CN108828471A - 一种多分量海底磁场测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多分量海底磁场测量方法及装置，该测量装置仅仅采用1个标量磁传感器和4个矢量磁传感器构成一套观测系统，可准确获取总磁场、各分量磁场以及磁场梯度张量，该测量装置包括海底磁场采集站箱体、第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂、第四支撑臂、第一矢量传感器、第二矢量磁传感器、第三矢量传感器、第四矢量磁传感器、耐压玻璃舱、标量磁传感器、电源组件、通讯缆线、承压舱、采集电路、连接口和分瓣连接器。本发明的测量方法及装置采用标量磁传感器和矢量磁传感器组合使用，经校正后可有效提高磁场分量的测量精度，采用少量磁传感器同时实现了海底磁张量测量，能获得更多的反映场源特点与细节的信息，为海洋磁异常研究提供了新的技术手段。

Description

一种多分量海底磁场测量方法及装置

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，其涉及一种多分量海底磁场测量方法及装置。

背景技术

磁场探测作为一种常用的地球物理探测技术已得到广泛应用，在海底磁测中将磁力仪布放在海底定点长期观测，用于海底结构探测、海底地磁日变站、海底地震监测以及水下目标体探测等需求，是海洋研究领域的重要技术手段。

地磁场是具有方向和幅值的矢量场，对其测量常包括：总场模值测量、总场模值梯度测量、分量测量和分量梯度测量等，三分量磁场在空间三个方向的变化率即为梯度全张量。地球磁场的三个分量(Bx、By、Bz)和三个分量的空间变化率(Bxx、Bxy、Bxz、Byx、Byy、Byz、Bzx、Bzy、Bzz)，这9个元素构成了二阶梯度张量G，其矩阵形式如下：

上式中9个磁场参数中实际上只有5个参数是独立的，只要能得到这5个磁场梯度参数的值，就可以确定二阶梯度张量G。磁场的梯度测量和张量测量能获得更多的反映场源特点与细节的信息，对磁异常的解释十分重要。

用于测量磁场的传感器主要分两类，其一是直接测量地磁场的标量值，绝对测量精度高，但无法测量分量信息；其二是探测磁场在传感器敏感轴上的分量，可以同时获得地磁场的大小和方向，但绝对测量精度不高，分辨率相对较差。根据已有研究，为了准确测量梯度张量，至少需要十个单轴磁场传感器，而单纯采用标量磁探头无法测量磁场梯度张量。

面对海洋磁测的复杂化，对海洋勘测的仪器要求也越来越高，如何利用尽可能少的传感器获取更多的准确信息一直是本领域研究人员关注的热点暨难点问题。

发明内容

针对现有技术的不足及问题，本发明提出一种多分量海底磁场测量方法和装置。

依据本发明的第一方面，提供一种使用前述权利要求所述的多分量海底磁场测量装置，其包括：海底磁场采集站箱体、第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂、第四支撑臂、第一矢量传感器、第二矢量磁传感器、第三矢量传感器、第四矢量磁传感器、耐压玻璃舱、标量磁传感器、电源组件、通讯缆线、承压舱、采集电路、连接口、分瓣连接器，其中海底磁场采集站箱体是采用无磁性、具有一定机械强度材料(如ABS、聚四氟乙烯等材料)制成的正方体形，用于为测量装置各部件提供防护和固定点；第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂和第四支撑臂的首端分别固定安装海底磁场采集站箱体的4个面上，4个支撑臂处在一个平面，用于为矢量磁传感器提供支撑点；第一矢量传感器、第二矢量磁传感器、第三矢量传感器和第四矢量磁传感器分别安装在第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂和第四支撑臂的尾端，用于测量三个正交分量(空间笛卡尔直角坐标系下X、Y、Z三个正交方向)的磁场，四个矢量传感器的测量中心位于一个平面上。

耐压玻璃舱和承压舱固定安装在海底磁场采集站箱体内部，用于提供电子线路的耐压防护；标量磁传感器和电源组件固定安装在耐压玻璃舱内部，其中，标量磁传感器用于采集标量磁场信号，其测量中心位置和4个矢量传感器的测量中心位于一个平面上，电源组件用于提供所述多分量海底磁场测量装置的能源供应；采集电路固定安装在承压舱内部，用于信号控制、信号采集和信号存储。

连接口和分瓣连接器固定安装在承压舱外壁上，用于信号和能源传输的接口，其中连接口通过通讯缆线与玻璃舱相连，标量磁传感器采集的信号传输到采集电路，分瓣连接器用于连接4个矢量磁传感器；通讯缆线为防水电缆，用于耐压玻璃舱和承压舱之间的信号和能源传输。

上述方案中，所述支撑臂是采用无磁性、具有一定机械强度材料(如ABS、聚四氟乙烯等材料)制成的圆管或圆棒。

上述方案中，所述矢量传感器采用三轴磁通门，整体进行硫化封装，具备耐压性能，所述标量传感器采用质子旋进型磁探头。

上述方案中，标量磁传感器和4个矢量磁传感器空间结构呈十字形，其中标量磁传感器位于十字形结构中心，4个矢量磁传感器位于十字形结构的4个端点，4个矢量磁传感器距离标量磁传感器距离均相等，标量磁传感器和4个矢量磁传感器的测量中心在一个平面上。

依据本发明的第二方面，使用上述多分量海底磁场测量装置的方法，其包括以下步骤：

第一步，对矢量磁传感器和标量磁传感器进行校准，确保传感器功能正常，然后进行装置功能自检测试，确认仪器状态正常；

第二步，根据需求设置采集任务，运载船只通过卫星导航航行至设定测量站位，采用遥控无人潜水器(ROV)或其它水下投放施工装置将海底磁场测量装置投放到海底指定位置；

第三步，海底磁场测量装置按照设定的时间和参数进行磁场信号采集，其中4个矢量磁传感器分别测量三个正交方向的磁场，标量磁传感器测量总磁场；

第四步，采集任务结束后，运载船只通过卫星导航航行至装置投放位置，采用遥控无人潜水器(ROV)或其它水下投放施工装置将海底磁场测量装置打捞上船；

第五步，提取出海底磁场测量装置数据，进行多分量磁场和磁场梯度张量计算；

第六步，根据多分量磁场和磁场梯度张量计算结果，结合已知条件，进行数据解译。

进一步地，多分量磁场和磁场梯度张量计算步骤如下：

(1)5个磁传感器分别测量空间磁场信息；建立空间笛卡尔直角坐标系，以标量磁传感器所在点为参考点，第一矢量传感器和第三矢量磁传感器沿Y方向展布，第二矢量磁传感器和第四矢量传感器沿X方向展布，4个矢量磁传感器和标量磁传感器距离均相等，标记为L；表示第一矢量传感器1测量的磁感应强度矢量，B1x、B1y、B1z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第二矢量磁传感器2测量的磁感应强度矢量，B2x、B2y、B2z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第三矢量传感器3测量的磁感应强度矢量，B3x、B3y、B3z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第四矢量磁传感器4测量的磁感应强度矢量，B4x、B4y、B4z分别表示在X、Y、Z方向的分量；B₅表示标量磁传感器5测量的磁场值；用向量分别表示为：

(2)计算校正系数；fx、fy、fz分别表示矢量磁传感器在X、Y、Z三个方向的校正系数，其计算公式如下：

(3)多分量磁场计算；B、Bx、By、Bz、G分别表示参考点的总磁场大小、X方向的磁场分量、Y方向的磁场分量、Z方向的磁场分量、磁场梯度张量，其计算公式如下：

B＝B₅

Bx＝fx(B2x+B4x)/2

By＝fy(B1y+B3y)/2

Bz＝fz(B1z+B2z+B3z+B4z)/4

使用本发明的技术方案，可以具有以下有益效果：

1、本发明采用标量磁传感器和矢量磁传感器组合使用，经校正后可有效提高磁场分量的测量精度。

2、采用少量的磁传感器实现了海底磁张量测量，能获得更多的反映场源特点与细节的信息，为海洋磁异常研究提供了新的有效技术手段。

附图说明

图1为依照本发明的多分量海底磁场测量装置整体结构示意图；

图2为依照本发明的多分量海底磁场测量装置内部结构示意图；

图3为依照本发明的多分量海底磁场测量原理示意图。

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。

在本发明公开的多分量海底磁场测量方法及装置中，所述装置仅仅采用1个标量磁传感器和4个矢量磁传感器构成一套观测系统，可准确获取总磁场、各分量磁场以及磁场梯度张量，该测量装置包括海底磁场采集站箱体、第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂、第四支撑臂、第一矢量传感器、第二矢量磁传感器、第三矢量传感器、第四矢量磁传感器、耐压玻璃舱、标量磁传感器、电源组件、通讯缆线、承压舱、采集电路、连接口和分瓣连接器。进一步地，本发明采用标量磁传感器和矢量磁传感器组合使用，经校正后可有效提高磁场分量的测量精度，采用少量磁传感器同时实现了海底磁张量测量，能获得更多的反映场源特点与细节的信息，为海洋磁异常研究提供了新的技术手段。

如图1所示，为本发明的多分量海底磁场测量装置整体结构示意图，其包括：海底磁场采集站箱体20、第一矢量磁传感器1、第二矢量传感器2、第三矢量磁传感器3、第四矢量传感器4、第一支撑臂21、第二支撑臂22、第三支撑臂23、第四支撑臂24。

海底磁场采集站箱体20采用无磁性、具有一定机械强度的材料制成，如ABS、聚四氟乙烯等材料，形状为正方体形，主要作用为装置其他部件提供支撑载体。

4个支撑臂(4个支撑臂分别为第一支撑臂21、第二支撑臂22、第三支撑臂23、第四支撑臂24)采用无磁性、具有一定机械强度的材料制成，如ABS、聚四氟乙烯等材料，形状为原棒体或管状，主要作用为矢量磁传感器支撑载体。4个支撑臂的首端分别固定安装在底磁场采集站箱体20的4个面上，4个支撑臂空间上处在一个平面，用于为矢量磁传感器提供机械支撑点。

4个矢量磁传感器(分别为第一矢量磁传感器1、第二矢量传感器2、第三矢量磁传感器3、第四矢量传感器4)用于检测海底磁场信号，采用小体积的三轴磁通门，每个矢量磁传感器可测量三个正交分量的磁场。三轴磁通门整体经过硫化封装，具备耐压性能，耐压深度为4000m。4个矢量磁传感器分别安装在4个支撑臂的尾端，空间结构上呈十字形，位于十字形结构的4个端点，测量中心位于一个平面上。

如图2所示，为本发明的多分量海底磁场测量装置内部结构示意图，其包括：耐压玻璃舱10、标量磁传感器5、电源组件11、通讯缆线12、承压舱30、采集电路31、连接口32、分瓣连接器33。

耐压玻璃舱10固定安装在海底磁场采集站箱体20内部，耐压玻璃舱10采用17英寸空心玻璃球，密封后耐压超过4000米水深，用于内部组件的耐压保护。

标量磁传感器5和电源组件11固定安装在耐压玻璃舱内部，其中，标量磁传感器5用于采集标量磁场信号，采用质子旋进型磁探头，如Overhauser磁探头；标量磁传感器5空间结构上处于4个矢量磁传感器组成的十字形结构中心位置，距离4个矢量磁传感器距离相等，均为1m，其测量中心位置和4个矢量传感器的测量中心位于一个平面上。

电源组件11采用可充电的锂电池组，用于提供所述多分量海底磁场测量装置的整体电量供应。

通讯缆线12采用防水线缆，用于耐压玻璃舱10和承压舱30之间的信号和能源传输。

承压舱30采用钛合金制成，具备耐压、耐腐蚀性能，密封后耐压超过4000米水深，主要用于为内部电路提供防水和耐压防护。

采集电路31固定安装在承压舱30内部，包括装置的控制和信号采集电路，实现信号交互和采集功能，用于信号控制、信号采集和信号存储。

连接口32固定安装在承压舱30外壁上，用于信号和能源传输的接口，其中连接口32通过通讯缆线12与耐压玻璃舱10相连。

分瓣连接器33固定安装在承压舱30外壁上，采用水密接插件，用于采集电路31和4个矢量磁传感器之间的信号通信。

使用上述多分量海底磁场测量装置的方法，包括以下步骤：

第一步，对矢量磁传感器(第一矢量磁传感器1、第二矢量传感器2、第三矢量磁传感器3、第四矢量传感器4)和标量磁传感器5进行校准，确保传感器功能正常，然后进行装置功能自检测试，确认仪器状态正常；

第二步，根据需求设置采集任务，运载船只通过卫星导航航行至设定测量站位，采用遥控无人潜水器(ROV)或其它水下投放施工装置将海底磁场测量装置投放到海底指定位置；

第三步，海底磁场测量装置按照设定的时间和参数进行磁场信号采集，其中4个矢量磁传感器分别测量三个正交方向的磁场，标量磁传感器5测量总磁场；

第四步，采集任务结束后，运载船只通过GPS导航航行至装置投放位置，采用遥控无人潜水器(ROV)或其它水下投放施工装置将海底磁场测量装置打捞上船；

第五步，提取出海底磁场测量装置数据，进行多分量磁场和磁场梯度张量计算；

第六步，根据多分量磁场和磁场梯度张量计算结果，结合已知条件，进行数据解译。

如图3所示，为本发明的多分量海底磁场测量原理示意图，其技术方案是：包括4个矢量磁传感器(第一矢量磁传感器1、第二矢量传感器2、第三矢量磁传感器3、第四矢量传感器4)和1个标量磁传感器5，5个传感器空间结构上按照十字形结构进行布放，其中标量磁传感器5位于十字形结构中心，4个矢量磁传感器位于十字形结构的4个端点，4个矢量磁传感器距离标量磁传感器1的距离相等，5个磁传感器的测量中心在一个平面上，多分量磁场和磁场梯度张量计算步骤如下：

(1)5个磁传感器分别测量空间磁场信息；建立空间笛卡尔直角坐标系，X、Y、Z三个轴的正向分别指向地理北、地理东和垂直向下，以标量磁传感器所在测量中心为参考点；第一矢量传感器1和第三矢量磁传感器3沿Y方向展布，第二矢量磁传感器2和第四矢量传感器4沿X方向展布；L表示矢量磁传感器与标量磁传感器的距离；表示第一矢量传感器1测量的磁感应强度矢量，B1x、B1y、B1z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第二矢量磁传感器2测量的磁感应强度矢量，B2x、B2y、B2z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第三矢量传感器3测量的磁感应强度矢量，B3x、B3y、B3z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第四矢量磁传感器4测量的磁感应强度矢量，B4x、B4y、B4z分别表示在X、Y、Z方向的分量；B₅表示标量磁传感器5测量的磁场值；用向量分别表示为：

(2)计算校正系数；设矢量磁传感器X、Y、Z三个方向的校正系数分别是fx、fy、fz，校正系数是一个无量纲的比例参数，其计算公式如下：

(3)多分量磁场计算；B表示参考点的总磁场大小，Bx表示参考点X方向的磁场分量，By表示参考点Y方向的磁场分量，Bz表示参考点Z方向的磁场分量，G表示参考点的磁场梯度张量，G反映的是Bx、By和Bz沿三个正交坐标轴X、Y和Z的空间变化率，其计算公式如下：

B＝B₅

Bx＝fx(B2x+B4x)/2

By＝fy(B1y+B3y)/2

Bz＝fz(B1z+B2z+B3z+B4z)/4

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 (5)

1.一种多分量海底磁场测量装置，包括：海底磁场采集站箱体、第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂、第四支撑臂、第一矢量传感器、第二矢量磁传感器、第三矢量传感器、第四矢量磁传感器、耐压玻璃舱、标量磁传感器、电源组件、通讯缆线、承压舱、采集电路、连接口、分瓣连接器；其特征在于：

海底磁场采集站箱体是采用无磁性、具有一定机械强度材料制成的正方体形，用于为测量装置各部件提供防护和固定点；

第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂和第四支撑臂的首端分别固定安装海底磁场采集站箱体的4个面上，4个支撑臂处在一个平面，用于为矢量磁传感器提供支撑点；

第一矢量传感器、第二矢量磁传感器、第三矢量传感器和第四矢量磁传感器分别安装在第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂和第四支撑臂的尾端，用于测量三个正交分量(空间笛卡尔直角坐标系下X、Y、Z三个正交方向)的磁场信号；

耐压玻璃舱和承压舱固定安装在海底磁场采集站箱体内部，用于为电子线路提供耐压防护；

标量磁传感器和电源组件固定安装在耐压玻璃舱内部，其中，标量磁传感器用于采集标量磁场信号，电源组件用于提供所述多分量海底磁场测量装置的能源供应；

采集电路固定安装在承压舱内部，用于信号控制、信号采集和信号存储；

连接口和分瓣连接器固定安装在承压舱外壁上，用于信号和能源传输的接口，其中连接口通过通讯缆线与玻璃舱相连，分瓣连接器用于连接4个矢量磁传感器；

通讯缆线为防水电缆，用于耐压玻璃舱和承压舱之间的信号和能源传输。

2.按权利要求1所述的多分量海底磁场测量装置，其特征在于，所述矢量传感器采用三轴磁通门，整体进行硫化封装，具备耐压性能，所述标量传感器采用质子旋进型磁探头。

3.按权利要求1所述的多分量海底磁场测量装置，其特征在于，所述多分量海底磁场测量装置采用1个标量磁传感器和4个矢量磁传感器同时进行磁场观测，标量磁传感器和4个矢量磁传感器空间分布结构呈十字形结构，其中标量磁传感器位于十字形结构中心，4个矢量磁传感器位于十字形结构的4个端点，4个矢量磁传感器距离标量磁传感器距离均相等，标量磁传感器和4个矢量磁传感器的测量中心在一个平面上。

4.使用权利要求1-3之任一所述多分量海底磁场测量装置的方法，其包括以下步骤：

第一步，对矢量磁传感器和标量磁传感器进行校准，确保传感器功能正常，然后进行装置功能自检测试，确认仪器状态正常；

第二步，根据需求设置采集任务，运载船只通过卫星导航航行至设定测量站位，采用遥控无人潜水器(ROV)或其它水下投放施工装置将海底磁场测量装置投放到海底指定位置；

第三步，海底磁场测量装置按照设定的时间和参数进行磁场信号采集，其中4个矢量磁传感器分别测量三个正交方向的磁场，标量磁传感器测量总磁场；

第四步，采集任务结束后，运载船只通过卫星导航航行至装置投放位置，采用遥控无人潜水器(ROV)或其它水下投放施工装置将海底磁场测量装置打捞上船；

第五步，提取出海底磁场测量装置数据，进行多分量磁场和磁场梯度张量计算；

第六步，根据多分量磁场和磁场梯度张量计算结果，结合已知条件，进行数据解译。

5.依据权利要求4所述的多分量海底磁场测量方法，其特征在于，多分量磁场和磁场梯度张量计算步骤如下：

(1)5个磁传感器分别测量空间磁场信息；建立空间笛卡尔直角坐标系，以标量磁传感器所在点为参考点，第一矢量传感器和第三矢量磁传感器沿Y方向展布，第二矢量磁传感器和第四矢量传感器沿X方向展布，4个矢量磁传感器和标量磁传感器距离均相等，标记为L；表示第一矢量传感器1测量的磁感应强度矢量，B1x、B1y、B1z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第二矢量磁传感器2测量的磁感应强度矢量，B2x、B2y、B2z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第三矢量传感器3测量的磁感应强度矢量，B3x、B3y、B3z分别表示在X、Y、Z方向的分量；表示第四矢量磁传感器4测量的磁感应强度矢量，B4x、B4y、B4z分别表示在X、Y、Z方向的分量；B₅表示标量磁传感器5测量的磁场值；用向量分别表示为：

(2)计算校正系数；fx、fy、fz分别表示矢量磁传感器在X、Y、Z三个方向的校正系数，其计算公式如下：

(3)多分量磁场计算；B、Bx、By、Bz、G分别表示参考点的总磁场大小、X方向的磁场分量、Y方向的磁场分量、Z方向的磁场分量、磁场梯度张量，其计算公式如下：

B＝B₅

Bx＝fx(B2x+B4x)/2

By＝fy(B1y+B3y)/2

Bz＝fz(B1z+B2z+B3z+B4z)/4