一种小型智能海洋地震电磁数据采集系统的制作方法

本发明属于应用地球物理勘探方法，涉及海洋地震勘探、海洋天然电磁场源和可控源电磁勘探技术，特别涉及一种小型智能海洋地震电磁数据采集系统。

背景技术：

目前的海洋电磁数据采集方式，主要有以下三种：

一是独立采集站沉底、激发源拖移，如EMGS、OHM、斯伦贝谢公司等国际上普遍使用的海底电磁采集站和大功率拖移场源，预先布设好采集站，然后在采集站上方拖移激发，可以同时完成海洋可控源电磁和大地电磁数据采集。

二是采集缆与激发缆同步拖移，如PGS公司推出的一种拖曳式海洋可控源电场数据采集系统。该系统只采集一个沿电缆方向的电场分量，不采集任何磁场分量数据。但是，没有测量任何磁场分量的海洋电磁场数据是不完整的，不利于对海底地质结构和储层的电性特征进行详细的了解和分析。另外，其沿电缆方向分布的电极也不是均匀分布的，靠近采集船附近的电缆上的电极密度要大一些，而远离采集船处的电缆上的电极就分布的很稀疏。此外，这一拖曳式海洋可控源电场数据采集系统仅能分别进行时间域或单个频点的频率域的电场数据采集工作。

三是海洋电磁数据采集缆沉底布设、激发源拖移，目前还没有实际的应用，如公开号为“CN102472829A”的专利申请公开了一种海底电磁电缆数据采集系统，其工作方式是海底电磁电缆(EM OBC–ElectroMagnetic Ocean Bottom Cable)由放缆船是先投放铺设到海底，然后由发射源船拖曳着水下可控电源在距海底一定的距离上前行并向海水中供电(发射可控电磁波)，由事先投放铺设到海底的电磁电缆采集海底电磁数据。数据采集结束后，放缆船回收海底电磁电缆，投放铺设到新的测量工区，然后重复海底电磁信号的数据采集作业。

申请号为“CN201310292356.2”的专利申请公开了一种拖曳式海洋可控源电磁和地震数据采集系统，该系统由安置在三条或三条以上拖缆中均匀或不均匀分布的电场传感器(不极化电极)、三分量感应线圈式或三分量磁通门式磁场传感器和由水听器或加速度计构成的声波传感器组成，用以测量海洋三分量磁场分量、沿电缆方向和垂直缆方向分布的海洋电场分量E_X和E_Y以及多分量海洋地震数据。本发明可以同时采集时间域和频率域的海洋电磁数据，能够数倍地提高一次施工海洋电磁和多分量海洋地震数据的采集量，有效提高目标探测精度，实现应用海洋可控源时频电磁和海洋地震勘探技术进行海洋矿产及油气资源和甲烷水合物的联合勘探与综合评价。

可控源电磁法应用较多，已有方法都是频率域或时间域方法。即或是一个频点一个频点地激发并测量，如可控源声频大地电磁法(CSAMT)；或是激发一个脉冲(方波)测量其断电后随时间衰减曲线，如长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)。另外，已有方法的测量参数仅限于一个电场、一个磁场分量，如CSAMT法；或只测一个垂直磁场，如LOTEM法。其研究的物性参数单一，仅限于电阻率参数。因此，这些方法在解决地质问题的能力和精度等方面与实际要求存在差距，难以完满解决存在的地质问题。

目前所有正在使用的和公布的沉底式海洋电磁数据采集系统都是采用配重水泥块将海洋电磁数据采集站带到海底，数据采集结束以后，由甲板上的声学控制单元向海底的电磁数据采集站发送控制信号，启动电磁数据采集站的声学或机械释放装置，使电磁数据采集站与配重水泥块分离，依靠电磁数据采集站上部的玻璃浮球将采集站带到海面上后进行回收。这种沉底式采集站体积大、成本高、重量重，无法大量的在海底布设高密度的二维海洋电磁数据采集测线或三维测网。另外采集站投放时是自由下沉，没有定点投放精度控制，回收时是靠玻璃浮球将海洋电磁采集站带到海面上，施工效率低，还有因声学或机械释放装置失灵造成采集站与配重水泥块无法分离，导致采集站回收失败而丢失。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以自动的从海洋地震电磁勘探船边下降移动到预先设置好的海底测点位置上，进行海洋地震电磁数据采集工作，可以同时采集海洋地震数据、海洋大地电磁数据的海洋可控源电磁数据，能够数倍地提高一次行进施工的数据采集量，有效提高目标探测精度的小型智能海洋地震电磁数据采集系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种小型智能海洋地震电磁数据采集系统，包括安置在水下的智能采集站和安装在智能采集站外部的两对电场检测装置；所述智能采集站内设有超短基线应答器、计算机控制系统、高能充电电池、四分量地震数据传感器单元、四分量地震数据采集单元、磁场传感器、磁场数据采集单元和三分量姿态传感器；

四分量地震数据传感器单元的输出端与四分量地震数据采集单元相连，磁场传感器的输出端与磁场数据采集单元连接；

在磁场传感器旁边设置有三分量姿态传感器，三分量姿态传感器用于记录磁场传感器的倾角、方位角和倾向；

超短基线应答器用于与超短基线定位系统进行通信，将超短基线定位系统发送的位置信息转发给计算机控制系统，控制智能采集站移动；

所述两对电场检测装置相互正交，每对电场检测装置包括四根可伸缩电场传感器杆，可伸缩电场传感器杆的一端固定在智能采集站外壳上，另一端能够向智能采集站外部延伸；每根可伸缩电场传感器杆的延伸端固定有一个或两个电场传感器；可伸缩电场传感器杆为中空结构，电场传感器分别通过可伸缩电场传感器杆内置的导线与电场数据采集单元相连接；

电场数据采集单元、磁场数据采集单元、三分量姿态传感器、超短基线应答器和四分量地震数据采集单元分别与计算机控制系统相连；高能充电电池分别连接四分量地震数据传感器单元、32位模数转换器A、四分量地震数据采集单元、磁场传感器、32位模数转换器B、磁场数据采集单元、三分量姿态传感器、计算机控制系统和超短基线应答器。

进一步低，所述智能采集站采用两个端面均为圆角矩形的柱形结构，两对电场检测装置分别安装在智能采集站的两个端面的中心。智能采集站的每个端面上对称地设有两个方向能够自动控制调整的螺旋桨，螺旋桨分别与安装在智能采集站内部的高能充电电池和计算机控制系统相连。

进一步低，所述四分量地震数据传感器单元的包括水听器、三分量动圈式检波器或数字式检波器，水听器、三分量动圈式检波器或数字式检波器的输出端分别与带前置放大器的独立的多道32位模数转换器A相连，32位模数转换器A将测量到的地震模拟信号转化为数字信号并存储在四分量地震数据采集单元内。磁场传感器采用三分量感应线圈式磁场传感器或三分量磁通门式磁场传感器，三分量感应线圈式磁场传感器或三分量磁通门式磁场传感器的输出端连接3个带前置放大器的独立的32位模数转换器B，32位模数转换器B将测量到的三分量磁场模拟信号H_X、H_Y、H_Z转化为数字信号，并存储在磁场数据采集单元内。电场传感器采用不极化电极对制成，每个电极对之间连接一个带前置放大器的独立的32位模数转换器C，32位模数转换器C将测量到的电场模拟信号转化为数字信号，并存储在电场数据采集单元内。

进一步低，所述智能采集站内设有搭载近场传输技术的无线高速数据传输模块，用于传输采集到的海洋电磁数据。

进一步低，所述高能充电电池采用无线充电的方式进行充电，高能充电电池包括电池模块和无线充电模块。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种不使用玻璃浮球和配重水泥块的小型智能海洋地震电磁数据采集系统，电磁数据采集系统在超短基线定位系统的控制和操作下，可以自动的从海洋地震电磁勘探船边下降移动到预先设置好的海底测点位置上，进行海洋地震电磁数据采集工作；海洋地震电磁数据采集结束后，电磁数据采集系统有能够通过超短基线定位系统的声波控制和操作，自行离开海底上升到海洋地震电磁勘探船边上进行回收，实现智能数据采集工作；

2、本发明通过四分量地震数据传感器单元采集海洋四分量地震数据，通过磁场传感器采集三分量磁场H_X、H_Y、H_Z，通过电场传感器采集水平方向电场E_X、E_Y数据，可以同时采集海洋地震数据、海洋大地电磁数据、时间域和频率域的海洋可控源电磁数据，能够数倍地提高一次行进施工的数据采集量，有效提高目标探测精度，同事也很大程度上简化海洋地震电磁数据采集站的设计和制造，大幅度的降低海洋地震电磁数据采集站的生产制造成本，而且其高度的自动化程度便于在海上生产的使用和维护。

附图说明

图1为本发明的小型智能海洋地震电磁数据采集系统结构示意图；

图2为本发明的智能采集站侧视图；

图3为本发明的小型智能海洋地震电磁数据采集系统电场传感器结构示意图一；

图4为本发明的小型智能海洋地震电磁数据采集系统电场传感器结构示意图二；

图5为本发明的小型智能海洋地震电磁数据采集系统工作状态示意图；

附图标记说明：1-智能采集站，2-电场传感器，3-螺旋桨，4-电场传感器杆，5-电场数据采集单元，6-磁场传感器，7-磁场数据采集单元，8-三分量姿态传感器，9-计算机控制系统，10-超短基线应答器，11-高能充电电池，12-四分量地震数据传感器单元，13-四分量地震数据采集单元，14-海洋地震电磁勘探船，15-存放和收集框，16-超短基线定位系统。

具体实施方式

本发明提供了一种不使用玻璃浮球和配重水泥块的小型智能海洋地震电磁数据采集系统，能够同时测量海洋四分量地震数据(水听器数据、三分量地震数据)、海洋五分量大地电磁(三分量磁场(H_X、H_Y、H_Z)、水平方向电场(E_X、E_Y))和时频(时间域和频率域)双域五分量可控源电磁(三分量磁场(H_X、H_Y、H_Z)、水平方向电场(E_X、E_Y))数据。这一小型智能海洋地震电磁数据采集系统由安置在一个水下小型智能采集站中的四分量地震数据传感器单元(水听器、三分量动圈式或数字式检波器)、四分量地震数据采集存储单元、三分量感应线圈式或磁通门式磁场传感器、三分量姿态传感器和两对可伸缩的正交电场传感器(不极化电极)组成。两对可伸缩的正交电场传感器安装在水下小型智能采集站的四周，由四根可从水下小型智能采集站内部向外水平延伸数米的可伸缩电场传感器杆组成，每根杆的最远端固定有一个或两个(一个正常使用，一个备份)电场传感器(不极化电极)，每个电场传感器通过伸缩杆内置的导线与电场数据采集单元相连接。四分量地震数据传感器单元采集海洋多分量地震数据。两对相互正交的电场传感器(不极化电极)，测量海底的相互正交的两个水平电场分量数据(E_X、E_Y)。三分量场磁传感器通过与之相连结的磁场数据采集单元来测量海底三分量磁场信号(H_X、H_Y、H_Z)。在三分量磁场传感器旁边再安置一个三分量姿态传感器，记录每个三分量磁场传感器的倾角、方位角和倾向，以用于对记录的三分量海洋地震和三分量海洋电磁信号进行必要的旋转处理。由两对可伸缩的正交电场传感器和三分量磁场传感器组成的采集单元同时记录海洋大地电磁和可控源电磁信号。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，一种小型智能海洋地震电磁数据采集系统，包括安置在水下的智能采集站1和安装在智能采集站1外部的两对电场检测装置；所述智能采集站1内设有超短基线应答器10、计算机控制系统9、高能充电电池11、四分量地震数据传感器单元12、四分量地震数据采集单元13、磁场传感器6、磁场数据采集单元7和三分量姿态传感器8；

四分量地震数据传感器单元12的输出端与四分量地震数据采集单元13相连，磁场传感器6的输出端与磁场数据采集单元7连接；

在磁场传感器6旁边设置有三分量姿态传感器8，三分量姿态传感器8用于记录磁场传感器6的倾角、方位角和倾向，以用于对记录的三分量海洋地震和电磁信号进行必要的旋转处理；所述的三分量姿态传感器8是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统，它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计(即IMU)、三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维姿态数据。

超短基线(USBL)应答器10用于与超短基线定位系统进行通信，将超短基线定位系统发送的位置信息转发给计算机控制系统9，控制智能采集站1移动；

所述两对电场检测装置相互正交，每对电场检测装置包括四根可伸缩电场传感器杆4，可伸缩电场传感器杆4的一端固定在智能采集站1外壳上，另一端能够向智能采集站1外部延伸；每根可伸缩电场传感器杆4的延伸端固定有一个或两个电场传感器2；可伸缩电场传感器杆4为中空结构，电场传感器2分别通过可伸缩电场传感器杆4内置的导线与电场数据采集单元5相连接；

电场数据采集单元5、磁场数据采集单元7、三分量姿态传感器8、超短基线应答器10和四分量地震数据采集单元13分别与计算机控制系统9相连；高能充电电池11分别连接四分量地震数据传感器单元12、32位模数转换器A、四分量地震数据采集单元13、磁场传感器6、32位模数转换器B、磁场数据采集单元7、三分量姿态传感器8、计算机控制系统9和超短基线应答器10。

进一步地，所述智能采集站1采用两个端面均为圆角矩形的柱形结构，两对电场检测装置分别安装在智能采集站1的两个端面的中心。智能采集站1的每个端面上对称地设有两个方向能够自动控制调整的螺旋桨3，螺旋桨3分别与安装在智能采集站1内部的高能充电电池11和计算机控制系统9相连。

进一步地，所述四分量地震数据传感器单元12的包括水听器、三分量动圈式检波器或数字式检波器，水听器、三分量动圈式检波器或数字式检波器的输出端分别与带前置放大器的独立的多道32位模数转换器A相连，32位模数转换器A将测量到的地震模拟信号转化为数字信号并存储在四分量地震数据采集单元13内。磁场传感器6采用三分量感应线圈式磁场传感器或三分量磁通门式磁场传感器，三分量感应线圈式磁场传感器或三分量磁通门式磁场传感器的输出端连接3个带前置放大器的独立的32位模数转换器B，32位模数转换器B将测量到的三分量磁场模拟信号H_X、H_Y、H_Z转化为数字信号，并存储在磁场数据采集单元7内。电场传感器2采用不极化电极对制成，每个电极对之间连接一个带前置放大器的独立的32位模数转换器C，32位模数转换器C将测量到的电场模拟信号转化为数字信号，并存储在电场数据采集单元5内。

进一步地，所述智能采集站1内设有搭载近场传输技术的无线高速数据传输模块，用于传输采集到的海洋电磁数据。

进一步地，所述高能充电电池11采用无线充电的方式进行充电，高能充电电池11包括电池模块和无线充电模块。

本发明的工作原理为：搭载海洋地震电磁数据采集单元的水下小型智能采集站1内安装有超短基线(USBL)应答器10和计算机控制系统9，在四周安装有4个方向可以自动控制调整的螺旋桨3，由智能采集站1内置的高能充电电池11驱动旋转。采集海洋地震电磁数据施工前在每个智能采集站1的计算机控制系统9内事先设置好海底测点坐标位置，智能采集站1可以向下放置到海洋地震电磁勘探船14的水下数十米深度处的存放和收集框15里，如图5所示。根据事先设置好海底测点坐标位置由四个螺旋桨3驱动自行下降移动到海底的测点位置上，安装在海洋地震电磁勘探船14底部或另一艘船底部的超短基线(USBL)定位系统16向智能采集站1发射声波控制信号，实时控制并操纵水下小型智能采集站1下降移动到海底的预先设定的测点位置上着陆并进行精确定位。

智能采集站1着陆定位后，内部的计算机控制系统9和装置按照预先设定好的程序，将四个可伸缩的电场传感器杆4和固定在杆末端的电场传感器2沿水平方向推出智能采集站1以外数米，布设好两对相互正交的电场传感器2，如图1、图3、图4所示，智能采集站1开始采集海洋地震数据、海洋大地电磁数据和时频双域可控源电磁数据。数据采集工作结束后，安装在海洋地震电磁勘探船14底部或海上另一艘船底部的超短基线(USBL)定位系统16向智能采集站1发射声波控制信号，智能采集站1内的超短基线(USBL)应答器10接收声波控制信号并发送给计算机控制系统9，计算机控制系统控制智能采集站1移动。首先收回沿水平方向推出的可伸缩电场传感器杆4和电场传感器2；然后根据超短基线(USBL)定位系统16发射的声波控制操作指令，启动四个螺旋桨3，根据事先设置好的海洋地震电磁勘探船14的坐标位置，控制操作智能采集站1自行上升并向海洋地震电磁勘探船14的位置移动，此时下放到海洋地震电磁勘探船14水下数十米的存放和收集框15将向逐渐靠近的智能采集站1发出声控信号，引导智能采集站1平稳的进入存放和收集框15，等待统一回收到海洋地震电磁勘探船14上。存放和收集框15回收到海洋地震电磁勘探船14上后，先进行清洗，然后通过安装在智能采集站1内的搭载近场传输技术的无线高速数据传输模块，近距离非接触的高速下载采集到的海洋地震和电磁数据；最后通过无线充电的方式给小型智能海洋地震电磁数据采集系统内的高能充电电池11进行充电，充电结束后即可投入到下一次的海洋电磁数据采集工作中去。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。