CN115685357A - 搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统与方法，包括支架组、仪器固定支架、自然电位电极组与自然电位电子仓和磁力仪；自然电位电极组包含若干个自然电位电，安装在支架组上，形成X、Y、Z三个探测方向；磁力仪安装在ROV艏部的支架组上，所有自然电位电极和磁力仪通过仪器固定支架固定安装，自然电位电子仓安装在ROV中部框架上，本发明可以获取作业海域详细的电性参数及近海底磁场信息，同时，搭载设备的模块化安装，提高了不同海域作业条件的适应性。遥控水下机器人作为载体，有效保证了调查作业的自主性与灵活性。本发明能够极大提高海洋调查效率，在海洋矿产资源调查、地质调查方面具有良好的应用前景。

Description

搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋地球物理学电、磁勘探技术领域，具体为一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量系统及方法。

背景技术

我国自20世纪70年代中期以来相继开展了大洋海底资源系列勘查活动，至今已申请了包括多金属硫化物、富钴结壳、多金属结核在内的多个矿区。受矿区区域放弃及矿化区、勘查靶区圈定的需求，对矿区内地球物理参数的探测精度提出了更高要求。近海底电法、磁法勘探技术作为获取海底地层信息探测的有效手段得以大规模应用。

水下遥控机器人（下称“ROV”）作为近海底探测的有效平台，已在海底岩石、水体样品获取，声学、摄像设备搭载方面取得了长足应用。但受制于传统ROV常用于小范围搜寻、定点采样等作业，加上ROV自身磁性材料及电子元件感应磁场的影响，并未进行过电法、磁法调查设备的搭载。为此本发明提出了一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述海底资源调查中常规船载地球物理调查精细度不足的问题，以及电法、磁法勘探作业中特有的载体电、磁干扰问题，提出适用于小尺度精细调查作业的一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，该系统包括遥控水下机器人ROV以及安装在遥控水下机器人ROV上的支架组、仪器固定支架、自然电位电极组与自然电位电子仓和磁力仪；

所述支架组包括第一艏部支架、第二艏部支架、中部支架和艉部支架，所述第一艏部支架与第二艏部支架相互竖直安装于遥控水下机器人ROV艏部，其中第二艏部支架为可拆卸连接；所述中部支架安装于ROV两侧，所述艉部支架平行于中部支架安装于ROV艉部两侧；自然电位电极组包含若干个自然电位电，分别安装在第一艏部支架的两端、第二艏部支架的两端、中部支架的两端以及艉部支架的一端；所述磁力仪安装在第一艏部支架上，所有自然电位电极和磁力仪通过仪器固定支架固定安装，所述自然电位电子仓安装在ROV中部框架上。

进一步地，艉部支架未搭载自然电位电极的一端依据海况进行配重以保证ROV运行平稳。

进一步地，所述第一艏部支架、第二艏部支架、中部支架和艉部支架均呈凹型，自然电位电极组和磁力仪安装在凹槽内，所述仪器固定支架由若干呈U型的半圆状固定板组成，通过固定螺栓固定安装自然电位电极组和磁力仪。

进一步地，支架组、仪器固定支架、固定螺栓均采用无磁材料加工，包括碳纤维管材、钛合金或PE板材。

进一步地，自然电位电极采用数据自容模式，磁力仪采用数据自容模式，通过水密缆与遥控水下机器人ROV连接，以提供电力及磁力数据实时监控。

进一步地，所述磁力仪包括磁力仪探头和磁力仪电子仓，其中磁力仪探头安装在第一艏部支架上远离ROV艏部的位置，磁力仪电子仓安装于第一艏部支架上靠近ROV艏部的位置。

进一步地，在X、Y、Z的电法探测方向上，每个方向至少安装两个自然电位电极为一组形成一个探测方向。

本发明还提供了一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量方法，包括如下步骤：

（1）路径需求：根据海底地形资料，对需要进行精细探测的海底矿产资源或异常地质区域的作业区进行规划，以梳型测线覆盖整个测区，采集磁方位校正数据，在作业高度设置一处地点进行遥控水下机器人ROV悬停转圈；

（2）装置安装调试：投放前，遥控水下机器人ROV与甲板单元相连接；将自然电位电极组、自然电位电子仓，磁力仪按探测需求固定于预先安装的遥控水下机器人ROV的支架组上，进行时间同步设置及载体干扰测试；

（3）探测作业：让遥控水下机器人ROV在步骤（1）预先规划路径的区域下潜，完成转圈并操控其至测线起点位置，沿测线进行电法及磁法数据探测。

进一步地，步骤（1）中，为将旋转所得磁数据视为同一点处磁异常，设置的旋转半径应尽可能小。

本发明的有益效果是：

1．支架组的设置有效避免了载体自身磁性材料及部件对探测仪器的电磁干扰，极大确保了探测数据的准确性，同时为其它高电、磁敏感性或小型化探测仪器的搭载提供了保障。

2. 遥控水下机器人搭载的自然电位与磁力测量系统探测获得的数据可以对海底矿产资源调查或地质异常的重点区域进行小尺度调查，获取分辨率更高的数据信息，在海底矿区区域放弃，矿区开采前期的储量调查等方面具有良好应用前景。

3. 遥控水下机器人在满足其主要任务的同时，加载自然电位与磁力测量的组合系统，极大的提高了海洋矿产资源调查效率，同时ROV的实时操控保证了作业过程中的探测灵活性，数据实时上传至甲板单元监控，保证了探测数据的时效性。

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做简单地介绍，当然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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量系统结构示意图；

图2为各分部件示意图。

图3为仪器固定示意图。

图4为本发明一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量方法探测示意图。

图5为ROV海试作业时间-深度变化图，近底段为恒定高度巡航探测作业。

图6为ROV海试作业测线路径规划，ROV沿预设航线进行探测作业。

图中：1-遥控水下机器人ROV、2-第一艏部支架、3-第二艏部支架、4-中部支架、5-艉部支架、6-自然电位电极、7-自然电位电子仓、8-磁力仪探头、9-磁力仪电子仓、10-仪器固定支架、11-浮球、12-铠装缆、13-甲板单元、14-调查船、15-固定螺栓。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例的结果。

实施实例1：如图1所示，本发明提供了一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量系统，该系统包括遥控水下机器人ROV1以及安装在遥控水下机器人ROV1上的支架组、仪器固定支架10、自然电位电极组与自然电位电子仓7和磁力仪；本发明通过在实验室/水池对ROV产生的电、磁背景情况范围进行采集，在不影响载体运行的情况下，设置远离干扰的支架组。该系统不影响传统ROV作业，且额外能获取近海底高精度的电、磁数据。此外，该系统还能够实时监控电、磁数据情况，有效保障数据质量，提高海洋调查效率，为海底矿区重点靶区的圈定提供科学的数据保障。

ROV载体磁干扰范围的确定

遥控水下机器人ROV1的主要干扰来自于变压器与机械手作业，通过设置对照组方式，分别以通电与断电，机械手静止与作业，仪器距遥控水下机器人ROV1距离为变量进行干扰范围的确定。测试数据表明，近遥控水下机器人ROV1艏部机械手位置较遥控水下机器人ROV1艉部变压器干扰值小2000nT左右。而同为遥控水下机器人ROV1艏部机械手处，放置于机械手顶部的磁力仪获取数据较为稳定，放置于机械手底部的磁力仪受到机械手作业时电流产生感应场的影响，出现了较大范围的波动。

支架组的安置

所述仪器支架组安装位置与长度由上述的试验确定：遥控水下机器人ROV1艏部的机械手下方影响机械手作业且机械手运动产生的感应磁场也会对磁异产生干扰，不宜安置支架组；遥控水下机器人ROV1艉部下端因变压器的影响，不宜安置支架组；最后认为支架组应安装于遥控水下机器人ROV1艏部机械手的上方及遥控水下机器人ROV1艉部上方，考虑到搭载仪器的数量及特性，支架组由四根支架组成，对称进行安装，包括第一艏部支架2、第二艏部支架3、中部支架4和艉部支架5。同时要保证遥控水下机器人ROV1入水后的稳定性，支架组对称安装（见图1，第一艏部支架2延伸出ROV艏部前端，第二艏部支架3延竖直向上，中部支架4垂直于第一艏部支架1延伸出ROV两侧，艉部支架5平行于中部支架4延伸出ROV艉部两侧），且支架组、仪器固定支架10、固定螺丝15的材质应为无磁高强度轻质材料，如碳纤维管材、钛合金或PE板材，以适应仪器敏感度、海底高压环境的使用要求。

仪器安装

如图2和图3所示，图2中的（a）磁力仪探头8和磁力仪电子仓9示意图，图2中的（b）为“U”型的仪器固定支架10示意图，图2中的（c）为自然电位电极6示意图，图2中的（d）为自然电位电子仓7示意图，图2中的（e）为支架组示意图，第一艏部支架2、第二艏部支架3、中部支架4和艉部支架5为同型支架，在仪器安装于支架组之前，先将“U”型的仪器固定支架10安装在 “凹”型支架组上，仪器固定支架10的直径应与仪器直径相匹配，通过固定螺栓15固定，如图3所示，其中图3中的（a）为ROV艏部支架2、艏部支架3艉部支架5上只在支架单侧固定仪器横截面示意图，图3中的（b）为中部支架4在支架双侧固定仪器横截面示意图。磁力仪安装于第一艏部支架2上，其中磁力仪探头8安装在远离ROV艏部的位置，磁力仪电子仓9安装于靠近ROV艏部的位置，由水密缆12连接至遥控水下机器人ROV1提供电力与数据传输。自然电位电极组具有8个自然电位电极6，第一个自然电位电极安装在第一艏部支架2上，位于磁力仪探头8之前；第二个自然电位电极安装在第一艏部支架2上，位于磁力仪电子仓9之后。第三个自然电位电极安装于中部支架4左侧远离ROV的艉向位置，第四个自然电位电极安装于艉部支架5左侧远离ROV的艉向位置，共同组成X方向电极组；第五个自然电位电极安装于中部支架4左侧远离ROV的艏向位置，第六个自然电位电极安装于中部支架4右侧远离ROV的艏向位置，共同组成Y方向电极组；第七个自然电位电极安装于第二艏部支架3靠近ROV的位置，第八个自然电位电极安装于第二艏部支架3远离ROV的位置，共同组成Z方向电极组；自然电位电子仓7安装于ROV左侧中部框架上（安装位置详见图1）。

在海况良好的情况下，艉部支架5应予以对称安装，同时为确保ROV入水后重心位置不发生偏移，应适当在艉部支架5右侧远离ROV的位置添加配重或搭载其它自容式小型设备。

在海况恶劣的情况下，第二艏部支架3应予以去除，只搭载X、Y方向电极组进行电法探测。自然电位电极的安装数量至少为6个，即每2个为一组形成一个探测方向。但电极安装数量视探测精度要求和ROV搭载能力决定，一般大于6个。即多组电极形成一个探测方向（本发明中设置两组电极组成X方向），用于提高探测精度。

实施实例2：如图4所示，本发明还提供了一种搭载于遥控水下机器人的自然电位与磁力测量方法，包括以下步骤：

（1）路径需求： 根据海底地形资料，以及ROV的作业需求，对需要进行精细探测的海底矿产资源或异常地质区域的作业区进行规划，以梳型测线覆盖整个测区，便于后期反演网格化成像。路径最后成有效测线，或成网格。ROV测线设置根据探测目标需求，沿探测目标上方进行预设路径探测作业（见图6，图示测线为单条测线）。为了采集磁方位校正数据，在作业高度设置一处地点进行遥控水下机器人ROV（1）小半径悬停转圈；为将旋转所得磁数据视为同一点处磁异常，设置的旋转半径应尽可能小。

（2）装置安装调试：ROV通过铠装缆12与调查船14上的甲板单元13连接，铠装缆12安装有浮球11。通过螺栓方式将支架组与仪器固定支架10固定为整体，所述的第一艏部支架2与第二艏部支架3互相垂直，安装于ROV艏部，将自然电位电极组、磁力仪安装于仪器固定支架10之上。磁力仪与自然电位电子仓通过水密缆与ROV连接。自然电位电子仓7采用数据自容模式。磁力仪电子仓9采用数据自容模式，通过水密缆与ROV连接，以提供电力及磁力数据实时监控。仪器与ROV进行对时校正的设置。对比ROV上电前后的测试数据，视载体对仪器的干扰情况，对仪器位置做适当调整后重置开机。

（3）探测作业：ROV下潜过程中应近垂直下潜，抵近测线起点时进行小半径水平转圈至少一周，为磁测数据的方位校正获取转圈数据。随后操纵ROV沿预先规划的路径行进，行进过程中保持离底恒定高度巡航（见图5中近底段，受海底地形起伏，巡航高度有轻微变化，但始终保持离底定高）。电法与磁法探测工作随ROV在海底作业进行同步实时探测。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，该系统包括遥控水下机器人ROV（1）以及安装在遥控水下机器人ROV（1）上的支架组、仪器固定支架（10）、自然电位电极组与自然电位电子仓（7）和磁力仪；

所述支架组包括第一艏部支架（2）、第二艏部支架（3）、中部支架（4）和艉部支架（5），所述第一艏部支架（2）与第二艏部支架（3）相互竖直安装于遥控水下机器人ROV艏部，其中第二艏部支架（3）为可拆卸连接；所述中部支架（4）安装于ROV两侧，所述艉部支架（5）平行于中部支架（4）安装于ROV艉部两侧；自然电位电极组包含若干个自然电位电（6），分别安装在第一艏部支架（2）的两端、第二艏部支架（3）的两端、中部支架（4）的两端以及艉部支架（5）的一端；所述磁力仪安装在第一艏部支架（2）上，所有自然电位电极和磁力仪通过仪器固定支架（10）固定安装，所述自然电位电子仓（7）安装在ROV中部框架上。

2.根据权利要求1所述的一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，艉部支架（5）未搭载自然电位电极的一端依据海况进行配重以保证ROV运行平稳。

3.根据权利要求1所述的一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，所述第一艏部支架（2）、第二艏部支架（3）、中部支架（4）和艉部支架（5）均呈凹型，自然电位电极组和磁力仪安装在凹槽内，所述仪器固定支架（10）由若干呈U型的半圆状固定板组成，通过固定螺栓（15）固定安装自然电位电极组和磁力仪。

4.根据权利要求3所述的一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，支架组、仪器固定支架（10）、固定螺栓（15）均采用无磁材料加工，包括碳纤维管材、钛合金或PE板材。

5.根据权利要求1所述的一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，自然电位电极（6）采用数据自容模式，磁力仪采用数据自容模式，通过水密缆与遥控水下机器人ROV（1）连接，以提供电力及磁力数据实时监控。

6.根据权利要求1所述的一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，所述磁力仪包括磁力仪探头（8）和磁力仪电子仓（9），其中磁力仪探头（8）安装在第一艏部支架（2）上远离ROV艏部的位置，磁力仪电子仓（9）安装于第一艏部支架（2）上靠近ROV艏部的位置。

7.根据权利要求1所述的一种搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统，其特征在于，在X、Y、Z的电法探测方向上，每个方向至少安装两个自然电位电极（6）为一组形成一个探测方向。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述搭载于水下机器人的自然电位与磁力测量系统的自然电位与磁力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）路径需求：根据海底地形资料，对需要进行精细探测的海底矿产资源或异常地质区域的作业区进行规划，以梳型测线覆盖整个测区，采集磁方位校正数据，在作业高度设置一处地点进行遥控水下机器人ROV（1）悬停转圈；

（2）装置安装调试：投放前，遥控水下机器人ROV（1）与甲板单元（13）相连接；将自然电位电极组、自然电位电子仓，磁力仪按探测需求固定于预先安装的遥控水下机器人ROV（1）的支架组上，进行时间同步设置及载体干扰测试；

（3）探测作业：让遥控水下机器人ROV（1）在步骤（1）预先规划路径的区域下潜，完成转圈并操控其至测线起点位置，沿测线进行电法及磁法数据探测。

9.根据权利要求8所述的自然电位与磁力测量方法，其特征在于，步骤（1）中，为将旋转所得磁数据视为同一点处磁异常，设置的旋转半径应尽可能小。

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