深海磁日變觀測系統研究

陸敬安，柴劍勇，徐行，嚴興，黃暉，于彥江，黎珠博

（1.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760；2.廣東省地震局，廣東 廣州 510075）

深海磁日變觀測系統研究

陸敬安1，柴劍勇2，徐行1，嚴興2，黃暉2，于彥江1，黎珠博2

（1.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760；2.廣東省地震局，廣東 廣州 510075）

深海磁日變觀測具有探頭姿態難以控制、耐壓要求高及記錄時間長的特點。本文設計全向性質子探頭較好地解決了因探頭方向與地磁場方向的夾角較小而引起的旋進信號弱問題，同時借助于耐高壓的玻璃倉作為封裝載體實現了深水觀測目標；采用信號等級分類算法抑制干擾和評價信號質量，提高了系統測量的精度，通過實時檢測電路溫度及預先溫度標定參數實施溫度影響校正。研究的深海型日變觀測系統具有低壓供電、分鐘測量記錄時間40天以上，工作水深達6 000 m、分辨率0.01 nT以及精度0.2 nT，比測接近歐沃豪斯型磁力儀測量效果，實現了相對廉價磁力儀的高精度磁場觀測。

磁日變；深海；觀測系統；性能分析；技術設計

Abstracts :To make the deep sea diurnal variation observation needs to overcome the trouble of probe orientation,high pressure and long working time.The full orientation of the proton probe designed in this paper well resolve the weak signal due to the probable small angle between the probe and earth magnetic field.And by using of high pressure affordable glass cabin for holding the probe,successfully the aim of deep sea observation is obtained.Signal classification effectively constrains the noise and improves the recording accuracy of the system.The temperature correction is realized with real time temperature measuring calibrated by pre-temperature parameters.The deep sea diurnal variation observation system presented by this paper features with low voltage powered,can last more than 40 days by minutes recording and its affording depth is 6,000 m with resolution 0.01 nT,accuracy 0.2 nT.Its recording effects are much close to the Overhauser magnetometer.Thus relatively high accuracy magnetic observation is achieved by lower price instruments.

Keywords:magnetic diurnal variation,deep sea; observation system; performance analysis; technique design

地磁日變觀測是磁力勘探的重要工作，對于準確確定因地質構造或磁性體引起的異常十分關鍵。陸地日變觀測一般可通過定點磁力測量來獲得，對于距離海岸300 km以內的近海磁力日變校正可以就近使用陸地的磁日變觀測站數據，也可以向海底投放淺海型的海底日變觀測儀來解決。隨著海洋磁力測量向深海區擴展，有必要研究適用于深海工區的日變觀測站。作為先期調查手段之一的磁力勘探面臨日變校正的難題，該問題的良好解決有利于正確發現和識別地質異常體。適用于深海磁日變觀測的系統需具有耐高壓、觀測時間長、耗電低及探頭具有全向性的特點[1]，目前用于海洋日變觀測的主要是由加拿大海洋磁力儀公司生產的“哨兵”日變站，該系統為歐沃豪斯型的磁力儀，其探頭一般有兩個互相垂直且垂直地磁場的線圈，繞裝于有特殊工作物質的有機玻璃容器外面，該儀器可用一個很小的探頭即可得到很強的旋進信號及很高的靈敏度[2,3]。研究表明，通過采用高度集成元器件和改進數據處理方法，即使采用常規質子探頭也同樣可以達到降低功耗和提高觀測數據質量的效果。

1 探頭設計

通常用于陸地觀測的磁力儀探頭由兩個串聯線圈構成[4]，其方向易于控制。處于海水中的磁力儀具有特殊的工作環境，尤其是探頭容易受海流的影響而處于方向未知狀態。深海磁日變觀測儀應考慮其投放海底后探頭空間姿態無法控制的問題，當線圈方向與地磁場夾角較小的情況下質子旋進的信號也減弱，嚴重影響數據記錄的效果。為此設計了三組軸向互呈120度夾角的全向性線圈（見圖1），保證其在海底時無論處于哪個方向總有一組線圈能夠與地磁場保持最大夾角，從而使旋進的信號為最大幅值。探頭和電路分別密封于分離的耐高壓玻璃球中[5]，工作時玻璃球被抽成20%的真空以保證球的密封性，該球可承受60 Mpa高壓，因此本系統的作業水深達6 000 m，如圖2所示。

圖1 全向性線圈結構設計Fig.1 Construction of the full orientation coils group

圖2 探頭倉外觀形態Fig.2 Appearance of the probe cabin

2 電路測量原理

質子旋進式磁力儀的核心部分為高精度的測頻計，只要能夠準確測量出質子旋進頻率 f，即可由下式求出地磁場的值：

式中，T為地磁場值，單位為納特（nT），f為質子旋進的頻率，單位為赫茲（Hz）。

本系統的基本電路結構如圖3所示。電路主要包括探頭、信號調諧、選頻放大、整形和記錄幾部分，控制芯片采用編程靈活的PIC16F877中央處理單元，從而減少電子元器件的使用以達到降低功耗的目的。同時，考慮到海上作業的方便性及海水溫度變化范圍大的特點，還在電路中增加無線射頻參數設置及數據接收和溫度系數校正功能。

2.1 高速器件測周及理論分辨率

電路采用測周法來精確獲得信號的頻率，用待測信號的511個周期作為30 MHz標準脈沖的計數閘門時間，在此時間內用24位高速(100MHz)計數器記錄下標準脈沖的個數N，則可算得待測信號的周期 t =N/（511×30 000） ms，磁場總強 T=1/t×23 487.4 nT。

假設被測磁場強度為45 000 nT，測量計數N =23 487.2/45 000×511×30 000 =8 001 306，由于計數器分辨率為±1，則此電路磁場測量的最高分辨率為±1/N×45 000 =±0.005 6 nT。

2.2 信號等級評估及實時處理

實際測量過程中，由于被測磁場夾雜了相近頻段的干擾，直接影響了磁場觀測的精度，根據被測磁場與干擾在時域特性上的差異和旋進信號的衰減特性，研究了一種有效抑制干擾的數據采集處理方法。即在每次極化磁場撤消后在旋進信號的衰減過程中讀取五個計數值N1、N2、N3、N4、N5，然后自動計算這五個數的離散性即均方差σ，根據實驗分析，確定出信號等級計算的經驗公式以及數據處理規則，信號等級計算公式為：

由（2）式可定出0-15的信號等級，并據此將其按如下三種情況處理：

信號等級同步被記錄下來，作為產出數據日后進一步處理的重要依據。

圖3 深海日變觀測系統電路結構Fig.3 Circuit structure of deep sea magnetic diurnal variation observation system

2.3 電路溫度影響校正

本電路系統采用了30 MHz的晶振，作為頻率測量的標準脈沖發生器，它的溫度穩定性對于頻率測量的精確度至關重要。由于存在溫度系數(0.1 ppm/℃左右)偏移，即晶振溫度變化2.5℃，可引起磁場測量值0.01 nT的偏差。因此，要提高測量精度必須解決這一問題，另外，電路其他器件也存在一定的溫度系數影響。目前絕大多數同類儀器都采用溫補晶振的方法[6][7]，這種方法存在諸如所需溫補晶振匹配選擇困難、環境溫度適應范圍窄、電路靜態功耗增大、不能解決其他器件的溫度影響等缺陷。為了有效解決這些問題，該系統采用高靈敏的溫度集成傳感器件（AD590）和 12位的 A/D模數轉換器（PIC16C877自帶）對電路的溫度進行實時檢測，根據事先對整個電路溫度系數的實測標定參數，在測量程序中直接將其校正。

3 比測效果分析

系統經過淺海試驗和多次陸地比測，各項測量和控制參數已調整到理想狀態。圖4為本系統在廣東省肇慶國家地磁臺的試驗比測曲線，顯示的記錄時間為5 400 min（90 h）。

圖4 本系統與某Overhauser型磁力儀陸地測量對比曲線（實線為本文研制的儀器記錄曲線，虛線為某歐沃豪斯型磁力儀記錄曲線）Fig.4 Data comparison recorded by the discussed set and the instrument with Overhauser probe(Solid curve was recorded by the new developed station,the dash curve by an Overhauser magnetometer)

從圖中可以看出，本文研究的儀器除整體數值略高出某歐沃豪斯型儀器記錄值外（小于5 nT），二者變化的細節完全一致，很好地反映了地磁場變化的特征。它們之間的絕對差值可通過常數加以適當校正。圖中歐沃豪斯型儀器的分辨率為0.01 nT，精度為0.1 nT，表明本系統也已具有良好的磁場觀測性能。

[1]姚俊杰,徐洪章,孫 毅.HC-90D型地磁日變站工作原理及操作方法 [J].海洋測繪,2003,23(6): 18-20.

[2]裴彥良,梁瑞才,劉晨光.海洋磁力儀的原理與技術指標對比分析 [J].海洋科學,2005,29(12): 4-8.

[3]趙志鵬,董浩斌.低功耗高精度質子旋進式磁力儀的設計 [J].石油儀器,2007,21(2): 13-15.

[4]管志寧.地磁場與磁力勘探 [M].北京: 地質出版社,2005.

[5]陸敬安,徐行,廖開訓,等.深海磁日變觀測系統設計 [C].南海地質研究,北京: 地質出版社,2007.

[6]梁 放,辛月提,袁景山,等.G-856質子磁力儀恒溫系統的研制及應用 [J].東北地震研究,2005,21(2): 62-67.

[7]夏 忠,馮志生,稽才建.FHD1型質子磁力儀的改進與完善 [J].地震學刊,2002,22(2): 28-30.

The study on the deep sea magnetic diurnal variation system

LU Jing-an1,CHAI Jian-yong2,XU Xing1,YAN Xing2,HUANG Hui2,YU Yan-jiang1,LI Zhu-bo2
(1.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760,China;2.Earthquake Bureau of Guangdong Province,Guangzhou 510075,China)

P738.3; P631.2+3

A

1001-6932(2010)04-0392-04

2009-05-19；

2009-12-08

“十一五”863課題資助（2006AA09Z345）

陸敬安（1970－），男，博士，主要從事海洋地球物理資料解釋工作。電子郵箱：lujingan2002@yahoo.com.cn