CN111025405B - 一种海底底质磁学特性原位探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种海底底质磁学特性原位探测装置，包括电磁场发生模块、磁场采集模块、电源、系统控制器，及数据处理模块，整个探测装置能耐受深海压压力环境；电磁场发生模块产生直流脉冲磁场以及交流衰减磁场；磁场采集模块的多个传感器分布于平面圆环形线圈的一侧面上，该侧面在探测时贴近海底底质，一个磁场传感器位于平面圆环形线圈的中心，其余多个磁传感器均匀分布在与平面圆环形线圈同心的内外两个同心圆上，还包括一个圆棒形状的干舱、一个轮盘形状的湿舱和两条水密电缆。该装置利用直流高压电源模块对电容充电然后利用电容对与之连接的线圈放电对海底底质进行不同强度的原位磁化和退磁处理，测量相应的磁场变化信息，获得海底底质的磁学特性。
Description
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装置。
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装置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装置。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。
本发明所述的一种海底底质磁学特性原位探测装置，包括用于海底底质探测的电磁场发生模块、磁场采集模块、电源、系统控制器，及数据处理模块，整个探测装置能耐受深海压压力环境；
电磁场发生模块，包括蓄电池，高压直流电源，储能电容，多个开关及圆环形平面线圈，在微控制器的控制下采用蓄电池供电的直流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圆环形线圈放电产生多种需要的波形磁场，包括直流脉冲磁场以及交流衰减磁场；
磁场采集模块，包括多个磁场传感器，和非遗失存储器，且多个传感器分布于平面圆环形线圈的一侧面上，该侧面在探测时贴近海底底质，所述多个磁场传感器中的一个磁场传感器位于平面圆环形线圈的中心，其余多个磁传感器均匀分布在与平面圆环形线圈同心的内外两个同心圆上，这两个同心圆一个位于平面圆环形线圈的内部，一个位于平面圆环形线圈的外部；在系统控制器的控制下，磁场采集模块采集到的磁场数据全部保存在装置内部非遗失存储器上；
数据处理模块，用于读取从磁场采集模块中非遗失存储器中的磁场数据，考虑海水的影响对数据进行校正后，绘制海底底质磁学特性曲线；
海底底质磁学特性原位探测装置包括一个圆棒形状的干舱、一个轮盘形状的湿舱和两条水密电缆，装置中磁场采集模块的多个磁场传感器和电磁场发生模块的平面圆环形线圈一起放置在湿舱中，所述的湿舱采用非金属材料作为壳体，中间充满绝缘油；海底底质磁学特性原位探测装置中除了磁场采集模块的多个磁场传感器和电磁场发生模块的平面圆环形线圈及两条水密电缆，其他部分包括电源、系统控制器，及数据处理模块放置在干舱中，干舱采用钛合金材料；所有磁场传感器都通过第一根多芯水密电缆跟干舱相连接，平面圆环形线圈通过第二根水密电缆跟干舱相连接。
进一步的，所述电磁场发生模块包括高压储能电容、逆变电路、整流电路、滤波电路；通过对直流电源进行逆变、整流、滤波处理得到0-3kV的直流电压，输出电压的大小能够调节；在系统控制器的控制下先给耐压值为5kV的高压电容充电，再通过高压电容对连接的平面圆环形线圈放电，得到脉冲磁化场、交流退磁场；其中脉冲磁场的峰值高于1T，交流退磁磁场的峰值不小于200mT；所述电磁场发生模块用于产生对海底底质进行磁化/退磁所需要的磁场。
进一步的，所述的磁场采集模块中的多个磁场传感器包括多个三轴磁传感器，每个三轴磁传感器包括一片单轴的磁场传感芯片HMC1001和一片两轴的磁场传感芯片HMC1002测量磁场，多个三轴磁传感器中的1个三轴磁传感器位于电磁场发生模块平面圆环形线圈的中心，多个三轴磁传感器中的8个三轴磁传感器均匀分布在第一圆周上，第一圆周跟电磁场发生模块平面圆环形线圈为同心圆，其半径为电磁场发生模块平面圆环形线圈半径的一半；另有8个三轴磁传感器均匀分布在第二圆周上，第二圆周跟电磁场发生模块平面圆环形线圈为同心圆，其半径为电磁场发生模块平面圆环形线圈半径的1.2倍；三轴磁传感器采集的精度达到1nT；所述电源为48VDC蓄电池供电；以STM32F4或者STM32F6系列芯片作为微控制器，对整个探测装置进行控制，在每次磁化退磁场结束后对海底底质磁场进行测量，并将测量的数据保存在装置内部的非遗失存储器中；数据处理模块通过串口或者无线方式读取内部的非遗失存储器中采集的磁场数据。
进一步的，所述数据处理模块，从海底底质磁学特性的原位探测装置的磁场采集模块读取数据，考虑海水对磁场采集的影响对读取的磁场数据进行校正，进而得到海底地质的磁化退磁曲线。
进一步的，海底底质磁学特性原位探测装置包括一个干舱、一个湿舱和两条水密电缆，装置中的17个高分辨率的磁场传感器采用和平面圆环形线圈一起放置在用非金属材料为壳体的湿舱中；所述的湿舱采用非金属材料作为壳体，中间充满绝缘油；干舱采用钛合金材料做成空腔结构；所有磁场传感器都通过第一根多芯水密电缆跟干舱相连接，平面圆环形线圈通过第二根水密电缆跟干舱相连接。
进一步的，整个探测装置能耐受深海高压力环境；所述深海是指5000m～11000m深，高压力是指压力为50Mpa到110Mpa。。
有益效果
1、本发明采用直径较大的圆环形平面线圈，产生大于1T的脉冲磁场和最大值不小于200mT的退磁场，可以有效提高对海底底质的探测深度，从而更准确、有效地得到较大范围、较大深度海底底质的磁学特性。
2、对于深海海底的智能探测系统而言，其大功率的能源的供应还存在困难，而本发明提出的利用由蓄电池供电的高压直流模块给高压电容充放电来实现较高的磁化场和退磁场，有效地解决了这个问题。
3、本发明采用采用直径较大的圆环形平面线圈产生磁化场和退磁场，在线圈的内外不同位置处产生的磁场大小不同，由此本发明提出采用分布式磁传感器对海底底质进行测量，可以在一个大的范围内获得海底底质较为全面详细的磁学特性信息。
4、线圈内部的在第一圆周上(或者线圈外的在第二圆周上)分布的8个磁传感器，因为到线圈距离相等且对线圈中心为对称分布，所以在同一次对海底底质的剩磁测量中应该获得一致的结果。假若发现不一致的测量结果，就可以进一步发现线圈覆盖范围下的海底底质的不同。
5、线圈内部的在第一圆周上(或者线圈外的在第二圆周上)分布的8个磁传感器，因为到线圈距离相等且对线圈中心为对称分布，使得在后续的数据处理中可以采用差分的方法将海底的地磁去除，去掉海底地磁的影响。
6、本发明提出的将装置分成干舱和湿舱两个部分，将产生磁场的线圈和测量磁场的多个磁传感器放置的充满绝缘油的由非金属材料做成的湿舱中，有效解决了金属外壳对脉冲磁场和退磁场的屏蔽问题。不但有效减小了整个系统的水下重量，而且使得整个装置方便安装与开展水下实验。
附图说明
图1为本发明海底底质磁学特性原位系统构成图；
图2为本发明海底底质磁学特性原位信号采集装置示意图；
图3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。
一种海底底质磁学特性的原位探测装置，包括用于海底底质探测的电磁场发生模块、磁场采集模块、电源、系统控制器，及数据处理模块，整个探测装置能耐受深海压力环境；
电磁场发生模块通过对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。磁化退磁原理图见图3。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。
在系统控制器的控制下先给高压电容充电，再通过高压电容对连接的平面圆环形线圈放电，根据高压储能电容充放电原理，得到脉冲磁化场、交流退磁场。其中脉冲磁场的最大值不小于1T，退磁磁场的最大值不小于200mT。所述电磁场发生模块用于产生对海底底质进行磁化/退磁所需要的磁场。
所述的磁场采集模块中的多个磁场传感器包括多个三轴磁传感器，每个三轴磁传感器包括一片单轴的磁场传感芯片HMC1001和一片两轴的磁场传感芯片HMC1002测量磁场，1个三轴磁传感器位于电磁场发生模块圆环形线圈的中心，8个三轴磁传感器位于均匀分布在第一圆周上，第一圆周跟电磁场发生模块圆环形线圈为同心圆，其半径为电磁场发生模块圆环形线圈半径的一半；另有8个三轴磁传感器位于均匀分布在第二圆周上，第二圆周跟电磁场发生模块圆环形线圈为同心圆，其半径为电磁场发生模块圆环形线圈半径的1.2倍。圆环形状的线圈的外半径大于0.5m。
装置以STM32F4或者STM32F6系列芯片作为微控制器，对整个探测装置进行工作过程控制，在每次磁化退磁场结束后对海底地质磁场进行测量，并将测量的数据保存在装置内部的非遗失存储器中。可以通过串口或者无线方式读取内部的非遗失存储器中采集的磁场数据。
数据处理模块，从海底底质磁学特性的原位探测装置的电源与数据采集控制模块读取数据，考虑海水对磁场采集的影响对读取的磁场数据进行校正，进而得到海底地质的磁化退磁曲线。
整个装置采用48VDC蓄电池供电。
整个装置因为要在深海(5000-10000米深)海底进行工作，必须将系统密封耐高压(50Mpa～110Mpa)。
海底底质磁学特性原位探测装置包括一个圆棒形状的干舱、一个轮盘形状的湿舱和两条水密电缆，装置中磁场采集模块的多个磁场传感器和电磁场发生模块的平面圆环形线圈一起放置在湿舱中，所述的湿舱采用非金属材料作为壳体，中间充满绝缘油；海底底质磁学特性原位探测装置中除了磁场采集模块的多个磁场传感器和电磁场发生模块的平面圆环形线圈及两条水密电缆，其他部分包括电源、系统控制器，及数据处理模块放置在干舱中，干舱采用钛合金材料；所有磁场传感器都通过第一根多芯水密电缆跟干舱相连接，平面圆环形线圈通过第二根水密电缆跟干舱相连接。
探测装置采集数据与处理的过程为：
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。
步骤二：底质磁化，剩磁采集
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，等脉冲磁化过程结束后，17个传感器依次测量底质磁化后的剩磁，将测量到的剩磁数据存储在SD卡中。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，剩磁采集
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，等退磁场结束后，17个传感器依次对底质进行剩磁测量，将测量到的剩磁数据存储在SD卡中。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
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装置，其特征在于：包括用于海底底质探测的电磁场发生模块、磁场采集模块、电源、系统控制器，及数据处理模块，整个探测装置能耐受深海压压力环境；
电磁场发生模块，包括蓄电池，高压直流电源，储能电容，多个开关及平面圆环形线圈，在微控制器的控制下采用蓄电池供电的高压直流电源对储能电容充电，然后利用开关切换使得电容对与之连接的平面圆环形线圈放电产生多种需要的波形磁场，包括直流脉冲磁场以及交流衰减磁场；
磁场采集模块，包括多个磁场传感器，和非遗失存储器，且多个磁场传感器分布于平面圆环形线圈的一侧面上，该侧面在探测时贴近海底底质，所述多个磁场传感器中的一个磁场传感器位于平面圆环形线圈的中心，其余多个磁传感器均匀分布在与平面圆环形线圈同心的内外两个同心圆上，这两个同心圆一个位于平面圆环形线圈的内部，一个位于平面圆环形线圈的外部；在系统控制器的控制下，磁场采集模块采集到的磁场数据全部保存在装置内部非遗失存储器上；
数据处理模块，用于读取从磁场采集模块中非遗失存储器中的磁场数据，考虑海水的影响对数据进行校正后，绘制海底底质磁学特性曲线；
海底底质磁学特性原位探测装置包括一个圆棒形状的干舱、一个轮盘形状的湿舱和两条水密电缆，装置中磁场采集模块的多个磁场传感器和电磁场发生模块的平面圆环形线圈一起放置在湿舱中，所述的湿舱采用非金属材料作为壳体，中间充满绝缘油；海底底质磁学特性原位探测装置中除了磁场采集模块的多个磁场传感器和电磁场发生模块的平面圆环形线圈及两条水密电缆，其他部分包括电源、系统控制器，及数据处理模块放置在干舱中，干舱采用钛合金材料；所有磁场传感器都通过第一根多芯水密电缆跟干舱相连接，平面圆环形线圈通过第二根水密电缆跟干舱相连接。
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装置，其特征在于：所述电磁场发生模块包括高压储能电容、逆变电路、整流电路、滤波电路；通过对直流电源进行逆变、整流、滤波处理得到0-3kV的直流电压，输出电压的大小能够调节；在系统控制器的控制下先给耐压值为5kV的高压电容充电，再通过高压电容对连接的平面圆环形线圈放电，得到脉冲磁化场、交流退磁场；其中脉冲磁场的峰值高于1T，交流退磁磁场的峰值不小于200mT；所述电磁场发生模块用于产生对海底底质进行磁化/退磁所需要的磁场。
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装置，其特征在于：所述的磁场采集模块中的多个磁场传感器包括多个三轴磁传感器，每个三轴磁传感器包括一片单轴的磁场传感芯片HMC1001和一片两轴的磁场传感芯片HMC1002测量磁场，多个三轴磁传感器中的1个三轴磁传感器位于电磁场发生模块平面圆环形线圈的中心，多个三轴磁传感器中的8个三轴磁传感器均匀分布在第一圆周上，第一圆周跟电磁场发生模块平面圆环形线圈为同心圆，其半径为电磁场发生模块平面圆环形线圈半径的一半；另有8个三轴磁传感器均匀分布在第二圆周上，第二圆周跟电磁场发生模块平面圆环形线圈为同心圆，其半径为电磁场发生模块平面圆环形线圈半径的1.2倍；三轴磁传感器采集的精度达到1nT；所述电源为48VDC蓄电池供电；以STM32F4或者STM32F6系列芯片作为微控制器，对整个探测装置进行控制，在每次磁化退磁场结束后对海底底质磁场进行测量，并将测量的数据保存在装置内部的非遗失存储器中；数据处理模块通过串口或者无线方式读取内部的非遗失存储器中采集的磁场数据。
4.根据权利要求1所述的一种海底底质磁学特性原位探测装置，其特征在于：所述数据处理模块，从海底底质磁学特性的原位探测装置的磁场采集模块读取数据，考虑海水对磁场采集的影响对读取的磁场数据进行校正，进而得到海底地质的磁化退磁曲线。
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装置，其特征在于：海底底质磁学特性原位探测装置包括一个干舱、一个湿舱和两条水密电缆，装置中的17个高分辨率的磁场传感器采用和平面圆环形线圈一起放置在用非金属材料为壳体的湿舱中；所述的湿舱采用非金属材料作为壳体，中间充满绝缘油；干舱采用钛合金材料做成空腔结构；所有磁场传感器都通过第一根多芯水密电缆跟干舱相连接，平面圆环形线圈通过第二根水密电缆跟干舱相连接。
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装置，其特征在于：整个探测装置能耐受深海高压力环境；所述深海是指5000m～11000m深，高压力是指压力为50Mpa到110Mpa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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