CN104199113A - 一种分布式海洋电法测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种分布式海洋电法测量方法及装置，包括发电机、海洋电法发送机、发送电极、一个接收总节点与多个数据采集子节点、PC上位机及其软件和连接于总结点与各子节点之间的电缆，发电机连接海洋电法发送机向其输入电能，通过PC上位机调节和控制海洋电法发送机产生并发送的电压、电流和频率，通过发送电极发送，PC上位机软件向接收总结点发送命令，接收总结点控制多个数据采集子节点同步采集来自接收电极的电信号，通过电缆向PC上位机软件传回采集的数字电信号。本发明采用分布式测量，提高了采集密度和精度，使仪器变得小型化和轻便化；电缆的设计与制造工艺实现了标准化和批量化，使系统的可维护性与可靠性得到提高，扩展性能更好。

Description

一种分布式海洋电法测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种海洋电法测量方法及装置，尤其是涉及一种海洋电法勘探中采用分布式的多通道同步采集数据的测量方法及装置。

背景技术

从1987年开始，俄罗斯地质部门在海洋开展了直流电法勘探石油和硫化物矿产的工作，设计了几种最新的拖曳系统，可提供自然电位法（SP）和直流电阻率法（DC）测量。日本从1984年开始，开展了几项海洋电磁法（EM）试验，其中最大的一次是在Izu-Bonin弧进行的，从1986年到1992年，每年都围绕北西太平洋一个典型的岛弧系统进行海底EM观测，包括海底磁测(OBM)17点，海底电测(OBE)4点。Woods Hole海洋研究所，也是在这方面工作较多的机构。比如在新泽西海湾流(Gulf Stream)下布置4台OBE工作了一年，用电流计和回声仪同时进行电场和海洋测量（1993年）；设计了一套新的浅水EM装置，可以1Hz采样率记录电场水平分量、磁场矢量的变化、压力、温度和2倾斜分量等。Scripps海洋研究所、多伦多大学太平洋地球科学中心、剑桥大学一直致力于研究海洋可控源电磁法（CSEM），大约从80年代开始直到现在，研究CSEM的正、反演理论，设计用于海底探测的仪器，开展海底的试验。

上世纪90年代以来，中国地质大学、中南工业大学、长春科技大学、同济大学、浙江石油勘探处等单位加入海洋电磁研究的行列，包括大地电磁（MT）等方法，在滩海、近海地区进行了研究工作及在湖区进行了试验研究。但从总体上看，整体工作量并不很大，且都处在实验研究阶段。国内有些机构研制出了实验样机，比如国家海洋局第一海洋研究所与中国地质大学（武汉）合作，研制出了一套海洋双频激电电法探测系统，但是离生产性(或商业性)使用阶段还有一段距离，主要存在以下问题：首先，多个通道采集的信号都在一根长接收电缆内传输，而电缆的芯数和直径有一定限制，致使数据采集的通道数量受到限制。通道数量少则无法提高电法探测的分辨率，通道数量多又会给电缆的制造加工等提高难度。并且单根电缆太粗太长，在海洋拖曳作业与运输过程中难免会受到损坏，一旦损坏，其维修时间长且费用昂贵，给作业测量工作带来巨大的风险。其次，电缆一旦制造加工完成，则会有固定的数据采集通道数量与电极距，将大大限制电法测量的应用范围和减小仪器灵活性。

发明内容

为了克服现有的海洋电法测量装置存在单根长接收电缆限制采集通道数量及损坏不易维修和测量通道数量与接收电极距无法改变的不足，本发明的目的是提供一种分布式的海洋电法测量方法及装置，该方法及装置不仅能解决单根长接收电缆和数据采集通道数量间相互制约的问题，而且能方便地增减数据采集的通道数量和接收电极极距，并且电缆损坏时易于更换。

本发明的技术方案所依据的原理如下：

在地表任意两点A、B供电建立电场，然后在任意两点用测量电极M、N测定电位差。根据点电源电场的电位公式得到M、N两点的电位为：

              （1）

               （2）

其中ρ为大地电阻率，I为供电电流强度，U为M、N点的测量电位，AM、BM、AN、BN分别为电极间距。A、B在MN间产生的电位差为：

 （3）

由（3）式得均匀大地电阻率的计算公式为：

                     （4）

其中定义为电极装置系数。

本发明的分布式海洋电法测量装置，包括发电机、海洋电法发送机、发送电极、一个数据采集总节点与多个数据采集子节点、PC上位机及其软件和连接于总结点与各子节点之间的电缆，所述每个数据采集子节点包括用于防水密封节点的密封舱和接收电极，发电机连接海洋电法发送机向其输入电能，通过PC上位机调节和控制海洋电法发送机产生并发送的电压、电流和频率，通过发送电极发送，PC上位机软件向接收总结点发送命令，接收总结点控制多个数据采集子节点同步采集来自接收电极的电信号，通过电缆向PC上位机软件传回采集的数字电信号。海洋电法发送机产生并发送的电压、电流和频率有不同的组合，可以通过PC上位机软件调节和控制；接收总结点不参与数据采集工作，只起到协调器的作用，在PC机数据采集显示与控制软件的命令下管理系统中各数据采集子节点的正常工作。

单个数据采集子节点由数据采集电路板、接收电极、锂电池组成，采集子节点既可以由外部供电，也可以由自带的电池供电，实现自容工作。数据采集电路板采用多层印制电路板制作工艺，整个体积微小，可以密封在一根电缆接头处设计的耐压、耐海水腐蚀的节点密封舱内，形成一个具有独立测量功能的“数字缆”，是分布式测量的最小单元。每一段固定长度的电缆包含一个节点舱和接收电极。多段相同长度或不同长度的电缆可以通过密封电缆接头连接，形成一条具有最多达128个数据采集节点（通道）的用于数据采集的长电缆。电缆起着通讯、供电、连接测量电极、传输采集的信号等作用，同时还具备一定的抗拉能力，以适应在海底拖曳工作。总结点与多个数据采集节点通过电缆内的RS-485总线通讯。在总节点的控制下，子节点同步采集信号，测得的结果以文件格式存入节点中大容量Micro SD卡并通过RS-485网络传输到PC上位机数据经过处理得到测线的视电阻率值。如果在工作过程中数据及命令传输中断或采集子节点供电中断，采集子节点还可以由自带的电池继续工作，采集完成后，数据采集显示控制软件还可以通过总结点在线读取每个数据采集子节点中存储的数据，防止数据丢失。数据采集子节点电路采用一个3输入通道的24位模数转换器变换电路对3通道的信号进行模数转换，分别来自相邻三个通道的电极输出的电信号经过前端差分输入偏压后，送入前置程控放大器进行放大，然后经过一个二阶的巴特沃斯低通滤波器后送入24位模数转换器中。模数转换器在单片机的控制下，把采集的模拟电信号转化为数字信号，通过SPI总线将得到的数据存储在大容量SD卡里，并通过RS-485总线网络传输到PC机。

本发明的有益效果是：海洋电法探测中采用分布式测量，使得以前基于集中式数据采集的固定长度、固定通道数的单根长电缆实现由多段短电缆组合而成，变为了分布式的“数字缆”；电缆的设计与制造工艺实现了标准化和批量化，使系统的可维护性与可靠性得到提高，扩展性能更好；本装置在结构上可以任意增加或减少通道数，变化电极距。在提高了整个接收系统数据采集密度的同时，使仪器变得小型化和轻便化，这在海洋环境下作业时具有很好的实用性能；数据采集节点在最短距离内将信号采集转换为数字信号，最大程度避免了模拟信号在传输过程中受发送电缆大功率信号的干扰和道间串扰，相对于现有海洋电法的多信号线传输采集方式具有更高的精度；数据采集子节点在供电或与接收总结点通讯中断的时候可以由自带的电池继续工作，不影响作业。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图。

图2是本发明装置数据采集显示与控制软件的逻辑框图。

图3是本发明装置数据采集子节点电路逻辑框图。

图4是本发明装置数据采集子节点工作过程逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的分布式测量装置包括海洋发送机和接收系统，与提供电能的发电机，与发送机输出连接的电缆及发送电极A、B，接收系统包括PC上位机、一个接收总结点、多个数据采集子节点1，分别为子节点1、子节点2，一直到子节点n。接收总结点与各子节点之间通过电缆连接。

每个数据采集子节点包括用于防水密封节点的密封舱和接收电极，密封舱内密封有数据采集电路板和锂电池。采集子节点既可以由外部供电，也可以由自带的电池供电，实现自容工作。数据采集电路板采用多层印制电路板制作工艺，整个体积微小，密封节点密封舱内，形成一个具有独立测量功能的“数字缆”，是分布式测量的最小单元。所述总结点、子节点之间通过密封电缆接头连接。

本发明的工作过程如下：在船上布置好发电机，根据探测需要，选择发送电极A、B之间的距离和接收电极极距，计算接收电缆的长度，分配不同长度短电缆的数量，通过密封接头连接起来形成长接收电缆，保持发送电极B和总结点之间的距离把发送电缆和接收电缆放到海底，通过船行走将发送电缆和接收电缆拉直并保持在一条直线上。通过PC上位机按需要选择海洋电法发送机发送的电压、电流和频率等不同组合参数，并发送电极A、B的距离AB，发送电极B和总结点的距离BM0，子节点间的距离M0M1、M1M2…等数据记录到PC上位机。将发电机产生的电能送到海洋电法发送机。通过PC上位机向总结点发送时间校准信息、采集参数设置、通道选择与增益调整等信息，总结点再向各子节点发送相关信息，控制子节点同步采集来自接收电极的电信号，子节点将采集的信息存在各自的SD卡中，并通过RS-485网络将数据传输到PC上位机，上位机软件对数据进行处理，与发送机提供的发送电流捆绑，根据公式（4）得到视电阻率值。原始信号波形和式电阻率值以曲线显示出来，并分开存入PC机的文件中。如果在工作过程中数据及命令传输中断或采集子节点供电中断，采集子节点还可以由自带的电池继续工作，采集完成后，PC上位机软件还可以通过总结点在线读取每个数据采集子节点中存储的数据，防止数据丢失。

如图2所示，本发明采用层次化的体系结构，按照层次化体系从纵向上分为四个级别：现场层、直接控制层、操作监控层、管理层。系统在数据采集节点的硬件基础上，构建了以RS-485现场总线为基础的分布式数据采集网络结构模型，其各层功能如下：由数据采集子节点构成的现场层是数据采集系统的基础，分布在拖曳电缆中的多个数据采集子节点直接负责数据采集工作。子节点只接受总结点的命令，相互之间没有沟通；总结点构成的直接控制层是分布式数据采集系统的控制关键，总结点是一个承上启下的单元，其下与各个数据采集子节点连接，它的主要作用是负责管理整个采集网络的正常工作，包括：系统上电、启动/关闭数据采集、提供采集同步信号、收集与转发采集数据（转发给PC上位机）、故障处理等；其上与上位机软件连接，接受并转发管理层的各种信息和命令；由上位机软件和PC机构成的操作监控层是分布式数据采集系统的控制中心，供电法测量人员操作数据采集系统的工作，并作出现场分析与故障排除；分布式系统的管理层包括生产管理层和决策管理层，由测量操作人员构成。

PC上位机给用户提供一个人性化的界面，对整个水下分布式数据采集网络进行管理和监控。测量操作人员通过操作PC上位机程序控制数据采集的起始、测量方式与水下分布式数据采集系统进行数据传递与命令下发等，最后从数据采集节点读取原始的电信号，上位机后台处理上位机软件与分布式采集系统之间出现的各种数据帧，包括命令发送、命令回复、命令分类处理、弹出对话框等内容并对传送的数据进行运算后计算出视电阻率值，最后用曲线直观的显示出来，得到的视电阻率值存储进文件，用于进一步的电法反演等操作。

如图3所示，数据采集子节点电路由数据采集电路板、接收电极、锂电池、防水密封舱及电缆组成，其中数据采集电路板采用一个3输入通道的24位模数转换器变换电路对3通道的信号进行模数转换，分别来自相邻三个通道的电极输出的电信号经过前端差分输入偏压后，送入前置程控放大器进行放大，然后经过一个二阶的巴特沃斯低通滤波器后送入24位模数转换器中。模数转换器在单片机的控制下，把采集的模拟电信号转化为数字信号，通过SPI总线将得到的数据存储在大容量SD卡里，并通过RS-485总线网络传输到PC机。

如图4所示，数据采集子节点的软件由子节点单片机主控核心执行，主要包括程控增益调整与信号通道选择、A/D初始化设置与结果读取、参数设置、时钟读取、FAT16文件系统管理、通讯等子程序。节点上电后，程序进入初始化子函数，主要包括系统时钟初始化、串口初始化、Micro SD卡检测与初始化。初始化完成后读取存在防掉电存储器内的运行参数值，判断上次掉电时的运行状态。若上次是在工作状态时非正常复位，则系统直接进入工作状态，否则进入休眠等待串口中断发生。串口产生中断后，程序可以做出以下三种任务：参数设置、文件读取、进入工作。三种任务的程序出口都是返回到继续等待串口中断，直到下一个任务产生。

Claims (5)

1.一种分布式海洋电法测量装置，其特征在于包括发电机、海洋电法发送机、发送电极、一个接收总节点与多个数据采集子节点、PC上位机及其软件和连接于总结点与各子节点之间的电缆，发电机连接海洋电法发送机向其输入电能，通过PC上位机调节和控制海洋电法发送机产生并发送的电压、电流和频率，通过发送电极发送，PC上位机软件向接收总结点发送命令，接收总结点控制多个数据采集子节点同步采集来自接收电极的电信号，通过电缆向PC上位机软件传回采集的数字电信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述每个数据采集子节点包括用于防水密封节点的密封舱和接收电极。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述总结点、子节点之间通过密封电缆接头连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述密封舱包括数据采集电路板和锂电池。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述数据采集电路采用一个3输入通道的24位模数转换器变换电路对3通道的信号进行模数转换，分别来自相邻三个通道的电极输出的电信号经过前端差分输入偏压后，送入前置程控放大器进行放大，然后经过一个二阶的巴特沃斯低通滤波器后送入24位模数转换器中；模数转换器在单片机的控制下，把采集的模拟电信号转化为数字信号，通过SPI总线将得到的数据存储在大容量SD卡里，并通过RS-485总线网络传输到PC机。