水下重磁探测系统研发及理论探索

目录前言**章 海洋环境的重磁场响应及其对测量的影响 1**节 海洋介质的物理属性与运动理论 1一、海洋介质的物理属性 1二、海洋介质运动的基本理论 6第二节 海洋介质多尺度时空运动重磁场响应的基本理论 13一、重力场响应理论 13二、磁场响应理论 14三、重力场响应的计算方法 17四、磁场响应计算方法 23第三节 海浪的仿真模拟 28一、海浪描述的基本参数 28二、海浪频谱 29三、海浪的仿真模拟方法 35四、海浪的仿真模拟实验 38第四节 基于海浪模型的磁力响应特征 47一、海浪磁力响应的计算方法 48二、静态测量状态下海浪的磁力响应特征 55三、动态测量状态下海浪的磁场响应特征 63四、海浪影响的消除方法 67第二章 海洋水下位场转换理论与方法技术 68**节 稳定向下延拓的方法 68一、波数域迭代法 69二、泰勒级数迭代法 70三、水平导数迭代法 70四、3阶 Adams-Bashforth 公式法 71五、等效源法 72六、稳定向下延拓算法模型试验 73第二节 约束向下延拓算法研究 79一、约束延拓原理 79二、约束向下延拓算法模型实验 81三、曲面延拓模型实验 84第三节 延拓前各项校正 85一、正常场校正 86二、高度校正 86三、测点自由空间的重力异常 87四、中间层校正 88五、水体校正 88第三章 水下动态重力测量系统 92**节 概述 92第二节 捷联式重力仪测量的数学模型及误差 94一、捷联式重力测量的数学模型 94二、水下重力测量的误差模型 95三、重力传感器误差的特性分析 95四、姿态测量误差的特性分析 96五、系统位置误差的影响分析 97六、速度误差的影响分析 98七、加速度误差的影响分析 99八、时间同步误差的影响 99九、偏心改正误差的影响 100十、误差分配 100第三节 设计方案 101一、功能 101二、总体设计框图 101三、组成 102四、重力仪对外接口 109第四节 重力仪结构设计 111一、设计原则 111二、相关规定 111三、IMU 组件结构设计 112四、传感器箱温控部分结构设计 112五、电气箱结构设计 113六、空气环境工作条件下外温控结构设计 114七、系统整体装配关系 114八、接口部分结构设计 114九、结构设计确认方法 115第五节 系统热分析116一、热分析目标 116二、系统结构布局 117三、设备在水面工作状态的热分析仿真 117四、设备在水下工作状态的热分析仿真 124第六节 电气系统设计 130一、电气功能模块的划分 130二、数据采集与导航计算机 130三、二次电源组件 144第七节 软件设计 147一、FPGA 软件及固件设计147二、数据记录软件设计 161三、数据处理软件 165第八节 水下重力测量算法设计 168一、算法设计 168二、SINS/DVL 组合导航运算 173第九节 关键技术解决方案 177一、水下动态重力仪的环境适应性改进 177二、水下高精度测速定位和垂直加速度测量技术 179三、捷联式重力测量数据处理方法 180第十节 水下动态重力测量系统质量保证计划 191一、可靠性方案 191二、维修性方案 193三、综合保障方案 195四、测试性方案 196五、安全性措施 196六、环境适应性方案 196七、标准化方案 197八、电磁兼容性方案 197九、人-机-环设计 198第十一节 捷联式水下动态重力测量系统试验 199一、湖泊试验 199二、海上试验 212第四章 水下三分量磁力测量系统 213**节 概述 213第二节 技术方案 214一、磁通门传感器技术研究 214二、磁通门传感器误差补偿技术研究 216三、载体磁干扰补偿技术研究 218四、高精度磁力仪采集控制记录系统研制 222五、主要器件选用计划 222第三节 详细技术设计 223一、基架结构 224二、磁通门传感器 226三、数采通信模块 228四、串口转网口模块 235五、上位机设计及使用 235第四节 水下三分量磁力仪的定位定向方法 241一、坐标系与坐标转换 241二、水下自主无源定位 243三、水下初始对准 248第五节 三分量磁力仪的捷联姿态测量系统的姿态算法研究 257一、水下姿态计算 257二、姿态测量系统试验研究 260三、室内外试验姿态算法验证 266四、结论 270第六节 水下三分量磁力探测系统的软件设计与开发 270一、软件需求 271二、运行环境 271三、三分量磁力测量软件系统设计 275第七节 方案评价及风险分析 282第八节 水下三分量磁力探测系统的质量范围 282第九节 水下三分量磁力测量系统的试验验证 289一、水布垭湖试 290二、海上试验 293第五章 深水重磁勘探载体系统 294**节 概况 294一、概述 294二、关键技术 294第二节 技术要求 295一、工作原理 295二、工作过程 295三、基本技术指标 296第三节 流体动力特性数值仿真 296一、数值水洞技术简介 296二、利用数值水洞进行黏性类流体动力参数数值仿真的方法 296三、附加质量数值仿真方法 298第四节 航行器外形及主要参数 299一、流体动力外形 299二、主要外形参数 299第五节 网格模型 300第六节 计算结果及分析 302一、坐标系定义 302二、参数定义 303三、计算结果及数据处理 304第七节 系统组成 341第八节 拖体结构设计 341一、总体设计 341二、定深拖体 343三、探测拖体 349四、定深拖体密封舱 355五、探测拖体密封舱 358六、重力仪密封舱 360七、磁力仪密封舱 363第九节 电控系统 369一、总体电控系统设计 369二、母船设备 370三、密封舱电气连接与组成 372四、供电系统 384五、轻质复合缆与电滑环 386第十节 传感器选型 387一、离底高度计 387二、深度传感器 388三、姿态仪 388四、多普勒测速仪 389五、光信标与无线电信标机 389六、声学释放器和甲板单元 390第十一节 舵机设计 391一、舵机整体结构 391二、零部件设计选型 392三、控制模块 396第十二节 拖曳运动仿真 400一、拖曳运动仿真目的 400二、多学科联合仿真方法 400三、拖体流体参数计算 401四、缆索建模方法 401五、拖体受力分析 402六、拖曳系统多体动力学建模 403七、拖体受到的流体动力计算 404八、探测拖体的设计 405九、探测拖体的控制律 405十、拖曳运动多学科联合仿真模型 405十一、仿真步长选取 406十二、仿真试验规划 407十三、仿真试验结果 407十四、试验数据分析 413十五、系统评估及设计建议 414第十三节 测试试验 414一、实验室检测的基本方案 414二、通用测试 415第十四节 六性设计要求 417一、可靠性设计 417二、可维修性设计 421三、安全性设计 422四、环境适应性设计 423五、测试性设计 424六、保障性设计 425第十五节 工艺设计要求 425一、工艺文件的编制原则 426二、主要工艺流程 426三、主要工艺方法 426四、主要检测、试验项目和实施方案 426五、生产本产品需增添的主要设备 426六、产品的工艺质量保证措施和特殊的安全、环保措施 426七、关键工序的工艺措施 426八、工艺准备完成的形式和要求 427九、工艺文件的标准化、通用化要求 427十、工艺资料的管理和归档要求 427第十六节 标准化设计 427一、尺寸 427二、结构 427三、热设计 427四、电气元件 427五、屏蔽 428六、印制板 428七、电源 428八、安全 428九、接口 428十、互换性 428十一、环境条件 428第十七节 水池测试 428一、试验性质与目的 428二、试验过程 429三、试验结果 431第十八节 湖上试验 431一、试验性质与目的 432二、试验过程 432三、试验结果 433四、试验结论 435第六章 近海底重磁探测海上测试 436**节 近海底重磁探测海上试验方案 436一、测试性质和目的 436二、测试内容 436三、设备状态与指标 436四、海上测试区域 439五、实施时间 439六、海上测试方法与步骤 440七、测试结果 440八、海上测试安全 441第二节 近海底重磁探测海上试验规程 441一、范围 441二、引用与参考文件 442三、总则 442四、海上作业 442五、数据资料整理 444第三节 **次海上近海底重磁探测试验 444一、探测性质与目的 445二、探测整体情况 445三、探测结果 448第四节 第二次海上近海底重磁探测 452一、探测性质和目的 452二、探测整体情况 452三、探测结果 455第七章 近海底重磁场数据处理解释 463**节 水上载体高分辨率磁测数据的去噪方法 463一、水上高分辨率磁测数据的去噪方法 463二、磁力测量系统误差来源 465三、全*小二乘求解算法 467四、随机磁干扰补偿与校正 470五、姿态坐标系与磁场坐标系的归一化 473六、载体磁干扰补偿技术研究 476第二节 水下重磁数据校正技术研究与软件开发 480一、水下重磁测量影响因素分析 480二、水下重力数据的整理和校正 483三、水下磁测三分量数据校正 489四、水下重磁数据校正软件研发 491五、重力数据校正项目的实现 495六、磁力数据校正项目的实现 498第三节 地磁日变校正方法研究与模型构建 500一、地磁台站日变观测数据分析 500二、定性规律分析 501三、定量规律分析 506四、地磁日变校正方法研究 508五、数据测试分析 508第四节 重磁弱信号提取与增强方法研究 510一、弱信号提取方法 510二、构造增强技术 516第五节 重磁界面反演方法研究 520一、复杂构造区三维变密度约束反演 520二、变磁性界面迭代反演 524三、全球海表与海底主磁场分布特征及两者之间的差异性 527第六节 海试数据整理与处理试验 528一、海试数据的总体情况 528二、重力数据整理与处理 529三、海试三分量磁数据整理与处理 532第八章 数据分析评估与应用 535**节 数据质量评价的误差分析 535一、近海底重磁各项误差分析与改正 535二、近海底重磁测量数据滤波技术分析 540第二节 近海底重磁测量数据内符合质量评估 549一、交叉点不符值质量评估 550二、重复测线质量评估 550第三节 近海底重磁测量数据的外符合质量研究 552一、球面解向上延拓模型 552二、考虑地形高一阶项影响的延拓模型 553三、基于移去-恢复技术考虑地形效应的延拓模型 554四、基于超高阶位模型考虑地形改正的延拓模型 554五、基于点质量方法顾及地形效应的延拓模型 556六、数值计算与分析 556第四节 近海底海洋重磁实测数据评估 559一、2018年近海底重磁实测成果数据分析与质量评估559二、2019年近海底重磁实测成果的数据质量评估 574第五节 近海底重磁探测数据的应用 596一、近海底重磁探测数据一 596二、近海底重磁探测数据二 602主要参考文献 614