1、南通大学学报渊自然科学版冤允燥怎则灶葬造 燥枣 晕葬灶贼燥灶早 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠 渊晕葬贼怎则葬造 杂糟蚤藻灶糟藻 Edition冤灾燥造援 22晕燥援 2Jun援 圆园23第 22 卷 第 2 期圆园23 年 6 月收稿日期院 2022-09-17接受日期院 圆园圆猿原园员原员远基金项目院 国家自然科学基金面上项目渊52271347冤第一作者简介院 陶登虎渊1998要 冤袁 男袁 硕士研究生遥*通信联系人院 苏跃增渊1964要 冤袁 男袁 研究员袁 博士生导师袁 主要研究方向为多孔碳基材料制备及其在海洋传感尧能源领域的应用遥E-mail院doi院 10.12194/j.ntu.20220
2、917001引文格式院 陶登虎袁 沈超超袁 奚馨袁 等.海洋电场传感器综述J.南通大学学报渊自然科学版冤袁 2023袁 22渊2冤院1-11.海洋电场传感器综述陶登虎袁 沈超超袁 奚馨袁 钱良袁 郭小军袁 刘瑞丽袁 苏跃增*渊上海交通大学 电子信息与电气工程学院袁 上海200240冤摘要院海洋电场检测在水下目标定位尧海底资源探测和海底构造地质结构探索等方面具有独特优势袁是近年来海洋电磁场认知领域的热点技术遥 从海洋电场勘探或水下目标检测的核心部件要要要传感电极入手袁首先总结了国外关于主要的两类海洋电场传感电极要要要Ag/AgCl 和碳纤维电极的研究水平曰然后袁简述了国内具有代表性的科研单位和高
3、校在这方面具有代表性的研究进展曰接着袁详细介绍了电极的性能评价方式尧可能的传感机理袁以及信号调理电路曰最后袁提出了现有海洋电场传感器所面临的关键问题和可能的解决建议袁从电极的精准调控尧机理模型尧电路设计和算法补偿等多方面制备高精度尧高稳定性的海洋传感器袁并建立统一的评价标准袁为国内海洋电场传感器从实验室走向实用化提供建议遥关键词院海洋电磁场曰海洋电场传感电极曰传感机理曰算法补偿曰评价标准中图分类号院 TP212曰TH766文献标志码院 A文章编号院 员远苑猿原圆猿源园渊圆园23冤园2原园园01原11Overview of marine electric field sensorsTAO Den
4、ghu,SHEN Chaochao,XI Xin,QIAN Liang,GUO Xiaojun,LIU Ruili,SU Yuezeng*(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstracts:Marine electric field detection has unique advantages in underwater target location,seabed resources explo鄄r
5、ation and seabed tectonic and geological structure exploration,which is a hot technology in the field of electromag鄄netic field cognition for marine military research in recent years.This review starts from the sensing electrodes,thecore component of ocean electric field exploration or underwater ta
6、rget detection,and summarizes the foreign researchlevel about the two main types of ocean electric field sensing electrodes要Ag/AgCl and carbon fiber electrodes,fol鄄lowed by a detailed introduction of the research progress of domestic representative research units and universities inthis area,includi
7、ng performance evaluation methods,possible sensing mechanisms and signal conditioning circuits ofthe electrodes.Finally,the key problems faced by existing ocean electric field sensors are reviewed,as well as possiblesuggestions on how to prepare high-precision and high-stability ocean sensors from v
8、arious aspects such as precise ad鄄justment of electrodes,mechanism model,circuit design,and algorithm compensation,and a unified evaluation standardis proposed to provide suggestions for domestic ocean electric field sensors to move from laboratory to practical use.Key words:marine electromagnetic f
9、ield;marine electric field sensing electrode;sensing mechanism;algorithm com鄄pensation;evaluation criteria南通大学学报渊自然科学版冤圆园23 年海洋占地球总面积的 70%以上袁蕴藏着可供人类持续发展的宝贵资源财富袁也是各国推动经济可持续发展尧参与国际化竞争的战略要地1遥强大的科学技术是建设海洋强国的先决条件2遥在海洋科技中袁 海洋传感与环境检测技术在保护海洋生态环境尧维护国家海洋主权尧开发海洋资源和发展海洋经济等诸多领域都发挥着至关重要的作用袁是世界各国在海洋竞争中重点发展的研究方向3遥海
10、洋中的低频电场通常携带着关于海洋本身及水下目标的信息袁是极其重要的信息载体遥海洋电场是除了水压场和声场之外又一重要的海洋物理场特征3遥 海洋中的舰艇等目标产生的电场袁在海水中具有良好的传播特性和识别特性遥 因此袁海洋电场检测在舰船非声定位中具有独特优势袁可以被用于水雷引信尧目标入侵防御警戒和航空探测等袁是一项近年来海洋军事研究领域的热点技术渊见图 1冤遥海洋电场传感器作为海洋电磁法的关键器件在海底资源勘探领域也发挥了重要作用遥 由于海底下方存在不同介质层袁两相界面处的电性差异为海洋电磁法的应用提供了电性依据袁有助于对海底储层物性信息的准确获取4遥 该原理同样被用于探索海底构造地质结构曰此外袁海
11、洋电场检测技术在基础研究和经济领域也有广阔的应用前景袁可以用于研究海水流动规律尧绘制海床地质结构等4遥1电场传感器介绍海洋电场检测的设备通常由传感电极尧低噪声放大电路尧数据采集和存储电路等模块构成遥 在海洋电场检测过程中袁多个传感电极被置于海水中的不同位置遥 当有外加电场时袁不同电极间产生电位差袁相应的电磁信号经过信号放大和降噪处理后以数字方式输出至采集装置遥电磁波在海水介质中传播时产生的传导电流会使其自身能量急剧衰减袁而且频率愈高衰减愈快6遥 因此袁能够远距离检测的海洋电场信号以低频和极低频渊17 Hz冤为主袁强度一般只有微伏每米渊滋V/m冤级别袁且海洋电场测量周期较长袁传感电极需长期耐受苛
12、刻的测量环境7遥 传感电极是系统的关键元件袁其性能的优劣直接影响到测量结果的精度和稳定性8曰兼具有自噪声低尧灵敏度高和长期稳定性好等特性的传感电极是实现海洋电场检测装备的基础和前提9-10遥2海洋传感器电极的国内外发展现状出于军事应用方面的需求袁国外早在第二次世界大战期间就开始探索海洋电场检测技术遥20 世纪50 年代袁苏联开发出了电场引信锚雷曰60 年代袁美国和苏联相继开发出了利用冰山布置的电场探测电极和电磁封海控制系统曰70 年代末期袁美国通过测量舰艇轴频电场开发出水上目标探测系统曰80 年代袁美国和苏联相继将电场探测技术用于对舰艇的追踪探测11曰到 90 年代袁美国把电场探测技术列为优先
13、发展技术作为对声探测的补充12遥而在海底资源勘探方面袁最早于 20 世纪 50 年代法国和苏联的科学家提出了海洋电磁法的理念曰然后美国加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所的科学家借助海洋大地电磁法袁成功进行了对海底特殊地形扩张运动的电性探测曰之后 Constable 等13进行了新一代海底大地电磁仪的研究袁 通过引入 Ag/AgCl海洋低噪声传感器尧低噪声放大器等显著降低了仪器噪声及功耗并成功将其用于海底资源勘探遥经过各国科学家们多年努力袁研究人员形成了一套较为图 1海洋电场传感装置用于水下目标定位及海底资源勘探两种不同场景示意图5Fig.1Sketch maps of marine e
14、lectric field sensing deviceused for two different scenarios:underwater target positioningand seabed resource exploration5信号源院潜艇海洋电场检测阵列Seawater-3 000 mData logger-40 m-40 mTEM Coil56.34.12-5 mElectrodeSulfide deposit2窑窑完善的地球物理方法14遥进入 21 世纪袁德国尧西班牙尧意大利尧日本等国相继在电场探测领域投入研究袁至今已经形成较为成熟的测试系统袁实现了多种海洋电场检测装置的
15、商业化9袁15遥 如表 1 所示袁国外商用水下电场探测器的制造商主要有美国 ISL 公司尧英国 Ultra-PMES 公司尧瑞典的 Polyamp AB 公司和西班牙 SAES 公司等袁如院英国 Ultra-PMES 公司制备的 Ag/AgCl 电极灵敏度 2.5 nV/m1 Hz袁测量频率范围为直流3 kHz袁自噪声 0.5 nV/姨Hz1 Hz曰瑞典的PolyampAB 公司所生产的碳纤维电极灵敏度3 nV/m1 Hz袁测量频率范围为 0.0031 100 Hz袁自噪声为 1 nV/姨Hz1 Hz 左右16-17遥近期韩国国防发展局的海洋技术团队也研制出了自噪声为 3.7 nV/姨Hz1H
16、z尧灵敏度1 滋V/m1 Hz 的 Ag/AgCl 电极18遥由于海洋电场检测在探潜反潜等军事领域的重要用途袁所以从国外公开渠道获得的关于海洋传感电极的制备技术和传感机理的报道很少遥近 20 年来袁国内多个课题组围绕海洋传感电极的制备和应用领域展开了大量研究袁并取得了重要进展袁如表 2 所示遥 邓明等10采用粉压法制备了全固态 Ag/AgCl 电极袁并分别在室内模拟环境和实际海洋环境对封装的电极进行测试袁证实了其实用性遥随后袁该课题组又利用电解法制备了 Ag/AgCl 电极袁搭配其自制的斩波放大器可以使电极自噪声降低袁数值小于 1 nV/姨Hz1Hz19遥 曹全喜等把冷冻干燥法制备的 AgCl
17、 与 Ag 颗粒袁进一步混合烧结得到了多孔Ag/AgCl 电极袁测试结果表明其交换电流密度达到85.51 mA/cm2袁电位漂移低至 0.030 滋V/24 h袁自噪声也降低到了 1.74 nV/姨Hz1 Hz20遥 该工作表明电极中的孔结构可以有效增加电化学活性面积袁从而降低电极的自噪声袁提高电极的稳定性遥董浩斌等采用聚乙烯醇为造孔剂袁结合球磨烧结工艺制备了多孔 Ag/AgCl 电极袁自噪声为1.57 nV/姨Hz1 Hz袁电极对的自电位差 35 滋V曰使用 180 d后袁电位差漂移仅 15 滋V/24 h21遥 杨大鹏课题组采用电喷雾法制备了 Ag/AgCl 电极袁该方法制备的电极中 Ag
18、Cl 颗粒尺寸小且均匀袁而且 AgCl 层具有高比面积的多孔结构曰所获得的 Ag/AgCl 电极阻抗仅为7.9 赘袁电压漂移 1.2 滋V/24 h袁电极的自噪声为2.48 nV/姨Hz1 Hz22遥 宋玉苏课题组通过引入石墨烯增加了 Ag/AgCl 电极的孔隙率袁得到了自噪声 3 nV/姨Hz1 Hz 的 Ag/AgCl 电极23遥随后袁该组利用碳纤维制成自噪声 1 nV/姨Hz1 Hz 的碳纤维电极袁通过热处理提高碳纤维表面基团含量袁得到了交换电流密度达到 1.81 伊 10-2mA/cm2的改性碳纤维电极24遥 付玉彬课题组以泡沫碳作为模板也获得了多孔 Ag/AgCl 电极袁其电位差漂移
19、 0.02 mV/24 h 且自噪声水平只有 1.6 nV/姨Hz1 Hz袁进一步验证了孔结构对电极稳定性的促进作用25遥 随后该组采用电化学氧化法通过提升表面粗糙度和润湿度改善其电化学性能制备了一种自噪声 1.07 nV/姨Hz1 Hz 的新型聚丙烯腈碳纤维电场电极26袁接着通过水合肼掺氮改性得到电压漂移 0.07 滋V/24 h的水合肼掺氮改性碳纤维电极27遥近期袁该组利用氨基酸等含氧含氮官能团为载体在碳纤维表面接枝一层分子膜袁制备了一种新型的氨基酸改性碳纤维电极袁该电极阻抗仅为 6.2 赘袁自噪声达到了3.96 nV/姨Hz1 Hz 的低噪水平28遥除了常见的 Ag/AgCl 电极与碳纤
20、维电极外袁部分研究团队研究了一些其他材料的海洋电极如表 2表 1国外典型商用海洋电场电极性能参数Tab.1Performance parameters of typical commercial offshore electric field electrodes in foreign countries生产单位电极类型灵敏度/渊nV 窑 渊m1 Hz冤-1冤频率范围/Hz自噪声/渊nV 窑 渊姨Hz1 Hz冤-1冤ISLAg/AgCl6DC1 0006SubspectionAg/AgCl10.0055曰11 0001Ultra-PMESAg/AgCl 2.5DC3 000 0.5SAESAg
21、/AgCl未知DC1 100 1KMSAg/AgCl未知DC1800.3Polyamp ABNotes5碳纤维230.0031 1001Polyamp AB碳纤维20.0031 1001陶登虎袁 等院海洋电场传感器综述3窑窑南通大学学报渊自然科学版冤圆园23 年所示遥徐建梅团队通过在碳纤维上电镀银纳米线研制出交流阻抗仅为 1.42 赘尧自噪声为 1.38 nV/姨Hz1 Hz的新型电极30曰最近该团队又采用醇热法基于碳纤维制备了柔性银纳米线渊Ag-AgNWs-CF冤电极袁其自噪声极小袁为 1.03 nV/姨Hz1 Hz袁电势差漂移为67.22 滋V/24 h31遥方广有团队提出一种钽电极电场传
22、感器袁通过将钽粉压制尧烧结并进行阳极氧化制成袁该方法成本低廉32遥 中国地质大学渊北京冤33和美国普渡大学的研究团队分别进行了镍酸钐渊SmNiO3冤电极电场传感器的研究工作曰这种材料具有特殊的电磁性能和化学性能袁 能够在海水中长期稳定工作遥美国加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所进行了 Ti 电极的研制工作袁通过在钛板表面涂上氧化钛袁利用其电容电荷耦合原理达到电场检测的目的曰此方法具有长极距条件下低噪声的优势袁也更加易于保存遥3电极传感机制如前所述袁传感电极是海洋电场检测设备中的核心部件34袁其性能很大程度上决定了海洋电场检测的准确性和稳定性遥常用的传感电极有银/氯化银渊Ag/AgCl冤
23、和碳纤维两类袁如图 2 所示遥3.1Ag/AgCl 电极Ag/AgCl 电极属于金属/金属难溶盐电极袁通常和含有 Cl-可溶性盐溶液组成体系遥 Ag/AgCl 电极是不极化电极袁具有电势稳定尧低噪声和低漂移的特性袁能测量到 nV/m 级别的信号20袁商业应用更为广泛遥作为目前海洋电场检测设备中最常用的传感电极袁Ag/AgCl 电极的可逆反应包括如下两个平衡关系35院AgCl 圮 Ag+Cl-袁Ag+e-=Ag遥渊1冤表 2国内各研究单位研制的海洋电场电极的性能参数Tab.2Performance of marine electric field electrode by domestic re
24、search units单位/团队电极类型交流阻抗/赘响应电势/mV电位漂移/渊滋V 窑 渊24 h冤-1冤自噪声/渊nV 窑 渊姨Hz1 Hz冤-1冤中国地质大学渊北京冤10Ag/AgCl要0.550.00要西安电子科技大学11Ag/AgCl要要48.003.10中国地质大学渊北京冤20Ag/AgCl5.00要5.001.15中国地质大学渊武汉冤21Ag/AgCl2.130.510.001.57吉林大学22Ag/AgCl7.906.01.202.48海军工程大学24Ag/AgCl要要要3.00中国海洋大学25Ag/AgCl21.170.420.001.60海军工程大学29碳纤维0.5要1.0
25、0海军工程大学23碳纤维渊热处理冤要20.0要1.20中国海洋大学26碳纤维渊电化学氧化冤要5.060.00170.001.07中国海洋大学27碳纤维渊水合肼掺氮改性冤39.631.00.0716.40中国海洋大学28碳纤维渊氨基酸改性冤6.201.03.10 伊 1033.96中国地质大学渊武汉冤30碳纤维渊电镀银纳米线冤1.42要29.001.38中国地质大学渊武汉冤31碳纤维渊醇热法银-银纳米线冤2.60要67.221.03中国科学院大学32钽金属要要50.000.67中国地质大学渊北京冤33镍酸钐渊SmNiO3冤要要要要图 2常见的 AgCl 电极和碳纤维电极光学照片21Fig.2Op
26、tical photographs of common AgCl electrode袁carbon fiber electrode21Ag/AgCl 电极碳纤维电极接口壳体孔Ag/AgCl 电极4窑窑根据 Nernst 方程36渍平=渍0+RTln渊c0/cR冤/渊nF冤袁渊2冤及 AgCl 的溶度积37琢Ag+=c0/cR袁Ks=琢Ag+琢Cl-袁渊3冤可得到平衡状态的电极电位36渍Ag/AgCl=渍Ag+/Ag0+RTln渊KSP渊AgCl冤覫/琢Cl-冤/渊nF冤袁渊4冤其中院渍Ag/AgCl为 Ag/AgCl 的电极电位曰渍Ag+/Ag0为电极的标准电极电势曰KSP渊AgCl冤覫为 A
27、gCl 的溶度积常数曰琢Cl-为野电极/溶液冶界面附近 Cl-的活度袁认为在海底环境中温度 T 保持稳定遥 所以袁在外界条件不变的情况下袁电极电位主要由 琢Cl-决定袁琢Cl-与 Cl-在电极中的扩散范围和传质速度有关袁Ag/AgCl 电极在海洋环境中的工作机理见图 3遥3.2碳纤维电极碳纤维电极属于化学惰性电极袁质地均匀尧皮实耐用袁便于运输袁寿命较长袁具有优越的防污性能袁便于长时间观测38遥 同时袁由于具有无需等待建立电化学平衡达到极差稳定的特点袁所以碳纤维电极可以作为电场探测装备快速布置39遥碳纤维电极在海水中的工作原理类似于电容器袁见图 4遥通过表面的微孔来吸脱附海水中的带电离子尧极性小
28、分子等微粒袁逐步形成稳定的双电子层袁从而达到稳定的电极电位遥当有电场通过时袁碳纤维表面的双电子层在电场力的作用下发生粒子的迁移袁从而达到新的平衡遥此时的平衡电位差即是外加电场的电位26遥综上所述袁目前国内科研机构研制出了低自噪声的 Ag/AgCl 电极和碳纤维电极袁初步理清了水下电场检测电极的信号产生机理遥 电极噪声得到了大幅度的降低袁性能也基本达到了国际先进水平曰不足之处在于袁当前研究还停留在实验室制备与测试阶段袁真正的海洋实测研究仍然有所欠缺遥4电极性能评价指标海洋传感器电极的性能指标主要包括高频阻抗尧24 小时极差漂移尧自噪声和灵敏度40遥 高频阻抗可以反映出电极表面电子交换的难易程度袁
29、海洋电场测量需要电极具有较好的电子交换能力41曰24 小时极差漂移能体现出电极的稳定性和抗干扰能力袁是衡量电极用于海洋电场监测可行性的重要指标42曰电极自噪声水平直接关系着所测量信号的还原度袁过大的噪声会导致测得的信号失真袁必须控制电极噪声在一个低的水平43曰灵敏度能够体现出电极对微弱信号的感知能力袁对海洋电场来说这种微弱电场的检测是非常重要的10袁44遥1冤电极阻抗的测量通常将待测电极置于 NaCl含量与海水相同的模拟海水环境中袁将待测电极作为工作电极袁商用 Ag/AgCl 作为参比电极袁铂电极作为对电极组成三电极体系45袁接着连接到电化学工作站23袁调整激励信号的频率范围为 0.01200
30、 Hz进行测量遥2冤24 小时极差漂移电位的测量通常采用相同的两电极体系袁其中一个为参考电极袁连接数据采集单元或信号记录仪进行直接测量遥 也可以利用电化学工作站袁采用三电极的体系袁工作电极与参比电极均采用相同工艺制作的待测电极袁对电极仍图 3Ag/AgCl 电极海洋环境工作机理图Fig.3Working mechanism diagram of Ag/AgCl electrodein Marine environmentVAgCl+e-Ag+Cl-Cl-迁移Na+迁移Ag+Cl-AgCl+e-E图 4碳纤维电极海洋环境工作机理图Fig.4Carbon fiber electrode marin
31、e environmentworking mechanism diagramVE陶登虎袁 等院海洋电场传感器综述5窑窑南通大学学报渊自然科学版冤圆园23 年5信号调理电路图6 所示为海洋电场传感器的信号调理电路袁通常包括放大器尧多路复用器尧滤波器和模数转换器袁最后连接到计算机控制端53遥针对海洋电场信号低幅值尧低频率和易受噪声干扰等特点袁前置放大电路架构需要着重考虑电路的抗噪声能力遥信号采集过程中的主要噪声来源是电路自身噪声遥 为了降低电路噪声袁需要对整体电路进行低噪声设计54遥 市场上目前自噪声最低的超低噪声放大器的自噪声水平接近 1 nV/姨Hz1 Hz袁且体积小尧简单易用袁但大部分超低噪
32、声放大器最佳工作频段在 1 kHz 左右袁而且在低频时 1/f 噪声较大尧功耗较大袁难以满足海洋电场的低频低噪声尧低功耗的需求遥 斩波放大器的设计专门用于针对低频微弱信号的检测袁其原理如图 7 所示袁先将低频微弱信号调制成几 kHz 的高频信号袁再对调制后的信号进行低噪声放大袁因调制后的信号频段较高袁将放大器自身 1/f 噪声的影响降到最低袁几乎可以忽略55曰然后被放大的调制信号再经过解调被还原成低频信号袁此时信号的信噪比得到很大的改图 6传感器的信号采集系统结构图21Fig.6Structuraldiagramofthesensorsignalacquisitionsystem21信号处理电
33、路电极对Ex+Ex-Ey+Ey-Ez+Ez-放大器多路复用器低通滤波器模数转换器控制器图 5电极性能测试示意图Fig.5Schematic diagram of electrode performance test渊a冤三电极体系电化学工作站测试示意图渊b冤电极响应性能测试装置21电化学工作站Pt 电极PEs10 cm20 cm3.5%NaCl信号发生器示波器PEs院平行的一对电极电极对模拟海水电磁屏蔽箱放大器ADC渊c冤电极自噪声测试装置图21然选择铂电极袁连接到电化学工作站进行长时间的电位监测袁如图 5渊a冤所示袁通过得到的电位趋势曲线得出其 24 小时极差漂移值41遥3冤自噪声的测量一般
34、采用如图 5渊c冤所示方法袁由于电极自噪声较小46袁大约在 nV 级袁低于电化学工作站的检测限袁所以一般会在电极输出端连接低噪声放大器47袁放大器一般采用闭环加运算的放大器模式使用袁来实现线性度更高的增益遥目前袁市面上销售的运算放大器芯片袁噪声一般在 0.71 nV/姨Hz1 Hz 之间袁同时需要考虑反馈中的电阻噪声袁通常 100 赘 的电阻在室温下噪声为 1.3 nV/姨Hz1 Hz袁另外需要考虑源阻渊即电极自身的热噪声冤和电压尧能量分压效应曰其次袁还需注意放大电路环境噪声屏蔽袁需要用特定的 Mu-合金渊镍-铁合金冤48或者一定厚度渊厘米级别冤的铁做屏蔽箱袁来屏蔽低频电磁场渊甚至地磁场冤袁同
35、时保证箱内的所有电路和电极都能稳定地低阻接地49遥 直接测得的数据是连续的时域函数50袁通常噪声值用离散的频域函数来表示袁因此需要对测得的时域函数进行傅里叶变换袁得到频域函数51遥4冤电极灵敏度的检测如图 5渊b冤所示袁通常使用信号发生器连接两块板状电极袁置于容器两端产生激励信号来发射模拟电场信号52曰激励信号的频率为任意低频袁振幅一般设置为 510 mV遥 将一对电极浸入模拟海水中接收模拟电场信号曰另外袁使用示波器连接检测电极两端来接收所测得的模拟电场信号遥 该板状电极一般由铂尧石墨材料制成袁可以降低磁场信号的干扰22遥6窑窑善袁因此斩波放大器可以获得良好的低频尧低噪声特性遥实验中可选择前置
36、斩波放大器32袁尽量避免给信号带来噪声干扰遥海洋传感器一般包括多对电极袁信号调理电路需要对多路电压信号进行采集遥 这就需要一个多路复用器对多组数据进行选择尧组合和传输56曰同时也要求其具有电容特性和超低电荷注入特性袁以满足低突波和快速建立时间数据采集与采样保持应用的需求遥滤波器的作用是过滤掉一些频率来获取需要的特定频率57遥海洋电场具有低频的特性袁通常采用低通滤波器来过滤高频信号袁从而允许低频信号通过58遥经过信号调理电路的处理袁得到连续的模拟信号59袁但计算机进行算法处理及存储的信号是离散的数字信号60袁因此袁还需要加入一个模数转换器来完成信号的转变遥6未来展望强大的海洋科学技术是建设海洋强
37、国的基础61袁在保护海洋生态环境尧维护国家海洋权益尧开发海洋资源和发展海洋经济等诸多领域都发挥着至关重要的作用袁是实施海洋强国战略尧实现海洋强国奋斗目标的先决条件遥目前袁国外海洋电场传感器技术的发展较为成熟袁在实际测量中效果也很好遥 国内科研机构初步理清了水下电场检测电极的信号产生机理袁研制出部分Ag/AgCl 电极和碳纤维电极袁并且使电极噪声大幅度降低曰不足之处在于袁对电极微结构与电极性能之间关系的研究有所欠缺袁无法做到对电极性能的精准调控袁同时大部分研究还停留在实验室制备与测试阶段袁真正的海洋实测研究仍然有所欠缺袁与发达国家之间存在较大差距遥未来需要从电极尧电路和信号处理等多个环节进行系统
38、研究袁以获得高精度尧高稳定性的海洋电场装置遥 其中袁电极的性能决定了海洋电场传感器的总体性能水平袁因此袁应进一步立足于海洋传感器电极材料的研发袁建立材料微纳结构和传感性能之间的关系袁并通过理论计算袁建立海洋电场机制模型遥 前端电路对传感器性能也会产生很大的影响袁可以考虑采用多放大器并联模式袁来减小输入等效噪声袁并联多组即可产生减少一半噪声的效果遥在实海测量中袁还需考虑材料的抗生物附着袁海洋环境中温度等因素的影响袁需要对所有元件进行自适应现场标定和验证62或计算补偿提高检测精度遥另外袁目前国内在海洋传感器领域的研究仍然处于较为混乱的状态袁各课题组自成体系袁缺乏统一规范的标准遥 其中袁对如何构建一
39、个标准的测试环境袁国内尚无明确的合理化方案遥推动标准测试环境的构建袁将有利于建设一个统一的评估体系袁能进一步推进传感器性能的优化遥 水下电场特征普遍具备三维场分布袁各课题组都在独立推动对轻量化立体采集技术的构建及实测数据的垂直投影计算袁尚无规范化工作遥 未来需进一步完善海洋传感器体系的不足袁我国海洋电场检测研究才能得到大的发展浴参考文献院 1 刘俊珂.国家发展视阈下建设海洋强国的中国选择J.学术探索袁 2020渊5冤院29-35.LIU J K.The path and mode of building a maritime powerin the vision of national dev
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41、 等.海洋可控源电磁法深海油藏开采监测仿真J.石油地球物理勘探袁 2022袁 57渊1冤院237-244.LIU Y袁 LI W B袁 DENG F S袁 et al.Simulation of deep-sea reservoir development monitoring using marine con鄄时钟信号电源输入输出斩波器变压器解调器低通滤波器交流放大直流放大图 7斩波放大器原理图55Fig.7Chopper amplifier schematic55陶登虎袁 等院海洋电场传感器综述7窑窑南通大学学报渊自然科学版冤圆园23 年trolled-source electromagn
42、etic methodJ.Oil GeophysicalProspecting袁 2022袁 57渊1冤院237-244.渊in Chinese冤 5 林春生袁 龚沈光.舰船物理场M.2 版.北京院兵器工业出版社袁 2007.6 ZHU Z袁 TAO C袁 SHEN J袁 et al.Self-potential tomographyof a deep-sea polymetallic sulfide deposit on southwest In鄄dian ridgeJ.Journal of Geophysical Research院Solid Earth袁2020袁 125渊11冤院e20
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