海底油气和天然气水合物储层的电阻率与其围岩相比,如果存在差异,那么海洋可控源电磁探测方法 (Marine Controlled-source Electromagnetic, MCSEM) 对其则有较好的探测能力 (Chave and Cox, 1982; Weitemeyer et al., 2006).MCSEM方法已得到业内的认可 (Constable, 2010).然而,方法的发展离不开仪器设备的支持 (Constable, 2013).目前,MCSEM探测研究在国内外正如火如荼地展开 (魏文博等, 2009; 邓明等, 2010; 盛堰等, 2012; 刘云鹤等, 2012; 殷长春等, 2014; 蔡红柱等, 2015; 景建恩等, 2016).中国地质大学 (北京) 在“十一·五”和“十二·五”期间,国家863计划连续资助了海洋可控源电磁仪器的研发项目.海洋可控源电磁探测仪器包括发射机 (王猛等, 2009, 2011, 2013, 2015, 2017) 和接收机 (邓明等, 2013; 陈凯等, 2013).
美国Scripps海洋研究所开发的发射机是业内具有代表性的设备 (Constable and Srnka, 2007),它采用了电力载波收发调制模块来实现在同轴电力缆上传输通信信号,通信速率达到了9600bits/s,上位机软件是基于LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 图形化软件开发工具 (Weitemeyer, 2008).该工具是NI (National Instrument) 公司推出的,它用简便而直观的图形代码代替了传统复杂的程序代码,使编程过程变得更加简单方便 (杨乐平等,2004).因此,该研究所的研究成果具有非常好的参考价值.国内的其他研究者也开展了MCSEM发射机甲板监控方面的研究.例如,王腾龙等 (2013)研究了甲板监控系统中GPS串行通信系统设计,刘伟宇 (2014)开展了基于以太网和套接字接口技术的甲板监控系统通信技术.
本文展示的内容是中国地质大学 (北京) 在MCSEM发射机甲板端监控方面的研究成果.
1 海洋可控源电磁发射系统原理海洋可控源电磁发射系统原理如框图 1所示.该系统是由船载大功率发电机提供电能,发电机输出的电能借助万米铠装光电复合缆 (深拖缆) 将电能输送至海底电磁发射机,继而在发射机的控制下,形成可控的人工激励场源.
海洋作业过程中,由于MCSEM发射机工作于近海底,这一特殊环境决定了其与陆地可控源类发射机的不同.发射机一旦入水之后,只能通过长距离通信链路 (比如,万米光电复合深拖缆) 与海底发射机进行数据通信,发射机在海底除了进行逆变矩形波的激发外,还需完成多项复杂的监测与控制功能.因此,需要研制一套功能完善、界面友好直观、性能稳定的甲板端监控单元,从而方便仪器操控人员在甲板端对海底的发射机进行实时监控和人机交互.
甲板端监控单元主要包括硬件和软件两个部分.硬件是基于拖曳式大功率海洋可控源发射机的通讯模块、深拖缆中的光纤 (深拖缆中有3根电力线和3根光纤线)、甲板端控制计算机和光纤转串口的光端机,软件是采用图形化的LabVIEW高级编程语言.基于光纤的串口数据传输,其通信速率理论上来说可以达到串口的上限,但我们采用了115200 bits/s,在保证数据通讯速率的情况下,降低数据的误码率.
在发射机内,发射机微控制器通过光纤通讯模块 (光端机) 将串口数据电信号转换为能够进行长距离数据通信的光信号,在甲板端,再通过该类型模块,将串口数据还原,从而实现甲板端监控单元与海底发射机的数据通信,进而对发射机进行状态监测和控制,发射机接收来自甲板端监控单元的控制命令,包括控制发射机的启动与停止、发射频率、发射制式、测试发射机运行状态,进行GPS对钟,读取精确时间信息,设定和更新实时钟 (Real Time Clock, RTC),进行对钟操作 (此部分操作是在发射机拖体未下水之前完成);读取存储介质中的参数文件,根据预先设定好的程序来控制智能功率模块 (Intelligent Power Module, IPM),完成发射要求;测量发射电流和环境温度,并根据命令将其存储在移动存储设备当中;主控单元通过串口与上位机进行通信,接收命令参数或上传状态信息等等.发射机需返回的信息包括当前工作频率和工作方式,以便于甲板端的操作人员了解发射机的工作状态.
在海洋可控源电磁探测过程中,对仪器的姿态方位信息 (包括拖体的俯仰角度、横摇角度、拖体前进的方位角)、当前供电电压、发射电流、锂电池组输出电压、承压舱内部温度等辅助信息的测量是必不可少的.监视海下拖体的姿态方位信息,可以以此判断拖体行进过程中是否发生意外;记录正确的方位,有利于后续航迹数据的校正处理;供电电压和供电电流是发射机正常工作的间接反映,供电电流同时也是后续数据解释处理不可或缺的参数;实时监视锂电池组输出电压和仪器舱内部的温度,可用于监测仪器的工作情况.所有被测信息都上传到甲板监测单元,操作人员在甲板上可随时监测水下发射机的运行状况.在发射机投放过程中,甲板端操控人员可以随时监控发射机的工作状态,比如监测拖体距离海底的高度,待拖体高度稳定在安全值时,开始按照通信协议进行发射机供电操作;监测舱内温度,如果实时监测的舱内温度超过警戒值,则开始报警并让发射机停止工作,采取降温措施,待温度低于安全温度以后,开启发射机继续供电工作.其他参量的监测与温度监测类似,不再赘述.
2 甲板端监控软件设计分析甲板端监控软件基于高级图形化的编程环境LabVIEW开发,具体地是采用图形化交互的G语言进行编辑.LabVIEW软件是NI设计平台的核心,也是开发测量或控制系统的一种选择.
甲板端监控软件 (上位机) 需完成的功能及控制框图如图 2所示.甲板端监控单元通过串口转光纤的光端机,建立起与海底发射机微控制器之间的数据链接.海底的发射机 (下位机) 需完成的功能包括GPS对钟和实时钟RTC设定、控制智能功率模块 (IPM)、测量辅助信息 (如拖体的俯仰、横摇、方位、距海底高度、供电电流、供电电压、电池电压和承压舱内温度等) 等功能.细化地,甲板端监控软件需要实现如表 1所示的功能.在表中所示的各项功能中,可以按照LabVIEW数据流的分析方法将其展开.在启动监控单元之前,先要设置串口号和波特率,保证与海底发射机进行正确的数据连接,建立数据通信.发射机微控制器采用嵌入式单片机作为硬件核心,辅以利用C语言编制相应的控制程序,实现了图 2和表 1中所描述的功能.
甲板端监控软件和海底的发射机通过自定的通讯协议进行,协议格式如下所示: & MCSTM, En, 13.3, 0.5, Fq, 21.3, Bs, 42, 43, 1999, ,, D*77\n,其中以逗号作为字段的分隔符, & MCSTM表示海洋可控源电磁发射机的标识字符,En表示状态量在测试,13.3表示当前的电池电压,0.5表示当前的发射频率,Fq表示当前正在进行频域发射,21.3表示当前的供电电压,Bs表示正在发射,42和43表示两处不同地方的温度值,1999表示当前拖体所在的水深,D*77用于数据校验和错误代码处理.连续逗号间的内容是用于后续功能扩展.
对甲板端和海底发射机之间交互的数据进行分析,归纳出甲板端监控软件主要完成如下方面的任务:
(1) 通过串口发送控制命令字符,并实现所有数据的打包传输,以串口通信的方式接收发射机返回的状态信息,并将信号线上接收到的各种数据进行分离解析.
(2) 对上传至甲板端的信息进行可视化的展示,对上传至甲板端的信息进行分类实时地格式化存储.
(3) 发射机微控制器与甲板端监控单位通信遵从一定的通信协议,每当发射机向甲板端发送状态数据时,甲板端就会自动返回响应报文.若发送的状态数据有错误时 (如命令格式不正确或开始字符与结束字符不符合约定),甲板端将向发射机发送有错误代码的报文,通过错误代码告诉发射机产生通信错误可能的原因.发射机接收到甲板端发来的有错误代码的报文时,向发射机重新发送数据.
3 甲板端监控软件界面设计LabVIEW的开发环境包括前面板和流程图两部分,前面板主要用于数据的输入设置和输出监测,由多个控件组成.而流程图是图形化的源代码,是Ⅵ测试功能软件的图形化表述.LabVIEW采用图形化的程序语言 (G语言),这种语言不必写程序代码,看到的是直观明了的流程图语言,所以LabVIEW编程非常方便.该语言提供了大量的常用控件,如旋钮、开关、按钮、图形显示等,可直接使用,其特点是用图形代码取代了传统的程序代码,使编程变得更加直观和简单,其另外一个比较显著的特点是数据驱动的思路,用并行的机制取代了传统编程语言的顺序结构.前面板主要由控件组成,用于命令的发送和数据的显示处理.程序框图与前面板相对应,源代码以图形化的形式来编辑.
设计完成的甲板监控软件有两个界面,分别如图 3和4所示.在界面1中,主要展示发射机控制命令、舱内温度、发射机拖体所在的深度、供电电压、锂电池组输出电压、供电电流等.在电流数据备份方面,采用全波形高精度时间波形记录及备份,主要包含了三个部分:第一部分为前面板最左侧的内容,主要是串口及其波特率的选择窗口和发射电流数据的显示窗口,匹配串口进行连接,对数据进行缓存记录;第二部分为具体功能按钮,主要为左侧上部和发射电流显示上部的按钮,合理分布于前面板界面中,便于对各项功能进行控制,主要包括电磁发射开关、读取发射频率、测试状态量、更改发射频率、测试、对钟、对钟偏差、时域频域、U盘存储的起停按钮、对钟开始传数、查询对钟次数按钮等;第三部分为波形显示窗口界面,将主要数据进行波形化显示,便于实时观测数据情况以及变化情况,主要显示IPM温度、拖体距离海底深度、直流供电电压、锂电池组输出电压、发射电流的波形,可通过波形的显示分析各个数据的变化趋势.
由于目前中国地质大学 (北京) 开发的发射机包括拖曳式和坐底式两种,所以该软件界面也考虑了两种发射机的兼容控制.通过摇把开关来进行切换.坐底式较拖曳式增加了发射方向和自动发射的控制.
在界面2中,主要展示发射机拖体的姿态方位情况、拖体离底高度、尾标离底高度 (尾标是尾端发射电极的载体) 等等.如图 4所示,主要包含了四部分:第一部分为数据缓冲区,共有三块读取缓冲区,分别对接收的数据进行分类存储和显示;第二部分为姿态方位信息图标显示,通过仪表盘、水柱控件显示俯仰角、方位角和横摇角,借此直观地分析发射机拖体在水下的运动姿态;第三部分为波形图表显示,主要通过波形实时比较拖体和尾标的离底高度,便于测试发射电缆的中性浮力效果;第四部分为拖体的三维显示,通过它可以形象直观的观察水下拖体的拖曳姿态.
4 甲板端监控单元的海试2015年中国地质大学 (北京) 海洋可控源电磁组携带设备搭载广州海洋地质调查局的海洋六号科考船进行了海洋试验,在南海某天然气水合物潜在海区开展了MCSEM试验,海底地形起伏变化不大.其海试位置及拖曳路线图如图 5所示.左侧图中红线指示的是接收机点位形成的测线,右侧图中的实线指示的是发射机的拖曳路线.
图 3为3月5日拖曳式甲板监控软件界面截图,由图可知,正在供电的频率为8 Hz,频域供电模式 (短的供电截止时间),发射舱内温度为6 ℃和8 ℃,从温度的趋势上可以看出,温度变化不超过±2 ℃;由深度计测得当前水深为1193 m,深度趋势指示当前水深是在逐渐下降并趋向平稳;当前的供电电压为22.3VDC,电压的变化趋势表明,目前的供电电压非常稳定,稳压效果良好;当前的锂电池组输出电压为12.50 V,电压的变化趋势指示出电路工作正常;发射电流的指示为112.8 A,供电波形如图 3所示.从发射电流波形可以看出电流稳流性能良好、波形一致性佳、关断和启动尖峰抑制效果较好.
姿态方位高度信息截图如图 4所示,由图可知,拖体在海底的姿态基本平稳,俯仰角和横摇角小 (横摇角-15.21°是安装误差),说明发射拖体在水下运动姿态平稳.拖体行进的方位和测线方向 (335°) 也保持了很好的一致性.由于安装至发射机拖体和尾标上的高度计是采用声波反射测距的方式获得数据,所以,有可能会因为角度的稍稍偏离导致发射的声波接收不到,继而可能返回数据为零,即图中的零值数据所示.
图 6为拖曳式发射过程中拖体的姿态方位数据,该数据是甲板端监控软件记录数据的回放效果.从图中上方的两条俯仰曲线可以看到,发射机拖体在水中的俯仰角度 (Pitch) 基本在3°附近,横摇角度一直在-15°波动 (角度的偏置是由安装误差引起),上述两组表明发射机拖体没有发生大的姿态波动.对于图中的第三条方位 (Azimuth) 曲线,方位角趋于常数 (实际拖曳方位为335°左右,图中显示的是100°左右,其偏差为安装偏差),表明发射机拖体在水下一直跟随母船,没有发生大的方位偏移,从侧面也说明测线走航基本处于一条直线.另外,由图中俯仰角度Pitch和方位Azimuth数据可以明显看到,人工源发射完成以后,甲板端开始进行收缆操作,俯仰角和方位角发生了一个变化,指示着是何时进行了收缆操作.
图 7和图 8指示了发射机拖体和尾标拖体离底高度的情况,图 9指示了拖体所在深度的变化情况,上述数据也是甲板端记录数据的回放效果,不过,由于原始数据中存在零值,不易观察,故显示的数据仅是包络曲线.从图 7和图 8上可以看出,发射机拖体基本都处于100 m水深以下,尾标拖体位于50 m以下.由于发射机拖体没有自主动力,所以必须借助深拖缆的收放缆来调节拖体距离海底的高度,所以才会有图中的波峰和波谷,曲线的上升段指示了收缆操作,下降段指示了放缆操作.由于拖体是接近于海底,故拖体所在水深的曲线呈现了测线所在海域海水深度的变化趋势,自西北向东南,水深逐渐增加.这从侧面说明了发射机拖体基本与海底保持了一定的高度.发射机拖体和尾标拖体距离海底高度的趋势线和实时值都表明了两段发射电极基本都在一个水平面上,而且与海底基本平行,发射电缆的中性浮力得以验证,而且也为后续的数据处理提供了良好的保障.
通过对海洋可控源电磁发射机甲板端监控单元的研究,得出如下结论.
1) 甲板端监控单元实现了与水下发射机进行远距离通讯,将各种实时监测数据以图形化的方式直观地显示出来,如发射电流、拖体距海底深度、直流供电电压等.可以通过监控软件发送控制命令,控制发射机的工作模式,并且将接收到的数据在监控计算机上进行存储,便于后期对数据进行分析处理.
2) 对姿态方位高度信息进行采集,详细记录位于海底发射机拖体以及尾标拖体的运动姿态,存储曲线的回放为数据处理提供了参考.
3) 在南海进行的海试试验结果表明,甲板端监控单元工作稳定,界面直观,人机交互友好,达到了科研预期目标.
致谢 向提供海试方案指导和技术支持的广州海洋地质调查局相关领导以及海洋六号科考船全体工作人员表示感谢.同时,作者还要感谢匿名专家对本文提出的评论和意见.[] | Cai H Z, Xiong B, Zhdanov M. 2015. Three-dimensional marine controlled-source electromagnetic modelling in anisotropic medium using finite element method[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 58(8): 2839–2850. DOI:10.6038/cjg20150818 |
[] | Chave A D, Cox C S. 1982. Controlled electromagnetic sources for measuring electrical conductivity beneath the oceans:1[J]. Forward problem and model study[J]. J. Geophys. Res., 87(B7): 5327–5338. |
[] | Chen K, Jing J E, Wei W B, et al. 2013. Numerical simulation and electrical field recorder development of the marine electromagnetic method using a horizontal towed-dipole source[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(11): 3718–3727. DOI:10.6038/cjg20131113 |
[] | Constable S, Srnka L J. 2007. An introduction to marine controlled-source electromagnetic methods for hydrocarbon exploration[J]. Geophysics, 72(2): WA3–WA12. DOI:10.1190/1.2432483 |
[] | Constable S. 2010. Ten years of marine CSEM for hydrocarbon exploration[J]. Geophysics, 75(5): 75A67–75A81. DOI:10.1190/1.3483451 |
[] | Constable S. 2013. Review paper:Instrumentation for marine magnetotelluric and controlled source electromagnetic sounding[J]. Geophysical Prospecting, 61(S1): 505–532. |
[] | Deng M, Wei W B, Sheng Y, et al. 2013. Several theoretical points and instrument technology of magnetotelluric data acquisition in deep water[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(11): 3610–3618. DOI:10.6038/cjg20131102 |
[] | Deng M, Wei W B, Zhang W B, et al. 2010. Electric field responses of different gas hydrate models excited by a horizontal electric dipole source with changing arrangements[J]. Petroleum Exploration and Development (in Chinese), 37(4): 438–442. DOI:10.1016/S1876-3804(10)60045-6 |
[] | Jing J E, Wu Z L, Deng M, et al. 2016. Experiment of marine controlled-source electromagnetic detection in a gas hydrate prospective region of the South China Sea[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 59(7): 2564–2572. DOI:10.6038/cjg20160721 |
[] | Liu W Y. 2014. Research on communication technology of marine controlled source electromagnetic deck monitoring system (in Chinese)[MSc thesis]. Changchun:Jilin University. |
[] | Liu Y H, Yin C C, Weng A H, et al. 2012. Attitude effect for marine CSEM system[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 55(8): 2757–2768. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.027 |
[] | Sheng Y, Deng M, Wei W B, et al. 2012. Marine electromagnetic detection technology developmental status and feasibility of gas hydrate exploration[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics (in Chinese), 9(2): 127–133. |
[] | Wang M, Deng M, Wei W B, et al. 2011. Marine controlled source electromagnetic launch system (in Chinese)[C].//The 10th China International Geo-Electromagnetic Workshop. Nanchang, China:Chinese Geophysical Society. |
[] | Wang M, Deng M, Wu Z L, et al. 2017. The deep-tow marine controlled-source electromagnetic transmitter system for gas hydrate exploration[J]. Journal of Applied Geophysics, 137: 138–144. DOI:10.1016/j.jappgeo.2016.12.019 |
[] | Wang M, Deng M, Zhao Q X, et al. 2015. Two types of marine controlled source electromagnetic transmitters[J]. Geophysical Prospecting, 63(6): 1403–1419. DOI:10.1111/gpr.2015.63.issue-6 |
[] | Wang M, Deng M, Zhang Q S, et al. 2009. The technique of time synchronization operation to control marine electromagnetic emission[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 24(4): 1493–1498. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.04.043 |
[] | Wang M, Zhang H Q, Wu Z L, et al. 2013. Marine controlled source electromagnetic launch system for natural gas hydrate resource exploration[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(11): 3708–3717. DOI:10.6038/cjg20131112 |
[] | Wang T L, Yu S B, Chen H J. 2013. Design and realization of serial communication of marine controlled source deck monitoring and control system[J]. Transducer and Microsystem Technologies (in Chinese), 32(8): 67–70. |
[] | Wei W B, Deng M, Wen Z H, et al. 2009. Experimental study of marine magnetotellurics in southern Huanghai[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 52(3): 740–749. |
[] | Weitemeyer K A, Constable S C, Key K W, et al. 2006. First results from a marine controlled-source electromagnetic survey to detect gas hydrates offshore Oregon[J]. Geophys. Res. Lett., 33(3): L03304. |
[] | Weitemeyer K A. 2008. Marine electromagnetic methods for gas hydrate characterization[Ph. D. thesis]. California, San Diego:University of California, San Diego. |
[] | Yang L P, Li H T, Yang L. 2004. LabVIEW Programming and Applications (in Chinese)[M]. 2nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry. |
[] | Yin C C, Ben F, Liu Y H, et al. 2014. MCSEM 3D modeling for arbitrarily anisotropic media[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 57(12): 4110–4122. DOI:10.6038/cjg20141222 |
[] | 蔡红柱, 熊彬, ZhdanovM. 2015. 电导率各向异性的海洋电磁三维有限单元法正演[J]. 地球物理学报, 58(8): 2839–2850. DOI:10.6038/cjg20150818 |
[] | 陈凯, 景建恩, 魏文博, 等. 2013. 海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制[J]. 地球物理学报, 56(11): 3718–3727. DOI:10.6038/cjg20131113 |
[] | 邓明, 魏文博, 盛堰, 等. 2013. 深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪器技术[J]. 地球物理学报, 56(11): 3610–3618. DOI:10.6038/cjg20131102 |
[] | 邓明, 魏文博, 张文波, 等. 2010. 激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应[J]. 石油勘探与开发, 37(4): 438–442. |
[] | 景建恩, 伍忠良, 邓明, 等. 2016. 南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验[J]. 地球物理学报, 59(7): 2564–2572. DOI:10.6038/cjg20160721 |
[] | 刘伟宇. 2014.海洋可控源电磁甲板监控系统通信技术研究[硕士论文].长春:吉林大学. |
[] | 刘云鹤, 殷长春, 翁爱华, 等. 2012. 海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究[J]. 地球物理学报, 55(8): 2757–2768. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.027 |
[] | 盛堰, 邓明, 魏文博, 等. 2012. 海洋电磁探测技术发展现状及探测天然气水合物的可行性[J]. 工程地球物理学报, 9(2): 127–133. |
[] | 王猛, 邓明, 魏文博, 等. 2011.海洋可控源电磁发射系统[C].//第十届中国国际地球电磁学术讨论会论文集.南昌:中国地球物理学会. |
[] | 王猛, 邓明, 张启升, 等. 2009. 控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术[J]. 地球物理学进展, 24(4): 1493–1498. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.04.043 |
[] | 王猛, 张汉泉, 伍忠良, 等. 2013. 勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统[J]. 地球物理学报, 56(11): 3708–3717. DOI:10.6038/cjg20131112 |
[] | 王腾龙, 于生宝, 陈厚瑾. 2013. 海洋可控源甲板监控系统串行通信设计与实现[J]. 传感器与微系统, 32(8): 67–70. |
[] | 魏文博, 邓明, 温珍河, 等. 2009. 南黄海海底大地电磁测深试验研究[J]. 地球物理学报, 52(3): 740–749. |
[] | 杨乐平, 李海涛, 杨磊. 2004. LabVIEW程序设计与应用[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社. |
[] | 殷长春, 贲放, 刘云鹤, 等. 2014. 三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究[J]. 地球物理学报, 57(12): 4110–4122. DOI:10.6038/cjg20141222 |