CN111505736B - 水下测量装置的校准方法及水下检测系统 - Google Patents

水下测量装置的校准方法及水下检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下测量装置的校准方法及水下检测系统，所述水下测量装置包括接收机，接收机设置有采集模块以及激励模块，方法包括：获取第一数据，其中，所述第一数据为所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号，激励信号为激励模块在预设时刻产生的信号，所述第一数据为下水前进行甲板校准时所述采集模块采集到的数据；对所述第一数据进行预设方式的数据处理，获得第一校准系数；若所述第一校准系数不在预设范围内，则对水下测量装置进行故障排查。本实施例提供的水下测量装置的校准方法及水下检测系统，可以确保设备下水前工作正常，解决测量现场的自检问题，提高测量装置的稳定可靠性和数据质量，降低海上作业成本。

Description

水下测量装置的校准方法及水下检测系统
技术领域
本发明是涉及海洋勘探技术领域，特别是涉及一种水下测量装置的校准方法及水下检测系统。
背景技术
海洋电法是海洋地球物理勘探众多分支方法之一，用于查明海底以下电性结构，广泛应用于矿产资源探测、构造地质研究领域。其海洋电法关键技术之一就是要实现水下电磁场信号的高精度观测，电场测量的精度直接关系到探测分辨率。
通常情况下，使用传感器实现电场信号的观测，而通常使用电极作为传感器。
基于此，电场信号观测时电极必须与海水接触，且观测电极空间距离分布大，通常电极相距10m，本申请的发明人发现，现场作业人员无法测定电极、水密电缆是否正确接入，能否正常工作，这给海上现场电场测量工作带来了不确定因素，降低了测量结果的准确性。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种水下测量装置的校准方法及水下检测系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种水下测量装置的校准方法，所述水下测量装置包括接收机，接收机设置有采集模块以及激励模块，包括：获取第一数据，其中，所述第一数据为所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号，激励信号为激励模块在预设时刻产生的信号，所述第一数据为下水前进行甲板校准时所述采集模块采集到的数据；对所述第一数据进行预设方式的数据处理，获得第一校准系数；若所述第一校准系数不在预设范围内，则对水下检测装置进行故障排查。
在一种可能的实现方式中，所述获得第一校准系数之后还包括：若所述校准系数在预设范围内，则所述校准通过，所述水下测量装置进行水下测量。
在一种可能的实现方式中，在所述水下测量装置进行水下测量之后，还包括：获取第二数据，其中，所述第二数据为进行水下测量时所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号；对所述第二数据进行预设方式的数据处理，获得第二校准系数；进行水下测量的数据采集；当水下测量完成后，根据所述第二校准系数，对所述采集得到的信号进行补偿计算。
在一种可能的实现方式中，所述激励信号为扫频信号、白噪声信号、方波信号中的一种。
在一种可能的实现方式中，所述进行预设方式的数据处理包括：通过FFT计算得到第一数据或第二数据的频率响应；将所述频率响应与所述激励信号的频谱进行对比，得到各频点的幅值增益和相位差。
在一种可能的实现方式中，所述第一校准系数和/或第二校准系数包括：各频点的幅值增益和相位差。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述第二校准系数，对所述采集得到的信号进行补偿计算包括：对所述采集得到的数据进行处理，得到各个频点对应的幅值及相位；根据所述第二校准系数，对各个频点对应的幅值及相位进行补偿计算。
第二方面，本发明实施例还提供了一种水下检测系统，包括水下测量装置以及上位机；所述上位机用于执行上述的校准方法；所述水下测量装置包括接收机，所述接收机设置有激励模块，所述激励模块通过电缆与多个激励电极相连接，所述激励电极分别放置在水槽中，所述水槽的数量与激励电极的数量相同；所述水槽之间通过PVC管连通，所述激励模块用于产生激励信号；所述接收机还设置有采集模块，采集模块通过电缆与多个测量电极相连接，所述测量电极与所述激励电极一一对应；所述采集模块用于采集第一数据。
在一种可能的实现方式中，所述测量电极为AgCl电极或碳纤维电极。
在一种可能的实现方式中，所述激励电极为钛电极。
本发明实施例提供的水下测量装置的校准方法及水下检测系统，可以确保设备下水前工作正常，解决测量现场的自检问题，提高测量装置的稳定可靠性和数据质量，降低海上作业成本。
进一步地，可以实现电场通道自检，判断设备是否正常工作，保证数据质量。且有助于及早发现问题，减少工作中的不确定因素，进一步提高了海洋电场测量系统的可靠性及观测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的水下测量装置的校准时的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的激励模块工作原理结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的激励电路实现原理图；
图4示出了本发明一实施例所提供的水下测量装置的校准方法的流程图；
图5示出了本发明另一实施例所提供的水下测量装置的校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供了一种水下测量装置的校准方法，该方法用于对水下测量装置进行下水前的校准，如图1所示，其为本实施例提供的水下测量装置的校准时的结构示意图，该水下测量装置包括接收机，接收机设置有激励模块以及采集模块。其中，激励模块通过电缆与多个激励电极相连接，所述激励电极分别放置在水槽中，所述水槽的数量与激励电极的数量相同；采集模块通过电缆与多个测量电极相连接，所述测量电极与所述激励电极一一对应；
所述水槽之间通过PVC管连通，水槽充满海水。所述激励模块用于产生激励信号，通过激励电极释放在水槽中；所述采集模块用于采集第一数据。在一种实现方式中，所述测量电极为AgCl电极或碳纤维电极。激励电极为钛电极。
具体的实现方式可以包括：下水前待接收机所有部件连接完毕后，4个测量电极按照东南西北方向正交布设，北南组成电场Ex分量、东西组成电场Ey分量；将4个电极以及与其相连的电缆放入水槽内，电缆上有激励电极伸出，向水槽中注入海水，直至电极与电缆被浸没且各个水槽之间互相连通。
参阅图2所示，其为本实施例提供的激励模块工作原理结构示意图。激励模块受控于接收机的MCU和上位机PC，激励模块由数字补偿晶振MCXO、复杂可编程逻辑器件CPLD、激励电路组成。上位机实现指令发送功能，通过网络与MCU通讯；MCU接收用户要求后对CPLD进行相应配置；CPLD产生不同频率标准时钟信号，驱动激励电路开关；激励电路输出不同频率标准电流信号；MCXO为低功耗高稳晶振，为电路工作提供高精度时钟源。
参阅图3所示，其为本实施例提供的激励电路实现原理图。激励电路包括三个运算放大器。基准电压信号Vref同时输入到运算放大器A1的正负输入端，同时在A1正输入端设置一个接地开关，CPLD产生的方波信号(激励信号)控制开关，高电平时闭合，低电平断开，因此A1的输出电压将在-Vref与+Vref周期性变换，变换频率取决于CPLD产生的方波频率。A1的输出经过反比例放大电路进行衰减，从运算放大器A2输出端获得与其极性相反的衰减电压信号，A3实现信号反向，与A2的输出一起作为差分输出连接至激励电极，实现激励信号的发生。船上甲板工频干扰较大，差分信号实现平衡传输，有助于提升激励信号的信噪比。
如图4所示，其为本实施例提供的水下测量装置的校准方法的流程图，包括：步骤1-步骤4。
步骤1，获取第一数据，其中，所述第一数据为所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号，激励信号为激励模块在预设时刻产生的信号，所述第一数据为下水前进行甲板校准时所述采集模块采集到的数据。
在一种实现方式中，激励信号可以为扫频信号(通常为0.01～100Hz)、白噪声信号、脉冲信号、方波信号中的一种。
步骤2，对所述第一数据进行预设方式的处理，获得第一校准系数。
在一种实现方式中，预设方式的处理包括：通过FFT计算得到第一数据的频率响应；将所述频率响应与所述激励信号的频谱进行对比，根据对应频率处的信号幅值比例关系计算得到各频点的幅值增益和相位差。所述第一校准系数包括：上述计算得到的各频点的幅值增益和相位差。
步骤3，若所述第一校准系数不在预设范围内，则对水下检测装置进行故障排查。
步骤4，若所述校准系数在预设范围内，则所述校准通过，所述水下检测装置进行水下测量。
具体的，可以通过以下方式实现。接收机启动激励模块，激励模块向水槽中发送激励信号，同时启动采集模块，实时下载数据文件并进行分析处理，根据信号幅频特性、通道相干系数评估数据质量。若所述第一校准系数不在预设范围内，则说明参数异常，根据异常情况进行故障定位，将设备故障排除后要重复进行自检流程，直至数据无异常方可下水。
由此，本实施例提供的校准方法，可以确保设备下水前工作正常，解决测量现场的自检问题，提高测量装置的稳定可靠性和数据质量，降低海上作业成本。
进一步地，可以实现电场通道自检，判断设备是否正常工作，保证数据质量。且有助于及早发现问题，减少工作中的不确定因素，进一步提高了海洋电场测量系统的可靠性及观测精度。
在完成下水前自检之后，可以进行水下检测。但是接收机搭载的测量电极受自身性能老化和海底环境(压力、温度、海水电导率)变化，其转换电场信号的灵敏度存在一定变化；而且现有电场灵敏度测定是建立在常温常压条件下的，和实际水下测量环境存在差异。电极的灵敏度发生变化意味着电场测量精度收到影响，进而导致后期的探测误差。因此，为提高电场观测精度，有必要开展海底原位条件下的电场灵敏度自校准，以提升后期探测分辨率。
本实施例提供的校准方法还包括下水后的校准，如图5所示，在步骤4之后还包括：
步骤5，获取第二数据，其中，所述第二数据为进行水下测量时所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号；
步骤6，对所述第二数据进行预设方式的处理，获得第二校准系数；
在一种实现方式中，预设方式的处理包括：通过FFT计算得到第二数据的频率响应；将所述频率响应与所述激励信号的频谱进行对比，根据对应频率处的信号幅值比例关系计算得到各频点的幅值增益和相位差。
所述第二校准系数包括：上述计算得到的各频点的幅值增益和相位差。
步骤7，进行水下测量的数据采集。
步骤8，当水下测量完成后，根据所述第二校准系数，对所述采集得到的数据进行补偿计算。
在一种实现方式中，步骤8可以包括：对所述采集得到的数据进行处理，得到各个频点对应的幅值及相位；以及根据所述第二校准系数，对各个频点对应的幅值及相位进行补偿计算。
具体的，将采集得到的信号的进行时频转换，得到该信号各频点的幅值与相位，该数据与校准系数的幅值增益和相位差进行补偿计算，具体为幅值除以幅值增益，相位减去相位差，得到的结果即为补偿后的待测信号的幅值与相位。
由此，在后期数据处理时，可以根据计算得到的校准系数进行校准，消除电极老化等因素引起的误差。进一步地，可以修正电极测量灵敏度的误差，减小后期数据处理及反演时的误差，达到提高探测分辨率的目的。
具体的可以通过以下方式实现：
水下采集期间可根据用户设置定时时间(通常每间隔12小时)启动激励模块一段时间(默认1分钟)，向海水中激励扫频信号(通常为0.01～100Hz)或白噪声信号，截取数据文件中含有激励信号的一段进行分析处理，通过FFT计算得到该段数据的频率响应，与激励信号的频谱作对比，根据对应频率处的信号幅值比例关系可计算得到各通道校准系数，将每次得到的校准系数进行记录，生成校准文件。采集过程中循环定时启动激励，直至收到采集结束命令。待采集结束后借助PC将原始数据文件以预设时间间隔为基准分段进行资料处理，时间间隔即为用户设置的定时时间。针对每一段，将采集信号的进行时频转换，得到采集信号各频点的幅值与相位，该数据与校准系数的幅值增益和相位差进行补偿计算，具体为幅值除以幅值增益，相位减去相位差，得到的结果即为补偿后的待测信号的幅值与相位。以减小测量误差。
当激励信号为方波时，方波的频率为f，幅值为A，波波形时间序列为In，测量电极所观测的信号时间序列Vn，将Vn和In分别做离散傅里叶变换，变换输出结果相除，得到频率为f的信号频率响应Hn，对Hn求取幅值A和相位φ。以上过程可以借助扫频实现，从低频到高频设定若干频点，依次激励输出，依次计算完成。多个通道同步进行。
还可以借助方波的谐波成分实现一定范围内的频点频响计算，相比扫频具有简单快速的特点。以采样率fs为15Hz为例，激励的方波频率为0.09375Hz，计算的数据长度为24000，DFT长度也为24000，方波谐波N最高到22，最高频率fh为3.28125Hz。三个采样率对应三个基频fin，可以覆盖0.09375Hz到1032Hz频段，该方法具有计算简单、占用时间段的特点。请参阅表1。
Figure BDA0002474953900000081
表1频响计算参数表
校准时的信号发生除上述方波以外还可以支持单频扫频、脉冲、白噪声三种波形，单频扫频为正弦信号，从0.01Hz到100Hz按对数坐标选取频点，依次输出；脉冲宽度为采样间隔的一半，脉冲重复周期为10s，因此脉冲响应可等效为冲激响应；白噪声借助伪随机PN码发生器，其带宽涵盖0.01Hz到100Hz，等效为宽频带信号发生器。得到了各通道在各频点的响应，根据响应可以获取各通道校准系数。
本实施例还提供了一种水下检测系统，包括水下测量装置以及上位机；所述上位机用于执行上述实施例水下测量装置的校准方法。水下测量装置的结构以及校准方法请参阅前述实施例的描述，本实施例不再赘述。
由此，本实施例提供的水下检测系统可实现设备下水作业前的故障检测和水下测量时的自校准。设备下水作业前在甲板上借助外部水槽，通过接收机内置激励模块和外部激励电极实现激励信号发生，测量电极观测激励信号，上位机实时查看和下载数据进行分析即可实现电场通道自检，判断设备是否正常工作，保证数据质量，对仪器性能进行评估。该发明有助于及早发现问题，减少工作中的不确定因素，进一步提高了海洋电场测量系统的可靠性及观测精度。另一方面，接收机位于水下工作时，受海底环境(水深、电导率、温度等)差异及传感器自身差异影响，电场测量通道的灵敏度可能发生变化，导致后期资料处理引入误差，该发明通过海底原位校准，给出电场通道测量校准系数，对于提升测量精度以及减小反演误差具有重要意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种水下测量装置的校准方法，所述水下测量装置包括接收机，接收机设置有采集模块以及激励模块，其特征在于，包括：
获取第一数据，其中，所述第一数据为所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号，激励信号为激励模块在预设时刻产生的信号，所述第一数据为下水前进行甲板校准时所述采集模块采集到的数据；
对所述第一数据进行预设方式的数据处理，获得第一校准系数；
若所述第一校准系数不在预设范围内，则对水下测量装置进行故障排查；
其中，在所述水下测量装置进行水下测量之后，还包括：
获取第二数据，其中，所述第二数据为进行水下测量时所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号；
对所述第二数据进行预设方式的数据处理，获得第二校准系数；
进行水下测量的数据采集；
当水下测量完成后，根据所述第二校准系数，对所述采集得到的信号进行补偿计算；
其中，所述激励信号为扫频信号、白噪声信号、方波信号中的一种；
其中，所述进行预设方式的数据处理包括：
通过FFT计算得到第一数据或第二数据的频率响应；
将所述频率响应与所述激励信号的频谱进行对比，得到各频点的幅值增益和相位差；
其中，所述获得第一校准系数之后还包括：若所述校准系数在预设范围内，则所述校准通过，所述水下测量装置进行水下测量；
其中，所述第一校准系数和/或第二校准系数包括：各频点的幅值增益和相位差。
2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述根据所述第二校准系数，对所述采集得到的信号进行补偿计算包括：
对所述采集得到的数据进行处理，得到各个频点对应的幅值及相位；
根据所述第二校准系数，对各个频点对应的幅值及相位进行补偿计算。
3.一种水下检测系统，其特征在于，包括水下测量装置以及上位机；所述上位机用于执行权利要求1-2任意一项所述的校准方法；
所述水下测量装置包括接收机，所述接收机设置有激励模块，所述激励模块通过电缆与多个激励电极相连接，所述激励电极分别放置在水槽中，所述水槽的数量与激励电极的数量相同；
所述水槽之间通过PVC管连通，所述激励模块用于产生激励信号；
所述接收机还设置有采集模块，采集模块通过电缆与多个测量电极相连接，所述测量电极与所述激励电极一一对应；
所述采集模块用于采集第一数据；
其中，在所述水下测量装置进行水下测量之后，还包括：
获取第二数据，其中，所述第二数据为进行水下测量时所述采集模块采集到的经过一定距离传输后的激励信号；
对所述第二数据进行预设方式的数据处理，获得第二校准系数；
进行水下测量的数据采集；
当水下测量完成后，根据所述第二校准系数，对所述采集得到的信号进行补偿计算；
其中，所述激励信号为扫频信号、白噪声信号、方波信号中的一种；
其中，所述进行预设方式的数据处理包括：
通过FFT计算得到第一数据或第二数据的频率响应；
将所述频率响应与所述激励信号的频谱进行对比，得到各频点的幅值增益和相位差。
4.如权利要求3所述的水下检测系统，其特征在于，所述测量电极为AgCl电极或碳纤维电极。
5.如权利要求3所述的水下检测系统，其特征在于，所述激励电极为钛电极。
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