专利名称：浅海用大极距海底电场仪的制作方法
技术领域：
本发明属于地球物理测量领域，具体属于海洋勘测领域，其涉及一种浅海用大极距海底电场仪。
背景技术：
海洋电磁勘探技术是研究海底的重要手段之一，通过采集海底电场信号，反演推断海底岩层构造的分布规律，已经成为地质勘探的主要方法之一。海底电场信号的测量通常采用间隔一定距离的电极对进行，电极通过测量臂连接到采集电路中。海底电场测量设备需要用船只投放到指定点位，由于船上甲板面积和起吊设备跨度的限制，大的电极距无法实现。目前，国内外几种典型的海底电场测量装置，如中国地质大学研制的海底电磁场探测装置、美国Scripps海洋研究所研制的海底电磁接收装置以及日本研制的海底电磁场仪，使用的电极距均为10m，比在陆上的布极长度小了一个数量级。理论和实验均表明海 底天然电场是一种微弱的、宽频随机信号，容易受到噪音干扰，对信号采集装置要求甚为苛亥IJ。特别是在浅海或滨海地区，各种人造源产生的噪音严重，短的极距无法获取有效信号。如何提高浅海电场测量装置的接收灵敏度一直是一个难题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种体积小且轻便，能扩展测量极距，适合浅海区定点测量的浅海用大极距海底电场仪。为达到上述目的，提供一种浅海用大极距海底电场仪，其包括脱钩机构、仪器舱、底座、水下电缆、两个测量电极、释放器和配重机构；其中仪器舱内部固装有玻璃舱球，脱钩机构位于仪器舱顶端，底座位于仪器舱底端；在脱钩机构与底座之间以拉紧钢丝固接，将仪器舱固定于底座中，仪器舱中部安装有一个环状的安全圈；第一个测量电极固定安装在安全圈上，第二个测量电极安装在配重机构上，测量电极通过水下电缆与玻璃舱球内部的数据采集器连接，测量电极的测量极距达到500m ;释放器固定连接在配重机构上；其中脱钩机构1，用于仪器舱2回收时与底座6分离；仪器舱2，用于为脱钩机构I提供固定支点，同时为玻璃舱球16提供防护；安全圈3,用于仪器舱结构保护，为外径55cm、内径45cm、厚O. 6cm的塑料环；拉紧钢丝4，用于固定脱钩机构与底座，材质为型号316不锈钢(316为不锈钢型号)；锁紧镙栓5，用于紧固拉紧钢丝与底座，材质为316不锈钢；底座6，用于提供仪器舱2的重力牵引和保护，采用玻璃钢材料；测量电极7，用于待测浅海区域的电场信号测量；水下电缆8，用于连接两个测量电极与玻璃舱球内部的数据采集器，并传导电场信号；释放器9，用于配重机构10的浮力性质改变和回收；配重机构10，用于将第二个测量电极7牵引下沉至海底；连接缆绳11，用于释放器9与配重机构10的连接；固定环12，用于将缆绳固定在配重机构10上；环形卡扣13，用于将测量电极7固定；卡线器14，用于水下电缆8与测量电极7连接处的拉力缓冲，防止应力直接作用在测量电极的水密接头32上。其中，玻璃舱球顶端固装有水声传感器。玻璃舱球内部装有固定支架，数据采集器和供电装置固定安装在固定支架上。所述固定支架为双环状结构；所述测量电极为固态银-氯化银电极，共2支构成电极对，外部用多孔塑料封装；第一个测量电极固装于仪器舱，通过水下电缆连接到玻璃舱球；第二个测量电极固装在配重机构上，通过水下电缆连接到玻璃舱球。所述玻璃舱球为13英寸的耐压空心玻璃球。优选地，在所述底座的井字形上表面中部固设一圆盘，圆盘的直径与仪器舱底部外圆相适配；底座下部均匀分布有多个锁紧螺栓，每个锁紧螺栓与每根拉紧钢丝下端可拆卸的固接，通过耐腐蚀拉紧钢丝与脱钩机构紧密相连。优选地，所述两个测量电极7为固态银-氯化银电极，第一个测量电极固装在仪器舱2上，第二个测量电极固装在配重机构10上，通过水下电缆8连接到数字采集部件，根据实际需要，测量电极间距可为100-500m。优选地，利用水对玻璃舱球16的浮力回收所述测量仪器舱2，所述配重机构10通过声学释放器9回收。 在本发明的另一方面，提供一种使用浅海用大极距海底电场仪进行海底电场探测的方法，包括步骤(I)运载船只通过GPS导航航行至设定测量点位A，进行GPS对钟，将从卫星上获取的标准时间信号传输给浅海用大极距海底电场仪，然后设定采集时间和参数；(2)将仪器舱和底座投放入海，入水后仪器舱受底座重力牵引，自由下沉至海底；(3)运载船只按照向设定方位向测量点位B航行，行程中不断将水下电缆投放入海水中；(4)运载船只到达设测量点位B后将配重机构和释放器投放入海；(5)浅海用大极距海底电场仪按照设定的时间和参数进行浅海电场信号采集；(6)测量结束后，浅海用大极距海底电场仪在海底原地等待；(7)在海面向仪器舱发出声学释放信号，仪器舱将与底座分离并上浮至海面；(8)回收仪器舱后断开与之连接的水下电缆，并向配重机构上的释放器发出声学释放信号；(9)运载船只航行至测量点位B回收配重机构及水下电缆；(10)对存储在浅海用大极距海底电场仪仪器内部的数据进行提取，并处理分析。使用从上述技术方案，本发明具有以下有益效果I、本发明提供的这种浅海用大极距海底电场仪，测量极距比常规海底电场测量装置有几何级数增加，并可根据实际需求调整，有效提高了接收灵敏度。2、本发明提供的这种浅海用大极距海底电场仪，装置轻便，整体功耗低，小型船只即可进行海上作业，适合于浅海底电场测量。
图I为依照本发明的浅海用大极距海底电场仪立体结构图；图2为依照本发明的浅海用大极距海底电场仪纵截面示意图；图3为依照本发明的浅海用大极距海底电场仪脱钩机构结构图；图4为依照本发明的浅海用大极距海底电场仪底座结构示意图；图5为依照本发明的浅海用大极距海底电场仪的电极结构图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明作进一步详细说明如图I所示，为本发明的浅海用大极距海底电场仪结构示意图，主要有脱钩机构I、仪器舱2、底座6、测量电极7、水下电缆8、释放器9、配重机构10七部分组成。底座6位于仪器底部，将仪器舱2置于底座6中，脱钩机构I置于仪器舱2顶端，用多根拉紧钢丝4缠绕于脱钩机构I上的固接口后，用多个锁紧螺栓5拉紧多根拉紧钢丝4，将仪器舱2与底座6固定在一起。测量电极7之一用环形卡扣13固定在安全圈3上，测量电极7之二固定在配重机构10上，通过水下电缆8分别连接到采集器。释放器9通过连接缆绳11和固定环12连接到配重机构10上。
水下电缆8采用耐磨、抗拉强度较大(4900N)，密度较轻(空气中重量O. 12kg/m,海水中重量0.0225kg/m)的水密缆，其护套材料为加固聚酯纤维。电场信号的传导通过水下电缆8实现，电极距的长度决定于所需信号/噪音比，根据实际需求可为IOOm至500m。公知的海底电场探测装置采用测量极距为10m，易受干扰，在浅海地区往往无法获取有效信号。采用大极距的方式可有效提高所需信号/噪音比，提高了探测灵敏度。电场信号的幅度与距离有关，在同一被测区域，每对测量电极间的跨度越大，则所测的信号幅值越大。因此，为了保证测量电场信号的强度，增大电极距是一项有效途径，可以提高接收信号对测量电极的信噪比，从而提高接收灵敏度。针对浅海电场信号探测面临的这些问题，本发明提出的浅海用大极距海底电场仪，电极距可长达500m，比目前的测量装置增加了 50倍，适用于浅海地区的电场信号探测。释放器9采用自浮式声学释放器，具体型号为FiObUOyAC200，由水下部分和甲板单元构成，工作水深200m，浮力8kg。固定环12为高强度工程塑料制成，通过螺栓固定在配重机构10上，该释放器的水下部分通过缆绳11与之相接，在海上投放时随配重机构10沉入海底。工作结束后通过甲板单元发出信号，水下部分获取信息并进行解码、反馈实现浮标上浮,从而回收配重机构10、测量电极7和水下电缆8。配重机构10采用玻璃钢材质制成，形状为立方体，作用在于提供测量电极7在海底的稳定支点，固定环12和卡线器14通过螺栓固定在配重机构10上。投放入海时，通过自身重力牵引作用将电极7和释放器9带入海底，工作结束后通过释放器9进行回收。如图2所示，仪器舱2分为上下半舱，舱内放置玻璃舱球16，通过螺旋压紧将玻璃舱球16进行固定。安全圈3为一圆环状结构塑料板，通过螺旋压紧在仪器舱2的上下半舱连接处，用于仪器舱2结构保护。玻璃舱球16分为上下半球，接缝处通过胶泥与胶带进行密封。水声传感器15安装在玻璃舱球16上半球外部顶端，用于水深通讯信号接收与应答。水密插件接口 17安装在玻璃舱球16上半球外壁，与水下电缆8连接。数据采集器18和供电装置20通过固定支架19安装在玻璃舱球16内部，数据采集器18通过螺钉固定在固定支架19的顶部，供电装置20安装在固定支架19的周侧。玻璃舱球16采用Vitrovex公司生产的13英寸玻璃舱球，体积小、重量轻，用于内部组件的耐压保护，同时提供仪器舱2上升时的浮力。数据采集器为24位采集器，用于采集电场信号，固定安装于固定支架上层，采用微功耗采集存储技术，功耗O. 2W，噪音低、功耗小。数据采集器19用于各传感器检测信号的采集和存储，其中a)前放电路信号输入端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器，采用极低噪音精密双运算放大器构成仪器放大电路，增益为30dB，放大电路噪音折合到输入端为IOnv/ V Ηζ@1Ηζ，具有很高的抗干扰能力；b)仪器采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟，在0°C至4°C温度范围内其精度优于5X10_8 ；c)数据存储容量为32GB ；d)采用CMOS型器件，低电压供电，较低频率的工作时钟，同时降低系统的无功功耗，整体功耗< O. 3W。整体装置的功耗低减轻了电源供应负担，保证了留海作业时间。供电装置20采用锂电池，每台浅海用大极距海底电场仪采用12枚IOAH锂电池，通过塑料扎带将锂电池安装于固定支架10的周侧。
如图3所示，脱钩机构I为双层结构，包括不锈钢镙柱24、环镙杆支撑板25、绕丝固定板29，其中，环绕丝固定板29和环镙杆支撑板25上下平行设置，以数个不锈钢镙柱24将两者固接，不锈钢镙柱24中的两个镙柱穿过绕丝固定板29后相互连接，构成吊钩28 ;环镙杆支撑板25内孔直径与仪器舱2顶部外圆直径相适配。绕丝固定板29上表面设有正极21、脱钩滑块26、绕丝钉27、负极30，正极21、负极30位于绕丝固定板29内孔直径方向的相对两侧，正极21上套接压丝垫片23后螺接锁紧螺母22，负极30上套接负极保护套31，正极21上套接压丝垫片23后螺接锁紧螺母22。将一根钢丝经正极21和顺序经所有的绕丝钉27绕成环，并以锁紧螺母22和绕丝钉27固紧定位，将脱钩滑块26固于绕丝固定板29上，钢丝与两负极30触接。在仪器回收时利用海水特性，在两熔断点处进行电腐蚀钢丝，脱钩滑块26被拉紧钢丝4拉脱开，仪器舱2即利用海水浮力上浮。在另一方案中，脱钩机构通过螺栓固定安装于仪器舱的顶端。脱钩机构为双层结构，包括不锈钢镙柱、环镙杆支撑板、绕丝固定板，其中，环绕丝固定板和环镙杆支撑板上下平行设置，以数个不锈钢镙柱将两者固接，不锈钢镙柱中的两个镙柱穿过绕丝固定板后相互连接，构成吊钩；环镙杆支撑板内孔直径与仪器舱顶部外圆直径相适配。环绕丝固定板上表面设有正极、脱钩滑块、绕丝钉、负极，将一根钢丝经正极和顺序经所有的绕丝钉绕成环，并以锁紧螺母和绕丝钉固紧定位，在仪器回收时利用海水特性进行电腐蚀熔断钢丝，脱钩滑块被拉紧钢丝拉脱开，仪器舱即利用海水浮力上浮，以便回收。本实施实例也可以使用未在说明书附图中详细示出的脱钩机构，其具体结构请参阅本专利申请人在先公开的技术。如图4所示，底座6采用玻璃钢材料制成，在井字形上表面中部固设一圆盘，圆盘的直径与仪器舱2底部外圆相适配，用于固定仪器舱2底部。底座6底部周缘处均匀分布着8个锁紧镙栓5 ;锁紧螺栓5与拉紧钢丝4下端可拆卸的固接，通过四根耐腐蚀拉紧钢丝4与脱钩机构I紧密相连，其重量和体积适合于在下沉过程中控制下沉速度和下沉姿态，以及当仪器沉入海底时能够保持正确姿态，并为浅海用大极距海底电场仪在海底工作提供稳定可靠的基座。仪器接到释放信号后，仪器舱2上浮，底座6留在海底。如图5所示，为测量电极7的剖面图，包括水密接头32、密封胶33、固定环34、多孔塑料外罩35、银-氯化银电极36。银-氯化银电极36与水密接头32连接处通过密封胶33进行防水密封，安装在固定环34中；固定环34与多孔塑料外罩35通过螺纹旋转连接。测量电极7共两支，第一个测量电极安装在安全圈3上，第二个测量电极安装在配重机构10上。水下电缆8和水密接头32之间设置有卡线器14，用来提供着力点，防止拉力直接作用在水密接头32上。卡线器14由玻璃钢材料制成，水下电缆8与电极连接时先在其上缠绕，通过螺栓压紧固定，再与测量电极连接。使用浅海用大极距海底电场仪进行海底电场测量的方法第一步，根据地质任务设定需要投放的点位A和B，运载船只通过GPS导航航行至设定测量点位A，在仪器入海前进行GPS对钟，将从卫星上获取的标准时间信号传输给浅海用大极距海底电场仪，然后设定采集时间和参数；第二步，将仪器舱和底座投放入海，入水后仪器舱受底座重力牵引，自由下沉至海底；第三步，运载船只按照向设定方位向测量点位B航行，行程中不断将水下电缆投放入海水中； 第四步，运载船只到达设测量点位B后将配重机构和释放器投放入海，在重力牵引作用下沉入海底；第五步，浅海用大极距海底电场仪按照设定的时间和参数进行电场信号采集；第六步，测量结束后，仪器在海底原地等待；第七步，在海面向仪器舱发出声学释放信号，仪器舱将与底座分离并上浮至海面，底座留在海底；第八步，回收仪器舱后断开与之连接的水下电缆，并向配重机构上的释放器发出声学释放信号；第九步，船只航行至测量点位B回收配重机构及水下电缆；第十步，对存储在仪器内部的数据进行提取，并处理分析。以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种浅海用大极距海底电场仪，包括脱钩机构、仪器舱、底座、水下电缆、两个测量电极、释放器和配重机构；其中仪器舱内部固装有玻璃舱球，脱钩机构位于仪器舱顶端，底座位于仪器舱底端；在脱钩机构与底座之间以拉紧钢丝固接，将仪器舱固定于底座中，仪器舱中部安装有一个环状的安全圈；第一个测量电极固定安装在安全圈上，第二个测量电极安装在配重机构上，测量电极通过水下电缆与玻璃舱球内部的数据采集器连接，测量电极的测量极距达到500m ;释放器固定连接在配重机构上；其中， 脱钩机构(I)，用于仪器舱(2)回收时与底座(6)分离； 仪器舱(2)，用于为脱钩机构(I)提供固定支点，同时为玻璃舱球(16)提供防护； 安全圈(3)，用于仪器舱结构保护，为外径55cm、内径45cm、厚O. 6cm的塑料环； 拉紧钢丝(4)，用于固定脱钩机构与底座，材质为316(不锈钢型号)不锈钢； 锁紧镙栓(5)，用于紧固拉紧钢丝与底座，材质为316不锈钢； 底座(6)，用于提供仪器舱(2)的重力牵引和保护，采用玻璃钢材料； 测量电极(7)，用于待测浅海区域的电场信号测量； 水下电缆(8)，用于连接两个测量电极与玻璃舱球内部的数据采集器，并传导电场信号; 释放器(9)，用于配重机构(10)的浮力性质改变和回收； 配重机构(10)，用于将第二个测量电极(7)牵引下沉至海底； 连接缆绳(11)，用于释放器(9)与配重机构(10)的连接； 固定环(12)，用于将缆绳固定在配重机构(10)上； 环形卡扣(13)，用于将测量电极(7)固定； 卡线器(14)，用于水下电缆⑶与测量电极(7)连接处的拉力缓冲，防止应力直接作用在测量电极的水密接头(32)上。
2.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪，其中，玻璃舱球顶端固装有水声传感器。
3.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪，其中，玻璃舱球内部装有固定支架，数据采集器和供电装置固定安装在固定支架上。
4.依据权利要求3所述的浅海用大极距海底电场仪，其中，所述固定支架为双环状结构；所述测量电极为固态银-氯化银电极，共2支构成电极对，外部用多孔塑料封装；第一个测量电极固装于仪器舱，通过水下电缆连接到玻璃舱球；第二个测量电极固装在配重机构上，通过水下电缆连接到玻璃舱球。
5.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪，其中，所述玻璃舱球为13英寸的耐压空心玻璃球。
6.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪，其中，在所述底座的井字形上表面中部固设一圆盘，圆盘的直径与仪器舱底部外圆相适配；底座下部均匀分布有多个锁紧螺栓，每个锁紧螺栓与每根拉紧钢丝下端可拆卸的固接，通过耐腐蚀拉紧钢丝与脱钩机构紧密相连。
7.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪，其中，所述两个测量电极(7)为固态银-氯化银电极，第一个测量电极固装在仪器舱2上，第二个测量电极固装在配重机构(10)上，通过水下电缆(8)连接到数字采集部件，根据实际需要，测量电极间距可为100_500mo
8.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪，其特征在于，利用水对玻璃舱球(16)的浮力回收所述测量仪器舱(2)，所述配重机构(10)通过声学释放器(9)回收。
9.依据权利要求I所述的浅海用大极距海底电场仪进行海底电场探测的方法，包括步骤 (1)运载船只通过GPS导航航行至设定测量点位A，进行GPS对钟，将从卫星上获取的标准时间信号传输给浅海用大极距海底电场仪，然后设定采集时间和参数； (2)将仪器舱和底座投放入海，入水后仪器舱受底座重力牵引，自由下沉至海底； (3)运载船只按照向设定方位向测量点位B航行，行程中不断将水下电缆投放入海水中； (4)运载船只到达设测量点位B后将配重机构和释放器投放入海； (5)浅海用大极距海底电场仪按照设定的时间和参数进行浅海电场信号采集； (6)测量结束后，浅海用大极距海底电场仪在海底原地等待； (7)在海面向仪器舱发出声学释放信号，仪器舱将与底座分离并上浮至海面； (8)回收仪器舱后断开与之连接的水下电缆，并向配重机构上的释放器发出声学释放信号; (9)运载船只航行至测量点位B回收配重机构及水下电缆； (10)对存储在浅海用大极距海底电场仪仪器内部的数据进行提取，并处理分析。
全文摘要
本发明公开了一种浅海用大极距海底电场仪，包括脱钩机构、仪器舱、底座、两个测量电极、释放器和配重机构。仪器舱内部装有数据采集器和供电装置，两个测量电极分别固定在仪器舱和配重机构上，通过水下电缆连接至数据采集器，测量电极的测量极距能达到500m。本发明技术方案在同等噪音水平下采用大极距可以将有效信号增强数十倍，提高了探测灵敏度，可用于浅海(水深＜200m)海底电场观测。
文档编号G01V3/08GK102879829SQ201210361538
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者黄松, 徐亚, 郝天珧, 游庆瑜, 赵春蕾 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所