CN105974480A - 一种双舱球组合式海底电磁仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双舱球组合式海底电磁仪，采用双舱球垂直组合结构，上舱球为水声控制舱球，下舱球为电磁采集舱球，双舱球组合模式降低了舱球内部空间利用复杂度，能够合理利用舱球空间并控制整机重心，内部电池空间更为充裕，可以保证一年以上留海时间和三个月以上的数据记录时间，实现了仪器工作时间与自身重量的优化设计。合理控制整机重心位置，保证了仪器下沉过程中的姿态稳定及对海底底流的抵抗能力，提高了仪器长期工作的稳定性与可靠性。本发明中的双舱球组合式海底电磁仪降低了对工作船只的要求，可以不使用重型机械进行投放与回收，仪器适用于海底矿产资源探测与海洋地质结构调查等领域。

Description

一种双舱球组合式海底电磁仪

技术领域

本发明涉及地球物理领域，具体为海底探测领域，其涉及一种双舱球组合式海底电磁仪，其适用于长期海底电磁探测的需要。

背景技术

在陆地上，电磁法已成为一种成熟的地球物理方法，特别适用于地震方法分辨不清而电磁方法优势明显的区域，包括碳酸盐礁脉、岩丘、火山岩覆盖、海底永久冻土带等，能够很好的给出地球内部电性结构。由于海洋内部环境复杂，对仪器性能要求高，电磁法长期没有进入到海洋探测领域。随着电磁理论的发展与海洋仪器的进步，近年来海洋电磁法发展迅速，成为除海洋地震法之外另一项重要的地球物理手段。

与陆地相比，海洋环境具有以下几个特点，海水是高导液体且具有动能，海洋内部压力高且海底很难接近，海底高频信号衰减强烈等，这些都对电磁探测仪器提出了严格要求，海洋电磁探测是一项对海洋水声定位、低噪声采集、仪器密封、仪器工作时长及稳定性、海洋回收等要求极高的高新探测技术。

上世纪60年代开始，国际上一些地球物理专家开始了海洋电磁场理论的研究和相关仪器的研发工作，但只是简单的将陆地上大地电磁技术移植到海洋领域，并没有专用的海洋电磁探测设备，失败率高。80年代初开始到90年代早期海洋电磁法的研究与发展进步很快，得到了质的飞跃，美国、日本都研制出了专用的海洋电磁探测装备。其特点是使用至少两个以上的仪器舱，体积大、重量居高不下，对仪器的投放回收要求很高，需要利用长臂吊车等大型机械辅助投放，设备回收过程中还需进行辅助回收，施工作业困难，工作效率低。

中国专利申请00254754.6公布了一种五分量海底大地电磁仪，采用了多浮球加仪器箱体的结构，尽可能地减少海水阻力及推力,保证下沉过程中姿态平衡,解决仪器在海底静态下工作等问题。该五分量海底大地电磁仪的特点是：玻璃舱球仅作为浮球使用，采集部分放置在仪器箱体之中，优点是重心低，电极臂长度可达10米并保持装置整体稳定，但是整机过重，空气中约700千克，操作不便。

中国专利申请201510494522.6公开了一种便携的单舱球高集成海底电磁仪，采用单舱球的一体化结构，磁探头外置，有效减少舱内元件对其产生的磁干扰，使测量数据更精确。集成电场测量和磁场测量、记录功能，减少仪器投放数量，电极臂可伸缩拆卸，可旋转竖起，并可在投放入海后展开放平；能够自主沉放及起浮，并易于投放和定向。该便携的单舱球高集成海底电磁仪的特点是：舱球提供浮力同时装载采集装置，体积小操作简便，同时存在重心不稳、不能采用较长极臂，电池空间小、工作时间短等问题。

为了提供结构更简单、工作稳定、适合长期海底电磁探测的海底电磁采集设备，需要对现有技术进行改进。

发明内容

为了解决现实需要，本发明公开一种双舱球组合式海底电磁仪，针对现有技术的不足，提供一种结构简单、工作稳定、适合长期海底电磁探测的双舱球组合式海底电磁仪以满足海洋地球物理调查的需求。

为达到上述目的，发明的技术解决方案如下。

一种双舱球组合式海底电磁仪，可同时探测三分量磁场信号和两分量电场信号；该双舱球组合式海底电磁仪由海底信号采集基站13、电极臂9、电极12构成；其中海底信号采集基站13包括双舱球、脱钩机构1、沉耦架3。双舱球由内部玻璃舱球16和外部保护壳5组成。双舱球采用垂直组合结构，上舱球为水声控制舱球2，下舱球为电磁采集舱球4，水声控制舱球2顶部安置脱钩机构1；电磁采集舱球4内置方向传感器29、姿态传感器30，工作时记录双舱球组合式海底电磁仪在海底的方位、倾斜角度信息。

海底信号采集基站13是双舱球组合结构，舱球上下垂直固定，上舱球为水声控制舱球2，水声控制板24固定在水声控制舱球2内部上方，水声控制板24包括水声信号处理模块22、GPS模块21、数传模块20、闪光灯模块23。下方放置可充电锂电池27与一次性锂电池26，水声控制舱球2设有充电接口15。下舱球为电磁采集舱球4，电磁采集舱球4顶部设置电极线缆集线盒28，电磁信号采集器17固定在电磁采集舱球4上方，可充电锂电池33与磁传感器34固定在电磁采集舱球4下方。

磁传感器34为磁通门传感器，放置在电磁采集舱球4底部，固定在电池盒19下方，电池盒19内部放置可充电锂电池33。电池盒19上方放置电磁屏蔽板18，电磁屏蔽板18上方放置固定支架25，电磁信号采集器17固定在固定支架25上。

共有四条电极臂9，在电磁采集舱球4外部保护壳5结合处正交固定，电极线缆8采用专用耐压水密双芯线缆，通过胶带固定在电极臂9上，电场信号通过电磁采集舱球4顶端电极线缆集线盒28接入电磁信号采集器17。每条电极臂9由多条极臂单元11组装而成，极臂单元11采用钛合金材料，每个极臂单元11长0.8米,直径1厘米，极臂单元11可通过连接扣10组装成不同长度的电极臂9，电极臂9外端固定电极。

沉耦架3框架由玻璃钢材料制作，内部灌注水泥，沉耦架3由中心圆板和外部框架组成，双舱球放置在中心圆板上，外部框架通过四根钢缆6连接到脱钩机构1上。

使用本发明双舱球组合式海底电磁仪，可以具有以下有益效果。

1、远洋航次具有出海时间长、受天气影响大的特点，导致仪器回收时间不确定；另外低频电磁信号对获取海洋底部地质结构作用明显，为了获取足够长度低频电磁信号，需要充足的数据记录时间。本发明中采用双舱球结构，相比单舱球可以放置更多电池，水声控制舱球中水声控制板工作电流约4毫安，放置五组电压7.4伏、容量10安时电池，即可工作约12500小时，可以保证仪器长达一年以上的留海时间；电磁采集舱球中电磁数据采集器工作电流约60毫安，共放置16组电压7.4伏、容量10安时电池，即可工作2600小时，最长记录时长超过三个月以上，超过美国SCRIPPS海洋研究所研制仪器的2个月工作时长，满足海洋电磁探测对仪器留海和工作时长的要求。

2、与国外常用的多舱球加释放器的海底电磁探测仪器相比，本发明中的海底电磁仪体积小，重量轻，国外设备重约200千克，本发明中的电磁探测装置仅约60千克，重量仅为国外同类仪器约三分之一，操作时不必使用大型机械，降低了投放与回收的工作难度。

3、本发明中的双舱球组合式海底电磁仪是双舱球结构，水声控制舱球内部仅放置水声控制板与少量电池，电磁采集舱球内置电磁信号采集器、磁传感器和大量电池，装置最下方为沉耦架，重心设计低，在水中上舱球提供约15千克正浮力，下舱球提供约10千克负浮力，整机重心位于下舱球下方，与国外多舱球结构海底电磁探测设备优点一致，对比单舱球结构，下沉时姿态稳定且抗底流能力强，可以搭载最长10米长极臂，易获得更高分辨率的海底电场信号。

4、本发明中的双舱球组合式海底电磁仪由于采用双舱球结构，每个舱球的结构更加简单，内部仅有少量电路，空间更大，方便调试与组装，若某一舱球出现问题，可迅速进行替换再组合开展海底电磁探测工作，降低了海上作业难度。

附图说明

图1为本发明双舱球组合式海底电磁仪立体结构图。

图2为本发明双舱球组合式海底电磁仪剖面结构示意图，电极臂部分未示出。

图3为本发明双舱球组合式海底电磁仪电磁采集舱球顶端电场线缆集线盒俯视示意图。

图4为本发明双舱球组合式海底电磁仪水声控制板释放时工作原理框图。

附图标记包括：

脱钩机构1，水声控制舱球2，沉耦架3，电磁采集舱球4，外部保护壳5，钢缆6，塑料板7，电极线缆8，电极臂9，连接扣10，极臂单元11，电极12，海底信号采集基站13，水声传感器14，充电接口15，玻璃舱球16，电磁信号采集器17，电磁屏蔽板18，电池盒19，数传模块20，GPS模块21，水声信号处理模块22，闪光灯模块23，水声控制板24，固定支架25，一次性锂电池26，可充电锂电池27，电极线缆集线盒28，方向传感器29，姿态传感器30，可充电锂电池33，磁传感器34，电极线缆集线盒水密接插件35。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

本发明的原理在于采用双舱球垂直组合的结构，水声控制舱球2主要负责水声通信，电磁采集舱球4主要负责电磁信号采集；降低了舱球空间利用复杂度，两舱球有较大空间放置电池，在保证长期、可靠电磁探测的基础上易于海上作业操作。

如附图1所示，一种双舱球组合式海底电磁仪，主要由海底信号采集基站13、电极臂9、电极12构成。其中海底信号采集基站13包括双舱球、脱钩机构1、沉耦架3。双舱球由内部玻璃舱球16和外部保护壳5组成。双舱球采用垂直组合结构，上舱球为水声控制舱球2，下舱球为电磁采集舱球4，上舱球外部保护壳底端和下舱球外部保护壳5顶端设有方形塑料板7，通过螺栓固定两塑料板实现两舱球的固定连接。水声控制舱球2顶部安置脱钩机构1；双舱球整体放置在沉耦架3之上，四根钢缆6一端固定在脱钩机构1的固接口处，另一端利用螺母在沉耦架3处锁紧，将双舱球与沉耦架3固定。为了避免影响电磁信号质量，沉耦架3采用玻璃钢材料，沉耦架3呈方框状，中部设有圆板，双舱球放置在圆板之上。方框通过四根梁与圆板连接，圆板、梁、沉耦架3方框之间中空，为保证沉耦架重量，沉耦架3内部灌注水泥。

电磁采集舱球4外部保护壳5分上下两部分，两者通过多个螺栓固定，电磁仪共有四条电极臂9，在电磁采集舱球4外部保护壳5上下结合处正交固定，电极线缆8通过胶带固定在电极臂9上，电场信号通过电磁采集舱球4顶部电极线缆集线盒28接入电磁信号采集器17。

如附图2所示，水声控制舱球2与电磁采集舱球4选用德国Vitrovex 公司生产的17英寸玻璃舱球16，其在水中能够提供25千克的浮力，玻璃舱球16用于装载并保护内部电路、电池组等部件并在回收过程中提供浮力，玻璃舱球16最高承受耐压6500米，可实现绝大部分海域的海底电磁探测。玻璃舱球16由上下两个半球组成，为保证密封可靠性，将玻璃舱球16内部抽成负压，之后通过胶泥胶带进行密封。水声传感器14安装于水声控制舱球2顶端，可通过接收水声信号与外部进行水声通讯。水声控制舱球2内部上方固定水声控制板24，处理水声传感器14接收到的水声信号，根据水声信号指令进行释放等操作。水声控制舱球2下方放置一次性锂电池26和可充电锂电池27，留海时间较短时由可充电锂电池27为水声控制板24供电，水声控制舱球2设有充电接口15可为可充电锂电池27充电；做长期观测或由于海况等其他原因造成留海时间过长时，一次性锂电池26可保证仪器一年以上的留海周期，仪器安全性大大加强，降低了海上作业风险性。

固定支架25安装在电磁采集舱球4内部，电磁数据采集器17安装在固定支架25上方，可充电锂电池33放在电池盒19中，环绕安装在固定支架25下方的玻璃舱球16中部侧面，共放置10安时电池16组，可保证海底信号采集基站13连续记录至少3个月以上。同时可充电锂电池33在玻璃舱球16内均匀放置，电磁采集舱球4重量超过水声控制舱球2重量，保持为负浮力，使整个仪器重心位置靠下，保证了仪器在下沉过程中的姿态平衡及在海底的抗底流能力，磁传感器34固定在电池盒19下方，放在电磁采集舱球4底部，电池盒19上方固定电磁屏蔽板18，磁传感器34做到了尽量远离舱球顶部采集电路并进行了屏蔽保护设计，这样磁传感器34不必使用单独的承压舱，简化了仪器的结构设计。

电磁采集舱球4外部保护壳5也分为上下两部分，两者中间通过多个螺栓固定，起到保护内部玻璃舱球16的作用，并用于固定电极臂9。每条电极臂9由多条极臂单元11组装而成，极臂单元11采用钛合金材料，每个极臂单元11长0.8米,直径1厘米，轻便且不会发生电化学反应，极臂单元11通过连接扣10组装成不同长度的电极臂9，电极臂9外端固定电极12。

方向传感器29同姿态传感器30固定在固定支架25上方，方向传感器29用于检测磁传感器34相对大地的方向偏角，使用的HMR3200型方向传感器采用霍尼韦尔磁阻传感器设计以达到小尺寸和高可靠度与精度，精度控制在1°，分辨率0.1°。姿态传感器30用于检测海底信号采集基站13相对水平面的倾斜角度，便于后期数据处理。本发明采用ADXL345型姿态传感器，为数字加速度计，最大可测范围±16g，最高分辨率3.9mg/LSB,可以检测到低于1.0°的倾斜角度变化。

如附图3所示，电极线缆集线盒28安装在电磁采集舱球4顶部，设有四个水密接插件35，用于连接四条电极线缆8，电极线缆集线盒28设在电磁采集舱球4顶部中心位置，简化了电极线缆连接难度，不缠线、不绕线。

如附图4所示，为水声控制舱球2中水声控制板24释放时工作原理框图，水声传感器14将接收到的水声信号发送到水声信号处理模块22进行处理，若水声信号为释放指令时，水声信号处理模块22控制脱钩机构1开始工作，同时开启GPS模块21并点亮闪光灯23，约5分钟后，脱钩机构1完成脱钩，仪器开始上浮；当GPS获取到位置信息时，即仪器上升到海面后，数传模块20将自身位置信息发出。

本发明实施例的工作流程如下。

第一步，测量船行驶到指定工作海域，将极臂单元11组装成电极臂9，电极臂9安装到海底信号采集基站13上，并将电极12固定在电极臂9上。

第二步，对双舱球组合式海底电磁仪进行功能测试，若出现问题进行检修。若正常，双舱球组合式海底电磁仪开启GPS对钟，操作人员设置采集参数。

第三步，将双舱球组合式海底电磁仪放入水中，在重力作用下沉到海底，开始采集工作。

第四步，回收时，测量船通过声纳在投放海域与海底信号采集基站13中水声传感器14进行通信并发送回收指令。海底信号采集基站13接收到指令后脱钩机构1开始工作，约5分钟后钢缆6与海底信号采集基站13脱离，沉耦架3被丢弃，海底信号采集基站13在浮力作用下升至海面。

第五步，海底信号采集基站13开启GPS，获取到GPS信号后通过数传模块20将自身位置信息发出，操作人员在船上通过数传接收器接收到仪器位置信息后，船只前往打捞回收。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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 (5)

1.一种双舱球组合式海底电磁仪，其能够同时探测三分量磁场信号和两分量电场信号；该双舱球组合式海底电磁仪包括海底信号采集基站（13）、电极臂（9）和电极（12）；其中海底信号采集基站（13）包括双舱球、脱钩机构（1）和沉耦架（3），双舱球由内部玻璃舱球（16）和外部保护壳（5）组成；双舱球采用垂直组合结构，上舱球为水声控制舱球（2），下舱球为电磁采集舱球（4），水声控制舱球（2）顶部安置脱钩机构（1）；电磁采集舱球（4）内置方向传感器（29）和姿态传感器（30），工作时记录双舱球组合式海底电磁仪在海底的方位、倾斜角度信息。

2.根据权利要求1所述的双舱球组合式海底电磁仪，其特征在于,海底信号采集基站（13）是双舱球组合结构，双舱球上下垂直固定，上舱球为水声控制舱球（2），水声控制板（24）固定在水声控制舱球（2）内部上方，水声控制板（24）包括水声信号处理模块（22）、GPS模块（21）、数传模块（20）和闪光灯模块（23）；水声控制舱球（2）内部下方放置可充电锂电池（27）与一次性锂电池（26），水声控制舱球（2）设有充电接口（15）；下舱球为电磁采集舱球（4），电磁采集舱球（4）顶部设置电极线缆集线盒（28），电磁信号采集器（17）固定在电磁采集舱球（4）内部上方，可充电锂电池（33）与磁传感器（34）固定在电磁采集舱球（4）内部下方。

3.根据权利要求1所述的双舱球组合式海底电磁仪，其特征在于,磁传感器（34）为磁通门传感器，放置在电磁采集舱球（4）底部，固定在电池盒（19）下方，电池盒（19）内部放置可充电锂电池（33）；电池盒（19）上方放置电磁屏蔽板（18），电磁屏蔽板（18）上方放置固定支架（25），电磁信号采集器（17）固定在固定支架（25）上。

4. 根据权利要求1所述的双舱球组合式海底电磁仪，其特征在于,共有四条电极臂（9），在电磁采集舱球（4）外部保护壳（5）结合处正交固定，电极线缆（8）采用专用耐压水密双芯线缆，通过胶带固定在电极臂（9）上，电场信号通过电磁采集舱球（4）顶端电极线缆集线盒（28）接入电磁信号采集器（17）；每条电极臂（9）由多条极臂单元（11）组装而成，极臂单元（11）采用钛合金材料，每个极臂单元（11）长0.8米，直径1厘米，极臂单元（11）可通过连接扣（10）组装成不同长度的电极臂（9），电极臂（9）外端固定电极（12）。

5.根据权利要求1所述的双舱球组合式海底电磁仪，其特征在于，沉耦架（3）框架由玻璃钢材料制作，内部灌注水泥，沉耦架（3）由中心圆板和外部框架组成，双舱球放置在中心圆板上，外部框架通过四根钢缆（6）连接到脱钩机构（1）上。