CN106092062B - 基于感应电流测量的海峡水通量观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海峡水通量观测领域，特别涉及基于感应电流测量的海峡水通量观测方法。本发明将该海陆系统视作一个电源整体，海底沉积物和大陆架电阻的组合为该电源的内阻R₁，利用已存在的海底缆线，根据海底缆线的材料和长度估算出海底缆线的电阻为R₂，并在海底缆线上串联一个外电源U，为传统观测系统实际测量值，为目标测量值,利用一系列公式，严格计算得出海水电压本发明参数均可以通过直接测量的方法严格确定，使得整个系统的可靠性大大提高，避免了估算海水、海峡两岸及沉积物等的导电性质所可能带来的误差。

Description

基于感应电流测量的海峡水通量观测方法

技术领域

本发明涉及海峡水通量观测领域，特别涉及基于感应电流测量的海峡水通量观测方法。

背景技术

海洋观测是研究和认识海洋现象,掌握其中内在规律的必不可少的方法和途径。随着科技发展,人类已经掌握了各类海洋观测方法。其中，基于海底缆线的海洋观测技术思路为通过安装在海底缆线上的传感器,对于海底缆线所在断面的海洋海水通量和其他水文特性进行观测。该技术在研究某一海湾与外海的水交换情况、大洋尺度海洋环流和海啸预警等,均可以发挥其观测时间长、数据连续性强和综合花费较低的优点。

重点海峡水通道的海水通量观测历来被视为海洋观测中的一个重要目标。基于海底缆线的海峡水通道海水通量观测技术的发展历史由来已久，其特有的连续断面观测能力，可克服传统海洋观测手段仅能依靠单点观测、定时观测等手段获取离散数据的缺点，为海洋流系监测、海湾水交换能力等研究工作提供良好的连续数据支撑。

目前，对于海峡水通量观测是基于感应电压测量的传统方法。该方法原理是通过测量得到海底缆线两端的电势差，然后利用该电势差的大小和变化，反演通过整个海洋垂向断面的海水通量。设坐标系x，y方向分别为东西方向和南北方向，z方向为xy平面法线方向。设地球磁场为F，则F分别存在F_x，F_y，F_z分量。海峡水道中的海水携带带电粒子切割磁力线即可在海峡两侧形成电势差。

海底缆线两端的电势差主要由三部分组成： 为主要组成部分，其产生原因为带电粒子随海水运动，切割地球磁力线导致的电荷空间分布累积，该空间累积产生的电场中电场线方向垂直于流体流线，电势分布也与之对应。如果该电荷空间分布在流体流动方向分布不均匀，则同时也会生成一个沿流体流动方向的电场，该电场产生的电势差为为误差电势差，主要由温度、盐度和海洋-海底线缆连接处电化学反应引起的导电特性变化决定。若本系统的空间范围较小，海水温盐特性在此特征尺度内变化不大，则可忽略。同时，根据已有系统的建设经验，也可被估算修正，并且在相当长一段时间内保持稳定，不对最终结果造成明显影响。因此本系统中人们的主要关注点应为

但是，在实际情况中，海底沉积物和大陆架等均有导电能力，其产生的竖直和水平方向的导通电流会对造成削弱。即通过仪器测量得到的电势差要通过复杂的换算才能最终得到

传统的换算方法是通过对海底沉积物取样、对大陆架分层结构开展分析、对海水电导率、岸线长度以及海水深度等参数进行测量，建立不同电路之间的关系，最终应用电路原理学知识确定和之间的关系。由于所涉及的参数过多，且部分需要人为估计给定。当本系统建立在相对远离人工干扰且水深流急的海域时，因本身背景观测值量级较大，以上参数可以通过大量实地观测给出相对误差较小的估计值。但本观测系统若建立于城市近海，观测目标流量可能较小，导致目标电势差也较小，对上述参数的人为估计导致的偏差可能淹没目标信号。同时系统沿岸人为活动较多，各类相关电学参数也可能随时间改变。因此，针对不同系统建立环境，急需提出一种新的检测方法。

发明内容

本方法要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供基于感应电流测量海峡水通量系统观测方法。

本方法为实现上述目的采用的技术方案是：由于海底沉积物和大陆架有漏电回路，故可将该海-陆系统视作一个电源整体，海底沉积物和大陆架电阻的组合为该电源的内阻R₁，利用已存在的海底缆线，根据海底缆线的材料和长度估算出海底缆线的电阻为R₂，并在海底缆线上串联一个外电源U，为传统观测系统实际测量值，为目标测量值,若在t₁时刻取外电源电压为U₁，此时该回路满足：下式(1)

其中I₁为t₁时刻该回路中的电流，可在海底缆线处用电表测得。

取与t₁时刻相距足够短的t₂时刻，可认为在此时间尺度内不变，取外电源电压为U₂且U₂≠U₁，并用电表测出此时回路电流I₂，则t₁时刻满足下式(2)：

将式(1)、(2)两式作差即可求得R₁和R₂的关系：

再将R₁回带到式(1)即可得到t₁时刻海水流动产生的电压以上检测方法的电路结构示意图见附图1所示。

进一步的，基于观测所得的感应电流计算目标海峡的水通量，并且所述观测方法引起的误差可以被至少两次测量并求解方程组的方法一并消除。

本发明优点在于按照上述方法，虽然要人为提供一个外部电源并且增加了测量次数，但是在整个方法中，全部参数均可以通过直接测量的方法严格确定，使得整个方法的可靠性大大提高，避免了估算海水、海峡两岸及沉积物等的导电性质所可能带来的误差。

再者，本发明的待测参数量值相对较小，仪器线路连接状态可能会对测得量值有所影响，船只经过和观测系统周边的人工设施引起的电磁干扰等都有可能会对引起测值的偏离。但是，本发明的方案基础决定了这所有干扰项都可以被统一视为“内阻(R₁)”导致，因此其引起的误差可以被多次测量并求解方程组的方法一并消除。

本发明还提供了海水流量的反演如下所示：

海水感应电动势与单位时间海峡水通量V存在以下关系：

其中B为当地背景地球磁场强度，α为需要确定的修正系数。在系统建立后，可以通过数值模拟、船只走航或其他定点观测手段，给出一定时段内V的估计数值，在同步测量的基础上，应用最小二乘法等数学手段，给出合理的α取值。在此关系参数确定之后，即可以应用的测量值连续独立反演海峡水通量V。由此可以发现，在本系统方法建立初期，一定量的传统海洋观测手段作为系统调试依据仍是必不可少的。

附图说明

图1为本发明电路图。

图2为本发明实施例设计示意图

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明检测方法。

基于感应电流测量的海峡水通量观测方法的系统设计——以胶州湾湾口为例

1.1观测设备选型

国际上基于海底缆线电压测量的海峡水通量观测系统已经并不罕见，对本系统的有关设备选择已经有了较成熟的参考意见。而基于海底缆线电流测量的相关观测系统迄今为止较为少见，为了对本系统所涉及的观测要求精度和量程有所掌握，本发明应用胶州湾湾口的典型尺度参数对本系统观测设备的参数要求进行了分析。

依据以上分析，海底电缆导体中的感应电流与海底电缆的电阻和因为海水切割地球磁场产生的电势差之间的关系为：

其中U为人为增加的电源电压，R₁为海水与沉积物、大陆架等导电介质构成的电路电阻，R₂为海底电缆电阻。

以青岛近海胶州湾湾口水道为例，通道空间尺度约为宽10km，平均水深约20m，通过此水道的海水平均流速量级可考虑为10^-1m/s，则单位时间内该通道海水通量量级为10⁴m³s^-1。本海域的海水温度、盐度和地球磁场强度等也可设定为同纬度近海典型值。基于以上特征参数，应用量纲估算的方法，参照Motional induction voltage measurementsin estuarine environments:the Ria de Aveiro Lagoon(Portugal)的实际观测结果(海水体积通量与感应电动势的换算系数为720m³s^-1mV^-1)，在此水道内因海水流动导致的感应电动势量值应为10¹mV。此系统中的电源为任意设计，因此也可将其电压U给定为10¹mV。根据国外已有的类似近海观测系统经验，R₁的数值约为10¹Ω。海底缆线种类若采用较常见的交联聚乙烯绝缘缆线，其通常电阻为1Ω/km，对应上述关系式中的R₂量值应为10¹Ω。综合分析以上量纲，将其代入公式(5)中，可得系统的观测目标——感应电流量值应为100mA。

因此，整个观测系统的关键设备——电流观测设备，对其的技术参数要求应至少能满足观测量程覆盖10^-1mA至10¹mA，观测精度大于1μA，取样频率大于1/60Hz。符合以上要求的该类电学测量仪器较为常见，如安捷伦(Aglient)3458A型台式电流表即可满足本系统的搭建需要(见表1)。

表1 安捷伦(Aglient)3458A型台式电流表部分参数指标

除此之外，本系统还需配置一个外部电源，此电源的关键指标为稳定性，要求该电源输出的电压波动小于流速变化引起的电压波动。根据以上分析，可满足该条件的稳压电源也较普遍，如远方EVERFINE WY3020精密数显直流稳流稳压电源(表2)。

表2 远方(EVERFINE WY3020)精密数显直流稳流稳压电源部分参数指标

1.2系统设计方案

本观测系统设计示意图见图2。在最理想情况下，本系统将依托于连接青岛主城区和黄岛区的退役供电或通信海底电缆建立。穿越整个海峡断面的海底电缆在一端岸基接地，另一端从海水中延伸出后先后串联精密电流表和稳定电源，最终同样接地。在此端建设可长期固定记录数据的岸基设施，有规律地连续存储对应的观测时间、供电电压和测得的电流数据。观测时间间隔可分为两种，一种间隔较长的取样可设计以分钟为时间单位，同时每次记录数据时还需设计以秒为时间单位的多次短间隔取样，通过间接计算的方法求得最终所需结果。

本发明可以不必定量分析底质非绝缘沉积物、沿岸水平回路、接线柱腐蚀等引入系统的较稳定误差因素。本发明由于短时间内多次测量，也不需定量分析船舶、电磁干扰、地磁变化等随机误差因素，提升了测量系统准确性和可实现程度。本发明观测方法建立较为便捷，可以直接搭载于各类海底缆线之上，对缆线不需要进行较大规模的调整和改装。

上述实施例只是为了说明本方法的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本方法的内容并据以实施，并不能以此限制本方法的保护范围。凡是根据本方法内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本方法的保护范围内。

Claims (2)

1.基于感应电流测量的海峡水通量观测方法，其特征在于：将海陆系统视作一个电源整体，海底沉积物和大陆架电阻的组合为该电源的内阻R₁，利用已存在的海底缆线，根据海底缆线的材料和长度估算出海底缆线的电阻为R₂，并在海底缆线上串联一个外电源U，为传统观测系统实际测量值，为目标测量值,若在t₁时刻取外电源电压为U₁，此时回路满足：下式(1)

其中I₁为t₁时刻该回路中的电流，可在海底缆线处用电表测得；

取与t₁时刻相距足够短的t₂时刻，可认为在此时间尺度内不变，取外电源电压为U₂且U₂≠U₁，并用电表测出此时回路电流I₂，则t₁时刻满足下式(2)：

将式(1)、(2)两式作差即可求得R₁和R₂的关系：

再将R₁回带到式(1)即可得到t₁时刻海水流动产生的电压

海水流动产生的电压与单位时间海峡水通量V存在以下关系：

其中，B为当地背景地球磁场强度，α为需要确定的修正系数，即可以应用的测量值连续独立反演海峡水通量V。

2.根据权利要求1所述的基于感应电流测量的海峡水通量观测方法，其特征在于:基于观测所得的感应电流计算目标海峡的水通量，并且所述观测方法引起的误差可以被至少两次测量并求解方程组的方法一并消除。