一種海洋坐底式水平正交發射系統及其使用方法
【專利說明】
所屬技術領域
[0001]本發明屬于地球物理勘探領域，涉及一種利用電磁學原理探測海底礦產資源的地球物理勘探設備，即一種海洋坐底式水平正交發射系統及其使用方法。
【背景技術】
[0002]海底以下蘊藏著豐富的礦產資源，尤以石油、天然氣、天然氣水合物等最具經濟價值。探測與開發海底礦產資源，對發展海洋經濟，建設海洋強國具有重要意義。
[0003]電磁學方法是當前探測海底礦產資源的一種重要手段，其基本原理是利用所探礦物與海底沉積物的電學性質差異。當包含礦產資源的地層受到外界電磁波激發時，將產生綜合的電磁感應，感應信號中攜帶著地下資源分布的產狀、規模、埋深、電導率等物性信息。利用在海底投放的電磁接收機對此類信號進行探測，采用現代數字信號處理方法對探測到的感應信號進行反演與成像處理，就可推斷出地下礦產資源的分布規律，為圈定資源開采靶區提供科學依據。
[0004]電磁波激發場源分為可控源和被動源。可控源為人工場源，即以人工發射的電磁波激發被探測區域；被動源為天然激發場源，即電磁波能量來自電離層。總體來說，通過海洋可控源電磁探測方法可以獲得海底以下介質縱向及橫向的電阻率變化信息，并結合其他學科資料可對海底礦產資源的含量進行估計。本發明所涉及的發射系統就是人工激勵場源中的一種，即海洋坐底式水平正交發射系統。
[0005]設計和實現海洋可控源電磁探測儀器，主要面臨以下技術難點:
1、海洋坐底式發射系統的集成技術，涉及到電磁學、材料學、流體力學、電力電子學等多門學科，遠遠超出了地面電磁場激發所涉及的學科范圍，具有更為復雜的技術含量。
[0006]2、坐底式水平正交的人工源電磁場激發技術。電磁發射系統水下部分采用了兩對水平正交的發射電極(X方向和Y方向)，這種類型的電極可以從兩個正交的方向對海底以下的異常體進行激發，豐富感應電磁場的信息，然而，如何實現兩個方向的分時供電，這是一個需要解決的問題。由于有關在海底開展坐底式水平正交的人工源電磁場激發技術，國內至今未見報道，所以這是本發明的其中一個技術難點。
[0007]3、坐底式水平正交發射系統水下部分低壓主控單元軟硬件設計。海底工作的發射系統水下部分要求高穩定度和高智能化。坐底式水平正交發射系統水下部分低壓主控單元軟硬件是實現發射系統水下部分各項功能的核心控制單元，能夠實現各種預定的控制功能。主控單元通過深拖纜和甲板端監控軟硬件進行遠程通信，下載運行控制命令或上傳狀態信息。海底的發射系統水下部分需要記錄兩對發射電極的方位，并要求實現在水下按照指令要求進行供電方向的記錄和切換。而且為保證發射系統水下部分的安全，需利用海底攝像來觀察和選擇合適的著底地點，施放時應實時監測發射系統水下部分框架距離海底的高度，還要實時記錄發射系統水下部分的姿態方位的信息。這是陸上電磁探測未曾涉及而海洋環境下卻必須解決的特殊技術。
[0008]4、遠程數據通信和甲板端監控部分軟硬件的開發。發射系統水下部分框架一經投放入水后，只能通過甲板監控軟件界面對其進行監控。為實現利用萬米深拖纜進行長距離遠程通信，需研制與海底通信模塊相匹配的上位機光電信號轉換單元，開發基于高級可視化圖形編程工具的上位機軟件，實現對發射系統水下部分的監控和信息記錄，同時實現發射系統水下部分與甲板端的通信。
[0009]上述技術問題都是海洋可控源電磁探測所面臨的特殊問題，本發明正是圍繞這些問題展開研究。
【發明內容】
[0010]為了解決海洋可控源電磁探測面臨的技術難題，本發明提供一種海洋坐底式水平正交發射系統及其使用方法。通過本發明提供的海洋坐底式水平正交發射系統及其使用方法，可以實現海洋可控源電磁探測目標。
[0011]本發明提供一種海洋坐底式水平正交發射系統，其主要包括甲板端部分、深拖纜部分和水下部分。
[0012]海洋坐底式水平正交發射系統甲板端部分包括船載大功率發電機、升壓變壓器、升壓變壓器控制器、儀器控制室與光電滑環等。
[0013]船載大功率發電機與升壓變壓器以及升壓變壓器控制器相連，為整個發明裝置提供大功率電能支持。
[0014]升壓變壓器控制器與船載大功率發電機和升壓變壓器相連，包括交流接觸器、旋鈕開關、功率保險絲、電壓表、電流表、絕緣在線監測儀及風扇。其中，功率保險絲用于保護電路系統；電壓表和電流表用以測量升壓變壓器輸出的電壓和電流幅值；絕緣在線監測儀通過接地中性點對直流系統、單相和三相低壓系統的絕緣狀態進行在線連續監控；風扇用于甲板升壓變壓器機箱的內部散熱；升壓變壓器控制器利用交流接觸器和旋鈕開關選擇變壓器的三組抽頭，實現三種不同規格高壓電壓的輸出。
[0015]升壓變壓器與升壓變壓器控制器和光電滑環相連，利用大功率三相隔離變壓器將船載發電機產生的三相工業電380VAC升壓至高壓，然后通過光電滑環在深拖纜中進行長距離傳輸。升壓變壓器包含三組高壓抽頭，分別輸出2500VAC、2650VAC、2800VAC等三個高壓電壓。
[0016]儀器控制室是工作人員操控儀器的空間。在儀器控制室內，儀器操作人員可以利用甲板監控計算機1、甲板監控計算機2、多路串口光端機、視頻光端機、光纖1和光纖2等設備監控海洋坐底式水平正交發射系統水下部分的工作狀況；多路串口光端機和視頻光端機通過光電滑環與深拖纜相連。
[0017]海洋坐底式水平正交發射系統深拖纜部分為萬米鎧裝光電復合纜，包含3根光纖和3根電力纜。其中光纖通過光端機的光電轉換和串口接口，實現甲板端儀器控制室和發射系統水下部分內部通信模塊的遠程連接，其中的電力線用于電能的長距離低損耗傳輸。深拖纜上端通過光電滑環與升壓變壓器、光端機相連，下端通過承重頭與發射系統水下部分相連，能夠直接牽引海洋坐底式水平正交發射系統水下部分進行施放和回收，借助終端接線盒引出通信光纖和電力線，其具有一定的抗拉性能。
[0018]海洋坐底式水平正交發射系統水下部分包括承重頭、終端接線盒、降壓變壓器、海底承壓密封艙、儀器框架、鉛塊、攝像頭、照明燈、高度計、深度計、CTD傳感器、USBL超短基線定位信標以及水平正交發射電極等。其中，海底承壓密封艙內部主要包括以下部分:整流模塊、多路串口光端機、視頻光端機、視頻監控模塊、通訊模塊、雙通道隔離驅動模塊、雙通道發射逆變模塊、電壓和電流傳感器、溫度傳感器、輔助信息采集單元、坐底式發射機主控單元、電源管理模塊、散熱模塊、鋰電池包等。
[0019]承重頭將深拖纜與海洋坐底式水平正交發射系統水下部分相連，能夠直接牽引海洋坐底式水平正交發射系統水下部分進行施放和回收；
終端接線盒從深拖纜引出通信光纖和供電用電力線，引出的其中一根通信光纖與承壓密封艙內多路串口光端機相連，引出的另一根通信光纖與承壓密封艙內視頻光端機相連。引出的電力線通過降壓變壓器與海底承壓密封艙內整流模塊相連接。
[0020]降壓變壓器將深拖纜中傳輸的交流高壓變換至交流低壓，并通過專門的水密接插件接至海底承壓密封艙內部的整流模塊。降壓變壓器安裝于一個專門的密封艙內，內部充有絕緣導熱油，電力轉換過程中產生的熱量，可通過密封艙壁，借助海水散熱。
[0021]海底承壓密封艙內部安裝了海洋坐底式水平正交發射系統水下部分的控制部件，采集外部傳感器輸送的信號，將降壓變壓器輸出的大功率低壓交流電轉換為大功率直流逆變脈沖，并通過水平正交發射電極發送出去。
[0022]儀器框架是用耐海水腐蝕的特種鋼制作完成，包含板材、管材、彎管和角鋼等，用于承載海洋坐底式水平正交發射系統水下部分的部件，這些部件包括承重頭、終端接線盒、降壓變壓器、海底承壓密封艙、鉛塊、攝像頭、照明燈、高度計、深度計、CTD傳感器、USBL超短基線定位信標以及水平正交發射電極等。
[0023]鉛塊安裝于儀器框架中間底部，作為海洋坐底式水平正交發射系統水下部分的配重，有助于坐底式發射系統水下部分快速穩定下沉，減少儀器的晃動，增加穩定性。
[0024]攝像頭通過水密電纜和水密插座與海底承壓密封艙相連，利用承壓密封艙內視頻光端機接收攝像頭控制信號，并將水下環境以視頻信號的形式通過視頻光端機與光纖傳輸至水上控制端。
[0025]照明燈通過水密電纜和水密插座與海底承壓密封艙相連，其作用是為海底無光環境下的攝像提供光源；通過攝像頭與照明燈，實現海底攝像功能，用于觀察海底環境和選擇適合的著底地點。
[0026]高度計通過水密電纜和水密插座與海底承壓密封艙相連，安裝在框架中部底端，底端預留出20CmX20Cm的空間，利于聲波信號測距，利用聲學特性測量海洋坐底式水平正交發射系統水下部分距離海底的高度，其輸出的信號通過專門的水密電纜連接至承壓密封艙端蓋，進而連接至承壓密封艙內部的主控單元，再通過通信模塊傳送至甲板端監控部分。