CN113740921B - 一种海底电磁数据采集站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种海底电磁数据采集站，其包括由六根中空管梁组成的正四面体框架，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁内设置有电场传感器，至少有一根中空管梁内设置有磁场传感器。本发明提供的海底电磁数据采集站可以以正四面体任意一个面着陆，无需考虑下沉过程中的姿态控制，无需担心采集站倾覆；位于中空管梁内的各电场传感器之间和各磁场传感器之间的相对位置和间距由正四面体结构控制，十分稳定，无需担心电极臂伸展不佳和极距误差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋电磁采集站技术领域，尤其涉及一种海底电磁数据采集站。
背景技术
目前常用的海洋电磁采集站主要结构为一个基座，基座上面安装若干抗压浮球或其它浮力物体，基座下方为重物。基座上可安装磁场传感器、采集与控制电路、电池、定位仪器等设备。此外，基座上还安装若干向外张开呈一定臂展的电极臂，用于测量两臂端点间的电场。
在布设时，将上述采集站由船上投入水中，采集站在重物作用下缓慢下沉至海底开始记录磁场和电磁数据。当采集结束后，在水面向海底的采集站发送声波信号，触发释放器，基座与配重分离，除配重外的所有设备由浮球提供浮力上浮至水面，完成回收。通常上述采集站的安装方式具备测量三个正交磁场数据和两个或三个正交水平电场数据的能力。然而，目前这种采集站存在两个缺点：
1)、在地形复杂地区工作风险较高，当着陆点处海底地形陡峭或存在热液喷口等障碍物时，采集站可能出现主体倾覆、电极臂折损、玻璃浮球压破、采集站被掩埋、供电和存储等关键部件损坏等现象，导致无法正常工作或无法顺利回收。
2)、电极定位不准，为了保证采集站主体安全，长达数米的测量电场的电极臂一般用带有弹性的高强度复合材料制作。当着陆点条件不理想或受到海流、海洋生物等干扰时，电极臂可能无法正常伸展。因此，电极极距与设计的理论值有所偏差，而且两对电极臂无法保证完全正交。这种电极定位误差难以通过辅助测量定位进行校正，导致电场数据误差较大。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种海底电磁数据采集站，旨在解决现有海洋电磁采集站各个部件都集中在一个基座上，这就导致系统抗风险能力差，电极距控制不准的问题。
本发明的技术方案如下：
一种海底电磁数据采集站，其中，包括由六根中空管梁组成的正四面体框架，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁内设置有电场传感器，至少有一根中空管梁内设置有磁场传感器。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述六根中空管梁中，不位于同一平面的三根中空管梁内设置有电场传感器和/或磁场传感器。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述电场传感器的正、负电极分别设置在所述中空管梁的两端。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述磁场传感器放置在所述中空管梁中，磁场传感器的主方向与其所在的中空管梁轴向一致。
所述的海底电磁数据采集站，其中，位于所述正四面体框架同一顶点的中空管梁通过螺栓刚性连接。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述正四面体框架的四个顶点均设置有漂浮球或重物。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述正四面体框架的中心悬挂有重物。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述六根中空管梁的内外均涂覆有防腐绝缘涂层。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有姿态传感器。
所述的海底电磁数据采集站，其中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有定位导航器。
有益效果：相对于现有技术，本发明提供的海底电磁数据采集站可以以正四面体任意一个面着陆，无需考虑下沉过程中的姿态控制，无需担心采集站倾覆，位于中空管梁内的各电场传感器之间和各磁场传感器之间的相对位置和间距由正四面体结构控制，十分稳定，无需担心电极臂伸展不佳和极距误差的问题，解算出来的三分量电场和三分量磁场数据精度高。
附图说明
图1为本发明一种海底电磁数据采集站的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种海底电磁数据采集站，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。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”的特征可以明示或隐约地包括一个或者更多个所述特征。
现有海洋电磁采集站主要结构为一个基座，基座上面安装若干抗压浮球或其它浮力物体，基座下方为重物，基座上可安装磁场传感器、采集与控制电路、电池、定位仪器等设备，此外，基座上还安装若干向外张开呈一定臂展的电极臂，用于测量两臂端点间的电场。
现有的这种海洋电磁采集站存在两个缺点：
1)、在地形复杂地区工作风险较高，当着陆点处海底地形陡峭或存在热液喷口等障碍物时，采集站可能出现主体倾覆、电极臂折损、玻璃浮球压破、采集站被掩埋、供电和存储等关键部件损坏等现象，导致无法正常工作或无法顺利回收。
2)、电极定位不准，为了保证采集站主体安全，长达数米的测量电场的电极臂一般用带有弹性的高强度复合材料制作。当着陆点条件不理想或受到海流、海洋生物等干扰时，电极臂可能无法正常伸展。因此，电极极距与设计的理论值有所偏差，而且两对电极臂无法保证完全正交。这种电极定位误差难以通过辅助测量定位进行校正，导致电场数据误差较大。
基于此，本发明提供了一种海底电磁数据采集站，如图1所示，其包括由六根中空管梁10组成的正四面体框架，所述六根中空管梁10中至少有一根中空管梁10内设置有电场传感器20，至少有一根中空管梁10内设置有磁场传感器30，所述电场传感器20和磁场传感器30一般而言不设置在同一根中空管梁内。
本实施例提供的海底电磁数据采集站可以以正四面体任意一个面着陆，无需考虑下沉过程中的姿态控制，无需担心采集站倾覆，位于中空管梁内的各电场传感器20之间和各磁场传感器30之间的相对位置和间距由正四面体结构控制，十分稳定，无需担心电极臂伸展不佳和极距误差的问题。
本实施例通过正四面体这种特殊的几何结构布设海底电磁采集站的电场传感器和磁场传感器，通过将电场传感器和磁场传感器设置在正四面体框架的刚性棱边(中空管梁)上，使得电、磁采集具有稳定的方向性，有利于提高观测精度。
在一些实施方式中，所述六根中空管梁中，不位于同一平面的三根中空管梁内设置有电场传感器和/或磁场传感器。
具体来讲，当需要采集三分量电场数据时，所述六根中空管梁中，仅需要在不位于同一平面的三根中空管梁内设置有电场传感器即可实现。当需要采集三分量磁场数据时，所述六根中空管梁中，仅需要在不位于同一平面的三根中空管梁内设置有磁场传感器即可实现。当需要同时采集三分量电场数据和三分量磁场数据时，则如图1所示，所述六根中空管梁10中，需要在不位于同一平面的三根中空管梁10内设置电场传感器20，在不位于同一平面的另外三根中空管梁10内设置磁场传感器30。也就是说，一根中空管梁一般装载一个电场传感器或磁场传感器，负责某一个分量的电场或磁场测量。在海上布设采集站时，可根据实际需要选择搭载预定数量的电场传感器或磁场传感器的中空管梁组装成正四面体框架。当使用如图1所示的三根设置有电场传感器20的中空管梁和三根设置有磁场传感器30的中空管梁时，可以实现全方位的三分量磁场和三分量电场数据采集。当电场或磁场测量多于三根管梁时，出现冗余观测，可以通过叠加提高电场或磁场的信噪比。在使用中，所述正四面体框架的六条棱边不一定是正交分布，但是通过搭载的姿态传感器，可以恢复采集站的旋转角度，并进一步解算出等效的三个正交分量的电场和磁场。
在一些实施方式中，所述电场传感器的正、负电极分别设置在所述中空管梁的两端。本实施例中，当在中空管梁中搭载电场传感器时，所述正、负电极的距离即为中空管梁长度，所测电场方向即为中空管梁长度方向。当在中空管梁中搭载磁场传感器时，可将感应式磁棒或磁通门传感器安装于所述中空管梁内，所测磁场方向即为中空管梁长度方向。
在本实施例中，使用中空管梁搭载的方法可以方便实现模块化，中空管梁内还可装载与电场传感器或磁场传感器匹配的电池、采集电路等部件，这样每一根中空管梁无需与其他中空管梁或浮球发生电路连接，就可实现独立的电场或磁场数据采集功能。
在一些实施方式中，组成所述四面体框架中的每个棱是一根中空管梁，位于所述正四面体框架同一顶点的中空管梁均通过螺栓刚性连接。在本实施例中，所述中空管梁的长度可根据实际需要调整，从1米到几米变化。
在一些实施方式中，如图1所示，所述正四面体框架的四个顶点均设置有漂浮球40。本实施例中，所述漂浮球为玻璃浮球，但不限于此，玻璃浮球等浮力装置位于正四面体顶点，为整体框架提供稳定和均匀的浮力。
在一些实施方式中，如图1所示，所述正四面体框架的中心悬挂有重物50。与传统采集站将重物安装在基座底部与海底接触不同，本实施例将重物(水泥球或铅球)悬挂在正四面体框架的中心，从四个顶点引绳索至中心，再通过四个声学释放器与重物相连。采集站投放时，可直接抛入水中，无需控制入水和下沉姿态。采集站沉底时，可以由任意一面着陆。采集站回收时，逐一释放声学释放器，正常情况下，位于正四面体中心的重物下沉不会撞击到采集站的中空管梁和浮力物体。
在另一些实施方式中，所述重物也可以偏离所述正四面体框架的中心，这样采集站在下沉过程中会按照某个顶点的优势方向下降。所述重物也可以代替正四面体框架上某个顶点上的浮球，从而节省成本。
在一些实施方式中，为延长所述海底电磁数据采集站的使用寿命，所述六根中空管梁的内外均涂覆有防腐绝缘涂层。
在一些实施方式中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有温度传感器，所述温度传感器用于监测海底温度。
在一些实施方式中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有姿态传感器。通过所述姿态传感器可以恢复采集站的旋转角度，并进一步解算出等效的三个正交分量的电场和磁场。
在一些实施方式中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有定位导航器。
在一些实施方式中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有用于测量海水盐度的盐度计。
在一些实施方式中，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有水听器。
综上所述，本发明提供的海底电磁数据采集站可以以正四面体任意一个面着陆，无需考虑下沉过程中的姿态控制，无需担心采集站倾覆；各电场传感器和各磁场传感器之间的相对位置和间距由正四面体结构控制，十分稳定，无需担心电极臂伸展不佳和极距误差；所述传感器、采集电路、浮球分布在正四面体框架各个部位，抗灾变能力强；重物在采集站回收时才释放沉底，因此被掩埋和卡在海底的风险更小；六根中空管梁构成正四面体的棱，每根管梁可装载一个单分量的磁场或电场传感器，通过棱边组合并结合姿态和角度数据，可以解算出完整的大地坐标系下的三分量磁场和三分量电场数据。本发明采集的电磁场信号可以用于海底结构探测、油气与矿产资源勘探、船舶和潜艇探测、地球物理和物理海洋学研究等。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种海底电磁数据采集站，其特征在于，包括由六根中空管梁组成的正四面体框架，
所述六根中空管中在不位于同一平面的三根中空管梁内设置有电场传感器，其余三根中空管梁内设置有磁场传感器；
所述电场传感器的正、负电极分别设置在所述中空管梁的两端；
所述磁场传感器放置在所述中空管梁中，磁场传感器的主方向与其所在的中空管梁轴向一致；
位于所述正四面体框架同一顶点的中空管梁通过螺栓刚性连接。
2.根据权利要求1所述的海底电磁数据采集站，其特征在于，所述正四面体框架的四个顶点均设置有漂浮球或重物。
3.根据权利要求1所述的海底电磁数据采集站，其特征在于，所述正四面体框架的中心悬挂有重物。
4.根据权利要求1所述的海底电磁数据采集站，其特征在于，所述六根中空管梁的内外均涂覆有防腐绝缘涂层。
5.根据权利要求1所述的海底电磁数据采集站，其特征在于，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有姿态传感器。
6.根据权利要求1所述的海底电磁数据采集站，其特征在于，所述六根中空管梁中至少有一根中空管梁上设置有定位导航器。
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