羅賢虎，鄧明，邱寧，孫珍，王猛，景建恩，陳凱

(1.廣州海洋地質調查局 海洋技術方法研究所，廣東 廣州 510760; 2.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院，北京 100083; 3.南海海洋研究所 中國科學院邊緣海與大洋重點實驗室，廣東 廣州 511458；4.南海海洋研究所 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)，廣東 廣州 511458)

0 引言

海底大地電磁測深(magnetotelluric，MT)即是把觀測儀器布置在海底，測量天然場源的電磁場，其以平面波向海洋及海底穿透并在海底以下介質中感生出與地下電性結構相關的大地電磁場，經過后期數據預處理得出測深曲線(視電阻率和阻抗相位的頻率響應)，進而研究海底以下不同深度上介質的導電性差異，根據不同地質體或地質構造的電性差異推斷地質結構，達到解決地質問題的目的。MT是一種天然場源方法，具有設備相對簡便、施工簡單、不受高阻層屏蔽的影響、對深部流體等低阻層反映靈敏、探測深度大(可以達到下地殼和上地幔)的優(yōu)勢[1]。MT測深根據工作水深與探測深度不同，主要運用的信號頻率范圍為10-5～100 Hz，現有的案例工作水深近6 000 m，探測深度近150 km以深[2]。因此在電磁法眾多的方法分支中，MT已成為海底深部結構探測的首選方法，也是少數具備巖石圈深度探測能力的地球物理方法[3]。

鑒于海底MT方法的大探測深度，對高導電異常敏感，低海上作業(yè)成本等優(yōu)勢，在洋底擴張脊[4]、俯沖帶[2,5]、海底地幔上升流[6]、油氣資源調查[7-8]等海洋底構造地質研究領域取得了顯著成效，已成為海洋地質—地球物理領域研究的熱點。海底電磁接收機(ocean bottom electromagnetic receiver，OBEM)用于海底MT信號觀測，原始數據質量直接關系到方法技術的探測效果[9]。當前國外同行在設備小型化方面取得了重要進展，美國Quasar公司生產的小型海底電磁接收機Qmax EM3[10]是當前小型海底電磁接收機中的優(yōu)秀代表，采用電容電極技術，無需電場測量臂，整機體積僅約為0.5 m×0.5 m×0.5 m。日本神戶大學[11]開發(fā)的低功耗磁測系統(tǒng)，適用于海底長期觀測，整機功耗僅為26 mW，但缺點是不具備電場測量能力。中國地質大學(北京)最早于2017年[12]開展了小型電場接收機的研制，受限于功耗水平，并且浮力受限，不支持安裝感應式磁傳感器，還不具備磁場測量能力，無法獨立完成MT測量工作。

在當前海底MT探測需求的驅動下，針對現有海底電磁接收機[13]存在的外圍尺寸大、電源功耗大、制造成本高等問題，廣州海洋地質調查局聯(lián)合中國地質大學(北京)啟動了小型海底電磁接收機(micro ocean bottom electromagnetic receiver，MicrOBEM)的研發(fā)工作，重點針對小體積、低功耗、低成本開展研究工作。采取了如下方案：① 小體積層面，傳統(tǒng)的聲學釋放器笨重且昂貴，采用集成水聲通訊OEM板結合外置的電腐蝕脫鉤器方案，所需浮力大幅降低，玻璃球數量由原有的4個減至單個；② 低功耗層面，新研制低功耗采集電路、前放電路，整機功耗約至500 mW(感應式線圈配置)，為原來的1/3，功耗的降低節(jié)省了電池數量進而減少浮力需求；③ 低成本方面，無需傳統(tǒng)聲學釋放器、減少玻璃球數量，整機硬件成本降至一半；④ 具備磁通門傳感器擴展功能，為長周期大地電磁測量奠定了基礎，配置磁通門傳感器時整機功耗僅為200 mW；⑤ 開發(fā)了回收信標，集成LED模塊，方便夜間回收打撈，進一步提升海上作業(yè)效率。

1 硬件原理

MicrOBEM結構見圖1，主要包括玻璃浮球、數據采集艙、感應式磁傳感器艙、磁通門傳感器艙(選裝)、電極測量臂、電場傳感器(電極)、水聲換能器、框架、水泥塊、水密電纜、電腐蝕脫鉤器、信標浮球等。其中玻璃浮球用于提供浮力，數據采集艙內置采集電路、水聲通訊板；感應式磁傳感器艙內置感應線圈，實現水平磁場分量測量；磁通門傳感器艙內置磁通門傳感器，實現三軸正交磁場信號測量；4支測量臂和電場傳感器實現電場分量測量；水聲通訊板、換能器和電腐蝕脫鉤器組成設備的聲學釋放單元；各個電氣單元之間通過耐壓水密電纜相連；信標浮球用于打撈時的位置指示，提升打撈效率。

圖1 MicrOBEM實物照片Fig.1 Photo of MicrOBEM

1.1 數據采集艙

數據采集艙內置采集電路和鋰電池組。為降低結構復雜度，整個采集艙單邊開孔，僅引出了必要的儀器接口，包括電場傳感器接入口、磁場傳感器接入口、通信與充電接口、水聲通訊換能器接口等。采集艙內結構如圖2所示，左側為電池組(BAT)，右邊為采集艙與外部的單邊接口。采集艙內部從左往右所示電路模塊依次為：水聲通訊電路(ATM)、電場前置放大電路(AMP)與采集電路(ACQ)。

數據采集艙內電路(圖3)主要包括電場前置放大器、采集模塊、水聲通訊模塊。電場前置放大器完成3通道電場信號低噪聲放大。采集模塊支持10通道測量，電場、感應式線圈、磁通門各占用3通道，另有1通道備用。水聲通訊板與外置的換能器配合，實現水聲測距、電腐蝕開關，采集模塊在水聲模塊的控制下輸出恒流源，驅動電腐蝕脫鉤器。甲板單元為艙內電路提供GPS授時、DC充電電源、USB通訊。電池組位于采集艙的后端不開孔一側，共有兩組。為保證儀器因電量不足停止采集后釋放功能不受影響，電池組采用分別供電的模式，其中一組電池為采集電路供電，另一組電池連接水聲通訊電路。水聲通訊電路靜態(tài)功耗約165 μA，配置了10 Ah電池組，最大限度地保證了水聲通訊的安全可靠性。

圖2 數據采集艙結構Fig.2 Structure diagram of data acquisition module

圖3 數據采集艙電路原理框Fig.3 Diagram of data acquisition module

1.2 采集電路

采集電路實現信號采集、存儲、傳輸及時間記錄等功能，包括微控制器MCU模塊、模數轉換模塊、時鐘模塊、電源模塊、數據存取模塊。PC端通過USB接口與采集電路交互。數據采集電路原理框圖如圖4，MCU直接管理多個ADC，并將數據寫入TF卡。時間信息來自甲板盒中外置的GPS模塊，通過MCU預留給模塊的串口進行時間數據的讀取。為使采集電路與上位機直接實現通訊，設計了一個USB Hub模塊，實現USB與串口的轉換。同時PC端也可通過USB Hub訪問TF卡，實現數據的下載與上傳，實測數據平均下載速度達18 MBps以上。電池組為6串18650型電池設計，滿電25.2 V，經DC/DC至各模塊供電。

1.3 前置放大器

斬波放大器原理與OBEM-III[13]中用到的放大器基本一致，所不同的是：① 修訂了供電電壓，±7 V 供電改為±2.8 V供電，消耗電流由10 mA降為5 mA；② 更新了時鐘發(fā)生電路，進一步降低功耗；③ 更新了信號耦合變壓器，提升了輸入阻抗，噪聲水平基本不變，壓縮了體積，PCB尺寸為直徑68 mm，高度約15 mm。小型化、低功耗改造后，但也犧牲了一定的量程，量程由8.5 mVpp[6]減小至 5 mVpp，導致動態(tài)范圍有所減小。

1.4 水聲釋放

傳統(tǒng)的聲學釋放器笨重且成本高，小型化首要目標就是解決聲學釋放器的笨重問題，采用定制的水聲通訊板+換能器+電腐蝕脫鉤器方案。水聲通訊板直徑68 mm，高約50 mm，與水聲甲板單元配合實現測距、電腐蝕開關功能。水聲通訊板收到電腐蝕開命令后，使能恒流源，電流約為0.5 A，腐蝕片約30 s后熔斷。

圖4 數據采集電路原理框(預留的單通道未給出)Fig.4 Diagram of data acquisition circuit (the reserved channel is not given)

水聲甲板單元也進行了小型化改造，見圖5，借助WIFI與手機端進行通訊，Android手機端運行APP程序，實現狀態(tài)查詢、測距、電腐蝕開關命令，無需外圍的鍵盤、LCD等部件，進一步簡化海上作業(yè)。手機端APP界面見圖6，完成測距、電腐蝕開關的指令傳達與狀態(tài)顯示。

圖5 水聲釋放甲板單元原理框Fig.5 Diagram of acoustic release deck unit

圖6 水聲釋放甲板單元APP界面截圖Fig.6 Screenshot of the APP menu of acoustic release deck unit

1.5 主要技術指標

通道[9]：10(電場、感應式磁傳感器、磁通門各3通道，備用1通道);

測量帶寬：10 000 s～100 Hz;

本底噪聲[11]：電場：優(yōu)于0.1 nV/m/rt(Hz)@1Hz;磁通門:優(yōu)于10 pT/rt(Hz)@1Hz;感應線圈:優(yōu)于0.1 pT/rt(Hz)@1Hz;

功耗：小于500 mW(3E+水平感應線圈配置)，小于200 mW(3E+磁通門傳感器配置)；

水下工作時間[13]：30 d連續(xù)采集(3E+水平感應線圈配置)+90 d待機；

最大工作水深：6 000 m；

存儲空間：64 GB；

時漂：優(yōu)于5 ms/d;

通道動態(tài)范圍：E：>110 dB，H：>120 dB, B：>120 dB(@fs=300 Hz)；

平均數據下載速度：>18 MB/s；

軟件功能：支持用戶操控儀器、數據下載、狀態(tài)查詢、數據瀏覽、數據分析及格式轉換輸出。

2 海上試驗

為評估新研制的MicrOBEM在深水條件下的性能，團隊攜帶兩臺小型海底電磁接收機(編號HA、HC)于2021年3月15日～4月15日搭載中國科學院南海海洋研究所實驗二號科考船在南海南部開展了第一次深水MT測量實驗。本航次的任務之一為大地電磁測深，作業(yè)工區(qū)見圖7，水深約為1 400～2 000 m，測線長度約180 km，MicrOBEM共布設了5個站位。全部站位采樣率均設置為150 Hz、增益設置為低增益檔各站位明細見表1，其中S5站位受電。纜故障影響，經數據評估無效，進行了重新布放。圖8展示了S3站位的部分MT時間序列，持續(xù)時間約4 500 s。Ey&Bx分量幅值相比Ex&By分量較強，電場峰峰值達400 nV/m，磁場峰峰值達10 pT。4通道水平分量之間相關性較高。

借助OBEM_PRO軟件將各站位挑選的時間序列數據轉為SSMT2000軟件所兼容格式，輸出TS4和TBL文件；借助SSMT2000軟件進行阻抗估算，輸出MT文件；借助MTEditor軟件查看MT文件，對于結果不合格的數據重新挑選數據再次進行處理；對于數據質量較好的文件進行功率譜編輯并輸出EDI文件。圖9給出了5個站位數據預處理結果，S4站位的yx和S5站位的xy模式數據較差外，其余測深曲線數據質量較好，大部分站位低頻至1 000 s以低。

圖7 工區(qū)站位布置Fig.7 Work area layout

表1 海底MT站位投放點坐標

圖8 實測時間序列片段(站位S3，水深1 826 m)Fig.8 Fragment of the measured time series (station S3, water depth 1 826 m)

本次海上試驗經歷6次深水(1 400～1 975 m)測試，回收率100%，小體積、低成本的電腐蝕熔斷方案的可靠性得到驗證。6次深水測試除S5站位(通道故障)數據無效外，經補做，5站位都獲得有效數據，其中3站位測深曲線質量較好，整機的測量方案得到驗證，但測量通道的可靠性需要進一步加強。經測試，2 000 m水深條件下，下沉耗時60 min，速度為33 m/min；上浮耗時80 min，上浮速度約為25 m/min，為提升儀器上浮速度，浮力配比需要進一步改善。本航次最長水下作業(yè)時間8 d，更長時間測試有待后續(xù)完成，最大水深為1 975 m，更深水深條件測試有待后續(xù)完成。

圖9 五個站位MT測深原始數據曲線Fig.9 MT sounding raw data curves of five stations

3 結論

1)圍繞小型化海底電磁接收機研制需求，開展了低功耗采集電路研制工作，整機功耗由原來的1 600 mW降至500 mW。集成水聲通訊方案，拋棄了傳統(tǒng)的聲學釋放器，使得整機在體積、成本方面大幅降低。

2)2 000 m級深水MT測試驗證了儀器的可靠性與穩(wěn)定性，獲取較好的MT數據。更深水域、更長時間測試有待進一步驗證。

3)MicrOBEM支持磁通門傳感器，磁通門完成更低頻段磁場測量，為未來長周期MT測量奠定了硬件基礎。目前MicrOBEM已小批量生產20臺，服務于海洋底深部構造研究和水下目標檢測任務。

致謝：感謝中國科學院南海海洋研究所、南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)南海U形海疆線綜合研究團隊項目(2019BT02H594)和人才團隊引進重大專項(GML2019ZD0104)提供的航次船時，感謝廣東省重點領域研發(fā)計劃項目(2020B1111520001)提供的相關船載探測技術的支持；感謝實驗2號輪全體船員支持。