深海磁日变观测系统研究

陆敬安，柴剑勇，徐行，严兴，黄晖，于彦江，黎珠博

（1.广州海洋地质调查局，广东 广州 510760；2.广东省地震局，广东 广州 510075）

深海磁日变观测系统研究

陆敬安1，柴剑勇2，徐行1，严兴2，黄晖2，于彦江1，黎珠博2

（1.广州海洋地质调查局，广东 广州 510760；2.广东省地震局，广东 广州 510075）

深海磁日变观测具有探头姿态难以控制、耐压要求高及记录时间长的特点。本文设计全向性质子探头较好地解决了因探头方向与地磁场方向的夹角较小而引起的旋进信号弱问题，同时借助于耐高压的玻璃仓作为封装载体实现了深水观测目标；采用信号等级分类算法抑制干扰和评价信号质量，提高了系统测量的精度，通过实时检测电路温度及预先温度标定参数实施温度影响校正。研究的深海型日变观测系统具有低压供电、分钟测量记录时间40天以上，工作水深达6 000 m、分辨率0.01 nT以及精度0.2 nT，比测接近欧沃豪斯型磁力仪测量效果，实现了相对廉价磁力仪的高精度磁场观测。

磁日变；深海；观测系统；性能分析；技术设计

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

地磁日变观测是磁力勘探的重要工作，对于准确确定因地质构造或磁性体引起的异常十分关键。陆地日变观测一般可通过定点磁力测量来获得，对于距离海岸300 km以内的近海磁力日变校正可以就近使用陆地的磁日变观测站数据，也可以向海底投放浅海型的海底日变观测仪来解决。随着海洋磁力测量向深海区扩展，有必要研究适用于深海工区的日变观测站。作为先期调查手段之一的磁力勘探面临日变校正的难题，该问题的良好解决有利于正确发现和识别地质异常体。适用于深海磁日变观测的系统需具有耐高压、观测时间长、耗电低及探头具有全向性的特点[1]，目前用于海洋日变观测的主要是由加拿大海洋磁力仪公司生产的“哨兵”日变站，该系统为欧沃豪斯型的磁力仪，其探头一般有两个互相垂直且垂直地磁场的线圈，绕装于有特殊工作物质的有机玻璃容器外面，该仪器可用一个很小的探头即可得到很强的旋进信号及很高的灵敏度[2,3]。研究表明，通过采用高度集成元器件和改进数据处理方法，即使采用常规质子探头也同样可以达到降低功耗和提高观测数据质量的效果。

1 探头设计

通常用于陆地观测的磁力仪探头由两个串联线圈构成[4]，其方向易于控制。处于海水中的磁力仪具有特殊的工作环境，尤其是探头容易受海流的影响而处于方向未知状态。深海磁日变观测仪应考虑其投放海底后探头空间姿态无法控制的问题，当线圈方向与地磁场夹角较小的情况下质子旋进的信号也减弱，严重影响数据记录的效果。为此设计了三组轴向互呈120度夹角的全向性线圈（见图1），保证其在海底时无论处于哪个方向总有一组线圈能够与地磁场保持最大夹角，从而使旋进的信号为最大幅值。探头和电路分别密封于分离的耐高压玻璃球中[5]，工作时玻璃球被抽成20%的真空以保证球的密封性，该球可承受60 Mpa高压，因此本系统的作业水深达6 000 m，如图2所示。

图1 全向性线圈结构设计Fig.1 Construction of the full orientation coils group

图2 探头仓外观形态Fig.2 Appearance of the probe cabin

2 电路测量原理

质子旋进式磁力仪的核心部分为高精度的测频计，只要能够准确测量出质子旋进频率 f，即可由下式求出地磁场的值：

式中，T为地磁场值，单位为纳特（nT），f为质子旋进的频率，单位为赫兹（Hz）。

本系统的基本电路结构如图3所示。电路主要包括探头、信号调谐、选频放大、整形和记录几部分，控制芯片采用编程灵活的PIC16F877中央处理单元，从而减少电子元器件的使用以达到降低功耗的目的。同时，考虑到海上作业的方便性及海水温度变化范围大的特点，还在电路中增加无线射频参数设置及数据接收和温度系数校正功能。

2.1 高速器件测周及理论分辨率

电路采用测周法来精确获得信号的频率，用待测信号的511个周期作为30 MHz标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用24位高速(100MHz)计数器记录下标准脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期 t =N/（511×30 000） ms，磁场总强 T=1/t×23 487.4 nT。

假设被测磁场强度为45 000 nT，测量计数N =23 487.2/45 000×511×30 000 =8 001 306，由于计数器分辨率为±1，则此电路磁场测量的最高分辨率为±1/N×45 000 =±0.005 6 nT。

2.2 信号等级评估及实时处理

实际测量过程中，由于被测磁场夹杂了相近频段的干扰，直接影响了磁场观测的精度，根据被测磁场与干扰在时域特性上的差异和旋进信号的衰减特性，研究了一种有效抑制干扰的数据采集处理方法。即在每次极化磁场撤消后在旋进信号的衰减过程中读取五个计数值N1、N2、N3、N4、N5，然后自动计算这五个数的离散性即均方差σ，根据实验分析，确定出信号等级计算的经验公式以及数据处理规则，信号等级计算公式为：

由（2）式可定出0-15的信号等级，并据此将其按如下三种情况处理：

信号等级同步被记录下来，作为产出数据日后进一步处理的重要依据。

图3 深海日变观测系统电路结构Fig.3 Circuit structure of deep sea magnetic diurnal variation observation system

2.3 电路温度影响校正

本电路系统采用了30 MHz的晶振，作为频率测量的标准脉冲发生器，它的温度稳定性对于频率测量的精确度至关重要。由于存在温度系数(0.1 ppm/℃左右)偏移，即晶振温度变化2.5℃，可引起磁场测量值0.01 nT的偏差。因此，要提高测量精度必须解决这一问题，另外，电路其他器件也存在一定的温度系数影响。目前绝大多数同类仪器都采用温补晶振的方法[6][7]，这种方法存在诸如所需温补晶振匹配选择困难、环境温度适应范围窄、电路静态功耗增大、不能解决其他器件的温度影响等缺陷。为了有效解决这些问题，该系统采用高灵敏的温度集成传感器件（AD590）和 12位的 A/D模数转换器（PIC16C877自带）对电路的温度进行实时检测，根据事先对整个电路温度系数的实测标定参数，在测量程序中直接将其校正。

3 比测效果分析

系统经过浅海试验和多次陆地比测，各项测量和控制参数已调整到理想状态。图4为本系统在广东省肇庆国家地磁台的试验比测曲线，显示的记录时间为5 400 min（90 h）。

图4 本系统与某Overhauser型磁力仪陆地测量对比曲线（实线为本文研制的仪器记录曲线，虚线为某欧沃豪斯型磁力仪记录曲线）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)

从图中可以看出，本文研究的仪器除整体数值略高出某欧沃豪斯型仪器记录值外（小于5 nT），二者变化的细节完全一致，很好地反映了地磁场变化的特征。它们之间的绝对差值可通过常数加以适当校正。图中欧沃豪斯型仪器的分辨率为0.01 nT，精度为0.1 nT，表明本系统也已具有良好的磁场观测性能。

[1]姚俊杰,徐洪章,孙 毅.HC-90D型地磁日变站工作原理及操作方法 [J].海洋测绘,2003,23(6): 18-20.

[2]裴彦良,梁瑞才,刘晨光.海洋磁力仪的原理与技术指标对比分析 [J].海洋科学,2005,29(12): 4-8.

[3]赵志鹏,董浩斌.低功耗高精度质子旋进式磁力仪的设计 [J].石油仪器,2007,21(2): 13-15.

[4]管志宁.地磁场与磁力勘探 [M].北京: 地质出版社,2005.

[5]陆敬安,徐行,廖开训,等.深海磁日变观测系统设计 [C].南海地质研究,北京: 地质出版社,2007.

[6]梁 放,辛月提,袁景山,等.G-856质子磁力仪恒温系统的研制及应用 [J].东北地震研究,2005,21(2): 62-67.

[7]夏 忠,冯志生,稽才建.FHD1型质子磁力仪的改进与完善 [J].地震学刊,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课题资助（2006AA09Z345）

陆敬安（1970－），男，博士，主要从事海洋地球物理资料解释工作。电子邮箱：lujingan2002@yahoo.com.cn