專利名稱：海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物質(zhì)勘探裝置及探測(cè)方法，具體地涉及一種探測(cè)海底平面波電磁場(chǎng)的電磁信號(hào)以研究海底礦產(chǎn)資源分布的裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
海底以下蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，尤以石油、天然氣和氣水合物等緊缺能源最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著陸地資源的急劇減少，世界各國(guó)均日益加強(qiáng)對(duì)海底資源的探測(cè)研究。目前，主要使用電磁波激發(fā)場(chǎng)對(duì)海底區(qū)域?qū)嵤┨綔y(cè)，也就是利用礦產(chǎn)資源與周圍巖層存在較大的電性差異的特點(diǎn)實(shí)施電磁探測(cè)；當(dāng)包含礦產(chǎn)資源的地層受到外界電磁波激發(fā)時(shí)，將產(chǎn)生綜合的電磁感應(yīng)，感應(yīng)信號(hào)中攜帶著地下資源分布的產(chǎn)狀、規(guī)模、埋深、導(dǎo)電率等幾何與物性信息。對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理方法對(duì)探測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行反演與成像等處理，就可推斷出地下礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律，為圈定資源開采靶區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。
以上提到的電磁波激發(fā)場(chǎng)源分為主動(dòng)源和被動(dòng)源。主動(dòng)源為人工場(chǎng)源，即以人工發(fā)射電磁波激發(fā)所探測(cè)的區(qū)域；被動(dòng)源為天然激發(fā)場(chǎng)源，即電磁波能量來(lái)自電離層；但是主動(dòng)源和被動(dòng)源的電磁波場(chǎng)激發(fā)在實(shí)施中均具有不同的困難。在主動(dòng)源中，盡管該場(chǎng)源可以人為控制以及激發(fā)形式多樣，但成本昂貴，并且發(fā)射源不能無(wú)限靠近靶區(qū)，又因發(fā)射源的發(fā)射功率不可能無(wú)限增大，則在靶區(qū)內(nèi)不能達(dá)到激發(fā)效果。譬如，在海洋環(huán)境中發(fā)射源難以放至海底，難于對(duì)海底靶區(qū)激發(fā)電磁波場(chǎng)。而且，至少在今天，在近海底建立功率足夠強(qiáng)的人工電磁場(chǎng)尚屬高技術(shù)難題。在被動(dòng)源中，理論上，來(lái)自電離層的激發(fā)電磁波是一種平面電磁波，其電磁波能量帶有隨機(jī)性，但數(shù)天之中隨電離層擾動(dòng)的劇烈程度，總會(huì)出現(xiàn)能量大的時(shí)刻；當(dāng)能量大的電磁波傳播到探測(cè)靶區(qū)時(shí)，圍巖與介質(zhì)的感應(yīng)信號(hào)能夠被儀器分辨，則地下信息的提取就可實(shí)現(xiàn)；但是在其中所使用的儀器因技術(shù)要求高、制造復(fù)雜等原因而不能實(shí)現(xiàn)。具體地，在使用被動(dòng)源場(chǎng)激勵(lì)的電磁波場(chǎng)探測(cè)中，所要求的儀器主要有以下技術(shù)難點(diǎn)
1、海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)部件的集成技術(shù)。探測(cè)海底電磁場(chǎng)，需進(jìn)行電場(chǎng)信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量。因而，儀器系統(tǒng)首先應(yīng)包括有電場(chǎng)傳感器和磁場(chǎng)傳感器，以及這些傳感器的密封部件。另外，下至海底進(jìn)行測(cè)量，還需解決海面儀器投放和海底儀器回收的問題。為使儀器系統(tǒng)在海面投放后能順利地下至海底，經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的辦法是在儀器的底部配掛重物，或稱配重錨系，使儀器下沉到達(dá)測(cè)量點(diǎn)位。而在儀器回收時(shí)，應(yīng)設(shè)法將配重錨系甩去，使水下整套儀器成為正浮力系統(tǒng)，才能最終實(shí)現(xiàn)返回海面的目的。因此，儀器系統(tǒng)還需有受控的機(jī)械掛鉤，以及浮力材料等。上述所有部件，都應(yīng)集成一體，既實(shí)現(xiàn)海底測(cè)量，又實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)載。這樣一個(gè)儀器系統(tǒng)，涉及到材料力學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)等多門學(xué)科，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地面電磁場(chǎng)測(cè)量所涉及的學(xué)科范圍，具有更為復(fù)雜的技術(shù)含量。
2、錨系硬連接儀器的海底釋放技術(shù)。上述已提及，來(lái)自電離層的平面電磁波時(shí)大時(shí)小，因而，感應(yīng)信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。單位時(shí)間統(tǒng)計(jì)表明，微伏級(jí)弱信號(hào)所出現(xiàn)的時(shí)刻居多。對(duì)于微弱信號(hào)測(cè)量，為得到較好的信號(hào)分辨力，應(yīng)將測(cè)量?jī)x器盡可能地靠近靶區(qū)，這就是前面提到的將測(cè)量?jī)x器投放至海底。而測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)使儀器返回海面，以獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。值得特別指出的是，對(duì)電磁場(chǎng)測(cè)量有特殊要求，即儀器工作時(shí)自身不能晃動(dòng)。要使海底的儀器立穩(wěn)，克服海流所帶來(lái)的推曳影響，實(shí)用的方案是配重錨系與測(cè)量?jī)x器采用硬連接方式，使儀器與海底緊密接觸。但是，這一做法對(duì)儀器的回收不利。因大部分海底為軟泥底質(zhì)，一旦儀器陷入泥中，所導(dǎo)致的后果是儀器不能順利地從海底返回。有關(guān)錨系硬連接儀器的海底釋放問題至今未見研究報(bào)道。
3、海底多臺(tái)儀器的同步采集技術(shù)。為取得地質(zhì)效果，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)需進(jìn)行多點(diǎn)成線或多點(diǎn)成網(wǎng)的排列布站方式。投至海底的多臺(tái)儀器要在同一時(shí)刻按相同的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在陸地上，不同點(diǎn)位的多臺(tái)儀器同步采集問題并不難，采用GPS同步技術(shù)就可解決。但在海底，緣于厚厚的海水把GPS信號(hào)屏蔽，陸上的衛(wèi)星對(duì)鐘技術(shù)不能在海底實(shí)施。要達(dá)到同步目的，需要研發(fā)專門針對(duì)海底環(huán)境的特殊技術(shù)。
4、海底儀器的姿態(tài)檢測(cè)問題。電磁場(chǎng)是矢量，在不同方向上，信號(hào)變化的幅值不同。為便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，需將各測(cè)點(diǎn)的電與磁信號(hào)投影到指定的參考軸上，通常，將正北指定為X軸，正東指定為Y軸，垂直地表指定為Z軸。當(dāng)測(cè)量完成后，把不同點(diǎn)位的測(cè)量結(jié)果分別作矢量投影，方能識(shí)別每臺(tái)儀器在上述各參考軸上所觀測(cè)信號(hào)的量值大小。而投影角與儀器在測(cè)量時(shí)的方位指向和傾斜狀態(tài)有關(guān)，因而，記錄儀器的水下姿態(tài)成為解決問題的技術(shù)途徑。
5、超長(zhǎng)周期信號(hào)測(cè)量的減采樣技術(shù)。海底平面波電磁場(chǎng)頻帶較寬，約為10-6～103Hz。在采集超長(zhǎng)周期信號(hào)(譬如10-2Hz以下)時(shí)，只要滿足奈奎斯特定理，信息量就滿足要求。這就是說(shuō)，宜采用低采樣率進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)然，用高采樣率采集，爾后提取低頻成分，理論上也可行，但技術(shù)上不盡合理。尤其在海底環(huán)境下，當(dāng)測(cè)量重點(diǎn)放在10-4Hz甚至更低的量級(jí)時(shí)，海底連續(xù)測(cè)量時(shí)間需達(dá)數(shù)月。盡管現(xiàn)在有先進(jìn)的存儲(chǔ)芯片，即所謂的海量存儲(chǔ)器，但對(duì)超長(zhǎng)周期來(lái)說(shuō)，高采樣率提供的絕大部分信息是冗余的。還應(yīng)注意到，高采樣率工作時(shí)，儀器不能進(jìn)入休眠狀態(tài)，這對(duì)自帶電池的儀器極為不利。兼顧節(jié)電和提取有效信息兩個(gè)方面，才能適合海底超長(zhǎng)周期測(cè)量的技術(shù)要求。既然海底平面波電磁場(chǎng)頻帶較寬，信號(hào)采樣過(guò)程中，在提取高頻信號(hào)時(shí)，用高采樣率，而提取低頻信號(hào)時(shí)，用低采樣率，即變采樣率的方法，才有望取得合理的測(cè)量效果。海底平面波電磁場(chǎng)含有多個(gè)分量，為達(dá)到探測(cè)目的，每臺(tái)儀器至少需同時(shí)測(cè)量六路信號(hào)，即水平正交的兩路電場(chǎng)(Ex、Ey)，水平與垂直兩兩正交的三路磁場(chǎng)(Hx、Hy、Hz)，以及儀器姿態(tài)信息。考慮到節(jié)省電路硬件資源，每路通道只能采用一種A/D芯片。對(duì)同一種A/D芯片，就目前的電子技術(shù)而言，還不能做到寬范圍的變采樣率。因此，在需要低采樣率時(shí)，就應(yīng)有相應(yīng)的減采樣電路硬件及驅(qū)動(dòng)軟件。可見，減采樣技術(shù)在海底平面波電磁場(chǎng)測(cè)量中占有較重要的位置。
6、海底實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份技術(shù)。由于海洋作業(yè)環(huán)境較惡劣，儀器投放至觸底過(guò)程中伴有較大的顛簸震動(dòng)，導(dǎo)致儀器內(nèi)部電路發(fā)生瞬時(shí)故障。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，單一數(shù)據(jù)存盤方式容易出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。由于出海作業(yè)成本昂貴，若得不到完整的數(shù)據(jù)，就意味著不可挽回的學(xué)術(shù)價(jià)值與財(cái)力物力的損失。因而，為確保數(shù)據(jù)的完整，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份，即采用兩個(gè)或多個(gè)電子盤實(shí)時(shí)地將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行兩份或多份存儲(chǔ)。目前，應(yīng)用嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)備份的，尚未有現(xiàn)成的技術(shù)可直接借用。
上述技術(shù)問題都是海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)所面臨的特殊問題，本發(fā)明正是圍繞這些問題展開研究，攻克上述一系列技術(shù)難題，并將各項(xiàng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起取得了自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一種探測(cè)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其包括浮力部件、提升部件、聲控釋放部件、重力牽引部件、安全保護(hù)部件、信號(hào)檢測(cè)部件、數(shù)據(jù)采集部件、和機(jī)械固定部件。所述浮力部件由浮球、浮球保護(hù)箍及其固定立桿組成，用于提供整個(gè)裝置的浮力；浮球是用保護(hù)箍和固定立桿將其裝配在不銹鋼框架上的空心玻璃球，數(shù)個(gè)浮球均勻擺放。所述提升部件由提梁組成，用于在設(shè)備投放和回收時(shí)將整套裝置吊起；其中數(shù)根不銹鋼桿傾斜約為45°且呈等分立體角分布，在不銹鋼桿上部焊接在一個(gè)水平不銹鋼圓環(huán)上，不銹鋼桿下部與不銹鋼框架的數(shù)個(gè)受力點(diǎn)相連，在所述水平圓環(huán)上再焊接一個(gè)直立的不銹鋼半圓環(huán)，從而構(gòu)成提梁。所述聲控釋放部件，用于改變所述海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的浮力性質(zhì)；其中所述聲控釋放部件由聲學(xué)釋放器和受控機(jī)械掛鉤組成，聲學(xué)釋放器垂直裝配在不銹鋼框架的中上部。所述重力牽引部件，用于將海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置牽引下沉至海底；所述重力牽引部件包括由配重錨系及錨鏈，在所述配重錨系上有一個(gè)凸起的梯形臺(tái)，該梯形臺(tái)與不銹鋼框架下部的下凹形架相吻合，從而形成梯形臺(tái)連接方式。所述安全保護(hù)部件，用于給海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置提供安全措施，所述安全保護(hù)部件包括犧牲陽(yáng)極、爪釘、水密插座保護(hù)罩；其中犧牲陽(yáng)極由鋅合金材料制造；爪釘安裝在配重錨系的邊沿，使整套裝置在較硬質(zhì)的海底立穩(wěn)；水密插座保護(hù)罩防避其他外部設(shè)備對(duì)水密插座的摩擦碰撞。所述信號(hào)檢測(cè)部件，用于檢測(cè)海底平面波電磁場(chǎng)的五路場(chǎng)源信號(hào)；所述信號(hào)檢測(cè)部件包括四個(gè)電場(chǎng)傳感器和三個(gè)磁場(chǎng)傳感器，電場(chǎng)傳感器檢測(cè)水平正交的兩路電場(chǎng)，磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)水平與垂直相互正交的三路磁場(chǎng)。所述數(shù)據(jù)采集部件包括方向傳感器、傾斜傳感器、PC104嵌入式計(jì)算機(jī)、測(cè)量電路以及鋰電池包，所述數(shù)據(jù)采集部件用于采集海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的方位、傾斜信息及鋰電池包的工作狀態(tài)信息，并且將該信息傳送至PC104嵌入式計(jì)算機(jī)和測(cè)量電路。所述機(jī)械固定部件用于實(shí)現(xiàn)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置所有功能部件的整體集成，其特征在于不銹鋼框架支撐著浮力部件、提升部件、聲控釋放部件、信號(hào)檢測(cè)部件及數(shù)據(jù)采集部件；聲控釋放部件與不銹鋼框架通過(guò)聲學(xué)釋放器固定立桿實(shí)現(xiàn)連接；數(shù)據(jù)采集部件與不銹鋼框架通過(guò)卡箍實(shí)現(xiàn)連接；聚丙烯工程塑料板安裝在不銹鋼框架的外圍四周，除起到減緩對(duì)設(shè)備的摩擦碰撞之外，還將它用于固定電場(chǎng)測(cè)量臂；在測(cè)量電場(chǎng)信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)于兩路電場(chǎng)信號(hào)的4個(gè)電場(chǎng)傳感器被分成兩對(duì)，分別指向海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的中心以外的4個(gè)不同方向且固定電場(chǎng)傳感器的位置與該中心相距為5米，每對(duì)電場(chǎng)傳感器的相對(duì)距離在10米以上，電場(chǎng)傳感器之間用由ABS塑料管制造的電場(chǎng)測(cè)量臂伸展；每根電場(chǎng)測(cè)量臂的長(zhǎng)度大于5米，用不銹鋼鉸關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)測(cè)量臂的分段連接；測(cè)量臂內(nèi)敷設(shè)有水密電纜，電場(chǎng)信號(hào)由該電纜經(jīng)數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙端蓋上的水密插座傳遞到艙內(nèi)的采集電路中。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)不銹鋼框架固定數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙和三個(gè)磁場(chǎng)傳感器承壓密封艙，以及平臥安裝數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙，三個(gè)磁場(chǎng)傳感器承壓密封艙在水平和垂直位置上兩兩相互正交安裝；方向和傾斜傳感器、PC104嵌入式計(jì)算機(jī)以及測(cè)量電路裝配在數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙內(nèi)，數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙與外部器件通過(guò)水密電纜實(shí)現(xiàn)電氣連接。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，配重錨系與不銹鋼框架之間的連接部位有8組助力彈簧，配重錨系與聲學(xué)釋放器的受控機(jī)械掛鉤之間由一根錨鏈相連；當(dāng)錨鏈拴緊且8組彈簧被壓縮時(shí)，存儲(chǔ)彈力；當(dāng)錨鏈松開時(shí)，彈簧的彈力瞬時(shí)起作用，將裝置彈離配重錨系。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集器包括PC104嵌入式計(jì)算機(jī)、主放大器、高精度應(yīng)急時(shí)鐘源、裝置姿態(tài)傳感器件、A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯門陣列、存儲(chǔ)單元。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，數(shù)據(jù)采集器中的所有電路器件和電池包被密封在由非磁性材料LC4超硬鋁制成的圓柱型承壓密封艙內(nèi)，密封艙端蓋上有數(shù)個(gè)水密接插件，以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外的電氣連接；密封艙的承壓指標(biāo)達(dá)13MPa，以在1000m水深處安全工作。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量電路中包含穩(wěn)定度為10-7s/s的高精度應(yīng)急時(shí)鐘源；在海面一次性與GPS對(duì)鐘后，該時(shí)鐘源在整個(gè)海底測(cè)量期間為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置提供計(jì)時(shí)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，測(cè)量電路中包含有六路數(shù)據(jù)采集通道，其中一至五通道分別采集水平正交的兩路電場(chǎng)(Ex、Ey)，水平與垂直相互正交的三路磁場(chǎng)(Hx、Hy、Hz)，第六通道采集方向和傾斜狀態(tài)的信息。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一至五通道采用16種采樣間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別為0.25ms、0.5ms、1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms、128ms、256ms、512ms、1024ms、2048ms、4096ms、8192ms；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，可自動(dòng)定時(shí)、變采樣周期、定時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；在16ms以下，采用級(jí)聯(lián)分樣方法進(jìn)行抗混疊濾波抽樣。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在存儲(chǔ)單元中同時(shí)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子盤進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份；其中一個(gè)電子盤為PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的固有電子盤，其他電子盤為通過(guò)PC104總線擴(kuò)展的以USB口實(shí)現(xiàn)通訊的U盤。
本發(fā)明還提供一種使用所述海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的方法。所述方法為首先在海面上啟動(dòng)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，進(jìn)行GPS對(duì)鐘及采集參數(shù)設(shè)置，由船上吊臂將整套海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置投放入海。入水之后，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置受配重錨系的重力牽引，自由下沉抵達(dá)海底。在海底，按照設(shè)定的采集時(shí)間及運(yùn)行參數(shù)，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)、分頻段變采樣率的海底平面波電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。每臺(tái)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的工作節(jié)拍與海底其他各點(diǎn)位的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置相同，同步精度為10-7s/s。在采集過(guò)程中，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置同時(shí)記錄六路信號(hào)，即水平正交的兩路電場(chǎng)(Ex、Ey)，水平與垂直兩兩正交的三路磁場(chǎng)(Hx、Hy、Hz)，以及自身姿態(tài)信息。在低采樣率運(yùn)行時(shí)，采用級(jí)聯(lián)分樣抗混疊減采樣技術(shù)，在高采樣率的樣本中提取低頻成分予以保存。存盤過(guò)程中對(duì)所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份，至少存儲(chǔ)兩份相同數(shù)據(jù)。海底測(cè)量結(jié)束后，儀器在原地等待。當(dāng)海面向海底發(fā)出聲學(xué)釋放信號(hào)，海底儀器的聲學(xué)釋放器受令動(dòng)作，打開拴掛配重錨系的機(jī)械掛鉤，配重錨系與儀器脫離牽連，連接部位的助力彈簧將儀器從淤泥中彈出。受浮球的提升作用，整套裝置自動(dòng)上浮至海面?；厥諆x器后，對(duì)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，獲得海底以下的巖石電性成像，從而推斷被測(cè)區(qū)域的礦產(chǎn)資源分布，為進(jìn)行開采提供科學(xué)依據(jù)。
由于本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置相比，具有明顯的突出的優(yōu)點(diǎn)，解放了人力且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)探測(cè)，并將進(jìn)一步為海底以下蘊(yùn)藏的諸如石油、天然氣和氣水合物之類的豐富礦產(chǎn)資源的探測(cè)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的數(shù)據(jù)。


根據(jù)結(jié)合附圖的本實(shí)施例的下面說(shuō)明，本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚且更容易理解，其中附圖
圖1為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；圖2為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置部件連接關(guān)系圖；圖3為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置錨系硬連接原理圖；圖4為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置電器連接關(guān)系圖；圖5為海底儀器姿態(tài)檢測(cè)原理圖；圖6為輔助通道電路原理圖；圖7為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)儀器數(shù)據(jù)備份電路原理圖；圖8為高精度時(shí)鐘及邏輯控制電路圖；圖9為儀器姿態(tài)參數(shù)分時(shí)采集電路圖；圖10為A/D轉(zhuǎn)換及硬件減采樣電路圖；圖11為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份電路圖；圖12為級(jí)聯(lián)分樣原理圖；圖13為串并轉(zhuǎn)換及FIFO電路圖。
附圖中標(biāo)記的文字說(shuō)明U1 可編程邏輯器件EPM7128； U2 晶振TCXO；U3 實(shí)時(shí)鐘芯片DS17887； JAB、JCD 插座PC104總線；U14 可編程放大器PGA204；U15A A/D轉(zhuǎn)換器CS5321；U16 數(shù)字抽取濾波器CS5322； U402 與門4081；U403 或非門4001；U404 DC-DC MAX603；U405 DC-DC MAX603； U406 DC-DC MAX603；U407 運(yùn)算放大器TL072； U401 模擬開關(guān)MAX308；UU1 可編程邏輯器件EPM7128； JUAB、JUCD 插座PC104總線；UU2 晶振TCXO； UU4 雙向數(shù)據(jù)瑣存器 74LS245；UU3 USB 接口芯CH375；U81 可編程邏輯器件 EPM7128；U82、U83、U84 FIFO IDT7208 U87 數(shù)據(jù)瑣存器 74LS244；U85、U86 雙向數(shù)據(jù)瑣存器74LS245；S1 方向傳感器 YLS-3；S2 傾斜傳感器 FEC-60；
具體實(shí)施方法圖1示意地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。參見圖1，圖(a)表示該機(jī)械結(jié)構(gòu)的主視圖，圖(b)表示該機(jī)械結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，圖(c)表示該機(jī)械結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中附圖標(biāo)記分別表示為1.配重錨系；2.聚丙烯工程塑料板；3.不銹鋼框架；4.卡箍；5.浮球；6.浮球保護(hù)箍；7.浮球固定立桿；8.聲學(xué)釋放器；9.受控機(jī)械掛鉤；10.錨鏈；11.數(shù)據(jù)采集器承壓艙；12.水密插座保護(hù)罩；13.不銹鋼絞關(guān)節(jié)；14.犧牲陽(yáng)極；15.助力彈簧；16.Z分量磁傳感器承壓艙；17.聲學(xué)釋放器固定立桿；18.爪釘；19.提梁；20.Y分量磁傳感器承壓艙；21.電場(chǎng)測(cè)量臂；22.電場(chǎng)傳感器；23.X分量磁傳感器承壓艙。
海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置由8類功能部件集成，其結(jié)構(gòu)外型及連接關(guān)系由圖1至圖3所示，各部件的工作原理及特征在于1)浮力部件。由浮球、浮球保護(hù)箍及其固定立桿組成，其作用是提供整個(gè)裝置的浮力。當(dāng)在海底完成數(shù)據(jù)采集后，依靠數(shù)個(gè)浮球的合成浮力，整套裝置浮升至海面，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備回收。浮球是空心玻璃球，為使其下海后不易脫落，用保護(hù)箍和固定立桿將其裝配在不銹鋼框架上，數(shù)個(gè)浮球均勻擺放(見圖1俯視圖)。
2)提升部件。由提梁組成。對(duì)照?qǐng)D1的示意可見，等分立體角分布的數(shù)根不銹鋼桿傾斜約為45°，上部焊接在一個(gè)水平不銹鋼圓環(huán)上，下部與不銹鋼框架的數(shù)個(gè)受力點(diǎn)相連。水平圓環(huán)上再焊接一個(gè)直立的不銹鋼半圓環(huán)，從而構(gòu)成提梁。在設(shè)備投放和回收時(shí)，船上的吊臂鉤住半圓環(huán)，將整套裝置吊起。
3)聲控釋放部件。由聲學(xué)釋放器和受控機(jī)械掛鉤組成，其作用是改變整套裝置的浮力性質(zhì)。聲學(xué)釋放器垂直裝配在不銹鋼框架的中上部。當(dāng)受控于它的機(jī)械掛鉤處于閉合狀態(tài)時(shí)，錨鏈的上端被鉤緊，栓住其下端的配重錨系。由于配重錨系重量大，使得整套裝置的浮力為負(fù)值。下海后，受重力牽引，裝置可自由下沉至海底。在設(shè)備回收階段，受海面向海底發(fā)出的聲納控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，聲學(xué)釋放器按指令動(dòng)作，打開機(jī)械掛鉤，甩去配重錨系，使整套裝置的浮力變?yōu)檎?，從而?shí)現(xiàn)設(shè)備的上浮。
4)重力牽引部件。由配重錨系及錨鏈組成，其作用是將海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置牽引下沉至海底。其結(jié)構(gòu)特征是框架與配重錨系為梯形臺(tái)連接方式。在錨系上有一個(gè)凸起的梯形臺(tái)(見圖1主視圖)，而框架下部形狀是與梯形臺(tái)吻合的下凹形架。這種連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，只要錨系立穩(wěn)不動(dòng)，框架就不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)裝置被聲控釋放時(shí)，錨鏈一旦松開，框架與配重錨系將順利分離，不會(huì)產(chǎn)生卡殼現(xiàn)象。
5)安全保護(hù)部件。由犧牲陽(yáng)極、爪釘、水密插座保護(hù)罩等組成，其作用是給整套裝置提供安全措施。犧牲陽(yáng)極是一種鋅合金，它的化學(xué)性能較活潑，將其安裝在不銹鋼框架上，可減弱海水對(duì)框架的腐蝕程度。爪釘安裝在配重錨系的邊沿，使整套裝置在較硬質(zhì)的海底立穩(wěn)，避免海水拖曳使裝置產(chǎn)生位移。水密插座保護(hù)罩防避其他外部設(shè)備對(duì)水密插座的摩擦碰撞。當(dāng)海底為軟底質(zhì)時(shí)，需用到助力彈簧。由于海底平面波電磁場(chǎng)測(cè)量所需時(shí)間較長(zhǎng)，在海底沉積物較多的海區(qū)，底質(zhì)對(duì)儀器的吸附力較大。儀器一旦被海泥吸附，即使聲學(xué)釋放器打開，設(shè)備也不容易順利離開海底。要想設(shè)備能順利上浮，單靠增加浮球的數(shù)量，因受到整體結(jié)構(gòu)尺寸的限制而不可行。有針對(duì)性的解決方案是，在儀器框架和配重錨系之間安裝8組助力彈簧(詳見圖3)。投放前利用錨鏈的拉力使8組彈簧的長(zhǎng)度從160mm壓縮至110mm，壓縮量為50mm。壓縮使得每組彈簧儲(chǔ)存26kg的彈力。當(dāng)聲學(xué)釋放器動(dòng)作，錨鏈松開，8組助力彈簧產(chǎn)生208kg的瞬時(shí)彈力，再加上數(shù)個(gè)浮球的浮力，共有數(shù)百公斤的向上作用力同時(shí)起作用，使儀器在淤泥中松動(dòng)，脫離吸附，實(shí)現(xiàn)上浮。
6)信號(hào)檢測(cè)部件。由四個(gè)電場(chǎng)傳感器和三個(gè)磁場(chǎng)傳感器及其承壓密封艙組成。其作用是分別檢測(cè)海底平面波電磁場(chǎng)的五路場(chǎng)源信號(hào)，即水平正交的兩路電場(chǎng)(Ex、Ey)和水平與垂直相互正交的三路磁場(chǎng)(Hx、Hy、Hz)。電場(chǎng)傳感器在研發(fā)階段已經(jīng)考慮了密封措施。磁場(chǎng)傳感器本身沒有密封承壓功能，因而需外加非磁性材料的承壓密封艙。
7)數(shù)據(jù)采集部件。包括方向傳感器、傾斜傳感器、PC104嵌入式計(jì)算機(jī)、測(cè)量電路以及鋰電池包等，組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集器。整套采集器安裝在一個(gè)圓形承壓密封艙內(nèi)，其內(nèi)部電器連接由圖4詳細(xì)說(shuō)明。
8)機(jī)械固定部件。其作用是實(shí)現(xiàn)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置所有功能部件的整體集成。在不銹鋼框架上，支撐著浮力部件、提升部件、聲控釋放部件、信號(hào)檢測(cè)部件及數(shù)據(jù)采集部件。其中，聲控釋放部件與不銹鋼框架通過(guò)聲學(xué)釋放器固定立桿實(shí)現(xiàn)連接；數(shù)據(jù)采集部件與不銹鋼框架則是通過(guò)卡箍實(shí)現(xiàn)連接。聚丙烯工程塑料板安裝在不銹鋼框架的外圍四周，除起到減緩對(duì)設(shè)備的摩擦碰撞之外，還將它用于固定電場(chǎng)測(cè)量臂。在測(cè)量電場(chǎng)信號(hào)時(shí)，4個(gè)電場(chǎng)傳感器被分成兩對(duì)(對(duì)應(yīng)與兩路電場(chǎng)信號(hào))，每對(duì)電場(chǎng)傳感器的相對(duì)距離應(yīng)在10米以上，以確保至少檢測(cè)到微伏級(jí)的信號(hào)幅度。為將4個(gè)電場(chǎng)傳感器分別指向裝置中心以外的4個(gè)不同方向，且固定位置與該中心相距為5米，需用電場(chǎng)測(cè)量臂(其材料為ABS塑料管)伸展。每根電場(chǎng)測(cè)量臂的長(zhǎng)度大于5米，用不銹鋼鉸關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)測(cè)量臂的分段連接。測(cè)量臂內(nèi)敷設(shè)有水密電纜，電場(chǎng)信號(hào)由該電纜經(jīng)數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙端蓋上的水密插座傳遞到艙內(nèi)的采集電路中。
海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置電器連接關(guān)系見圖4，此圖示意性地描述了圖5至圖13的連接關(guān)系。各環(huán)境信息傳感器4008將環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳至儀器姿態(tài)參數(shù)分時(shí)采集電路4006，4006在控制信號(hào)4019的控制下分時(shí)選擇一路環(huán)境信號(hào)輸出(環(huán)境信號(hào)4020)至信號(hào)調(diào)理板4007。各電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳感器4009至4013將電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理板4007，4007在控制信號(hào)4018的驅(qū)動(dòng)下對(duì)各路輸入的信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配及各種選通濾波處理，其處理后所得的模擬信號(hào)4014送至A/D轉(zhuǎn)換及硬件減采樣電路4005。在控制信號(hào)4017的驅(qū)動(dòng)下4005對(duì)4014信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及硬件減采樣，使模擬信號(hào)4014轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)4015。4015為多路串行數(shù)據(jù)，其進(jìn)入串并轉(zhuǎn)換及FIFO電路4004后便轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)緩存至FIFO，在FIFO為一定的狀態(tài)時(shí)PC104嵌入式計(jì)算機(jī)4001將緩存的數(shù)據(jù)經(jīng)PC104總線讀入，4001對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件減采樣，然后將減采樣后的數(shù)據(jù)存至DOC電子盤，同時(shí)經(jīng)過(guò)PC104總線將此數(shù)據(jù)發(fā)送至USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份電路4002。此外，高精度時(shí)鐘及控制電路通過(guò)PC104總線實(shí)現(xiàn)與4001的信息交互，從而產(chǎn)生控制信號(hào)4016至4019。
海底儀器姿態(tài)檢測(cè)原理見圖5、圖6、圖9。
海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)儀器利用輔助通道采集儀器姿態(tài)信息，其工作原理圖如圖5和圖6，圖6中的TILT代表傾斜傳感器5001，ORI代表方向傳感器5002。儀器在海底進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，各姿態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器把非電量的姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換為電量6002后送至多路選擇開關(guān)(MAX308)6007，姿態(tài)信息中，包含一路方向信息，即儀器內(nèi)x軸磁傳感器與地磁正北方向的磁偏角；兩路傾斜信息，即儀器內(nèi)x、y兩軸與水平面的傾斜角。因儀器在海底時(shí)其姿態(tài)信息(方位和傾角)改變較緩慢，還考慮到防止各姿態(tài)傳感器在工作過(guò)程中對(duì)被測(cè)的海底平面波電磁場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生影響，所以在海底較長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)電磁信號(hào)的過(guò)程中關(guān)閉姿態(tài)信息的測(cè)量，僅在每天選取約一分鐘短暫時(shí)間開啟各姿態(tài)傳感器的電源，進(jìn)行儀器姿態(tài)信息的分時(shí)采集。在采集時(shí)，邏輯控制門陣列5005(圖8 U1第48～50引腳)發(fā)出CMD6001控制字，控制多路選擇開關(guān)分時(shí)選定一路信息進(jìn)入輔助通道，經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換5006(圖10 U15A)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)流，此數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換門陣列5006(圖13 U81)并行輸出至FIFO緩存器5010(圖13 U82～U84)。在FIFO5010為非空、半滿或全滿的情況下串并轉(zhuǎn)換門陣列5008通知PC104 5007進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)讀操作。當(dāng)儀器回收后PC104 5007將輔助通道所測(cè)數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)聯(lián)合解析各傳感器的標(biāo)定值和所測(cè)數(shù)據(jù)反演出實(shí)測(cè)儀器姿態(tài)參數(shù)物理量，以達(dá)到檢測(cè)儀器姿態(tài)的目的。
為實(shí)現(xiàn)海底多臺(tái)儀器的同步采集，本發(fā)明研制了時(shí)鐘及邏輯控制電路，如圖8。圖8中U1為CPLD器件7128SLC84；U2為高精度晶振TCXO，其時(shí)鐘穩(wěn)定度優(yōu)于10-7s/s；U3為實(shí)時(shí)鐘RTC芯片DS17887，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)鐘信息；JAB和JCD構(gòu)成PC104總線，此總線與PC104嵌入式計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)與電路的信息交互。多臺(tái)儀器具體同步過(guò)程如下(1)儀器投放之前，在海面上進(jìn)行GPS對(duì)鐘。連接GPS與儀器內(nèi)PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的串口，GPS的PPS秒脈沖信號(hào)連接至U1。啟動(dòng)PC104內(nèi)的GPS對(duì)鐘程序，對(duì)鐘程序通過(guò)PC104總線向U1提出對(duì)鐘申請(qǐng)，U1開始接收PPS信號(hào)。當(dāng)PPS秒脈沖到來(lái)時(shí)，U1向PC104反饋提出中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求PC104開始接收來(lái)自串口的GPS信息并保存于PC104的實(shí)時(shí)鐘芯片中，然后再使此實(shí)時(shí)鐘的秒更新同步于PPS的秒脈沖，對(duì)鐘程序最后負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)鐘信息經(jīng)PC104總線送U1后傳至DS17887中。整個(gè)海底采集期間，由該實(shí)時(shí)鐘源給測(cè)量電路提供時(shí)間基準(zhǔn)。(2)設(shè)置儀器的采集參數(shù)表，每臺(tái)儀器所設(shè)的采集參數(shù)均相同，即設(shè)在同一時(shí)刻按相同方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。(3)多臺(tái)儀器投入至海底后，采集時(shí)刻一到，PC104中RTC的鬧鐘中斷將請(qǐng)求采集程序進(jìn)入同步數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。由于時(shí)鐘及邏輯控制電路中U2的時(shí)鐘穩(wěn)定度優(yōu)于10-7s/s，使得PC104嵌入式計(jì)算機(jī)RTC的基準(zhǔn)時(shí)序Clk32768的穩(wěn)定度也優(yōu)于10-7s/s，而多臺(tái)儀器同步時(shí)刻由RTC秒更新的相位差所決定，此秒更新的高穩(wěn)定度保證了同步采集的實(shí)現(xiàn)。
圖10為超長(zhǎng)周期信號(hào)測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換與減采樣電路。海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)儀器中，用于探測(cè)兩路電場(chǎng)(Ex，Ey)和三路磁場(chǎng)(Hx，Hy，Hz)的電路中均引入了減采樣技術(shù)。每套儀器內(nèi)有五路如圖10相同的電路，由于五路所使用的減采樣技術(shù)完全相同，故任取一路敘述。電或磁信號(hào)經(jīng)主放U14(PGA204)進(jìn)入∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器CS5321，電磁模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為過(guò)抽樣1位∑-Δ位流。為達(dá)到硬件上的減采樣，1位∑-Δ位流須經(jīng)過(guò)FIR數(shù)字抽取濾波器CS5322進(jìn)行硬件上的減采樣。PC104上的采集軟件通過(guò)控制串并轉(zhuǎn)換門陣列來(lái)設(shè)置DECC、DECB、DECA，設(shè)置過(guò)程為(1)、采集軟件讀取采集參數(shù)表，確定相應(yīng)數(shù)據(jù)CMD1；(2)、采集軟件向PC104地址總線(圖13JAB的A9-A0)上寫入W390控制字(采集監(jiān)控口)，并使IOW(圖13JAB的IOW)來(lái)一下降沿以請(qǐng)求U81讀入控制字；(3)、U81讀入W390控制字后使U88的W0置“0”，U85的EN置“0”，U85的DIR置“0”，由此開辟了從PC104數(shù)據(jù)總線(圖13JAB的D7-D0)到U88輸出端Q7-Q0的單向通路；(4)采集軟件向PC104數(shù)據(jù)總線(JAB的D7-D0)上寫入CMD1，此數(shù)據(jù)通過(guò)所開辟的單向通路傳至U88輸出端Q7-Q0，其中Q7-Q5即為DECC、DECB、DECA；(5)、采集軟件使IOW(圖13 JAB的IOW)來(lái)一上升沿以請(qǐng)求U81控制U88的W0置“1”，從而斷開所開辟的單向通路，使U88鎖存DECC、DECB、DECA。通過(guò)控制DECC、DECB、DECA為000-111來(lái)實(shí)現(xiàn)7種硬件采樣周期0.25ms、0.5ms、1ms、2ms、4ms、8ms和16ms。這在一定程度上滿足了海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)中對(duì)高中頻電磁信號(hào)成分采集的需要，但對(duì)超低頻、甚低頻的信號(hào)，若使用16ms采樣周期進(jìn)行記錄，勢(shì)必帶來(lái)龐大的冗余信息，造成數(shù)存空間的浪費(fèi)。為此在本儀器的采集軟件部分嵌入了FIR數(shù)字抽取濾波的級(jí)聯(lián)分樣技術(shù)，達(dá)到軟件減采樣的目的，通過(guò)軟件級(jí)聯(lián)分樣后使整機(jī)最長(zhǎng)采樣周期達(dá)8192ms。
級(jí)聯(lián)分樣原理圖如圖12，該圖最大分樣間隔繪至256ms。其中0級(jí)至4級(jí)分別對(duì)應(yīng)的是16ms采樣、32ms采樣、64ms采樣、128ms采樣和256ms采樣。圖中各級(jí)抗混疊濾波器算法公式如下y(i)=Σn=0Nh(n)*x(i-n)]]>其中x(i)為分樣前信號(hào)序列，y(i)為分樣后的新序列，h(n)為抗混疊濾波器的單位沖激響應(yīng)。海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)儀器選擇抗混疊濾波器的階數(shù)N＝10。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，其單位沖激響應(yīng)h(n)如下h(0)＝h(10)＝0.00474094403641；h(1)＝h(9)＝0.02376209043250；h(2)＝h(8)＝0.06538806414210；h(3)＝h(7)＝0.12489215190769；
h(4)＝h(6)＝0.17993687589557；h(5)＝0.20255974717145。
第4級(jí)以下，還有第5至第9級(jí)減采樣，每級(jí)采樣周期以倍數(shù)遞增。第9級(jí)的采樣周期為8192ms。每級(jí)所采用的濾波器單位沖激響應(yīng)h(n)均相同。級(jí)聯(lián)分樣原理也與圖12相同。
海底實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份原理如圖7、圖11。
海底實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份電路是在海底平面波電磁探測(cè)儀器中嵌入支持U盤帶電熱插拔的USB接口及其外圍芯片組合而成。因海底特殊的工作環(huán)境，決定了本儀器需要選用低功耗的PC104嵌入式計(jì)算機(jī)，而現(xiàn)有的低功耗類機(jī)型AMPRO386SX和AX10406均無(wú)USB接口。若在此低功耗的機(jī)型上增加USB，如果采用通常的將轉(zhuǎn)接頭接至PC104的串口的做法，勢(shì)必受到串口速率的瓶頸制約，無(wú)法滿足海底平面波電磁探測(cè)在高采樣率工作時(shí)數(shù)據(jù)備份的傳輸速率要求。因此研發(fā)新的接口板，將USB接口掛接至PC104總線上，才是實(shí)用可行的方案。但為了抑制USB增加所帶來(lái)的功耗增加問題，同時(shí)兼顧整機(jī)設(shè)計(jì)的一致性，本設(shè)計(jì)中復(fù)用了邏輯控制板中的CPLD，如圖11所示。在圖11中，與數(shù)據(jù)備份功能相關(guān)的器件主要有UU3、UU4、JUAB以及UU1的CS#、ACT#、INT#引腳。在CPLD內(nèi)部邏輯中加入了對(duì)CH375A及八位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器74LS245的譯碼及控制部分，增加了W280-W28F接口用于對(duì)USB接口芯片CH375A的讀寫和控制操作。當(dāng)PC104總線(JUAB)需要向CH375A(UU3)寫數(shù)據(jù)時(shí)，則使總線上的WR(JUAB的IOW引腳)置“0”，地址線A9-A0(JUAB的A9-A0引腳)為280H-28FH，此時(shí)CPLD(UU1)譯碼置CS(UU1的CS#引腳)為“0”，同時(shí)控制八位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器74LS245(UU4)將PC104數(shù)據(jù)總線(JUAB的D7-D0引腳)上的數(shù)據(jù)送至CH375A的數(shù)據(jù)口(UU3的D7-D0引腳)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CH375A的寫操作，由UU3負(fù)責(zé)將所寫入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)經(jīng)引腳UD-、UD+傳至P1保存。當(dāng)PC104總線(JUAB)從CH375A(UU3)讀數(shù)據(jù)時(shí)，使總線上的RD(JUAB的IOR引腳)置“0”，地址線A9-A0(JUAB的A9-A0引腳)為280H-28FH，此時(shí)CPLD(UU1)譯碼置CS(UU1的CS#引腳)為“0”，同時(shí)控制八位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器74LS245(UU4)將CH375A上的數(shù)據(jù)(UU3的D7-D0引腳數(shù)據(jù))送至PC104數(shù)據(jù)總線(JUAB的D7-D0引腳)上，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)CH375A的讀操作，而UU3上的并行數(shù)據(jù)(D7-D0)是由USB接口芯片CH375A將UD-、UD+上的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換而來(lái)。以CPLD器件來(lái)控制USB接口芯片CH375A實(shí)現(xiàn)USB接口與PC104總線串并轉(zhuǎn)換的雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)示意圖如圖7。
如上述，已經(jīng)清楚詳細(xì)地描述了本發(fā)明提出的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置。但是，盡管參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員可以理解，在不背離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)中做出各種各樣的修改。
權(quán)利要求
1.一種海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，包括浮力部件、提升部件、聲控釋放部件、重力牽引部件、安全保護(hù)部件、信號(hào)檢測(cè)部件、數(shù)據(jù)采集部件、和機(jī)械固定部件；其中所述浮力部件由浮球、浮球保護(hù)箍及其固定立桿組成，用于提供整個(gè)裝置的浮力；浮球是用保護(hù)箍和固定立桿將其裝配在不銹鋼框架上的空心玻璃球，數(shù)個(gè)浮球均勻擺放；所述提升部件由提梁組成，用于在設(shè)備投放和回收時(shí)將整套裝置吊起；呈等分立體角分布的數(shù)根不銹鋼桿傾斜約為45°，在不銹鋼桿上部焊接在一個(gè)水平不銹鋼圓環(huán)上，不銹鋼桿下部與不銹鋼框架的數(shù)個(gè)受力點(diǎn)相連，在所述水平圓環(huán)上再焊接一個(gè)直立的不銹鋼半圓環(huán)，從而構(gòu)成提梁；所述聲控釋放部件，用于改變所述海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的浮力性質(zhì)；所述聲控釋放部件由聲學(xué)釋放器和受控機(jī)械掛鉤組成，聲學(xué)釋放器垂直裝配在不銹鋼框架的中上部；所述重力牽引部件，用于將海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置牽引下沉至海底；所述重力牽引部件包括由配重錨系及錨鏈，在所述配重錨系上有一個(gè)凸起的梯形臺(tái)，該梯形臺(tái)與不銹鋼框架下部的下凹形架相吻合，從而形成梯形臺(tái)連接方式；所述安全保護(hù)部件，用于給海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置提供安全措施，所述安全保護(hù)部件包括犧牲陽(yáng)極、爪釘、水密插座保護(hù)罩；其中犧牲陽(yáng)極由鋅合金材料制造；爪釘安裝在配重錨系的邊沿，使整套裝置在較硬質(zhì)的海底立穩(wěn)；水密插座保護(hù)罩防避其他外部設(shè)備對(duì)水密插座的摩擦碰撞；所述信號(hào)檢測(cè)部件，用于檢測(cè)海底平面波電磁場(chǎng)的五路場(chǎng)源信號(hào)；所述信號(hào)檢測(cè)部件包括四個(gè)電場(chǎng)傳感器和三個(gè)磁場(chǎng)傳感器，電場(chǎng)傳感器檢測(cè)水平正交的兩路電場(chǎng)，磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)水平與垂直相互正交的三路磁場(chǎng)；所述數(shù)據(jù)采集部件包括方向傳感器、傾斜傳感器、PC104嵌入式計(jì)算機(jī)、測(cè)量電路以及鋰電池包，所述數(shù)據(jù)采集部件用于采集海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的方位、傾斜信息及鋰電池包的工作狀態(tài)信息，并且將該信息傳送至PC104嵌入式計(jì)算機(jī)和測(cè)量電路；以及所述機(jī)械固定部件用于實(shí)現(xiàn)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置所有功能部件的整體集成；其特征在于不銹鋼框架支撐著浮力部件、提升部件、聲控釋放部件、信號(hào)檢測(cè)部件及數(shù)據(jù)采集部件；聲控釋放部件與不銹鋼框架通過(guò)聲學(xué)釋放器固定立桿實(shí)現(xiàn)連接；數(shù)據(jù)采集部件與不銹鋼框架通過(guò)卡箍實(shí)現(xiàn)連接；聚丙烯工程塑料板安裝在不銹鋼框架的外圍四周，除起到減緩對(duì)設(shè)備的摩擦碰撞之外，還將它用于固定電場(chǎng)測(cè)量臂；在測(cè)量電場(chǎng)信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)于兩路電場(chǎng)信號(hào)的4個(gè)電場(chǎng)傳感器被分成兩對(duì)，分別指向海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的中心以外的4個(gè)不同方向且固定電場(chǎng)傳感器的位置與該中心相距為5米，每對(duì)電場(chǎng)傳感器的相對(duì)距離在10米以上，電場(chǎng)傳感器之間用由ABS塑料管制造的電場(chǎng)測(cè)量臂伸展；每根電場(chǎng)測(cè)量臂的長(zhǎng)度大于5米，用不銹鋼鉸關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)測(cè)量臂的分段連接；測(cè)量臂內(nèi)敷設(shè)有水密電纜，電場(chǎng)信號(hào)由該電纜經(jīng)數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙端蓋上的水密插座傳遞到艙內(nèi)的采集電路中。
2.按權(quán)利要求1所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其中通過(guò)不銹鋼框架固定數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙和三個(gè)磁場(chǎng)傳感器承壓密封艙，以及平臥安裝數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙，三個(gè)磁場(chǎng)傳感器承壓密封艙在水平和垂直位置上兩兩相互正交安裝；方向和傾斜傳感器、PC104嵌入式計(jì)算機(jī)以及測(cè)量電路裝配在數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙內(nèi)，數(shù)據(jù)采集器承壓密封艙與外部器件通過(guò)水密電纜實(shí)現(xiàn)電氣連接。
3.按權(quán)利要求1所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其中配重錨系與不銹鋼框架之間的連接部位有8組助力彈簧，配重錨系與聲學(xué)釋放器的受控機(jī)械掛鉤之間由一根錨鏈相連；當(dāng)錨鏈拴緊且8組彈簧被壓縮時(shí)，存儲(chǔ)彈力；當(dāng)錨鏈松開時(shí)，彈簧的彈力瞬時(shí)起作用，將裝置彈離配重錨系。
4.按權(quán)利要求1所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其中數(shù)據(jù)采集器包括PC104嵌入式計(jì)算機(jī)、主放大器、高精度應(yīng)急時(shí)鐘源、裝置姿態(tài)傳感器件、A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯門陣列、存儲(chǔ)單元。
5.按權(quán)利要求4所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其中數(shù)據(jù)采集器中的所有電路器件和電池包被密封在由非磁性材料LC4超硬鋁制成的圓柱型承壓密封艙內(nèi)，密封艙端蓋上有數(shù)個(gè)水密接插件，以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外的電氣連接；密封艙的承壓指標(biāo)達(dá)13MPa，以在1000m水深處安全工作。
6.按權(quán)利要求4所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其中測(cè)量電路中包含穩(wěn)定度為10-7s/s的高精度應(yīng)急時(shí)鐘源；在海面一次性與GPS對(duì)鐘后，該時(shí)鐘源在整個(gè)海底測(cè)量期間為海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置提供計(jì)時(shí)。
7.按權(quán)利要求4所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其中測(cè)量電路中包含有六路數(shù)據(jù)采集通道，其中一至五通道分別采集水平正交的兩路電場(chǎng)(Ex、Ey)，水平與垂直相互正交的三路磁場(chǎng)(Hx、Hy、Hz)，第六通道采集方向和傾斜狀態(tài)的信息。
8.按權(quán)利要求7所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其特征在于一至五通道采用16種采樣間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別為0.25ms、0.5ms、1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms、128ms、256ms、512ms、1024ms、2048ms、4096ms、8192ms；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，可自動(dòng)定時(shí)、變采樣周期、定時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；在16ms以下，采用級(jí)聯(lián)分樣方法進(jìn)行抗混疊濾波抽樣。
9.按權(quán)利要求4所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其特征在于在存儲(chǔ)單元中同時(shí)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子盤進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份；其中一個(gè)電子盤為PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的固有電子盤，其他電子盤為通過(guò)PC104總線擴(kuò)展的以USB口實(shí)現(xiàn)通訊的U盤。
10.使用權(quán)利要求1所述的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置進(jìn)行海底探測(cè)的方法，包括步驟(1)首先在海面上啟動(dòng)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，進(jìn)行GPS對(duì)鐘及采集參數(shù)設(shè)置；(2)由船上吊臂將整套海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置投放入海；(3)入水之后，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置受配重錨系的重力牽引，自由下沉抵達(dá)海底；(4)在海底，按照設(shè)定的采集時(shí)間及運(yùn)行參數(shù)，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)、分頻段變采樣率的海底平面波電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；(5)每臺(tái)海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置的工作節(jié)拍與海底其他各點(diǎn)位的海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置相同，同步精度為10-7s/s；(6)在采集過(guò)程中，海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置同時(shí)記錄六路信號(hào)，即水平正交的兩路電場(chǎng)Ex、Ey和水平與垂直兩兩正交的三路磁場(chǎng)Hx、Hy、Hz，以及自身姿態(tài)信息；(7)在低采樣率運(yùn)行時(shí)，采用級(jí)聯(lián)分樣抗混疊減采樣技術(shù)，在高采樣率的樣本中提取低頻成分予以保存；存盤過(guò)程中對(duì)所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份，至少存儲(chǔ)兩份相同數(shù)據(jù)；(8)海底測(cè)量結(jié)束后，儀器在原地等待；(9)當(dāng)海面向海底發(fā)出聲學(xué)釋放信號(hào)，海底儀器的聲學(xué)釋放器受令動(dòng)作，打開拴掛配重錨系的機(jī)械掛鉤，配重錨系與儀器脫離牽連，連接部位的助力彈簧將儀器從淤泥中彈出；(10)受浮球的提升作用，整套裝置自動(dòng)上浮至海面；(11)回收儀器后，對(duì)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，獲得海底以下的巖石電性成像，從而推斷被測(cè)區(qū)域的礦產(chǎn)資源分布。
全文摘要
一種海底平面波電磁場(chǎng)探測(cè)裝置，其包括浮力部件、提升部件、聲控釋放部件、重力牽引部件、安全保護(hù)部件、信號(hào)檢測(cè)部件、數(shù)據(jù)采集部件、和機(jī)械固定部件。各個(gè)部件間協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底資源的準(zhǔn)確探測(cè)；并具有自動(dòng)化程度高，探測(cè)成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01V3/12GK1896769SQ200610080789
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者魏文博, 鄧明, 金勝, 葉高峰, 張啟升, 杜剛, 陳凱, 王猛 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)