CN108008454B - 一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，包括甲板控制平台、ROV近海底工作平台、水下信息采集控制系统以及脐带缆；ROV近海底工作平台通过脐带缆与甲板控制平台连接，水下信息采集控制系统设置在ROV近海底工作平台上，通过将电磁探测仪搭载在ROV上，给探测仪增加导航和定位系统，从而使得电磁探测仪可以到达指定测点按照指定的轨迹进行探测，并精确控制探测仪天线距离海底高度，从而实现深海瞬变电磁仪的有效、快速、便于实施，具有海底电性结构精细勘探能力，适用于海底多金属硫化物及富钴结壳矿床的快速勘探，为后续深海采矿车在海底行走和开采提供更为科学的指导。

Description

一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统

技术领域

本发明属于海底电磁探测技术领域，具体涉及到一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统。

背景技术

近年来矿产资源日趋短缺和枯竭，世界各国将注意力转向海洋，开发和利用海洋资源是人类社会发展需求新资源的必然趋势。

深海底多金属硫化物，因其水深较浅、矿区相对集中、冶炼工艺相对简单、冶炼成本较低而被认为是一种具有远景意义的海底多金属矿产资源。针对深海特殊勘查环境、海底热液硫化矿“富而浅”的特征以及首要是“发现异常”的地质任务要求，所需的深海探测系统必须是有效、快速、便于实施的。

目前国内外进行深海勘察的方法主要是大地电磁法(MT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)。大地电磁法(MT)是长周期测量天然海底大地电磁信号，计算海底电阻率，仪器首先沉入海底，测完一个点后再用声控装置释放沉重，仪器利用浮力球浮出海面打捞上来，然后再到下一点继续测量。其工作流程非常繁琐，而且测量一个测点数据至少需要2天，不满足快速、便于实施的条件。

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)的基础上进行了改进，由发射和接收两部分组成，这两部分分离的距离要求为几公里，因此至少需要两艘勘探船；同时测量30个频点数据至少用1个小时，而且在测量期间要保持船体不动。因此可控源音频大地电磁法(CSAMT)在深海作业也不便于实施。

多金属硫化物及富钴结壳矿区快速探测的实质是快速地发现海底硫化物矿产异常，实践证明深海近海底拖曳式电磁系统可发现海底0-100米浅埋藏块状硫化物矿涡流异常，被美国、加拿大、俄罗斯等应用于海底多金属硫化物及热液系统的勘探。2006年，中南大学、北京先驱高技术开发公司和长沙五维地科勘察技术有限责任公司共同投资开发了MTEM-08拖曳式海洋瞬变电磁探测系统，这是国内首套用于深海热液硫化物勘查的瞬变电磁系统。2008年MTEM-08系统在洞庭湖开展试验，测试了仪器在水下拖曳状态、工作稳定性以及对低阻异常体的反映；2010年在南海某海域海底光缆和PVC输油管道探测试验；2010年该系统应用于“大洋一号”第22航次大洋科考，成功探测到了“贝利珠”热液区金属硫化物矿电磁异常；2012年，该系统在“大洋一号”第26航次大洋科考中有效探测到TAG热液区金属硫化物的瞬变电磁响应特征；2013年该系统完成在南海某海域海底高压输油管道探测试验；2013～2016年MTEM-08系统在西南印度洋参加金属硫化物矿的调查研究。多年的深海探测试验发现，当拖曳式探测系统离底高度大于50米时，异常响应极其微弱，在实际应用中将难以观测，因此必须将拖曳式瞬变电磁仪的拖曳高度控制在50米以内。然而，相对于千米级的拖曳深度，无法保证拖曳高度小于50米。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的深海近海底拖曳式电磁系统存在的定位精度存在的技术不足，提供一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，具有海底电性结构精细勘探能力，适用于海底多金属硫化物及富钴结壳矿床的快速勘探。

本发明采用如下技术方案实现：

一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，包括甲板控制平台1、ROV近海底工作平台2、水下信息采集控制系统3以及脐带缆4；

所述甲板控制平台1位于海面上方，所述ROV近海底工作平台2位于海平面下方，并通过脐带缆4与甲板控制平台1实现牵引连接，所述水下信息采集控制系统3设置在ROV近海底工作平台2上，所述ROV近海底工作平台2和水下信息采集控制系统3同时通过脐带缆4与甲板控制平台1之间实现信号传输；

所述ROV近海底工作平台2设有控制平台在水中浮游的浮力块21以及控制水下空间移动的推进器27，并且通过机械手22与发射天线24和接收器23机械连接；

所述水下信息采集控制系统3包括电磁波信号处理器31、电磁探测仪控制器32、ROV控制器33和高度计34；

所述接收器23接收发射天线24发出的反射电磁信号，并通过电磁波信号处理器31反馈通信连接至甲板控制平台1上的甲板操控台13，所述甲板操控台13与电磁探测仪控制器32通信连接，所述电磁探测仪控制器32控制发射天线24的探测电流强度；

所述高度计34反馈通信连接至甲板操控台13，同时还与电磁探测仪控制器32反馈通信连接；

所述甲板操控台13通过ROV控制器33与推进器27以及机械手22的驱动模块通信连接。

进一步的，所述ROV近海底工作平台2上设有含照明单元的高清摄像头16，所述水下信息采集控制系统3上集成设有图像信号处理器36，所述高清摄像头16与图像信号处理器36通信连接，所述图像信号处理器36反馈通信连接至甲板操控台13。

进一步的，所述发射天线24为圆盘状，所述机械手22采用具有伸缩模块和旋转模块的夹持型机械手，从圆周外圈固定夹紧发射天线24，所述接收器23固定嵌装在发射天线24的中心。

进一步的，所述推进器27采用六组，两组推进器的推进方向相对设置在竖直升降方向，另外四组推进器的推进方向沿水平面内的圆周切线方向均匀分布。

进一步的，所述甲板控制平台1上设有对甲板操控台13进行供电的甲板供电系统12，并在所述ROV近海底工作平台2上设有供发射天线电源的ROV供电系统25，所述甲板供电系统12通过脐带缆4向ROV供电系统25输电连接。

进一步的，所述甲板控制平台1上设有船载定位系统14，所述水下信息采集控制系统3上设有ROV定位模块35，所述船载定位系统14和ROV定位模块35分别与甲板操控台13反馈通信连接。

在本发明的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统中，所述甲板控制平台1搭载在母船15上，所述母船15上还设有收卷脐带缆4的电缆绞车11。

本发明将电磁探测系统搭载在ROV上，可实现其导航和定位功能，从而使得电磁探测仪可以到达指定测点按照指定的轨迹进行探测，并精确控制探测仪天线距离海底高度，从而实现深海瞬变电磁仪的有效、快速、便于实施。

本发明采用以母船为载体的甲板控制平台，以ROV为载体的近海底工作平台及水下信息采集控制系统。其中，甲板控制平台由供电系统维持，主要完成对ROV、机械手的控制及对水下采集的海底信息进行存储及图表绘制。船载定位系统及电缆绞车安装在母船上，船载定位系统记录母船位置信息，脐带缆将水下ROV及信息采集系统与甲板控制平台建立通信。

本发明的近海底工作平台建立在ROV基础上，还安装了机械手部分，以便夹持探测所需的发射天线。一方面，不仅增强了发射天线与ROV之间的联系，另一方面保证了发射天线与信息采集系统的距离要求，同时集成了定位、高度测量及控制、高清图像采集等功能，从而提高了探测精度及效率。

ROV近海底工作平台上装有高清摄像头(含照明单元)，通过图像信号处理器将高清图像传输至甲板操控台。探测人员通过甲板操控台可根据高清图像，及时调整发射天线位置及姿态，并且可与电磁信号进行数据匹配及对比，从而获得更丰富的数据信息。

甲板操控台一方面可控制电源向发射天线提供探测电流，另一方面可根据高度计反馈的高度信息，调节发射天线的发送电流大小，继而减小天线能量损耗。

由上所述，本发明采用发射天线距离海底高度调节控制、天线发送电流控制，其集成程度更高，探测的信息更加丰富，与此同时，控制系统更加直观，易于操作，探测过程中不仅可以快速、有效地通过电磁波信号的变化对海底异常进行探测，为快速寻找海底硫化物矿床提供有力的科学手段。同时，采用ROV搭载便于实施，提高了探测的可控性、精确度和稳定性，为后续深海采矿车在海底行走和开采提供更为科学的指导。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统的整体结构示意图。

图2为实施例中的水下信息采集控制系统的结构示意图。

图3为实施例的整体控制流程图。

图中标号：

1-甲板控制平台，11-电缆绞车，12-甲板供电系统，13-甲板操控台，14-船载定位系统，15-母船；

2-ROV近海底工作平台，21-浮力块，22-机械手，23-接收器，24-发射天线，25-ROV供电系统，26-高清摄像头，27-推进器；

3-水下信息采集控制系统，31-电磁波信号处理器，32-电磁探测仪控制器，33-ROV控制器，34-高度计，35-ROV定位模块，36-图像信号处理器；

4-脐带缆。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统为本发明的优选方案，具体包括甲板控制平台1、ROV近海底工作平台2、水下信息采集控制系统3以及脐带缆4。其中，甲板控制平台1位于海面上方，ROV近海底工作平台2位于海平面下方，并通过脐带缆4与甲板控制平台1实现牵引连接，使ROV近海底工作平台2在水中呈浮游状态，水下信息采集控制系统3设置在ROV近海底工作平台2上，ROV近海底工作平台2和水下信息采集控制系统3同时通过脐带缆4与甲板控制平台1之间实现信号传输。

信号传输包括：甲板控制平台1通过脐带缆4给ROV近海底工作平台2和水下信息采集控制系统3供电，以及进行信息传递。其中甲板供电系统12与ROV供电系统25连接在一起，为水下平台工作包括ROV推进器27、发射天线24、高清摄像头26、机械手22及水下信息采集控制系统3提供电力。水下信息采集控制系统3安装在ROV近海底工作平台2上，工作时一方面控制ROV近海底工作平台2的正常作业，另一方面完成电磁探测系统的控制与信号处理，并通过脐带缆4传递信号至甲板控制平台的甲板操纵台13。

具体的，甲板控制平台1主要包含电缆绞车11，甲板供电系统12、甲板操控台13、船载定位系统14及母船15。其中，甲板供电系统12提供动力支持，脐带缆4缠绕在电缆绞车11上，实现对脐带缆4的收卷和对ROV近海底工作平台2的回收，船载定位系统14将母船的位置信息反馈给甲板操控台13。

ROV近海底工作平台2以ROV为载体，主要包含浮力块21、机械手22、接收器23、发射天线24、ROV供电系统25、高清摄像头26、推进器27。发射天线24和接收器23通过机械手22加载在ROV上，发射天线24和接收器23由机械手22夹持，跟随ROV近海底工作平台2一同运动，作业时发射天线24跟随ROV对海底进行探测扫描，一方面可实现发射天线24的精确导航及定位，另一方面可精确控制天线24距海底高度，以确保探测精度。

如图2所示，水下信息采集系统3集成了近海底工作平台2所需的传感器及控制器。主要包含电磁波信号处理器31、电磁探测仪控制器32、ROV控制器33、高度计34、ROV定位模块35、图像信号处理器36。其中，电磁探测仪控制器32控制发射天线24的供电电源，并收集接收器23接收到的电磁信号，ROV控制器33接收来自甲板操控台13的控制信号，从而完成对ROV的运动控制及机械手22的操作控制，以及完成各传感器的数据采集及处理。高度计34监测发射天线24距海底高度，确保高度在一定的范围内通常要求小于50米，通过精确控制发射天线24距离海底的高度，从而通过足够的磁矩确保探测的有效性，ROV定位模块35监测近海底工作平台2的位置信息。电磁波信号处理器31完成对接收器接收到电磁信号的初步处理，图像信号处理器36对高清摄像头26采集到的图像信号进行处理。以上所有信息经过脐带缆4传输到甲板操控台13。

上述各类传感器和处理器均可由本领域技术人员根据不同设备需求选择不同参数的现有电子元器件，本实施例在此不对具体的型号参数进行赘述。

母船上的甲板操控台13至少包括可显示海底底工作平台2传输的图像、位置信息以及各传感器的数据的显示设备以及仪表操作设备，并可对ROV进行相应的远程控制，可对采集到的信息进行存储、分析及绘制，有关具体的显示设备和仪表操作设备均为各类现有遥感控制设备，本实施例在此不做赘述。

近海底工作平台2上安装有ROV供电系统25，通过脐带缆4将电力传输到近海工作平台2，一方面对ROV上机械手22、推进器27、高清摄像头26等设备供电，另一方面对发射天线24、接收器23进行供电。ROV供电系统25其中包含发射天线电源，电源输出电压、电流均可调节，可根据甲板操控台13发出的控制信号，通过电磁探测仪控制器32对发射天线电源输出进行调节，满足发射天线24发射电磁波的要求。

ROV近海底工作平台2设有控制平台在水中浮游的浮力块21以及控制水下空间移动的推进器27，具体的，近海底工作平台2采用的ROV载体上设置四块浮力块21，搭载能力超过50kg。具有六个推进器27，两组推进器的推进方向相对设置在竖直升降方向，另外四组推进器的推进方向沿水平面内的圆周切线方向均匀分布，可完成ROV近海底工作平台在水中进行前进、后退、转向及浮潜。发射天线24在推进器的驱动下可以按照指定的速度进行扫描，通常通过一个测点的时间在10秒左右即可完成探测工作，速度可以达到四节，可实现快速探测。

高清摄像头26包含了照明单元，分别安装在ROV两侧，可完成对海底地面的图像采集，从而获得更加丰富的海底地面信息。

ROV近海底工作平台2通过机械手22与发射天线24和接收器23机械连接；机械手22采用具有伸缩模块和旋转模块的夹持型机械手，可进行伸缩及一定角度的旋转，工作时臂长超过60厘米，机械手22完全伸展开来后，确保发射天线24辐射的电磁波对水下信息采集控制系统3产生的干扰最小。发射天线24为圆盘状，从圆周外圈固定夹紧发射天线24，扁平状的发射天线24以便对测点进行扫描，接收器23固定嵌装在发射天线24的中心。将ROV近海底工作平台2停在测点，机械手22夹持住发射天线24进行旋转，以便于在测点周围进行高精度精细探测。ROV设计时留有额外空间，可搭载更多设备及传感器。

机械手22可参考现有通用ROV设备上的机械手结构，本实施例在此不对其具体结构方案进行赘述。

如图3所示，接收器23接收发射天线24发出的反射电磁信号，并通过电磁波信号处理器31反馈通信连接至甲板控制平台1上的甲板操控台13，对接收器23接收到的电磁信号进行预处理后发回甲板操控台13进行进一步处理分析；甲板操控台13与电磁探测仪控制器32通信连接，电磁探测仪控制器32控制发射天线24的探测电流强度；高度计34反馈通信连接至甲板操控台13，同时还与电磁探测仪控制器32反馈通信连接；甲板操控台13通过ROV控制器33与推进器27以及机械手22的驱动模块通信连接；高清摄像头16与图像信号处理器36通信连接，图像信号处理器36反馈通信连接至甲板操控台13。

甲板控制平台1上设有船载定位系统14，水下信息采集控制系统3上设有ROV定位模块35，船载定位系统14和ROV定位模块35分别与甲板操控台13反馈通信连接，可以精确控制发射天线24的位置，确保探测仪在指定的测点按照指定的轨迹进行探测，便于在记录异常发生处的准确位置信息。船载定位系统14和ROV定位模块35可采用GPS定位系统或北斗卫星定位系统。

当探测海底金属矿床及地形时，船载定位系统及ROV平台上的ROV定位模块分别将位置信息反馈给甲板操控台，从而获得母船和ROV的相对位置，确保ROV在目标区域内运行。甲板操控台向电磁探测仪控制器发出信号，一方面控制天线电源向天线提供探测电流；另一方面通过高度计反馈的高度信息调节天线发送电流的大小，从而减小天线能量消耗。与此同时，也可实现保持一定的发送电流，调整ROV距海底高度，获得更多相关数据。发射天线将探测的电磁信号发送至接收器，再通过电磁波信号处理器的初步处理后反馈至甲板操控台。探测过程中，图像信号处理器将高清摄像头拍摄的实时图像传输至甲板操控台，据此甲板操控台可及时向ROV控制器发出信号，完成对ROV姿态及机械手的调整(包含旋转角度及伸长长度)，从而更大程度上满足对地下复杂多变坏境的要求。

以上仅是本发明的其中一种具体实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，其特征在于：包括甲板控制平台(1)、ROV近海底工作平台(2)、水下信息采集控制系统(3)以及脐带缆(4)；

所述甲板控制平台(1)位于海面上方，所述ROV近海底工作平台(2)位于海平面下方，并通过脐带缆(4)与甲板控制平台(1)实现牵引连接，所述水下信息采集控制系统(3)设置在ROV近海底工作平台(2)上，所述ROV近海底工作平台(2)和水下信息采集控制系统(3)同时通过脐带缆(4)与甲板控制平台(1)之间实现信号传输；

所述ROV近海底工作平台(2)设有控制平台在水中浮游的浮力块(21)以及控制水下空间移动的推进器(27)，并且通过机械手(22)与发射天线(24)和接收器(23)机械连接；

所述水下信息采集控制系统(3)包括电磁波信号处理器(31)、电磁探测仪控制器(32)、ROV控制器(33)和高度计(34)；

所述接收器(23)接收发射天线(24)发出的反射电磁信号，并通过电磁波信号处理器(31)反馈通信连接至甲板控制平台(1)上的甲板操控台(13)，所述甲板操控台(13)与电磁探测仪控制器(32)通信连接，所述电磁探测仪控制器(32)控制发射天线(24)的探测电流强度；

所述高度计(34)反馈通信连接至甲板操控台(13)，同时还与电磁探测仪控制器(32)反馈通信连接，甲板操控台(14)向电磁探测仪控制器(32)发出信号，一方面控制天线电源向发射天线(24)提供探测电流，另一方面通过高度计(34)反馈的高度信息调节天线发送电流的大小；

所述甲板操控台(13)通过ROV控制器(33)与推进器(27)以及机械手(22)的驱动模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，所述ROV近海底工作平台(2)上设有含照明单元的高清摄像头(16)，所述水下信息采集控制系统(3)上集成设有图像信号处理器(36)，所述高清摄像头(16)与图像信号处理器(36)通信连接，所述图像信号处理器(36)反馈通信连接至甲板操控台(13)。

3.根据权利要求2所述的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，所述发射天线(24)为圆盘状，所述机械手(22)采用具有伸缩模块和旋转模块的夹持型机械手，从圆周外圈固定夹紧发射天线(24)，所述接收器(23)固定嵌装在发射天线(24)的中心。

4.根据权利要求3所述的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，所述推进器(27)采用六组，两组推进器的推进方向相对设置在竖直升降方向，另外四组推进器的推进方向沿水平面内的圆周切线方向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，所述甲板控制平台(1)上设有对甲板操控台(13)进行供电的甲板供电系统(12)，并在所述ROV近海底工作平台(2)上设有供发射天线电源的ROV供电系统(25)，所述甲板供电系统(12)通过脐带缆(4)向ROV供电系统(25)输电连接。

6.根据权利要求1所述的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，所述甲板控制平台(1)上设有船载定位系统(14)，所述水下信息采集控制系统(3)上设有ROV定位模块(35)，所述船载定位系统(14)和ROV定位模块(35)分别与甲板操控台(13)反馈通信连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种浮游式海底高精度瞬变电磁探测系统，所述甲板控制平台(1)搭载在母船(15)上，所述母船(15)上还设有收卷脐带缆(4)的电缆绞车(11)。