洋可控源电磁场数据采集。待海底电磁发射完成后，开始回收发射机设备。海底电磁接收阵列接着采集若干小时的天然电磁场数据，测量结束后，回收各台接收机。发射和采集到的数据随后进行联合处理。至此，完成海洋可控源电磁探测海上作业。

如上所述，已经清楚详细地描述了本发明提出的技术方案。尽管本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，但是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多种修改。

Claims (7)

1.一种海洋可控源电磁发射系统，其包括船载发电机、甲板升压单元、甲板端监控单元、深拖缆、海底降压整流单元、海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、发射电极系；特征在于： 

船载发电机，与甲板升压单元相连，为所述发射系统提供大功率电能支持； 

甲板升压单元，被固定于船甲板上，通过电力线与船载发电机和深拖缆相连，用于将船载发电机产生的三相工业电升压至高压电，在所述深拖缆中传输该高压电； 

通过深拖缆连接的甲板端监控单元，用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大功率电磁发射机的工作状况； 

深拖缆，能够直接拖曳海底的海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体行进，并借助分线器引出通信用光纤和电力线； 

海底降压整流单元，用于将深拖缆中的交流高压电降压至低压并整流，然后输出给海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机，并通过专门的水密接插件接至海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机内部的逆变模块；海底降压整流单元安装于一个专门的承压密封舱，内部充有导热绝缘油，电力转换过程中产生的热量，能够通过导热油传递至承压密封舱壁，借助海水散热； 

海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机，与所述深拖缆和所述发射电极系相连，作为海底可控源电磁场的激励场源； 

发射电极系，传送海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机产生的大功率逆变电磁波。 

2.如权利要求1所述的系统，其中甲板升压单元包括大功率三相隔离变压器、功率保险丝、电压表和电流表及风扇；其中 

大功率三相隔离变压器，其利用变压器的抽头、交流接触器和旋钮开关部件选择输出预定的高压电压； 

功率保险丝，其用于保护电路系统； 

电压表和电流表，其用于测量输出电压和电流幅值； 

风扇，其用于甲板升压单元机箱的内部散热。 

3.如权利要求1所述的系统，其中深拖缆包括： 

甲板端分线器，用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传输的光纤分开； 

万米铠装光电复合缆，通过光端机的光电转换和串口接口，实现甲板端监控软硬件 和海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机内部通讯模块的远程通信；在万米铠装光电复合缆中包括电力线，电力线用于电能的长距离低损耗传输； 

水下分线器，除了具有甲板端分线器的功能外，还具有水密承压性能，利用水密接插件将水下分线器连接至海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机承压密封舱。 

4.如权利要求1所述的系统，其中所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机包括： 

主控模块，其采用嵌入式主控电路板，以实现海洋可控源电磁发射系统的总体逻辑控制； 

通信模块，将电性数据信号转换为可以在光纤中传输的光信号，主控模块通过通信模块和深拖缆实现甲板端和海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机的远程通信； 

驱动模块，其为逆变模块提供驱动信号； 

逆变模块，其用于实现直流到预定大功率交流方波的转换并具有逆变开关功能，其以低饱和压降IGBT芯片为基本功率开关元件； 

散热模块，通过铸铝散热器将整流模块和逆变模块工作过程中产生的热量传导至承压密封舱舱壁； 

锂电池包，用以给所述驱动模块、主控模块、通信模块和辅助信息测量单元供给电能，并且与船载发电机产生的电力隔离开来； 

辅助信息测量单元，在主控模块控制下，实现辅助信息的测量； 

海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体，用于承载海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机。 

5.如权利要求4所述的系统，其中所述辅助信息测量单元包括： 

姿态方位读出模块，用于测量所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体的俯仰、横滚和航向姿态方位信息； 

GPS对钟及时间同步模块，海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机内部包含由高精度温度补偿晶振构成的时钟稳定度为10^-8s/s的实时钟模块，该模块在整个海底探测期间为所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机提供计时和同步功能； 

温度传感器，用于监测海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机承压密封舱内部的温度； 

电流传感器，通过霍尔电流传感器，用以监测发射的正向和反向发射电流； 

电压传感器，用来检测直流供电电压和锂电池包剩余电量； 

高度计，安装在所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体中部前端，底端预留出20cm×20cm的空间，利用声学特性测量海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体距离海底的高度，其输出的信号通过水密电缆和所述承压密封舱端盖输送至海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机内部的主控模块，再利用通信模块传送至甲板端监控单元。 

6.如权利要求4所述的系统，其中所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体包括： 

水密接插件，包括水密电缆和水密插座，用于连接所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机中各电气接口； 

承压密封舱，通过一对不锈钢卡箍安装在海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体中部，海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机内部的所有电路器件和锂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45MPa，以在4000m水深处安全工作； 

导流头和平衡翼，分别安装于海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体前端和尾端； 

配重铅块，安装于海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体中间底部；海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体框架，是用耐海水腐蚀的钢制作完成； 

限位梁，用于水下分线器的限位，防止深拖缆铰接在所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体框架上； 

万向轮，海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体底部安装有四个承重万向轮，方便于所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体的陆上搬运。 

7.使用权利要求1-6中任一所述系统在海底进行可控源电磁场激发的方法，包括步骤： 

(1)将船开至预定发射点位附近，在海面上启动海洋可控源电磁发射系统，进行GPS对钟及仪器原理性测试； 

(2)开始投放由浮力材料捆绑好的发射偶极和发射电缆，投放过程中船速小于2节；发射偶极和电缆投放完毕后由船上A型吊臂将海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体投放入海； 

(3)入水之后，海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引，自由下沉抵达近海底，下沉过程中通过高度计时刻监视海洋可控源拖曳式大功率电磁发 射机距离海底的高度；海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体到达距离海底0-50m范围内时，能够开启甲板发电机和变压器总开关，按照预定发射方案开始正式向海底供电； 

(4)投放至海底的混场源电磁接收机阵列开始自动分频段变采样率地进行海洋可控源电磁场数据采集； 

(5)海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机与接收机之间的工作节拍相同，同步精度为10^-8s/s；

(6)在采集过程中，海底混场源电磁接收机同时记录六路信号，即水平正交的两路电场、水平与垂直两两正交的三路磁场以及自身姿态信息； 

(7)海底发射和测量结束后，回收仪器设备； 

(8)最后对存储在接收机内部的数据进行回放，经数字信号处理，获得海底以下的电阻率信息。 

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