CN107631720B - 海底沙波原位实时观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

海底沙波原位实时观测装置及方法，包括有观测系统与辅助设备。辅助设备即辅助船和起吊装置等；观测系统包括重力锚，光纤光栅浮土重量传感器，凯夫拉电缆，水声释放器组，下浮球支架，波潮仪，上浮球支架，MRU三维姿态传感器，卫星通讯机，成像声呐，太阳能电池，主浮体，其原理是观测海底沙波迁移引起的海底压力变化，分析出相邻两最值海底压力的时间间隔和高程及波长数据，然后计算出海底沙波的迁移速率。其方法包括选择观测点和布放时间，系统布放，回收，数据处理。本发明为海底沙波迁移的原位实时观测提供了一种新思路，具有设备简单易行，原位实时测量周期长、适用水域广等特点，能够对海底沙波迁移进行原位实时长期观测。

Description

海底沙波原位实时观测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海底沙波原位实时观测装置及方法，属于海底观测技术领域和海洋工程地质领域。

背景技术

海底沙波是陆架海底砂质沉积物在海洋浪、潮等水动力作用下，一种波脊线垂直于主水流方向狭长的间歇式的海底地貌类型。大量事实表明海底沙波的存在和迁移对海底管道安全有较大影响，沙波迁移极容易造成海底管缆的悬空或掩埋，更严重时会导致海底管缆的断裂、失效，给经济安全和环境安全带来巨大威胁，所以对海底沙波进行观测研究意义重大。

目前海底沙波迁移的研究数据来源主要是多波束重复测深和侧扫声呐等声学仪器。通过间隔时间派出物探船对观测海域利用多波束和侧扫声呐等声学仪器进行定位水深重复测量，通过水深变化，来实现对于沙波迁移的观测。耗费大量船时且得到的只是时间间断的数据，无法实现对于海底沙波的原位实时的观测。从检索的公开资料分析发现：一种海底大型复杂沙波地貌的精确探测方法(专利号：CN2013103117430.1)和一种基于MBES的海底沙波地貌运动探测方法(专利号CN201310317429.9)，均是通过高分辨率多波束测深技术和定位系统为核心技术来探测海底沙波的迁移。这种观测方式简单易行，但是需多次重复测量、时间不连续，无法实现原位观测，从间断的数据不能准确判断沙波迁移的具体情况。通过长期的原位观测可以得到原位、长期、连续的观测数据，更为接近真实情况，本发明是基于光纤光栅浮土重量传感器和成像声呐以及卫星通讯机为核心的原位实时观测装置，对海底沙波迁移的监测和预警方案的研究具有重要意义。

在海底观测技术领域，我国对海底沙波迁移的原位观测技术目前还是空白，本发明装置简便易行，将会有效填补这一空缺，推动国家海洋地质灾害防治预警的发展，保障海底基础工程设施的安全。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种海底沙波迁移的观测装置及方法，以实现对海底沙波迁移的原位实时观测。

工作原理

监测原理是通过光纤光栅浮土重量传感器所测浮土重量变化反映上覆沙波的高程变化，峰值与谷值之间的高差即为波高，通过波潮仪记录波浪和潮位信息，用于后期数据矫正，相邻的浮土重量最大值所记录的时间间隔则为沙波迁移一个波长所需的时间即周期；成像声呐动态测量地形得出沙波波长，即沙波迁移速率＝波长/周期。

对上述采集到的数据进行处理的方法，如下：

通过运用波潮仪记录数据消除浪潮流对光纤光栅浮土重量传传感器数据影响，并通过三维姿态传感器记录数据进行高程校正，即可分析出海底沙波波高(H)；相邻两个最值之间所经历的时间，即为海底沙波迁移的周期(T)；成像声呐对地形进行记录，得到波长数据(λ)。即V＝λ/T。

装置结构

观测装置主要包括水面部分、上下浮球支架、搭载的观测设备以及系留部分。

水面部分包括主浮体、太阳能电池和卫星通讯机。太阳能电池通过凯夫拉电缆为卫星通讯机及其余观测设备供电。卫星通讯机内置在主浮体中，采用存储转发的工作方式，当数据量超过其传输容量时，先缓存于观测仪器自容存储内，之后在空闲时依次发送。

上浮球支架搭载成像声呐，下浮球支架搭载姿态传感器、波潮仪。水面部分、上下浮球支架以及水声释放器之间采用凯夫拉电缆及缆绳连接，具体长度根据观测区域水深设置，以实现供电与可靠连接。

系留系统主要包括塑封钢缆、机械转环、凯夫拉电缆、玻璃浮球、连接件和重力锚等。采用两台声学释放器并联组合成声学释放器组的结构，保证观测系统的可靠回收。其中光纤光栅浮土重量传感器固定在重力锚上，并通过凯夫拉电缆与上部结构相连。当设备回收时声学释放器释放下部重力锚及光纤光栅浮土重量传感器，实现其余设备上浮回收工作。

仪器介绍

光纤光栅浮土重量传感器预先固定在重力锚上，通过凯夫拉电缆和缆绳与其他设备相连，具体长度根据观测区域水深设置，以实现供电与可靠连接；

通过甲板单位给水声释放器发送指令，水声释放器释放下部重力锚及光纤光栅浮土重量传感器，实现其余设备上浮回收工作，完全满足海底沙波观测需要。

所述主浮体通过玻璃浮球组合，为整套系统提供主要浮力。

测量仪器包含光纤光栅浮土重量传感器、波潮仪、MRU三维姿态传感器和成像声呐；其中：

光纤光栅浮土重量传感器为一种新型沉积物侵蚀淤积传感器，预先固定在重力锚上，设备布放至海床后随着沙波移动会逐渐将光纤光栅传感器掩埋，并随着沙波的周期变化，设备上浮土重量也会出现周期性变化，通过凯夫拉电缆供电并将数据传输至卫星通讯机，通过记录覆盖在传感器上浮土重量变化来推算上覆沙波的移动情况，峰值与谷值之间的高差即为波高，相邻的浮土重量最值所记录的时间间隔则为沙波迁移一个波长所需的时间即周期。

波潮仪，记录波浪和潮位信息，用于后期数据矫正。

MRU三维姿态传感器，与波潮仪一同固定在浮球支架内部，并通过凯夫拉电缆传输数据至卫星通讯机。设备在海水中可能随着海流有些许倾斜，MRU三维姿态传感器则会记录倾斜的角度，在今后数据处理时进行校正，保证监测的准确性。

成像声呐固定在浮球支架上，定期扫描地形，测量区域沙波的波长。

卫星通讯机和太阳能电池作为通信供电设备。卫星通讯机，内置在主浮体中，采用存储转发的工作方式，当数据量超过其传输容量时，先缓存于观测仪器自容存储内，之后在空闲时依次发送。太阳能电池为整套设备提供电力支撑，将根据具体用电需要配置。

主浮体采用玻璃浮球组合而成。

与现有的技术相比，本发明采用一种地形与浮土重量变化相结合的测量装置对海底沙波迁移进行观测，率先采用光纤光栅浮土重量传感器来进行海底沙波原位实时观测，观测时配以其他装置进行辅助，有利于得到稳定可靠的观测结果，从而首次实现了海底沙波原位实时观测。经实践表明，利用本观测系统可以实现对海底沙波迁移的长期原位实时观测，能够比较精准地记录海底沙波的迁移过程及速率。所述观测装置都可以进行回收再利用，具有很强重复利用性，可极大节约观测成本。本发明是一种简便有效的海底沙波迁移的观测方法，在海底地形调查和海底科学研究中具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明的海底沙波迁移观测系统总图。

图2是本发明的布放示意图。

图3是本发明的布放至海底效果示意图。

图4是本发明的海底沙波迁移观测的流程框图。

其中，1、重力锚，2、光纤光栅浮土重量传感器，3、凯夫拉电缆，4、水声释放器组，5、波潮仪，6、下浮球支架，7、成像声呐，8、MRU三维姿态传感器，9、太阳能电池，10、上浮球支架，11、主浮体，12、卫星通讯机，13、卷扬机，14、钢缆。

具体实施方式

如图所示，一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于包括重力锚1、位于重力锚1上方且含有两个并联使用的水声释放器的水声释放器组4、位于水声释放器组4上方的下浮球支架6、位于下浮球支架6上方的上浮球支架10、以及位于上浮球支架10上方的搭载太阳能电池9和卫星通讯机12的主浮体11，其中：

所述重力锚1顶部设有光纤光栅浮土重量传感器2，

所述下浮球支架6外部设有为设备提供部分浮力的小型浮球、内部悬挂有波潮仪5和motion reference unit(MRU)三维姿态传感器8，

所述上浮球支架10外部设有为设备提供部分浮力的小型浮球、内部悬挂成像声呐7；

所述重力锚1、水声释放器组4、下浮球支架6、上浮球支架10、主浮体11通过凯夫拉电缆3和缆绳依次串联，具体长度根据观测区域水深设置，以实现供电与可靠连接。

如上所述的海底沙波原位实时观测装置，其特征在于所述重力锚1材质为钢筋混凝土，2800kg/m3，具体质量和体积需根据观测系统设置配置，为整套系统提供驻底重力。

如上所述的海底沙波迁移观测装置，其特征在于重力锚1上固定光纤光栅浮土重量传感器2，精度为量程的0.5％。设备布放至海床后随着沙波移动会逐渐将光纤光栅传感器掩埋，并随着沙波的周期变化，设备上覆土重量也会出现周期性变化。

如上所述的海底沙波迁移观测装置，其特征在于所述凯夫拉电缆3，抗拉强度：≥70(kg)，工作环境温度：-45℃—120℃。

如上所述的海底沙波迁移观测装置，其特征在于所述水声释放器4，释放荷载5000kg，工作水深最深达12000m，电池寿命为2年，应答通信距离12km。

如上所述的海底沙波迁移观测装置，其特征在于所述波潮仪5，分辨率0.5mm，深度精度0.05％FS；MRU三维姿态传感器8，倾斜量程：±90°/180°，倾斜精度：0.2°RMS；MRU三维姿态传感器8与波潮仪5一同固定在浮球支架内部，并通过凯夫拉电缆3传输数据至卫星通讯机12。

如上所述的海底沙波迁移观测装置，其特征在于卫星通讯机12,通信速率72Byte/min；成像声呐7，测量半径1-100m，测距分辨率2mm，最大可用于3000m水深，固定在浮球支架上。

如上所述的海底沙波迁移观测装置，其特征在于卫星通讯机12，通信速率72Byte/min，固定在主浮体内，采用存储转发的工作方式，当数据量超过其传输容量时，先缓存于观测仪器自容存储内，之后在空闲时依次发送。

下面结合图4对本实施例的步骤做如下说明：

利用上述装置对海底沙波迁移观测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设备室内检测与标定

在测量之前光纤光栅覆土重量传感器2、波潮仪5、MRU三维姿态传感器8和成像声呐7均需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证所有仪器处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；

2)选择观测点和布放时间

根据已有观测资料对海底沙波进行分析，从沙波波谷处选择观测点，并在三级海况以下作业，凯夫拉电缆和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置；

3)准备布放作业船

布放船应具有3吨以上吊车等必要的布放设备；

4)设置光纤光栅覆土重量传感器2、波潮仪5、MRU三维姿态传感器8和成像声呐7的工作频率和时长，然后将各种仪器进行组装，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；

5)利用GPS定位系统将布放船行驶至预定观测点，观测布放海域周围4平方海里海流、水深和底质条件；根据海流和船舶漂移速度，确定开始布放位置，采用先布标后布锚的布放方法；利用起吊装置将装置用布放缆起吊，下放入海，待其漂离后，起吊重力锚1，将重力锚1吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚1，记录入水时间、布放水深、经纬度，使用水声释放器组4测量布放距离；

6)观测装置布放完成后，光纤光栅浮土重量传感器2、波潮仪5、MRU三维姿态传感器8和成像声呐7按设定的频率与时长进行工作，实时传输观测数据，实现沙波迁移过程中观测点覆土重量变化以及地形的观测；

7)原位观测周期结束之后，将布放船行驶至观测点海域，布放船对水声释放器组4下达释放指令，释放标体，进行观测系统回收；

8)读取光纤光栅浮土重量传感器2、波潮仪5、MRU三维姿态传感器8和成像声呐7记录的数据，对于光纤光栅浮土重量传感器的数据，通过处理波潮仪5数据消除浪潮流的影响，换算成高程变化，然后通过三维姿态传感器8记录的数据进行高程变化的校正；

9)最后与由成像声呐7得波长数据一起，计算出沙波迁移的速率，并利用流速信息分析底流速度对沙波迁移的影响。

Claims (9)

1.一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于包括重力锚（1）、位于重力锚（1）上方且含有两个并联使用的水声释放器的水声释放器组（4）、位于水声释放器组（4）上方的下浮球支架（6）、位于下浮球支架（6）上方的上浮球支架（10）、以及位于上浮球支架（10）上方的搭载太阳能电池（9）和卫星通讯机（12）的主浮体（11），其中：

所述重力锚（1）顶部设有光纤光栅浮土重量传感器（2），

所述下浮球支架（6）外部设有为设备提供部分浮力的小型浮球、内部悬挂有波潮仪（5）和MRU三维姿态传感器（8），

所述上浮球支架（10）外部设有为设备提供部分浮力的小型浮球、内部悬挂成像声呐（7）；

所述重力锚（1）、水声释放器组（4）、下浮球支架（6）、上浮球支架（10）、主浮体（11）通过凯夫拉电缆（3）和缆绳依次串联，具体长度根据观测区域水深设置，以实现供电与可靠连接。

2.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于所述重力锚（1）材质为钢筋混凝土，2800 kg/m³，具体质量和体积需根据观测系统设置配置，为整套系统提供驻底重力。

3.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于重力锚（1）上固定光纤光栅浮土重量传感器（2），精度为量程的0.5%，设备布放至海床后随着沙波移动会逐渐将光纤光栅传感器掩埋，并随着沙波的周期变化，设备上覆土重量也会出现周期性变化。

4.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于所述凯夫拉电缆（3），抗拉强度：≥70kg，工作环境温度： -45℃—120℃。

5.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于所述水声释放器（4），释放荷载5000 kg，工作水深最深达12000 m，电池寿命为2年，应答通信距离12 km。

6.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于所采用的波潮仪（5），分辨率0.5 mm，深度精度0.05% FS； MRU三维姿态传感器（8），倾斜量程：±90º/180º，倾斜精度：0.2ºRMS；MRU三维姿态传感器（8）与波潮仪（5）一同固定在浮球支架内部，并通过凯夫拉电缆（3）传输数据至卫星通讯机（12）。

7.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于卫星通讯机（12），通信速率 72 Byte/min ；成像声呐（7），测量半径1-100 m，测距分辨率2 mm，最大可用于3000 m水深，固定在浮球支架上。

8.如权利要求1所述的一种海底沙波原位实时观测装置，其特征在于卫星通讯机（12）,通信速率 72 Byte/min，固定在主浮体内，采用存储转发的工作方式，当数据量超过其传输容量时，先缓存于观测仪器自容存储内，之后在空闲时依次发送。

9.利用权利要求1所述的装置对海底沙波迁移观测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）设备室内检测与标定

在测量之前光纤光栅覆土重量传感器（2）、波潮仪（5）、MRU三维姿态传感器（8）和成像声呐（7）均需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证所有仪器处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；

2）选择观测点和布放时间

根据已有观测资料对海底沙波进行分析，从沙波波谷处选择观测点，并在三级海况以下作业，凯夫拉电缆和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置；

3）准备布放作业船

布放船应具有3吨以上吊车等必要的布放设备；

4）设置光纤光栅覆土重量传感器（2）、波潮仪（5）、MRU三维姿态传感器（8）和成像声呐（7）的工作频率和时长，然后将各种仪器进行组装，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；

5）利用GPS定位系统将布放船行驶至预定观测点，观测布放海域周围4平方海里海流、水深和底质条件；根据海流和船舶漂移速度，确定开始布放位置，采用先布标后布锚的布放方法；利用起吊装置将装置用布放缆起吊，下放入海，待其漂离后，起吊重力锚（1），将重力锚（1）吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚（1），记录入水时间、布放水深、经纬度，使用水声释放器组（4）测量布放距离；

6）观测装置布放完成后，光纤光栅浮土重量传感器（2）、波潮仪（5）、MRU三维姿态传感器（8）和成像声呐（7）按设定的频率与时长进行工作，实时传输观测数据，实现沙波迁移过程中观测点覆土重量变化以及地形的观测；

7）原位观测周期结束之后，将布放船行驶至观测点海域，布放船对水声释放器组（4）下达释放指令，释放标体，进行观测系统回收；

8）读取光纤光栅浮土重量传感器（2）、波潮仪（5）、MRU三维姿态传感器（8）和成像声呐（7）记录的数据，对于光纤光栅浮土重量传感器的数据，通过处理波潮仪（5）数据消除浪潮流的影响，换算成高程变化，然后通过三维姿态传感器（8）记录的数据进行高程变化的校正；

9）最后与由成像声呐（7）的波长数据一起，计算出沙波迁移的速率，并利用流速信息分析底流速度对沙波迁移的影响。