海洋磁力测量中地磁日变测量系统的优化

海洋磁力测量中地磁日变测量系统的优化

1观测仪器设备不足在海洋磁体的测量中，地磁日变是破坏因素之一。为了消除地磁日变，可以使用海洋磁体梯度仪进行海面磁体梯度测量，并通过共同模型限制消除地磁日变的影响。由于实施海洋磁力梯度测量的高复杂性、拖曳测量仪器的低安全性,以及通过磁力梯度数据进行地磁总场重建时存在误差累积效应等原因,我国较少开展海洋磁力梯度测量。目前消除地磁日变影响的普遍测量方式是在测区或者测区附近同纬度地区架设地磁日变观测站进行地磁日变同步观测。考虑测量仪器的通用性及测量数据质量的一致性,地磁日变观测和海洋磁力测量一般采用同样的磁力仪如:G880/G882型海洋磁力仪。地磁日变站应架设在远离人为干扰、地磁变化平缓的地方,而这些地方一般会比较偏僻、交通不便、供电可能不稳且站址还需根据海上测量需要而迁站。目前地磁日变观测所需相关仪器设备体积庞大、笨重,非常不利于携带。本文通过对现有地磁日变站观测系统进行深入分析,提出一套完整的便携化方案,旨在显著降低整个系统的功耗、体积、重量,实现系统的集成化、便携化,方便地磁日变站测量实施,满足机动测量要求。2海洋磁力测量仪器目前地磁日变观测系统选用海洋磁力测量的G880型或G882型海洋磁力仪,并搭配台式数据采集计算机、不间断电源、发电机等,见图1。系统中各个部件都属精密仪器,容易在运输过程中损坏,因此都必须配有专用的包装箱(常用木制)。根据外业测量经验,带包装箱后,磁力仪(含电缆)重量约为80kg,计算机重量约为50kg,能保证市电中断后继续供电2h以上的不间断电源的重量约为70kg,发电机重量约为30kg。地磁日变站磁力仪应架设在地磁场变化平缓的地方,探头附近的地磁变化应小于1nT/m,因此在日变站前期选址时就应携带仪器,进行实地测量,且可能需要变换多个位置。海洋磁力测量期间,地磁日变站必须能够连续、稳定地测量地磁日变数据。实际工作中,需要多带一套仪器备份,防止因仪器故障造成测量中断,则全部仪器重量约为400~500kg。仪器庞大、笨重,需要更多人员参与搬运和站点架设等,不仅增加测量成本,同时大大降低测量机动性。3磁线车站的日移动方便系统地磁日变站便携化方案,主要从功耗、体积、重量等三个方面进行剖析,建议对现有系统进行改装、替换等,使之满足机动测量要求。3.1海洋磁力测量材料G880/G882型磁力仪,是针对海洋磁力测量设计制造。仪器的核心部件是磁力仪探头、CM201/CM221计数器、深度计、高度计,这些部件体积小、重量轻。磁力仪拖鱼大部分材料是为了保护核心部件、适应复杂海洋拖曳测量环境需要设计的。G880/G882型磁力仪用于地磁日变测量,仅需要磁力仪探头和CM-201/CM221计数器,将其从磁力仪拖鱼体中取出,重新制作保护套,可以极大减轻重量、减小体积。海洋磁力测量是采用拖曳式,经常会发生拖带渔网、触底、碰撞等故障,造成尾翼断裂、导流罩破损、接口破裂等损坏;同时磁力仪鱼体本身长期在海水中也会发生自然老化、腐蚀等。鱼体损坏的磁力仪不能再用于海洋磁力测量,但只要磁力仪探头和计数器完好,依然可以用于地磁日变测量,节约仪器成本。3.2传输电缆的选择G880/G882磁力仪标配的Kevlar电缆主要有三方面作用:磁力仪供电、测量数据传输、承载拖曳拉力。这种电缆体积大、质量重、不易弯折,电缆中用以承载拖曳拉力的纤维拉丝占有Kevlar电缆主要的重量和体积。在地磁日变测量中并不需要电缆的拉力作用,因此可以选用其他的电缆替代这种Kevlar电缆,用以减小电缆所占空间、减轻重量,并且方便盘绕成适当的形状,便于存放、携带。地磁日变测量时,为减小干扰,探头与数据采集计算机之间应保持适当距离,根据经验一般在30m以上。G880/G882磁力仪通过RS-232接口与计算机相连接,G882标配Kevlar电缆是61m。由RS232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为15m,其实这个4%的码元畸变是很保守的。在实际应用中,绝大部分用户是按码元畸变10%~20%的范围工作的,根据经验,允许码元畸变为10%,采用非屏蔽双绞线,9600bps下最大传输距离可达75m,因此选用50m优质非屏蔽双绞线就可替代Kevlar电缆实现数据传输。当在特殊环境进行地磁日变测量,需要更长距离传输电缆时,也有两种方式解决,一是降低信号传输的波特率为4800bps或更低;二是在磁力仪数据传输端接RS232-RS485转接口,在数据采集计算机端接RS485-RS232转接口,中间采用RS485标准进行长距离数据传输,可达数千米。G880/G882磁力仪传感器的外接电缆是8芯,在地磁日变测量中只用到其中5芯,负责供电和数据传输(见表1),按照电缆针脚定义正确连接即可。3.3高效低负荷时不带rs-332接口台式计算机作为地磁日变测量的数据采集计算机,不仅笨重,而且耗电。台式主机功率一般约250W,显示器约100W,总功率保守估计也有300W,对UPS的输出功率、蓄电池容量等都是很高的要求,进而就需要携带更大功率的发电机配套。建议采用笔记本作为地磁日变测量数据采集计算机,其体积小、重量轻、低功耗。地磁日变测量对计算机性能没有过高的要求,因而可以选择一款满负荷功率在40W以下的集显办公用笔记本。地磁日变测量过程中,笔记本很少时间处于满负荷运行,实际功耗在25W左右。目前,笔记本上一般不带RS-232接口,主流有两种方案解决:①购买USB-RS232转接口,通过USB口虚拟RS232串口;②购买PC-RS232串口卡,实现原生串口。本文不推荐第一种解决方案,在RS232标准中逻辑“1”:-5~-15V,逻辑“0”:+5~+15V,噪声容限为2V,接口的信号电平值要求较高;而根据经验,主流USB-RS232转接口质量差异较大,信号电平绝大部分均小于6V,可能会与G880/G882磁力仪信号传输不兼容。PC-RS232原生串口的信号电平一般达9V,兼容性更好,但PC插槽有多种标准并存,且部分笔记本不带PC卡插槽,选配时必须注意。RS232接口电平值较高,容易损坏接口电路的芯片,所以实际测量中应当保证多个备用串口卡。串口插头针脚均有编号,一般只用其中3个针脚,分别是2为接收数据(RXD)端,3为发出数据(TXD)端,5为信号地线(SG),与磁力仪电缆对应连接即可。3.4利用dc-up实现放电压过特性地磁日变测量站址为避免各种干扰,一般选在远离市区,较偏僻的地方,因此市电供应经常不稳定,需要UPS保证测量工作持续、稳定运行。传统AC-UPS包括整流滤波器、蓄电池和逆变器。市电220V交流电压经过整流滤波器的整流、滤波、降压成平稳直流向蓄电池进行浮充电,蓄电池上的直流电压再经过逆变器逆变成220V工频交流电压向测量系统供电,计算机适配器和磁力仪适配器又将220V工频交流电压经过二次整流滤波降压变成低压直流(19VDC、30VDC),向计算机、磁力仪提供电能。UPS中的整流滤波器和计算机/磁力仪电源适配器的作用是相同的,这说明逆变器将蓄电池直流电压再逆变成220V工频交流是多余的。因此可以将UPS中的逆变器和电源适配器去掉,直接将蓄电池的直流电压通过DC/DC变换器,向计算机和磁力仪输出匹配的直流电压,即采用DC-UPS(见图2)。根据经验,UPS的逆变器和电源适配器都会有5%~25%的实际功率损耗(根据产品质量不同而不同),采用DC-UPS后,去掉了逆变器和电源适配器两个中间环节,会节约10%~30%的电能;又因为磁力仪功耗约15W,台式机+磁力仪的总体功耗约350W左右,笔记本+磁力仪的总体功耗约40W左右,则本方案将地磁日变测量系统的整体功耗至少降至原系统1/10以下。功耗的降低,对UPS蓄电池容量要求也会大大降低,UPS的重量、体积将显著降低;同时因为去掉了逆变器和电源适配器,简化了电路,也会减小整个系统的故障率;需携带的发电机功率要求也将大大降低。目前直流不间断电源(DC-UPS)虽然使用并不广泛,但是发展迅速,如在通信领域、消防领域等。它非常适合要求长期不间断工作的外业测量需要,如果选择采用锂电池作为储能设备的DC-UPS,则DC-UPS体积将缩小至14寸笔记本一半大小。4重量和重量变化通过将磁力仪拆解,对核心部件磁力仪探头、计数器进行重新封装,减小重量、体积;用双绞线制作新的通信电缆,替代标配的Kevlar电缆,使电缆的体积、重量大大减小,同时可弯折性更好;选择低功耗的笔记本电脑作为