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1、(10)申请公布号 CN 102253418 A (43)申请公布日 2011.11.23 CN 102253418 A *CN102253418A* (21)申请号 201110081237.3 (22)申请日 2011.04.01 G01V 3/17(2006.01) (71)申请人 中国地质大学 ( 北京 ) 地址 100083 北京市海淀区学院路 29 号 (72)发明人 魏文博 王猛 邓明 陈凯 金胜 叶高峰 景建恩 张启升 (54) 发明名称 一种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法 (57) 摘要 提供一种海洋可控源电磁发射系统及其使用 方法， 发射系统由船载大功率发电机、 甲板升。
2、压单 元、 甲板端监控单元、 深拖缆、 海底降压整流单元、 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、 发射电极 系等部件集合而成， 各个部件间协同作业， 实现了 在海水中发射大功率可控源电磁波。该系统具有 自动化程度高， 探测成本低的特点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 11 页 附图 5 页 CN 102253424 A1/3 页 2 1. 一种海洋可控源电磁发射系统， 其包括船载大功率发电机、 甲板升压单元、 甲板端监 控单元、 深拖缆、 海底降压整流单元、 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、 发射电极系 ； 特 。
3、征在于 ： 船载大功率发电机， 与甲板升压单元相连， 为整个发明装置提供大功率电能支持 ； 甲板升压单元， 被固定于船甲板上， 通过电力线与船载大功率发电机和深拖缆相连， 用 于将船载发电机产生的三相工业电升压至高压电， 在所述深拖缆中传输该高压电 ； 通过深拖缆连接的甲板端监控单元， 用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大功率 电磁发射机的工作状况 ； 深拖缆， 能够直接拖曳海底的海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体行进， 并借助 分线器引出通信用光纤和电力线 ； 海底降压整流单元， 用于将深拖缆中的交流高压电降压至低压并整流， 然后输出给海 洋可控源拖曳式大功率电磁发射机， 并通过专门的水。
4、密接插件接至发射机内部的逆变模 块 ； 海底降压整流单元安装于一个专门的承压密封舱， 内部充有导热绝缘油， 电力转换过程 中产生的热量， 可通过导热油传递至承压密封舱壁， 借助海水散热 ； 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机， 与所述深拖缆和所述发射电极系相连， 作为海 底可控源电磁场的激励场源 ； 发射电极系， 传送海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机产生的大功率逆变电磁波。 2. 如权利要求 1 所述的系统， 其中甲板升压单元包括大功率三相隔离变压器、 功率保 险丝、 电压表和电流表及风扇。其中 大功率三相隔离变压器， 其利用变压器的抽头、 交流接触器和旋钮开关部件选择输出 预定的高压电压 ； 。
5、功率保险丝， 其用于保护电路系统 ； 电压表和电流表， 其用于测量输出电压和电流幅值 ； 风扇， 其用于甲板升压单元机箱的内部散热。 3. 如权利要求 1 所述的系统， 其中深拖缆包括 ： 甲板端分线器， 用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传输的光纤分开 ； 万米铠装光电复合缆， 通过光端机的光电转换和串口接口， 实现所述甲板端监控软硬 件和发射机内部通讯模块的远程通信 ； 在万米铠装光电复合缆中包括电力线， 电力线用于 电能的长距离低损耗传输 ； 水下分线器， 除了具有甲板端分线器的功能外， 还具有水密承压性能， 利用水密接插件 将水下分线器连接至发射机承压密封舱。 4. 如权利要求 1 。
6、所述的系统， 其中所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机包括 ： 主控模块， 其采用嵌入式主控电路板， 以实现海洋可控源电磁发射系统的总体逻辑控 制 ； 通信模块， 将电性数据信号转换为可以在光纤中传输的光信号， 主控模块通过通信模 块和深拖缆实现甲板端和发射机的远程通信 ； 驱动模块， 其为逆变模块提供驱动信号 ； 逆变模块， 其用于实现直流到预定大功率交流方波的转换并具有逆变开关功能， 其以 低饱和压降 IGBT 芯片为基本功率开关元件 ； 权 利 要 求 书 CN 102253418 A CN 102253424 A2/3 页 3 散热模块， 通过铸铝散热器将所述整流模块和逆变模块工作过程。
7、中产生的热量传导至 所述承压密封舱舱壁 ； 锂电池包， 用以给所述驱动模块、 主控模块、 通信模块和辅助信息测量单元供给电能， 并且与船载大功率发电机产生的电力供应的隔离 ； 辅助信息测量单元， 在主控模块控制下， 实现辅助信息的测量 ； 发射机拖体， 用于承载海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机。 5. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述发射偶极包括 ： 发射电缆， 一端连接至发射机承压密封舱末端端盖， 发射电缆的另一端连至铜管材质 的发射电极 ； 发射电极， 其为紫铜材质， 并且具有接触面积大的空心状型材结构 ； 牵引缆， 其为高分子聚乙烯纤维绳 ； 浮力材料， 其采用微珠材料， 能够在深。
8、水环境下提供浮力。 6. 如权利要求 4 所述的系统， 其中所述辅助信息测量单元包括 ： 姿态方位读出模块， 用于测量所述发射机拖体的俯仰、 横滚和航向等姿态方位信息 ； GPS 对钟及时间同步模块， 发射机内部包含由高精度温度补偿晶振构成的时钟稳定度 为 10-8s/s( 周期稳定度的单位， 秒每秒， 即 1 秒中变化的量 10-8s， ) 的实时钟模块， 该模块 在整个海底探测期间为所述发射机提供计时和同步功能 ； 温度传感器， 用于监测发射机承压密封舱内部的温度 ； 电流传感器， 通过霍尔电流传感器， 用以监测发射的正向和反向发射电流 ； 电压传感器， 用来检测直流供电电压和锂电池包剩余。
9、电量 ； 高度计， 安装在所述拖体中部前端， 底端预留出 20cm20cm 的空间， 利用声学特性测 量拖曳体距离海底的高度， 其输出的信号通过水密电缆和所述承压密封舱端盖输送至发射 机内部的主控模块， 再利用通信模块传送至甲板端监控单元。 7. 如权利要求 4 所述的系统， 其中所述发射机拖体包括 ： 水密接插件， 包括水密电缆和水密插座， 用于连接所述发射机中各电气接口 ； 承压密封舱， 通过一对不锈钢卡箍安装在发射机拖体中部， 发射机内部的所有电路器 件和锂电池包被密封在由非磁性材料 LC4 超硬铝制成的圆柱型承压密封舱内， 密封舱端盖 上有数个水密接插件， 以实现舱内外的电气连接， 密。
10、封舱的承压指标达 45MPa， 以在 4000m 水深处安全工作 ； 导流头和平衡翼， 分别安装于拖体前端和尾端 ； 配重铅块， 安装于拖体中间底部 ； 拖体框架， 是用耐海水腐蚀的钢制作完成 ； 限位梁， 用于水下分线器的限位， 防止深拖缆铰接在所述拖体框架上 ； 万向轮， 拖体底部安装有四个承重万向轮， 方便于所述发射机拖体的陆上搬运。 8. 使用权利要求 1-7 中任一所述系统在海底进行可控源电磁场激发的方法， 包括步 骤 ： (1) 将船开至预定发射点位附近， 在海面上启动海洋可控源电磁发射系统， 进行 GPS 对 钟及仪器原理性测试 ； (2) 开始投放由浮力材料捆绑好的发射偶极和发。
11、射电缆， 投放过程中船速小于 2 节 ； 发 射偶极和电缆投放完毕后由船上 A 型吊臂将海洋可控源电磁发射机拖体投放入海 ； 权 利 要 求 书 CN 102253418 A CN 102253424 A3/3 页 4 (3) 入水之后， 发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引， 自由下沉抵达近海底， 下沉过程 中通过高度计时刻监视发射机距离海底的高度 ； 发射机拖体到达距离海底 0-50m 范围内 时， 可以开启甲板发电机和变压器总开关， 按照预定发射方案开始正式向海底供电 ； (4) 投放至海底的混场源电磁接收机阵列开始自动分频段变采样率地进行海洋可控源 电磁场数据采集 ； (5) 发射机与接收。
12、机之间的工作节拍相同， 同步精度为 10-8s/s。 (6) 在采集过程中， 海底混场源电磁接收机同时记录六路信号， 即水平正交的两路电 场、 水平与垂直两两正交的三路磁场 (Hx、 Hy、 Hz) 以及自身姿态信息 ； (7) 海底发射和测量结束后， 回收仪器设备 ； (8) 最后对存储在接收机内部的数据进行回放， 经数字信号处理， 获得海底以下的电阻 率信息。 权 利 要 求 书 CN 102253418 A CN 102253424 A1/11 页 5 一种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法 技术领域 ： 0001 本发明属于地球物理勘探领域， 具体涉及一种地球物理勘探设备及其使用方法，。
13、 为一种用于海洋可控源电磁场的发射以研究海底矿产资源分布的系统及其使用方法。 背景技术 ： 0002 海底以下蕴藏着丰富的矿产资源， 尤以石油、 天然气、 硫化矿、 天然气水合物等最 具经济价值。随着陆地资源的日趋减少， 对海洋矿产资源的探测与开发需求剧增。电磁学 方法用于探测海底矿产资源的基本原理在于所探矿物与海底沉积物的电学性质差异。 当包 含矿产资源的地层受到外界电磁波激发时， 将产生综合的电磁感应， 感应信号中携带着地 下资源分布的产状、 规模、 埋深、 电导率等物性信息。利用在海底投放的电磁接收机对此类 信号进行探测， 采用现代数字信号处理方法对探测到的感应信号进行反演与成像等处理，。
14、 就可推断出地下矿产资源的分布规律， 为圈定资源开采靶区提供科学依据。以上提到的电 磁波激发场源分为可控源和天然场源。可控源为人工场源， 即以人工发射的电磁波激发所 探测区域 ； 被动源为天然激发场源， 即电磁波能量来自电离层。 本发明所涉及的发射系统就 是人工激励场源， 其技术方法是海洋可控源电磁探测的重要组成部分。 总体来说， 通过海洋 可控源电磁探测获得海底以下介质纵向及横向的电阻率变化， 并结合其他学科资料可对海 底矿产资源的含量进行估计。 为此， 加紧研究、 发展海洋可控源电磁探测技术对我国海域海 底矿产资源的调查与评价具有重要的意义。 0003 具体地， 在进行海洋可控源电磁发射过。
15、程中， 所要求的仪器主要有以下技术难 点 ： 0004 1、 海洋可控源电磁发射系统的集成技术。海洋可控源电磁探测方法研究中， 需要 发射大功率电磁波来激励海底以下介质。因此， 海洋可控源电磁发射系统包括船载大功率 发电机、 甲板升压单元、 深拖缆、 海底降压整流单元、 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机、 发射电极系等部件集合而成。上述所有部件， 最终集成一体， 既实现海底可控源电磁场激 发， 又实现水下走航式作业。这样一个仪器系统， 涉及到电磁学、 材料学、 流体力学、 电子学 等多门学科， 远远超出了地面电磁场激发所涉及的学科范围， 具有更为复杂的技术含量， 将 为我国海洋可控源电磁探测提。
16、供高技术支撑。 0005 2、 近海底电磁场激发技术。理论正演计算表明， 在近海底 0-50m 范围内， 向海底激 发的电磁波形成的电磁场没有明显衰减。为保证发射机拖体的安全， 需实时监测拖曳体距 离海底的高度， 并通过深拖缆和船速来调节拖曳体距海底的高度， 保持在 0-50m 范围内。有 关近海底拖曳激发人工源电磁场的问题国内至今未见研究报道。 0006 3、 海底发射机和接收机的时间同步技术。 在海底可控源电磁探测后期数据处理过 程中， 要求发射的波形和接收到的波形严格同步。 在陆地上， 发射机和接收机时间同步问题 并不难， 采用 GPS 同步技术就可解决。但在海底， 缘于厚厚的海水把 G。
17、PS 信号屏蔽， 陆上的 卫星对钟技术不能在海底直接实施。要达到时间同步目的， 需要研发专门针对海底环境的 特殊技术。 说 明 书 CN 102253418 A CN 102253424 A2/11 页 6 0007 4、 海底发射机的姿态方位检测技术。除了通过设计合理的框架结构， 还需实时监 测和记录其姿态信息， 保证其在海底被拖曳过程中不会发生严重的侧倾和俯仰， 另外还需 监测拖曳体的方位。 结合船行的航迹信息， 对拖体的位置进行估计， 为后续的数据处理解释 提供资料参考。 0008 5、 大功率电磁脉冲逆变技术。即是在发射机的控制下， 将输入的直流电逆变成为 交流的方波电磁信号通过发射偶。
18、极发送出去。大功率电磁脉冲逆变过程中， 逆变模块等电 力器件会因效率问题而发热， 设计高效的散热方案是解决途径之一。 另外， 由于发射机是向 海水供电， 负载具有独特性， 有关向海水中激发大功率电磁波的问题国内至今未见研究报 道。 0009 6、 电磁发射机低压主控单元软硬件设计。 海底拖曳的发射机要求高稳定度和高智 能化， 实现这一目标， 就应对本发射机移植可剪裁操作系统和开发相应的驱动程序。 电磁发 射机低压主控单元软硬件是实现发射机各项功能的核心控制单元， 能够实现各种预定的控 制功能， 诸如开启和关闭发射、 更改发射频率、 测量正反向发射电流和直流供电电压、 控制 高度计测量距海底高度。
19、、 测量发射机拖体的姿态等功能， 还可以测量承压密封舱的内部温 度和锂电池包电压， 实时监测发射机工作状况， 防止仪器内部温度过高和电池电量过低而 影响电路的正常工作。主控单元通过光电复合缆和甲板端监控软硬件进行远程通信， 下载 运行控制命令或上传状态信息。 这是陆上电磁探测未曾涉及而海洋环境下却必须解决的特 殊技术。 0010 7、 远程数据通信和甲板端监控单元软硬件的开发。发射机拖体一经投放入水， 只 能通过甲板监控软件界面对其进行监控。为实现利用万米深拖缆进行长距离远程通信， 需 研制与海底通信模块相匹配的上位机光电信号转换单元， 开发基于高级可视化图形编程工 具的上位机软件， 实现对发。
20、射机的监控和信息记录。 在发射机承压密封舱内， 主控单元通过 串口转光纤模块将串口数据转换为能够进行长距离数据通信的光纤数据， 在甲板端， 再通 过该模块， 将串口数据还原， 从而实现发射机与甲板端的通信。 0011 上述技术问题都是海洋可控源电磁探测所面临的特殊问题， 本发明正是围绕这些 问题展开研究， 攻克上述一系列技术难题， 并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新， 设计了一种海洋可控源电磁发射系统。 发明内容 ： 0012 为了克服在海底进行可控源电磁发射的特殊问题， 本发明正是围绕这些问题展开 研究， 攻克上述一系列技术难题， 并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新， 设计了一 。
21、种海洋可控源电磁发射系统及其使用方法。 0013 本发明提供的一种海洋可控源电磁发射系统， 主要包括船载大功率发电机、 甲板 升压单元、 甲板端监控单元、 深拖缆、 海底降压整流单元、 海洋可控源拖曳式大功率电磁发 射机、 发射电极系等部件 ； 各部件的具体作用如下 ： 0014 船载大功率发电机， 与甲板升压单元相连， 为整个发明装置提供大功率电能支 持 ； 0015 甲板升压单元， 被固定于船甲板上， 通过电力线与船载大功率发电机和深拖缆相 连， 用于将船载发电机产生的三相工业电升压至高压电， 在所述深拖缆中传输该高压电 ； 说 明 书 CN 102253418 A CN 10225342。
22、4 A3/11 页 7 0016 通过深拖缆连接的甲板端监控单元， 用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大 功率电磁发射机的工作状况 ； 0017 深拖缆， 能够直接拖曳海底的海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机拖体行进， 并 借助分线器引出通信用光纤和电力线 ； 0018 海底降压整流单元， 用于将深拖缆中的交流高压电降压至低压并整流， 然后输出 给海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机 ； 0019 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机， 与所述深拖缆和所述发射电极系相连， 作 为海底可控源电磁场的激励场源 ； 0020 发射电极系， 传送海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机产生的大功率逆变电磁 波。 00。
23、21 优选地， 甲板升压单元包括大功率三相隔离变压器、 功率保险丝、 电压表和电流表 及风扇 ； 其中大功率三相隔离变压器， 是升压部件， 利用变压器的抽头、 交流接触器和旋钮 开关等部件选择输出预定的高压电压 ； 功率保险丝， 用于保护电路系统 ； 电压表和电流表， 用于测量输出电压和电流幅值 ； 风扇， 其用于甲板升压单元机箱的内部散热。 0022 优选地， 深拖缆包括 ： 甲板端分线器， 用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传 输的光纤分开 ； 万米铠装光电复合缆， 通过光端机的光电转换和串口接口， 实现所述甲板端 监控单元和发射机内部通信模块的远程连接 ； 电力线用于电能的长距离低损耗。
24、传输 ； 水下 分线器， 除了具有甲板端分线器的功能外， 还具有水密承压性能， 利用其将水下分线器连接 至发射机承压密封舱。 0023 优选地， 海底降压整流单元， 先将深拖缆中传输的交流高压通过内部的降压变压 器变至低压交流， 然后利用整流模块实现到直流低压的转换， 并通过专门的水密接插件接 至发射机内部的逆变模块 ； 海底降压整流单元安装于一个专门的承压密封舱， 内部充有绝 缘导热油， 电力转换过程中产生的热量， 可通过导热油传递至承压密封舱壁， 借助海水散 热。 0024 优选地， 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机包括 ： 主控模块， 其采用嵌入式主控 电路板， 以实现海洋可控源电磁发射。
25、系统的总体逻辑控制 ； 通信模块， 将电性数据信号转 换为可以在光纤中传输的光信号， 主控模块通过通信模块和深拖缆实现甲板端和发射机的 远程通信 ； 驱动模块， 其为逆变模块提供驱动信号 ； 逆变模块， 其用于实现直流到预定大功 率交流方波的转换并具有逆变开关功能， 本发明采用智能功率模块 (IPM) 其以低饱和压降 IGBT 芯片为基本功率开关元件 ； 散热模块， 通过铸铝散热器将所述整流模块和逆变模块工 作过程中产生的热量传导至所述承压密封舱舱壁 ； 锂电池包， 用以给所述驱动模块、 主控模 块、 通信模块和辅助信息测量单元供给电能， 并且与船载大功率发电机产生的电力供应的 隔离 ； 辅助。
26、信息测量单元， 在主控模块控制下， 实现辅助信息的测量 ； 发射机拖体， 用于承 载海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机。 0025 优选地， 发射电极系包括 ： 发射电缆， 一端连接至发射机承压密封舱末端端盖， 发 射电缆的另一端连至铜管材质的发射偶极 ； 发射偶极， 其为紫铜材质， 并且具有接触面积大 的空心状型材结构 ； 牵引缆， 其为高分子聚乙烯纤维绳 ； 浮力材料， 其采用微珠材料， 能够 在深水环境下提供浮力。 0026 进一步地， 辅助信息测量单元包括 ： 姿态方位读出模块， 用于测量所述发射机拖体 说 明 书 CN 102253418 A CN 102253424 A4/11 页 。
27、8 的俯仰、 横滚和航向等姿态方位信息 ； GPS 对钟及时间同步模块， 发射机内部包含由高精度 温度补偿晶振构成的时钟稳定度为10-8s/s(周期稳定度的单位， 秒每秒， 即1秒中变化的量 10-8s， ) 的实时钟模块， 该模块在整个海底探测期间为所述发射机提供计时和同步功能 ； 温 度传感器， 用于监测发射机承压密封舱内部的温度 ； 电流传感器， 通过霍尔电流传感器， 用 以监测发射的正向和反向发射电流 ； 电压传感器， 用来检测直流供电电压和锂电池包剩余 电量 ； 高度计， 安装在所述拖体中部前端， 底端预留出 20cm20cm 的空间， 利用声学特性测 量拖曳体距离海底的高度， 其输。
28、出的信号通过水密电缆和所述承压密封舱端盖输送至发射 机内部的主控模块， 再利用通信模块传送至甲板端监控单元。 0027 更进一步地， 发射机拖体包括 ： 水密接插件， 包括水密电缆和水密插座， 用于连接 所述发射机中各电气接口 ； 承压密封舱， 通过一对不锈钢卡箍安装在发射机拖体中部， 发射 机内部的所有电路器件和锂电池包被密封在由非磁性材料 LC4 超硬铝制成的圆柱型承压 密封舱内， 密封舱端盖上有数个水密接插件， 以实现舱内外的电气连接， 密封舱的承压指标 达45MPa， 以在4000m水深处安全工作 ； 导流头和平衡翼， 分别安装于拖体前端和尾端 ； 配重 铅块， 安装于拖体中间底部 ；。
29、 拖体框架， 是用耐海水腐蚀的钢制作完成 ； 限位梁， 用于水下 分线器的限位， 防止深拖缆铰接在所述拖体框架上 ； 万向轮， 拖体底部安装有四个承重万向 轮， 方便于所述发射机拖体的陆上搬运。 0028 另外， 提供一种使用上述海洋可控源电磁发射系统的方法， 其具体包括步骤 ： 0029 (1) 将船开至预定发射点位附近， 在海面上启动海洋可控源电磁发射系统， 进行 GPS 对钟及仪器原理性测试 ； 0030 (2) 开始投放由浮力材料捆绑好的发射偶极和发射电缆， 投放过程中船速小于 2 节 ； 投放完毕后由船上 A 型吊臂将海洋可控源电磁发射机拖体投放入海 ； 0031 (3) 入水之后，。
30、 发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引， 自由下沉抵达近海底， 下沉 过程中通过高度计时刻监视发射机距离海底的高度 ； 发射机拖体到达距离海底 0-50m 范围 内时， 可以开启甲板发电机和变压器总开关， 按照预定发射方案开始正式向海底供电 ； 0032 (4) 投放至海底的混场源电磁接收机阵列开始自动分频段变采样率地进行海洋可 控源电磁场数据采集 ； 0033 (5) 发射机与接收机之间的工作节拍相同， 同步精度为 10-8s/s。 0034 (6) 在采集过程中， 海底混场源电磁接收机同时记录六路信号， 即水平正交的两路 电场、 水平与垂直两两正交的三路磁场 (Hx、 Hy、 Hz) 以及自身。
31、姿态信息 ； 0035 (7) 海底发射和测量结束后， 回收仪器设备 ； 0036 (8) 最后对存储在接收机内部的数据进行回放， 经数字信号处理， 获得海底以下的 电阻率信息。 0037 由于本发明采用以上技术方案， 与传统的地震勘探仪器相比， 海上施工难度相对 变小， 并且该设备与以往同类地质勘探设备成本大幅度降低， 揭示海底以下介质电性分层 结构的优势明显， 因此将进一步为海底以下蕴藏的诸如石油、 天然气、 硫化矿和天然气水合 物之类的丰富矿产资源的探测提供准确详实的科学数据。 附图说明 0038 根据结合附图的本实施例的下面说明， 本发明的这些和 / 或其他方面和优点将变 说 明 书 。
32、CN 102253418 A CN 102253424 A5/11 页 9 得清楚且更容易理解， 其中附图 ： 0039 图 1 为依据本发明的海洋可控源电磁发射系统原理框图 ； 0040 图 2 为依据本发明的甲板端监控单元的功能框图 ； 0041 图 3 为依据本发明的甲板端上位机监控示意图 0042 图 4 为依据本发明的逆变模块原理框图 ； 0043 图 5 为依据本发明的辅助信息测量单元原理框图 ； 0044 图 6 为依据本发明的发射机拖体原理框图 ； 0045 图 7 为依据本发明的海洋可控源电磁发射机拖体结构图 ； 0046 图 8 为依据本发明的海洋可控源电磁发射机功能框图 。
33、； 0047 图 9 为依据本发明的发射机运行程序框图 ； 0048 图 10 为依据本发明的海洋可控源电磁探测系统海试作业示意图。 0049 附图中标记的文字说明 ： 0050 ARM 精简指令集高级单片机 ； 0051 IPM 智能功率模块 ； 0052 CPLD 可编程逻辑芯片 ； 0053 GPS 全球卫星定位系统 ； 0054 URAT 通用串行总线接口 ； 0055 GPIO 通用输入输入接口 ； 0056 A/D 模拟数字转换 ； 0057 RTC 实时钟模块。 0058 附图1和图9中， 1表示舰载大功率发电机， 2表示甲板升压单元， 21表示大功率三 相隔离变压器， 22 表。
34、示电压表 / 电流表， 23 表示功率保险丝， 24 表示风扇， 3 表示甲板端监 控单元， 4 表示深拖缆， 41 表示甲板端分线器， 42 表示万米铠装光电复合缆， 43 表示水下分 线器， 5 表示海底降压整流单元， 6 表示海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机， 61 表示主控 模块， 62 表示通信模块， 63 表示驱动模块， 64 表示逆变模块， 65 表示散热模块， 66 表示锂电 池包， 67表示辅助信息测量单元， 68表示发射机拖体， 7表示发射电极系， 71表示发射电缆， 72 表示发射偶极， 73 表示牵引缆， 74 表示浮力材料。 0059 附图 2 中， 3 表示甲板端监。
35、控单元， 31 表示锂电池包剩余电量， 32 表示直流供电电 压， 33表示正反向发射电流， 34表示舱内及基板温度， 35表示姿态方位信息， 36表示拖体距 离海底高度， 37 表示发射机工作模式， 38 表示发射机工作状态。 0060 附图3中， 64表示逆变模块， 641表示逆变脉冲产生电路， 642表示死区时间产生电 路， 643 表示缓冲电路， 644 表示隔离电路， 645 表示电流监测电路， 646 表示报警电路。 0061 附图4中， 67表示辅助信息测量单元， 671表示姿态方位读出模块， 672表示GPS对 钟及时间同步模块， 673表示温度传感器， 674表示电流传感器，。
36、 675表示电压传感器， 676表 示高度计。 0062 附图 5 和附图 6 中， 68 表示发射机拖体， 681 表示水密接插件， 682 表示承压密封 舱， 683 表示导流头， 684 表示平衡翼， 685 表示配重铅块， 686 表示拖体框架， 687 表示限位 梁， 688 表示万向轮。 0063 附图7中， 3表示甲极端监控单元， 42表示万米铠装光电复合缆， 62表示通信模块， 说 明 书 CN 102253418 A CN 102253424 A6/11 页 10 61 表示主控模块。 0064 具体实施方法 ： 0065 依据本发明所述的海洋可控源电磁发射系统及其使用方法，。
37、 利用拖曳式轴向电偶 源发射人工电磁场， 激发海底以下的被探测目标体， 测取其电磁感应信号， 从而获得海底以 下深层纵向及横向介质的电性结构信息， 揭示底层结构和油气等矿产资源的分布规律。 0066 本发明采用的技术方案为一种海洋可控源电磁发射系统， 其包括船载大功率发电 机、 甲板升压单元、 甲板端监控单元、 深拖缆、 海底降压整流单元、 海洋可控源拖曳式大功率 电磁发射机、 发射电极系 ； 其中船载大功率发电机， 与所述甲板升压单元相连， 为整个发明 装置提供大功率电能支持 ； 甲板升压单元， 被固定于船甲板上， 通过电力线与船载大功率发 电机和深拖缆相连， 用于将船载发电机产生的三相工业。
38、电升压至高压， 在所述深拖缆中传 输该高压 ； 通过深拖缆连接的甲板端监控单元， 用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源 大功率电磁发射机的工作状况 ； 深拖缆， 与所述甲板升压单元、 所述海底降压整流单元和所 述发射机等相连， 能够直接拖曳海底的发射机拖体行进， 借助分线器引出通信用光纤和电 力线 ； 其具有一定的抗拉性能 ； 海底降压整流单元， 与所述深拖缆和所述海洋可控源拖曳 式大功率电磁发射机相连， 将深拖缆中的高压交流转换为低压直流， 并给所述发射机供电 ； 海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机， 与所述深拖缆和所述发射电极系相连， 作为海底可 控源电磁场的激励场源， 是实现海洋可控源电磁。
39、发射的关键设备 ； 发射电极系， 是传送大功 率逆变电磁波的媒介。 0067 甲板升压单元包括大功率三相隔离变压器、 功率保险丝、 电压表和电流表及风扇 ； 大功率三相隔离变压器， 是升压部件， 利用变压器的抽头、 交流接触器和旋钮开关等部件选 择输出预定的高压电压 ； 功率保险丝， 用于保护电路系统 ； 电压表和电流表， 用以测量输出 电压和电流幅值 ； 风扇， 用于甲板升压单元机箱的内部散热。 0068 深拖缆包括 ： 甲板端分线器， 用于将甲板端电力传输的功率电缆和信号传输的光 纤分开 ； 万米铠装光电复合缆， 通过光端机的光电转换和串口接口， 实现所述甲板端监控单 元和发射机内部通信模。
40、块的远程连接， 其中的电力线用于电能的长距离低损耗传输 ； 水下 分线器， 除了具有甲板端分线器的功能外， 还具有水密承压性能， 利用所述水密接插件将其 连接至发射机承压密封舱。 0069 所述海底降压整流单元， 先将所述深拖缆中传输的交流高压通过内部的降压变压 器变至低压交流， 然后利用整流模块实现到直流低压的转换， 并通过专门的所述水密接插 件接至所述发射机内部的所述逆变模块 ； 所述海底降压整流单元安装于一个专门的承压密 封舱， 内部充有绝缘导热油， 电力转换过程中产生的热量， 可通过导热油传递至承压密封舱 壁， 借助海水散热。 0070 所述海洋可控源拖曳式大功率电磁发射机包括 ： 主。
41、控模块， 采用嵌入式主控电路 板， 可以实现发射机装置的总体逻辑控制 ； 通信模块， 将电性数据信号转换为可以在光纤中 传输的光信号， 所述主控模块通过所述通信模块和所述深拖缆实现甲板端和发射机的远程 通信 ； 驱动模块， 提供适当的驱动信号以确保所述逆变模块正常工作 ； 逆变模块， 实现直流 到预定大功率交流方波的转换， 本发明采用智能功率模块 IPM 作为逆变开关模块， 它以低 饱和压降 IGBT 芯片为基本功率开关元件， 可以承受大电流， 具有高的可靠性与安全性 ； 散 热模块， 通过定制的铸铝散热器， 将所述整流模块和逆变模块工作过程中产生的热量传导 说 明 书 CN 10225341。
42、8 A CN 102253424 A7/11 页 11 至所述承压密封舱舱壁， 借助海水散热 ； 锂电池包， 用以给所述驱动模块、 主控模块、 通信 模块和辅助信息测量单元供给电能， 确保与船载大功率发电机产生的电力供应的隔离 ； 辅 助信息测量单元， 在所述主控模块控制下， 实现辅助信息的测量， 比如拖曳体姿态方位信息 ( 俯仰角度、 横摇角度、 航向角度 )、 正反向发射电流、 直流供电电压、 锂电池包剩余电量、 拖 曳体距离海底高度、 承压密封舱内部温度等等 ； 发射机拖体， 用于承载所述海洋可控源拖曳 式大功率电磁发射机各所属部件。 0071 所述发射电极系包括 ： 发射电缆， 由发射。
43、机承压密封舱末端端盖引出， 电缆的另一 端连至铜管材质的所述发射偶极 ； 发射偶极， 经过若干次室内盐水槽测试， 选定不易折断、 导电性能好的紫铜作为发射偶极的材料， 且选定接触面积大的空心状型材作为电极的结 构， 能有效降低功率损耗， 利于向海底介质中发送大功率电流 ； 牵引缆， 为耐腐蚀、 中性浮力 的高分子聚乙烯纤维绳， 抗拉力为 1 吨， 防止所述发射电缆和发射偶极受力 ； 浮力材料， 采 用特殊的微珠材料， 能够在深水环境下提供浮力， 经过配重计算的所述浮力材料均匀地捆 绑在牵引缆各处， 保证所述发射电缆和发射偶极在海水中的中性状态， 利于拖曳行进。 0072 所述辅助信息测量单元包。
44、括 ： 姿态方位读出模块， 用于测量所述发射机拖体的俯 仰、 横滚和航向等姿态方位信息 ； GPS 对钟及时间同步模块， 发射机内部包含由高精度温度 补偿晶振构成的时钟稳定度为 10-8s/s 的实时钟模块 ； 在海面一次性与 GPS 对钟后， 该时钟 源在整个海底测量期间为所述发射机提供计时和同步功能 ； 温度传感器， 用于监测所述发 射机承压密封舱内部的温度 ； 电流传感器， 通过霍尔电流传感器， 用以监测发射的正向和反 向发射电流 ； 电压传感器， 用来检测直流供电电压和锂电池包剩余电量 ； 高度计， 安装在所 述拖体中部前端， 底端预留出 20cm20cm 的空间， 利于声波信号测距，。
45、 利用声学特性测量 拖曳体距离海底的高度， 其输出的信号通过专门的水密电缆连接至所述承压密封舱端盖， 进而连接至发射机内部的所述主控模块， 再通过所述通信模块传送至所述甲板端监控单 元。 0073 所述发射机拖体包括 ： 水密接插件， 包括水密电缆和水密插座， 用于连接所述发射 机中各电气接口 ； 承压密封舱， 通过一对不锈钢卡箍安装在所述发射机拖体中部， 发射机 内部的所有电路器件和所述锂电池包被密封在由非磁性材料 LC4 超硬铝制成的圆柱型承 压密封舱内， 密封舱端盖上有数个水密接插件， 以实现舱内外的电气连接， 密封舱的承压指 标达 45MPa， 以在 4000m 水深处安全工作 ； 导。
46、流头和平衡翼， 分别安装于所述拖体前端和尾 端， 减少前行阻力， 利于拖体破水前进 ； 配重铅块， 安装于拖体中间底部， 有助于拖体稳定下 沉 ； 拖体框架， 所述拖体框架是用耐海水腐蚀的特种钢制作完成， 包含板材、 管材、 弯管和角 钢等 ； 限位梁， 用于所述水下分线器的限位， 防止所述深拖缆铰接在所述拖体框架上 ； 万向 轮， 拖体底部安装有四个承重万向轮， 方便于所述发射机拖体的陆上搬运。 0074 在上面所述的仪器系统在海底进行可控源电磁场激发的方法， 包括步骤 ： 0075 (1) 将船开至预定发射点位附近， 在海面上启动海洋可控源电磁发射系统， 进行 GPS 对钟及仪器原理性测试。
47、 ； 0076 (2) 开始投放由浮力材料捆绑好的发射偶极和发射电缆， 投放过程中船速小于 2 节。投放完毕后由船上 A 型吊臂将海洋可控源电磁发射机拖体投放入海。 0077 (3) 入水之后， 发射机拖体受深拖缆和自身重力牵引， 自由下沉抵达近海底， 下沉 过程中可以通过高度计时刻监视发射机距离海底的高度。发射机拖体到达距离海底 0-50m 说 明 书 CN 102253418 A CN 102253424 A8/11 页 12 范围内时， 可以开启甲板发电机和变压器总开关， 按照预定发射方案开始正式向海底供电。 0078 (4) 同时， 投放至海底的混场源电磁接收机阵列开始自动分频段变采样。
48、率地进行 海洋可控源电磁场数据采集。 0079 (5) 发射机与接收机之间的工作节拍相同， 同步精度为 10-8s/s。 0080 (6) 在采集过程中， 海底混场源电磁接收机同时记录六路信号， 即水平正交的两路 电场 (Ex、 Ey)， 水平与垂直两两正交的三路磁场 (Hx、 Hy、 Hz)， 以及自身姿态信息。 0081 (7) 海底发射和测量结束后， 回收各台仪器设备。 0082 (8) 最后对存储在接收机内部的数据进行回放， 经数字信号处理， 获得海底以下的 电阻率信息， 通过分析海底纵向及横向的电阻率变化， 并结合其他学科资料， 可以对海底矿 产资源分布和含量进行估计， 为进行实际开。
49、采提供科学依据。 0083 为了更进一步详细说明本发明的技术方案， 下面结合附图对本发明的结构原理和 构成部分及使用方法进行具体描述。但是本领域技术人员应当清楚， 下面对各相应部分的 解释和说明仅仅是示例性的 ； 不应当将本发明限制到具体实施例， 本领域技术人员也可以 经过创造性劳动， 通过其他途径来实现本发明的技术方案。 0084 参见图 1， 图 1 为依据本发明的海洋可控源电磁发射系统原理框图。本发明是依 据海洋可控源电磁法在近海底完成大功率拖曳式电磁场激发的系统， 包括船载大功率发电 机 1， 与所述甲板升压单元 2 相连， 为整个发明系统提供大功率电能支持 ； 甲板升压单元 2， 固定于船甲板某处， 通过电力线与所述船载大功率发电机1和深拖缆4相连， 用于将船载发 电机 1 产生的三相工业电升压至高压， 便于在深拖缆 4 中进行传输 ； 甲板端监控单元 3， 与 所述深拖缆 4 相连， 用于在甲板上监控水下拖曳的海洋可控源大功率电磁发射。