MicrOBEM：小型海底電磁接收機(jī)

羅賢虎，鄧明，邱寧，孫珍，王猛，景建恩，陳凱

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 海洋技術(shù)方法研究所，廣東 廣州 510760; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083; 3.南海海洋研究所 中國科學(xué)院邊緣海與大洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；4.南海海洋研究所 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣東 廣州 511458)

0 引言

海底大地電磁測深(magnetotelluric，MT)即是把觀測儀器布置在海底，測量天然場源的電磁場，其以平面波向海洋及海底穿透并在海底以下介質(zhì)中感生出與地下電性結(jié)構(gòu)相關(guān)的大地電磁場，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)預(yù)處理得出測深曲線(視電阻率和阻抗相位的頻率響應(yīng))，進(jìn)而研究海底以下不同深度上介質(zhì)的導(dǎo)電性差異，根據(jù)不同地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造的電性差異推斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。MT是一種天然場源方法，具有設(shè)備相對簡便、施工簡單、不受高阻層屏蔽的影響、對深部流體等低阻層反映靈敏、探測深度大(可以達(dá)到下地殼和上地幔)的優(yōu)勢[1]。MT測深根據(jù)工作水深與探測深度不同，主要運(yùn)用的信號頻率范圍為10-5～100 Hz，現(xiàn)有的案例工作水深近6 000 m，探測深度近150 km以深[2]。因此在電磁法眾多的方法分支中，MT已成為海底深部結(jié)構(gòu)探測的首選方法，也是少數(shù)具備巖石圈深度探測能力的地球物理方法[3]。

鑒于海底MT方法的大探測深度，對高導(dǎo)電異常敏感，低海上作業(yè)成本等優(yōu)勢，在洋底擴(kuò)張脊[4]、俯沖帶[2,5]、海底地幔上升流[6]、油氣資源調(diào)查[7-8]等海洋底構(gòu)造地質(zhì)研究領(lǐng)域取得了顯著成效，已成為海洋地質(zhì)—地球物理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。海底電磁接收機(jī)(ocean bottom electromagnetic receiver，OBEM)用于海底MT信號觀測，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到方法技術(shù)的探測效果[9]。當(dāng)前國外同行在設(shè)備小型化方面取得了重要進(jìn)展，美國Quasar公司生產(chǎn)的小型海底電磁接收機(jī)Qmax EM3[10]是當(dāng)前小型海底電磁接收機(jī)中的優(yōu)秀代表，采用電容電極技術(shù)，無需電場測量臂，整機(jī)體積僅約為0.5 m×0.5 m×0.5 m。日本神戶大學(xué)[11]開發(fā)的低功耗磁測系統(tǒng)，適用于海底長期觀測，整機(jī)功耗僅為26 mW，但缺點(diǎn)是不具備電場測量能力。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)最早于2017年[12]開展了小型電場接收機(jī)的研制，受限于功耗水平，并且浮力受限，不支持安裝感應(yīng)式磁傳感器，還不具備磁場測量能力，無法獨(dú)立完成MT測量工作。

在當(dāng)前海底MT探測需求的驅(qū)動下，針對現(xiàn)有海底電磁接收機(jī)[13]存在的外圍尺寸大、電源功耗大、制造成本高等問題，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)(北京)啟動了小型海底電磁接收機(jī)(micro ocean bottom electromagnetic receiver，MicrOBEM)的研發(fā)工作，重點(diǎn)針對小體積、低功耗、低成本開展研究工作。采取了如下方案：① 小體積層面，傳統(tǒng)的聲學(xué)釋放器笨重且昂貴，采用集成水聲通訊OEM板結(jié)合外置的電腐蝕脫鉤器方案，所需浮力大幅降低，玻璃球數(shù)量由原有的4個減至單個；② 低功耗層面，新研制低功耗采集電路、前放電路，整機(jī)功耗約至500 mW(感應(yīng)式線圈配置)，為原來的1/3，功耗的降低節(jié)省了電池數(shù)量進(jìn)而減少浮力需求；③ 低成本方面，無需傳統(tǒng)聲學(xué)釋放器、減少玻璃球數(shù)量，整機(jī)硬件成本降至一半；④ 具備磁通門傳感器擴(kuò)展功能，為長周期大地電磁測量奠定了基礎(chǔ)，配置磁通門傳感器時整機(jī)功耗僅為200 mW；⑤ 開發(fā)了回收信標(biāo)，集成LED模塊，方便夜間回收打撈，進(jìn)一步提升海上作業(yè)效率。

1 硬件原理

MicrOBEM結(jié)構(gòu)見圖1，主要包括玻璃浮球、數(shù)據(jù)采集艙、感應(yīng)式磁傳感器艙、磁通門傳感器艙(選裝)、電極測量臂、電場傳感器(電極)、水聲換能器、框架、水泥塊、水密電纜、電腐蝕脫鉤器、信標(biāo)浮球等。其中玻璃浮球用于提供浮力，數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)置采集電路、水聲通訊板；感應(yīng)式磁傳感器艙內(nèi)置感應(yīng)線圈，實(shí)現(xiàn)水平磁場分量測量；磁通門傳感器艙內(nèi)置磁通門傳感器，實(shí)現(xiàn)三軸正交磁場信號測量；4支測量臂和電場傳感器實(shí)現(xiàn)電場分量測量；水聲通訊板、換能器和電腐蝕脫鉤器組成設(shè)備的聲學(xué)釋放單元；各個電氣單元之間通過耐壓水密電纜相連；信標(biāo)浮球用于打撈時的位置指示，提升打撈效率。

圖1 MicrOBEM實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Photo of MicrOBEM

1.1 數(shù)據(jù)采集艙

數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)置采集電路和鋰電池組。為降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，整個采集艙單邊開孔，僅引出了必要的儀器接口，包括電場傳感器接入口、磁場傳感器接入口、通信與充電接口、水聲通訊換能器接口等。采集艙內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示，左側(cè)為電池組(BAT)，右邊為采集艙與外部的單邊接口。采集艙內(nèi)部從左往右所示電路模塊依次為：水聲通訊電路(ATM)、電場前置放大電路(AMP)與采集電路(ACQ)。

數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)電路(圖3)主要包括電場前置放大器、采集模塊、水聲通訊模塊。電場前置放大器完成3通道電場信號低噪聲放大。采集模塊支持10通道測量，電場、感應(yīng)式線圈、磁通門各占用3通道，另有1通道備用。水聲通訊板與外置的換能器配合，實(shí)現(xiàn)水聲測距、電腐蝕開關(guān)，采集模塊在水聲模塊的控制下輸出恒流源，驅(qū)動電腐蝕脫鉤器。甲板單元為艙內(nèi)電路提供GPS授時、DC充電電源、USB通訊。電池組位于采集艙的后端不開孔一側(cè)，共有兩組。為保證儀器因電量不足停止采集后釋放功能不受影響，電池組采用分別供電的模式，其中一組電池為采集電路供電，另一組電池連接水聲通訊電路。水聲通訊電路靜態(tài)功耗約165 μA，配置了10 Ah電池組，最大限度地保證了水聲通訊的安全可靠性。

圖2 數(shù)據(jù)采集艙結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of data acquisition module

圖3 數(shù)據(jù)采集艙電路原理框Fig.3 Diagram of data acquisition module

1.2 采集電路

采集電路實(shí)現(xiàn)信號采集、存儲、傳輸及時間記錄等功能，包括微控制器MCU模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、時鐘模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存取模塊。PC端通過USB接口與采集電路交互。數(shù)據(jù)采集電路原理框圖如圖4，MCU直接管理多個ADC，并將數(shù)據(jù)寫入TF卡。時間信息來自甲板盒中外置的GPS模塊，通過MCU預(yù)留給模塊的串口進(jìn)行時間數(shù)據(jù)的讀取。為使采集電路與上位機(jī)直接實(shí)現(xiàn)通訊，設(shè)計了一個USB Hub模塊，實(shí)現(xiàn)USB與串口的轉(zhuǎn)換。同時PC端也可通過USB Hub訪問TF卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的下載與上傳，實(shí)測數(shù)據(jù)平均下載速度達(dá)18 MBps以上。電池組為6串18650型電池設(shè)計，滿電25.2 V，經(jīng)DC/DC至各模塊供電。

1.3 前置放大器

斬波放大器原理與OBEM-III[13]中用到的放大器基本一致，所不同的是：① 修訂了供電電壓，±7 V 供電改為±2.8 V供電，消耗電流由10 mA降為5 mA；② 更新了時鐘發(fā)生電路，進(jìn)一步降低功耗；③ 更新了信號耦合變壓器，提升了輸入阻抗，噪聲水平基本不變，壓縮了體積，PCB尺寸為直徑68 mm，高度約15 mm。小型化、低功耗改造后，但也犧牲了一定的量程，量程由8.5 mVpp[6]減小至 5 mVpp，導(dǎo)致動態(tài)范圍有所減小。

1.4 水聲釋放

傳統(tǒng)的聲學(xué)釋放器笨重且成本高，小型化首要目標(biāo)就是解決聲學(xué)釋放器的笨重問題，采用定制的水聲通訊板+換能器+電腐蝕脫鉤器方案。水聲通訊板直徑68 mm，高約50 mm，與水聲甲板單元配合實(shí)現(xiàn)測距、電腐蝕開關(guān)功能。水聲通訊板收到電腐蝕開命令后，使能恒流源，電流約為0.5 A，腐蝕片約30 s后熔斷。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路原理框(預(yù)留的單通道未給出)Fig.4 Diagram of data acquisition circuit (the reserved channel is not given)

水聲甲板單元也進(jìn)行了小型化改造，見圖5，借助WIFI與手機(jī)端進(jìn)行通訊，Android手機(jī)端運(yùn)行APP程序，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)查詢、測距、電腐蝕開關(guān)命令，無需外圍的鍵盤、LCD等部件，進(jìn)一步簡化海上作業(yè)。手機(jī)端APP界面見圖6，完成測距、電腐蝕開關(guān)的指令傳達(dá)與狀態(tài)顯示。

圖5 水聲釋放甲板單元原理框Fig.5 Diagram of acoustic release deck unit

圖6 水聲釋放甲板單元APP界面截圖Fig.6 Screenshot of the APP menu of acoustic release deck unit

1.5 主要技術(shù)指標(biāo)

通道[9]：10(電場、感應(yīng)式磁傳感器、磁通門各3通道，備用1通道);

測量帶寬：10 000 s～100 Hz;

本底噪聲[11]：電場：優(yōu)于0.1 nV/m/rt(Hz)@1Hz;磁通門:優(yōu)于10 pT/rt(Hz)@1Hz;感應(yīng)線圈:優(yōu)于0.1 pT/rt(Hz)@1Hz;

功耗：小于500 mW(3E+水平感應(yīng)線圈配置)，小于200 mW(3E+磁通門傳感器配置)；

水下工作時間[13]：30 d連續(xù)采集(3E+水平感應(yīng)線圈配置)+90 d待機(jī)；

最大工作水深：6 000 m；

存儲空間：64 GB；

時漂：優(yōu)于5 ms/d;

通道動態(tài)范圍：E：>110 dB，H：>120 dB, B：>120 dB(@fs=300 Hz)；

平均數(shù)據(jù)下載速度：>18 MB/s；

軟件功能：支持用戶操控儀器、數(shù)據(jù)下載、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)分析及格式轉(zhuǎn)換輸出。

2 海上試驗(yàn)

為評估新研制的MicrOBEM在深水條件下的性能，團(tuán)隊(duì)攜帶兩臺小型海底電磁接收機(jī)(編號HA、HC)于2021年3月15日～4月15日搭載中國科學(xué)院南海海洋研究所實(shí)驗(yàn)二號科考船在南海南部開展了第一次深水MT測量實(shí)驗(yàn)。本航次的任務(wù)之一為大地電磁測深，作業(yè)工區(qū)見圖7，水深約為1 400～2 000 m，測線長度約180 km，MicrOBEM共布設(shè)了5個站位。全部站位采樣率均設(shè)置為150 Hz、增益設(shè)置為低增益檔各站位明細(xì)見表1，其中S5站位受電。纜故障影響，經(jīng)數(shù)據(jù)評估無效，進(jìn)行了重新布放。圖8展示了S3站位的部分MT時間序列，持續(xù)時間約4 500 s。Ey&Bx分量幅值相比Ex&By分量較強(qiáng)，電場峰峰值達(dá)400 nV/m，磁場峰峰值達(dá)10 pT。4通道水平分量之間相關(guān)性較高。

借助OBEM_PRO軟件將各站位挑選的時間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SSMT2000軟件所兼容格式，輸出TS4和TBL文件；借助SSMT2000軟件進(jìn)行阻抗估算，輸出MT文件；借助MTEditor軟件查看MT文件，對于結(jié)果不合格的數(shù)據(jù)重新挑選數(shù)據(jù)再次進(jìn)行處理；對于數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的文件進(jìn)行功率譜編輯并輸出EDI文件。圖9給出了5個站位數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果，S4站位的yx和S5站位的xy模式數(shù)據(jù)較差外，其余測深曲線數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，大部分站位低頻至1 000 s以低。

圖7 工區(qū)站位布置Fig.7 Work area layout

表1 海底MT站位投放點(diǎn)坐標(biāo)

圖8 實(shí)測時間序列片段(站位S3，水深1 826 m)Fig.8 Fragment of the measured time series (station S3, water depth 1 826 m)

本次海上試驗(yàn)經(jīng)歷6次深水(1 400～1 975 m)測試，回收率100%，小體積、低成本的電腐蝕熔斷方案的可靠性得到驗(yàn)證。6次深水測試除S5站位(通道故障)數(shù)據(jù)無效外，經(jīng)補(bǔ)做，5站位都獲得有效數(shù)據(jù)，其中3站位測深曲線質(zhì)量較好，整機(jī)的測量方案得到驗(yàn)證，但測量通道的可靠性需要進(jìn)一步加強(qiáng)。經(jīng)測試，2 000 m水深條件下，下沉耗時60 min，速度為33 m/min；上浮耗時80 min，上浮速度約為25 m/min，為提升儀器上浮速度，浮力配比需要進(jìn)一步改善。本航次最長水下作業(yè)時間8 d，更長時間測試有待后續(xù)完成，最大水深為1 975 m，更深水深條件測試有待后續(xù)完成。

圖9 五個站位MT測深原始數(shù)據(jù)曲線Fig.9 MT sounding raw data curves of five stations

3 結(jié)論

1)圍繞小型化海底電磁接收機(jī)研制需求，開展了低功耗采集電路研制工作，整機(jī)功耗由原來的1 600 mW降至500 mW。集成水聲通訊方案，拋棄了傳統(tǒng)的聲學(xué)釋放器，使得整機(jī)在體積、成本方面大幅降低。

2)2 000 m級深水MT測試驗(yàn)證了儀器的可靠性與穩(wěn)定性，獲取較好的MT數(shù)據(jù)。更深水域、更長時間測試有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3)MicrOBEM支持磁通門傳感器，磁通門完成更低頻段磁場測量，為未來長周期MT測量奠定了硬件基礎(chǔ)。目前MicrOBEM已小批量生產(chǎn)20臺，服務(wù)于海洋底深部構(gòu)造研究和水下目標(biāo)檢測任務(wù)。

致謝：感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)南海U形海疆線綜合研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2019BT02H594)和人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)(GML2019ZD0104)提供的航次船時，感謝廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃項(xiàng)目(2020B1111520001)提供的相關(guān)船載探測技術(shù)的支持；感謝實(shí)驗(yàn)2號輪全體船員支持。