海底环境参数采集电路的硬件实现及其驱动软件设计

海底大地电磁探测与陆上同类探测的技术差别之一是其测量过程受环境因素的影响较大.为真实地获取海底岩石介质的电性模型, 在对海底大地电磁实测信号进行数据处理的同时, 需参考海底仪器的方位朝向、倾斜姿态等信息, 以便认识海底电磁场真实的矢量变化方向, 进而实现对整个测网多站位的统一资料解释.为达到这一目的, 海底大地电磁仪内部设有环境参数采集通道, 该通道对诸如方位、倾斜、温度等信息实施分时循环采集.电路包括PC104嵌入式计算机、多路选择开关、逻辑控制门阵列等硬件单元.在硬件架构搭建完成后, 开发出相配套的电路驱动软件, 实现对海底环境参数的实时记录与存储.近期的海洋试验效果显示, 所研制的电路硬件及其驱动软件已达到设计要求.      

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△－∑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。     

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。     

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.     

长周期大地电磁测深仪中电场信号采集电路研究

在长周期大地电磁测深仪中,探测的大地电场信号频率低、频带宽、能量弱、幅度小且易受环境噪声的影响。为了提高大地电场信号的测量精度,基于STM32微处理器,以TI公司的运算放大器和模数转换器相结合,搭建了由增益放大器、低通滤波器、差分驱动器、高精度Δ-∑A/D转换器和微处理器组成的一种长周期大地电场信号数据采集电路。测试表明,采集电路的主要技术指标满足电场信号采集要求。     

海底电场传感器原理及研制技术

因海底电场信号微弱，海下自然环境复杂以及海水导电介质以氯离子为主等原因，用于海下电场测量的电场传感器在材料和结构上有其特殊性。研制海底电场传感器成为开展海洋大地电磁探测的重要技术内容之一。研制过程遇到的主要技术问题有；海底电极材料的选择；电极的制作工艺；承压与密封技术；海水运动对测量产生不利影响的克服办法；水下弱信号传输的抗干扰问题，等等，阐述了对上述问题的解决办法。提出了海底电场传感器的全套研制方案。并列举了相关的室内模拟实验和海洋试验的结果。     

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.      

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。     

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。     

黄河三角洲埕岛海域地貌演化及其地质灾害分析

根据多次的调查资料分析,埕岛海域现在的海底上主要存在5种微地貌形态区即冲蚀地貌区、滑动挤压脊和塌陷凹坑地貌区、侵蚀残留岗丘或台地、斑状海底地貌区、粗糙和平滑海底。三角洲特殊的地貌演化结果对海底管线、座底式平台稳定造成很大危害,在构筑物设计和施工过程中应予以重视。     

大鹏湾海洋地质环境与地质灾害综合分析

广州海洋地质调查局在大鹏湾深圳海域开展了海洋地质环境与地质灾害综合调查研究。笔者根据调查所取得的海水化学、海底表层沉积物和海底工程地质条件(包括潜在地质灾害)等方面的资料，结合实测的海底地形地貌背景，对大鹏湾海域的海洋地质环境进行了单因子评价和多因子综合评价，认为大鹏湾的海洋地质环境总体呈良好状况，并对大鹏湾的海洋开发工程建设提出了有益建议。     

潍河下游地区海咸水入侵动态三维数值模拟分析

文中以潍河下游的莱洲湾南岸地区为研究区 ,阐述了海咸水分布规律。针对海咸水运移过程中的水动力学特征和化学动力学特征 ,推导了水动力化学动力耦合的盐分运移对流弥散方程 ,水动力过程考虑了浓度变化对水流运动的影响 ,化学动力学过程考虑了含水介质表面吸附 (解吸 )作用对盐分运移的影响。采用改进的非线性特征有限元法 ,求解高浓度溶质运移三维模型。计算结果表明 ,该模型更真实地刻画了海咸水入侵系统。通过对海咸水入侵规律进行模拟 ,指出海咸水入侵的根本原因是过量开采地下淡水资源 ,要防止海咸水入侵 ,必须科学开采地下淡水资源。