CN104215202B - 基于测深仪的取样器距底高度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种在大洋沉积物取样过程中用到的、针对常规取样器的基于测深仪的取样器距底高度测量方法。其包括步骤：第一步，设备组装；第二步，设备投放；第三步，设备信号测试；第四步，设备测深；第五步，设备调整，调整测深仪使之能够检测并显示直达波和反射波；第六步，计算距底高度，分别从测深仪上读取直达波的深度L1和反射波的深度L2，两者做差，计算出声学Pinger距底的准确高度△H，△H＝L2‑L1；第七步，地质绞车继续放缆，当0＜△H≤L时表示取样器成功触底。本发明能够准确的把握取样的距底高度，保证了常规取样器能够充分发挥其应有的作用，在实际的大洋沉积物取样作业中取得了极好的实际效果。

Description

基于测深仪的取样器距底高度测量方法

技术领域

本发明涉及大洋沉积物取样技术领域，尤其涉及一种基于测深仪的取样器距底高度测量方法。

背景技术

近年来，随着海洋调查技术和装备水平的不断提升，一些新的海底地质取样技术，如可视取样、原位测量、取样钻机、保真取样等，逐渐应用到大洋科考中。尽管如此，由于上述取样设备成本高，维护难度大，重力柱取样器、多管取样器、箱式取样器等常规海底沉积物取样设备仍然在大洋沉积物取样中发挥着重要作用。然而这些常规取样方式存在着难以实时获取取样器距底高度，以及准确判定取样器触底时刻等问题，特别是在大洋调查作业中，水深一般都在数千米。

传统的作业方式是，调查人员根据钢缆的倾斜角及作业海深来估算放缆长度，带有极强的人为主观因素。即使是经验丰富的大洋调查人员，仍然难以准确估算放缆长度，经常不是放缆过长，就是施放不到底，给取样作业带来了极大的困难和不确定性。

针对这种情况，出现了两种基于声学Pinger的方法：

方法一：传统声学Pinger技术是采用遥测的方法获取取样器的触底时刻。声学Pinger的上下两端各装一小开角发射换能器。其工作原理是，将声学Pinger随钢缆施放于水中后，声学Pinger按预定的时间间隔(如1s)同时向上和向下发射声脉冲，船上通过水听器接收声脉冲的直达波和海底反射波。当声学Pinger仅用于判断取样器是否触底时，则无需计算声学Pinger距底高度。显然，直达波和海底反射波的到达时差随声学Pinger距海底的高度减小而变小。当声学Pinger抵达海底时，到达时差趋于零，从而可实现取样器的触底判别。

本方法的缺陷是：受海底反射系数、声速变化和悬挂高度等影响，性能不稳定。

方法二：测高声学Pinger监测取样器的触底信息时，测量取样器的高度变化更为方便。与传统声学Pinger不同的是——测高声学Pinger具有测高功能，称之为测高声学Pinger。它的上端安装一小开角的发射换能器，下端安装一小开角收发合置换能器，实现测高功能。其工作原理是，将测高声学Pinger悬挂在取样器上方的一定高度(如50m)，在释放钢缆时，测高声学Pinger的下端换能器按预定的时间间隔(如1s)向取样器发射声脉冲，同时触发上端换能器向上发射一声脉冲。当测高声学Pinger的下端换能器接收到取样器的反射回波后，立即触发上端换能器再次发射声脉冲。船侧水听器每秒可接收到两个声脉冲信号，根据这两个声脉冲信号的时差就可得到声学Pinger与取样器的距离。实际使用中，无需知道这个距离的具体数值。在取样器未到达海底前，两声脉冲信号的时差保持不变，一旦取样器到达海底，测高声学Pinger与取样器的距离开始变小，使得两个声脉冲的时差也变小。因此，两个声脉冲的时差开始变小的时刻就可以认定为取样器的触底时刻。

本方法的缺陷是：(1)无法获取取样器距离海底的高度，不利于充分发挥重力取样的优势；(2)通过两个声脉冲时差由不变到变小来判断取样器是否触底，是一个突变过程，不利于实时监测，无疑给操作人员带来很大负担，并且效果并不理想。

因此，在大洋沉积物取样的过程中，

存在的问题有：

(1)难以实时获取取样器距底高度，以及准确判定取样器触底时刻等问题。

(2)如果作业水域存在海流，甚至上下水层的海流方向不同，钢缆在水下的形状更复杂而且无法预知，估算就更不准确。

(3)取样器触底如果判断不准又将会带来如下问题：1)未触底，取样失败；2)放缆过长，致使钢缆打结，极易造成钢缆损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在大洋沉积物取样过程中用到的、针对常规取样器的基于测深仪的取样器距底高度测量方法。

为了达到上述目的，本发明的设备包括大洋科考船、测深仪、地质绞车、钢缆、声学Pinger和取样器，测深仪和地质绞车安装在大洋科考船上，钢缆与地质绞车配合安装，包括以下步骤：

第一步，设备组装，将取样器连接在钢缆的出缆端，声学Pinger连接在取样器后面的钢缆上，其距离取样器为Lm；

第二步，设备投放，开启声学Pinger，将取样器和声学Pinger先后放入水中，保持声学Pinger的换能器和取样器的取样部件分别垂直向下；

第三步，设备信号测试，测深仪开启被动Pinger模式，确认可以收到声学Pinger的直达波L1；

第四步，设备测深，地质绞车匀速放缆，测深仪开启主动测深模式，当绞车放缆长度与海深相差达到H时，测深仪开启被动Pinger模式；

第五步，设备调整，调整测深仪的增益通道，使之能够检测并显示直达波和反射波；

第六步，计算距底高度，分别从测深仪上读取直达波的深度L1和反射波的深度L2，两者做差，计算出声学Pinger距底的准确高度△H，△H＝L2-L1；

第七步，地质绞车继续放缆，当0＜△H≤L时表示取样器成功触底。

所述的第一步中的L的取值范围为50m～100m。

所述的第四步中的H的取值为750m。

所述的第七步中的地质绞车继续放缆为自由落体放缆。

进一步地，第一步包括两小步：(1)取样器先连接在钢缆的出缆端，取样器进入水中，地质绞车放缆Lm；(2)将声学Pinger连接在钢缆的Lm处，开启声学Pinger，再继续放缆。

进一步地，第七步中的地质绞车在放缆过程中，持续不断的读取L1和L2，当△H的值在0＜△H≤L范围时，表明取样器已经触底，根据△H的数值，选择继续放一段钢缆或者收回一段钢缆，保证取样器既触底，同时钢缆又不会缠绕发生损坏。

本发明采用如上技术方案，在测深仪的基础上结合声学Pinger，能够准确的把握取样的距底高度，保证了常规取样器能够充分发挥其应有的作用，在实际的大洋沉积物取样作业中取得了极好的实际效果。

附图说明

图1本发明一种实施例的设备及原理示意图；

图2本发明实施例2中测深仪选用Bathy2010浅地层剖面仪时的工作记录图。

图中，1-大洋科考船；2-测深仪机柜；3-测深仪换能器阵；4-地质绞车；5-钢缆；6-声学Pinger；7-取样器；L1-直达波；L2-反射波；△H-声学Pinger距底高度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

测深仪：具有12kHz频率、具备主动和被动模式的单波束测深仪；

声学Pinger：选用12kHz频率的通用声学Pinger，此处为IXSEA EP861S；

L取50m，H取750m，△H为50m；

在进行距底高度测量前，为保证声学Pinger距底高度测量更加准确，先使用CTD(温盐深仪)测量并确定海底底部的声速值。

如图1所示，设备包括大洋科考船1、测深仪、地质绞车4、钢缆5、声学Pinger6和取样器7，测深仪和地质绞车4安装在大洋科考船1上，钢缆5与地质绞车4配合安装，包括以下步骤：

第一步，设备组装，将测深仪的测深仪机柜2安装在大洋科考船1的实验室中，将测深仪的测深仪换能器阵3安装在大洋科考船1的底部，将取样器7连接在钢缆5的出缆端，声学Pinger6连接在取样器7的后面的钢缆5上，其距离取样器7为50m；

第二步，设备投放，开启声学Pinger6，将取样器7和声学Pinger6先后放入水中，保持声学Pinger6的换能器和取样器7的取样部件分别垂直向下；

第三步，设备信号测试，测深仪开启被动Pinger模式，确认可以收到声学pinger6的直达波L1；

第四步，设备测深，地质绞车4匀速放缆，测深仪开启主动测深模式，当绞车放缆长度与海深相差750m时，测深仪开启被动Pinger模式；

第五步，设备调整，调整测深仪的增益通道，使之能够检测并显示直达波和反射波；

第六步，计算距底高度，分别从测深仪上读取直达波的深度L1和反射波的深度L2，两者做差，计算出声学pinger6距底的准确高度△H,△H＝L2-L1；

第七步，地质绞车4继续自由落体放缆，当0＜△H≤50m时表示取样器7成功触底；

第八步，根据测深仪上的测量距离△H，微调钢缆长度或者不调整，静等5～10分钟，提升钢缆，回收取样器和声学Pinger，收集地质样本，整个取样试验完毕。

这里应该指出的是：图1中的设备组装形式仅为示意图，其实际尺寸需要根据实际需要进行确定，此外，图1中的直达波L1和反射波L2与垂线之间的夹角、直达波L1和反射波L2之间的夹角均为示意夹角，实际测量过程中，地质绞车4与测深仪换能器阵3之间的距离很小或是两者位于同一垂线上，因此，此处的示意夹角不会对测量结果产生任何不利影响，保证了测量结果的准确性。

实施例2

测深仪：选用Bathy2010浅地层剖面仪，选用12kHz频率，其性能指标见表1；

声学Pinger：选用12kHz频率的通用声学Pinger，此处为IXSEA EP861S，其性能指标见表2；

L取50m，H取750m，△H为50m。

具体的包括以下步骤：

第一步，在后甲板完成取样器组装，因取样器体积较大，存放时一般需要拆卸，以部件的形式存放；

第二步，待大洋科考船1抵达作业站位后，船舶停机处于漂泊状态；启动折臂吊和地质绞车4，挂上取样器7，折臂吊摆出船外，操纵绞车施放钢缆；

第三步，待钢缆5施放50米时，绞车停止放缆，折臂吊摆回船舷；安装声学Pinger6，保持换能器头向下，安装完成后开启声学Pinger6，使之不断发射声脉冲；

第四步，折臂吊复位，绞车继续放缆；开启Bathy2010浅地层剖面仪，设置为被动Pinger模式，确认能够接收到声学Pinger6的直达波，然后切换至主动测深模式，准确测量海水深度；

第五步，地质绞车操作员记录放缆长度和钢缆倾斜角，并每隔500米报告一次；待绞车放缆长度与海深相差750米时，Bathy2010重新调整为被动Pinger模式，根据直达波信号强度合理调整“通道增益”，通过调整“海底增益”使海底反射波能够合理显示，并根据直达波和海底反射波对应的深度值估计声学Pinger6距底高度；

第六步，待声学Pinger6距底高度为100～120米时，地质绞车4停止放缆，取样器7通过自重调整姿态，使取样器7保持垂直；待取样器7姿态调整完毕后，地质绞车4全速放缆，使取样器7近似自由落体，以自身重力产生更高的触底速度，在惯性作用下加速贯入海底，获取样品，这个过程中，需要不断报告声学Pinger6距底高度；

第七步，待声学Pinger6距底高度为50米时，表示取样器7已经触底，地质绞车4再放出10米左右余量钢缆后，停止放缆；5～10分钟后，地质绞车开始回收钢缆，此时声学Pinger6距底高度不断增大，待声学Pinger6距底高度超过100米时，关闭Bathy2010；

第八步，待声学Pinger6出水后，回收声学Pinger6；待取样器7出水后，回收取样器7，收集地质样品。

这里应该指出的是：图1中的设备组装形式仅为示意图，其实际尺寸需要根据实际需要进行确定，此外，图1中的直达波L1和反射波L2与垂线之间的夹角、直达波L1和反射波L2之间的夹角均为示意夹角，实际测量过程中，地质绞车4与测深仪换能器阵3之间的距离很小或是两者位于同一垂线上，因此，此处不会对测量结果产生任何不利影响，保证了测量结果的准确性。

如图2所示，在取样器和声学Pinger6在深入海底过程中，当能够收到反射波的时候，测深仪在“数据记录显示”窗口读取当前时刻的直达波对应的深度值和海底反射波对应的深度值，两者做差即是声学Pinger6距底高度。

图中，每收到一个声学Pinger6直达波后，它都会在“数据记录显示”窗口打一个黑点。随着声学Pinger6不断下降，其“数据记录显示”窗口中的黑点连成一条不断下降黑线；当声学Pinger6不断上升时，相应的黑线也不断上升；当声学Pinger6深度不变时，相应的黑线保持水平。黑线的斜率在一定程度上反映了声学Pinger6变化速度。

A阶段：声学Pinger6距离海底高度大于120米，绞车持续匀速放缆，声学Pinger6不断下降，L1和L2不断接近。

B阶段：声学Pinger6距离海底高度为120米，绞车停止放缆，声学Pinger6深度保持，取样器依靠自身重力调整姿态，使之处于垂直状态,L1和L2距离不变；

C阶段：取样器姿态调整完毕后，绞车全速放缆，直至取样器触底，声学Pinger6距离海底高度由120米减小为40米，L1和L2急速接近；

D阶段：声学Pinger6距离海底高度为40米，绞车停止放缆，停留约5～10分钟，待取样器状态稳定，L1和L2不变；

E阶段：绞车开始回收钢缆，声学Pinger6距离海底高度由40米开始增加，超多50米时，取样器离开海底。

表1Bathy2010主要技术指标

表2IXSEA EP861S声学Pinger主要技术指标

技术参数	技术指标
		工作深度	6000m
重量	25kg(空气中)/16kg(水中)
		频率	7.5～18kHz
指向性	半球形(3dB)
		发射声源级	131.5dB5dB ref.1μ@1m
接收灵敏度	185dB5dB ref.
		信号形式	CW脉冲、MFSK脉冲
发射周期	1～31s可调

Claims (4)

1.一种基于测深仪的取样器距底高度测量方法，设备包括大洋科考船(1)、测深仪、地质绞车(4)、钢缆(5)、声学Pinger(6)和取样器(7)，测深仪和地质绞车(4)安装在大洋科考船(1)上，钢缆(5)与地质绞车(4)配合安装，地质绞车(4)与测深仪换能器阵(3)之间的距离很小或是两者位于同一垂线上，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，设备组装，将取样器(7)连接在钢缆(5)的出缆端，声学Pinger(6)连接在取样器(7)的后面的钢缆(5)上，其距离取样器(7)为Lm，具体地包括两小步：取样器先连接在钢缆的出缆端，取样器进入水中，地质绞车放缆Lm；将声学Pinger连接在钢缆的Lm处，开启声学Pinger，再继续放缆；

第二步，设备投放，开启声学Pinger(6)，将取样器(7)和声学Pinger(6)先后放入水中，保持声学Pinger(6)的换能器和取样器(7)的取样部件分别垂直向下；

第三步，设备信号测试，测深仪开启被动Pinger模式，确认可以收到声学pinger(6)的直达波L1；

第四步，设备测深，地质绞车(4)匀速放缆，测深仪开启主动测深模式，当绞车放缆长度与海深相差达到H时，测深仪开启被动Pinger模式，其中H为开启被动pinger模式的距离；

第五步，设备调整，调整测深仪的增益通道，使之能够检测并显示直达波和反射波；

第六步，计算距底高度，分别从测深仪上读取直达波的深度L1和反射波的深度L2，两者做差，计算出声学pinger(6)距底的准确高度△H,△H＝L2-L1；

第七步，地质绞车(4)继续放缆，当0＜△H≤L时表示取样器(7)成功触底，根据△H的数值，选择继续放一段钢缆或者收回一段钢缆；

在进行距底高度测量前，先使用CTD(温盐深仪)测量并确定海底底部的声速值。

2.根据权利要求1所述的基于测深仪的取样器距底高度测量方法，其特征在于：所述的L的取值范围为50m～100m。

3.根据权利要求1所述的基于测深仪的取样器距底高度测量方法，其特征在于：所述的第四步中的H的取值为750m。

4.根据权利要求1所述的基于测深仪的取样器距底高度测量方法，其特征在于：所述的第七步中的地质绞车(4)继续放缆方式为自由落体放缆。