CN110857996A - 一种海底地震观测系统及其布放方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底地震观测系统，所述系统包括：基准观测器，其包含：基准定位装置，其配置为在水下接收水上定位设备发送的水上设备定位信息，基于所述水上设备定位信息进行自身定位，获取第一定位信息；第一水下航行器；水下声波信息输出装置，其配置为输出第一声波信息；普通观测器，其包含：普通定位装置，其配置为基于所述第一声波信息确定自身与所述基准定位装置间的相对位置关系，获取第二定位信息；第二水下航行器；投放装置。相较于现有技术，根据本发明的系统，观测器布放位置准确，布放操作简单、迅速，不仅大大提高了布放工作效率，而且还大大降低了观测器自身以及布放操作的成本。

Description

一种海底地震观测系统及其布放方法

技术领域

本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种海底地震观测系统及其布放方法。

背景技术

海底节点地震观测方法是将地震仪布放在海底，地震仪自备电池供电，震源船通过放炮完成震源激发任务。当震源船完成所有震源点激发后，地震仪采集完数据后被回收，下载数据并进行处理与解释。海底节点地震观测能够获得全方位保真数据，提高地震成像质量，提高4D勘探的可重复性，改善了海底地质监测结果，因此已进行了大量应用，尤其在油藏监测领域应用效果显著。

海底节点是这个系统的核心装备，需要将其放入海底的指定位置并完成数天至数月的探测周期，然后对其回收。所以地震节点的布放的效率决定了系统的运营成本，布放精度影响探测数据的有效性，回收的成功率则直接引起数据的完整性问题，所以地震节点的工作实施方案是整个系统优劣乃至成败的关键。

现有海底节点系统的实施方案主要是通过遥控式水下机器人(ROV)进行，首先搭载ROV和探测节点的水上载具航行至探测目标区域，首先下放搭载探测节点的放置架，然后下放ROV，操作人员在水上载具的ROV控制舱内控制ROV航行至放置架处，然后操作人员操作ROV上与节点配套的夹持工具将节点“拿住”，这一过程结束后，操作人员驾驶ROV从放置架处航行至该节点的目标区域，当导航系统显示ROV达到了目标点，ROV操作员再将节点放置于预定的探测网络节点上。之后依次重复这一过程，直到把所有探测节点安放至对应的海底目标点上。

这种控制方式的缺点如下：

1、由于每次探测需要的节点非常多，而ROV每次仅能布放一个，且整个过程虽然重复但是每次都要完整的做完每一步操作和检测等工作，造成整个节点探测系统的布放效率很低，所以安放所有节点需要的时间非常的长。

2、由于布放探测的区域比较大而ROV的操作范围有限，所以在整个布放任务的过程中需要反复布放回收ROV多次，且水上载具也需要多次定位和做准备工作，而每次这个过程都需要很多的资源和时间去支持，且存在很多的危险性。

3、由于这种反复的和低效率的方式，造成整个布放过程周期很长，而水上载具和ROV的使用是一个非常大的开支，造成布放地震探测节点需要的紫金花费巨大。

4、在完成探测任务回收节点时，一般有两种方案，一种是节点自带上浮系统，接收唤醒信号后自动上浮至水面，接收水上载具回收；另一种是布放任务的逆操作，重新用ROV一个一个的进行回收。上述两种情况都是需要长时间和大范围搜寻的一种方案，这就造成和布放时同样的低效、时间及资金成本大和工程难度复杂的情况。

发明内容

本发明提供了一种海底地震观测系统，所述系统包括：

基准观测器，其包含：

水下地震数据采集装置；

基准定位装置，其配置为在水下接收水上定位设备发送的水上设备定位信息，基于所述水上设备定位信息进行自身定位，获取第一定位信息；

包含海底着陆机构的第一水下航行器，其装载所述基准定位装置以及所述水下地震数据采集装置，配置为基于所述第一定位信息航行并着陆到海底的对应观测位置；

水下声波信息输出装置，其安装在所述第一水下航行器上，配置为输出第一声波信息；

普通观测器，其包含：

水下地震数据采集装置；

普通定位装置，其配置为在水下接收所述第一声波信息，基于所述第一声波信息确定自身与所述基准定位装置间的相对位置关系，获取第二定位信息；

包含海底着陆机构的第二水下航行器，其装载所述普通定位装置，配置为基于所述第二定位信息航行并着陆到海底的对应观测位置；

投放装置，其配置为将所述基准观测器和/或普通观测器投放到水中。

在一实施例中：

所述基准观测器配置为在着陆海底观测点后输出着陆信息；

所述水下声波信息输出装置还配置为在所述基准观测器着陆海底观测点后开始输出所述第一声波信息；

所述投放装置还配置为先投放所述基准观测器，待接收到所述着陆信息后投放所述普通观测器。

在一实施例中：

所述基准定位装置包括超短基线定位系统和惯导系统，其依靠惯性导航和所述水上设备定位信息进行定位；

所述普通定位装置包括惯导系统以及声呐设备，其通过被动测量所述第一声波信息完成定位，其中，所述基准定位装置的惯导系统的精度高于所述普通定位装置的惯导系统。

在一实施例中，所述基准观测器以及所述普通观测器还配置为在接收到回收指令后返航到回收位置，其中，当所述普通观测器的数量大于所述系统单次回收上限时，所述普通观测器还配置为分批次返航。

在一实施例中：

所述系统还包括回收位置声波信息输出装置，其安置在所述回收位置，配置为输出第二声波信息；

所述普通定位装置还配置为在水下接收所述第二声波信息，基于所述第二声波信息确定自身与所述回收位置间的相对位置关系，获取所述第二定位信息。

在一实施例中，所述基准观测器和/或所述普通观测器还包含休眠唤醒系统，其中：

所述休眠唤醒系统配置为在进入水下地震数据采集状态时开启用于水下地震数据采集的设备并令其他设备进入休眠状态；

所述休眠唤醒系统配置为在接收到回收指令后唤醒与回收作业相关的设备。

在一实施例中，所述休眠唤醒系统包含水上设备唤醒模块以及同伴唤醒模块，其中：

所述水上设备唤醒模块配置为基于水上控制中心发送的回收指令唤醒回收作业相关的设备；

所述同伴唤醒模块配置为基于来自其他观测器发送的唤醒指令唤醒回收作业相关的设备。

在一实施例中，所述基准观测器或所述普通观测器还包含生命保障系统，所述生命保障系统配置为包含有故障检测触发和环境条件触发两种触发方式。

在一实施例中，所述投放装置包括：

装载机构，其配置为装载所述基准观测器和/或所述普通观测器，并在水下释放/回收所述基准观测器和/或所述普通观测器；

提升机构，其配置为连接水上载具以及所述装载机构，并将所述装载机构下放到水中以及将水中的装载机构提升到水上载具上。

在一实施例中，所述第一水下航行器和/或所述第二水下航行器为水下滑翔机。

相较于现有技术，根据本发明的系统，观测器布放位置准确，布放操作简单、迅速，不仅大大提高了布放工作效率，而且还大大降低了观测器自身以及布放操作的成本。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的观测器定位流程示意图；

图2是根据本发明一实施例的观测器外观示意图；

图3是根据本发明一实施例的观测器投放流程示意图；

图4是根据本发明一实施例的观测器投放流程图；

图5是根据本发明一实施例的观测器回收流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

海底节点地震观测方法是将地震仪布放在海底，地震仪自备电池供电，震源船通过放炮完成震源激发任务。当震源船完成所有震源点激发后，地震仪采集完数据后被回收，下载数据并进行处理与解释。海底节点地震观测能够获得全方位保真数据，提高地震成像质量，提高4D勘探的可重复性，改善了海底地质监测结果，因此已进行了大量应用，尤其在油藏监测领域应用效果显著。

海底节点是这个系统的核心装备，需要将其放入海底的指定位置并完成数天至数月的探测周期，然后对其回收。所以地震节点的布放的效率决定了系统的运营成本，布放精度影响探测数据的有效性，回收的成功率则直接引起数据的完整性问题，所以地震节点的工作实施方案是整个系统优劣乃至成败的关键。

现有海底节点系统的实施方案主要是通过遥控式水下机器人(ROV)进行，首先搭载ROV和探测节点的水上载具航行至探测目标区域，首先下放搭载探测节点的放置架，然后下放ROV，操作人员在水上载具的ROV控制舱内控制ROV航行至放置架处，然后操作人员操作ROV上与节点配套的夹持工具将节点“拿住”，这一过程结束后，操作人员驾驶ROV从放置架处航行至该节点的目标区域，当导航系统显示ROV达到了目标点，ROV操作员再将节点放置于预定的探测网络节点上。之后依次重复这一过程，直到把所有探测节点安放至对应的海底目标点上。

这种控制方式的缺点如下：

1、由于每次探测需要的节点非常多，而ROV每次仅能布放一个，且整个过程虽然重复但是每次都要完整的做完每一步操作和检测等工作，造成整个节点探测系统的布放效率很低，所以安放所有节点需要的时间非常的长。

2、由于布放探测的区域比较大而ROV的操作范围有限，所以在整个布放任务的过程中需要反复布放回收ROV多次，且水上载具也需要多次定位和做准备工作，而每次这个过程都需要很多的资源和时间去支持，且存在很多的危险性。

3、由于这种反复的和低效率的方式，造成整个布放过程周期很长，而水上载具和ROV的使用是一个非常大的开支，造成布放地震探测节点需要的紫金花费巨大。

4、在完成探测任务回收节点时，一般有两种方案，一种是节点自带上浮系统，接收唤醒信号后自动上浮至水面，接收水上载具回收；另一种是布放任务的逆操作，重新用ROV一个一个的进行回收。上述两种情况都是需要长时间和大范围搜寻的一种方案，这就造成和布放时同样的低效、时间及资金成本大和工程难度复杂的情况。

针对上述问题，本发明提出了一种海底地震观测系统。在本发明的系统中，为每个需要安置在地震观测节点上的水下地震数据采集装置配置独立的水下航行装置。由于每个水下地震数据采集装置都有一个独立的水下航行装置(无人自主航行器AUV)，因此在布放期间不需要水下航行装置不断返航，水下航行装置在整个观测期间可以始终随同水下地震数据采集装置。这样，水下航行装置与水下地震数据采集装置间就不需要复杂的可装卸结构，可以令水下地震数据采集装置与水下航行装置一体化，然后只需要在水下航行器上构造可以在海底着陆的着陆机构。相较与具有复杂的可自动独立装卸机构的ROV以及具备对应装卸机构的水下地震数据采集装置，一体化后的水下地震数据采集装置与水下航行器的结构被大大精简。

进一步的，在海底地震观测系统中，每个水下地震数据采集装置的布放位置尤为重要，为了精确地将水下地震数据采集装置布放到预定位置，需要水下航行器具备高精度的定位功能，而高精度的定位装置必然带来巨大的成本压力。

针对上述问题，在本发明的系统中，考虑到在海底地震观测系统中，水下地震数据采集装置并不是单独布放的，而是在一个区域范围内布放多个水下地震数据采集装置，并且多个水下地震数据采集装置之间的位置关系是可知的。这样，只需要有一个或多个水下地震数据采集装置完成自身的精准定位布放，其他观测器就可以参照它的布放位置进行定位。

因此，在一实施例中，海底地震观测系统包含两种观测器，一种具备高精度的定位装置，可以做到水下高精度定位。另一种观测器则是基于前一种的位置信息定位自身。这样，只需要少数高精度的定位设备就可以实现大量观测器的精确定位，大大降低了定位成本。

具体的，在一实施例中，系统包括：

基准观测器，其包含：

水下地震数据采集装置；

基准定位装置，其配置为在水下接收水上定位设备发送的水上设备定位信息，基于水上设备定位信息进行自身定位，获取第一定位信息；

包含海底着陆机构的第一水下航行器，其装载基准定位装置以及水下地震数据采集装置，配置为基于第一定位信息航行并着陆到海底的对应观测位置；

水下声波信息输出装置，其安装在第一水下航行器上，配置为输出第一声波信息；

普通观测器，其包含：

水下地震数据采集装置；

普通定位装置，其配置为在水下接收第一声波信息，基于第一声波信息确定自身与基准定位装置间的相对位置关系，获取第二定位信息；

包含海底着陆机构的第二水下航行器，其装载普通定位装置，配置为基于第二定位信息航行并着陆到海底的对应观测位置；

投放装置，其配置为将基准观测器和/或普通观测器投放到水中。

进一步的，由于普通观测器是基于基准观测器进行定位的，一个或一组基准观测器可以同时为多个普通观测器提供定位辅助，因此，在一实施例中，针对一个区域的水下地震数据采集项目中，投放一个或一组基准观测器以及多个普通观测器，普通观测器的数量可以多于基准观测器的数量。

具体的，在一实施例中，基准观测器的投放数量由普通观测器的定位需求以及所需覆盖的观测区域决定。

具体的，在一实施例中，基准观测器为水上设备(母船)定位的绝对位置基准点，其用于确定检测海底区域位置，每个普通观测器的目标位置是基准点的相对位置，其以测算相对距离和判断基准点身份来制导。

具体的，在一实施例中，多个基准观测器以不同的频率输出声波信息。普通观测器获取声波信息并解析，根据频率确认声波信息来源的基准点身份。测量不同频率对应声压信息获取与基准点间的相对距离，融合多个基准点位置与相对距离信息获取与基准点间的几何位置关系。

进一步的，由于各个基准观测器在定位航行时相互间不存在数据冲突，因此，在一实施例中，多个基准观测器同步投放。

进一步的，考虑到基准观测器在运动时输出的声波信息会被干扰，从而导致普通观测器定位不准，在一实施例中，投放装置配置为首先投放基准观测器，待基准观测器着陆海底、位置固定后再投放普通观测器。

进一步的，由于普通观测器在投放过程中不需要和其他设备进行大数据量的数据交互，因此，普通观测器间不存在相互干扰，再加上每个观测器最终的着陆位置都不同，因此，在一实施例中，投放装置配置为一次同步投放多个普通观测器。多个普通观测器通过声波信息确定自身与基准观测器间的相对位置关系，从而最终构成多个普通观测器的水下航行编队。

本发明提供的自主航行式飞行节点地震探测系统，核心传感器——检波器搭载于无人自主航行器(AUV)上，可以在水上载具上集中布放，即可以同时大量投放节点，节点自主定位和检测布放状态，可以大大提高整体系统的布放效率。

具体的，在一实施例中：

基准观测器配置为在着陆海底观测点后输出着陆信息；

水下声波信息输出装置还配置为在基准观测器着陆海底观测点后开始输出第一声波信息；

投放装置还配置为先投放基准观测器，待接收到着陆信息后投放普通观测器。

接下来基于附图详细描述根据本发明实施例的方法的详细流程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

具体的，如图1所示，在一实施例中，基准观测器包含水下航行器111，水下航行器111上安装有水下地震数据采集装置112、基准定位装置113以及水下声波信息输出装置114。

基准观测器在位置100处被释放，其目标为观测位置101。

在水下航行器111从100航行到101的过程中，基准定位装置113接收来自水上定位设备115的定位信息，基于该定位信息进行自身的精准定位，从而指导水下航行器111准确着陆在位置101处。当水下航行器111着陆在101处后，第一声波信息输出装置114开始输出声波信息。

普通观测器包含水下航行器121，水下航行器121上安装有水下地震数据采集装置122以及普通定位装置123。

在基准观测器着陆在101处后，普通观测器在位置100处被释放，其目标为观测位置102。

在水下航行器121从100航行到102的过程中，普通定位装置123接收来自水下声波信息输出装置114的声波信息，基于该声波信息进行自身定位，从而指导水下航行器121准确着陆在位置102处。

具体的，在一实施例中，基准观测器的基准定位装置包括超短基线定位系统和惯导系统，其依靠惯性导航和所述水上设备定位信息进行定位；普通观测器的普通定位装置包括惯导系统以及声呐设备，通过被动测量基准观测器发出的第一声波信息完成定位，其中，基准定位装置的惯导系统的精度高于普通定位装置的惯导系统。这样就可以在保证定位精度的前提下，有效控制普通观测器的普通定位装置的成本。

进一步的，在一实施例中，基准观测器的基准定位装置和/或普通观测器的普通定位装置还包括全球定位系统(GPS)。这样，在基准观测器和/或普通观测器在浅水(深度在GPS工作范围内)或水面航行时就可以基于GPS进行定位，在向深水下潜时再转为其他定位方式。

具体的，在一实施例中，基准观测器和/或普通观测器首先依靠GPS在水面附近水平位移到观测点正上方，然后下潜，并依靠其他定位方式准确下潜并着陆在观测点。

本发明提供的协同定位系统，基于几何理论和声学通信原理，设定自主航行器为基准观测器和普通观测器，基准观测器搭载超短基线定位系统和高精度惯导系统，依靠惯导和水上载具进行精准定位，普通观测器搭载较低精度的惯导和GPS、声呐设备，主要通过被动测量基准观测器发送的声波信息，完成自身的定位。

进一步的，为了节省能源消耗，在一实施例中，基准观测器和/或普通观测器采用水下滑翔的方式进行航行，第一水下航行器和/或第二水下航行器为水下滑翔机。

具体的，在一实施例中，第一水下航行器和/或第二水下航行器为融合自主式水下机器人(AUV)与水下滑翔机(AUG)的一种特殊水下自主航行器，本体包含外壳、舵板、滑翔翼、推进器、检波器安装平台、耐压舱及舱内电气设备、浮力调节系统、姿态调节系统和通信系统；

具体的，如图2所示，在一实施例中，两翼推进器201可以进行差速控制完成转向和姿态调整控制；舵板202布置于机身尾部；两个滑翔翼203水平设置，对称安装于机身水平中纵面；检波器安装平台、耐压舱及舱内电气设备、浮力调节系统、姿态调节系统和通信系统布置于机身内部，并通过固定支座与机身骨架固定。

具体的，在一实施例中，第一水下航行器包含浮力控制装置以及位置调整装置，基准观测器由水面载具直接投放到目标观测点上方，入水后基于浮力控制装置直接下潜，在下潜过程中基于位置调整装置调整最终的着陆点，使得最终着陆在目标观测点。第一水下航行器采用水下滑翔机，普通观测器由水面载具在基准观测器的投放点投放，其目标观测点以基准观测器的目标观测点为中心分布。普通观测器入水后基于水下滑翔机在水面或近水面的水下附近滑翔行进，行进至自身的目标观测点后下潜。这样，不仅能保证各个观测器尤其是基准观测器的精准着陆，而且可以最大限度节省观测器硬件成本以及能源消耗，水面载具也不需要在各个观测点上方来回行驶，大大提高了工作效率。

进一步的，在一实施例中，基准观测器的基准定位装置和/或普通观测器的普通定位装置(协作定位系统)包含于航行器系统内部。

基于水面滑翔机的航行方式，基准观测器和/或普通观测器可以在入水后基于水下滑翔机在水面或近水面的水下附近滑翔行进，行进至自身的目标观测点后下潜。这样，观测器的投放位置就不必须要在观测点的正上方。尤其的，由于水下滑翔机在水平方向上行驶的能耗很低，观测器的投放位置就可以在离自身目标观测点水平距离较远的地方。也就是说，水面上的投放载具可以不需要在各个投放点上方来回行驶，可以实现远程投放，这就大大提高了工作效率。

进一步的，在一实施例中，由于基准观测器与普通观测器的定位方式不同，因此采用不同的航行方式，即第一水下航行器与第二水下航行器采用不同的航行原理。

进一步的，为了便于投放基准观测器和/或普通观测器，在一实施例中，不采用将观测器直接投放入水的方式。也就是说，系统的投放装置并不仅仅是作为容纳观测器的承载设备被简单直接的安装在水面载具上。具体的，在一实施例中，投放装置包括：

装载机构，其配置为装载基准观测器和/或普通观测器，并在水下释放/回收基准观测器和/或普通观测器；

提升机构，其配置为连接水上载具以及装载机构，并将装载机构下放到水中以及将水中的装载机构提升到水上载具上。

具体的，在一实施例中，首先将水上载具上的装载机构利用提升机构投放到水中，然后水中的装载机构再投放其中装载的观测器。

进一步的，在一实施例，装载机构为箱型结构(布放箱)。

具体的，在一实施例中，装载机构配有控制缆线和摄像系统，其可以监控内部的观测器装载情况以及观测器布放情况。

进一步的，在一实施例中，一台装载机构内部可装载多台观测器。

进一步的，在一实施例中，装载机构还配有控制姿态的推进系统，其可在水中进行姿态控制和/或水下位移。

进一步的，在一实施例中，装载机构与其中装载的观测器为刚性连接。

进一步的，在一实施例中，提升机构采用柔性连接连接水上载具以及装载机构。

进一步的，在一实施例中，针对基准观测器与普通观测器，采用不同的投放方式。具体的，在一实施例中，直接从水上载具上投放基准观测器，而利用投放装置的装载机构投放普通观测器。

具体的，在一实施例中，观测器的投放如图3所示，水上载具运输投放装置，投放装置将装载机构(投放箱)投放到水中，装载机构在水中投放观测器(基准观测器和/或普通观测器)，观测器经水下滑翔和下潜后着陆在观测点。

在一实施例中，在一应用场景中，本发明的工作方式是：

基准观测器布放过程：水上载具将布放箱放置海水中，箱内装有编号后的飞行节点航行器，分为基准观测器和普通观测器。基准观测器下水前已经知晓自己的目标位置相对水上载具的位置；下达节点入水命令后，基准观测器首先下水，采用滑翔机模式航行，同时依靠超短基线(USBL)定位系统和滑翔模式中航行器出水后的GPS矫正，同时水上载具依据GPS定位矫正自身位置，依据超短基线监控节点位置，并通过声学通信设备将位置信息告知基准观测器，引导航行器进入目标位置；基准观测器具有惯导和USBL两套定位设备，保证基准位置信息的精确性。

普通观测器布放与协作定位：基准观测器根据位置指令信息，到达目标区后转为AUV模式，在水上载具USBL和惯导数据融合的导航下进行精确定位导航，同时依靠推进器进行精确的控制定位，达到要求的定位范围后，调整浮力装置使8[[浮力最小，使得航行器着陆并具有良好的接触力。随后基准观测器开启声波发生器，以示自身的身份和位置信息，并向水上载具发送成功着陆信息。水上载具接收到基准观测器的顺利进入目标位置信号后，将普通观测器下放至海水，普通观测器开始接受基准观测器的声波信息，通过测量声波的特性差异判定基准观测器的身份信息，从而构造基准观测器的参考坐标模型，同时测量不同特性声波的声压等信息，来测量自身相对基准观测器的距离和速度信息，然后融合基准观测器的位置信息和相对数据关系实时获取自身位置，引导自身航行至编号对应的目标位置，最后切换至AUV模式进行精确的位置控制，完成定点着陆任务。

进一步的，为了节省能源，在一实施例中，基准观测器和/或普通观测器被设置包含两种模式，布放模式以及工作模式(水下地震数据采集状态)。

具体的，基准观测器和/或普通观测器布放入水后进入布放模式。在布放模式中，基准观测器和/或普通观测器的水下地震数据采集装置关闭，只启动与定位以及航行有关的设备。待基准观测器和/或普通观测器着陆到指定观测位置后，其进入工作模式，在工作模式中，基准观测器和/或普通观测器关闭定位以及航行有关的设备，开启水下地震数据采集装置。

具体的，在一实施例中，基准观测器和/或普通观测器还包含休眠唤醒系统，其中：

休眠唤醒系统配置为在进入水下地震数据采集状态时开启用于水下地震数据采集的设备并令其他设备进入休眠状态。

进一步的，在一实施例中，针对基准观测器，其着陆后开启水下声波信息输出装置，待所有普通观测器着陆后再关闭水下声波信息输出装置。

进一步的，为了保证观测器的安全运行，在一实施例中，基准观测器和/或普通观测器还包含生命保障系统。生命保障系统用于在观测器出现故障以及其他紧急状态时采取对应的应急措施(例如紧急上浮)来保障观测器自身的安全，避免硬件设备以及数据遗失。

进一步的，在一实施例中，生命保障系统配置为包含有故障检测触发方式。具体的，在一实施例中，生命保障系统对观测器进行自检，当检测到观测器出现故障时，触发故障排除措施，首先尝试自我修复，在无法自我修复时，进行紧急上浮操作。

进一步的，考虑到海上环境多变，很可能突然出现恶劣天气，因此，在一实施例中，生命保障系统还配置为包含有环境条件触发方式。具体的，在一实施例中，生命保障系统监测观测器所处的环境的环境信息，当外部环境恶化到影响观测器自身安全时，触发环境恶化警报，观测器尝试紧急下潜或紧急上浮进行躲避。

具体的，在一实施例中，观测器投放流程如图4所示，首先水上载具同步投放多个基准观测器(S410)。基准观测器入水后依靠水面设备精准定位航行并着陆到目标观测点(基准点)(S411)。

基准观测器着陆后会关闭航行设备以及定位设备并向水面控制平台反馈到位信息。水面控制平台判断基准观测器是否全部到位(S421)。具体的，根据投放位置与观测位置的间距设定基准观测器的预定航行时间，判断在预定航行时间内观测器是否到位。如果在预设时间内没有到位，则询问未到位的观测器(S422)，判断没有在预设时间内到位的观测器当前状态是否满足安全性要求(S423)。如果满足安全性要求，则等待观测器航行到位(S424)。如果不满足安全性要求，则启动应急上浮(S425)，并投放备用的基准观测器(S426)。

当所有基准观测器到位后，其开启声波输出设备，发送用于定位的声波信息(S430)。同步的，水上载具同步投放多个普通观测器(S440)。普通观测器入水后，其根据基准观测器输出的声波信息定位，航行并着陆在目标观测点(S441)。

普通观测器着陆后会关闭航行设备以及定位设备并向水面控制平台反馈到位信息。水面控制平台判断基准观测器是否全部到位(S451)。具体的，根据投放位置与观测位置的间距设定普通观测器的预定航行时间，判断在预定航行时间内观测器是否到位。如果在预设时间内没有到位，则询问未到位的观测器(S452)，判断没有在预设时间内到位的观测器当前状态是否满足安全性要求(S453)。如果满足安全性要求，则等待观测器航行到位(S454)。如果不满足安全性要求，则启动应急上浮(S455)，并投放备用的普通观测器(S456)。

当所有的普通观测器到位后，所有观测器进入工作状态。具体的，基准观测器进一步的关闭声波输出设备，普通观测器关闭定位设备以及航行设备，所有观测器打开水下地震数据采集设备。

进一步的，在一实施例中，基准观测器和/或普通观测器还设置有回收作业模式。在回收作业模式下，基准观测器和/或普通观测器返航至水面附近的回收位置。这样，就不需要水上载具逐一行驶至观测点的正上方，也不需要水下机器人逐一下潜至观测点处进行观测器回收。

具体的，在一实施例中，基准观测器以及普通观测器还配置为在接收到回收指令后返航到回收位置。

具体的，在一实施例中，休眠唤醒系统配置为在接收到回收指令后唤醒与回收作业相关的设备并令其他设备(例如水下地震数据采集的设备)进入休眠状态。

进一步的，为了保证回收操作的执行，在一实施例中，休眠唤醒系统采用了冗余配置。具体的，在一实施例中，休眠唤醒系统包含水上设备唤醒模块以及同伴唤醒模块，其中：

水上设备唤醒模块配置为基于水上控制中心发送的回收指令唤醒回收作业相关的设备；

同伴唤醒模块配置为基于来自其他观测器发送的唤醒指令唤醒回收作业相关的设备。

这样，即使某个观测器由于设备故障等因素没有接收到水上控制中心发送的回收指令，其也可以基于其他观测器发来的指令执行回收作业操作。

进一步的，在一实施例中，多个观测器同步返航，而不是逐一返航，这样就大大提高了工作效率。

进一步的，在一实施例中，普通观测器首先返航，在普通观测器返航过程中，基准观测器输出声波信息，普通观测器接收声波信息从而定位其与基准观测器间的位置关系，进而构成观测器队列进行编队返航。待普通观测器全部返航后，基准观测器再基于水面设备的定位信息返航。

进一步的，在一实施例中，系统还包括回收位置声波信息输出装置，其安置在回收位置(例如，安装在布放箱)，配置为输出声波信息；普通定位装置还配置为在水下接收来自于回收位置声波信息输出装置的声波信息，基于声波信息确定自身与回收位置间的相对位置关系，获取定位信息，进而构成观测器队列进行编队返航。这样，当基准观测器出现意外(例如，基准观测器失联或者基准观测器故障无法输出用于定位的声波信息)时，仍然不会影响普通观测器的返航。

进一步的，在一实施例中，基准观测器以及所述普通观测器还配置为在接收到回收指令后返航到回收位置，其中，当普通观测器的数量大于系统单次回收上限时，普通观测器还配置为分批次返航。

具体的，在一实施例中，回收过程包括：

待完成地震检测任务，并收集完数据后，母船会向海底节点发射回收信号；节点接收到信号后会自动切换到航行器模式，并按照先进行滑翔机模式再进行AUV模式回收至布放箱内。具体唤醒方式为分批次唤醒，先唤醒基准航行器，然后普通航行器按自身批次依次根据任务信号进行回收工作；此时协作定位系统包含基准航行器和布放箱，每批次回收航行器测算基准航行器和布放箱的位置信息同自身的距离关系和基准的身份位置信息，进行路径的规划和导航制导，并通过滑翔模式航行至回收箱周围，开启AUV模式，航行至回收箱内；最后基准航行器进行回收任务，全程依靠母船的USBL和惯导融合导航，航行至回收箱内。

具体的，在一实施例中，观测器回收流程如图5所示，在进行回收作业时，水上控制中心向所有水下观测器发送回收指令(S500)。水下观测器基于水上控制中心的回收指令(水上设备唤醒)进入回收状态(S510)。水上控制中心判断水下的观测器是否都被唤醒并进入回收状态(S511)。如果水下有未被唤醒的观测器，则水上控制中心令其周围的观测器输出唤醒指令，对其进行同伴唤醒(S512)。

未被水上设备唤醒的观测器基于同伴唤醒进入回收状态(S513)。水上控制中心进一步判断是否还存在未被唤醒的观测器。如果还存在，则将该观测期登记为失联并记录(S520)。判断失联的观测器中是否有基准观测器(S521)，如果有，则使用水面设备输出用于定位的声波信息(S522)。从而取代失联的基准观测器的基准点作用。

当观测器进入回收状态后，其保存采集到的地震数据并进一步关闭水下地震数据采集设备，并从水上控制中心处获取回收位置信息(S530)。在回收状态下，基准观测器先不返航，其先输出用于定位的声波信息(S531)。

基于基准观测器输出的声波信息，普通观测器分批次返航(S532)。

水面控制平台判断基准观测器是否全部返航(S533)。具体的，根据回收位置与观测位置的间距设定观测器的预定航行时间，基于普通观测器的返航批次判断在预定航行时间内观测器是否到达回收位置。如果在预设时间内没有到达回收位置，则询问未返回的观测器(S534)，判断没有在预设时间内返回的观测器当前状态是否满足安全性要求(S535)。如果满足安全性要求，则等待观测器航行到达回收位置(S532)。如果不满足安全性要求，则启动应急上浮(S536)。

当普通观测器全部返航后，基准观测器停止输出声波信号，启动航行机构开始返航(S540)。水面控制平台判断基准观测器是否全部返航(S541)。具体的，根据回收位置与观测位置的间距设定观测器的预定航行时间，基于观测器的起航时间判断在预定航行时间内观测器是否到达回收位置。如果在预设时间内没有到达回收位置，则询问未返回的观测器(S542)，判断没有在预设时间内返回的观测器当前状态是否满足安全性要求(S543)。如果满足安全性要求，则等待观测器航行到达回收位置(S540)。如果不满足安全性要求，则启动应急上浮(S544)。

待所述基准观测器返航后，回收操作结束(S550)。

综上，本发明的观测系统采用融合自主式水下机器人(AUV)与水下滑翔机(AUG)的水下自主航行器，自主进行地震检波器的精确投放和自主回收。自主航行式地震节点的布放回收任务更加智能化、自主化，可以同时进行多个节点的布放和回收任务，大大提高了效率，降低了人力物力消耗。

本发明的系统基于基准观测器与普通观测器间的配合实现协作定位，其提供新型的编队协同定位和任务分配功能，利用少量USBL和声学测量设备即可对数千计的飞行节点进行定位，根据各自状态设定领导者对水下任务进行分配和领导。航行器的协作定位系统将基准航行器作为海底位置参考点，通过测算参考点的方向距离来确定自身的位置，可以大大减少对母船定位系统的依赖，从而可以使大量的节点同时进行布放和回收任务。

进一步的，本发明的水下自主航行器在航行过程中采用水下滑翔机模式，在海底精确定位和回收入箱的过程中采用自主水下机器人模式，因此布放和回收所耗能源很少，从而使能源的应用主要集中在地震传感器上，减少能源携带。

相较于现有的布放回收方式，本发明的系统更加方便、快捷，在提高布放精度以及广度的前提下大大节省了工程量。

同时，本发明的系统所包含的回收唤醒系统和应急生命保障系统为回收任务提供启动条件和生命保障；回收唤醒系统采用冗余设计，配有母船和同伴唤醒两组系统，如果同伴接受不到匹配航行器的苏醒信号，将开启同伴唤醒模块进行唤醒，在一定程度上提高了系统的回收率。；生命保障系统有故障检测触发和环境条件触发；从而提高海底地震飞行节点的回收率和生命力。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种海底地震观测系统，其特征在于，所述系统包括：

基准观测器，其包含：

水下地震数据采集装置；

基准定位装置，其配置为在水下接收水上定位设备发送的水上设备定位信息，基于所述水上设备定位信息进行自身定位，获取第一定位信息；

包含海底着陆机构的第一水下航行器，其装载所述基准定位装置以及所述水下地震数据采集装置，配置为基于所述第一定位信息航行并着陆到海底的对应观测位置；

水下声波信息输出装置，其安装在所述第一水下航行器上，配置为输出第一声波信息；

普通观测器，其包含：

水下地震数据采集装置；

普通定位装置，其配置为在水下接收所述第一声波信息，基于所述第一声波信息确定自身与所述基准定位装置间的相对位置关系，获取第二定位信息；

包含海底着陆机构的第二水下航行器，其装载所述普通定位装置，配置为基于所述第二定位信息航行并着陆到海底的对应观测位置；

投放装置，其配置为将所述基准观测器和/或普通观测器投放到水中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述基准观测器配置为在着陆海底观测点后输出着陆信息；

所述水下声波信息输出装置还配置为在所述基准观测器着陆海底观测点后开始输出所述第一声波信息；

所述投放装置还配置为先投放所述基准观测器，待接收到所述着陆信息后投放所述普通观测器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：

所述基准定位装置包括超短基线定位系统和惯导系统，其依靠惯性导航和所述水上设备定位信息进行定位；

所述普通定位装置包括惯导系统以及声呐设备，其通过被动测量所述第一声波信息完成定位，其中，所述基准定位装置的惯导系统的精度高于所述普通定位装置的惯导系统。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述基准观测器以及所述普通观测器还配置为在接收到回收指令后返航到回收位置，其中，当所述普通观测器的数量大于所述系统单次回收上限时，所述普通观测器还配置为分批次返航。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述系统还包括回收位置声波信息输出装置，其安置在所述回收位置，配置为输出第二声波信息；

所述普通定位装置还配置为在水下接收所述第二声波信息，基于所述第二声波信息确定自身与所述回收位置间的相对位置关系，获取所述第二定位信息。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述基准观测器和/或所述普通观测器还包含休眠唤醒系统，其中：

所述休眠唤醒系统配置为在进入水下地震数据采集状态时开启用于水下地震数据采集的设备并令其他设备进入休眠状态；

所述休眠唤醒系统配置为在接收到回收指令后唤醒与回收作业相关的设备。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述休眠唤醒系统包含水上设备唤醒模块以及同伴唤醒模块，其中：

所述水上设备唤醒模块配置为基于水上控制中心发送的回收指令唤醒回收作业相关的设备；

所述同伴唤醒模块配置为基于来自其他观测器发送的唤醒指令唤醒回收作业相关的设备。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，所述基准观测器或所述普通观测器还包含生命保障系统，所述生命保障系统配置为包含有故障检测触发和环境条件触发两种触发方式。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的系统，其特征在于，所述投放装置包括：

装载机构，其配置为装载所述基准观测器和/或所述普通观测器，并在水下释放/回收所述基准观测器和/或所述普通观测器；

提升机构，其配置为连接水上载具以及所述装载机构，并将所述装载机构下放到水中以及将水中的装载机构提升到水上载具上。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一水下航行器和/或所述第二水下航行器为水下滑翔机。

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