CN111983697B - 一种利用海底电场探测装置探测多金属硫化物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于水下机器人的海底电场探测装置及探测多金属硫化物的方法，通过调整电场传感器搭载位置，降低潜器本体对目标电场信号的影响，可以解决由于潜器方位和姿态变化对电场产生的影响；通过三个方向上的三组电场传感器测得海底电场三分量信息，结合水下机器人姿态数据，对测量结果进行旋转校正，构造差分矩阵和预测自然场，利用最小二乘反演方法重构自然电位场，通过自然电位场中的负异常来判断海底是否存在多金属硫化物；本发明实现了电场传感器在水下机器人上的有效应用，使用简单高效，工作安全可靠，在短时间能完成近海底大面积的扫测工作。

Description

一种利用海底电场探测装置探测多金属硫化物的方法
技术领域
本发明属于传感器应用领域，尤其涉及一种应用于水下机器人的海底电场探测装置及探测多金属硫化物的方法。
背景技术
海底热液多金属硫化物是富含铁、铜、铅、锌等金属的热液成因之海底自生沉积物，是重要的深海矿产资源。海底多金属硫化物与海水发生氧化还原反应，在硫化物矿体周围形成天然的电流，通过海底电场传感器在近海底探测电磁信号，可以探测到硫化物矿体形成的自然电位异常，通过电场传感器对采集到的自然电位数据进行分析，从而获得多金属硫化物的精确位置和规模等信息。目前海洋自然电位法通常采用拖曳式作业，需要科考船协同作业，耗费船时较长，作业增加成本较高，同时拖曳式只能进行剖面测量，采集沿拖曳方向的一个电场分量，勘探面积和采集数据均有限。随着水下机器人的发展，电场传感器可以搭载在水下机器人上进行作业，无人无缆的水下机器人不仅可以脱离母船独立进行作业，而且在短时间内可以完成大面积的扫面工作，在一个探测区域内可以采集大量立体探测数据。在水下机器人上搭载自然电位在节约船时的同时也会大大提高硫化物勘探的效率。
在自主潜器上搭载自然电位的主要问题是潜器推进器的旋转以及潜器内部的电子器件会对电场传感器产生电磁干扰，进而会影响数据的准确性和可靠性；同时，海洋中的自然电位响应微弱，只有增大电极距才能采集到有效的自然电位信号。如何在自主潜器上采集到准确度高，可靠性强，信息量大的自然电位数据依旧是难题。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提出一种应用于水下机器人的海底电场探测装置及探测多金属硫化物的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提出了一种通过电子仓携带的能源对海底电场进行测量的装置，在海底矿产资源勘查和海洋的地球物理探测方面具有重要的应用价值，电场传感器在无人无缆水下机器人上作业时，前后一组相距N米，左右一组相距N米，上下一组相距N米，通过对不同层位海底大地电场的测量，可以得到水平和垂直分量的海底大地电场数据，通过对该数据的分析可以寻找海底多金属硫化物、刻画海水侵入等水文地质过程。
本发明一方面提供了一种应用于水下机器人的海底电场探测装置，包括六个电场传感器、电子仓、传感器保护端盖、传感器固定管、电子仓支架、浮力材料和水下机器人；所述电子仓固定于水下机器人尾部的电子仓支架上，电子仓内包含有数据采集电路；六个电场传感器通过六个传感器保护端盖分别固定于每根传感器固定管的顶端；传感器固定管两两为一组分别布置在垂直、水平前后、水平左右三个方向上；每个方向上的两个电场传感器均相距N米，传感器固定管固定在水下机器人尾部电子仓支架上；传感器固定管为空心结构，每个电场传感器穿缆连接至电子仓。
进一步地，六个电场传感器和电子仓之间通过水密电缆连接，进行能源和数据的传输。
进一步地，所述电子仓支架与六根传感器固定管实现螺栓螺母紧固连接后，与水下机器人尾部通过螺栓螺母紧固连接，并在电子仓支架外部套上浮力材料。
进一步地，所述电子仓、传感器保护端盖、传感器固定管、电子仓支架及紧固件均采用无机非金属材料的聚碳酸酯材质。
进一步地，水下机器人在海底按照预设的轨迹航行时，六个电场传感器开始工作，并采集近海底的电位值，用电位值除以对应的电极间距计算得到电场；通过电子仓中的数据采集电路处理和保存数据。
本发明另一方面提供了一种利用上述海底电场探测装置探测多金属硫化物的方法，包括：
电场传感器随水下机器人在海底探测时以1-3节的速度移动测量电场三分量信息ER、ET、EV，以及水下机器人的姿态信息；所述ER为主测线电场水平分量，水平前后方向上的两个电场传感器所测；所述ET为交叉测线电场水平分量，水平左右方向上的两个电场传感器所测；所述EV为电场垂直分量，垂直方向上的两个电场传感器所测；所述水下机器人的姿态信息包括：沿Y轴旋转角，即方位角R；沿Z轴旋转角，即横摇H；沿X轴旋转角，即纵摇P；
通过姿态信息计算沿三个坐标轴的旋转矩阵RX(P)、RY(R)、RZ(H)；对第i个测点的电场矢量Ei(ER,ET,EV)进行旋转校正，得到校正后的电场矢量Ec(EX,EY,EZ)；然后构造差分矩阵G和预测自然电位场m，利用最小二乘反演方法重构自然电位场；
电场垂直分量EZ的极值、电场水平分量EX、EY的零点均对应海底多金属硫化物矿体的中心位置，而电场水平分量EX、EY的极值则对应海底多金属硫化物矿体的边界，通过寻找电场垂直分量极值和电场水平分量极值、零点值来确定海底多金属硫化物矿体的具体位置和分布特征；位置对应后，利用电场反演重构的自然电位场，重构自然电位的负异常中心位置对应多金属硫化物矿体的中心位置，由此可以精确找到多金属硫化物矿体的位置。
进一步地，由于水下机器人重心和每个方向两个电场传感器的中心点不重合，在进行旋转校正前需将每个方向两个电场传感器的中心点通过平移校正，校正到水下机器人的重心位置，假设三个方向的中心点距水下机器人重心的距离分别为lx,ly,lz，构造平移矩阵T：
Figure GDA0003605353970000031
对第i个测点的电场矢量Ei(ER,ET,EV)进行平移校正得到Ei(ER0,ET0,EV0)：
Figure GDA0003605353970000032
电场传感器的位置经平移后校正到水下机器人重心位置，然后利用旋转矩阵计算得到校正后的电场矢量Ec(EX,EY,EZ)；旋转矩阵的计算公式为：
Figure GDA0003605353970000033
Figure GDA0003605353970000034
Figure GDA0003605353970000035
对第i个测点的电场矢量Ei(ER0,ET0,EV0)进行旋转校正得到Ec(EX,EY,EZ)：
Ec(EX,EY,EZ)＝RZ(H)·RY(R)·RX(P)·Ei(ER0,ET0,EV0)
即：
Figure GDA0003605353970000036
利用校正后的电场与自然电位场的关系：
Figure GDA0003605353970000037
其中
Figure GDA0003605353970000038
为第n个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上的电位值，
Figure GDA0003605353970000039
为第n-1个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上的电位值；dx，dy，dz为第n个网格节点距第n-1个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上对应的网格节点的边长，可以通过水下机器人在海底的位置求出；上述关系可以表示成矩阵形式：
Figure GDA0003605353970000041
简写成Gm＝Ec的方程组，其中G为构造差分矩阵，m为预测自然电位场，利用最小二乘法求解上述重构方程组得到预测自然电位场m。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明的电子仓、传感器保护端盖、传感器固定管、电子仓支架、螺栓螺母等紧固件均为无机非金属材料的聚碳酸酯材质，可以有效减小对电场传感器的探测干扰，确保探测数据有较高的信噪比，数据质量可靠。
2.本发明的电场传感器在空间上呈上下一组、前后一组、左右一组布置，随着水下机器人的航行，可实现对近海底环境电场强度的多分量综合探测。
3.本发明的电场传感器通过结合水下机器人的数据对所探测的数据进行旋转校正后，可以将各分量调整到多金属硫化物矿的中心位置，利用电场反演重构自然电位场，通过自然电位场中的负异常来判断海底是否存在多金属硫化物。
4.本发明实现了电场传感器在水下机器人上的有效应用，使用简单高效，工作安全可靠，在短时间能完成近海底大面积的扫测工作。
附图说明
图1为本发明海底电场探测装置的主视图；
图2为本发明海底电场探测装置的俯视图；
图3为本发明海底电场探测装置的轴测图；
图4为本发明通过电场水平分量零点值异常和电场垂直分量极值异常来判断是否有多金属硫化物异常的示意图；
图中，电场传感器1、电子仓2、传感器保护端盖3、传感器固定管4、电子仓支架5、浮力材料6、水下机器人7。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者是对本发明技术方案的限定或限制。
如图1-3所示，本实施例提供的一种应用于水下机器人的海底电场探测装置，包括6个电场传感器1、电子仓2、传感器保护端盖3、传感器固定管4、电子仓支架5、浮力材料6和水下机器人7；其中，所述电子仓2通过螺栓与抱箍固定于水下机器人7尾部的电子仓支架5上，电子仓2内包含有数据采集电路；6个电场传感器1通过6个传感器保护端盖3分别固定于每根传感器固定管4的顶端；传感器固定管4和传感器保护端盖3为螺栓螺母连接；
传感器固定管4两两为一组分别布置在垂直、水平前后、水平左右三个方向上；垂直方向上的2个电场传感器1相距N米，其传感器固定管4通过螺栓实现与水下机器人7尾部电子仓支架5的紧固，水平前后方向上的2个电场传感器1相距N米，其传感器固定管4通过螺栓实现与水下机器人7尾部电子仓支架5的紧固，水平左右方向上的2个电场传感器1相距N米，其传感器固定管4通过螺栓实现与水下机器人7尾部电子仓支架5的紧固；传感器固定管4为空心结构，便于每个电场传感器1穿缆连接至电子仓2；6个电场传感器1和电子仓2之间通过水密电缆连接，进行能源和数据的传输；电子仓支架5与6根传感器固定管4实现螺栓螺母紧固连接后，与水下机器人7尾部通过螺栓螺母紧固连接，并在电子仓支架5外部套上浮力材料6。2个电场传感器1相距的距离N通常要求大于等于2米。
其中，电子仓2、传感器保护端盖3、传感器固定管4、电子仓支架5、螺栓螺母等紧固件均采用无机非金属材料的聚碳酸酯材质，可以有效减小对电场传感器1的探测干扰。
本实施例海底电场探测装置的安装过程为：当电场传感器1准备在水下机器人7上进行探测时，需要通过6个传感器保护端盖3先将6个电场传感器1安装到传感器固定管4的槽内，传感器保护端盖3和传感器固定管4通过螺栓螺母紧固连接，然后将6根传感器固定管4通过螺栓螺母连接安装到电子仓支架5上，电子仓支架5通过螺栓螺母连接固定到水下机器人7尾部，电场传感器1通过水密电缆与电子仓2连接。
水下机器人7在海底按照预设的轨迹航行时，6个电场传感器1开始工作，并采集近海底的电位值，用电位值除以对应的电极间距，计算得到电场；通过电子仓2中的数据采集电路处理和保存数据。
电场传感器1随水下机器人7在海底探测时以1-3节的速度移动测量电场三分量信息ER(主测线电场水平分量，水平前后方向上的2个电场传感器1所测)、ET(交叉测线电场水平分量，水平左右方向上的2个电场传感器1所测)、EV(电场垂直分量，垂直方向上的2个电场传感器1所测)，以及水下机器人7的姿态信息：沿Y轴旋转角，即方位角R[deg]；沿Z轴旋转角，即横摇H[deg]；沿X轴旋转角，即纵摇P[deg]；通过姿态信息计算沿三个坐标轴的旋转矩阵RX(P)、RY(R)、RZ(H)；对第i个测点的电场矢量Ei(ER,ET,EV)进行旋转校正，得到校正后的电场矢量Ec(EX,EY,EZ)；然后构造差分矩阵G和预测自然电位场m，利用最小二乘反演方法重构自然电位场。
由于水下机器人7重心和每个方向两个电场传感器1的中心点不重合，在进行旋转校正前需将每个方向两个电场传感器1的中心点通过平移校正，校正到水下机器人7的重心位置，假设三个方向的中心点距水下机器人7重心的距离分别为lx,ly,lz，可以构造平移矩阵T：
Figure GDA0003605353970000061
对第i个测点的电场矢量Ei(ER,ET,EV)进行平移校正得到Ei(ER0,ET0,EV0)：
Figure GDA0003605353970000062
电场传感器1的位置经平移后校正到水下机器人7重心位置，然后利用旋转矩阵计算得到校正后的电场矢量Ec(EX,EY,EZ)。
旋转矩阵的计算公式为：
Figure GDA0003605353970000063
Figure GDA0003605353970000064
Figure GDA0003605353970000065
对第i个测点的电场矢量Ei(ER0,ET0,EV0)进行旋转校正得到Ec(EX,EY,EZ)：
Ec(EX,EY,EZ)＝RZ(H)·RY(R)·RX(P)·Ei(ER0,ET0,EV0)
即：
Figure GDA0003605353970000066
利用校正后的电场与自然电位场的关系：
Figure GDA0003605353970000071
其中
Figure GDA0003605353970000072
为第n个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上的电位值，
Figure GDA0003605353970000073
为第n-1个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上的电位值；dx，dy，dz为第n个网格节点距第n-1个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上对应的网格节点的边长，可以通过水下机器人在海底的位置求出；上述关系可以表示成矩阵形式：
Figure GDA0003605353970000074
简写成Gm＝Ec的方程组，其中G为构造差分矩阵，m为预测自然电位场，利用最小二乘法求解上述重构方程组得到预测自然电位场m。
构造差分矩阵G：
Figure GDA0003605353970000075
预测自然电位场m：
Figure GDA0003605353970000076
电场传感器1可以探测到大于0.2mV/m的海底多金属硫化物异常，电场垂直分量几乎不受水下机器人7旋转角的影响，电场垂直分量EZ的极值、电场水平分量EX、EY的零点均对应海底多金属硫化物矿体的中心位置，而电场水平分量EX、EY的极值则对应海底多金属硫化物矿体的边界，如图4所示，通过寻找电场垂直分量极值和电场水平分量极值、零点值来确定海底多金属硫化物矿体的具体位置和分布特征。位置对应后，利用电场反演重构的自然电位场，重构自然电位的负异常中心位置对应多金属硫化物矿体的中心位置，根据经验值，负异常幅值约为-20mV～-30mV，由此可以精确找到多金属硫化物矿体的位置，为后续的多金属硫化物取样和钻探、多金属硫化物矿体规模评估等工作提供技术支持。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种利用海底电场探测装置探测多金属硫化物的方法，其特征在于，所述海底电场探测装置包括六个电场传感器、电子仓、传感器保护端盖、传感器固定管、电子仓支架、浮力材料和水下机器人；所述电子仓固定于水下机器人尾部的电子仓支架上，电子仓内包含有数据采集电路；六个电场传感器通过六个传感器保护端盖分别固定于每根传感器固定管的顶端；传感器固定管两两为一组分别布置在垂直、水平前后、水平左右三个方向上；每个方向上的两个电场传感器均相距N米，传感器固定管固定在水下机器人尾部电子仓支架上；传感器固定管为空心结构，每个电场传感器穿缆连接至电子仓；所述方法包括以下步骤：
电场传感器随水下机器人在海底探测时以1-3节的速度移动测量电场三分量信息ER、ET、EV，以及水下机器人的姿态信息；所述ER为主测线电场水平分量，水平前后方向上的两个电场传感器所测；所述ET为交叉测线电场水平分量，水平左右方向上的两个电场传感器所测；所述EV为电场垂直分量，垂直方向上的两个电场传感器所测；所述水下机器人的姿态信息包括：沿Y轴旋转角，即方位角R；沿Z轴旋转角，即横摇H；沿X轴旋转角，即纵摇P；
通过姿态信息计算沿三个坐标轴的旋转矩阵RX(P)、RY(R)、RZ(H)；对第i个测点的电场矢量Ei(ER,ET,EV)进行旋转校正，得到校正后的电场矢量Ec(EX,EY,EZ)；然后构造差分矩阵G和预测自然电位场m，利用最小二乘反演方法重构自然电位场；
电场垂直分量EZ的极值、电场水平分量EX、EY的零点均对应海底多金属硫化物矿体的中心位置，而电场水平分量EX、EY的极值则对应海底多金属硫化物矿体的边界，通过寻找电场垂直分量极值和电场水平分量极值、零点值来确定海底多金属硫化物矿体的具体位置和分布特征；位置对应后，利用电场反演重构的自然电位场，重构自然电位的负异常中心位置对应多金属硫化物矿体的中心位置，由此精确找到多金属硫化物矿体的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于水下机器人重心和每个方向两个电场传感器的中心点不重合，在进行旋转校正前需将每个方向两个电场传感器的中心点通过平移校正，校正到水下机器人的重心位置，假设三个方向的中心点距水下机器人重心的距离分别为lx,ly,lz，构造平移矩阵T：
Figure FDA0003605353960000011
对第i个测点的电场矢量Ei(ER,ET,EV)进行平移校正得到Ei(ER0,ET0,EV0)：
Figure FDA0003605353960000021
电场传感器的位置经平移后校正到水下机器人重心位置，然后利用旋转矩阵计算得到校正后的电场矢量Ec(EX,EY,EZ)；旋转矩阵的计算公式为：
Figure FDA0003605353960000022
Figure FDA0003605353960000023
Figure FDA0003605353960000024
对第i个测点的电场矢量Ei(ER0,ET0,EV0)进行旋转校正得到Ec(EX,EY,EZ)：
Ec(EX,EY,EZ)＝RZ(H)·RY(R)·RX(P)·Ei(ER0,ET0,EV0)
即：
Figure FDA0003605353960000025
利用校正后的电场与自然电位场的关系：
Figure FDA0003605353960000026
其中
Figure FDA0003605353960000027
为第n个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上的电位值，
Figure FDA0003605353960000028
为第n-1个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上的电位值；dx，dy，dz为第n个网格节点距第n-1个网格节点在X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴方向上对应的网格节点的边长，通过水下机器人在海底的位置求出；上述关系表示成矩阵形式：
Figure FDA0003605353960000029
简写成Gm＝Ec的方程组，其中G为构造差分矩阵，m为预测自然电位场，利用最小二乘法求解上述重构方程组得到预测自然电位场m。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，六个电场传感器和电子仓之间通过水密电缆连接，进行能源和数据的传输。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子仓支架与六根传感器固定管实现螺栓螺母紧固连接后，与水下机器人尾部通过螺栓螺母紧固连接，并在电子仓支架外部套上浮力材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子仓、传感器保护端盖、传感器固定管、电子仓支架及紧固件均采用无机非金属材料的聚碳酸酯材质。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水下机器人在海底按照预设的轨迹航行时，六个电场传感器开始工作，并采集近海底的电位值，用电位值除以对应的电极间距计算得到电场；通过电子仓中的数据采集电路处理和保存数据。
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