海洋可控源时频电磁数据采集系统和方法与流程

本申请涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及一种海洋可控源时频电磁数据采集系统和方法。

背景技术：

在地球物理勘探的过程中，尤其是对海底地层进行地质勘探研究时，常常需要采集待测海域中和从海底以下介质里反射上来的海洋可控源时频电磁数据。进而可以根据采集得到的海洋可控源时频电磁数据，对待测海域海底的地质结构和储层的电性特征进行分析和研究，为后续的海底矿产资源勘探开发做准备。

现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法一般可以分为三种。一种是独立海洋可控源时频电磁数据采集站沉底、激发源拖移。例如，预先布设好海洋可控源时频电磁数据采集站，然后在采集站上方拖移可控源时频电磁场激发源，进而可以同时完成海底可控源电磁和大地电磁数据的采集。一种是海洋可控源时频电磁数据采集缆与可控源时频电磁场激发缆同步在海水中拖移。具体地，通过现有的商业设备一般可以采集一个沿电缆方向的电场分量，但不能采集任何磁场分量数据。另外，其沿电缆方向分布的电极也不是均匀分布的。例如，靠近采集船附近的电缆上的电极的分布密度相对要大一些，而远离采集船处的电缆上的电极的分布密度的则相对稀疏。此外，这种方法往往仅能分别进行时间域或单个频点的频率域的可控源时频电场数据采集工作。不能很好地满足实际施工需求。还有一种是海洋可控源时频电磁数据采集缆沉底布设、激发源拖移。例如，海底电磁电缆(emobc–electromagneticoceanbottomcable)由放缆船是先投放铺设到海底，然后由发射源船拖曳着水下可控电源在距海底一定的距离上前行并向海水中供电(发射可控源时频电磁数据)，由事先投放并铺设至海底的电磁电缆采集海底的海洋可控源时频电磁数据。数据采集结束后，放缆船回收海底电磁电缆，投放铺设到新的测量工区，然后重复海底可控源时频电磁数据的数据采集作业。

具体实施时，上述三种海洋可控源时频电磁数据采集方法往往都需要从拖缆(线缆)的外部另外布设电源线对拖缆上的海洋可控源时频电磁数据采集设备进行供电。例如，通常使用采集船甲板上的电源从拖缆的起始端开始沿拖缆给拖缆上的海洋可控源时频电磁数据采集单元进行供电。但是，具体实施时所使用的拖缆通常都长达数十公里，且拖缆内的供电线自身还存在一定内阻。因此，上述方法会导致拖缆上的供电电压和电流数值随着离开电源的距离的增大而逐步降低。为了保证在拖缆尾端的采集单元具有足够的工作电压和工作电流，一般需要在拖缆的起始端提供较大功率的电压和电流作为电源。然而，较大功率的电压和电流又会对沿缆分布的电子器件造成干扰和影响，进而影响采集得到的海洋可控源时频电磁数据的精度。因此，现有的拖曳式或沉底式海洋可控源时频电磁数据采集缆方法，具体实施时往往存在长距离大功率供电麻烦，采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本申请实施方式提供了一种海洋可控源时频电磁数据采集系统和方法，以解决现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法中存在长距离大功率供电麻烦，采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题。

本申请实施方式提供了一种海洋可控源时频电磁数据采集系统，包括：

偶极电流源和一条或多条线缆；

其中，所述偶极电流源，在海水中产生激发源时频电磁信号，用以在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场，其中，所述可控源时频电磁场包括可控源时频电场数据和三分量可控源时频磁场数据；

所述海水中和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场信号向上反射并被拖曳在海水中的海洋可控源时频电磁数据采集线缆接收；

每条所述线缆上设置有多个带有电极的电场传感器，其中，同一线缆上的相邻的两个电场传感器用于采集沿线缆方向的可控源时频电场数据；在所述同一线缆上的相邻的两个电场传感器之间的线缆上设置有三分量磁场传感器和三分量姿态传感器，其中：所述三分量磁场传感器，用于采集所述三分量可控源时频磁场数据；所述三分量姿态传感器，用于采集姿态数据；

每条所述线缆上设置有发电层，其中，所述发电层用于为所述线缆上的所述电场传感器、所述三分量磁场传感器和所述三分量姿态传感器提供工作所需的电源。

在一个实施方式中，在所述系统包括多条线缆的情况下，所述多条线缆对称且平行设置，其中，设置在相邻线缆上的相对的两个电场传感器用于采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据。

在一个实施方式中，所述多条线缆中相邻线缆之间的间距大于等于25米。

在一个实施方式中，所述同一线缆上的相邻的两个电场传感器之间的间距为10米至50米；所述三分量磁场传感器与相邻的两个电场传感器之间的间距大于等于5米(三分量磁场传感器位于相邻的两个电场传感器中间)；所述三分量姿态传感器与相邻的三分量磁场传感器之间的间距小于等于2米。

在一个实施方式中，所述电极为不极化电极。

在一个实施方式中，所述不极化电极包括以下至少之一：硫酸铜电极、硝酸银电极、铂金电极。

在一个实施方式中，所述三分量磁场传感器为线圈式三分量磁场传感器，或，磁通门式三分量磁场传感器。

在一个实施方式中，所述发电层由摩擦纳米发电柔性材料制成。

在一个实施方式中，所述偶极电流源的长度为300米至500米。

在一个实施方式中，所述可控源时频电磁数据为时间域的可控源时频电磁数据，和/或，频率域的可控源时频电磁数据。

在一个实施方式中，所述发电层外还设有保护层，其中，所述保护层由凯夫拉材料制成。

在一个实施方式中，所述系统还包括电能存储装置，所述电能存储装置与所述发电层相连，用于存储所述发电层产生的电能。

在一个实施方式中，所述系统还包括拖缆船，所述拖缆船与所述偶极电流源和所述线缆相连。

基于相同的发明构思，本申请实施方式还提供了一种海洋可控源时频电磁数据采集方法，包括：

利用偶极电流源在海水中产生激发源时频电磁信号，用以在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场，其中，所述可控源时频电磁场包括可控源时频电场数据和三分量可控源时频磁场数据；

通过所述海水中和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场信号向上反射并被拖曳在海水中的海洋可控源时频电磁数据采集线缆接收；

通过设置在同一线缆上的相邻的两个电场传感器采集沿线缆方向的可控源时频电场数据；

利用所述线缆上的三分量磁场传感器采集所述三分量可控源时频磁场数据，所述线缆上的三分量姿态传感器采集三分量姿态数据；

所述线缆上的发电层为所述电场传感器、所述三分量磁场传感器和所述三分量姿态传感器提供工作所需的电源。

在一个实施方式中，所述方法还包括：通过设置在相邻线缆上的相对的两个电场传感器采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据。

在本申请实施方式中，通过在线缆的外表面设置发电层，将线缆的机械能转化成电能对线缆进行供电，避免了另外设置大功率电源线对线缆进行供电，解决了现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法中存在的供电麻烦，采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题，达到了精确、高效采集海洋可控源时频电磁数据的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施方式的海洋可控源时频电磁数据采集系统的组成结构图；

图2是根据本申请实施方式的海洋可控源时频电磁数据采集系统的线缆结构示意图；

图3是应用本申请实施方式提供的海洋可控源时频电磁数据采集系统的步骤流程图；

图4是应用本申请实施方式提供的海洋可控源时频电磁数据采集系统的场景示意图；

附图说明：1、拖缆船，2、偶极电流源，3和5、电场传感器，4、三分量磁场传感器，6、三分量姿态传感器，7、发电层，8、保护层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

考虑到现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法，往往需要在线缆的起始端另设供电电源线对线缆上的电子器件进行供电。具体实施时，又由于使用的线缆往往比较长，一般都长达数十公里；且线缆内部的供电线自身具有一定的电阻，因此线缆上的电压和电流会随着离开供电电源的距离的增加而减小。为了保证向线缆尾端的采集单元，例如三分量姿态传感器、电场传感器和三分量磁场传感器等提供正常的工作电压和工作电流，通常会选用大功率的电源对线缆上的各个采集单元进行供电。然而，由于大功率的电压和电流一般会产生比较明显的可控源时频电磁数据，干扰分布于线缆的海洋可控源时频电磁数据采集单元，进而会影响采集单元采集得到的电磁数据精度。最终，导致现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法具体实施时，往往存在供电麻烦、采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题。针对产生上述技术问题的根本原因，本申请考虑可以沿着线缆在线缆外表面设置发电层，进而可以通过发电层自行将线缆随海水摆动或在海水中拖曳前行时的机械能转化成电能，再对线缆上的采集单元进行供电。从而可以避免由于使用大功率电源对采集单元产生的电磁干扰，解决现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法中存在的采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题。

基于上述思考思路，本申请实施方式提供了一种海洋可控源时频电磁数据采集系统。其基本结构组成，请参阅图1的海洋可控源时频电磁数据采集系统的组成结构图和图2的线缆结构示意图。本申请实施方式提供的海洋可控源时频电磁数据采集系统，具体可以包括：偶极电流源2和一条或多条海洋可控源时频电磁数据采集线缆(即线缆)；

其中，所述偶极电流源2，具体可以用于在海水中产生激发源时频电磁信号，所述激发源时频电磁信号用于在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场，其中，所述可控源时频电磁场包括可控源时频电场数据和可控源时频磁场数据；所述海水中和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场信号向上反射并被拖曳在海水中的海洋可控源时频电磁数据采集线缆接收采集；

每条所述线缆上设置有多个带有电极的电场传感器3，其中，同一线缆上的相邻的两个电场传感器3具体可以用于采集沿线缆方向的可控源时频电场数据；在所述同一线缆上的相邻的两个电场传感器3之间的线缆上设置有三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器6，其中：所述三分量磁场传感器4，具体可以用于采集所述三分量可控源时频磁场数据；所述三分量姿态传感器6，具体可以用于采集三分量姿态数据；

每条所述线缆上设置有发电层7，其中，所述发电层7具体可以用于为所述线缆上的所述电场传感器3、所述三分量磁场传感器4和所述三分量姿态传感器6提供工作所需的电源。

在本实施方式中，为了准确地测得待测海域的海洋可控源时频电磁数据，可以将所述偶极电流源2和一条或多条线缆连接在拖缆船1的尾端。拖缆船1以预设速度移动，可以拖动所述偶极电流源2和线缆同步移动。具体实施时，可以是拖缆船1按照预设速度移动，移动的同时，偶极电流源2发射可控源时频电磁数据，同样被拖曳移动的线缆通过线缆上的电场传感器3和5、三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器6等，实时测量并记录相应的沿缆和垂直与缆方向的可控源时频电场数据、三分量可控源时频磁场数据和三分量姿态数据。

在本实施方式中，通过本申请实施方式提供的系统可以采集获得海洋可控源时频电磁数据。即可以采集得到海洋可控源时域电磁数据，也可以采集海洋可控源频域电磁数据，还可以同时采集海洋可控源时域电磁数据和海洋可控源频域电磁数据。需要说明的是，现有方法通常只能单独采集获得时域电磁数据或频域电磁数据，不能同时采集时域电磁数据和频域电磁数据。如此，如果在采集完时域电磁数据后，需要采集频域数据，往往需要更换使用对应的发射源、数据采集设备等，用以采集频域数据，操作繁琐复杂，费时费力。而在本实施方式中可以直接使用同一套系统完成时域或频域电磁数据的采集。

在本实施方式中，所述可控源时频电场数据具体可以是包括1个方向分量数据的可控源时频电场数据，即只包括沿线缆方向的可控源时频电场数据。也可以是包括2个方向分量数据的可控源时频电场数据，即包括沿线缆方向的可控源时频电场数据和垂直线缆方向的可控源时频电场数据。具体实施时，可以根据具体需要，决定采集1个方向的分量还是2个方向的电场分量数据作为所述可控源时频电场数据。

在本实施方式中，为了采集得到沿线缆方向的可控源时频电场数据，可以将同一线缆上的相邻的两个电场传感器3作为一组可控源时频电场数据采集对。通过该组可控源时频电场数据采集对可以采集得到沿线缆方向的可控源时频电场数据。其中，同一线缆上的相邻的两个电场传感器3之间的间距为10米至50米。如此，可以保证同一线缆上相邻的两个电场传感器之间具有足够大的极距，从而可以较准确地测量沿线缆方向的可控源时频电场数据。

在本实施方式中，为了采集得到垂直线缆方向的可控源时频电场数据，可以将相邻线缆上的相对的两个电场传感器3作为另一组可控源时频电场数据采集对，采集得到垂直线缆方向的可控源时频电场数据。例如，可以参阅图1。自图上方向下方，第一条线缆上的第一个电场传感器3和第二条线缆上的第一个电场传感器5是所述相邻线缆上的相对的两个电场传感器，上述两个电场传感器可以构成一组可控源时频电场数据采集对，用于采集获取垂直线缆方向的可控源时频电场数据。

在本实施方式中，为了采集得到更为准确的垂直线缆方向的可控源时频电场数据，在布设多条线缆时，可以将所述多条线缆对称且平行设置。例如，多条线缆为9条线缆时，可以以拖缆船1行驶的路线作为对称轴，在该对称轴上布设1条线缆，在该对称抽的两侧分别对称、等间距地布设4条线缆。且相邻的线缆之间的间距大于等于25米。如此，可以保证相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5之间具有足够大的极距，从而可以准确地测量海水中的可控源时频电场数据。

在本实施方式中，所使用的电场传感器都带有电极。其中，两个电感传感器可以通过各自的电极组成一组电极对，从而可以采集两个电感传感器之间的可控源时频电场数据。具体实施时，为了避免电极自身的极化效应影响对海水中微弱的可控源时频电场数据的测量，所述带电极的电场传感器所使用的电极为不极化电极。具体实施时，可以通过两个不极化电极可以组成一个不极化电极对，进而可以测量得到海水中两个不极化电极(电极对)之间的微弱电压信号，进而采集获得相应的可控源时频电场数据。具体地，所述的不极化的电极具体可以是硫酸铜电极，也可以是硝酸银电极，还可以是镀铂金的铂金电极等。当然，也可以根据具体情况选择其他的不极化电极作为所使用的电极。还需要说明的是，通常在单独采集频域电场数据时，往往是针对频率变比较小，频带相对较窄的情况。这时使用普通电极对采集的电场数据影响不大。而在采集时域电场数据时，相往往是针对频率变化较大，频带相对较宽的情况，这时使用普通电极对采集的电场数据影响较大。在本实施方式中，为了能够同时采集获得较为准确的可控源时频电场数据，所以使用的是带不极化电极的电场传感器而不是带普通电极的电场传感器。

在本实施方式中，所述可控源时频磁场数据为三分量可控源时频磁场数据，包括3个方向分量数据，即包括：沿x轴方向的磁场分量数据、沿y轴方向的磁场分量数据和沿z轴方向的磁场分量数据。具体实施时，可以通过三分量磁场传感器4采集获得上述三个分量数据，即采集得到三分量可控源时频磁场数据。

在本实施方式中，所述姿态数据为三分量姿态数据，包括3个方向分量数据，即包括：测量倾角分量数据、方位角分量数据和倾向分量数据。上述三分量姿态数据可以通过坐标转换，转换成对应的直角坐标系的位置数据，可以用于表征采集三分量可控源时频磁场数据时三分量磁场传感器4的位置情况。具体实施时，可以通过三分量姿态传感器采集获得上述3个分量数据，即采集得到三分量姿态数据。

在本实施方式中，为了减少电场传感器3的采集电路对三分量磁场传感器4的影响，在布设三分量磁场传感器4时，一般要求三分量磁场传感器4与相邻的两个电场传感器3的间距都要大于等于5米。从而减少电场传感器3对三分量磁场传感器4的干扰。具体地，可以将三分量磁场传感器4布设于同一线缆上相邻的两个电场传感器之间的线缆上的中间位置。

在本实施方式中，为了保证三分量姿态传感器6采集得到的三分量姿态数据与三分量磁场传感器4的位置对应。在布设三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器6时，一般要求磁场传感器4与姿态传感器6之间的间距小于等于2米。具体地，可以将三分量姿态传感器6紧挨着三分量磁场传感器4设置在线缆上。需要说明的是，具体实施时，由于三分量磁场传感器4随线缆的运动在水中的姿态是随时都在变化的，而每个三分量磁场传感器4使用的是同一个正交坐标系，所以需要实时测量记录其对应的三分量姿态数据，以便后续可以对每个三分量磁场传感器4采集得到的三分量可控源时频磁场数据进行旋转处理，继而可以便于对后续采集得到的海洋可控源时频电磁数据进行处理和分析。

在本实施方式中，为了保证偶极电流源2产生的可控源时频电磁数据足够强，以用于在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场，所述偶极电流源2的长度可以设为300米至500米。因为，偶极电流源2的长度足够长，在海水中发射的可控源时频电磁数据才能下传到海底以下的地层里。如果偶极电流源2的长度太短，发射可控源时频电磁数据大部分将会分布在海水里(即在海水里从正极流向负极)，很少的可控源时频电磁场信号才能下传到海底以下的地层里，进而影响数据的采集和对待测海域海底以下介质的测量。

在本实施方式中，为了向上述的三分量姿态传感器6、三分量磁场传感器4和电场传感器3提供工作所需要的电源，所述线缆外还设有一层或多层的发电层7，用以将线缆随海水运动的机械能转换产生电能，为上述电子器件提供工作电压和工作电流。

在本实施方式中，为了避免使用高功率电源，通过发电层7进行自行发电，具体实施时，所述发电层7可以由摩擦纳米发电柔性材料制成。上述摩擦纳米发电柔性材料可以将线缆随着海水摆动或在海水中拖曳前行时的机械能转换成电能，作为能源，提供给三分量姿态传感器6、电场传感器3和三分量磁场传感器4等电子器件。此外，摩擦纳米发电柔性材料还具有一定的柔韧性，使用该材料作为发电层的线缆可以折叠、缠绕，便于回收和重复使用。需要说明的是，发电层7产生的电能具体可以供应给线缆上包括传感器在内的所有电子器件使用。

在本实施方式中，为了测得较准确的三分量可控源时频磁场数据，所使用的三分量磁场传感器4具体可以是线圈式三分量磁场传感器，也可以是磁通门式三分量磁场传感器。其中，所述线圈式三分量磁场传感器的基本结构可以是在高磁导率的磁芯上绕以一定匝数的线圈。当线圈放置在可控源时频电磁场中时，磁场会随时间变化在线圈中感应出电动势。所述磁通门式三分量磁场传感器这是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度之间的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。当然，也可以根据具体的要求和实施情况选择其他类型的三分量磁场传感器用以采集三分量可控源时频磁场数据。对此，本申请不作限定。

在本实施方式中，为了将三分量姿态传感器6、三分量磁场传感器4和电场传感器3分别测得的三分量姿态数据、三分量可控源时频磁场数据和可控源时频电场数据中的各个分量数据分别进行记录和存储，所述线缆具体还可以包括多个放大器和多个模数转换器。具体实施时，三分量姿态传感器6可以先分别与3个放大器相连，在上述3个放大器之后再各连接一个模数转换器。如此，三分量姿态传感器6采集得到的测量倾角分量数据、方位角分量数据和倾向分量数据可以分别通过1个放大器的放大处理后，再分别由模数转换器将模拟信号转换成数字信号进行传输存储。同样，三分量磁场传感器4也可以先分别与3个放大器相连，在上述3个放大器之后再各连接一个模数转换器。如此，三分量磁场传感器4采集得到的沿x轴方向的磁场分量数据、沿y轴方向的磁场分量数据和沿z轴方向的三分量磁场分量数据可以分别通过1个放大器的放大处理后，再分别由模数转换器将模拟信号转换成数字信号进行传输存储。当只采集沿线缆方向的可控源时频电场数据时，可以将一个放大器的两端分别与同一线缆上的相邻的两个电场传感器3的输出端相连，再将该放大器与一个模数转换器连接。如此，两个电场传感器采集的沿线缆方向的可控源时频电场数据可以通过放大器的放大处理后，再由模数转换器转换成数字信号进行传输存储。当还要采集垂直线缆放的可控源时频电场数据时，类似地，可以将一个放大器的两端分别与相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5的输出端相连，再将该放大器与一个模数转换器相连。对此，本申请不再赘述。

在本实施方式中，为了保证记录存储的数据的精度，所述模数转换器具体可以为32位模数转换器。使用32位模数转换器转换得到的数字数据分辨率相对较好，精确度相对较高。当然，还可以根据具体情况选择使用其他的模数转换器，例如8位模数转换器、16位模数转换器、24位模数转换器等。

在本实施方式中，为了保护上述发电层7的柔性材料不被磨损，同时为了防止发电层7由于受损导致短路漏电，在所述发电层7外还设有保护层8。其中，所述保护层8一般用耐磨的非金属材料制成。具体地，上述保护层8可以是由凯夫拉(kevlar)材料制成。当然，具体实施时，还可以根据具体情况选择其他的耐磨非金属材料作为保护层8。对此，本申请不作限定。

根据本发明实施例提供的海洋可控源时频电磁数据采集系统的工作原理可以是：偶极电流源2在海水中产生激发源时频电磁信号，用以在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场；设置在同一线缆上的相邻的两个电场传感器3作为一组可控源时频电场数据采集对采集沿线缆方向的可控源时频电场数据；所述线缆上的三分量磁场传感器4采集所述三分量可控源时频磁场数据，所述线缆上的三分量姿态传感器6采集三分量姿态数据；设置在相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5作为另一组可控源时频电场数据采集对采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据。整个工作过程中，所述线缆上的由摩擦纳米发电柔性材料制成的发电层7可以将线缆随海水运动的机械能转换成电能，为所述电场传感器3、所述三分量磁场传感器4和所述三分量姿态传感器6提供工作所需的电源。再采集得到的上述待测海域的可控源时频电场数据、三分量可控源时频磁场数据和三分量磁场传感器三分量姿态数据后，可以根据上述的数据进行处理分析，进而可以对待测海域海底的地质结构和储层的电性特征进行分析和研究，为后续的海底矿产资源勘探开发做准备。

在本申请实施例中，通过在线缆的外表面设置发电层，将线缆摆动或在海水中拖曳前行时的机械能转化成电能，对线缆上的电子器件进行供电，避免了使用大功率电源对电子器件造成电磁干扰，解决了现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法中存在的供电不便、采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题，达到了精确、高效地采集海洋可控源时频电磁数据的技术效果。

在一个实施方式中，为了采集得到垂直线缆方向的可控源时频电场数据，在所述系统包括多条线缆的情况下，具体实施时，所述多条线缆可以对称且平行设置，如此不仅可以便于采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据，还可以使得采集得到的可控源时频电场数据便于后续的处理分析。其中，设置在相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5用于采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据。即可以将相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5作为一组可控源时频电场数据采集对，用以采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据。

在一个实施方式中，为了使得相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5之间有足够长的极距，用以采集较准确可靠的可控源时频电场数据。具体实施时，所述多条线缆中相邻线缆之间的间距可以设置为大于等于25米。

在一个实施方式中，为了采集得到沿线缆方向的可控源时频电场数据，可以将同一线缆上的相邻的两个电场传感器3作为一组可控源时频电场数据采集对。通过该组可控源时频电场数据采集对可以采集得到沿线缆方向的可控源时频电场数据。其中，同一线缆上的相邻的两个电场传感器3之间的间距为10米至50米。如此，可以保证同一线缆上相邻的两个电场传感器之间具有足够大的极距，从而可以较准确地测量沿线缆方向的可控源时频电场数据。

在一个实施方式中，为了保证三分量姿态传感器6采集得到的三分量姿态数据与三分量磁场传感器4的位置对应。在布设三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器6时，一般要求三分量磁场传感器4与三分量姿态传感器6之间的间距小于等于2米。具体地，可以将三分量姿态传感器6紧挨着三分量磁场传感器4设置在线缆上。需要说明的是，具体实施时，由于三分量磁场传感器4随线缆的运动在水中的姿态是随时都在变化的，而每个三分量磁场传感器4使用的是同一个正交坐标系，所以需要实时测量记录对应的三分量姿态数据，以便后续可以对每个三分量磁场传感器4采集得到的三分量可控源时频磁场数据进行旋转处理，继而可以便于对后续采集得到的海洋可控源时频电磁数据进行处理和分析。

在一个实施方式中，为了避免电极自身的极化效应影响对海水中微弱的可控源时频电场数据的测量，所述带电极的电场传感器中所使用的电极为不极化电极。具体实施时，通过两个不极化电极可以组成一个不极化电极对，进而可以测量得到海水中两个不极化电极(电极对)之间的微弱电压信号，采集获得相应的可控源时频电场数据。

在一个实施方式中，所述的不极化的电极具体可以是硫酸铜电极，也可以是硝酸银电极，还可以是镀铂金的铂金电极等。当然，也可以根据具体情况选择其他的不极化电极作为所使用的电极。

在一个实施方式中，为了测得较准确的三分量可控源时频磁场数据，所使用的三分量磁场传感器4具体可以是线圈式三分量磁场传感器，也可以是磁通门式三分量磁场传感器。其中，所述线圈式三分量磁场传感器的基本结构可以是在高磁导率的磁芯上绕以一定匝数的线圈。当线圈放置在可控源时频电磁场中时，磁场会随时间变化在线圈中感应出电动势。所述磁通门式三分量磁场传感器这是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度之间的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。当然，也可以根据具体的要求和实施情况选择其他类型的三分量磁场传感器用以采集三分量可控源时频磁场数据。对此，本申请不作限定。

在一个实施方式中，为了将线缆的机械能转换成电能，所述发电层7具体可以由摩擦纳米发电柔性材料制成。如此，发电层7可以将线缆随海水运动或在海水中拖曳前行时的机械能转换成电能，为线缆上的电场传感器3或5、三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器6等电子器件提供合适的工作电压和工作电流。

在一个实施方式中，为了保证偶极电流源产生的可控源时频电磁数据足够强，以用于在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场，所述偶极电流源的长度可以设为300米至500米。因为，偶极电流源的长度足够长，在海水中发射的可控源时频电磁数据才能下传到海底以下的地层里。如果偶极电流源的长度太短，发射可控源时频电磁数据大部分将会分布在海水里(即在海水里从正极流向负极)，很少的可控源时频电磁数据才能下传到海底以下的地层里，进而影响数据的采集和对待测海域海底以下介质的测量。

在一个实施方式中，为了满足勘探需要：同时采集时域海洋可控源时频电磁数据和频域海洋可控源时频电磁数据。所述可控源时频电磁数据具体可以为时间域的可控源时频电磁数据，和/或，频率域的可控源时频电磁数据。具体实施时，偶极电流源2可以根据具体要求同时产生时间域的可控源时频电磁数据和频率域的可控源时频电磁数据，进而可以采集得到时间域的海洋可控源时频电磁数据和频率域的海洋可控源时频电磁数据。当然，偶极电流源2也可以根据具体要求只产生时间域的可控源时频电磁数据或者频率域的可控源时频电磁数据。对应的，可以采集的到时间域的海洋可控源时频电磁数据或者频率域的海洋可控源时频电磁数据。

在一个实施方式中，为了保护上述发电层7的柔性材料不被磨损，同时防止发电层7由于受损短路漏电，在所述发电层7外还设有保护层8。其中，所述保护层8一般用耐磨的非金属材料制成。具体地，上述保护层8可以是由凯夫拉(kevlar)材料制成。当然，具体实施时，还可以根据具体情况选择其他的耐磨非金属材料作为保护层8。对此，本申请不作限定。

在一个实施方式中，为了存储上述发电层7所产生电能，所述系统可以包括电能存储装置。其中，该电能存储装置可以与发电层7电性连接，从而可以将发电层7产生的电能通过该连接传输并存储在电能存储装置中。具体布设电能存储装置时，可以将电场传感器3、三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器6等电子器件分别与附近的电能存储装置相连，以通过临近的电能存储装置就近获取所需要的电能，避免从其他相距较远的电能存储装置调用能源，减少了电能在输运过程中的损耗和对沿途电子器件的干扰。当然，还可以根据具体情况选择其他合适的电能存储装置的布设方式。对此，本申请不作限定。

在本实施方式中，所述使用的电能存储装置具体可以是能够进行多次充放电的电能存储装置。所述能够进行多次充放电的电能存储装置与所述发电层相连，具体可以用于多次存储所述发电层产生的电能，并在发电层所发出的电能无法满足电磁地震数据采集缆正常工作时，能够进行多次充放电的电能存储装置可以立即给电磁地震数据采集缆提供额外的电能，以保证电磁地震数据采集缆正常进行海洋电磁地震数据的采集工作。

在一个实施方式中，为了存储电能，所述电能存储装置具体可以为充电电池。当然也可以选择其他合适的器件作为电能存储装置。

在一个实施方式中，为了将三分量姿态传感器6、三分量磁场传感器4和电场传感器3分别测得的三分量姿态数据、三分量可控源时频磁场数据和可控源时频电场数据中的各个分量数据分别进行记录和存储，所述线缆具体还可以包括多个放大器和多个模数转换器。具体实施时，三分量姿态传感器6可以先分别与3个放大器相连，在上述3个放大器之后再各连接一个模数转换器。如此，三分量姿态传感器3采集得到的测量倾角分量数据、方位角分量数据和倾向分量数据可以分别通过1个放大器的放大处理后，再分别由模数转换器将模拟信号转换成数字信号进行传输存储。同样，三分量磁场传感器4也可以先分别与3个放大器相连，在上述3个放大器之后再各连接一个模数转换器。如此，三分量磁场传感器4采集得到的沿x轴方向的磁场分量数据、沿y轴方向的磁场分量数据和沿z轴方向的磁场分量数据可以分别通过1个放大器的放大处理后，再分别由模数转换器将模拟信号转换成数字信号进行传输存储。当只采集沿线缆方向的可控源时频电场数据时，可以将一个放大器的两端分别与同一线缆上的相邻的两个电场传感器3的输出端相连，再将该放大器与一个模数转换器连接。如此，两个电场传感器采集的沿线缆方向的可控源时频电场数据可以通过放大器的放大处理后，再由模数转换器转换成数字信号进行传输存储。当还要采集垂直线缆放的可控源时频电场数据时，类似地，可以将一个放大器的两端分别与相邻线缆上的相对的两个电场传感器3和5的输出端相连，再将该放大器与一个模数转换器相连。对此，本申请不再赘述。

在一个实施方式中，为了保证记录存储的数据的精度，所述模数转换器具体可以为32位模数转换器。使用32位模数转换器转换得到的数字数据分辨率相对较好，精确度相对较高。当然，还可以根据具体情况选择使用其他的模数转换器，例如8位模数转换器、16位模数转换器、24位模数转换器等。

在一个实施方式中，为了采集得到待测海域的海洋可控源时频电磁数据，所述系统具体还可以包括拖缆船1。其中，所述拖缆船1与所述偶极电流源2和所述线缆相连。如此，拖缆船1可以拖动偶极电流源2和所述线缆一起运动。偶极电流源2在随拖缆船1运动的同时发射可控源时频电磁数据，用于在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场。线缆在随拖缆船1运动的同时，实时采集并记录相应的可控源时频电场数据、三分量可控源时频磁场数据和三分量姿态数据。

对于上述的海洋可控源时频电磁数据采集系统，具体可以参阅图3的应用海洋可控源时频电磁数据采集系统的步骤流程图，按照以下步骤进行海洋地震数据采集：

步骤301：利用偶极电流源产生可控源时频电磁数据，用以在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场，其中，所述可控源时频电磁场包括可控源时频电场数据和可控源时频磁场数据。

步骤302：通过设置在同一线缆上的相邻的两个电场传感器采集沿线缆方向的可控源时频电场数据。

步骤303：通过所述线缆上的三分量磁场传感器采集所述三分量可控源时频磁场数据，所述线缆上的三分量姿态传感器采集三分量姿态数据。

步骤304：利用所述线缆上的发电层为所述电场传感器、所述三分量磁场传感器和所述三分量姿态传感器提供工作所需的电源。

在一个实施方式中，具体实施前，可以参阅图1。将偶极电流源和线缆设置在拖缆船的尾端。其中，为了使得采集得到的数据便于后续处理，在布设线缆时，可以将线缆以拖缆船行驶的路线为对称轴，等间距对称布设所述线缆。为了采集得到所需数量的海洋可控源时频电磁数据，可以在每条线缆上布设多个电场传感器，在同一线缆的相邻的两个电场传感器之间的线缆上布设1个三分量磁场传感器。在紧挨着三分量磁场传感器的线缆上布设1个三分量姿态传感器。以上述的同一线缆上相邻的两个电场传感器作为一个可控源时频电场数据采集对，采集沿线缆方向的可控源时频电场数据。通过三分量磁场传感器采集三分量可控源时频磁场数据。通过三分量姿态传感器采集三分量姿态数据。为了给线缆上的电子器件提供能源，在线缆外还可以设有发电层。其中，发电层可以由摩擦纳米发电柔性材料制成。通过该发电层，可以将线缆运动的机械能转换成电能，用以向电子器件提供工作电压和工作电流。

在一个实施方式中，具体实施时，拖缆船按照预设速度行驶，拖动拖缆船所连接的偶极电流源和线缆。偶极电流源在待测海域中发射时间域的可控源时频电磁数据，或者发射频率域的可控源时频电磁数据，或者同时发射时间域的可控源时频电磁数据和频率域的可控源时频电磁数据。其中，该可控源时频电磁数据可以在待测海域和海底以下介质中激发产生可控源时频电磁场。线缆上的发电层将线缆的机械能转换成电能，提供给线缆上的电场传感器、三分量磁场传感器和三分量姿态传感器。具体地，三分量姿态传感器实时采集记录三分量姿态数据，三分量磁场传感器实时采集记录三分量可控源时频磁场数据，同一线缆相邻的两个电场传感器采集沿线缆方向的可控源时频电场数据。上述3种数据的各个分量数据可以分别依次通过放大器、模数转换器转换成数字数据，并以数字数据的形式传输并存储在拖缆船上的处理器中，以备后续的分析处理。

在一个实施方式中，处理器可以根据姿态数据对所述可控源时频电场数据和三分量可控源时频磁场数据进行旋转处理，再根据处理后的可控源时频电场数据、三分量可控源时频磁场数据和三分量姿态数据，对待测海域海底的地质结构和储层的电性特征进行分析和研究，为后续的海底以下矿产资源的勘探开发做准备。

在一个实施方式中，为了采集得到垂直线缆方向的可控源时频电场数据，具体实施时，可以将相邻线缆上的相对的电场传感器3和5作为另一组可控源时频电场数据采集对，采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，上述实施方式阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，在本说明书中，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

此外，在本说明书中，诸如第一和第二这样的形容词仅可以用于将一个元素或动作与另一元素或动作进行区分，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。在环境允许的情况下，参照元素或部件或步骤(等)不应解释为局限于仅元素、部件、或步骤中的一个，而可以是元素、部件、或步骤中的一个或多个等。

从以上的描述中，可以看出，本申请实施方式提供的海洋可控源时频电磁数据采集系统和方法通过在线缆的外表面设置发电层，将线缆的机械能转化成电能，对线缆上的电子器件自行进行供电，避免了大功率电源对电子器件的电磁干扰，解决了现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法中存在的供电麻烦、采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题，达到了精确、高效采集海洋可控源时频电磁数据的技术效果；又通过使用摩擦纳米发电柔性材料制成发电层，将线缆随海水摆动或在海水中拖曳前行时产生的机械能转换成电能，进而可以对电子器件进行供电，避免了在线缆的起始端使用高大率电源供电对数据采集过程的影响；还通过利用同一线缆的相邻的两个电场传感器采集沿线缆方向的可控源时频电场数据，利用相邻线缆上相对的两个电场传感器采集垂直线缆方向的可控源时频电场数据，利用三分量磁场传感器采集三分量的可控源时频磁场数据，达到了采集多分量的海洋可控源时频电磁数据的技术效果。

可以参阅图4的应用本申请实施方式提供的海洋可控源时频电磁数据采集系统的场景示意图，在一个具体实施场景，应用本申请提供海洋可控源时频电磁数据采集系统设计拖缆式海洋可控源电磁勘探系统，对某海域的海洋可控源时频电磁数据进行采集，具体可以按照以下方式进行。需要说明的是，图4中上方的矩形区域表示待测海域的海水区域，下方的矩形区域表示待测海域的海底地层，下方的矩形区域中的阴影部分表示海底中的未知的地质结构。

使用的海洋可控源时频电磁数据采集系统的具体结构可以参阅图1和图2。上述系统包括：拖缆船1，拖曳式偶极电流源2(偶极长度300米到500米)和9缆或更多的海洋可控源时频电磁数据采集缆(线缆)。每条缆上安置7对或更多的采集系，每对采集系由电场传感器(不极化电极对)3、三分量磁场传感器4和三分量姿态传感器组成。

电场传感器(不极化电极对)3的具体安置方式是在每两个相邻的三分量磁场传感器4之间的中部位置上安置一个电场传感器3(不极化电极)。同缆相邻的两个电场传感器3(不极化电极)可以组成一个电极对，用以测量沿电缆方向分布的电场分量(沿线缆方向的可控源时频电场数据)ex。每个三分量磁场传感器4则用于测量三分量磁场信号。所述三分量姿态传感器6为测量倾角、方位角、倾向的三分量姿态传感器。

每个电极对3之间连接着一个带前置放大器的独立的32位模数转换器，模数转换器将测量到的沿电缆方向分布的电场(ex)模拟信号转化为数字信号。

每个三分量磁场传感器4输出端连接3个带前置放大器的独立的32位模数转换器，模数转换器将测量到的三分量磁场模拟信号转化为数字信号。

相邻电磁数据采集拖缆之间的电场传感器3和5组成另一个电极对并连接到一个带前置放大器的独立的32位模数转换器，模数转换器将测量到的垂直电缆方向分布的电场ey模拟信号转化为数字信号。

其中，所述的电场传感器3为不极化电极制成的电场传感器。所述的三分量磁场传感器4具体可以为三分量感应线圈式磁场传感器或者三分量磁通门式磁场传感器。转换后的海洋电磁数字信号由拖缆中的光纤电缆直接传输到船载的海洋可控源时频电磁数据记录仪器中记录存储。

拖在水中的偶极电流源2提供可控的发射电流。其可控的发射电流逆变装置安放在甲板上。海洋可控源时频电磁数据采集拖缆测量海洋中沿缆方向和垂直缆方向分布的电场信号ex、ey和三分量磁场信号。

拖缆式海洋可控源电磁勘探系统由图2中所示的拖缆船1，拖曳式偶极电流源2，偶极长度300米到500米，和三条或三条以上缆的海洋可控源时频电磁数据采集系组成。

通过连接本电缆左右两侧平行电磁电缆上的电场传感器3和5，则构成垂直于电磁电缆方向的电极对，即相邻电磁数据采集拖缆之间的电场传感器3和5组成另一个电极对,用以测量垂直于电缆方向分布的电场分量ey。由于每两条平行电磁电缆之间的间距至少在25米以上，用左右两侧平行电磁电缆上的电场传感器组成的电极对的极距至少在50米以上，这样大极距的电极对可以可靠地测量海水中的电场分量。此外，这一大极距电极对的极距也与沿缆方向安置的电极对的极距相等或相当，可以保证所测量到的沿缆方向和垂直于缆方向的电场分量ex和ey均较为准确可靠。

在封装每个电场传感器和三分量场磁传感器的一段拖缆外套上包裹一层或多层摩擦纳米发电柔性材料制成的发电层7，然后再加上一层耐磨的非金属材料制成的保护层8，即可将原有源式的海洋可控源电磁数据采集拖缆变成无源式海洋可控源时频电磁数据采集拖缆。其中，无源式海洋可控源时频电磁数据采集拖缆使用拖缆外套上包裹的摩擦纳米发电柔性材料7在其运动时产生的电能直接或间接的驱动拖缆里的电磁数据采集单元和传感器进行数据采集工作，完全替代原拖缆内的大功率长距离供电电缆。当拖缆在海水中拖行移动或在波浪驱动上下移动时，摩擦纳米发电柔性材料7将拖缆的低频机械运动转换为电能，直接驱动拖缆里的电磁数据采集单元和传感器进行数据采集工作。此电能也可以通过有线或无线的方式给拖缆内的可充电电池充电，可充电电池继而驱动拖缆里的电磁、姿态数据采集单元和传感器进行海洋可控源时频电磁数据采集工作；又由于不需要另外供电，线缆可以做的更长，进而可以在线缆上布设更多更密集的电子器件和传感器，用以采集更的海洋可控源时频电磁数据，因此还达到了提高采集效率的技术效果。

通过上述场景示例，验证了通过本申请实施方式提供海洋可控源时频电磁数据采集系统确实可以解决现有的海洋可控源时频电磁数据采集方法中存在的采集得到的海洋可控源时频电磁数据准确度差的技术问题，达到精确、高效采集海洋可控源时频电磁数据的技术效果。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请。