海底MT信号采集电路的设计

设计海底大地电磁信号采集电路，需考虑海底信号特征、海上作业以及海底环境等各种因素。分析表明，除遵循电路设计的一般原则外，海底大地电磁测量要重点解决微弱信号检测、智能化数据采集、海底环境监测和同步记录等4个方面的问题。在设计方案中，电路灵敏度达到微伏级；使用嵌入式计算机实现采集控制；对方位、倾斜、振动、温度等参数进行巡回记录；仪器的时钟精度精准到微秒。所研制的电路经过了室内模拟测试和海洋试验。首次采集到中国海域的大地电磁数据。     

海底大地电磁信号采集的技术难点

海底大地电磁探测要解决的首要问题是海底信号采集。对于陆上已广泛使用且采集技术已较为成熟的大地电磁测深法来说 ,该方法在海洋中的应用并不是一个简单的方法移植问题。由于海洋环境的严酷、海上作业的风险和海底信号微弱 ,要实现海底大地电磁信号采集面临着重重困难。为实现预期的探测目标 ,需采用一系列高新技术 ,包括微弱信号检测技术、海底多台观测系统的高精度同步技术、智能化控制技术、水下密封承压技术以及硬件系统集成技术等等。对海底大地电磁探测所遇到的难点技术问题作了初步的探讨     

四阶Δ-Σ过抽样电路原理及其在微弱地学信号检测中的应用

传统的测量电路无法解决诸如海底大地电磁场这样微弱地学信号的检测问题。近几年诞生了一种称之为ΔΣ的电路理论以及相应的硬件芯片 ,给微伏级的弱信号检测开辟一条新的技术路径。文章介绍与地学探测有关的一种ΔΣ电路类型 ,该类型以低频段微弱信号为检测对象。采用系统理论和电路分析方法对ΔΣ原理作了较深入的讨论 ,阐明这种电路技术对提高微弱信号观测的分辨率是有效的。结合海底大地电磁探测中的信号采集问题 ,介绍了在仪器中把多路的被测模拟量变为数字量的技术过程。经对实际采集的海底信息的频谱曲线进行分析 ,证实所采用的ΔΣ技术以及多路信号采集的电路方案是合理的。     

四阶△－∑过抽样电路原理及其在微弱地学信号检测中的应用

传统的测量电路无法解决诸如海底大地电磁场这样微弱地学信号的检测问题。近几年诞生了一种称之为△-∑的电路理论以及相应的硬件芯片，给微伏级的弱信号检测开辟一条新的技术路径。文章介绍与地学探测有关的一种△-∑电路类型，该类型以低频段微弱信号为检测对象。采用系统理论和电路分析方法对△-∑原理作了较深入的讨论，阐明这种电路技术对提高微弱信号观测的分辨率是有效的。结合海底大地电磁探测中的信号采集问题，介绍了在仪器中把多路的被测模拟量变为数字量的技术过程。经对实际采集的海底信息的频谱曲线进行分析，证实所采用的△-∑技术以及多路信号采集的电路方案是合理的。     

海底MT采集电路在非实时监控状态下的容错性设计

测量海底大地电磁场的仪器系统只能以非实时监控模式运行,这给信号的采集工作带来诸多不可预测的因素。在测量周期长、条件恶劣且与人员隔绝的时空条件下,信号测试过程会受到来自环境干扰和电路异常等方面的影响。因而,预防干扰及自动纠错成为海底大地电磁信号采集电路必须具备的功能。针对可能出现的电路故障,设计相应的软硬件纠错方案以确保海底的仪器始终正常工作是十分重要的。详细分析了海洋作业过程中由于强烈振动的影响、电子盘的写盘噪声以及方向传感器的电磁辐射等方面的故障及其产生的原因,并提出了软件与硬件相结合的容错性设计方案,实现了海底电磁信号采集在非实时监控状态下的容错功能。     

海底大地电磁探测的实时数据备份技术

海洋环境复杂.国外的文献和国内的应用例子均表明, 电磁探测仪器在海底工作时, 由于各种不测因素导致数据丢失的现象时有发生.相对于陆上同类测量而言, 海底大地电磁探测成本高, 作业难度大, 且不易实施数据采集的重复观测.因此, 实时数据备份技术的研发, 对确保实测数据的完整性, 从而提取探测区域的全部介质电性信息, 将具有重要的科学意义.在所确定的技术方案中, 以PC104计算机为主控单元, 自主开发ISA总线转USB总线的接口电路, 实现将海底采集的大地电磁数据实时地同时存入IDE盘和U盘.电路采用了CPLD译码及逻辑控制、双向数据收发及CH375A接口转换等芯片, 并在PC104源程序中扩展了对上述芯片的控制指令.仪器具备了实时数据备份的功能后, 以冗余的数存量确保了海底大地电磁信息的完整保存.经黄海海试, 证实了本技术的实用效果.      

海底大地电磁探测的海洋试验研究

开展海底大地电磁探测需要有一套完善的海上施工方案。为解决海洋环境作业过程中遇到的工程技术问题 ,如探测仪器布放点位的选择、电路初始化设置以及设备的投放与回收方式等等 ,提出了有针对性的解决方法 :利用多波束声纳扫描和抓斗取样技术了解海底地形与底质 ;根据信号的频宽合理选取采集参数 ;研发与海上作业相关的专用硬件产品 ;用声控技术实现设备的回收等等。经过海洋探测试验 ,验证了上述方法的有效性。     

抽取滤波在海底大地电磁探测中的应用

海底大地电磁仪使用了△-Σ调制技术来实现微伏级信号的采集.从抽样理论出发,讨论了针对△-∑调制器输出的高频位流信号而进行的抽取滤波的原理及其构成,指出抽取滤波过程中必须使用多级抽取结构进行抽取和滤波,海底大地电磁仪器中使用的三级抽取滤波结构实现了数字抽取、抗混叠和滤除基带以外量化噪声的功能.同时也介绍了滤波模块的接口和海底大地电磁数据采集器中数字通道原理.结合海底大地电磁仪器的海上试验,通过分析采集的时间序列及其频谱曲线,说明海底大地电磁仪中使用的抽取滤波是合理、可行的.     

海底大地电磁数据采集电路的接口技术

为了实现智能化的海底大地电磁数据采集,必须应用计算机技术使采集过程自动控制、被测数据自动存储、且电路具有某些纠错功能.根据海洋工程的作业特点,较详细地介绍了自行研制的海底大地电磁仪中的数据采集接口技术.整套仪器系统经海洋试验,证实是有效的和实用的.     

海底大地电磁数据采集器高精度应急时钟源的设计

为了实现海底大地电磁探测的远参考道测量,各台仪器需同步采集数据,为此,设计了1个具有微秒级误差的高精度应急时钟源。该时钟源的设计采用单片机(MCU)为主控单元,应用了串行通讯、I²C等技术手段。文中概要介绍了其硬件组成和软件程序的设计。     

硬件系统集成——海底大地电磁测量的关键技术

海底大地电磁探测是一项多学科交叉和多技术渗透的前缘课题 ,课题的目标之一是研制用于海底数据采集的大地电磁测量系统。入海的难度给该系统提出了特殊要求 ,即必须解决海下仪器安全及海面与海底间的设备运载问题。由于涉及多项技术内容 ,每项技术由相应的硬件完成 ,因而整个系统包括了多个集成部件 ,各部件分别实现密封承压、重载下沉、水下布极、释放上浮等各项功能。在系统集成过程中 ,除了要考虑各部件的协调装配外 ,系统整体指标的完善性是研究的重点。根据海上作业的特点和船只设备的具体情况 ,系统集成方案解决了结构、强度、平衡、保护等设计难题 ,提出了若干个既实用又可靠的工程技术方法。集成后的系统经过了从甲板投放、海底数据采集到设备回收全过程的试验。     

Seafloor classification of the mound and channel provinces of the Porcupine Seabight: an application of the multibeam angular backscatter data

In this study multibeam angular backscatter data acquired in the eastern slope of the Porcupine Seabight are analysed. Processing of the angular backscatter data using the ‘NRGCOR’ software was made for 29 locations comprising different geological provinces like: carbonate mounds, buried mounds, seafloor channels, and inter-channel areas. A detailed methodology is developed to produce a map of angle-invariant (normalized) backscatter data by correcting the local angular backscatter values. The present paper involves detailed processing steps and related technical aspects of the normalization approach. The presented angle-invariant backscatter map possesses 12 dB dynamic range in terms of grey scale. A clear distinction is seen between the mound dominated northern area (Belgica province) and the Gollum channel seafloor at the southern end of the site. Qualitative analyses of the calculated mean backscatter values i.e., grey scale levels, utilizing angle-invariant backscatter data generally indicate backscatter values are highest (lighter grey scale) in the mound areas followed by buried mounds. The backscatter values are lowest in the inter-channel areas (lowest grey scale level). Moderate backscatter values (medium grey level) are observed from the Gollum and Kings channel data, and significant variability within the channel seafloor provinces. The segmentation of the channel seafloor provinces are made based on the computed grey scale levels for further analyses based on the angular backscatter strength. Three major parameters are utilized to classify four different seafloor provinces of the Porcupine Seabight by employing a semi-empirical method to analyse multibeam angular backscatter data. The predicted backscatter response which has been computed at 20° is the highest for the mound areas. The coefficient of variation (CV) of the mean backscatter response is also the highest for the mound areas. Interestingly, the slope value of the buried mound areas are found to be the highest. However, the channel seafloor of moderate backscatter response presents the lowest slope and CV values. A critical examination of the inter-channel areas indicates less variability within the estimated three parameters. Financial support of this study was granted by the European Commission Fifth Framework Project GEOMOUND (contract no. EVK3-CT-1999-00016).     

舟山海域海砂资源声地层剖面探测研究

在对研究区实测声地层剖面资料进行分析解释的基础上,对比地质浅钻资料,将浅部地层划分为四个地震相单元,对研究区浅地层的沉积格架有了进一步的认识。对区内海底潮流沙脊、沙席、埋藏潮流沙脊、海底沙波等砂质地质体的地质特征有了较深入的了解,并对砂矿的物质来源、成因进行了讨论,揭示出本区砂体近源沉积、快速堆积的特点。     

海底电磁探测仪器的承压密封舱

在海底进行电磁场探测必须解决仪器的承压密封问题。密封舱的体重对海上投放作业的难易程度有直接影响。为协调设备安全与海上施工效率的一致性,对所研制的承压密封舱需进行合理设计,以较小的体积和重量实现所规定的承压指标。论述了海底电磁探测仪器的承压密封舱的可靠性设计方法、舱体内部的器件安装结构及海底测量过程,压力模拟试验表明所研制的承压密封舱已达到设计要求。     

海上风机分段斜壁桶形基础的水平承载力计算方法

在部分浅海由于大型施工船舶无法进入,海上风电工程中传统的重力式基础或桩基础不再适用,为此提出了一种新型基础--分段斜壁桶形基础。基于极限平衡法对分段斜壁桶形基础的水平承载力进行了系统性研究,提出了水平承载力计算方法,并进一步考察了斜壁倾角、桶高、桶径、土性参数等对水平承载力的影响。计算表明,水平承载力随着上部桶壁倾角、下部桶壁倾角、地基反力比例系数、桶基顶部直径、桶基高度的增大而增大,随着海床深度的增加而减小。基于体积压缩率的概念,论证并推荐优先使用上部桶壁倾斜、下部桶壁直立的桶形基础构型。建议发展针对海床地基反力比例系数的准确确定方法。研究结果有助于对桶形基础进行优化设计。     

Method for calculating the horizontal bearing capacity of segmentally-tapered bucket foundation of offshore wind turbinesEI北大核心CSCD

Because large construction ships cannot enter the shallow sea, traditional configuration foundations, such as gravity-type foundation and pile foundation, are not suited for offshore wind power project in shallow seas. Therefore, a new type of foundation-segmentally-tapered bucket foundation is proposed. Based on the limit equilibrium method, a systematic method is proposed to calculate the horizontal bearing capacity of the segmentally-tapered bucket foundation. The influences of obliquity of wall, foundation height, top diameter of bucket and soil parameters on the horizontal bearing capacity of the segmentally-tapered bucket foundation are analyzed. It is found that the horizontal bearing capacity increases with the increase of the wall obliquity, soil resistance, top diameter of bucket and foundation height, while decreases with the increase of the depth of seabed. Based on the concept of volume compression ratio, the bucket foundation with inclined upper section wall and vertical lower section wall is recommended and demonstrated. An accurate method is proposed to determine the proportional coefficient of soil resistance. The results are helpful in the optimization design of traditional bucket foundation.     

海底热液成矿作用

根据近二三十年海底地质考察结果,海底热液成矿作用非常普遍,可以形成铜、铅、锌、金、银、铁、硫、重晶石、萤石、锑、汞和硼等海底热液矿床.按容矿岩石不同,可分为与火山岩系有关的及与沉积岩有关的两大类矿床类型.