深海磁日變觀測系統(tǒng)研究

陸敬安，柴劍勇，徐行，嚴(yán)興，黃暉，于彥江，黎珠博

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；2.廣東省地震局，廣東 廣州 510075）

深海磁日變觀測系統(tǒng)研究

陸敬安1，柴劍勇2，徐行1，嚴(yán)興2，黃暉2，于彥江1，黎珠博2

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；2.廣東省地震局，廣東 廣州 510075）

深海磁日變觀測具有探頭姿態(tài)難以控制、耐壓要求高及記錄時(shí)間長的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)全向性質(zhì)子探頭較好地解決了因探頭方向與地磁場方向的夾角較小而引起的旋進(jìn)信號弱問題，同時(shí)借助于耐高壓的玻璃倉作為封裝載體實(shí)現(xiàn)了深水觀測目標(biāo)；采用信號等級分類算法抑制干擾和評價(jià)信號質(zhì)量，提高了系統(tǒng)測量的精度，通過實(shí)時(shí)檢測電路溫度及預(yù)先溫度標(biāo)定參數(shù)實(shí)施溫度影響校正。研究的深海型日變觀測系統(tǒng)具有低壓供電、分鐘測量記錄時(shí)間40天以上，工作水深達(dá)6 000 m、分辨率0.01 nT以及精度0.2 nT，比測接近歐沃豪斯型磁力儀測量效果，實(shí)現(xiàn)了相對廉價(jià)磁力儀的高精度磁場觀測。

磁日變；深海；觀測系統(tǒng)；性能分析；技術(shù)設(shè)計(jì)

Abstracts :To make the deep sea diurnal variation observation needs to overcome the trouble of probe orientation,high pressure and long working time.The full orientation of the proton probe designed in this paper well resolve the weak signal due to the probable small angle between the probe and earth magnetic field.And by using of high pressure affordable glass cabin for holding the probe,successfully the aim of deep sea observation is obtained.Signal classification effectively constrains the noise and improves the recording accuracy of the system.The temperature correction is realized with real time temperature measuring calibrated by pre-temperature parameters.The deep sea diurnal variation observation system presented by this paper features with low voltage powered,can last more than 40 days by minutes recording and its affording depth is 6,000 m with resolution 0.01 nT,accuracy 0.2 nT.Its recording effects are much close to the Overhauser magnetometer.Thus relatively high accuracy magnetic observation is achieved by lower price instruments.

Keywords:magnetic diurnal variation,deep sea; observation system; performance analysis; technique design

地磁日變觀測是磁力勘探的重要工作，對于準(zhǔn)確確定因地質(zhì)構(gòu)造或磁性體引起的異常十分關(guān)鍵。陸地日變觀測一般可通過定點(diǎn)磁力測量來獲得，對于距離海岸300 km以內(nèi)的近海磁力日變校正可以就近使用陸地的磁日變觀測站數(shù)據(jù)，也可以向海底投放淺海型的海底日變觀測儀來解決。隨著海洋磁力測量向深海區(qū)擴(kuò)展，有必要研究適用于深海工區(qū)的日變觀測站。作為先期調(diào)查手段之一的磁力勘探面臨日變校正的難題，該問題的良好解決有利于正確發(fā)現(xiàn)和識別地質(zhì)異常體。適用于深海磁日變觀測的系統(tǒng)需具有耐高壓、觀測時(shí)間長、耗電低及探頭具有全向性的特點(diǎn)[1]，目前用于海洋日變觀測的主要是由加拿大海洋磁力儀公司生產(chǎn)的“哨兵”日變站，該系統(tǒng)為歐沃豪斯型的磁力儀，其探頭一般有兩個(gè)互相垂直且垂直地磁場的線圈，繞裝于有特殊工作物質(zhì)的有機(jī)玻璃容器外面，該儀器可用一個(gè)很小的探頭即可得到很強(qiáng)的旋進(jìn)信號及很高的靈敏度[2,3]。研究表明，通過采用高度集成元器件和改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法，即使采用常規(guī)質(zhì)子探頭也同樣可以達(dá)到降低功耗和提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的效果。

1 探頭設(shè)計(jì)

通常用于陸地觀測的磁力儀探頭由兩個(gè)串聯(lián)線圈構(gòu)成[4]，其方向易于控制。處于海水中的磁力儀具有特殊的工作環(huán)境，尤其是探頭容易受海流的影響而處于方向未知狀態(tài)。深海磁日變觀測儀應(yīng)考慮其投放海底后探頭空間姿態(tài)無法控制的問題，當(dāng)線圈方向與地磁場夾角較小的情況下質(zhì)子旋進(jìn)的信號也減弱，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)記錄的效果。為此設(shè)計(jì)了三組軸向互呈120度夾角的全向性線圈（見圖1），保證其在海底時(shí)無論處于哪個(gè)方向總有一組線圈能夠與地磁場保持最大夾角，從而使旋進(jìn)的信號為最大幅值。探頭和電路分別密封于分離的耐高壓玻璃球中[5]，工作時(shí)玻璃球被抽成20%的真空以保證球的密封性，該球可承受60 Mpa高壓，因此本系統(tǒng)的作業(yè)水深達(dá)6 000 m，如圖2所示。

圖1 全向性線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Construction of the full orientation coils group

圖2 探頭倉外觀形態(tài)Fig.2 Appearance of the probe cabin

2 電路測量原理

質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的核心部分為高精度的測頻計(jì)，只要能夠準(zhǔn)確測量出質(zhì)子旋進(jìn)頻率 f，即可由下式求出地磁場的值：

式中，T為地磁場值，單位為納特（nT），f為質(zhì)子旋進(jìn)的頻率，單位為赫茲（Hz）。

本系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。電路主要包括探頭、信號調(diào)諧、選頻放大、整形和記錄幾部分，控制芯片采用編程靈活的PIC16F877中央處理單元，從而減少電子元器件的使用以達(dá)到降低功耗的目的。同時(shí)，考慮到海上作業(yè)的方便性及海水溫度變化范圍大的特點(diǎn)，還在電路中增加無線射頻參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)接收和溫度系數(shù)校正功能。

2.1 高速器件測周及理論分辨率

電路采用測周法來精確獲得信號的頻率，用待測信號的511個(gè)周期作為30 MHz標(biāo)準(zhǔn)脈沖的計(jì)數(shù)閘門時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)用24位高速(100MHz)計(jì)數(shù)器記錄下標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)N，則可算得待測信號的周期 t =N/（511×30 000） ms，磁場總強(qiáng) T=1/t×23 487.4 nT。

假設(shè)被測磁場強(qiáng)度為45 000 nT，測量計(jì)數(shù)N =23 487.2/45 000×511×30 000 =8 001 306，由于計(jì)數(shù)器分辨率為±1，則此電路磁場測量的最高分辨率為±1/N×45 000 =±0.005 6 nT。

2.2 信號等級評估及實(shí)時(shí)處理

實(shí)際測量過程中，由于被測磁場夾雜了相近頻段的干擾，直接影響了磁場觀測的精度，根據(jù)被測磁場與干擾在時(shí)域特性上的差異和旋進(jìn)信號的衰減特性，研究了一種有效抑制干擾的數(shù)據(jù)采集處理方法。即在每次極化磁場撤消后在旋進(jìn)信號的衰減過程中讀取五個(gè)計(jì)數(shù)值N1、N2、N3、N4、N5，然后自動計(jì)算這五個(gè)數(shù)的離散性即均方差σ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，確定出信號等級計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式以及數(shù)據(jù)處理規(guī)則，信號等級計(jì)算公式為：

由（2）式可定出0-15的信號等級，并據(jù)此將其按如下三種情況處理：

信號等級同步被記錄下來，作為產(chǎn)出數(shù)據(jù)日后進(jìn)一步處理的重要依據(jù)。

圖3 深海日變觀測系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Circuit structure of deep sea magnetic diurnal variation observation system

2.3 電路溫度影響校正

本電路系統(tǒng)采用了30 MHz的晶振，作為頻率測量的標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器，它的溫度穩(wěn)定性對于頻率測量的精確度至關(guān)重要。由于存在溫度系數(shù)(0.1 ppm/℃左右)偏移，即晶振溫度變化2.5℃，可引起磁場測量值0.01 nT的偏差。因此，要提高測量精度必須解決這一問題，另外，電路其他器件也存在一定的溫度系數(shù)影響。目前絕大多數(shù)同類儀器都采用溫補(bǔ)晶振的方法[6][7]，這種方法存在諸如所需溫補(bǔ)晶振匹配選擇困難、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍窄、電路靜態(tài)功耗增大、不能解決其他器件的溫度影響等缺陷。為了有效解決這些問題，該系統(tǒng)采用高靈敏的溫度集成傳感器件（AD590）和 12位的 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器（PIC16C877自帶）對電路的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，根據(jù)事先對整個(gè)電路溫度系數(shù)的實(shí)測標(biāo)定參數(shù)，在測量程序中直接將其校正。

3 比測效果分析

系統(tǒng)經(jīng)過淺海試驗(yàn)和多次陸地比測，各項(xiàng)測量和控制參數(shù)已調(diào)整到理想狀態(tài)。圖4為本系統(tǒng)在廣東省肇慶國家地磁臺的試驗(yàn)比測曲線，顯示的記錄時(shí)間為5 400 min（90 h）。

圖4 本系統(tǒng)與某Overhauser型磁力儀陸地測量對比曲線（實(shí)線為本文研制的儀器記錄曲線，虛線為某歐沃豪斯型磁力儀記錄曲線）Fig.4 Data comparison recorded by the discussed set and the instrument with Overhauser probe(Solid curve was recorded by the new developed station,the dash curve by an Overhauser magnetometer)

從圖中可以看出，本文研究的儀器除整體數(shù)值略高出某歐沃豪斯型儀器記錄值外（小于5 nT），二者變化的細(xì)節(jié)完全一致，很好地反映了地磁場變化的特征。它們之間的絕對差值可通過常數(shù)加以適當(dāng)校正。圖中歐沃豪斯型儀器的分辨率為0.01 nT，精度為0.1 nT，表明本系統(tǒng)也已具有良好的磁場觀測性能。

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The study on the deep sea magnetic diurnal variation system

LU Jing-an1,CHAI Jian-yong2,XU Xing1,YAN Xing2,HUANG Hui2,YU Yan-jiang1,LI Zhu-bo2
(1.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760,China;2.Earthquake Bureau of Guangdong Province,Guangzhou 510075,China)

P738.3; P631.2+3

A

1001-6932(2010)04-0392-04

2009-05-19；

2009-12-08

“十一五”863課題資助（2006AA09Z345）

陸敬安（1970－），男，博士，主要從事海洋地球物理資料解釋工作。電子郵箱：lujingan2002@yahoo.com.cn