CN111290033A - 一种海洋电磁场信号采集***、装置和海洋环境观测*** - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋电磁探测技术领域，公开了一种海洋电磁场信号采集***、装置和海洋环境观测***，包括电场信号采集单元、磁场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元和主控单元。***可实现电场和磁场相结合的探测方式；可补偿移动平台运动产生的磁场和平台内部部件产生的磁场；可支持包括独立式磁场采集、张量式磁场采集、零磁张量式磁场采集的多种磁场测量方式。电场信号采集单元、磁场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元和主控单元均采用低噪声设计。可实现海洋环境微弱低频电场、磁场信号的采集，可用于海洋环境背景电磁场测量和海洋环境水下目标探测。

Description

一种海洋电磁场信号采集***、装置和海洋环境观测***

技术领域

本发明属于海洋电磁探测技术领域，尤其涉及一种海洋电磁场信号采集***、装置和海洋环境观测***。

背景技术

目前，海洋环境观测是海洋综合管理的基础和重要组成部分，为海洋综合管理提供科学依据。海洋环境观测***在海洋开发利用、环境保护、灾害预警、国防安全等方面发挥了巨大的作用。海洋环境观测***按照空间位置分为空基、岸基和海基三类。海基海洋环境观测***由浮标潜标、水面调查船、海底观测平台以及无人移动观测平台等构成。浮标、潜标和海底观测平台的观测位置固定，在大范围监测海洋环境时无法灵活移动；水面调查船灵活性强，但需要投入大量的人力操作，观测费用相对比较昂贵；无人移动观测平台是近期发展的新型海洋观测***，具有使用方便、灵活、可遥控、可重复使用、监测范围大的特点。

目前，海洋环境探测应用方面，无人移动观测平台主要搭载有水下声学装置、水下光电装置。声学探测是长期以来探测水下目标最常用、最有效的方法，但由于水下目标声隐身性能的提高和水下声学环境的复杂性，单一的声探测手段的局限性越来越大；水下光电设备可实现水下目标的可视化探测，但海水对光有较强的吸收和散射作用，其水下探测距离不足几百米。

海洋电磁法作为一种新兴的海洋探测方法，被广泛应用于海底资源勘测、海洋地质灾害监测等领域。与声学探测和光法探测相比，不仅能够解决声学探测的声隐身问题，还比光法探测有更大的探测广度。电磁法是通过探测海水、海底沉积物、探测目标体的电阻率差异、电场异常、磁场异常进行探测，包括电法、磁法和电磁法。目前，搭载于无人移动观测平台的海洋探测方面，已出现了一些电法探测***和磁法探测***。电法探测***方面，美国爱达荷大学将水下电位测量法应用在自主式水下航行器(AUV)上，检测到了水面船只辐射的低频电场信号。美国Scripps研究所将电场探测装置搭载在AUV上，成功检测出海底热液的分布、硫化物矿藏的位置。磁法探测***方面，美国佛罗里达大西洋大学提出了将磁场传感器搭载到海底声呐UUV上探测掩埋目标的设想。美国海军研究所(ONR)将研发的磁场实时跟踪梯度仪(RTG)搭载于蓝鲸AUV上，在南大西洋海域和墨西哥湾附近海域进行了数次试验，验证了磁法可应用于水下目标物的探测和定位。美国爱达荷大学研制了配备三轴磁通门传感器和数据采集仪的AUV***，对运动舰船的磁性特征进行测量。但随着水下目标消磁技术的发展，单一的磁法探测同样面临着越来越大的局限性。

综合采用电场、磁场信号探测的海底电磁采集站可探测海底几千米深度的油气储藏和地质结构，已广泛应用于海底油气资源勘探和海底地质构造研究。因此，依托于目前搭载于水下UUV、AUV的电法、磁法测量***的研究基础，针对单一电法探测和磁法探测的局限性，本发明提出了一种搭载于移动平台的电法和磁法结合的海洋电磁场信号采集***。***包括电场信号采集单元、磁场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元和主控单元。***可实现电场和磁场相结合的探测方式；可补偿移动平台运动产生的磁场和平台内部部件产生的磁场；可支持包括独立式磁场采集、张量式磁场采集、零磁张量式磁场采集的多种磁场测量方式。电场信号采集单元、磁场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元和主控单元均采用低噪声设计。可实现海洋环境微弱低频电场、磁场信号的采集，可用于海洋环境背景电磁场测量、海洋环境水下目标探测。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋电磁场信号采集***、装置和海洋环境观测***。

本发明是这样实现的，一种海洋电磁场信号采集***，所述海洋电磁场信号采集***设置有：

电场信号采集单元，用于采集海洋环境电场信号；

磁场信号采集单元，用于采集海洋环境磁场信号；

方位姿态信号采集单元，用于采集移动平台的方位姿态信息；

平台磁场信号测量单元，用于测量移动平台的内部磁场信息；

主控单元，用于***参数配置、工作流程控制、采集数据处理存储、***电源管理、***与移动平台的信息交互。

进一步，所述磁场信号采集单元包括磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块、可控电流输出模块；

磁场传感器，用于磁场信号的检测；

磁场信号处理模块，采用低噪声放大电路，用于对磁场传感器输出的磁场信号进行低噪声放大处理；

模数转换模块，采用高精度模数转换器，用于放大后的磁场信号的同步高精度采集；

可控电流输出模块，采用高精度数模转换器和电压电流转换电路，用于连接球形零磁张量磁场传感器时的环境磁场补偿。

所述电场信号采集单元包括电场传感器、电场信号处理模块、模数转换模块；

电场传感器，用于电场信号的检测；

电场信号处理模块，采用低噪声斩波调制放大电路，用于对电场传感器输出的电场信号进行低噪声放大处理；

模数转换模块，采用高精度模数转换器，用于放大后的电场信号的同步高精度采集。

所述方位姿态信号采集单元，采用高精度方位姿态传感器，用于采集的电磁场信息的矢量处理和移动平台运动产生磁场的补偿。

所述平台磁场信号测量单元，采用高精度磁场传感器、电流传感器，用于测量移动平台内部电池、动力驱动部件产生的磁场信息，用于移动平台内部部件产生磁场的补偿。

所述主控单元，包括微控制器、磁场信号采集单元接口、电场信号采集单元接口、方位姿态信号采集单元接口、平台磁场信号测量单元接口、数据存储模块、***电源模块、信息交互模块；

微控制器，用于***管理和工作流程控制；

磁场信号采集单元接口、电场信号采集单元接口、方位姿态信号采集单元接口、平台磁场信号测量单元接口，用于与前述磁场信号采集单元、电场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元的接口；

数据存储模块，用于数据存储；

***电源模块，用于根据移动平台提供的电源产生主控单元、磁场信号采集单元、电场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元所需的各种电源；

信息交互模块，与微控制器连接的多个串口，用于***参数配置、与移动平台的信息交互。

进一步，所述磁场信号采集单元包括4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块和1路可控电流输出模块，可实现独立式磁场采集、张量式磁场采集和零磁张量式磁场采集；

独立式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，存储4路磁场信号；

张量式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，采集后其中3路磁场信号与剩余1路磁场信号进行差值处理，存储差值处理后的3路磁场信号；

零磁张量式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，其中1路磁场信号作为参考磁场信号，可控电流输出模块根据参考磁场信号进行零磁补偿线圈电流控制，使参考磁场信号趋近于零，存储3路磁场信号。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述海洋电磁场信号采集***的海洋电磁场信号采集装置，所述搭载于移动平台的海洋电磁场信号采集装置包括磁场传感器、电场传感器、磁场板、电场板和主控板。

磁场传感器通过磁场传感器接口连接磁场板，电场传感器通过电场传感器接口连接电场板，磁场板通过磁场板采集控制接口连接至主控板，电场板通过电场板采集控制接口连接至主控板，主控板为磁场板和电场板提供电源，主控板还连接方位姿态传感器、磁场测量模块、电流测量模块和移动平台。

进一步，所述的磁场传感器采用高精度三轴磁通门传感器；所述的电场传感器采用银/氯化银不极化电极。

所述的磁场板包括磁场信号处理模块、模数转换模块、环境磁场补偿模块、磁场板采集控制接口、电源输入接口；

磁场信号处理模块，磁场传感器输出的磁场信号通过磁场传感器接口接入，经过低噪声比例放大/衰减电路处理，采用电压跟随电路实现与后续A/D转换电路的阻抗匹配；

模数转换模块，用于12分量磁场信号的低噪声、高精度、同步采集，采用低噪声、24位、4通道同步A/D转换器级联实现；

环境磁场补偿模块，用于高精度的可控电流输出，采用低噪声16位D/A转换器、电压电流转换电路实现；

磁场板采集控制接口，用于与主控板的信号连接；

电源输入接口，用于与主控板提供的电源连接。

所述的电场板包括电场信号处理模块、数模转换模块、电场板采集控制接口、电源输入接口；

电场信号处理模块，电场传感器输出的电场信号通过电场传感器接口接入，经过低噪声程控增益放大电路处理，采用电压跟随实现与后续A/D转换电路的阻抗匹配；

模数转换模块，用于2通道磁场信号的低噪声、高精度、同步采集，采用低噪声、24位、4通道同步A/D转换器实现；

电场板采集控制接口，用于与主控板的信号连接；

电源输入接口，用于与主控板提供的电源连接。

所述的主控板包括微控制器、电场板采集控制接口、磁场板采集控制接口、方位姿态传感器接口、磁场测量接口、电流测量接口、数据存储与回收、***电源管理、信息交互；

微控制器，用于***管理和工作流程控制，采用支持SOPC技术的FPGA实现；

电场板采集控制接口，用于连接电场板；

磁场板采集控制接口，用于连接磁场板；

方位姿态传感器接口，用于连接方位姿态传感器，采用RS232接口的高精度高灵敏度方位姿态传感器；

磁场测量接口，用于连接测量移动平台内部磁场信息的磁场测量模块，采用RS485串口连接；

电流测量接口，用于连接测量移动平台内部磁场信息的电流测量模块，采用RS485串口连接；

数据存储与回收，用于采集的电场数据、磁场数据、方位姿态数据、移动平台内部磁场测量数据、电流测量数据的存储和回收，数据存储采用CF卡，数据回收采用高速USB方式；

***电源管理，根据移动平台提供的电源，经过DC-DC变换和开关控制，为主控板、电场板、磁场板提供电源；

信息交互，包括与移动平台之间的通讯串口、GPS授时串口，与上位PC机之间的参数配置串口。

本发明的另一目的在于提供所述海洋电磁场信号采集***的搭载于水下滑翔机的海洋环境微弱电磁场信号采集应用，所述水下滑翔机由电场传感器、磁场传感器、电磁记录仪、驱动单元、供电电池、机体组成；

驱动单元，用于实现滑翔机在滑翔过程中的俯仰和升降；

电场传感器，分别沿着水下滑翔机机身方向和侧翼方向布放，通过水密缆连接电磁记录仪，用于采集海洋环境中的微弱电场信号；

磁场传感器安装在水下滑翔机的机体承压舱内，用于采集海洋环境中的微弱磁场信号。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明针对海洋环境电磁场观测、水下目标电磁探测需求，提出一种海洋电磁场信号采集***和装置，可根据实际观测需求搭载于不同的移动平台上，实现海洋环境中微弱电磁场信号的采集、放大、存储、传输等功能，获得的电磁数据经过进一步处理和分析可以获得海洋背景电磁场、海洋动力参数、水下目标等信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)与海底固定式海底电磁采集站相比，可实现更大范围的电磁探测，有效提高探测效率，可实现机动灵活的电磁探测；

(2)与单一电法、磁法探测***相比，可综合利用电场信号固有但信号较弱、磁场信号较强但可消除的信号特点，可以解决单一电法或者磁法探测依赖场源信息的问题，同时采用电法和磁法进行探测，可以去除场源效应，实现不依赖与场源信息的探测；

(3)***搭载了四个相同的磁场测量通道，可支持独立式磁场采集、张量式磁场采集、零磁张量式磁场采集多种磁场测量方式，以满足海洋环境磁场、水下目标探测的不同需求；

(4)***搭载了方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元，可实现移动平台运动产生磁场、平台内部部件产生磁场的补偿，降低移动平台的自身干扰，提高***的电磁探测能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集***的结构示意图；

图中：1、电场信号采集单元；2、磁场信号采集单元；3、方位姿态信号采集单元；4、平台磁场信号测量单元；5、主控单元。

图2是本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集***的***组成示意图。

图3是本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集装置的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的磁场板的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的电场板的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的主控板的结构示意图。

图7是本发明实施例提供的磁场传感器位置布置和零磁张量式磁场采集方法示意图。

图8是本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集***搭载于水下滑翔机应用的***示意图；

图中：6、电场传感器；7、水下滑翔机的驱动单元；8、磁场传感器；9、***供电电池；10、海洋电磁场信号采集记录仪；11、水下滑翔机。

图9是本发明实施例提供的所测量的水下滑翔机的内部部件的磁场信息示意图。

图10是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的独立式磁场采集模式的测量结果示意图。

图11是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的张量式磁场采集模式的测量结果示意图。

图12是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的张量式磁场采集模式与零磁张量式磁场采集模式的测量结果对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋电磁场信号采集***、装置和应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集***包括：电场信号采集单元1、磁场信号采集单元2、方位姿态信号采集单元3、平台磁场信号测量单元4、主控单元5。

电场信号采集单元1，用于采集海洋环境电场信号；

磁场信号采集单元2，用于采集海洋环境磁场信号；

方位姿态信号采集单元3，用于采集移动平台的方位姿态信息；

平台磁场信号测量单元4，用于测量移动平台的内部磁场信息；

主控单元5，用于***参数配置、工作流程控制、采集数据处理存储、***电源管理、***与移动平台的信息交互。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，磁场信号采集单元2设置有四路相同的磁场测量通道，包括磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块，磁场传感器采用三轴磁通门传感器，最多可支持12个分量的磁场数据同步采集，可支持多达三种磁场采集模式；磁场信号采集单元2设置有一路可控电流输出通道，可用于零磁环境测量时的环境磁场消除。电场信号采集单元1设置有两路相同的电场测量通道，包括电场传感器、电场信号处理模块、模数转换模块。平台磁场信号测量单元4设置有磁场和电流传感测量模块用于测量移动平台自身的辐射磁场和工作电流，用于移动平台自身磁场的补偿。方位姿态信号采集单元3的方位姿态传感器集成到采集***内部，在移动平台运动的过程中，可以实时采集移动平台的运动姿态，用于运动产生磁场的补偿。主控单元5通过串口模块与移动平台进行数据通讯和GPS授时。

本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集装置如图3所示，包括磁场传感器、电场传感器、磁场板、电场板和主控板。

磁场传感器通过磁场传感器接口连接磁场板，电场传感器通过电场传感器接口连接电场板，磁场板通过磁场板采集控制接口连接至主控板，电场板通过电场板采集控制接口连接至主控板，主控板为磁场板和电场板提供电源，主控板还连接方位姿态传感器、磁场测量模块、电流测量模块和移动平台。

磁场传感器采用高精度三轴磁通门传感器，电场传感器采用银/氯化银不极化电极。

本发明实施例的磁场板包括磁场信号处理模块、模数转换模块、环境磁场补偿模块、磁场板采集控制接口、电源输入接口。其原理框图如图4所示。

磁场信号处理模块是在磁场传感器采集的信号接入后，进行信号处理的电路。采用比例放大/衰减电路结合电压跟随器的方式，设计磁场信号处理电路。比例放大/衰减电路可以根据输入磁场传感器信号的大小进行适当的放大或衰减；电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特性。如果后级输入阻抗较小，那么信号就有一部分损耗在前级的输出阻抗中，所以有必要利用电压跟随器对信号进行缓冲。经过比例放大、电压跟随的模拟信号送入模数转换模块。

模数转换模块采用低噪声、四通道同步高精度24位A/D转换器，并且通过多个A/D转换器级联实现12个通道同步采集转换功能，将转换完成的数字量通过串行总线高速传输给主控板的微控制器，其工作模式、开始采样时刻、采样率、采样同步等都可以通过微控制器设置。

环境磁场补偿模块是若采用四组三轴磁通门作为磁场传感器组成零磁张量式测量时，可以将其中一组三轴磁通门采集的磁场信号作为反馈磁场信号。反馈磁场信号经过A/D转换输出到主控单元中，通过控制算法调整低噪声16位D/A转换器的输出电压大小，经过电压电流转换电路将输出信号转换成对应的电流信号，输出到球形线圈上，由球形线圈对磁场进行补偿，抵消搭载平台的环境磁场。

本发明实施例的电场板包括电场信号处理模块、数模转换模块、电场板采集控制接口、电源输入接口。其原理框图如图5所示。

电场模拟信号采集处理模块采用程控增益斩波放大的方案，对电场传感器检测的微弱电场信号进行调理。调理放大后的电场信号经电压跟随电路接入数模转换模块。电场板中所用到的A/D转换器与上述磁场板的数模转换相同。

本发明实施例的主控板，具有电磁场数据同步采集控制、处理、存储、回收、GPS授时、电源管理和通信等功能，其***框图如图6所示。主控单元主要包括微控制器、电场板采集控制接口、磁场板采集控制接口、方位姿态传感器接口、磁场测量接口、电流测量接口、数据存储与回收、***电源管理、信息交互等。

微控制器，用于***管理和工作流程控制，采用支持SOPC技术的FPGA实现，实现对电磁场采集的高精度同步控制、读取与存储。

电场板采集控制接口，用于连接电场板；

磁场板采集控制接口，用于连接磁场板；

方位姿态传感器接口，用于连接方位姿态传感器，采用RS232接口的高精度高灵敏度方位姿态传感器。由于移动平台在运动过程中可能产生摆动、旋转和倾斜，因此需要借助方位姿态模块获取***工作过程中的三轴姿态信息(方位角、俯仰角、横滚角)。

磁场测量接口，用于连接测量移动平台内部磁场信息的磁场测量模块，采用RS485串口连接；

电流测量接口，用于连接测量移动平台内部磁场信息的电流测量模块，采用RS485串口连接；

数据存储与回收，用于采集的电场数据、磁场数据、方位姿态数据、移动平台内部磁场测量数据、电流测量数据的存储和回收，数据存储采用CF卡，数据回收采用高速USB方式；

***电源管理，根据移动平台提供的电源，经过DC-DC变换和开关控制，为主控板、电场板、磁场板提供电源；

信息交互，包括与移动平台之间的通讯串口、GPS授时串口，与上位PC机之间的参数配置串口。

本发明的磁场信号采集单元设置了四路相同的磁场测量通道，可实现独立式磁场采集、张量式磁场采集和零磁张量式磁场采集。独立式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，存储4路磁场信号；张量式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，采集后其中3路磁场信号与剩余1路磁场信号进行差值处理，存储差值处理后的3路磁场信号；零磁张量式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，其中1路磁场信号作为参考磁场信号，可控电流输出模块根据参考磁场信号进行零磁补偿线圈电流控制，使参考磁场信号趋近于零，存储3路磁场信号。本发明实施例的磁场传感器位置布置和零磁张量式磁场采集方法示意图如图7所示。

本发明提供的海洋电磁场信号采集***的可搭载于水下滑翔机开展海洋环境微弱电磁场信号采集应用，该应用实施例的内部集成图如图8所示。水下滑翔机作为一种新型的水下无人观测平台，具有能耗小、续航力强、制造成本和维护成本低、可大量投放和重复使用等特点，可满足长航时、大范围海洋观测的需要。搭载电磁场信号采集***的水下滑翔机由电场传感器6、驱动单元7、磁场传感器8、供电电池9、电磁记录仪10、机体11组成，驱动单元7负责滑翔机在滑翔过程中的俯仰和升降；两对电场传感器6分别沿着滑翔机机身方向和侧翼方向布放，通过水密缆与电磁记录仪10连接，用于采集海洋环境中微弱的电场信号。四组三轴磁通门组成的磁场传感器安装在承压舱内，采集海洋环境中的磁场信号。

本发明实施例提供的海洋电磁场信号采集***是一套大范围海洋电磁观测设备。***由电场信号采集单元1、磁场信号采集单元2、方位姿态信号采集单元3、平台磁场信号测量单元4以及主控单元5组成。其中，磁场信号采集单元2是该***较海底电磁采集站的创新之处。磁场信号采集单元2包括4个通道12个分量的磁场数据采集，还包括磁场反馈补偿模块。该磁场信号采集单元2可以支持三种磁场采集模式：

1)独立式磁通门传感器测量模式

本发明***可以实现各个磁通门传感器独立测量磁场强度的功能，将磁通门连接到磁场信号采集单元2的四个通道就可以完成信号采集。

2)张量式磁通门传感器测量模式

本发明***可以支持三组磁通门传感器实现张量测量方法，用磁场信号采集单元2的任意3个通道可实现此功能。

3)带磁场反馈的零磁张量式磁通门传感器测量模式。

本发明***可以支持四组磁通门传感器实现带磁场反馈的零磁张量式测量方法，该方法需要用到磁场信号采集单元2的4个采集通和补偿电路。利用其中一个磁通门测量的环境磁场，通过补偿电路给反馈线圈输出一个相反的磁场，抵消外界的环境磁场。这种模式可以让三轴磁通门传感器工作在性能更优的零磁场环境。

下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。

图9是本发明实施例提供的所测量的水下滑翔机的内部部件的磁场信息。利用磁通门传感器测量了水下滑翔机不同工作阶段的内部部件产生的磁场信息，图中，阶段1是滑翔机启动过程，各电机、传感器上电，***自检；阶段2是通讯模块上电，GPS定位启动；阶段3是水下滑翔阶段，滑翔机进行回油，通讯模块断电，电池包移动到下潜舵量，搭载传感器(CTD)上电，开始采样工作；阶段4是深度计、电子罗盘信息采集，移动电池包进行俯仰和航向调节；阶段5是滑翔机进行排油，电池包移动到排油舵量；阶段6是排油到指定量后，滑翔机进入上浮阶段，电池包移动到上浮舵量；阶段7是深度计、电子罗盘信息采集，移动电池包进行俯仰和航向的调节；阶段8是进入水面过渡阶段，搭载传感器(CTD)停止采样并断电；阶段9是进入水面等待阶段，进行GPS定位与通讯；阶段10是浮力调节单元回到零位。从图中可以看出，所搭载的水下滑翔机在不同工作阶段的内部磁场信息存在较大差异，是可测量的。证明本发明提出的测量移动平台的内部磁场进行补偿是可行的和必要的。

图10是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的独立式磁场采集模式测量的磁场信息。图11是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的张量式磁场采集模式测量的磁场信息。该测试结果是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的水池测试结果，搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***位于水池中央，试验人员拉动磁铁从水池中沿与水下滑翔机平行的方向直线移动，移动了一个来回，即从水池A端开始移动，经过搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***后，到达水池B端，然后再从B端拉动到A端。从测试结果可以看出，独立式磁场采集模式、张量式磁场采集模式均采集到了磁铁经过的信息，但张量式磁场采集模式的磁铁经过过程更清晰，表明张量式磁场采集模式更适合于移动目标探测。

图12是本发明实施例提供的搭载于水下滑翔机的海洋电磁场信号采集***的张量式磁场采集模式与零磁张量式磁场采集模式的测量结果对比。从测量结果可以看出，张量式磁场采集模式与零磁张量式磁场采集模式的性能相当，表明增加零磁补偿电流反馈后没有引入***噪声，而零磁张量式磁场采集模式下磁场传感器工作在零磁附近，***具有更大的信号测量范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋电磁场信号采集***，其特征在于，所述海洋电磁场信号采集***包括：

电场信号采集单元，用于采集海洋环境电场信号；

磁场信号采集单元，用于采集海洋环境磁场信号；

方位姿态信号采集单元，用于采集移动平台的方位姿态信息；

平台磁场信号测量单元，用于测量移动平台的内部磁场信息；

主控单元，用于***参数配置、工作流程控制、采集数据处理存储、***电源管理、***与移动平台的信息交互；

所述磁场信号采集单元包括4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块和1路可控电流输出模块，可实现独立式磁场采集、张量式磁场采集和零磁张量式磁场采集；

独立式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，存储4路磁场信号；

张量式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，采集后其中3路磁场信号与剩余1路磁场信号进行差值处理，存储差值处理后的3路磁场信号；

零磁张量式磁场采集，4路磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块分别独立采集磁场信号，其中1路磁场信号作为参考磁场信号，可控电流输出模块根据参考磁场信号进行零磁补偿线圈电流控制，使参考磁场信号趋近于零，存储3路磁场信号。

2.如权利要求1所述的海洋电磁场信号采集***，其特征在于，所述电场信号采集单元包括电场传感器、电场信号处理模块、模数转换模块；

电场传感器，用于电场信号的检测；

电场信号处理模块，采用低噪声斩波调制放大电路，用于对电场传感器输出的电场信号进行低噪声放大处理；

模数转换模块，采用高精度模数转换器，用于放大后的电场信号的同步高精度采集。

3.如权利要求1所述的海洋电磁场信号采集***，其特征在于，所述主控单元，包括微控制器、磁场信号采集单元接口、电场信号采集单元接口、方位姿态信号采集单元接口、平台磁场信号测量单元接口、数据存储模块、***电源模块、信息交互模块；

微控制器，用于***管理和工作流程控制；

磁场信号采集单元接口、电场信号采集单元接口、方位姿态信号采集单元接口、平台磁场信号测量单元接口，用于与前述磁场信号采集单元、电场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元的接口；

数据存储模块，用于数据存储；

***电源模块，用于根据移动平台提供的电源产生主控单元、磁场信号采集单元、电场信号采集单元、方位姿态信号采集单元、平台磁场信号测量单元所需的各种电源；

信息交互模块，与微控制器连接的多个串口，用于***参数配置、与移动平台的信息交互。

4.一种运行权利要求1～3任意一项所述海洋电磁场信号采集***的海洋电磁场信号采集方法，其特征在于，所述海洋电磁场信号采集方法包括：磁场信号采集单元设置有四路相同的磁场测量通道，包括磁场传感器、磁场信号处理模块、模数转换模块，磁场传感器采用三轴磁通门传感器，最多可支持12个分量的磁场数据同步采集，可支持多达三种磁场采集模式；磁场信号采集单元设置有一路可控电流输出通道，用于零磁环境测量时的环境磁场消除；电场信号采集单元设置有两路相同的电场测量通道，包括电场传感器、电场信号处理模块、模数转换模块；平台磁场信号测量单元设置有磁场和电流传感测量模块用于测量移动平台自身的辐射磁场和工作电流，用于移动平台自身磁场的补偿；方位姿态信号采集单元的方位姿态传感器集成到采集***内部，在移动平台运动的过程中，实时采集移动平台的运动姿态，用于运动产生磁场的补偿；主控单元通过串口模块与移动平台进行数据通讯和GPS授时。

5.如权利要求4所述的海洋电磁场信号采集方法，其特征在于，所述海洋电磁场信号采集方法还包括：磁场传感器通过磁场传感器接口连接磁场板，电场传感器通过电场传感器接口连接电场板，磁场板通过磁场板采集控制接口连接至主控板，电场板通过电场板采集控制接口连接至主控板，主控板为磁场板和电场板提供电源，主控板还连接方位姿态传感器、磁场测量模块、电流测量模块和移动平台。

6.如权利要求4所述的海洋电磁场信号采集方法，其特征在于，所述海洋电磁场信号采集方法还包括：磁场信号处理模块是在磁场传感器采集的信号接入后，进行信号处理的电路，采用比例放大/衰减电路结合电压跟随器的方式，设计磁场信号处理电路，比例放大/衰减电路可以根据输入磁场传感器信号的大小进行适当的放大或衰减；电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特性，如果后级输入阻抗较小，那么信号就有一部分损耗在前级的输出阻抗中，利用电压跟随器对信号进行缓冲，经过比例放大、电压跟随的模拟信号送入模数转换模块；

模数转换模块采用低噪声、四通道同步高精度24位A/D转换器，并且通过多个A/D转换器级联实现12个通道同步采集转换功能，将转换完成的数字量通过串行总线高速传输给主控板的微控制器，其工作模式、开始采样时刻、采样率、采样同步通过微控制器设置；

环境磁场补偿模块是若采用四组三轴磁通门作为磁场传感器组成零磁张量式测量时，将其中一组三轴磁通门采集的磁场信号作为反馈磁场信号，反馈磁场信号经过A/D转换输出到主控单元中，通过控制算法调整低噪声16位D/A转换器的输出电压大小，经过电压电流转换电路将输出信号转换成对应的电流信号，输出到球形线圈上，由球形线圈对磁场进行补偿，抵消搭载平台的环境磁场。

7.如权利要求4所述的海洋电磁场信号采集方法，其特征在于，所述海洋电磁场信号采集方法还包括：电场模拟信号采集处理模块采用程控增益斩波放大的方案，对电场传感器检测的微弱电场信号进行调理；调理放大后的电场信号经电压跟随电路接入数模转换模块，场板中所用到的A/D转换器与上述磁场板的数模转换相同。

8.一种搭载如权利要求1-4任一项所述海洋电磁场信号采集***的海洋电磁场信号采集装置，其特征在于，所述海洋电磁场信号采集装置包括磁场传感器、电场传感器、磁场板、电场板和主控板；

磁场传感器通过磁场传感器接口连接磁场板，电场传感器通过电场传感器接口连接电场板，磁场板通过磁场板采集控制接口连接至主控板，电场板通过电场板采集控制接口连接至主控板，主控板为磁场板和电场板提供电源，主控板还连接方位姿态传感器、磁场测量模块、电流测量模块和移动平台。

9.如权利要求8所述的海洋电磁场信号采集装置，其特征在于，所述的磁场传感器采用高精度三轴磁通门传感器；所述的电场传感器采用银/氯化银不极化电极；

所述的磁场板包括磁场信号处理模块、模数转换模块、环境磁场补偿模块、磁场板采集控制接口、电源输入接口；

磁场信号处理模块，磁场传感器输出的磁场信号通过磁场传感器接口接入，经过低噪声比例放大/衰减电路处理，采用电压跟随电路实现与后续A/D转换电路的阻抗匹配；

模数转换模块，用于12分量磁场信号的低噪声、高精度、同步采集，采用低噪声、24位、4通道同步A/D转换器级联实现；

环境磁场补偿模块，用于高精度的可控电流输出，采用低噪声16位D/A转换器、电压电流转换电路实现；

磁场板采集控制接口，用于与主控板的信号连接；

电源输入接口，用于与主控板提供的电源连接；

所述电场板包括电场信号处理模块、数模转换模块、电场板采集控制接口、电源输入接口；

电场信号处理模块，电场传感器输出的电场信号通过电场传感器接口接入，经过低噪声程控增益放大电路处理，采用电压跟随实现与后续A/D转换电路的阻抗匹配；

模数转换模块，用于2通道磁场信号的低噪声、高精度、同步采集，采用低噪声、24位、4通道同步A/D转换器实现；

电场板采集控制接口，用于与主控板的信号连接；

电源输入接口，用于与主控板提供的电源连接；

所述主控板包括微控制器、电场板采集控制接口、磁场板采集控制接口、方位姿态传感器接口、磁场测量接口、电流测量接口、数据存储与回收、***电源管理、信息交互；

微控制器，用于***管理和工作流程控制，采用支持SOPC技术的FPGA实现；

电场板采集控制接口，用于连接电场板；

磁场板采集控制接口，用于连接磁场板；

方位姿态传感器接口，用于连接方位姿态传感器，采用RS232接口的高精度高灵敏度方位姿态传感器；

磁场测量接口，用于连接测量移动平台内部磁场信息的磁场测量模块，采用RS485串口连接；

电流测量接口，用于连接测量移动平台内部磁场信息的电流测量模块，采用RS485串口连接；

数据存储与回收，用于采集的电场数据、磁场数据、方位姿态数据、移动平台内部磁场测量数据、电流测量数据的存储和回收，数据存储采用CF卡，数据回收采用高速USB方式；

***电源管理，根据移动平台提供的电源，经过DC-DC变换和开关控制，为主控板、电场板、磁场板提供电源；

信息交互，包括与移动平台之间的通讯串口、GPS授时串口，与上位PC机之间的参数配置串口。

10.一种搭载如权利要求1～7任意一项所述海洋电磁场信号采集***的海洋环境观测***。

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