質(zhì)子旋進(jìn)式海洋地磁日變站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李先鋒鄭彥鵬*華清峰劉 凱馬 龍張林清

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.自然資源部 海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061)

質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀作為應(yīng)用較為普遍的地磁測量儀器,已被廣泛用于資源勘查、工程勘察和地磁日變觀測等領(lǐng)域[1-2]。海洋地磁日變作為海洋地磁測量中最主要的誤差源之一,地磁日變測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量對于提高海洋地磁測量數(shù)據(jù)的精度至關(guān)重要[3-5]。根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范有關(guān)海洋地磁測量的要求,地磁日變站的有效控制范圍＜300 km[6-7],對于深遠(yuǎn)海地區(qū),由于遠(yuǎn)離大陸,海洋地磁測量期間只能就近布設(shè)海洋地磁日變站以獲得有效的地磁日變觀測值。

目前,全球僅加拿大Marine Magnetics公司實(shí)現(xiàn)了海洋地磁日變站的商業(yè)化,在遠(yuǎn)海地磁調(diào)查中國內(nèi)普遍使用該公司的Sentinel地磁日變站,但該儀器自身不具備自動回收功能,需采用潛標(biāo)的作業(yè)方式：將Sentinel地磁日變站固定在凱夫拉繩上,其上連接浮球,其下連接聲學(xué)釋放器和承重塊,整套系統(tǒng)投放到海底,在回收時使用聲學(xué)釋放器拋掉承重塊,利用浮球的浮力將儀器浮到海面進(jìn)行回收。而投放潛標(biāo)需要的部件較多,操作復(fù)雜,一旦某些操作細(xì)節(jié)被忽略會造成設(shè)備損壞、回收失敗甚至設(shè)備丟失,導(dǎo)致地磁日變數(shù)據(jù)的缺失,進(jìn)而影響海洋地磁測量的數(shù)據(jù)精度[8]。另外,Sentinel地磁日變站還存在電池容量有限、無狀態(tài)監(jiān)測信息等問題,在海上使用過程中,極易出現(xiàn)突然中斷工作的情況且事后無法獲知具體的故障原因。因此,亟需設(shè)計(jì)一套便攜式海洋地磁日變站以簡化海上作業(yè)方式,并能滿足海上地磁日變測量的精度要求。

前人研究表明,采用高集成度的電子器件和數(shù)據(jù)算法可以提高地磁測量的數(shù)據(jù)精度[9-10],本文基于質(zhì)子旋進(jìn)式地磁測量工作原理,采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,將地磁測量、聲學(xué)釋放器、耐壓艙、浮球和承重塊等集成為一體,設(shè)計(jì)并研制了一套新型海洋地磁日變站。其具有小巧便攜,海上操作、投放和回收簡單的優(yōu)點(diǎn),并且測量精度能滿足海洋地磁測量的精度要求。

1 質(zhì)子旋進(jìn)式地磁測量工作原理

質(zhì)子旋進(jìn)式地磁測量的工作原理是利用靜態(tài)激發(fā)質(zhì)子在地磁場內(nèi)的拉莫爾進(jìn)動效應(yīng)測量地磁場[11]。質(zhì)子旋進(jìn)式地磁傳感器由無磁性的保護(hù)外殼、富含氫的液體(酒精、煤油等)和置于其中的線圈組成[12],當(dāng)?shù)卮艂鞲衅魑词艿酵饨绱艌鲎饔脮r,液體的質(zhì)子磁矩指向無規(guī)則性,不表現(xiàn)宏觀磁矩。當(dāng)受到外界垂直于地磁場T方向的磁場H0時,液體的質(zhì)子磁矩將按外界磁場H0方向排列(圖1a),這被稱為極化過程[13-16]。當(dāng)切斷外界磁場H0,則地磁場對質(zhì)子有μp×T的力矩作用,試圖將質(zhì)子拉回到地磁場方向。質(zhì)子在自旋和地磁場H對其力矩作用下,質(zhì)子磁矩μp將繞著地磁場T的方向做旋進(jìn)運(yùn)動(圖1b),稱為拉莫爾旋進(jìn)[13-16]。

圖1 質(zhì)子旋進(jìn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of proton precession

理論研究表明,質(zhì)子旋進(jìn)的角速度ω與地磁場H的關(guān)系：

式中：γp為質(zhì)子磁旋比[10],γp=2.675 12×108H-1·s-1。

又因ω=2πf,則有：

式中：H的單位為n T。該式表明,只要準(zhǔn)確測量拉莫爾旋進(jìn)信號的頻率f,乘以常數(shù),就能得到地磁場的值[10]。

由于地磁場很微弱,并且被測的拉莫爾旋進(jìn)信號的幅度具有衰減性,為測得旋進(jìn)信號的頻率f,通常采用預(yù)極化方法來建立質(zhì)子宏觀磁矩,以增強(qiáng)信號的幅度。具體做法：1)用圓柱形的無磁性容器裝滿富含氫的液體(酒精、煤油等),在容器的周圍繞上極化線圈和測量線圈(或共用一個線圈),使線圈軸向垂直于地磁場H方向；2)給線圈通電流,使其內(nèi)產(chǎn)生沿線圈方向n×104A/m的極化磁場H0,其方向沿線圈方向,在極化磁場作用下,容器內(nèi)液體中質(zhì)子磁矩沿極化磁場方向排列,形成宏觀磁矩；3)切斷電流,質(zhì)子磁矩以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞地磁場旋進(jìn)并切割線圈,使線圈環(huán)繞面積中的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；4)通過測量感應(yīng)電壓的頻率,即可測出地磁場H的值[13-16]。

2 儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制

本文設(shè)計(jì)與研制的海洋地磁日變站主要由耐壓艙、主控制系統(tǒng)、地磁傳感器及測量單元、聲學(xué)釋放系統(tǒng)(含換能器、聲學(xué)應(yīng)答和執(zhí)行電路、釋放裝置)、電池組、承重塊等組成。除聲學(xué)換能器和釋放裝置外,儀器的所有電路部分均放置于直徑17 in、耐壓6 000 m水深的玻璃浮球中,玻璃浮球作為儀器的耐壓艙,同時為儀器回收提供浮力；將地磁傳感器單獨(dú)放置于用鈦合金加工的耐壓艙中,并用鈦合金桿將其固定在玻璃浮球保護(hù)外殼上以減少儀器電池及電路部分對地磁傳感器的干擾。聲學(xué)換能器固定在浮球保護(hù)外殼的正上方、傳感器的下方,減小聲信號接收盲區(qū)；釋放裝置固定在浮球保護(hù)殼的正下方與承重塊連接。儀器內(nèi)部與外部(如聲學(xué)換能器、釋放裝置)的連接、充電、數(shù)據(jù)下載等均通過水密接插件和水密線連接。儀器的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵組成部分見圖2。

圖2 海洋地磁日變站結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of marine geomagnetic base station

圖3 主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of main control system

2.1 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)為儀器的核心,采用低功耗、高性能的32位微處理器,具有豐富的外設(shè)和數(shù)據(jù)處理能力,能夠方便地實(shí)現(xiàn)外圍器件的控制和功能擴(kuò)展。由圖3可知,主控制系統(tǒng)的功能包括：1)地磁場測量,控制極化電路極化地磁傳感器產(chǎn)生拉莫爾旋進(jìn)信號,測量并獲取地磁場值；2)數(shù)據(jù)傳輸及存儲,儀器工作前,通過無線傳輸獲取工作參數(shù)并返回儀器狀態(tài)信息,使用內(nèi)置GPS模塊校準(zhǔn)儀器時間；儀器工作中,將地磁場數(shù)據(jù)存儲在低功耗的非易失性存儲器中；工作結(jié)束后,通過USB將數(shù)據(jù)傳輸給外部；3)狀態(tài)監(jiān)測,儀器在工作時,定時對玻璃耐壓艙的氣壓、溫度、電池電壓、聲學(xué)釋放執(zhí)行單元狀態(tài)等進(jìn)行檢測,用來監(jiān)測儀器密封性、電池電量和釋放狀態(tài)等并寫入日志文件；4)電源管理,為了提高儀器的可靠性,儀器使用3組電池：聲學(xué)釋放系統(tǒng)使用單獨(dú)的電池組以保證儀器回收的成功率；儀器正常工作時,使用主控制系統(tǒng)、地磁測量單元電池組；當(dāng)主控制系統(tǒng)檢測到此電池的電壓低于設(shè)定值時,關(guān)閉地磁測量單元并使用備用電池以保證主控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行；5)儀器定時釋放,為了提高儀器的可靠性,設(shè)計(jì)了定時釋放功能。儀器在下水前設(shè)置定時釋放時間,當(dāng)定時釋放時間到達(dá)時,主控制系統(tǒng)將發(fā)送釋放信號給釋放執(zhí)行電路實(shí)現(xiàn)儀器的自動回收。并且儀器在釋放時,釋放執(zhí)行電路產(chǎn)生脈沖信號并發(fā)送給主控制系統(tǒng),主控制系統(tǒng)打開GPS、無線傳輸模塊和信號燈。無線傳輸模塊將儀器到達(dá)海面時的GPS位置發(fā)送給船上接收端進(jìn)行儀器定位,信號燈便于夜間尋找。其中,無線傳輸采用低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)的Lora通訊技術(shù),最大傳輸距離10 km,可以滿足海上搜尋要求。

2.2 地磁測量單元

地磁測量單元主要由地磁傳感器、極化電路、配諧電路、前置放大、信號調(diào)理電路和頻率計(jì)組成(圖4)。主控制系統(tǒng)控制地磁測量單元的極化電路為地磁傳感器提供約0.85 A的短時間極化直流脈沖電流；通過采用快速開關(guān),能在一個周期的拉莫爾旋進(jìn)信號中快速地關(guān)斷電流而不影響信號的測量。地磁傳感器產(chǎn)生的拉莫爾旋進(jìn)信號進(jìn)入配諧電路進(jìn)行選頻放大,經(jīng)過濾波、放大等信號調(diào)理后,依次進(jìn)入高精度頻率計(jì)和ADC,利用頻率計(jì)獲取高精度的地磁場值,利用ADC獲取拉莫爾旋進(jìn)信號進(jìn)行峰值檢測,使用快速跟蹤算法實(shí)現(xiàn)儀器測量量程內(nèi)的自動配諧[15]。

圖4 地磁測量單元結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic diagram of geomagnetic measurement unit

地磁傳感器通過極化產(chǎn)生的μV級拉莫爾旋進(jìn)信號經(jīng)過串聯(lián)諧振電路獲取信噪比較高的原始信號,通過前置放大將微弱信號放大到比較器的門限電壓,經(jīng)過窄帶濾波器濾除通頻帶的諧波干擾和減少毛刺,提高信噪比[16]。然后信號分為2路：一路信號進(jìn)入比較器轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波,再進(jìn)入頻率計(jì)測量頻率；另一路信號進(jìn)入高精度ADC進(jìn)行峰值檢測[14]。

頻率計(jì)是地磁測量單元的關(guān)鍵,本儀器采用多周期同步測量法提高測頻精度[17]。設(shè)輸入信號頻率為fx,時鐘基準(zhǔn)信號頻率為fs,2個計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B在同一閘門時間t分別對fs和fs進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B的值分別為Nx和,則輸入信號頻率fx和周期Tx分別為：

式中：t=1/fs。Nx無(±1)量化誤差,Ns有(±1)量化誤差,由于fs很高,所以Ns的量化誤差的相對值(±1/Ns)很小,且與被測頻率fx無關(guān)[18-19],因此,在整個測頻范圍內(nèi),能夠?qū)崿F(xiàn)等精度測量,選用集成有PLL模塊的高性能、高集成度的FPGA芯片對外部高頻率的晶振倍頻獲得更高的基準(zhǔn)頻率。

為了進(jìn)一步提高測量精度,在每個極化周期測量過程中,采用線性插值的過零數(shù)頻方法[20],充分利用FPGA并行處理能力,10個通道同步采集拉莫爾旋進(jìn)信號頻率和基準(zhǔn)時鐘頻率值取平均值。

2.3 聲學(xué)釋放系統(tǒng)

聲學(xué)釋放系統(tǒng)由聲學(xué)換能器、聲學(xué)應(yīng)答及釋放執(zhí)行電路、金屬熔斷絲和釋放裝置等組成。聲學(xué)應(yīng)答是儀器實(shí)現(xiàn)回收的關(guān)鍵部件[21],聲學(xué)應(yīng)答電路采用8位FSK數(shù)字編碼,如果輸入信號頻率1,則編碼解調(diào)電路輸出為低電平,如果輸入信號頻率2則為高電平,釋放執(zhí)行電路進(jìn)入工作,其原理如圖5。FSK編碼用以檢測信號中是否含有對應(yīng)的頻率信號,由于不需要計(jì)算全部DFT系數(shù),而只需要計(jì)算這2個頻率上的系數(shù),故采用Goertzel算法,該算法一次僅計(jì)算一個頻率點(diǎn)的傅里葉分量,可以實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算效率[22-23],Goertzel算法流程如圖6所示。

圖5 聲學(xué)應(yīng)答、執(zhí)行電路原理Fig.5 Schematic diagram of acoustic response and execution circuit

圖6 Goertzel算法流程Fig.6 Flow chart of Goertzel algorithm

釋放裝置包括耐腐蝕的圓形和方形尼龍塊、繞線柱、活動承重桿及正、負(fù)電極。其中,用螺釘將圓形尼龍塊固定在高強(qiáng)度塑料保護(hù)外殼的下部,方環(huán)形尼龍塊固定在圓形尼龍塊上,其中一面有2個接線柱用做正、負(fù)電極分別與金屬熔斷絲兩端連接。在活動承重桿上加掛無磁性承重塊,將金屬熔斷絲纏繞正、負(fù)電極和繞線柱,再在正極處壓緊,承重塊將和儀器固定在一起。

當(dāng)儀器收到船上甲板單元發(fā)送的釋放命令或儀器設(shè)置的自動回收時間到達(dá)時,聲學(xué)應(yīng)答單元將啟動釋放執(zhí)行電路給釋放裝置通電并打開信號燈,同時反饋給主控制系統(tǒng)同步打開GPS和Lora無線通訊模塊。金屬熔斷絲在海水的作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕,5～10 min后斷裂,活動承重桿脫落,儀器與承重塊分離,儀器在玻璃浮球浮力的作用下浮到海面,通過信號燈、無線傳輸模塊傳回的儀器GPS位置回收儀器。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 陸地對比測試

為了驗(yàn)證儀器地磁測量的性能,將本文研制的儀器與加拿大的Sentinel地磁日變站在青島某地進(jìn)行了室外對比測試。在測試前對測試區(qū)域進(jìn)行測量,選擇磁場干擾和梯度變化小的地點(diǎn)。為避免儀器間的相互干擾,2臺儀器相距5 m(圖7a),在工作前,對儀器進(jìn)行時間同步校準(zhǔn),每隔10 s測量一次數(shù)據(jù),記錄同一段時間內(nèi)的地磁場測量值并計(jì)算儀器的測量精度。測量精度ε計(jì)算式[24]為：

式中：Hi為磁力儀第i次測量值,為一組測量值的算術(shù)平均值,n為測量次數(shù)。

圖7 陸地對比測試Fig.7 Outdoor comparison test

由圖7可知,2臺儀器測得的地磁場數(shù)值曲線變化幾乎一致,變化趨勢大致相同。通過計(jì)算各自的平均值以消除2臺儀器安放點(diǎn)不同引起的磁場測量固定差值,然后分別做均方差處理。經(jīng)計(jì)算Sentinel地磁日變站的精度為0.193 n T,本文儀器精度為0.239 n T。另外選取兩組數(shù)據(jù),第1組為圖7b中橫軸為2 000附近的100個樣本點(diǎn),第2組為橫軸5 000附近100個樣本點(diǎn),經(jīng)計(jì)算Sentinel地磁日變站的精度為0.191 n T和0.195 n T,本儀器的精度分別為0.237 n T和0.242 n T,兩臺儀器均方差差值計(jì)算結(jié)果均為0.05 n T左右。證明本儀器測量精度良好,接近商業(yè)地磁日變站的測量精度。

另外,為了驗(yàn)證儀器聲學(xué)釋放系統(tǒng)的功能和可靠性,分別在室內(nèi)水槽和碼頭做了多次釋放試驗(yàn),均能成功通訊和釋放,證明聲學(xué)釋放系統(tǒng)工作正常,能保證儀器的順利回收。

3.2 海上試驗(yàn)

為了驗(yàn)證儀器的整體性能,于2018-01搭載“向陽紅01”船在南極某海域進(jìn)行了海上試驗(yàn),試驗(yàn)海域水深2 436 m,儀器每隔1 min測量一次。為防止儀器在投放過程中與Sentinel地磁日變站潛標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生碰撞,2臺儀器的投放點(diǎn)距離500 m。儀器于2018-01-06布放,2018-01-28成功回收,儀器回收后發(fā)現(xiàn)Sentinel地磁日變站測量的數(shù)據(jù)跳動超出正常變化范圍(＞1 000 n T)且無規(guī)律,該數(shù)據(jù)無法正常使用,本文儀器測量數(shù)據(jù)正常,數(shù)據(jù)結(jié)果見圖8。

圖8 海上實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 The experiment results at sea

由圖8a可知,本文儀器測量的地磁場數(shù)據(jù)連續(xù),無明顯跳點(diǎn)；抽取其中某一天的數(shù)據(jù),從圖8b可以看出,本文儀器測量的地磁場數(shù)據(jù)平緩,無明顯毛刺和跳點(diǎn),穩(wěn)定性較好。經(jīng)計(jì)算本文儀器的精度,整個試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)的精度為0.273 n T,圖8b某一天數(shù)據(jù)的精度為0.212 n T,經(jīng)分析是由于海上試驗(yàn)地點(diǎn)位于高緯度地區(qū),地磁日變化劇烈,測量的地磁場數(shù)值日均值變化大,導(dǎo)致長周期測量的精度較短周期測量的精度差。但本文儀器能較好地反映該地區(qū)地磁日變化特點(diǎn),且長期測量的精度滿足海上地磁測量的精度要求。但本文儀器能較好地反映該地區(qū)地磁日變化特點(diǎn),且長期測量的精度滿足海上地磁測量的精度要求。

4 結(jié) 語

基于質(zhì)子旋進(jìn)式地磁測量的工作原理,采用一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)并研制了一套質(zhì)子旋進(jìn)式海洋地磁日變站,實(shí)現(xiàn)了測量單元與聲學(xué)釋放系統(tǒng)獨(dú)立工作,保證了海上作業(yè)的便攜性和可靠性。通過與商業(yè)儀器的陸地對比測試和海上試驗(yàn),驗(yàn)證了儀器測量性能可以滿足設(shè)計(jì)要求,能有效提高海上作業(yè)效率、降低勞動強(qiáng)度。本研究工作可為海洋地磁日變站的進(jìn)一步發(fā)展提供參考,從而促進(jìn)我國關(guān)鍵儀器設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)程。