深海地磁仪在海上深孔地磁场观测中的应用

深海地磁仪在海上深孔地磁场观测中的应用

海底磁日变观测该设备的开发任务来自国家研究发展计划（国家863计划）项目的主题“海拔高度影响下全向性磁日变数据的采集和控制研究”。该仪器主要用于远海区海洋油气田和地质结构勘查方法之一的磁测工程,将该仪器放置在4000~6000m深的海底进行数个月的定点磁日变观测,记录到的磁日变数据可作为该区域流动磁测的通化基准。由于在深海中定点观测地磁场强度,因此要求仪器探头必须为全向性(无需定向)、整机电路的低功耗(延长一次观测的时间)和测量过程的智能化(自动适应不同场区的磁场和磁场突变事件等)。目前此类观测基本都采用进口的光泵型磁力仪,该类型仪器比较昂贵(一套价格在上百万人民币),而且仪器功耗也比较大(一次连续测量最长在15~20d),维护维修非常不便。该仪器的研制成功解决了上述问题,实现了廉价的高精度高质量地磁场观测,并具有很好的移植推广应用前景。1浮球气象机器该仪器的观测结构如图1所示,其放置和回收过程:重物拖着仪器串沉入海底,仪器按设置的时间启动测量,此次测量任务完成后作业船返回到放置仪器的区域,发射回收的声纳信号,声学释放器收到此信号后将重物与其连接的钩释放,则最上面的浮球将仪器串拉至海面,工作人员将仪器捞上船并通过无线串口将测量数据导入电脑中处理。仪器主要特点和技术指标:(1)传感器为全向性,无需固定其方向;(2)极化电压低,只需7V即可实现大电流(1.5A)的极化;(3)传感器输出高信噪比的旋进信号;(4)信号处理电路抗干扰能力强;(5)高分辨率(0.01nT),高精度(0.2nT);(6)测量智能化程度高(自动扫描跟踪调谐);(7)大容量数据存储(可存13万组数据);(8)低功耗(小于0.5W,内置7.2V65Ah锂电池可连续读测20万组数)。2提高了电路的分辨率和精度(1)采用三轴线圈组合,解决其方向性问题(图2);(2)选用高导电率线材绕制线圈,以降低其阻抗;(3)采用两个半圆线圈组成一组线圈,以最大限度增大线圈包围面积,提高旋进信号的信噪比(图2);(4)信号电路自动识别旋进信号强度,以自动接收输出最强的线圈信号;(5)信号处理采用自动配谐电路、场效应差分输入、增益和中心频率自动调谐等电路,大大提高了电路的抗干扰能力和自动智能化程度;(6)采用高速器件测周法、信号数据等级实时评估处理法以及器件温度系数自动校正法,大大提高了质子磁力仪的观测分辨率(0.01nT)和精度(0.2nT);(1)高速器件测周法(图3)该方法主要提高其测量电路的分辨率,设磁场强度为45000nT,则该电路的最高分辨率为:±1/N×45000=±0.0056nT,N=23487.2/45000×511×30000=8001306(2)信号数据等级实时评估处理法(图4)该方法主要是提高读数的抗干扰能力,通过对信号等级的实时评估计算和取舍来获取高质量的测量数据。(3)器件温度系数自动校正法(图5)该方法主要解决仪器存在的温度系数问题,通过对电路温度进行实时测量,再根据事先的标定结果,可自动校正并消除温度变化对测量结果的影响采取了上述三个方法,使该质子磁力仪的分辨率和精度比同类磁力仪提高了一个量级(图6)。(7)采用旋进信号自动扫描识别的方法,实现了观测点信号配谐的精确自动跟踪;(8)整机电路采用低功耗器件以及测量供电唤醒设计,大大降低了仪器的功耗,为仪器长期稳定运行提供了保证。3仪器的基本情况(1)与广州地磁台(肇庆地震台)didD仪的对比观测(图8)广州地磁台的didD观测采用的是加拿大GEM公司生产的OVERHAUSER高精度定点磁力仪,其观测分辨率为0.01nT,观测精度为0.1nT。从对比观测结果看,两套仪器所记录的磁场总强变化为一致的,为了便于对比我们将新仪器记录的绝对值下调了2nT。由于didD仪是连续读数平均后5s产生一个数,而新仪器为间隔10s读一个数,因此,新仪器的数据曲线没有didD仪的光滑。(2)仪器在2000m海底的试验(图9)为了试验该仪器封装在深海海底是否能抗高压不发生渗漏以及温度变化后能否正常运行,先后二次将仪器放入海底进行试验,第一次由于定时启动设置发生错误没有记录到数据,但封装无出现渗漏现象。第二次由于探头舱与仪器舱的连接线在下海底的过程中脱落造成记录不到真正的磁场信号数据,但电路的温度变化过程实时的记录了下来。第三次海试预计在2010年初进行。(3)相关技术申报专利该仪器研制成功后,我们就相关的关键技术和方法申请了国家专利,其中:《全向性深海质子旋进磁传感器》已获国家实用新型专利授权,专利号200820178101.8;《一种提高质子磁力仪测量精度的方法及其电路》已获国家发明专利申请受理,申请号200910119216.9,由于发明专利的审核期为2~3年,预计2010年底可正式授权。4仪器的测量施工优势该仪器的研制成功不仅解决了远海区磁日变观测的难题,同时意味着其他同类观测可实现低成本的高精度磁观测。如:高精度流动地磁测量、场地磁场及其梯度测量、定点磁场的连续观测等。由于其特殊的优越性能,才有可能应用于深孔地磁场的观测,而深孔地磁场观测具有以下四大优势:(1)选点环境条件大大放宽。由于观测点在地下150m以下,因此地表的磁性物质和空间干扰电磁场都影响不到它的观测,这就不需要严格勘选观测场地。目前想要在地面选择一个磁场环境比较好的场址是非常困难的。(2)土建及仪器成本大大降低。基于上述同样的原因,我们不需要专门征地,也不需要建设专用的无磁观测仪器房,同时也不需要进口价格昂贵的仪器。(3)测量系统抗干扰能力大大提高。由于测量仪器电路都在深孔内,传到地面的已是数字信号,因此地面的电磁干扰尤