CN110989019B - 一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，该系统利用磁化退磁装置对海底底质进行不同强度不同时序的原位磁化和退磁处理，同时测量相应的磁场变化信息，由此原位获得海底底质的磁学特性曲线。通过利用半径较大分布式三轴磁场传感器可以获得探测地点海底的磁场分布，为绘制海底大面积的地磁场图提供有效数据。通过设定的脉冲磁场、退磁磁场序列，及分布式三轴磁场传感器采集数据的有序结合，特别是考虑了多点的剩磁采样、海水的影响，去除了海底地磁的影响，可以准确获得海底底质较为丰富的磁学特性数据。本发明主要用于对海底底质或者岩石的原位磁学特性测量。

Description

一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法

技术领域

本发明属于海底智能探测技术领域，涉及一种海底底质磁学特性探测系统的数据采集与处理方法。

背景技术

深海探测对于深海生态的研究利用、深海矿物的开采以及深海地质结构的研究，均具有非常重要的意义。作为深海一种重要探测技术，海底底质磁学特性的原位探测技术有多方面的应用，例如，目前研究发现海底存在一些磁异常条带，这些磁异常记录了地磁极翻转的信息；海底磁性条带的发现为海底扩张学说和板块运动提供了有力的证据；而且海底磁异常也是探测热液区和分析矿床特征的有效指征，海底底质磁学特性的原位探测技术是探测海底磁异常条带的最有效的手段；深海海底底质磁学特性原位探测系统可原位探测海底岩石与沉积层的种类和成分，为海底地质环境探测和成因分析提供支撑；此外还可以为水下目标的磁探测、水下无人潜航器的地磁导航技术提供有效的信息，在国防安全方面有重要的意义。

目前深海中可以原位磁探测的还只是大尺度的海底磁场信息。基于卫星、飞机或船舶的磁测数据需要通过反演获得海底磁场分布，海底局部的磁异常(如短波长磁异常)无法准确获得；基于水下航行器测量的磁场数据还不完备。对海底岩石/沉积物的磁学特性分析只能通过深海钻探采样，在实验室利用岩石磁力仪进行分析，耗时长，同时也丧失了原位特性。目前尚无在海底对底质磁学特性进行原位测量的设备。

发明内容

针对当前海底底质磁学探测的不足，本发明提出了一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法。本发明实现对海底底质进行磁学特性原位探测，通过海底底质磁学特性检测数据的分析与解析，进而确定海底底质所含磁性物质的种类和成分，为海底地质环境探测和成因分析提供支撑。本发明无需深海钻探采样，既节省了时间、人力和物力，同时保证了所探测物质的原位特性。

本发明提出的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，包括以下步骤：

步骤1：对海底底质探测系统中的电磁场发生装置进行初始化设置，设置所要产生磁场的时间、磁场波形的特征参数，波形的形状及幅值参数，零磁标准，饱和磁化场数值，波形序列参数；

步骤2：将探测系统放置在海底，使得电磁场发生装置的线圈平面设置有多个传感器的一侧面贴近海底底质；

步骤3：开启探测系统，电磁场发生装置开始工作；

步骤4：第一次测量磁场：在系统控制器的作用下，磁场采集装置采集所有传感器的数据，每个传感器采用多次采样，并将采样数据按照顺序写入到系统的内部非遗失存储器上；

步骤5：在系统控制器的作用下线圈产生一个衰减正弦退磁场，磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤6：判断线圈中心点处的磁传感器采集的数据是否满足给定的零磁标准；如果满足零磁标准，此时线圈中心点处的磁传感器采集的数据记为当地点的地磁场，转步骤7；否则，提高探测系统中电磁场发生装置的输出磁场的最大值，重做步骤5；

步骤7：在系统控制器的作用下，使得电磁场发生装置线圈产生单一方向的脉冲磁场，脉冲磁场结束后磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤8：多次重复步骤7，每次逐步增大磁化场的场强，直至达到饱和磁化场，磁化阶段完成；

步骤9：在系统控制器的作用下使得电磁场发生装置的线圈产生一个衰减正弦退磁场，退磁场结束后，磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤10：多次重复步骤9，每次逐步增大退磁场的场强，直到探测系统的线圈中心点处的磁传感器采集到的数据满足给定的零磁标准，退磁阶段完成；

步骤11：多次重复步骤7～10，数据采集结束，系统自动关闭；

步骤12：数据处理与分析装置通过串口或者无线方式读取探测系统非遗失存储器中的磁场数据；

步骤13：数据处理与分析装置，考虑海水的影响对数据进行校正，依照传感器的位置分布，最终生成等海底地质磁场分布图、等温剩磁曲线、交流退磁曲线、直流退磁曲线。

进一步的，海底底质磁学特性原位探测系统包括电源和系统控制器，连接到电磁场发生装置、磁场采集装置，整个探测系统放置在耐受深海压力环境的外壳中。

进一步的，所述的磁场采集装置，包括多个磁场传感器，每个磁传感器采用单轴磁传感器HMC1001芯片和两轴的磁传感器HMC1002芯片构成一个三轴磁传感器，在圆形线圈的内部中心点处放置一个三轴磁传感器，在线圈内部与线圈同心的一个圆上均匀布置不少于4个三轴磁传感器。

进一步的，所述的磁场采集装置采集数据时，对中心位置的磁场传感器和圆环形线圈的环内的多个磁场传感器的数据增加位置和时间标记，用于数据处理时分析不同位置区域的剩磁分布差异；以及根据不同传感器测得的剩磁数据，分析海底底质磁场特性变化的方向。

进一步的，数据处理与分析装置，利用海底底质磁学特性原位探测系统获得的数据，考虑海水对不同位置处脉冲磁场和退磁磁场的影响，对不同位置测量的数据分别进行校正，并减去海底当地点的地磁场，绘制海底底质磁学特性曲线。

进一步的，在系统控制器的控制下利用直流高压电源模块对储能电容充电，然后利用开关切换使得电容对与之连接的线圈放电，得到所需要的磁场，包括脉冲磁场、交流衰减磁场。

有益效果：

1、本发明提出的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，首先利用半径较大分布式三轴磁场传感器可以获得探测地点海底的磁场分布，为绘制海底大面积的地磁场图提供有效数据。

2、通过设定的脉冲磁场、退磁磁场序列，及分布式三轴磁场传感器采集数据的有序结合，特别是考虑了多点的剩磁采样、海水的影响，去除了海底地磁的影响，可以准确获得海底底质较为丰富的磁学特性数据。

3、这些都为深海生态的研究利用、深海矿物的开采以及深海地质结构的研究，提供了有效依据。

附图说明

图1：为本发明的方法流程图；

图2：为本发明海底底质磁学特性原位系统构成图；

图3：为本发明海底底质磁学特性原位信号采集装置示意图；

图4：为本发明海底底质磁化/退磁装置原理图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，参见图1，提供一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，包括如下步骤：

步骤1：对海底底质探测系统中的电磁场发生装置进行初始化设置，设置所要产生磁场的时间、磁场波形的特征参数，波形的形状及幅值参数，零磁标准，饱和磁化场数值，波形序列参数；

步骤2：将探测系统放置在海底，使得电磁场发生装置的线圈平面设置有多个传感器的一侧面贴近海底底质；

步骤3：开启探测系统，电磁场发生装置开始工作；

步骤4：第一次测量磁场：在系统控制器的作用下，磁场采集装置采集所有传感器的数据，每个传感器采用多次采样，并将采样数据按照顺序写入到系统的内部非遗失存储器上；

步骤5：在系统控制器的作用下线圈产生一个衰减正弦退磁场，磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤6：判断线圈中心点处的磁传感器采集的数据是否满足给定的零磁标准；如果满足零磁标准，此时线圈中心点处的磁传感器采集的数据记为当地点的地磁场，转步骤7；否则，提高探测系统中电磁场发生装置的输出磁场的最大值，重做步骤5；

步骤7：在系统控制器的作用下，使得电磁场发生装置线圈产生单一方向的脉冲磁场，脉冲磁场结束后磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤8：多次重复步骤7，每次逐步增大磁化场的场强，直至达到饱和磁化场，磁化阶段完成；

步骤9：在系统控制器的作用下使得电磁场发生装置的线圈产生一个衰减正弦退磁场，退磁场结束后，磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤10：多次重复步骤9，每次逐步增大退磁场的场强，直到探测系统的线圈中心点处的磁传感器采集到的数据满足给定的零磁标准，退磁阶段完成；

步骤11：多次重复步骤7～10，数据采集结束，系统自动关闭；

步骤12：数据处理与分析装置通过串口或者无线方式读取探测系统非遗失存储器中的磁场数据；

步骤13：数据处理与分析装置，考虑海水的影响对数据进行校正，依照传感器的位置分布，最终生成等海底地质磁场分布图、等温剩磁曲线、交流退磁曲线、直流退磁曲线。

参见图2-3，本发明的探测方法所使用的探测系统，具有耐深海压力的圆柱形外壳结构，可以保证在系统在深海海底正常工作，数据处理与分析装置可以采用一般的台式计算机或者工作站。本发明提出的海底底质磁学特性原位探测系统，通过搭载着陆器被放置到海底。工作时在系统控制器的作用下，电磁发生模块产生脉冲磁场序列或者衰减的正弦波形磁场，磁场采集模块在脉冲磁场或者衰减的正弦波形磁场结束后中采集磁场信号，并存储在内部的非遗失存储器上。系统的数据处理与分析装置可以通过串口、无线或者插卡的方式读取海底底质磁学特性原位信号采集装置内部非遗失存储器中的数据，并进行磁学特性曲线绘制。

参见图4，本发明海底底质电磁发生模块产生脉冲磁化场和退磁场的原理：

本发明采用高电压储能电容放电产生所需的磁化/退磁磁场。通过对48V直流电源进行逆变、整流、滤波处理得到最高3kV的直流电压，输出电压的大小可以调。磁化阶段中，先闭合开关S1断开开关S2通过高压直流电源给电容充电，然后打开开关S1闭合开关S2，电路中电流过零时，S2关断，在线圈L中产生脉冲磁化场；退磁阶段，先闭合开关S1通过高压直流电源给电容充电，然后打开开关S1闭合开关S2，在线圈中产生衰减振荡的退磁场。

磁化/退磁线圈设计需要满足磁化/退磁场的要求，同时要尽量减小体积和重量。线圈的磁场公式为：

其中，B为线圈产生的磁场强度，N为线圈匝数，r为线圈半径，I为线圈通过的电流值，μ₀为磁导率。

磁场采集装置中的每个磁传感器采用单轴磁传感器HMC1001和两轴磁传感器HMC1002芯片组成三轴磁传感器，在圆形线圈的内部中心点处放置一个三轴磁传感器，在靠线圈内部靠近线圈的一个圆上均与布置4个磁传感器。

采集控制器采用ARM内核的STM32F系列单片机，该单片机接口丰富，性能好，功耗低，体积小，重量轻，功能强大。

电源采用48V锂电池组给系统供电。先将采集到的数据存储在SD卡中，待装置到底水面后再对数据进行进一步处理和分析。

数据处理与分析装置，设置有上位机图形界面，采用QT编写，对Windows系统和Linux系统兼容。操作人员可以通过上位机对系统进行调试，设置磁化/退磁磁场的大小，采样开始时间等。探测系统登陆到水面后，将SD卡内的数据通过串口发送到上位机，通过滤波、拟合等处理，在上位机界面上生成等温剩磁曲线和退磁曲线，为海底底质磁学物质分析提供可靠依据。

根据本发明的另一个实施例，生成等温剩磁曲线和退磁曲线的步骤为：

步骤一：系统调试和初始设置

探测系统与上位机通过串口直接通讯，用户在上位机软件中直接输入需要的磁化场最大值1T、退磁场最大值200mT、采样开始时间，零磁标准。

步骤二：底质磁化

磁化/退磁电路原理图如图4所示，磁化阶段开始之前，先对海底底质进行一次退磁。先闭合开关S1，断开开关S2，直流电源U对储能电容C充电，直至电容两端电压为V。断开开关S1，闭合S2，储能电容C对线圈放电，形成瞬时电流，其表达式如下所示：

其中，V为电容两端充电电压；R为放电回路总电阻；L为放电线圈电感值；ω：放电回路的谐振角频率，其表达式为

电容C对线圈放电的电流波形为衰减振荡，直至电流衰减到零，采集所有磁传感器数据，当线圈中心点的磁传感器采集的数据满足零磁标准时，此次预先退磁完成，进入磁化阶段。

沿正向施加脉冲磁化场。先闭合开关S1断开开关S2，电源给储能电容C充电，直至电容电压达到U，断开开关S1，闭合S2，储能电容C对线圈L放电，当第一个电流脉冲过零时，打开开关S2，测量底质磁化后的剩磁。重复以上步骤，每次电源电压U逐渐增大，磁化场场强随之增大，直至底质达到饱和磁化状态，磁化阶段完成。

步骤三：底质退磁

从正向饱和磁化状态开始，对海底底质进行退磁。打开开关S2，闭合S1，电源给储能电容C充电，直至电容电压达到U，断开开关S1，闭合S2，储能电容C对线圈L放电，形成衰减振荡的放电电流，直至电流为0时，打开开关S2，对底质进行剩磁测量。重复以上步骤，每次电源电压U逐渐增大，退磁场场强随之增大，直至底质剩磁接近为零，退磁阶段完成。

步骤四：数据处理与分析

通过上述磁化和退磁阶段，已经将测量到的剩磁数据存储在SD卡中，探测系统登录到水面后，通过串口将数据发送给上位机，上位机软件对数据进行滤波、拟合等，最终生成等温剩磁曲线和交流退磁曲线。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对海底底质探测系统中的电磁场发生装置进行初始化设置，设置所要产生磁场的时间、磁场波形的特征参数，波形的形状及幅值参数，零磁标准，饱和磁化场数值，波形序列参数；

步骤2：将探测系统放置在海底，使得电磁场发生装置的线圈平面设置有多个传感器的一侧面贴近海底底质；

步骤3：开启探测系统，电磁场发生装置开始工作；

步骤4：第一次测量磁场：在系统控制器的作用下，磁场采集装置采集所有传感器的数据，每个传感器采用多次采样，并将采样数据按照顺序写入到系统的内部非遗失存储器上；

步骤5：在系统控制器的作用下线圈产生一个衰减正弦退磁场，磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤6：判断线圈中心点处的磁传感器采集的数据是否满足给定的零磁标准；如果满足零磁标准，此时线圈中心点处的磁传感器采集的数据记为当地点的地磁场，转步骤7；否则，提高探测系统中电磁场发生装置的输出磁场的最大值，重做步骤5；

步骤7：在系统控制器的作用下，使得电磁场发生装置线圈产生单一方向的脉冲磁场，脉冲磁场结束后磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤8：多次重复步骤7，每次逐步增大磁化场的场强，直至达到饱和磁化场，磁化阶段完成；

步骤9：在系统控制器的作用下使得电磁场发生装置的线圈产生一个衰减正弦退磁场，退磁场结束后，磁场采集装置多次采集海底底质的剩磁数据，并将测量到的剩磁数据存储在非遗失存储器中；

步骤10：多次重复步骤9，每次逐步增大退磁场的场强，直到探测系统的线圈中心点处的磁传感器采集到的数据满足给定的零磁标准，退磁阶段完成；

步骤11：多次重复步骤7～10，数据采集结束，系统自动关闭；

步骤12：数据处理与分析装置通过串口或者无线方式读取探测系统非遗失存储器中的磁场数据；

步骤13：数据处理与分析装置，考虑海水的影响对数据进行校正，依照传感器的位置分布，最终生成等海底地质磁场分布图、等温剩磁曲线、交流退磁曲线。

2.根据权利要求1所述的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，其特征在于：

海底底质磁学特性原位探测系统包括电源和系统控制器，连接到电磁场发生装置、磁场采集装置，整个探测系统放置在耐受深海压力环境的外壳中。

3.根据权利要求1所述的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，其特征在于：

所述的磁场采集装置，包括多个磁场传感器，每个磁传感器采用单轴磁传感器HMC1001芯片和两轴的磁传感器HMC1002芯片构成一个三轴磁传感器，在圆形线圈的内部中心点处放置一个三轴磁传感器，在线圈内部与线圈同心的一个圆上均匀布置不少于4个三轴磁磁传感器。

4.根据权利要求3所述的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，其特征在于：

所述的磁场采集装置采集数据时，对中心位置的磁场传感器和圆环形线圈的环内的多个磁场传感器的数据增加位置和时间标记，用于数据处理时分析不同位置区域的剩磁分布差异；以及根据不同传感器测得的剩磁数据，分析海底底质磁场特性变化的方向。

5.根据权利要求1所述的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，其特征在于：

数据处理与分析装置，利用海底底质磁学特性原位探测系统获得的数据，考虑海水对不同位置处脉冲磁场和退磁磁场的影响，对不同位置测量的数据分别进行校正，并减去海底当地点的地磁场，绘制海底底质磁学特性曲线。

6.根据权利要求1所述的一种海底底质磁学特性原位探测数据采集与处理的方法，其特征在于：

在系统控制器的控制下利用直流高压电源模块对储能电容充电，然后利用开关切换使得电容对与之连接的线圈放电，得到所需要的磁场，包括脉冲磁场、交流衰减磁场。

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