CN108375425B - 一种海底地温场矢量的测量装置、计算方法、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底地温场矢量的计算方法、测量装置、电子设备及存储介质,包括金属支架、若干个温度测量器、倾角仪和方位仪,金属支架设有若干根金属钢矛,金属钢矛垂直固定于金属支架上;每根金属钢矛的外壁上设有三个或三个以上的温度测量器;倾角仪平行安装于设于金属支架中央的金属钢矛的外壁上,方位仪安装于金属支架。温度测量器用于测量海底沉积物的温度,倾角仪和方位仪用于测量该测量装置的倾斜角和方位角向;通过将多组温度测量器安装在金属钢矛的不同位置上,计算出不同方向的视温度梯度;同时采用倾角仪和方位仪获得的参数对该视温度梯度进行校正处理,从而来揭示区域范围内各点真实的三维地温场矢量变化特征和规律。
Description
技术领域
本发明涉及海底地球物理矢量测量技术领域,尤其涉及一种海底地温场矢量的测量装置、计算方法、电子设备及存储介质。
背景技术
海洋地热参数的原位测量与观测是海洋地球物理勘探方法之一,它可用于查明地球热场、地热异常区及地热能的分布状况,推算地球各圈层的热状况,可为地球科学的基础研究、海洋资源勘探与成藏作用研究等领域发挥了积极作用。海底热流测量数据主要来自两种方式。一种是通过海洋石油钻井的测井资料获得钻孔热流数据,这种数据主要集中在大陆架或者深海海盆的陆缘地区;另一种是利用海底热流探针(分LISTER型和EWING型二类)插入海底表层沉积物中获得海底的热物理参数,从而计算获得热流数据。由于海底地热流测量是建立在均匀介质的热传导理论基础上,当海底热流测量数据在受海底表层地下水循环等流体作用的影响时,数据离散现象不易解释。这在一定程度上制约了海底地热流测量结果的应用研究和相关理论的发展,因而,以需求为导向,测量技术方法的创新显得十分重要。
在当今的海底热流测量领域中,在调查船上所使用的海洋地热流原位探测技术、给ROV和HOV等水下机器人提供的热流探针和海洋钻井的测温技术均有相应的相关专利。但这些专利属于一维地热参数探测技术,只是海底地温场观测技术中的其中一个分量,反映不出地温场矢量信息及其海底地温场中的温度空间变化特征。
发明内容
为解决上述的问题,本发明目的之一提供一种海底地温场矢量的测量装置,该测量装置能从海底获取测量海底地温场矢量所需要的参数。
本发明目的之二提供一种海底地温场矢量的计算方法,该计算方法能揭示海底区域范围内各点的地温场矢量变化特征和规律。
本发明目的之三提供一种电子设备,其能揭示海底区域范围内各点的地温场矢量变化特征和规律。
本发明目的之四提供一种计算机可读存储介质,其能揭示海底区域范围内各点的地温场矢量变化特征和规律。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现:
一种海底地温场矢量测量装置,包括金属支架、若干个温度测量器、倾角仪和方位仪,所述金属支架设有若干根金属钢矛,所述金属钢矛垂直固定于所述金属支架上;每根所述金属钢矛的外壁上设有三个或三个以上的温度测量器;所述倾角仪用于测量所述金属钢矛的倾斜角,所述方位仪用于测量所述金属钢矛在水平方向的方位角。
进一步地,所述金属支架包括两个相互平行且端点对齐的钢矛架;所述金属钢矛垂直固定于两个所述钢矛架对齐的端点及中心;每根所述金属钢矛所设有的所述温度测量器数量均等。
进一步地,垂直方向的温度梯度根据一根或所有的所述温度测量器所测得的垂直方向的温度梯度取平均值确定;水平方向的温度梯度是分北分量和东分量,由一个或者所有水平面等同方向的所述温度测量器所测得的温度梯度值取平均值确定。
进一步地,所述倾角仪平行安装于设于所述金属支架中央的所述金属钢矛的外壁上,所述方位仪固定于所述金属支架。
进一步地,所述测量装置还包括有助于贯入海底沉积物中的重锤,所述重锤的顶部设有保持所述测量装置在下沉时导流的尾翼,所述重锤的底部通过法兰与所述金属支架连接。
进一步地,所述尾翼还设有便于回收所述测量装置的提环。
本发明目的之二采用如下技术方案实现:
一种计算海底地温场矢量的方法,包括以下步骤:
数据采集步骤:测量采集仪器所插入的海底沉积物中的垂直方向和水平方向的温度数据,并测出该采集仪器插入海底沉积物时的倾斜角和在水平方向的方位角;
视温度梯度计算步骤:通过垂直方向测得的温度数据平均值换算出垂直分量的温度梯度值;通过同一水平面的E分量和N分量测得的温度数据平均值换算出E分量温度梯度和N分量温度梯度值;通过E分量温度梯度和N分量温度梯度值换算出水平分量的温度梯度值;
视温度梯度校正步骤:利用所述数据采集步骤测得的倾斜角和方位角对所述视温度梯度计算步骤获得的垂直分量的温度梯度值和水平分量的温度梯度值和进行校正处理,计算出真实的海底三维地温场信息。
进一步地,所述视温度梯度校正步骤采用如下公式对相对坐标下的三维地温场信息进行校正处理:
gz﹦goz×cosβ;
gE﹦goE×cosα;
gN﹦goN×cosα;
式中:goz代表垂向观测视温度梯度,goN代表北向观测水平视温度梯度,goE代表东向观测水平视温度梯度;gz代表真实垂向温度梯度,gN代表真实北向水平温度梯度,gE代表真实东向水平温度梯度;α代表goN与地理北向夹角,β代表goz与垂向夹角。
本发明目的之三采用如下技术方案实现:
一种计算海底地温场矢量的方法,包括以下步骤:
数据采集步骤:测量采集仪器所插入的海底沉积物中的垂直方向和水平方向的温度数据,并测出该采集仪器插入海底沉积物时的倾斜角和在水平方向的方位角;
视温度梯度计算步骤:通过垂直方向测得的温度数据平均值换算出垂直分量的温度梯度值;通过同一水平面的E分量和N分量测得的温度数据平均值换算出E分量温度梯度和N分量温度梯度值;通过E分量温度梯度和N分量温度梯度值换算出水平分量的温度梯度值;
视温度梯度校正步骤:利用所述数据采集步骤测得的倾斜角和方位角对所述视温度梯度计算步骤获得的垂直分量的温度梯度值和水平分量的温度梯度值和进行校正处理,计算出真实的海底三维地温场信息。
进一步地,所述视温度梯度校正步骤采用如下公式对相对坐标下的三维地温场信息进行校正处理:
gz﹦goz×cosβ;
gE﹦goE×cosα;
gN﹦goN×cosα;
式中:goz代表垂向观测视温度梯度,goN代表北向观测水平视温度梯度,goE代表东向观测水平视温度梯度;gz代表真实垂向温度梯度,gN代表真实北向水平温度梯度,gE代表真实东向水平温度梯度;α代表goN与地理北向夹角,β代表goz与垂向夹角。
本发明目的之四采用如下技术方案实现:
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行上述任意一项所述的方法。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明公开的一种海底地温场矢量的计算方法及测量装置,通过设计一种多钢矛的特殊金属支架,将多组温度测量器安装在金属钢矛的不同位置上,计算出不同朝向的视温度梯度;同时采用倾角仪和方位仪对该视温度梯度进行校正处理,从而来揭示海底区域范围内各点真实的地温场矢量变化特征和规律。
附图说明
图1是本发明的一种海底地温场矢量测量装置示意图;
图2是本发明的测量装置的温度测量器工作原理框图;
图3是本发明的测量装置的倾角仪工作原理框图;
图4是本发明的测量装置的方位仪工作原理框图;
图5是本发明的一种海底地温场矢量计算方法的视温度梯度校正步骤示意图。
图中:10、金属钢矛;20A、上钢矛架;20B下钢矛架;30、温度测量器;31、探针;40、重锤;41、法兰;50、尾翼;51、提环;60、倾角仪;70、方位仪。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
如图1所示,本发明所公开的一种海底地温场矢量的测量装置,包括五根尺寸一致的金属钢矛10、金属支架、温度测量器30、重锤40、尾翼50、倾角仪60和方位仪70。金属支架由两个平行且对齐的上钢矛架20A和下钢矛架20B组成,两个钢矛架的连接形成十字型;其中四根金属钢矛10垂直固定于上钢矛架20A和下钢矛架20B对齐的各个端点,另外一根金属钢矛10垂直固定于钢矛架20A和下钢矛架20B对齐的中心。金属钢矛10下沉至海底时插入海底沉积物中。
本发明中,每根金属钢矛10的外壁上设有三个温度测量器30,共计十五个温度测量器30,且该温度测量器30沿垂直方向竖直排列,以测量垂直方向的温度差异。每五个温度测量器30设于同一水平内,该五个温度测量器相互平行且两端对齐,以测量海底内同一水平面之间的温度差异。垂直方向的温度梯度根据一根或所有的温度测量器30所测得的垂直方向的温度梯度取平均值确定;水平方向的温度梯度是分北分量和东分量,由一个或者所有水平面等同方向的温度测量器30所测得的温度梯度值取平均值确定。结合垂直方向的温度差异和水平方向的温度差异算出海底地温场的视温度梯度。如图2所示的温度测量器30工作原理,单个温度测量器30由NTC热敏电阻构建电阻桥式电路,并通过探针31测量温度,其温度测量范围为-6—52℃,测量精度为±3mK,测量分辨率达1mK,工作水深为6000m,采样率可选且最高1s。
本发明中,倾角仪60水平设于穿过钢矛架20A和下钢矛架20B中心的金属钢矛10的外壁上。如图1所示,朝K向观察可看到设于该外壁上的倾角仪60,该倾角仪60垂直设于金属钢矛10的外壁上。如图3所示的倾角仪60工作原理,倾角仪60为三轴加速度运动传感器;其俯仰输出范围为±90°,静态精度<0.5°,动态精度<0.2°,分辨率为0.1°,X、Y、Z轴测量范围±3g,工作温度-40—70℃,工作水深6000m,采样率可选且最高1s。倾角仪60是检测本发明的测量装置沉入海底后与水平方向及垂直方向之间的倾角。
本发明中,方位仪70设于上钢矛架20A的上表面,方位仪70是基于磁通门和垂直加速度测量原理设计而成,如图4所示的方位仪工作原理,它是由高精度倾角补偿式三维电子罗盘和数据记录系统两个功能部件所组成。高精度倾角补偿式三维电子罗盘的俯仰和摇滚角采用内置的MEMS微型固体摆,通过重力场在对应摆锤上的分量,使得对应的差分电容传感器输出与角度相关的电压值,通过标定给出最终测量角度。航向角的测量则通过三轴磁力仪进行测量,水平方向的两个分量的和向量与磁北的夹角就是当前的航向角。数据记录系统通过握手协议,根据设定的采样率将测量结果及其对应的测量时间写入硬盘。主要技术指标:航向角:量程为0-360°,测量误差2.0°,分辨率0.1°;俯仰角:测量范围±80°,最大测量误差1.0°,分辨率0.3°;摇滚角:测量范围±80°,最大测量误差1.0°,分辨率0.3°;工作温度-10-50℃,工作水深6000m。采样率可选,最高10s。通过方位仪记录该测量装置沉入海底后金属钢矛10在水平方向的方位角。
本发明中,上钢矛架20A的上表面与重锤40的底部通过法兰41固定连接,重锤40有便该测量装置贯入海底沉积物中。重锤40的顶部与尾翼50的底部相连接,尾翼50有助于该测量装置在下沉过程中进行导流。为了便于回收采集数据后的测量装置,尾翼50的顶部设有提环51,通过船载的地质绞车,将钢缆紧固于提环51并把本发明的测量装置吊放到海底,依靠设备自身的重力和下放过程中的冲击力,将金属钢矛10插入到海底沉积物之中。当本发明的测量装置插入海底后,可以通过船上的动力定位系统或者收放钢缆将设备在一定的时间内(大概7-10分钟范围)保持相对稳定状态,在这个稳定状态下,设备插入沉积物中的摩擦力逐渐消失,各个温度测量器30与周围的海底沉积物之间实现了温度平衡,此刻各个探针31所测得的温度数据为真实的海底沉积物温度值。完成测量之后,指挥地质绞车回收钢缆,将插入海底的金属钢矛10从沉积物中拔出来。在海底探测的整个过程中,水下定位保持工作状态,并通过水下定位设备记录跟踪测量装置的每个位置。接下来,将该测量装置吊到距离海底一定高度之后,再将船移到下一个测量点,重复测量过程。测量工作完成之后,将设备回收到甲板,冲洗之后,再下载数据,最后进行数据处理。
本发明还公开一种计算海底地温场矢量的方法,包括以下步骤:
数据采集步骤:把该海底地温场矢量的测量装置插入海底沉积物中,温度测量器30测量垂直方向和水平方向的温度数据,倾角仪60测量该测量装置插入海底沉积物时的倾斜角,方位仪70测量该测量装置插入海底沉积物时的方位角;
视温度梯度计算步骤:获取每根金属钢矛10上的温度测量器30的温度数据,计算出单根金属钢矛10的垂直方向视温度梯度,最求五根金属钢矛10的平均值为最终垂直方向视温度梯度;用五根金属钢矛10上位于同一水平位置的温度测量器30所采集的温度数据,各自计算出金属钢矛的E方向、N方向的视温度梯度及水平方向的视温度梯度;多个同一水平面的相对值的平均值为最终的E方向、N方向的视温度梯度及水平方向的视温度梯度。
视温度梯度校正步骤:通过倾角仪60测得的倾斜角和方位仪70测得的方位角对视温度梯度计算步骤获得的视温度梯度进行校正处理,计算出真实的海底三维地温场信息。
如图5所示,本发明的视温度梯度校正步骤中,各个金属钢矛10的垂直方向的视温度梯度与倾角仪60测得的倾斜角可以求算出各个钢茅的垂直方向的真实温度梯度。各个金属钢矛10中的同一水平位置上温度测量器30的温度差异,结合方位仪70中的定向读数,如图3所示,参考原点可计算出朝北的水平方向的温度梯度gN和朝东的水平方向的温度梯度gE。本发明的测量装置插入海底沉积物之间的各个温度测量器30在水体中的最后读数值的算术平均值可作为海底温度值TSeabed。图中z代表垂直方向,N代表地理北向,E代表地理东向;goz代表垂向观测视温度梯度,goz代表垂向观测视温度梯度,goN代表北向观测水平视温度梯度,goE代表东向观测水平视温度梯度;gz代表真实垂向温度梯度,gN代表真实北向水平温度梯度,gE代表真实东向水平温度梯度;α代表goN与地理北向夹角,β代表goz与垂向夹角。通过相对的视温度梯度计算真实的三维视温度梯度公式为:
gz﹦goz×cosβ;
gE﹦goE×cosα;
gN﹦goz×cosα。
实施例二
实施例二公开了一种电子设备,该电子设备包括处理器、存储器以及程序,其中处理器和存储器均可采用一个或多个,程序被存储在存储器中,并且被配置成由处理器执行,处理器执行该程序时,实现实施例一的计算海底地温场矢量方法。该电子设备可以是手机、电脑、平板电脑等等一系列的电子设备。
实施例三
实施例三公开了一种可读的计算机存储介质,该存储介质用于存储程序,并且该程序被处理器执行时,实现实施例一的计算海底地温场矢量方法。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种计算海底地温场矢量的方法,其特征在于,采用海底地温场矢量测量装置,所述海底地温场矢量测量装置包括金属支架、若干个温度测量器、倾角仪和方位仪,所述金属支架设有若干根金属钢矛,所述金属钢矛垂直固定于所述金属支架上;每根所述金属钢矛的外壁上设有三个以上的温度测量器;所述倾角仪用于测量所述金属钢矛的倾斜角,所述方位仪用于测量所述金属钢矛在水平方向的方位角;包括以下步骤:
数据采集步骤:通过温度测量器测量海底地温场矢量测量装置所插入的海底沉积物中的垂直方向和水平方向的温度数据,分别通过倾角仪和方位仪测出该海底地温场矢量测量装置插入海底沉积物时的倾斜角和在水平方向的方位角;
视温度梯度计算步骤:通过垂直方向测得的温度数据平均值换算出垂直分量的温度梯度值;通过同一水平面的E分量和N分量测得的温度数据平均值换算出E分量温度梯度和N分量温度梯度值;通过E分量温度梯度和N分量温度梯度值换算出水平分量的温度梯度值;所述E分量为在地理东向的分量,N分量为在地理北向的分量;
视温度梯度校正步骤:利用所述数据采集步骤测得的倾斜角和方位角对所述视温度梯度计算步骤获得的垂直分量的温度梯度值和水平分量的温度梯度值和进行校正处理,计算出真实的海底三维地温场信息。
2.如权利要求1所述的计算海底地温场矢量的方法,其特征在于:所述视温度梯度校正步骤采用如下公式对相对坐标下的三维地温场信息进行校正处理:
gz﹦goz×cosβ;
gE﹦goE×cosα;
gN﹦goN×cosα;
式中:goz代表垂向观测视温度梯度,goN代表北向观测水平视温度梯度,goE代表东向观测水平视温度梯度;gz代表真实垂向温度梯度,gN代表真实北向水平温度梯度,gE代表真实东向水平温度梯度;α代表goN与地理北向夹角,β代表goz与垂向夹角。
3.一种电子设备,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-2任意一项所述的方法。
4.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-2任意一项所述的方法。
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