海洋可控源电磁法(Marine Controlled Source Electromagnetic，简称MCSEM)区别于天然场源电磁法(何继善和鲍力知，1999；魏文博，2002;邓明等，2003；魏文博等，2009)，它是将大功率电磁发射机拖曳至近海底，利用发射偶极向海底发射0.01~10 Hz之间的大功率电磁场信号，补偿海洋天然场源中的高频能量缺失，由布设在海底的电磁接收机采集来自海底以下介质的感应信息.数据处理人员结合发射电流数据、导航数据、水下定位数据、海洋作业环境参数和其他学科资料(刘云鹤等，2012)，对采集到的电磁场感应信息进行一定的加工(何展翔等，2009;沈金松等，2012; 王辉等，2014)，就可反演得到海底以下介质的导电性结构(Constable and Srnka，2007；Edwards et al.，2009).如今，利用MCSEM这一海洋地球物理勘探高新技术勘查海底油气和天然气水合物等能源资源，具有重要的战略意义.

国外的MCSEM已经达到实用化程度，其仪器研发也具备较高水平(Cheesman et al.，1987；Edwards，2005).美国Scripps研究院研制了SUESI系列发射机(Constable，2010，2013)；英国Southampton海洋研究中心和OHM公司研制的DASI发射系统；另外，目前挪威EMGS公司(Mittet and Schaug-Pettersen，2008)和PGS研制的发射系统代表了当前国际先进水平.然而，从目前能够查阅的资料来看，国外研究单位仅仅公开了其所开发仪器的性能说明，关于仪器研制细节方面的介绍仍然处于技术保密状态，特别是发射系统的研制方面，仅能看到发射电路的外观照片，其内部电路知之甚少.因此，我国若想发展并应用MCSEM方法，必须自主开发MCSEM探测设备(滕吉文，2009).

科技部于“十一五”863期间立项支持了中国地质大学(北京)开展了“天然气水合物的海底电磁探测技术(2006AA09A201)”和“天然气水合物的海底电磁探测子系统集成技术(2009AA09A201)”两项课题的研究(邓明等，2013；陈凯等，2013).在国内首次开发完成了MCSEM探测硬件系统.本人负责了“十一五”期间MCSEM发射系统的研制.前期的研究工作没有成功的国内和国外研究经验可循，克服种种技术问题，终于实现了MCSEM国产发射系统的研制(王猛等，2009，2013).

只有激励的发射波形和采集的接收波形都进行了高精度的时间标记，才能实现发射机和接收机数据的精确同步，而同步的目的就是为了在做归一化处理时，此时的感应电压应除以此时的激发电流，而不是彼时的电流，否则将不能得到准确的归一化MVO及PVO曲线，获取的人工源激励下的海底电磁场变化特征也没有意义.

本文就发射系统中涉及到的电流波形的高精度时间标记技术展开讨论，分别介绍了前期和改进后的工作内容.本文解决的发射电流波形精确时间标记问题为后续数据处理和反演解释提供了硬件技术支撑.

在海洋可控源电磁场勘探中，发射端和接收端的同步采集是电磁法勘探中的重要技术问题.前期的研究工作解决了控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术，利用下水前的GPS对钟，完成发射机和接收机的时钟同步.另外一个重要方面就是采集.海洋试验中，由于发射机施放和回收耗时较长，为减少海上作业成本，发射机在海底需尽可能连续长时间地记录电流波形时间序列曲线，并且必须具有精确时间标识，只有这样才能和接收机采集到的感应电磁场时间序列曲线严格对应，才能进行精确的相位提取.但是，前期设计中考虑到电流波形数据的重要性，发射机采集电流波形信号并实时上传至甲板端上位机，再由上位机标记时间戳进行存储.电流采样电路利用主控芯片定时产生10 ms中断脉冲，在中断中读取霍尔电流传感器的输出，从而实现电流波形的100 Hz采样.由于主控芯片时钟稳定性不高，导致10 ms定时的间隔不等；另外，由于发射机还需实时上传其他信息(引入随机时间误差)和回路中的传输延迟(引入固定时间误差)，故上位机难以确保时间戳的精度，另外，传输过程中还伴随着丢数的现象(如图 1为700 ms的电流波形数据，其中的第160号点时刻发射机用于传输其他信息，造成平均每秒钟会出现一次数据丢失)，因此新型时间标识技术的研究意义正在于此.

图 1

Fig. 1

图 1 前期采集到的发射电流波形时间序列曲线Fig. 1 The time sequence curve of pre-collected transmission waveform

前已述及，前期方案中利用上位机进行电流数据的时间标记，不准确；利用主控芯片内部的定时中断产生的10 ms脉冲，不精确.另外，传统仪器一般在已知的时刻开启A/D转换，转换完成后对采集的数据进行处理，这样的操作引入了已知时刻至采集结束时刻的固定偏差，因此每套定版电路的每个通道均需要进行时间校准，以消除固定时差.

基于如下新的解决方案可很好解决上述提到的问题.

1)对发射电流波形的时间标记转移至水下的发射机内部进行，并且在内部能够进行实时自主存储和上传电流波形数据，上传的数据中包含时间标记信息，上位机只需实时查看并备份数据；

2)由高精度温度补偿晶振和复杂可编程逻辑器件(CPLD)硬件分频产生精确10 ms时间标记脉冲；

3)开启电流采集的高速连续转换，在10 ms的中断时刻去读取当前模数转换的结果，避免了ADC通道延时的问题；

4)采用GPS对钟技术，确保10 ms脉冲的起始脉冲上升沿与秒脉冲(PPS，频率稳定度10^-9 s/s)上升沿严格对齐；

5)利用GPS模块，获取起始时间信息；

6)在主控芯片的控制之下，基于超长计数的时间标识技术，实现发射电流的采集、存储和标记时间戳等功能，最终解决发射波形标记精确时间信息的问题.

时钟稳定度为10^-8 s/s的32.768 MHz高精度温度补偿晶振，其振荡输出作为CPLD的时钟源输入.CPLD分别 对其分频得到100 Hz脉冲信号与32768 Hz脉冲信号，100 Hz 信号作为电流采集的触发脉冲，32768 Hz信号作为实时钟RTC的时钟输入.

发射机下水之前，进行甲板端对钟.对钟的过程如图 2的左下部分所示，利用PPS作为主控芯片的外部中断触发脉冲.PPS外部中断服务程序在整个工作流程中，只执行一次.主要定义一个时间计数值变量N(该变量类型为长整型无符号数，初始值为1，理论上每隔10 ms累加一次，最多可以累积的时间达(2³²-1)×10 ms，约合497天，远远满足海洋可控源电磁海上作业时间的要求)，然后使能10 ms脉冲外部中断和开启AD通道的连续转换，最后读取GPS时间并设置RTC，以此作为开始时间，并以时间为文件名在USB存储设备中新建一个电流文件，最后把开始时间、采样率(100 Hz)、文件大小等说明性文字写入头文件.

图 2

Fig. 2

图 2 新的解决方案示意图Fig. 2 The schematic diagram of the new solution

经过GPS对钟后，在主控芯片的控制下，PPS脉冲和CPLD分频输出的10 ms脉冲上升沿将严格对齐，同时从GPS模块中读取到起始时间，该整秒时间标注指示的就是PPS脉冲和10 ms脉冲的上升沿时刻①.故②、③、④指示的就是紧接着的0.01 s、0.02 s、0.03 s时刻.而且，对齐后的10 ms脉冲将一直存在，直到发射机海底的工作完成并回收至甲板端.

具体的电流采集和时间标识如图 2右下部分的流程所示，该流程实际是由10 ms脉冲触发的中断服务程序来完成.该程序每10 ms执行一次.先利用霍尔电流传感器和主控芯片自带的模拟数字A/D转换接口读取发射电流值，然后读取时间计数值N，相当于采集时刻和时间标记时刻几乎没有时间差，将电流值和时间值构建为字符串数组，并存储至USB移动设备当中.存储完毕后时间计数值N加1.随后判断存储的电流文件是否大于100 KB(可根据需求设置)，如果大于则需要读取RTC当前时间重新创建新的波形文件，如果小于则等待下一次10 ms中断触发.

待发射机从海底回收上来以后，可以根据波形文件中的开始时间和时间计数值来编程推算各个发射波形边沿的时刻.而且，此方法标记的时间精度仅仅取决于高精度温度补偿晶振的时钟稳定度，即10^-8 s/s，从而保证了发射电流波形时间标记的精确度.

如图 3的硬件电路设计框图所示，电路以基于ARM7核心的LPC2368作为主控芯片.32.768 MHz的高精度温度补偿晶振作为CPLD的时钟输入端.发射机入水之前，GPS对钟电路输出的PPS脉冲触发LPC2368的外部中断3，在PPS所触发的中断服务程序中，对CPLD进行控制，使其利用PPS信号完成时钟同步，同时通过时钟分频，输出10ms脉冲给时间脉冲计数模块作为高精度标记脉冲(同步完以后的脉冲便不间断地超长时间计数)，输出32768 Hz给RTC模块作为基准工作频率.另外，GPS对钟电路也通过串口3向LPC2368输送时间信息，并设置RTC模块.主控芯片在发射逆变电路启动之前，开启A/D连续转换，测取霍尔电流传感器测量的发射电流值.由于霍尔电流传感器自身输出特性的限制，需要附加加法和前放电路，才能使传感器输出的信号进行A/D转换.

图 3

Fig. 3

图 3 发射电流采集及时间标记电路设计框图Fig. 3 The circuit design diagram of the transmission current collection and the time stamping

LPC2368从GPS读取起始时间，从时间脉冲计数读取N值，从A/D读取电流值，三者构建为存储字符串，一方面通过USB移动硬盘完成数据存储，另外将构建的字符串也通过串口0发送给光纤转串口设备，最后上传至甲板端的监控单元备份存储.甲板端的上位机也可以通过上传的数据实时查看发射的电流波形(起到监控发射机运行的作用)，也能通过串口控制水下的发射电流采集及时间标记电路，进而开启或停止A/D转换和USB数据存储.

对改进后的电路进行发射电流的采样测试，分为短时间和长时间测试两种情况.

测试一：测试的对象为有限个PPS秒脉冲.由于PPS秒脉冲各个上升沿的具体时间可从GPS卫星精确获得，如果测试得到的波形所标注的时间与已知的时间一致，则说明时间标记电路验收通过.如图 4的PPS秒脉冲测试结果曲线所示，每个脉冲的上升沿均是整数秒时刻，比如600、700和800等等，这些时刻加上起始时间与实际的PPS秒脉冲上升沿时刻完全一致.另外，由于测试的是PPS脉冲，故而图 4的纵坐标表示PPS的电压幅度对应的电流值，同时也说明电流采样电路部分工作正常.

图 4

Fig. 4

图 4 PPS秒脉冲测试结果曲线Fig. 4 The curve of PPS second pulse test result

测试二：利用连续秒脉冲进行多组长时间测试.如表 1所示，最长测试时间为21小时20分25秒.通过专门的时钟偏移量测试电路测得10 ms脉冲信号的整秒时刻上升沿与PPS上升沿偏差了170 us，这远小于时钟偏移量的最大误差768 us.由于发射电流采样周期为10 ms，故对发射电流采样电路的影响不大.只有偏移量超过一个最小采样周期时，才会造成偏移一个字的误差.即使按照最大误差来测算，至少需要277个小时才能差出一个字，完全能够满足海洋可控源电磁海上勘探的要求(海上发射机连续拖曳时间一般不超过72小时).

表 1(Table 1)

表 1 时间偏移量测试结果 Table 1 Time offset test results 连续测量时间/s 时间偏移量/us 1225 3 3795 7 25238 53 46226 98 76825 170

表 1 时间偏移量测试结果 Table 1 Time offset test results

2013年4月28日至5月5日，搭载广州海洋地质调查局的“海洋六号”科考船在南海北部进行了一次拖曳式MCSEM试验.从海试的数据中任意抽取两段，采集的起始时间为:2013-4-30 16:35:54.000(格林威治时间)，根据起始时间和时间计数偏移量N值，可以精确计算每个点的绝对时间.图 5是19240 ms的电流波形数据(从2013-04-30 16:37:00.640到2013-04-30 16:37:19.880)，图 6是4550 ms的电流波形数据(从2013-04-30 16:37:28.660到2013-04-30 16:37: 33.210)，从两组数据可以明显看到电流波形曲线没有出现平均每一秒中一次数据丢失现象.从图 5中可以看出，水下发射机激发的150 A供电电流波形频率为0.5 Hz，波形周期稳定；图 6为1 Hz的供电频率，电流波形周期稳定.

图 5

Fig. 5

图 5 19240 ms的电流波形数据Fig. 5 The current waveform data of 19240 ms

图 6

Fig. 6

图 6 4550 ms的电流波形数据Fig. 6 The current waveform data of 4550 ms

接收机采集到的人工源信号如图 7所示，该图展示了发射机激励人工源信号(如图 7的最下方的Ampere通道)和接收机同步采集的电磁场信号(如图 7所示，从上到下依次为Ex、Hy、Ey、Hx、Ez).从图上可以看出发射和接收数据已同步，利用示波器精细查看，同步精度达10 ppm.此次试验所得的幅度偏移距MVO曲线以及处理后的相位偏移距PVO曲线如图 8和9所示，该组曲线是国内首轮海洋可控源电磁海上试验所获得的数据，特别是相位偏移距PVO曲线，更是首次获得，非常珍贵.曲线除个别噪声点之外，整体形态连续，基本如实反映了海底以下介质的电阻率渐变特征，符合实际情况，进而证明了本论文所研发的技术的正确性和实用性.

图 7

Fig. 7

图 7 接收机采集到的人工源信号Fig. 7 The controlled source signal collected by receiver

图 8

Fig. 8

图 8 海试取得的某段MVO曲线Fig. 8 a MVO curve from the marine experiment

图 9

Fig. 9

图 9 海试取得的某段PVO曲线Fig. 9 A PVO curve from the marine experiment

7.1    带有精确时间标识的发射电流波形数据非常重要，关系到后续的数据处理和反演解释，因此数据除了要在内部存储以外，还需连同时间标识实时上传至甲板端上位机进行备份，这样也便于上位机监控水下发射机的运行.

7.2    利用文中介绍的电流采集和时间标记方案既可省去电路板时间校准的步骤，又增加了测量仪器的一致性.

7.3    对比前期解决方案，基于LPC2368微处理器、GPS对钟电路、高精度温度补偿晶振、CPLD、RTC模块、USB移动硬盘、霍尔电流传感器及其外围电路等搭建的新硬件平台，采用硬件同步分频和超长时间计数的方法，能够实现发射电流波形的精确时间标记，标记精确度优于10^-8s/s，满足MCSEM的海上勘探需求.

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；向对本文提出修改建议的邓明教授表示感谢.