海洋可控源电磁方法是一种用于探测海底以下介质电性结构的海洋物探方法，目前已经成功用于洋中脊扩张运动成因调查(Cox et al.，1971; Chave et al.，1991)、油气探勘(Eidesmo et al.，2002; Constable et al.，2006; Constable and Srnka，2007)、水合物探测等地质与地球物理领域.该方法也引起了国内许多地球物理工作者的浓厚兴趣(何展翔等，2009；沈金松等，2012；刘云鹤等，2012；邓明等，2013).海洋可控源电磁接收机是该方法海上作业时的观测设备，位于海底接收MT信号及CSEM信号(Constable et al.，1998).海上作业时，接收机投放时不能像陆地仪器作业时那样借助罗盘布设电极及磁传感器，接收机一般从海面被投放后自由沉底，在其着底后方位存在随机性，因此需要准确获取其方位信息.同时受海底地形影响，接收机着底后四个电极很可能不在一个水平面，因此还需要准确获取俯仰角和横滚角.先前的三轴姿态测量集成至采集舱内部(Constable et al.，1998，邓明等，2003，陈凯等，2013)，然而依赖测量地磁场而获取方位的数字罗盘与感应式磁传感器空间分布距离较近，姿态模块对感应式磁传感器产生一定程度的干扰.为解决这一问题，需要将姿态模块与磁传感器距离尽量加大，将姿态记录功能从原有采集舱独立出来，形成独立的姿态记录装置.因此有必要开发独立的姿态记录装置，以获取接收机的三轴姿态信息，消除对磁传感器的串扰.

姿态记录装置作为海底可控源电磁接收机的独立单元之一，用于记录接收机位于海底作业时的方位角、俯仰角、横滚角等姿态信息，由甲板控制盒与水下单元两部分组成.姿态记录装置的工作过程主要分为下水前的参数设置、水下记录、出水后数据回收三步.其中下水前参数设置主要实现充电、GPS授时、采样率设置和启动采集等功能.设备连线图见图 1，PC通过USB接口访问甲板控制盒，甲板控制盒通过水密电缆与水下单元相连接.参数设置完毕后，水下单元可独立工作，按照预定的采样间隔完成姿态信息记录并存入内部Flash中.待接收机出水后将水下单元数据取出时，需要借助甲板控制盒再次进行GPS校钟，然后通过USB接口实现数据下载至本地硬盘.

图 1

Fig. 1

图 1 姿态记录装置设备连线图 Fig. 1 Connection diagram of AHRS Recorder equipment

航姿参考系统(AHRS)相比传统惯导系统，包括多个轴向传感器，能够为飞行器及其他运动载体提供方位角、横滚角和俯仰角信息；具有快速动态响应与长时间稳定性的优势，在机动车辆、无人机水下设备得到了广泛应用(梁建宏等，2012，罗琴等，2012).作为姿态记录装置关键部件之一，用于获取三轴姿态信息.

1.1 水下单元

水下单元完成姿态信息的自主记录，主要需要解决低功耗、小体积、低时漂、水密耐压等问题.研制的水下单元结构示意图见图 2，实物图见图 3，主要包括尼龙压力舱、尾部保护罩、盲堵、水密接插件、记录电路、锂电池等部件.常见的压力舱材质选用铝合金、钛合金、不锈钢等高强度金属.而尼龙棒材相比金属材质具有底密度、强度较高、耐腐蚀的优势，具有较高的性价比.水下单元外尺寸长560 mm、直径60 mm，安装内部电子部件后空气中重量为1.3 kg、水下重量100 g.尾部保护罩用于保护水密接插件及盲堵免受外部撞击.该尼龙压力舱在高压釜中经20 MPa保压2小时测试中未发生漏水异常.

图 2

Fig. 2

图 2 水下单元结构示意图 Fig. 2 Underwater unit block structure diagram

图 3

Fig. 3

图 3 水下单元实物图 Fig. 3 Picture of underwater unit

水下单元内部电路简图见图 4，主要包括锂电池、电源转换、温度传感器、实时钟(RTC)、存储器(FLASH)、姿态模块、控制器、电池电压测量、LED指示状态等单元电路.控制器选用Silicon公司的C8051系列F340单片机，该控制器特点在于USB2.0数据传输、低功耗以及丰富的外设；温度传感器为LM75A，具有测量精度高、低功耗、接口简单的特点；RTC选用MAXIM公司的DS3231，该RTC区别普通的RTC，内部集成温补晶体，典型的频率稳定度为±2 ppm；FLASH选用64MB的NANDFLASH——K9F1208；电压测量由控制器内部ADC完成；姿态模块选用honeywell生产的数字罗盘——HMR3400；锂电池组采用两节2.6 Ahr的18650锂电池串联，经电源转换模块转换至3.3 V及5 V输出；LED用于指示电路记录及休眠工作状态.水下单元电路体积仅为10 cm×2 cm×1 cm(长×宽×高).

图 4

Fig. 4

图 4 水下单元内部电路简图 Fig. 4 Underwater unit block interior circuit diagram

低功耗设计：记录装置的采样间隔可设置为1 s、10 s、1 min三档，当设置为1 s时，所有电路单元都处于激活状态，连续记录，因此该模式消耗电流最大，持续工作大于24 hr.当工作于1 min采样间隔模式时，姿态模块、温度传感器每分钟使能2 s，其余58 s处于关断模式，同时控制器也相应的进入使能、休眠循环周期.经测定，7.4 V供电条件下，使能及休眠模式消耗电流分别为10 mA与1 mA，平均功耗为9.62 mW，锂电池容量以3.7 V*2.6 Ah=9.62 Wh计算，可知该模式可连续工作40天以上.

存储空间设计：按照前述功耗水平，1 s采样间隔条件下可连续工作130 hr，存储器则需要至少容纳468000个采样点数据，每个采样点以16 B空间计算，存储器空间需要大于7488000 B，所选用的NANDFlash——K9F1208为64 MB，满足设计需求，为多次采集提供了充足的存储空间.

1.2 甲板控制盒

甲板控制盒用于PC与水下单元的连接，完成参数设置、GPS对钟、充电、数据下载等功能.主要由内部电路、铝盒、GPS天线等部件组成，内部电路简图见图 5，集成USB HUB、GPS模块、电源转换模块.其中USB HUB完成上位机PC端对GPS及水下单元的USB通讯.GPS模块选用Ublox-5T模块，该模块相比普通GPS模块具有高精度授时、低功耗的优势，并且支持USB接口配置；电源转换实现USB 5 V电源至3.3 V转换.

图 5

Fig. 5

图 5 甲板控制盒硬件电路原理框图 Fig. 5 Hardware functional block diagram of deck controller

软件工作主要体现在下位机单片机的控制代码以及上位机用户程序开发两方面.

2.1 下位机软件

下位机代码由C51开发，主要实现GPS授时、RTC读写、温度传感器访问、存储器读写、姿态模块访问、USB通讯、各模块电源管理等功能.下水前执行授时，操作时读取GPS信息，在PPS触发下写入RTC；配置采集参数时由读取USB端点传递的采样参数；记录过程中分别访问RTC、温度传感器、电池电压、姿态模块，并将各模块信息编排、校验、打包成数据帧.为最大程度降低FLASH读写频率，设计数据帧长仅16 B，由帧ID、时间、温度、电池电压、方位角、俯仰角、横滚角信息组成，表 1给出了帧组成结构.

表 1(Table 1)

表 1 数据帧格式表 Table 1 Data frame format 数据帧信息 字节数 范围 帧ID 3 0~16 M 时间 毫秒 1 10~1000 秒 1 0~59 分 1 0~59 时 1 0~23 日 1 0~31 月 1 0~11 年 1 0~99 温度 1 -25~100 ℃ 电池电压 1 5~10 V 姿态 方位角 1 0~360° 俯仰角 1 -60~+60° 横滚角 1 -60~+60° 校验和 1

表 1 数据帧格式表 Table 1 Data frame format

另外为实现MCU对NANDFLASH多次记录的数据管理，借鉴FAT文件系统组织形式，搭建了简易文件系统.即在NANDFLASH首扇区记录了当前NANDFLASH中的有效记录文件个数、单个记录文件的首末PAGE地址.该文件系统有助于上位机读取记录文件时的文件枚举，有针对性的获取某一次的数据记录.

2.2 用户软件

用户软件主要实现参数设置、数据下载、状态查询等功能，其中参数设置包括启停控制、采样率设置、GPS对钟；数据下载完成水下单元中NANDFLASH数据文件下载至本地硬盘，并完成二进制至文本数据格式转换；状态查询完成水下单元的时间、3轴姿态信息、电池电压、舱温等信息打印，以验证其工作状态.用户软件借助VC++6.0平台开发，包括USB底层驱动访问、数据转换、显示等模块.

3 海洋试验

2014年4月在南海北部海域进行的可控源电磁海试过程中，为各台海洋可控源电磁接收机装配了姿态记录装置，实际工区水深约1200 m，采样间隔设置为1 min.图 6给出了某点位接收机的姿态记录结果，方位角为50°、俯仰角为5°、横滚角为-5°，着底后三轴角度数值变化相对较小.可认为位于海底的接收机姿态基本保持稳定，未发生缓慢位移情况.持续约7天的水下测量结果表明该姿态测量装置工作稳定可靠，数据有效且质量较好，达到了预期目标.

图 6

Fig. 6

图 6 2014年4月南海某点位测量结果 Fig. 6 Marine testing measuring result

4 主要技术指标

姿态记录装置技术指标见表 2:

表 2(Table 2)

表 2 姿态记录装置主要技术指标列表 Table 2 The Key Technical Indexes of AHRS Recorder 指标名 具体指标 备注 最大工作水深 2000 m 记录参数 方位角、俯仰角、横滚角、温度、时间、电池电压 角度误差 ±1° 采样间隔 1 s、10 s、1 min 可扩展 连续工作时间 大于40天(1 min采样间隔) 尺寸 外径60 mm*外长560 mm 重量 空气：1.3 kg 水下：100 g 输出文件格式 二进制/文本明码 内存空间 64 MB 可扩展

表 2 姿态记录装置主要技术指标列表 Table 2 The Key Technical Indexes of AHRS Recorder

根据海洋可控源电磁方法的需求，需要对位于海底的海洋可控源电磁接收机的三轴姿态信息进行独立记录，据此研制了姿态记录装置.研制了姿态记录装置的压力舱、硬件电路，并开发了相应的控制器程序及用户软件.海试结果初步证明了该装置的软硬件方案的有效性及可靠性.该装置具有

工作时间长、体积小、水下重量轻、简单易用等特点.未来将进一步完善其功能，增加压力、水温等物理参数；进一步降低功耗，使其连续工作时间拓展至半年至一年，满足不同层面需求.

致 谢 海洋试验得到广州海洋地质调查局”海洋六号”调查船全体工作人员的支持，没有他们的配合，无法完成海洋试验，在此表示诚挚的谢意.