一种海洋坐底式水平正交发射系统及其使用方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明属于地球物理勘探领域，涉及一种利用电磁学原理探测海底矿产资源的地球物理勘探设备，即一种海洋坐底式水平正交发射系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002]海底以下蕴藏着丰富的矿产资源，尤以石油、天然气、天然气水合物等最具经济价值。探测与开发海底矿产资源，对发展海洋经济，建设海洋强国具有重要意义。
[0003]电磁学方法是当前探测海底矿产资源的一种重要手段，其基本原理是利用所探矿物与海底沉积物的电学性质差异。当包含矿产资源的地层受到外界电磁波激发时，将产生综合的电磁感应，感应信号中携带着地下资源分布的产状、规模、埋深、电导率等物性信息。利用在海底投放的电磁接收机对此类信号进行探测，采用现代数字信号处理方法对探测到的感应信号进行反演与成像处理，就可推断出地下矿产资源的分布规律，为圈定资源开采靶区提供科学依据。
[0004]电磁波激发场源分为可控源和被动源。可控源为人工场源，即以人工发射的电磁波激发被探测区域；被动源为天然激发场源，即电磁波能量来自电离层。总体来说，通过海洋可控源电磁探测方法可以获得海底以下介质纵向及横向的电阻率变化信息，并结合其他学科资料可对海底矿产资源的含量进行估计。本发明所涉及的发射系统就是人工激励场源中的一种，即海洋坐底式水平正交发射系统。
[0005]设计和实现海洋可控源电磁探测仪器，主要面临以下技术难点:
1、海洋坐底式发射系统的集成技术，涉及到电磁学、材料学、流体力学、电力电子学等多门学科，远远超出了地面电磁场激发所涉及的学科范围，具有更为复杂的技术含量。
[0006]2、坐底式水平正交的人工源电磁场激发技术。电磁发射系统水下部分采用了两对水平正交的发射电极(X方向和Y方向)，这种类型的电极可以从两个正交的方向对海底以下的异常体进行激发，丰富感应电磁场的信息，然而，如何实现两个方向的分时供电，这是一个需要解决的问题。由于有关在海底开展坐底式水平正交的人工源电磁场激发技术，国内至今未见报道，所以这是本发明的其中一个技术难点。
[0007]3、坐底式水平正交发射系统水下部分低压主控单元软硬件设计。海底工作的发射系统水下部分要求高稳定度和高智能化。坐底式水平正交发射系统水下部分低压主控单元软硬件是实现发射系统水下部分各项功能的核心控制单元，能够实现各种预定的控制功能。主控单元通过深拖缆和甲板端监控软硬件进行远程通信，下载运行控制命令或上传状态信息。海底的发射系统水下部分需要记录两对发射电极的方位，并要求实现在水下按照指令要求进行供电方向的记录和切换。而且为保证发射系统水下部分的安全，需利用海底摄像来观察和选择合适的着底地点，施放时应实时监测发射系统水下部分框架距离海底的高度，还要实时记录发射系统水下部分的姿态方位的信息。这是陆上电磁探测未曾涉及而海洋环境下却必须解决的特殊技术。
[0008]4、远程数据通信和甲板端监控部分软硬件的开发。发射系统水下部分框架一经投放入水后，只能通过甲板监控软件界面对其进行监控。为实现利用万米深拖缆进行长距离远程通信，需研制与海底通信模块相匹配的上位机光电信号转换单元，开发基于高级可视化图形编程工具的上位机软件，实现对发射系统水下部分的监控和信息记录，同时实现发射系统水下部分与甲板端的通信。
[0009]上述技术问题都是海洋可控源电磁探测所面临的特殊问题，本发明正是围绕这些问题展开研究。
【发明内容】
[0010]为了解决海洋可控源电磁探测面临的技术难题，本发明提供一种海洋坐底式水平正交发射系统及其使用方法。通过本发明提供的海洋坐底式水平正交发射系统及其使用方法，可以实现海洋可控源电磁探测目标。
[0011]本发明提供一种海洋坐底式水平正交发射系统，其主要包括甲板端部分、深拖缆部分和水下部分。
[0012]海洋坐底式水平正交发射系统甲板端部分包括船载大功率发电机、升压变压器、升压变压器控制器、仪器控制室与光电滑环等。
[0013]船载大功率发电机与升压变压器以及升压变压器控制器相连，为整个发明装置提供大功率电能支持。
[0014]升压变压器控制器与船载大功率发电机和升压变压器相连，包括交流接触器、旋钮开关、功率保险丝、电压表、电流表、绝缘在线监测仪及风扇。其中，功率保险丝用于保护电路系统；电压表和电流表用以测量升压变压器输出的电压和电流幅值；绝缘在线监测仪通过接地中性点对直流系统、单相和三相低压系统的绝缘状态进行在线连续监控；风扇用于甲板升压变压器机箱的内部散热；升压变压器控制器利用交流接触器和旋钮开关选择变压器的三组抽头，实现三种不同规格高压电压的输出。
[0015]升压变压器与升压变压器控制器和光电滑环相连，利用大功率三相隔离变压器将船载发电机产生的三相工业电380VAC升压至高压，然后通过光电滑环在深拖缆中进行长距离传输。升压变压器包含三组高压抽头，分别输出2500VAC、2650VAC、2800VAC等三个高压电压。
[0016]仪器控制室是工作人员操控仪器的空间。在仪器控制室内，仪器操作人员可以利用甲板监控计算机1、甲板监控计算机2、多路串口光端机、视频光端机、光纤1和光纤2等设备监控海洋坐底式水平正交发射系统水下部分的工作状况；多路串口光端机和视频光端机通过光电滑环与深拖缆相连。
[0017]海洋坐底式水平正交发射系统深拖缆部分为万米铠装光电复合缆，包含3根光纤和3根电力缆。其中光纤通过光端机的光电转换和串口接口，实现甲板端仪器控制室和发射系统水下部分内部通信模块的远程连接，其中的电力线用于电能的长距离低损耗传输。深拖缆上端通过光电滑环与升压变压器、光端机相连，下端通过承重头与发射系统水下部分相连，能够直接牵引海洋坐底式水平正交发射系统水下部分进行施放和回收，借助终端接线盒引出通信光纤和电力线，其具有一定的抗拉性能。
[0018]海洋坐底式水平正交发射系统水下部分包括承重头、终端接线盒、降压变压器、海底承压密封舱、仪器框架、铅块、摄像头、照明灯、高度计、深度计、CTD传感器、USBL超短基线定位信标以及水平正交发射电极等。其中，海底承压密封舱内部主要包括以下部分:整流模块、多路串口光端机、视频光端机、视频监控模块、通讯模块、双通道隔离驱动模块、双通道发射逆变模块、电压和电流传感器、温度传感器、辅助信息采集单元、坐底式发射机主控单元、电源管理模块、散热模块、锂电池包等。
[0019]承重头将深拖缆与海洋坐底式水平正交发射系统水下部分相连，能够直接牵引海洋坐底式水平正交发射系统水下部分进行施放和回收；
终端接线盒从深拖缆引出通信光纤和供电用电力线，引出的其中一根通信光纤与承压密封舱内多路串口光端机相连，引出的另一根通信光纤与承压密封舱内视频光端机相连。引出的电力线通过降压变压器与海底承压密封舱内整流模块相连接。
[0020]降压变压器将深拖缆中传输的交流高压变换至交流低压，并通过专门的水密接插件接至海底承压密封舱内部的整流模块。降压变压器安装于一个专门的密封舱内，内部充有绝缘导热油，电力转换过程中产生的热量，可通过密封舱壁，借助海水散热。
[0021]海底承压密封舱内部安装了海洋坐底式水平正交发射系统水下部分的控制部件，采集外部传感器输送的信号，将降压变压器输出的大功率低压交流电转换为大功率直流逆变脉冲，并通过水平正交发射电极发送出去。
[0022]仪器框架是用耐海水腐蚀的特种钢制作完成，包含板材、管材、弯管和角钢等，用于承载海洋坐底式水平正交发射系统水下部分的部件，这些部件包括承重头、终端接线盒、降压变压器、海底承压密封舱、铅块、摄像头、照明灯、高度计、深度计、CTD传感器、USBL超短基线定位信标以及水平正交发射电极等。
[0023]铅块安装于仪器框架中间底部，作为海洋坐底式水平正交发射系统水下部分的配重，有助于坐底式发射系统水下部分快速稳定下沉，减少仪器的晃动，增加稳定性。
[0024]摄像头通过水密电缆和水密插座与海底承压密封舱相连，利用承压密封舱内视频光端机接收摄像头控制信号，并将水下环境以视频信号的形式通过视频光端机与光纤传输至水上控制端。
[0025]照明灯通过水密电缆和水密插座与海底承压密封舱相连，其作用是为海底无光环境下的摄像提供光源；通过摄像头与照明灯，实现海底摄像功能，用于观察海底环境和选择适合的着底地点。
[0026]高度计通过水密电缆和水密插座与海底承压密封舱相连，安装在框架中部底端，底端预留出20CmX20Cm的空间，利于声波信号测距，利用声学特性测量海洋坐底式水平正交发射系统水下部分距离海底的高度，其输出的信号通过专门的水密电缆连接至承压密封舱端盖，进而连接至承压密封舱内部的主控单元，再通过通信模块传送至甲板端监控部分。