一種分布式海洋電法測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種分布式海洋電法測量裝置，包括發(fā)電機、海洋電法發(fā)送機、發(fā)送電極、一個接收總節(jié)點與多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點、PC上位機及其軟件和連接于總結(jié)點與各子節(jié)點之間的電纜，發(fā)電機連接海洋電法發(fā)送機向其輸入電能，通過PC上位機調(diào)節(jié)和控制海洋電法發(fā)送機產(chǎn)生并發(fā)送的電壓、電流和頻率，通過發(fā)送電極發(fā)送，PC上位機軟件向接收總結(jié)點發(fā)送命令，接收總結(jié)點控制多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點同步采集來自接收電極的電信號，通過電纜向PC上位機軟件傳回采集的數(shù)字電信號。本實用新型采用分布式測量，提高了采集密度和精度，使儀器變得小型化和輕便化；電纜的設計與制造工藝實現(xiàn)了標準化和批量化，使系統(tǒng)的可維護性與可靠性得到提高，擴展性能更好。
【專利說明】
一種分布式海洋電法測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種海洋電法測量裝置，尤其是涉及一種海洋電法勘探中采用分布式的多通道同步采集數(shù)據(jù)的測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]從1987年開始，俄羅斯地質(zhì)部門在海洋開展了直流電法勘探石油和硫化物礦產(chǎn)的工作，設計了幾種最新的拖曳系統(tǒng)，可提供自然電位法(SP)和直流電阻率法(DC)測量。日本從1984年開始,開展了幾項海洋電磁法(EM)試驗,其中最大的一次是在Izu-Bonin弧進行的，從1986年到1992年，每年都圍繞北西太平洋一個典型的島弧系統(tǒng)進行海底EM觀測，包括海底磁測(OBM) 17點，海底電測(0BE)4點。Woods Hole海洋研究所，也是在這方面工作較多的機構(gòu)。比如在新澤西海灣流(Gulf Stream)下布置4臺OBE工作了一年,用電流計和回聲儀同時進行電場和海洋測量(1993年)；設計了一套新的淺水EM裝置，可以IHz采樣率記錄電場水平分量、磁場矢量的變化、壓力、溫度和2傾斜分量等。Scripps海洋研究所、多倫多大學太平洋地球科學中心、劍橋大學一直致力于研究海洋可控源電磁法(CSEM)，大約從80年代開始直到現(xiàn)在，研究CSEM的正、反演理論，設計用于海底探測的儀器，開展海底的試驗。
[0003]上世紀90年代以來，中國地質(zhì)大學、中南工業(yè)大學、長春科技大學、同濟大學、浙江石油勘探處等單位加入海洋電磁研究的行列，包括大地電磁(MT)等方法，在灘海、近海地區(qū)進行了研究工作及在湖區(qū)進行了試驗研究。但從總體上看，整體工作量并不很大，且都處在實驗研究階段。國內(nèi)有些機構(gòu)研制出了實驗樣機，比如國家海洋局第一海洋研究所與中國地質(zhì)大學(武漢)合作，研制出了一套海洋雙頻激電電法探測系統(tǒng)，但是離生產(chǎn)性(或商業(yè)性)使用階段還有一段距離，主要存在以下問題:首先，多個通道采集的信號都在一根長接收電纜內(nèi)傳輸，而電纜的芯數(shù)和直徑有一定限制，致使數(shù)據(jù)采集的通道數(shù)量受到限制。通道數(shù)量少則無法提高電法探測的分辨率，通道數(shù)量多又會給電纜的制造加工等提高難度。并且單根電纜太粗太長，在海洋拖曳作業(yè)與運輸過程中難免會受到損壞，一旦損壞，其維修時間長且費用昂貴，給作業(yè)測量工作帶來巨大的風險。其次，電纜一旦制造加工完成，則會有固定的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量與電極距，將大大限制電法測量的應用范圍和減小儀器靈活性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有的海洋電法測量裝置存在單根長接收電纜限制采集通道數(shù)量及損壞不易維修和測量通道數(shù)量與接收電極距無法改變的不足，本實用新型的目的是提供一種分布式的海洋電法測量裝置，該裝置不僅能解決單根長接收電纜和數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量間相互制約的問題，而且能方便地增減數(shù)據(jù)采集的通道數(shù)量和接收電極極距，并且電纜損壞時易于更換。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案所依據(jù)的原理如下:
[0006]在地表任意兩點A、B供電建立電場，然后在任意兩點用測量電極M、N測定電位差。根據(jù)點電源電場的電位公式得到M、N兩點的電位為:
TTIp
[0007]Μ — 2π(?/ΑΜ-1/ΒΜ)(1)
T7Ip
[0008]μ- 2τ^?(AN-1jBN)⑵
[0009]其中P為大地電阻率，J為供電電流強度，U為M、N點的測量電位，AM、BM、AN、BN分別為電極間距。A、B在麗間產(chǎn)生的電位差為:.1p
[0010]- 2π(?/AM-1/AM- l/BM +1卿)⑶
[0011]由(3)式得均勻大地電阻率的計算公式為:
[0012]=(4)
[0013]其中尤=2π_ΑΜ - 1/ΑΜ- ΙβΜ + ?/ΒΝ)定義為電極裝置系數(shù)。
[0014]本實用新型的分布式海洋電法測量裝置，包括發(fā)電機、海洋電法發(fā)送機、發(fā)送電極、一個數(shù)據(jù)采集總節(jié)點與多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點、PC上位機及其軟件和連接于總結(jié)點與各子節(jié)點之間的電纜，所述每個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點包括用于防水密封節(jié)點的密封艙和接收電極，發(fā)電機連接海洋電法發(fā)送機向其輸入電能，通過PC上位機調(diào)節(jié)和控制海洋電法發(fā)送機產(chǎn)生并發(fā)送的電壓、電流和頻率，通過發(fā)送電極發(fā)送，PC上位機軟件向接收總結(jié)點發(fā)送命令，接收總結(jié)點控制多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點同步采集來自接收電極的電信號，通過電纜向PC上位機軟件傳回采集的數(shù)字電信號。海洋電法發(fā)送機產(chǎn)生并發(fā)送的電壓、電流和頻率有不同的組合，可以通過PC上位機軟件調(diào)節(jié)和控制；接收總結(jié)點不參與數(shù)據(jù)采集工作，只起到協(xié)調(diào)器的作用，在PC機數(shù)據(jù)采集顯示與控制軟件的命令下管理系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)采集子節(jié)點的正常工作。
[0015]單個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點由數(shù)據(jù)采集電路板、接收電極、鋰電池組成，采集子節(jié)點既可以由外部供電，也可以由自帶的電池供電，實現(xiàn)自容工作。數(shù)據(jù)采集電路板采用多層印制電路板制作工藝，整個體積微小，可以密封在一根電纜接頭處設計的耐壓、耐海水腐蝕的節(jié)點密封艙內(nèi)，形成一個具有獨立測量功能的“數(shù)字纜”，是分布式測量的最小單元。每一段固定長度的電纜包含一個節(jié)點艙和接收電極。多段相同長度或不同長度的電纜可以通過密封電纜接頭連接，形成一條具有最多達128個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(通道)的用于數(shù)據(jù)采集的長電纜。電纜起著通訊、供電、連接測量電極、傳輸采集的信號等作用，同時還具備一定的抗拉能力，以適應在海底拖曳工作?？偨Y(jié)點與多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過電纜內(nèi)的RS-485總線通訊。在總節(jié)點的控制下，子節(jié)點同步采集信號，測得的結(jié)果以文件格式存入節(jié)點中大容量Micro SD卡并通過RS-485網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C上位機數(shù)據(jù)經(jīng)過處理得到測線的視電阻率值。如果在工作過程中數(shù)據(jù)及命令傳輸中斷或采集子節(jié)點供電中斷，采集子節(jié)點還可以由自帶的電池繼續(xù)工作，采集完成后，數(shù)據(jù)采集顯示控制軟件還可以通過總結(jié)點在線讀取每個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點中存儲的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點電路采用一個3輸入通道的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換電路對3通道的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，分別來自相鄰三個通道的電極輸出的電信號經(jīng)過前端差分輸入偏壓后，送入前置程控放大器進行放大，然后經(jīng)過一個二階的巴特沃斯低通濾波器后送入24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。模數(shù)轉(zhuǎn)換器在單片機的控制下，把采集的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過SPI總線將得到的數(shù)據(jù)存儲在大容量SD卡里，并通過RS-485總線網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C機。
[0016]本實用新型的有益效果是:海洋電法探測中采用分布式測量，使得以前基于集中式數(shù)據(jù)采集的固定長度、固定通道數(shù)的單根長電纜實現(xiàn)由多段短電纜組合而成，變?yōu)榱朔植际降摹皵?shù)字纜”；電纜的設計與制造工藝實現(xiàn)了標準化和批量化，使系統(tǒng)的可維護性與可靠性得到提高，擴展性能更好；本裝置在結(jié)構(gòu)上可以任意增加或減少通道數(shù)，變化電極距。在提高了整個接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集密度的同時，使儀器變得小型化和輕便化，這在海洋環(huán)境下作業(yè)時具有很好的實用性能；數(shù)據(jù)采集節(jié)點在最短距離內(nèi)將信號采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最大程度避免了模擬信號在傳輸過程中受發(fā)送電纜大功率信號的干擾和道間串擾，相對于現(xiàn)有海洋電法的多信號線傳輸采集方式具有更高的精度；數(shù)據(jù)采集子節(jié)點在供電或與接收總結(jié)點通訊中斷的時候可以由自帶的電池繼續(xù)工作，不影響作業(yè)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本實用新型裝置數(shù)據(jù)采集顯示與控制軟件的邏輯框圖。
[0019]圖3是本實用新型裝置數(shù)據(jù)采集子節(jié)點電路邏輯框圖。
[0020]圖4是本實用新型裝置數(shù)據(jù)采集子節(jié)點工作過程邏輯框圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖并通過具體實施例對本實用新型進一步說明。
[0022]如圖1所示，本實用新型的分布式測量裝置包括海洋發(fā)送機和接收系統(tǒng)，與提供電能的發(fā)電機，與發(fā)送機輸出連接的電纜及發(fā)送電極A、B，接收系統(tǒng)包括PC上位機、一個接收總結(jié)點、多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點1，分別為子節(jié)點1、子節(jié)點2，一直到子節(jié)點η。接收總結(jié)點與各子節(jié)點之間通過電纜連接。
[0023]每個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點包括用于防水密封節(jié)點的密封艙和接收電極，密封艙內(nèi)密封有數(shù)據(jù)采集電路板和鋰電池。采集子節(jié)點既可以由外部供電，也可以由自帶的電池供電，實現(xiàn)自容工作。數(shù)據(jù)采集電路板采用多層印制電路板制作工藝，整個體積微小，密封節(jié)點密封艙內(nèi)，形成一個具有獨立測量功能的“數(shù)字纜”，是分布式測量的最小單元。所述總結(jié)點、子節(jié)點之間通過密封電纜接頭連接。
[0024]本實用新型的工作過程如下:在船上布置好發(fā)電機，根據(jù)探測需要，選擇發(fā)送電極Α、B之間的距離和接收電極極距，計算接收電纜的長度，分配不同長度短電纜的數(shù)量，通過密封接頭連接起來形成長接收電纜，保持發(fā)送電極B和總結(jié)點之間的距離把發(fā)送電纜和接收電纜放到海底，通過船行走將發(fā)送電纜和接收電纜拉直并保持在一條直線上。通過PC上位機按需要選擇海洋電法發(fā)送機發(fā)送的電壓、電流和頻率等不同組合參數(shù)，并發(fā)送電極Α、Β的距離ΑΒ，發(fā)送電極B和總結(jié)點的距離ΒΜ0，子節(jié)點間的距離Μ0Μ1、Μ1Μ2…等數(shù)據(jù)記錄到PC上位機。將發(fā)電機產(chǎn)生的電能送到海洋電法發(fā)送機。通過PC上位機向總結(jié)點發(fā)送時間校準信息、采集參數(shù)設置、通道選擇與增益調(diào)整等信息，總結(jié)點再向各子節(jié)點發(fā)送相關(guān)信息，控制子節(jié)點同步采集來自接收電極的電信號，子節(jié)點將采集的信息存在各自的SD卡中，并通過RS-485網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上位機，上位機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，與發(fā)送機提供的發(fā)送電流捆綁，根據(jù)公式(4)得到視電阻率值。原始信號波形和式電阻率值以曲線顯示出來，并分開存入PC機的文件中。如果在工作過程中數(shù)據(jù)及命令傳輸中斷或采集子節(jié)點供電中斷，采集子節(jié)點還可以由自帶的電池繼續(xù)工作，采集完成后，PC上位機軟件還可以通過總結(jié)點在線讀取每個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點中存儲的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。
[0025]如圖2所示，本實用新型采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，按照層次化體系從縱向上分為四個級別:現(xiàn)場層、直接控制層、操作監(jiān)控層、管理層。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以RS-485現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型，其各層功能如下:由數(shù)據(jù)采集子節(jié)點構(gòu)成的現(xiàn)場層是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)，分布在拖曳電纜中的多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點直接負責數(shù)據(jù)采集工作。子節(jié)點只接受總結(jié)點的命令，相互之間沒有溝通；總結(jié)點構(gòu)成的直接控制層是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制關(guān)鍵，總結(jié)點是一個承上啟下的單元，其下與各個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點連接，它的主要作用是負責管理整個采集網(wǎng)絡的正常工作，包括:系統(tǒng)上電、啟動/關(guān)閉數(shù)據(jù)采集、提供采集同步信號、收集與轉(zhuǎn)發(fā)采集數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)發(fā)給PC上位機)、故障處理等；其上與上位機軟件連接，接受并轉(zhuǎn)發(fā)管理層的各種信息和命令；由上位機軟件和PC機構(gòu)成的操作監(jiān)控層是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制中心，供電法測量人員操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作，并作出現(xiàn)場分析與故障排除；分布式系統(tǒng)的管理層包括生產(chǎn)管理層和決策管理層，由測量操作人員構(gòu)成。
[0026]PC上位機給用戶提供一個人性化的界面，對整個水下分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡進行管理和監(jiān)控。測量操作人員通過操作PC上位機程序控制數(shù)據(jù)采集的起始、測量方式與水下分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞與命令下發(fā)等，最后從數(shù)據(jù)采集節(jié)點讀取原始的電信號，上位機后臺處理上位機軟件與分布式采集系統(tǒng)之間出現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)幀，包括命令發(fā)送、命令回復、命令分類處理、彈出對話框等內(nèi)容并對傳送的數(shù)據(jù)進行運算后計算出視電阻率值，最后用曲線直觀的顯示出來，得到的視電阻率值存儲進文件，用于進一步的電法反演等操作。
[0027]如圖3所示，數(shù)據(jù)采集子節(jié)點電路由數(shù)據(jù)采集電路板、接收電極、鋰電池、防水密封艙及電纜組成，其中數(shù)據(jù)采集電路板采用一個3輸入通道的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換電路對3通道的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，分別來自相鄰三個通道的電極輸出的電信號經(jīng)過前端差分輸入偏壓后，送入前置程控放大器進行放大，然后經(jīng)過一個二階的巴特沃斯低通濾波器后送入24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。模數(shù)轉(zhuǎn)換器在單片機的控制下，把采集的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過SPI總線將得到的數(shù)據(jù)存儲在大容量SD卡里，并通過RS-485總線網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C機。
[0028]如圖4所示，數(shù)據(jù)采集子節(jié)點的軟件由子節(jié)點單片機主控核心執(zhí)行，主要包括程控增益調(diào)整與信號通道選擇、A/D初始化設置與結(jié)果讀取、參數(shù)設置、時鐘讀取、FAT16文件系統(tǒng)管理、通訊等子程序。節(jié)點上電后，程序進入初始化子函數(shù)，主要包括系統(tǒng)時鐘初始化、串口初始化、Micro SD卡檢測與初始化。初始化完成后讀取存在防掉電存儲器內(nèi)的運行參數(shù)值，判斷上次掉電時的運行狀態(tài)。若上次是在工作狀態(tài)時非正常復位，則系統(tǒng)直接進入工作狀態(tài)，否則進入休眠等待串口中斷發(fā)生。串口產(chǎn)生中斷后，程序可以做出以下三種任務:參數(shù)設置、文件讀取、進入工作。三種任務的程序出口都是返回到繼續(xù)等待串口中斷，直到下一個任務產(chǎn)生。
【權(quán)利要求】
1.一種分布式海洋電法測量裝置，其特征在于包括發(fā)電機、海洋電法發(fā)送機、發(fā)送電極、一個接收總節(jié)點與多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點、PC上位機及其軟件和連接于總結(jié)點與各子節(jié)點之間的電纜，發(fā)電機連接海洋電法發(fā)送機向其輸入電能，通過PC上位機調(diào)節(jié)和控制海洋電法發(fā)送機產(chǎn)生并發(fā)送的電壓、電流和頻率，通過發(fā)送電極發(fā)送，PC上位機軟件向接收總結(jié)點發(fā)送命令，接收總結(jié)點控制多個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點同步采集來自接收電極的電信號，通過電纜向PC上位機軟件傳回采集的數(shù)字電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述每個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點包括用于防水密封節(jié)點的密封艙和接收電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述總結(jié)點、子節(jié)點之間通過密封電纜接頭連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述密封艙包括數(shù)據(jù)采集電路板和鋰電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是所述數(shù)據(jù)采集電路采用一個3輸入通道的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換電路對3通道的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，分別來自相鄰三個通道的電極輸出的電信號經(jīng)過前端差分輸入偏壓后，送入前置程控放大器進行放大，然后經(jīng)過一個二階的巴特沃斯低通濾波器后送入24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器中；模數(shù)轉(zhuǎn)換器在單片機的控制下，把采集的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過SPI總線將得到的數(shù)據(jù)存儲在大容量SD卡里，并通過RS-485總線網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C機。
【文檔編號】G01V3/165GK203930089SQ201420342017
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】鄭彥鵬, 吳偉, 李志華, 李先鋒, 曾信 申請人:國家海洋局第一海洋研究所, 中國地質(zhì)大學（武漢）