CN108802833A

CN108802833A - 海底飞行节点电磁接收机

Info

Publication number: CN108802833A
Application number: CN201810674795.2A
Authority: CN
Inventors: 陈凯; 邓明; 王猛
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公开了一种海底飞行节点电磁接收机，包括电磁数据采集模块和自主式水下潜航器，自主式水下潜航器包括动力装置和辅助装置；其中电磁数据采集模块包括电极、磁场传感器和数据采集舱；动力装置包括高度计、动力控制舱和螺旋桨；辅助装置包括声呐、水声通讯模块和浮体；在自主式水下潜航器上安装电磁数据采集模块。本发明海底飞行节点电磁接收机继承了现有海底电磁接收机的大动态范围、低噪声、低功耗的特征，实现海洋电磁方法海上作业的精确布站、传感器方位可控、自主快速切换部署站位，并具有环境友好、安全高效、低成本的优势，是海洋电磁勘探装备发展方向之一。

Description

海底飞行节点电磁接收机

技术领域

本发明涉及海洋地球物理探测领域的技术装备，具体地说，涉及一种高效、低成本海洋电磁勘探的海下作业装备。

背景技术

目前，海洋电磁法是一种新兴的海洋地球物理方法，广泛应用于海底油气勘探、水合物调查等矿产资源的地球物理勘探领域，洋中脊、岛弧、海底火山等深部岩石圈研究的基础地学领域，水下目标检测、预警等防务领域，海啸预警、海洋电磁环境研究等物理海洋领域。其中以海底油气勘探领域最为热门，海洋电磁法以油气目标体与海底以下围岩介质的电性差异为物性基础，通过海底电磁接收机观测携带地下介质电性信息的电磁场信号，并经数据处理、反演解释获得海底以下电性模型，为油气勘探布钻提供电性依据。该方法是主流海底地震方法的有效补充，在油气勘探任务中得到广泛应用。

海底电磁接收机是海洋电磁法的海上装备，用于现场收集数据，其性能决定了海洋电磁方法的探测效果。中国地质大学（北京）于上世纪末在国内率先开展海底大地电磁方法研究，研制了国内第一台海底电磁接收机，在后续的项目持续支持下，完成了可控源电磁接收机、拖曳式电磁接收机等装备的批量研制，已经成功应用于油气勘探、水合物调查、水下目标检测等领域。国内同行中石油东方地球物理公司、中国海洋大学等单位近年来也相继开展了海底电磁接收机的研制工作。

现有的接收机工作方式如下：达到工区目标点位附近后，由作业船投放接收机，接收机自由下沉，到底后启动数据采集，采集结束后，由作业船通过水声通讯发送命令至海底的接收机，接收机收到释放命令后释放水泥块，自由上浮至水面，作业船等待接收机浮上水面后，回收打捞接收机，下载数据、充电、更换新的水泥块投放至下一站位，如此循环作业。

现有作业方式的不足在于：①效率低，海上作业时间主要花费在仪器投放、回收等环节；②布站精度低，自由下沉时，易受海流冲击，实际着底点与预期着底点往往存在较大偏移，水约深，差距可能越大，低布站精度不利于后期的数据处理对异常的反演解释；③传感器方位随机：由于接收机自由下沉，传感器方位随机布置，需要后期资料处理旋转校正；④环境影响，每投放一次即遗留一个水泥块在海底，水泥块为混凝土制成，无法自然降解；⑤成本高，接收机的投放回收占用船时多，直接推升了海上作业成本；⑥安全风险，对海底微地形的判断不足会导致海底电磁接收机难以正常上浮，存在仪器及宝贵数据丢失的风险。

综上，海洋电磁方法在油气勘探市场需求强烈，现有海底电磁接收机在布放精度、作业效率、作业成本、环境影响、安全性方面存在不足，有必要开展相关技术研究，促进海洋电磁方法技术装备发展。

发明内容

本发明正是为了解决上述技术问题而设计的海底飞行节点电磁接收机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种海底飞行节点电磁接收机，包括电磁数据采集模块和自主式水下潜航器，自主式水下潜航器包括动力装置和辅助装置；其中电磁数据采集模块包括电极、磁场传感器和数据采集舱；动力装置包括高度计、动力控制舱和螺旋桨；辅助装置包括声呐、水声通讯模块和浮体；在自主式水下潜航器上安装电磁数据采集模块。

所述的海底飞行节点电磁接收机，其电磁数据采集模块有6个电极，分别是前端电极一、尾部电极二、顶部电极三、中部电极四、左侧电极五和右侧电极六，6个电极两两组成三个正交观测电场分量，完成三分量正交方向的电场信号传感；各电极通过测量臂和水密电缆分别与数据采集舱连接；磁场传感器位于尾鳍中部，为三分量磁场信号传感器，磁场传感器通过水密电缆接入至数据采集舱；数据采集舱舱内部电子部件实现微弱电磁信号的数据采集、存储。

所述海底飞行节点电磁接收机，其磁场传感器采用低噪声正交基模磁通门传感器，实现三分量弱磁信号观测。

所述海底飞行节点电磁接收机，在自主式水下潜航器中上部安装了无线电信标，无线电信标通过发射定位信号实现接收机上浮至水面后的定位。

所述海底飞行节点电磁接收机，数据记录器集成通道低噪声斩波放大器、6通道模数转换器、FPGA、ARM控制器、晶振MCXO、实时钟RTC、SD卡和大容量电池包；低噪声斩波放大器完成微弱信号放大，带宽为DC——100Hz，有效抑制低频1/f噪声；模数转换器为31位大动态范围ADC，动态范围优于120dB，6通道同步采样；FPGA完成ADC参数配置、ADC数据读取和时间同步等功能；数字补偿晶振MCXO提供高稳定时钟，具有低温漂低功耗的特点；RTC记录当前时间，提供实时钟信息；ARM完成整机控制，实现用户交互命令、参数设置、数据存储、时钟校准、时间戳记录和GPS授时功能。

所述海底飞行节点电磁接收机，其大容量电池包为锂电池组，标称电压21.6V。

所述海底飞行节点电磁接收机，其数据记录器各部件集成在一个小型铝合金压力舱中，小型铝合金压力舱安装在数据采集舱中。

本发明克服现有海底电磁接收机在投放精度、作业效率、环境保护、作业成本、安全风险等方面的不足。本发明提供一种海底飞行节点电磁接收机，该接收机以成熟的AUV（自主式水下潜航器）和海底电磁接收机为基础，改造现有AUV，并将电磁传感器及数据采集器搭载到AUV中，继承了现有海底电磁接收机的大动态范围、低噪声、低功耗的特征，实现海洋电磁方法海上作业的精确布站、传感器方位可控、自主快速切换部署站位，并具有环境友好、安全高效、低成本的优势。

本发明的有益效果：

布站精度高：由惯性导航系统指引到达预期海底站位坐标，而不是现有的自由下沉，着底点不受控制；

作业效率高：在完成一个站位数据采集的情况下，可直接奔赴下一个站位继续采集数据，而不是现有作业方式需要上浮至水面后再由作业船部署至下一站位；

安全风险低：海底微地形风险易导致仪器倾翻，而不能正常上浮，借助自带的声呐扫描海底地形，合理避开风险区域；

传感器方位可控：可根据预设的测线方位，接收机着底时可调整传感器方向，使得传感器方向与测量方向平行或正交；

环境友好：传统作业方式每个站位需要遗留一个水泥块在海底，易造成海底环境污染，破坏海底自然生态；

作业成本低：海上作业成本主要取决于船时占用，自主切换部署站位，省去了费时的打捞过程，有助于降低作业成本。

附图说明

图1为本发明侧视结构示意图。

图2为本发明俯视结构示意图。

图3为本发明后视结构示意图。

图4 为本发明数据采集模块原理框图。

图5 为本发明辅助装置和动力装置原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1－５所示，本发明一种海底飞行节点电磁接收机，包括电磁数据采集模块和自主式水下潜航器，自主式水下潜航器包括动力装置和辅助装置；其中电磁数据采集模块包括电极、磁场传感器15和数据采集舱9；动力装置包括高度计7、动力控制舱11和螺旋桨14；辅助装置包括声呐13、水声通讯模块8和浮体12；在自主式水下潜航器上安装电磁数据采集模块。

所述的海底飞行节点电磁接收机，其电磁数据采集模块有6个电极，分别是前端电极一1、尾部电极二2、顶部电极三3、中部电极四4、左侧电极五5和右侧电极六6，6个电极两两组成三个正交观测电场分量，完成三分量正交方向的电场信号传感；各电极通过测量臂和水密电缆分别与数据采集舱9连接；磁场传感器15位于尾鳍中部，为三分量磁场信号传感器，磁场传感器15通过水密电缆接入至数据采集舱9；数据采集舱9舱内部电子部件实现微弱电磁信号的数据采集、存储。

所述海底飞行节点电磁接收机，其磁场传感器15采用低噪声正交基模磁通门传感器，实现三分量弱磁信号观测。

所述海底飞行节点电磁接收机，在自主式水下潜航器中上部安装了无线电信标10，无线电信标10通过发射定位信号实现接收机上浮至水面后的定位。

所述海底飞行节点电磁接收机，数据记录器集成6通道低噪声斩波放大器、6通道模数转换器、FPGA、ARM控制器、晶振MCXO、实时钟RTC、SD卡和大容量电池包；低噪声斩波放大器完成微弱信号放大，带宽为DC——100Hz，有效抑制低频1/f噪声；模数转换器为31位大动态范围ADC，动态范围优于120dB，6通道同步采样；FPGA完成ADC参数配置、ADC数据读取和时间同步等功能；数字补偿晶振MCXO提供高稳定时钟，具有低温漂低功耗的特点；RTC记录当前时间，提供实时钟信息；ARM完成整机控制，实现用户交互命令、参数设置、数据存储、时钟校准、时间戳记录和GPS授时功能。

所述海底飞行节点电磁接收机，其数据记录器各部件集成在一个小型铝合金压力舱中，小型铝合金压力舱安装在数据采集舱9中。

海底飞行节点电磁接收机具有精确的海底布站能力，合理避开海底障碍以降低安全风险，无环境破坏，自主部署下一站位等高效率、低成本优势。

辅助装置包括水声通讯模块、无线电信标、声呐，其中水声通讯模块实现甲板端与水下接收机的通讯，作业船可告知水下接收机的目标位置、指挥接收机的部署时间与地点、支持多台接收机的同步跟踪与控制；无线电信标实现接收机浮上水面时的目标快速搜索与定位，方便接收机的打捞与回收；声呐实现海底微地形成像，为合理规避海底障碍提供依据，降低着底安全风险。

动力装置模块由惯性导航、控制器、高度计、螺旋桨、电池组等组成。惯性导航为接收机下潜时提供导航信息，为预定海底坐标着底提供硬件支撑；高度计测量接收机距离海底的高度，为接收机着底提供参考；螺旋桨作为执行器，受控于控制器，为接收机的水下航向提供动力；电池组为燃料电池组，高密度能量体积比，为动力装置提供长期电力支持。

本发明海底飞行节点电磁接收机关键参数如下：

最大工作水深：4000m

通道数：6（Ex、Ey、Ez、Bx、By、Bz）；

磁道噪声：优于2pT/rt(Hz)@1Hz；

电道噪声：优于0.1nV/m/rt(Hz)@1Hz；

带宽：DC——100Hz；

连续工作时间：30天；

存储空间：64GB；

水声通讯距离：大于6km；

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种海底飞行节点电磁接收机，包括电磁数据采集模块和自主式水下潜航器，自主式水下潜航器包括动力装置和辅助装置；其中电磁数据采集模块包括电极、磁场传感器(15)和数据采集舱(9)；动力装置包括高度计(7)、动力控制舱(11)和螺旋桨(14)；辅助装置包括声呐(13)、水声通讯模块(8)和浮体(12)；其特征在于：在自主式水下潜航器上安装电磁数据采集模块。

2.根据权利要求1所述的海底飞行节点电磁接收机，其特征在于：电磁数据采集模块有6个电极，分别是前端电极一(1)、尾部电极二(2)、顶部电极三(3)、中部电极四(4)、左侧电极五(5)和右侧电极六(6)，6个电极两两组成三个正交观测电场分量，完成三分量正交方向的电场信号传感；各电极分别通过测量臂和水密电缆与数据采集舱(9)连接；磁场传感器(15)位于尾鳍中部，为三分量磁场信号传感器，磁场传感器(15)通过水密电缆接入至数据采集舱(9)；数据采集舱(9)舱内部电子部件实现微弱电磁信号的数据采集、存储。

3.根据权利要求1和2所述的海底飞行节点电磁接收机，其特征在于：磁场传感器(15)采用低噪声正交基模磁通门传感器，实现三分量弱磁信号观测。

4.根据权利要求1所述的海底飞行节点电磁接收机，其特征在于：在自主式水下潜航器中上部安装了无线电信标(10)，无线电信标(10)通过发射定位信号实现接收机上浮至水面后的定位。

5.根据权利要求1所述的海底飞行节点电磁接收机，其特征在于：数据记录器集成6通道低噪声斩波放大器、6通道模数转换器、FPGA、ARM控制器、晶振MCXO、实时钟RTC、SD卡和大容量电池包；低噪声斩波放大器完成微弱信号放大，带宽为DC——100Hz，有效抑制低频1/f噪声；模数转换器为31位大动态范围ADC，动态范围优于120dB，6通道同步采样；FPGA完成ADC参数配置、ADC数据读取和时间同步等功能；数字补偿晶振MCXO提供高稳定时钟，具有低温漂低功耗的特点；RTC记录当前时间，提供实时钟信息；ARM完成整机控制，实现用户交互命令、参数设置、数据存储、时钟校准、时间戳记录和GPS授时功能。

6.根据权利要求5所述的海底飞行节点电磁接收机，其特征在于：大容量电池包为锂电池组，标称电压21.6V。

7.根据权利要求1所述的海底飞行节点电磁接收机，其特征在于：数据记录器各部件集成在一个小型铝合金压力舱中，小型铝合金压力舱安装在数据采集舱(9)中。