海底电磁接收机新进展

海洋电磁法广泛用于物理海洋学、地球物理学、水下目标检测等领域,以上研究及应用均建立在对海洋环境下的电磁场信号高精度观测基础上。用于海底电磁场高精度观测的海底电磁接收机,需要解决仪器的高可靠性投放回收、高稳定性水下作业、低噪声、大动态范围、低时漂等一系列技术难题。文中介绍了中国地质大学(北京)近些年来在海底电磁接收机研制方面为达到以上目标所取得的一些经验、成果以及最新进展。新海底电磁接收机的典型电场本底噪声为槡0.1 n V/m/Hz@0.5 Hz,动态范围大于110 d B,时漂小于5 ms/day,与国外同类先进产品技术指标平齐。截止到2016年初,累计完成了约60站位的海底电磁数据采集作业,2012年以来接收机回收率达到100%,获取了多批次高质量的海底MT及CSEM资料,研制的接收机成功应用于水合物勘查及油气勘探领域。     

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     

带远参考测量方式的海底大地电磁同步采集技术

在海底进行带远参考的大地电磁数据采集,需解决的技术问题包括：仪器的硬件电路中需含有高精度的时钟源,该时钟的走时误差仅为微秒级;需将GPS时间信息写入主控计算机中,使得高精度时钟源成为与标准时间一致的时钟;设计同步性能可靠的数据采集电路。在研发过程中,采用温补晶振技术使振荡频率稳定至10^-7秒;编写对钟驱动程序使PC104计算机能成功地在海面上实施与GPS对钟;运用同步控制电路芯片组成完善的采集系统。海洋试验证明了上述方案的有效可行性。     

各向异性介质中的浅海海洋可控源电磁响应特征

由于受到空气波的影响,浅海海洋可控源电磁数据对海底储油层的反映较弱,如何对浅海数据进行处理和解释一直是海洋电磁理论研究的热点。随着近年来海洋电磁理论的不断完善,浅海数据已经可以被较好地处理与反演,但是其解释水平仍然受基本理论研究不足的制约。针对这一现状,本文开展了海底电各向异性对浅海数据影响规律的研究。具体方法为:利用欧拉旋转建立不同的海底电性各向异性模型,然后采用交错网格有限差分法计算浅海海洋可控源电磁响应,最后通过分析同线情况下电场E_x分量的振幅和相位曲线特征以及海底电场及电流密度分布规律,分析各向异性对浅海海洋可控源电磁响应影响的物理机制,并讨论浅海各向异性情况下海洋电磁对高阻储油层的识别能力。得出的结论为各向异性介质中的浅海海洋电磁响应特征与深海有较大区别,在进行数据的处理、反演和解释时应区别于深海情况。     

海洋CSEM和MT一维联合反演研究

传统频率域海洋可控源电磁(MCSEM)法利用极化方向电场实部与虚部信息进行反演,由于海底沉积层电阻率一般较低,在海底浅部能取得较为理想的反演效果,但难以探测到海底几千米下的深部基底。这里利用海洋可控源电磁和海洋大地电磁(MT)一维联合反演程序,采用奥克姆反演算法,尝试对海洋电阻率模型进行联合反演。通过反演试算发现,利用频率更低的海洋MT加入反演,不会影响浅部反演效果,同时能探测到深部基底,为海底油气勘探提供了更多技术手段。     

三维海洋可控源电磁场地形影响分析和校正

利用交错网格有限差分技术实现了频率域海洋可控源电磁三维正演算法,并探讨了海底地形对海洋可控源电磁响应的影响和校正方法及效果。通过与海底二维山峰地形的二维自适应有限元解对比,验证了文中算法的正确性和模拟海底起伏地形的可行性,并分析了海底二维山峰地形对三维油气储层电场响应的影响。关于海底起伏地形对海洋可控源电场响应的影响,采用比较法对其进行了地形校正,结果表明,在深水区比较法可以很好地消除地形影响,恢复海底高阻油气储层的电场响应。     

基于场延拓的海洋可控源电磁正演模拟及各向异性特征识别

海洋可控源电磁法近年来被广泛应用于海洋油气勘探之中,凭借对高阻含油储层的有效识别大大降低干井率,节约钻探成本。受沉积环境的影响,海底地层常常表现出宏观各向异性,而对海洋各向异性模拟算法进行研究可以更有效地进行海洋电磁数据解释。本文从频率域麦克斯韦方程出发,基于标量势分解理论,通过标量势函数与场的连续性条件,在波数域中将电磁场分别向海底深部和海水中延拓,并在海底耦合到发射源上完成电磁场的求解,进而利用汉克尔变换得到了空间域电磁场。通过对海底介质一维各向异性模型电磁响应特征的分析研究发现,覆盖层各向异性对电磁响应有明显的影响;然而,海底高阻层仅垂向电阻率和厚度对海洋电磁响应产生明显影响。通过极性图的方式可以对海底介质各向异性特征进行有效识别。     

二维电阻率倾斜各向异性对海洋可控源电磁场响应的影响

地下介质的电阻率常常表现为各向异性,海底褶皱带、逆冲断层带和倾斜层状沉积序列等地质构造可能形成宏观电阻率倾斜各向异性。这里采用规则矩形网格剖分有限元法,实现了二维电阻率倾斜各向异性海洋可控源电磁(CSEM)正演算法,模拟了二维电阻率倾斜各向异性模型海洋可控源电磁场响应。模型计算结果表明,电阻率倾斜各向异性围岩对含有海底高阻薄层的海洋可控源电磁响应产生严重畸变影响。因此,在海洋电磁资料解释中,电阻率倾斜各向异性的影响应该得到重视,忽略该影响将可能会导致数据解释错误。     

海洋可控源电磁发射系统状态信息采集技术研究

海洋可控源电磁发射系统是海洋可控源电磁勘探的重要组成部分,而状态信息采集是其不可缺少的部分,尤其是在高压、高温和强干扰的条件下,状态信息采集对仪器设备的可靠稳定运行起着不可估量的作用。本着简单、易用、可靠和高安全系数的原则,利用CAN总线、串口、光纤和无线网络等技术,对新一代的海洋可控源电磁发射系统状态采集技术进行了设计和实现。海上试验表明,所研究的状态采集技术方案简单易用,稳定可靠,满足了海洋可控源电磁发射系统的苛刻需求,已实际应用于我国南海可燃冰勘探生产任务当中。     

海洋可控源电磁发射系统中的绝缘在线监测技术研究

海洋可控源电磁法广泛用于天然气水合物、海底油气资源勘探和地质构造勘查。在海上作业时,船载甲板供电单元通过深拖缆向海底的海洋可控源电磁发射机提供电能。利用深拖缆传输高压大功率电能的过程中,需要对高压供电回路的绝缘电阻进行自动实时测量和监测,确保电能的安全传输和供电异常时的及时处理。本文基于高压宽频耦合器件、绝缘检测模块、远程数据传输部件和上位机监控软件,通过收集高压端至外壳地之间的漏电电流,将其模拟放大,通过测量电压值,反算绝缘电阻,实现了对高压回路对大地之间绝缘电阻的自动测量和监测。所形成的自动绝缘在线监测技术,经过海上试验验证,能够满足海洋可控源电磁发射系统的要求,很好地在线评价了系统的绝缘性能,为海洋仪器同类功能的研发提供了有益的参考。     

GPS授时地震仪走时误差校正

受制造成本和工艺的限制,GPS授时地震仪中的守时晶振不可避免地会有频率误差,继而在数据采集过程中,随着采集时间的增加,各台站之间会出现采集不同步现象。介绍了Akima分段多项式插值重采样方法及其在GPS授时地震仪时间校正中的应用。通过对理论数据与实际数据的Akima插值重采样试验表明,Akima插值重采样方法可应用于GPS授时地震仪走时误差校正,是一种简便、高效、保形性好的插值重采样方法。      

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。     

The Importance of Time Synchronization in the Local Networks of the Science and Application Center for Lunar and Deep-space Exploration

The data acquisition stations and the data processing center of the Science and Application Center for Lunar and Deep-space Exploration (SACLuDE) are located at different geographical sites. They respectively have their own local networks and interconnect with each other through access to the core data network. This paper describes the clock drift in the computer and other networked devices building up the infrastructure of the above local networks. The network time variance of the stochastic model is also estimated. The poor precision of network synchronization will bring about potential hazards to the network operation and application running in the networks, which is clarified in the present paper. At the end of the paper, a cost-effective and feasible solution is proposed based on the Global Position System (GPS) and the Network Time Protocol (NTP).     

GPS滑坡位移监测精度影响因素简析

GPS位移监测技术已被广泛用于滑坡地质灾害监测预警工作中。三峡库区典型滑坡以GPS监测数据、野外踏勘和深部位移等资料为基础,对GPS监测影响进行研究,结果表明：监测点尤其是基准点被遮挡,采集到的数据存在严重误差,对滑坡变形分析影响巨大。     

小波包分解提取高采样率GPS地震波信号

随着高采样率GPS接收机的出现、高精度的定轨以及数据处理技术的发展, 利用GPS观测高频率、瞬态的地震波信号成为可能.但如何消除混叠在地震波信号中的多路径、随机噪声等误差, 有效地提取地震波信号, 仍然是制约高采样率GPS及其地球物理应用的重要因素.提出一种基于小波包分解的方法, 对动态位移序列中的多路径误差进行消除, 同时去除高频率随机噪声, 提取地震波信号.通过结合SCIGN的19个GPS测站的1Hz采样GPS观测数据, 对2010年墨西哥M7.2地震的地震波引起的地表动态位移进行解算, 采用小波包分解有效地提取地震波信号并对其进行谱分析.结果表明, 该方法提取的地震波信号能较好地反映出地震波的传播及其特性, 具有无需多天重复观测、处理精度高等特点.      

矿井超浅层高分辨率瞬变电磁探测技术

为了减小矿井瞬变电磁探测盲区，提高探测精度，提出矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测技术。该技术不仅能够适用于常规的矿井地质探测，而且能够对矿井巷道顶板岩层裂隙等浅层地质体进行高分辨率探测，确保煤矿的安全高效掘进与开采。通过理论方法研究，确立了矿井浅层高分辨率瞬变电磁方法的可行性；设计硬件系统的发射电路和接收天线部分，使硬件系统能够适用于超浅层高分辨率探测；对数据采集软件以及数据校正方法进行分析计算，经过数据校正，提高了瞬变电磁浅层探测能力以及探测分辨率。通过矿井实测数据的分析与钻探验证情况的对比，说明该方法技术能够实现矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测目标，适用于矿井生产。      

极低频电磁(WEM)法信号检测试验

极低频电磁方法是近几年来在我国首先发展起来的地球物理新方法,可以应用于资源、能源及深部工程地质勘查中,其特色之处是在高阻区建立近南北方向和近东西方向两个长达上百公里的人工固定发射源,发射大功率电磁信号。2015年11月底发射台建设完成后,首要任务是检测远处记录的极低频电磁信号的强度和有效性,为此,我们在距发射源960 km的华北油田任丘盆地开展了首次信号测试试验:用高精度采集站接收发射信号,然后进行分段频谱分析,获得接收信号的频率谱,通过分析接收信号频谱的强度与信噪比评价发射信号的质量和有效性。在试验正式开始之前,先用10个均匀分布的频率确定最佳发射时间长度,其他频率的发射时间长度通过内插获得,以节省发射时间。通过试验,在离发射源960 km处成功检测到了电磁场有效信号。当东西方向天线发射频率高于0.353 78 Hz和南北方向天线发射频率高于1.4151 Hz时,与发射源方向一致的电磁场分量的信噪比都大于3,认为信号可靠可测。这次试验初步认定建成的发射台能够发射有效信号,可允许在全国各地进一步实施各种检测和联调试验研究。     

大地电磁单分量精准处理技术与深部致灾水体探测

为了实现天然源单分量大地电磁技术对水文地质条件的精细探测,系统分析了大地电磁信号采集和处理中存在的问题,研究了地下富水区在大地电磁波上的响应特征;根据大地电磁测深理论和层次分析法,建立了富水性指数模型;在大量实验数据的基础上,拟合波形和岩性的对应关系,从波形上分维提取岩层的介电常数、弹脆性、密度、空隙率等物性信息,按有利于岩层富水的原则赋值和归一化处理,纳入富水性指数模型进行多维度耦合计算,可得到相应深度的富水性指数值。富水性指数包含了丰富的岩层物性信息,增强了富水区在大地电磁波上的响应幅度,减小了天然场源强度变化对信号采集和识别的影响。根据富水性指数模型,利用现代计算机及通信技术,设计了双层阵列扫频式平行板电容传感器和大地电磁探水仪,并开发出了相应的数据处理程序,探测深度分辨率可达0.1 m,能够从庞杂的电磁信号中自动辨识来自深部的微弱信号,实现从时变性场源中采集信号并计算出相对稳定的富水性指数。经现场试验,仪器可清楚划分含水层和隔水层,识别富水区和微小导水通道。该技术在矿井水害防治、废弃采空区修复治理、注浆堵水、深部水文地质条件探测等工程中具有广阔的应用前景。     

Multipath interference cancelation in GPS time series under changing physical conditions by means of adaptive filtering

Multipath, a highly autocorrelated signal is observable phenomena during time periods longer than the sidereal period of Global Positioning System (GPS) satellites in their constellations. Multipath pattern and sidereal repeat time interaction are examined in terms of time series correlations of topocentric coordinates using GPS code and phase observations collected at high and low frequencies. The horizontal and vertical components at 5 and 30 s sampling rates are analyzed to detect and remove multipath classified by their M P ₁ levels and baseline lengths. For the selected 11 stations that have 24-hour data from CORS stations in the USA and Turkey, the repeat times of the GPS constellation were identified as a function of maximum cross-correlation of adjacent time series. The multipath interference signal from two-day time series data is removed by an adaptive filter to improve time series of coordinate estimates. After the filtering process, an effective epoch based position tracking has been accomplished, especially in the height component. The position errors disappeared to maximum possible extent in the pseudo-range measurements. Up to 70% improvement for the phase derived coordinates in reflective environment has been achieved over the baselines ranging from 1 km to 175 km. For the phase observables, the filter success directly related to the multipath level which is specific to the station.     

基于地下VLF人工信号源的定位技术研究

基于甚低频电磁波(VLF)穿透地层能力,研究地层对信号造成的影响,评估频率、功率和信号穿透能力的关系;从信号源、天线、信号处理滤波等方面讨论其实现的原理及关键技术;筛选适合地下-地表单向通信的合理方式和载波机制;建立简化的磁偶子定位模型,完成信号源的定向和定深。总结甚低频定位技术的关键方案,为煤层气水平井、水平对接孔、定向钻进导向孔、矿井救援等钻探领域中孔内信号传输提供一种新的通讯技术。