CN108828328A - 便携式三分量海底电场仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式三分量海底电场仪，该三分量海底电场仪包括仪器舱、电极、吊钩、水声探头、耐压玻璃舱球、信号控制电路、数据采集电路、水密接插件、电源组件、底座、支撑梁和脱钩机构。本发明主要用于海底电场观测，适用于海洋油气勘探和地质调查。该便携式三分量海底电场仪的海底电场测量功能集中于单一舱体内，不需要传统电场仪的长测量极臂，解决了现有海底电场探测装置空间尺寸大、投放与回收操作不便等问题。
Description
技术领域
本发明属于地球物理测量领域，具体属于海洋勘测领域，其涉及一种便携式三分量海底电场仪。
背景技术
海洋电磁探测技术作为一种有效的地球物理方法，在海洋资源勘探、海洋科学研究以及海洋军事活动监测中发挥着重要作用，已成为必不可少的支撑技术。海底电磁场仪是开展海洋电磁探测的基础，其综合性能是制约实际应用效果的技术瓶颈之一。
由于目前还没有物理传感器可以直接测量电场强度矢量，通常采用测量两个点之间的电位差来计算电场。理论上，增大电极之间的距离能提高灵敏度，因此为了获取较高质量的数据，海底电磁仪的尺寸普遍很大。传统的海底电场仪采用4-5个17英寸浮球和承压舱构成主体结构，以主体结构为中心,向外伸出4根用以固定电场传感器的测量臂,每根测量臂长度为5m，当4根测量臂全部展开时，所占面积为100m2。专利200610080789.1中介绍了该类型海底电磁探测装置的典型构架，显然，这种系统在海面投放和回收时非常不便，而且长电极距更容易受到海底洋流的影响。但为了保持电场测量灵敏度，只能增加海上作业的难度，两者具有不可调和的矛盾。解决方案之一是减少浮球和承压装置的数量，如专利201120236291.6、201510494522.6和201610460556.8中采用的单舱球方案，但无法缩减测量极距，施工难度改善非常有限；另外一种方案是以牺牲电场探测灵敏度为代价，采用短极距方案，如专利201210449479.8中采用小型采集站，去掉长电极臂，但仍然采用传统电位测量技术方案，电场探测灵敏度大大降低。
如何保证海底电场信号采集质量的同时，降低仪器尺寸，一直是本领域的难点。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明公开了一种便携式三分量海底电场仪，其通过使用大面积平板电极采集电流信号来测量电场，避免传统技术方案中采用电压测量技术方案需要的长极距；其灵敏度高、方便海上施工与投放回收。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种便携式三分量海底电场仪，所述的便携式三分量海底电场仪包括：第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、仪器舱、吊钩、水声探头、信号控制电路、数据采集电路、电源组件、耐压玻璃舱球、水密接插件、底座、支撑梁和脱钩机构。其特征在于：
其中，所述六个电极均为板状电极，第一电极与第二电极、第三电极与第四电极、第五电极与第六电极两两方向平行，形状与面积分别相等，分别安装在仪器舱外表的六个面上。每两个平行的电极构成一组，测量与电极垂直方向的电流信号，六个电极共构成三组平行电极，测量三个方向的电流信号。六个电极材料是金属或者是银-氯化银等不极化电极，电流信号经过数据采集电路进行转换、放大和存储。
进一步地，每组平行电极在海水中的接触电阻与数据采集电路的前端电路电阻之和，与六个电极包围的六面体内海水电阻相等。
进一步地，每个方向的电场强度可用以下关系式计算，E＝I/(σS)，其中E为海水中的电场强度，I为测量的电流，σ为海水电导率，S为单个电极面积。
其中，仪器舱采用高强度绝缘材料制成，如工程塑料、尼龙等，有上、下、左、右、前和后六个平面，组成一个规则正六面体，每个平面的面积为1m2，仪器舱内部密封，和外界海水不导通。
其中，吊钩安装在仪器舱的上部，用于所述便携式三分量海底电场仪的吊装。
其中，水声探头安装在仪器舱的上部，用于水声通讯信号接收与应答，改变所述便携式三分量海底电场仪的浮力性质。
其中，玻璃舱球为耐空心玻璃球，安装在仪器舱内部，而信号控制电路、数据采集电路和电源组件固定安装在玻璃舱球内部。
其中，控制电路用于处理水深通讯信号和海底采集作业的操控。
其中，数据采集电路用于接收电极采集的电流信号，由前端电路、电流电压转换器、模数转换器、微控制器和存储器组成。前端电路与电极连接测量电流信号，然后接入电流电压转换器，电流电压转换器将采集的电流信号转换成电压信号并进行调制和放大，模数转换器将采集的模拟信号转换成数字信号，微控制器对输入信号进行控制操作，同时负责与外部的数据传输与交互工作。存储器用于接收数据信息并存储到存储单元。
其中，电源组件用于提供所述便携式三分量海底电场仪的电量供应。
其中，水密接插件连接电极和数据采集电路。
其中，底座固定安装在仪器舱的下部，用于为所述便携式三分量海底电场仪提供重力牵引。
其中，支撑梁用于固定仪器舱在底座上。
其中，脱钩机构用于分离仪器舱和底座。
依据本发明的第二方面，提供一种使用前述权利要求所述的便携式三分量海底电场仪的方法，其包括下面步骤：
1)电极配对与安装，固定好便携式三分量海底电场仪的各部件；2)在将便携式三分量海底电场仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认便携式三分量海底电场仪功能正常后进入下一步，否则返回检修；3)在船只甲板上进行GPS对钟并设定记录时间和采集的参数；4)用船载吊机将便携式三分量海底电场仪从甲板上投放入海，便携式三分量海底电场仪在重力作用下自由下沉至海底，按照设定时间和参数连续记录电场信号，并储存在便携式三分量海底电场仪的内部存储器中；5)待采集结束后或者采集进行中需要回收仪器时，通过船载声纳系统发出释放信号，便携式三分量海底电场仪接到信号后，脱钩机构开始产生电化学腐蚀作用，约5分钟后仪器舱与底座脱离，仪器舱自动上浮至水面，然后将仪器舱打捞上船；6)仪器舱打捞上船后固定在甲板上进行清洗并提取所记录的数据进行分析处理。
使用本发明的技术方案，可以具有以下有益效果：
本发明提供的这种便携式三分量海底电场仪，解决了现有海底电场探测装置尺寸过长、不便于海上投放与回收等问题。
附图说明
图1为依照本发明的便携式三分量海底电场仪电场信号采集原理示意图；
图2为依照本发明的便携式三分量海底电场仪数据采集电路示意图；
图3为依照本发明的便携式三分量海底电场仪立体结构图；
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。
本发明的原理为：本发明的便携式三分量海底电场仪去除了传统的10m长极臂和电位差测量方式，通过大平面电极采集电流信号的方式进行电场探测，仪器尺寸可降低到1m左右。
如图1所示的本发明电场信号采集原理示意图，第三电极3与第四电极4面积相等，相互平行，由前端电路21连接，测量通过电极的电流信号，然后接入后续电路。第三电极3与第四电极4是板状电极，可以是传统的金属电极，或者是银-氯化银等不极化电极。记J为垂直于电极平面的电流密度，σ为海水电导率，E为海水中的电场强度，I为流过电极的电流，S为单个电极面积，V为第三电极3和第四电极4之间的体积，Re为第三电极3和第四电极4在海水中的接触电阻，Rc为前端电路21的电阻，Rw为第三电极3和第四电极4之间海水的电阻。基于欧姆定律，通过第三电极3和第四电极4测量的电场强度E为：
E＝J/σ＝I/(σS) (1)
在海水介质中，电导率σ已知，S为固定值，此时电场将不再由两个测量电极间的距离决定，而是取决于测量电极的面积。由于观测电流强度是S的面积分，为实现相同的电场探测效果，通过增加电极的面积要比增加电极间的距离容易得多，可有效降低仪器尺寸。为避免测量电场受影响，第三电极3和第四电极4在海水中的接触电阻与前端电路21的电阻之和被设置成和体积V内海水电阻相等。在此情况下，相当于探测装置被海水替代。
Re+Rc＝Rw (2)
如图2所示，数据采集电路11用于接收电极采集的电流信号，由前端电路20、前端电路21、前端电路22、电流电压转换器40、模数转换器41、微控制器42和存储器43组成。第一电极1与第二电极2面积相等，相互平行，由前端电路20连接，测量通过电极的电流信号，然后接入电流电压转换器40，电流电压转换器40的输入电阻30和第一电极1与第二电极2之间包围海水的电阻相等。第三电极3与第四电极4面积相等，相互平行，由前端电路21连接，测量通过电极的电流信号，然后接入电流电压转换器40，电流电压转换器40的输入电阻31和第三电极3与第四电极4之间包围海水的电阻相等。第五电极5与第六电极6面积相等，相互平行，由前端电路22连接，测量通过电极的电流信号，然后接入电流电压转换器40，电流电压转换器40的输入电阻32和第五电极5与第六电极6之间包围海水的电阻相等。三组电极相互正交，分别测量三个分量的电场信号。电流电压转换器40将采集的电流信号转换成电压信号并进行调制和放大，模数转换器41将采集的模拟信号转换成数字信号，微控制器42对输入信号进行控制操作，同时负责与外部的数据传输与交互工作。存储器43用于接收数据信息并存储到存储单元。
如图3所示，仪器舱7采用高强度绝缘材料制成，如工程塑料、尼龙等，有上、下、左、右、前和后六个正方形平面，组成一个规则正六面体，每个平面的面积为1m2，仪器舱内部密封，和外界海水不导通。仪器舱7具备正浮力，在不加装底座15情况下浮在海面。
第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4、第五电极5与第六电极6是板状电极，可以是传统的金属电极，或者是银-氯化银等不极化电极；电极共有六个，分别安装在仪器舱7外部的六个平面上，每两个平行电极构成一组，测量与电极平面垂直方向的电流信号；六个电极一共有三组，相互正交，测量三个方向的电流信号。
吊钩8安装在仪器舱的上部，用于便携式三分量海底电场仪的吊装，吊钩8采用无磁性金属材料制成，如钛合金、不锈钢等。
水声探头9安装在仪器舱7的上部，用于水声通讯信号接收与应答，改变所述便携式三分量海底电场仪的浮力性质，实现仪器舱7与底座15的释放分离。
控制电路10用于处理水深通讯信号和海底采集作业的操控。
电源组件12用于提供所述便携式三分量海底电场仪的电量供应，采用可充电锂电池组。
玻璃舱球13为直径17英寸的耐压空心玻璃球，固定安装在仪器舱7内部，信号控制电路10、数据采集电路11和电源组件12固定安装在玻璃舱球13内部。
水密接插件14用于连接六个电极和数据采集电路11。
底座15固定安装在仪器舱的下部，可采用水泥块或者无磁性环保材料，用于为所述便携式三分量海底电场仪提供重力牵引，海上施工完成后仪器舱7和底座15分离，底座15被留在海底。
支撑梁16用于固定仪器舱7在底座15上，采用无磁性金属材料如钛合金、不锈钢等制成的圆柱状或方柱，起到支撑固定作用，保证仪器舱7的底面离底座15约0.5m。
脱钩机构17用于连接和分离仪器舱7和底座15，便携式三分量海底电场仪安装时，脱钩机构17用于连接仪器舱7和底座15，保证两者固定在一起；采集任务完成后，水声探头9接收到释放信号并传输到控制电路10，控制电路10发送脱钩命令，脱钩机构17接收到脱钩命令后产生电化学腐蚀作用，断开仪器舱7与底座15的物理连接。
便携式三分量海底电场仪的工作流程为：1)电极配对与安装，固定好便携式三分量海底电场仪的各部件；2)在将便携式三分量海底电场仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认便携式三分量海底电场仪功能正常后进入下一步，否则返回检修；3)在船只甲板上进行GPS对钟并设定记录时间和采集的参数；4)用船载吊机将便携式三分量海底电场仪从甲板上投放入海，便携式三分量海底电场仪在重力作用下自由下沉至海底，按照设定时间和参数连续记录电场信号，并储存在便携式三分量海底电场仪的内部存储器中；5)待采集结束后或者采集进行中需要回收仪器时，通过船载声纳系统发出释放信号，便携式三分量海底电场仪接到信号后，脱钩机构开始产生电化学腐蚀作用，约5分钟后仪器舱与底座脱离，仪器舱自动上浮至水面，然后将仪器舱打捞上船；6)仪器舱打捞上船后固定在甲板上进行清洗并提取所记录的数据进行分析处理。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种便携式三分量海底电场仪，包括第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)、第四电极(4)、第五电极(5)、第六电极(6)、仪器舱(7)、吊钩(8)、水声探头(9)、信号控制电路(10)、数据采集电路(11)、电源组件(12)、耐压玻璃舱球(13)、水密接插件(14)、底座(15)、支撑梁(16)和脱钩机构(17)；
其特征在于：
第一电极(1)与第二电极(2)，第三电极(3)与第四电极(4)，第五电极(5)与第六电极(6)均为板状电极，两两方向平行，形状与面积分别相等，测量三个方向的电流信号；
仪器舱(7)采用高强度绝缘材料制成，有上、下、左、右、前和后六个正方形平面，组成一个规则正六面体；
吊钩(8)安装在仪器舱的上部，用于所述便携式三分量海底电场仪的吊装；
水声探头(9)安装在仪器舱(7)的上部，用于水声通讯信号接收与应答，改变所述便携式三分量海底电场仪的浮力性质；
控制电路(10)用于处理水深通讯信号和海底采集作业的操控；
数据采集电路(11)用于接收电极采集的电流信号；
电源组件(12)用于提供所述便携式三分量海底电场仪的电量供应；
玻璃舱球(13)为直径17英寸的耐压空心玻璃球，固定安装在仪器舱(7)内部，信号控制电路(10)、数据采集电路(11)和电源组件(12)固定安装在玻璃舱球(13)内部；
水密接插件(14)用于连接六个电极和采集电路(11)；
底座(15)固定安装在仪器舱的下部，用于为所述便携式三分量海底电场仪提供重力牵引；
支撑梁(16)用于固定仪器舱(7)在底座(15)上；
脱钩机构(17)用于连接和分离仪器舱(7)和底座(15)。
2.按权利要求1所述的便携式三分量海底电场仪，其特征在于，第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)、第四电极(4)、第五电极(5)与第六电极(6)材料是金属电极，或者是银-氯化银等不极化电极，六个电极的形状一致、面积相等，分别安装在仪器舱(7)外表的六个面上，每两个平行的电极构成一组，测量与电极垂直方向的电流信号，电流信号经过数据采集电路(11)进行转换、放大和存储。
3.按权利要求1所述的便携式三分量海底电场仪，其特征在于，第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)、第四电极(4)、第五电极(5)与第六电极(6)构成三组平行电极，每组平行电极在海水中的接触电阻与数据采集电路(11)的前端电路电阻之和，与六个电极包围的六面体内海水电阻相等。
4.按权利要求1所述的便携式三分量海底电场仪，其特征在于，每个方向的电场强度用以下关系式计算，E＝I/(σS)，其中E为海水中的电场强度，I为测量的电流，σ为海水电导率，S为单个电极面积。
5.按权利要求1所述的便携式三分量海底电场仪，其特征在于，仪器舱(7)采用高强度绝缘材料制成，有上、下、左、右、前和后六个正方形平面，组成一个规则正六面体，仪器舱内部密封，和外界海水不导通，仪器舱具备正浮力。
6.按权利要求1所述的便携式三分量海底电场仪，其特征在于，玻璃舱球(13)为直径17英寸的耐压空心玻璃球，固定安装在仪器舱内部，而采集电路和电源部分固定安装在玻璃舱球内部。
7.按权利要求1所述的便携式三分量海底电场仪，其特征在于，脱钩机构(17)用于连接和分离仪器舱和底座，便携式三分量海底电场仪安装时，脱钩机构用于连接仪器舱和底座，保证两者固定在一起；采集任务完成后，脱钩机构产生电化学腐蚀作用，断开仪器舱与底座的物理连接。
8.使用前述权利要求所述的便携式三分量海底电场仪的方法，其包括下面步骤：
1)电极配对与安装，固定好便携式三分量海底电场仪的各部件；
2)在将便携式三分量海底电场仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认便携式三分量海底电场仪功能正常后进入下一步，否则返回检修；
3)在船只甲板上进行GPS对钟并设定记录时间和采集的参数；
4)用船载吊机将便携式三分量海底电场仪从甲板上投放入海，便携式三分量海底电场仪在重力作用下自由下沉至海底，按照设定时间和参数连续记录电场信号，并储存在便携式三分量海底电场仪的内部存储器中；
5)待采集结束后或者采集进行中需要回收仪器时，通过船载声纳系统发出释放信号，便携式三分量海底电场仪接到信号后，脱钩机构开始产生电化学腐蚀作用，约5分钟后仪器舱与底座脱离，仪器舱自动上浮至水面，然后将仪器舱打捞上船；
6)仪器舱打捞上船后固定在甲板上进行清洗并提取所记录的数据进行分析处理。
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