深海拖曳式瞬变电磁探测技术研究

论文摘要

海洋中蕴藏着巨大的资源,其面积占地球表面的70%,因此对海底资源的勘探利用决定了人类的生存和发展。电磁探测法适用于海底,具有有效、环保、快速、实施简单等特点。本文采用瞬变电磁探测方法,使用深海拖曳的方式,实现了最大深度为海平面以下4000米左右区域的深海探测,通过实际情况建立合适的模型,进行相关理论分析,确定系统参数,搭建探测装置,并进行了合理试验,试验结果表明了本方法的可行性及有效性。本论文的主要内容为：1、介绍了瞬变电磁探测方法的工作原理及国内外深海电磁探测的发展现状,并从理论出发,提出了适合本系统的重叠回线装置和发射双极性矩形波；通过对探测环境的分析,提出海水、海底两个导电半空间模型；推导了接收线圈感应电压的计算公式及晚期情况下,视电阻率的计算方法。2、设计了深海拖曳式瞬变电磁探测系统的相关参数、发射采集单元及远程传输控制单元。发射单元采用智能功率模块6MBP100RA060加外围电路,采集单元使用NI高速数据采集卡PCI-4474,以STM32为控制器使用EPIA-M700实现数据的存储与传输。3、在QT平台下运用QWT第三方插件研制了甲板控制监测软件,实现了实时曲线的绘制、显示和存储；设计了STM32子程序和主控PC软件,完成了数据处理、数据存储、数据计算、数据转发、数据通讯和数据采集等。在调试过程中,分别进行了实验室联调、海洋拖曳试验,试验结果表明,深海拖曳式瞬变电磁探测系统达到了预定的设计要求,可实现对深海硫化物矿石的异常探测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 深海瞬变电磁法工作原理
• 1.2 深海瞬变电磁探测
• 1.2.1 物探方法有效性分析
• 1.2.2 瞬变电磁法优越性分析
• 1.3 国内外深海电磁探测发展现状
• 1.4 课题应用环境
• 1.5 本文研究内容
• 1.6 本文组织结构
• 第二章 瞬变电磁探测技术分析
• 2.1 深海瞬变电磁探测基础
• 2.1.1 正反演理论基础
• 2.1.2 观测装置分析
• 2.1.3 激发场源分析
• 2.1.4 深海探测模型的建立
• 2.2 深海瞬变电磁场分析
• 2.2.1 电磁场基本理论
• 2.2.2 瞬变电磁场计算公式
• 2.2.3 视电阻率的计算
• 2.3 深海探测接收线圈响应分析
• 2.3.1 接收线圈模型分析
• 2.3.2 接收线圈过渡过程分析
• 2.4 小结
• 第三章 瞬变电磁探测系统总体设计及关键技术
• 3.1 系统总体设计
• 3.1.1 项目背景
• 3.1.2 系统组成
• 3.1.3 工作装置设计
• 3.2 系统主要工作参数设计
• 3.2.1 探测深度设计（D）
• 3.2.2 拖曳高度设计（H）
• 3.2.3 接收线圈参数设计
• 3.2.4 发射磁矩设计
• 3.2.5 观测时窗设计
• 3.2.6 工作频率设计
• 3.2.7 拖曳航速设计
• 3.2.8 线圈拖体最大摆动
• 3.3 远程传输及控制系统设计
• 3.3.1 甲板通讯及远程供电单元
• 3.3.2 水下通讯、控制及板卡供电单元
• 3.3.3 数据结构设计
• 3.3.4 甲板单元人机交互界面
• 3.4 拖曳系统设计
• 3.5 小结
• 第四章 系统硬件电路设计与实现
• 4.1 TEM发射控制单元
• 4.1.1 IGBT驱动电路
• 4.1.2 整流电路
• 4.1.3 过流保护
• 4.1.4 吸收电路
• 4.1.5 发射接收线圈
• 4.2 数据采集单元
• 4.2.1 前置放大电路
• 4.2.2 数据采集卡
• 4.3 主控单元及数据存储
• 4.4 处理器模块
• 4.4.1 处理器接口电路
• 4.4.2 倾角测量电路
• 4.4.3 处理器供电电路
• 4.5 水下系统独立供电单元
• 4.6 小结
• 第五章 系统软件设计与实现
• 5.1 甲板控制监测软件设计
• 5.1.1 QT简介
• 5.1.2 串口通讯的实现
• 5.1.3 当前点及剖面图曲线绘制
• 5.1.4 系统终端界面设计
• 5.2 发射控制MCU子程序设计
• 5.2.1 STM32系统
• 5.2.2 软件架构
• 5.3 主控PC端采集系统及处理软件设计
• 5.3.1 数据处理
• 5.3.2 NI高速数据采集卡编程
• 5.3.3 数据存储与传输
• 5.4 小结
• 第六章 实验室联调与海试
• 6.1 实验室调试
• 6.1.1 发射板试验
• 6.1.2 采集卡试验
• 6.1.3 数据通信试验
• 6.1.4 联调实验
• 6.2 桂山岛海试
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录