2017, Vol. 60
2. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司, 西安 710077
2. Xi'an Geophysical Prospecting Equipment Company of BGP, Xi'an 710077, China
海洋电磁法(Marine ElectroMagnetic，简称MEM)通过在海上或海底测量人工发射或天然激发的海底电磁场分布规律来探测海底地质结构，能够识别出高阻油气藏，从而达到直接探测油气的目的，成为海洋油气勘探技术中必不可少的方法.该方法最早在20世纪60年代，由来自Scripps海洋研究所的Cox提出(Cox et al., 1971).在1960年代早期，Charles Cox和Jean Filloux团队开发第一个适合深海底大地电磁和海底可控源电磁法测深的设备.在1961年末，Cox和Filloux已经在加利福尼亚近海水深1000~2000 m的地方部署了电场和磁场信号接收器.1965年，他们在4000 m水深、离海岸650 km的距离部署了类似的工具.
该方法被Scripps海洋研究所、挪威EMGS公司、PGS公司、德国BGR、日本JAMSTAC等用于海底油气和天然气水合物资源的探测(Constable, 1990; Constable and Heinson, 2004; Tompkins et al., 2004; Constable and Srnka, 2007；Scripps, 2009; EMGS, 2015).搭载在海底电磁采集站或拖曳式电场采集站上的电磁数据记录仪是海洋电磁勘探的关键装备之一，负责采集海底微弱的电场和磁场信号(邓明等，2013).
目前国际上已有数家组织开展了海洋电磁采集站的研究，比较有代表性的有美国Scripps海洋研究所、挪威EMGS公司.SIO数据记录系统典型指标有时间序列时间漂移1~5 ms/天、电场通道噪声1 nV/@1 Hz，最高采样率1000 Hz、没有自动增益控制、连续记录60天等；挪威EMGS可以提供商业海洋电磁勘探服务并取得一定成果；其设计的数据记录系统典型指标有时间序列时间漂移1~5 ms/天、4通道(2E+2H)、电场通道噪声1 nV/@1 Hz、磁场通道噪声0.11 pT/@1 Hz、采样率典型50 Hz、自动增益控制、可连续记录55天等(EMGS，2015).
国内单位，如中国地质大学(北京)，从20世纪末开始进行海底电磁采集站的研发，已进行了20多年的研究，近年来，在南海海域进行天然气水合物的探测工作，取得了显著成果(陈凯等，2013).“十二五”期间，东方地球物理公司联合中国地质大学(北京)、中国海洋大学等单位进行了“深水可控源电磁勘探系统开发”，目标是探索和研究海洋可控源电磁勘探技术，研制出一套实用化海底油气勘探仪器设备.分析国内外的研究成果，海洋电磁信号采集可以在以下两个方面开展进一步研究：其一，低功耗小于1 ms/天低时钟漂移实现，当时钟漂移相对较大时，会造成多台采集站数据不同步，给后续地层信息解释带来偏差；其二，海底电磁信号自动增益采集，随着MCSEM发射设备电流越来越大，自动增益可以更大动态范围采集海洋电磁信号，提高有效收发距.
本文在深入研究海洋电磁法探测原理、深入分析海洋电磁信号特点的基础上，采用低功耗高稳定芯片级原子钟、信号动态分析技术、优化电路设计方案，实现了6通道电场、2通道磁场数据同步采集；实现了时钟误差小于0.3 ms/天，采样率150、600、2400 Hz可设置，可连续记录数据41天；实现了自动增益控制，电场通道噪声为1 nV/@1 Hz.截止2017年3月已生产11套采集记录单元，2016年8月在河北固安、张北等地进行了陆地大地电磁试验，2016年10月在海南海域附近获取了100 m水深的大地电磁数据，理论和试验表明本文研制的数据记录单元可以低时漂、大动态范围地获取海洋电磁信号.
2 海洋电磁法探测原理及信号采集技术难点 2.1 海洋电磁法探测原理海洋电磁方法按照信号源不同可以分为只有天然场源的海洋大地电磁方法(Marine Magnetotellurics，简称MMT)和使用人工源的可控源电磁方法Marine Controlled Source Electromagnetic，简称MCSEM)(何展翔等，2006；何展翔和余刚，2008).MCSEM方法需要发射机和接收机配合工作.为满足勘探的需求，发射机拖体在位于海底约50 m的高度产生零点几到几十赫兹、数百安培的电偶源激励信号，位于海底的接收机对上述人工场源的直达波、空气波、海底及地层的反射波、天然场源的海底电磁信号进行高精度观测.通过后期数据处理获取海底以下介质的电性结构，进而为油气评价提供电性依据.图 1给出了海洋CSEM系统的工作示意图，其中发射机极距在几十米到数百米之间(何展翔等，2006)，通过浮力材料使发射极悬浮，距海底约50 m，发射机供以零点零几赫兹到几十赫兹变频交流电.海底接收采集站一般会排成阵列或者排成一条直线.MMT和MCSEM的区别在于前者不需要人工场源信号，施工、数据处理方式也不一致等(罗鸣等，2016).
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图 1 MCSEM装备构成和施工方法(图片来源于EMGS网站) Fig. 1 Equipment and construction method of CSEM (image from EMGS website) |
海洋采集站电场信号通常使用Ag/AgCl电极，磁场信号测量通常使用感应式磁传感器(邓明等，2003).MMT信号是一种天然的随机场信号，幅值通常在毫伏至微伏级，与背景噪声量级相当，有时甚至更小(邓明等, 2004a, b).海底CSEM在拖曳发射机距离接收机距离相对较远时，信号强度和海洋MT信号类似.当拖曳发射机距离接收机距离特别近时，强度非常大，数据记录采集容易饱和(陈凯等，2011).
2.2 海洋电磁信号采集技术难点MEM由于受到在海底工作的条件限制以及其工作方式的要求，其相对地面电磁探测仪器面临如下挑战：
(1) 时间方面：接收系统仪器在海底使用阵列式布设，多机同步采集，对时间同步要求高(陈凯等，2012)(一般要求一天漂移小于1 ms)，但又无法使用全球导航卫星系统(GNSS，如GPS、北斗)等途径获取高精度的时间同步信息，因此需要接收机自带高精度时钟源.
(2) 噪声和动态范围方面：受高导海水衰减影响，所观测的电磁的信号幅值微弱，对采集电路的本底噪声提出严格要求，需要研制高灵敏度、低噪声的信号放大处理单元(魏文博等，2001)；被观测信号经过传感器得到电压变化范围为纳伏至伏特级，需要研制大动态范围信号采集单元.
(3) 稳定可靠性：接收系统布设至海底后，需要连续工作30天甚至更长时间(邓明等, 2004a, b)，海底仪器无人值守(邓明等, 2004a, b；张启升等，2004)，需要采取电磁辐射保护、模数隔离、多个供电电池并联等措施，保证仪器在水下长期稳定工作.
3 海洋电磁信号采集记录单元设计 3.1 总体设计电路总体结构如图 2所示，GNSS在海面或地面接收时间位置信息，用于校正数据记录单元内部时钟系统，校正完成后脱离主机电路；数据记录单元选用高能量密度的聚合物锂离子电池作为能量来源，在甲板可借助快速充电器充电；控制电脑通过以太网和串口(UART)与数据记录单元连接，实现命令下传、数据上传；电脑运行命令控制、状态监控、数据接收、格式转换、数据预处理软件，适应不同数据处理解释软件要求.
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图 2 MEM数据记录单元 Fig. 2 Block diagram of MEM data recorder |
针对海洋采集要求特点等，设计满足MEM需求的数据记录单元；主控MCU使用Atmel公司的ARM926EJ-S核心指令集的工业级处理器，并将工作主频降到一半(200 MHz)；时序逻辑控制使用Altera公司低功耗系列CPLD；使用低功耗、极高稳定度的芯片级原子钟；使用美国德州仪器公司的高精度、低功耗ADC芯片ADS1282；设计不同增益斩波放大器完成信号调理，实现了MEM电磁信号高可靠性、低时漂(小于1 ms/天)、低功耗、大动态范围采集.
3.2 低时钟漂移模块设计MCSEM方法要求多台采集站、发射源、导航系统之间保持时间一致性，频带较高，时钟准确性要求严格.150 Hz频率下，1°相位误差意味着时钟误差应小于0.02 ms，假设一次施工持续一个月，晶振频率稳定误差应小于0.2 ppb/s.
海洋采集站不同于陆地采集站，能够实时接收到GNSS信号并完成时钟的校准.海洋采集站通常在甲板单元完成一次对钟之后，就会投入海底，在海底采集信号过程中，是没有GNSS信号的，只能依靠采集站本身的时钟系统完成多台采集站之间的同步.海洋电磁信法通常要求数据记录系统连续记录几周数据，这要求所设计的时钟系统能够同时具有低时漂和低功耗等特点，本文选取Symmetricom公司生产的SA.45s芯片级原子钟，与典型的、指标优秀的恒温晶振(Oven-Controlled Crystal Oscillator, 简称OCXO)、温补压控晶振(Temperature-Compensated Voltage-Controlled Crystal Oscillator，简称TCVCXO)进行关键指标对比，对比结果如表 1所示.由表中对比结果可以发现SA.45s具有功耗较低、频率更准、老化率更低等优势.
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表 1 不同类型晶振关键振指标对比 Table 1 Key parameters of different types of oscillator |
低时钟漂移硬件电路由甲板控制盒的GNSS以及数据记录单元集成的原子钟、CPLD、MCU组成，如图 3所示.GNSS得到有效时间信号后通过UART发送给MCU和原子钟模块，同时把PPS信号送给CPLD和原子钟，CPLD通过比较GNSS模块的PPS和原子钟的PPS_OUT信号，得到二者之间的偏差，通过控制原子钟的压控管脚，不断校准原子钟模块输出频率，使其误差降到1个CLK时钟周期(50 ns)，CPLD通过SPI总线把时钟系统送给MCU.
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图 3 低时漂硬件设计 Fig. 3 Block diagram of low time drift hardware |
MCSEM工作过程中，发射机拖曳至近海底，向布设在海底的电磁信号采集站发射大功率电磁波(王猛等，2013)，当发射机距离海底采集站信号比较近时，采集站接收到的信号非常强；当发射机距离海底采集站信号比较远时，采集站接收到的信号很微弱.这就要求海洋电磁信号记录单元有大动态范围采集信号的能力.
自动增益是采集的增益随着信号强度变化而自动改变，是闭环负反馈控制系统.当弱信号输入时，采集系统选择高增益，保证输出信号强度；当输入强信号时，采集系统选择低增益，防止输出信号饱和.
设计的采集电路单元在不增加通道数量的情况下，选取双通道31位ADC、设计不同增益的模拟放大电路.工作过程中即时分析被测信号幅度，选择其中一种适合的增益放大电路，同时，另外一种增益模式对应电路掉电以节省功耗.CPLD完成ADC输出数字编码的整合，加入时间信息把数据流传递给MCU，在MCU中实现快速傅里叶变换进行信号分析，MCU把得到的数据流一边存储一边做分析，MCU计算信号幅度后，将得到的信号幅值和预设的区间进行比较，从而进行增益决断，控制开关控制单元，切换前置继电器并使能相对应的放大电路，实现自动增益控制.为得到不同增益的系统频率响应，集成标定信号发生器，实现框图如图 4所示，数据硬件记录单元实物如图 5所示.
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图 4 数据记录单元自动增益控制结构 Fig. 4 Block diagram of automatic gain control |
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图 5 数据记录单元硬件实物 Fig. 5 Photo of real data recorder unit |
实验室测试内容为数据记录单元不同增益频率响应、噪声水平、时钟误差等(张天信，2015).通过电磁信号采集记录单元集成的标定系统获得系统频率响应，在得到海底频率响应时需要去除采集系统的响应(底青云等，2013).本文研制系统集成高精度信号发生装置，能够与采集单元高精度同步，同步误差可忽略.通过标定模块得到数据记录单元的频率特性如图 6、图 7、图 8、图 9所示.
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图 6 数据记录单元电场通道增益为54 dB频率响应 Fig. 6 Frequency response of electric field channel with gain 54 dB |
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图 7 数据记录单元电场通道增益为0 dB频率响应 Fig. 7 Frequency response of electric field channel with gain 0 dB |
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图 8 数据记录单元磁场通道增益为0 dB频率响应 Fig. 8 Frequency response of magnetic field channel with gain 0 dB |
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图 9 数据记录单元磁场通道增益为-12 dB频率响应 Fig. 9 Frequency response of magnetic field channel with gain -12 dB |
数据记录单元噪声测试在屏蔽室中进行，屏蔽室内部电磁噪声干扰足够低.在此条件下数据记录单元记录结果为系统本底噪声.本文研制的数据记录单元在中国科学院地质与地球物理研究所十三陵空间环境野外科学观测研究站的屏蔽室内完成.测试结果表明，本文研制的数据记录单元电场通道噪声水平为1 nV/@1 Hz，通频带为1 mHz~160 Hz.动态范围测试统计如表 2所示.
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表 2 动态范围测试统计表 Table 2 Test statistics of dynamic range (DR) |
数据记录单元与低时钟误差GPS模块(时间误差为±20 ns)通信校准时钟后，得到与GPS模块相同时间记录系统，通过比较GPS模块秒脉冲(PPS)信号、时间信息和数据单元计时脉冲信号、时间信息之间的关系可得到系统的时间误差，测试方法如图 10所示.其中，对钟时刻GPS时间信息与计时单元时间信息相同、秒脉冲同相位；校钟时刻，时间信息相同、GPS秒脉冲与计时单元秒脉冲存在相位差，该相位差即是系统时间误差.
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图 10 时间漂移测量方法 (a)超前; (b)滞后. Fig. 10 Method of measuring time drift (a) Forward; (b) Backward. |
针对设计的数据记录单元，进行了室温下的时间漂移测试，测试结果如表 3.
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表 3 室温下数据记录单元时钟漂移结果 Table 3 Indoor time drift result of data recorder |
研制的海洋电磁信号采集单元与国外商用陆地大地电磁仪器在河北固安、张北县等地进行了对比测量.试验过程如下：本文研制的海洋电磁信号采集站与国外同类产品按照MT方式布置在同点位进行一致性测量，其中电极并联，使用同一型号的感应式磁传感器，数据记录时间约为14 h，获取到的数据使用相同的数据处理软件.视电阻率对比结果如图 11，试验结果表明，在1 mHz~320 Hz的频率范围内，两种采集站的测试结果和基本一致，吻合度高，其中80%以上频点误差小于5%.这一测试结果表明研制的数据记录单元能够稳定、可靠有效地完成大地电磁数据记录工作.
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图 11 野外视电阻率对比 Fig. 11 Apparent resistivity of different data recorders in field tests |
海洋电磁信号采集记录单元研制配套相应的电场传感器、磁场传感器、承压仓、框架等机械结构组成为海底电磁信号采集站，海底电磁信号采集站搭载东方二号科考船，采集站整体如图 12所示.在北京时间2016年10月份在海南某海域进行了海洋试验，海水水深约100 m，采集站设置采样率150 Hz，数据记录时间从26日开始，27日结束，采集时长约为37 h.点位1视电阻率和相位(yx方向)结果如图 13所示，海洋试验结果表明，研制的海洋电磁信号采集记录单元工作正常.
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图 12 采集站实物照片 Fig. 12 Photograph of MEM receiver |
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图 13 点位1视电阻率和相位曲线 Fig. 13 Apparent resistivity and phase curves of site 1 |
经过实验室、野外测试，说明本文设计的海洋电磁信号采集记录单元已经能够完成海洋大地电磁数据采集.通过分析，采集记录单元功耗约为1.8 W、时钟误差小于0.3 ms/天；电场通道动态范围可以达到160 dB，磁场通道动态范围可以达到134 dB，达到了预期目标.目前，仍存在一些问题，比如增益转换设置时间能否缩短，有待进一步研究；高精度原子钟是否发挥出最佳水平还需深入考究；采集纪录单元仍需更多的海洋试验来验证；本采集系统需研发自己的数据处理软件.
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