CN111257413A - 一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，属于海洋地质探测领域。本发明包括支撑框架，所述支撑框架上设有水声通讯器、控制单元、声学信号发射采集单元和贯入系统，所述贯入系统上设有若干声学探杆；每个所述声学探杆纵向上至少设置若干纵波换能器或至少设置若干横波换能器；其中一个纵波换能器作为发射换能器，其他声学探杆中的纵波换能器作为接收换能器；或者其中一个横波换能器作为发射换能器，其他声学探杆中的横波换能器作为接收换能器；各纵波换能器或横波换能器均与声学信号发射采集单元通信连接。本发明可以实时获取海底沉积物三维纵波和横波特性；从而通过水合物饱和度与弹性波速的关系反演得到测量区域沉积物中天然气水合物的饱和度。

Description

一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置
技术领域
本发明涉及海洋地质探测领域，特别涉及一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置。
背景技术
天然气水合物是一种极具潜力的能量资源。目前地球物理勘探仍是水合物勘探和资源评价的重要手段，通过高分辨率地震调查技术获取的储层弹性波速度等参数可以应用于水合物饱和度与弹性波速度关系模型的建立，以期根据地震波速度准确预测沉积物中是否含有水合物，或估算沉积物中水合物的饱和度，从而完成对储层资源量的评估。
由于缺乏实测水合物饱和度与原位声波速度之间的数据，且不同区域对同一模型的实用性不同，无法完成水合物饱和度与原位声波速度的数据获取、模型的建立与验证等工作。
目前，含水合物沉积物的弹性波速测量多局限于实验室内进行。而海底沉积物原位声学测量设备只能测量浅层沉积物中某一深度一维沉积物的纵波特性，且多采用自容式测量或带缆测量的测量方法。
针对目前海底沉积物原位声学测量设备无法测量深层沉积物、无法同时测量沉积物三维声学性质，无法同时测量海底沉积物的纵波和横波特性，无法及时获取数据等特点。
基于以上现状，开发一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置具有重要的现实意义。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决现有技术中海底沉积物测量深度单一、测量路径单一、探杆贯入深度小、只能原位测量纵波、数据无法及时获取、无法长期测量的问题，本发明提供了一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置。
本发明的技术方案为：
一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，包括支撑框架，所述支撑框架上设有水声通讯器、控制单元、声学信号发射采集单元和贯入系统，所述贯入系统上设有若干声学探杆；每个所述声学探杆纵向上至少设置若干纵波换能器或至少设置若干横波换能器；其中一个纵波换能器作为发射换能器，其他声学探杆中的纵波换能器作为接收换能器；或者其中一个横波换能器作为发射换能器，其他声学探杆中的横波换能器作为接收换能器；各纵波换能器或横波换能器均与声学信号发射采集单元通信连接。
本发明的海底沉积物声学断面扫描装置中设有多根声学探杆、各声学探杆中设置多个换能器，贯入系统用于将声学探杆贯入海底沉积物中，不同声学探杆测量不同坐标位置的数据，而同一声学探杆中不同深度的换能器可以测量同一水平坐标位置不同深度的数据，因此可以实现海底沉积物的三维扫描测量，从而获得海底沉积物三维的纵波特性和横波特性；从而通过水合物饱和度与弹性波速的关系反演得到水合物饱和度。
为了获取更多深度位置海底沉积物的声学特性，声学探杆的高度设置为2～10米，声学探杆中各换能器可以均匀分布，也可随机布置。
作为优选方案，所述贯入系统上设有至少六根声学探杆；每根所述声学探杆纵向上至少设置六个纵波换能器或至少设置六个横波换能器。该设置是为了更好的实现三维扫描，数量过少的话，获取的数据不够充足。
作为优选方案，所述贯入系统上设有六根声学探杆；每根所述声学探杆纵向上设置六个纵波换能器或设置六个横波换能器。
作为优选方案，各声学探杆的连线呈正多边形。各声学探杆中任意三根声学探杆的连线均可构成三角形，这样设置可以获得更多个坐标位置的海底沉积物的横波特性或纵波特性。
作为优选方案，每个声学探杆内部的换能器纵向轴线重合。每个探杆内的换能器纵向轴线重合，即，每根声学探杆获取的同一水平坐标位置的数据。
作为优选方案，所述贯入系统包括若干子贯入系统，声学探杆与子贯入系统一一对应。声学探杆与子贯入系统一一对应，即，每根声学探杆有独立的贯入装置，可以实现某一坐标位置的单独监测。
进一步地，各子贯入系统包括贯入装置一和贯入装置二；贯入装置一与贯入装置二结构相同。由于声学探杆的高度较高，因此采用两套贯入装置，将声学探杆分多次逐步贯入。
进一步地，所述贯入装置一包括固定于支撑框架的升降液压缸，升降液压缸的液压杆上固定设置一水平安装台；所述水平安装台上设有声学探杆夹持机构；所述声学探杆夹持机构包括固定在水平安装台上的夹持液压缸，夹持液压缸的液压杆连接机械臂一和机械臂二，机械臂一固定连接卡爪一，机械臂二固定连接卡爪二，卡爪一与卡爪二均与水平安装台铰接；卡爪一和卡爪二用于夹持或松开声学探杆。
进一步地，所述贯入装置一的声学探杆夹持机构位于贯入装置二的声学探杆夹持机构的上方。
当升降液压缸倒放时(缸体在上、液压杆在下)：
初始状态为：贯入装置一升降液压缸(下称升降液压缸一)的液压杆和贯入装置二升降液压缸(下称升降液压缸二)的液压杆均在行程最小的位置；贯入装置一的声学探杆夹持机构(下称声学探杆夹持机构一)以及贯入装置二的声学探杆夹持机构(下称声学探杆夹持机构二)均夹紧声学探杆。
需要贯入该声学探杆时：
步骤1)，升降液压缸一和升降液压缸二的液压杆均伸长至最大行程；这样声学探杆插入一个液压杆行程的深度。
步骤2)，声学探杆夹持机构一松开声学探杆，升降液压缸一的液压杆缩回至行程最小的位置，而后，声学探杆夹持机构一夹紧声学探杆；
步骤3)，声学探杆夹持机构二松开声学探杆，升降液压缸二的液压杆缩回至行程最小的位置，然后，声学探杆夹持机构二也夹紧声学探杆；
步骤4)重复步骤1)至步骤3)。
经过多次贯入后，声学探杆中的所有换能器均插入海底沉积物。
作为优选方案，所述卡爪一和卡爪二上均设有声学探杆的弧形容置空间。声学探杆为圆柱形，在卡爪一和卡爪二上设置弧形容置空间便于对声学探杆的夹持。
本发明的有益效果为：
本发明的海底沉积物声学断面扫描装置可以实时获取深层海底沉积物三维纵波和横波特性；从而通过水合物饱和度与弹性波速的关系反演得到水合物饱和度。同时可以完成模型的建立与验证等工作，是一种经济而又实用的办法。
三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置可以在海底真实的温度、压力条件下，原位测量固结沉积物和松散沉积物的状态、生成和分解过程，建立固结沉积物和松散沉积物中声波速度和水合物饱和度之间的关系，检验Biot-Gassmann Theory by Lee等理论模型在该区域固结沉积物和松散沉积物中的适用情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置的结构示意图；
图2为本发明中声学探杆的结构示意图；
图3为本发明中子贯入系统的主视结构示意图；
图4为本发明中子贯入系统的俯视结构示意图；
图5为本发明三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置的俯视结构示意图；
图6为中继浮球的结构示意图；
图7为配重浮球与本发明三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置的连接关系示意图；
图8为声学信号发射采集单元的结构框图；
图9为本发明三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置的总控仓电路框图。
其中，1-水声通讯机一；2-支撑框架；3-声学探杆；4-换能器；5-升降液压缸一；6-垫块；7-升降液压缸二；8-夹持液压缸二；9-水平安装台二；10-水平安装台一；11-夹持液压缸一；12-机械臂一；13-销杆；14-卡爪一；15-卡爪二；16-机械臂二；17-贯入装置一；18-贯入装置二；19-电源仓；20-液压仓；21-声学信号发射采集仓；22-总控仓；23-卫星通讯机；24-太阳能电池板；25-中继浮标；26-中继浮标控制仓；27-水声通讯机二；28-电池仓；29-浮球；30-声学释放器；31-配重；32-凯夫拉缆。
具体实施方式
本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1-图5所示，一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，包括支撑框架2，在本实施例中，支撑框架2呈六棱柱形。支撑框架2上固定有水声通讯机一1。支撑框架2内部固定有总控仓22、声学信号发射采集仓21、电源仓19和液压仓20。
该三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置包括六根声学探杆3，六根声学探杆3的连线呈正六边形(该处仅为六根声学探杆3之间位置关系的举例，并不是六根声学探杆3相互连接)。每根声学探杆3中均设置六个换能器4，每根声学探杆3中设置的六个换能器4纵向轴线重合。其中三根声学探杆3中均设置六个横波换能器，另外三根声学探杆3中均设置六个纵波换能器；设有纵波换能器的声学探杆3与设有横波换能器的声学探杆3相间分布。其中一个纵波换能器作为发射换能器，其他声学探杆3中的纵波换能器作为接收换能器；或者其中一个横波换能器作为发射换能器，其他声学探杆3中的横波换能器作为接收换能器；各纵波换能器或横波换能器均与声学信号发射采集仓中的声学信号发射采集单元通信连接。
支撑框架2上还设置用于将六根声学探杆贯入海底沉积物的贯入系统，在本实施例中，贯入系统包括六个子贯入系统，子贯入系统与声学探杆3一一对应，即，一个子贯入系统负责一根声学探杆3的贯入。
而每个子贯入系统均由贯入装置一17和贯入装置二18构成。贯入装置一17和贯入装置二18结构相同。
如图3、图4所示，贯入装置一17包括固定于支撑框架2的升降液压缸一5，升降液压缸一5的液压杆上固定设置水平安装台一10；水平安装台一10上设置有声学探杆夹持机构一，声学探杆夹持机构一包括夹持液压缸一11，夹持液压缸一11可以固定在升降液压缸一5的液压杆上，也可以固定在水平安装台一10上。夹持液压缸一11的液压杆固定连接机械臂一12和机械臂二16。机械臂一12固定连接卡爪一14，机械臂二16固定连接卡爪二15，卡爪一14和卡爪二15均通过销杆13与水平安装台一10铰接。为了便于夹持声学探杆3，卡爪一14和卡爪二15上均设有弧形容置空间；卡爪一14和卡爪二15的抓握面固定有橡胶垫，在增加抓握声学探杆摩擦力的同时给予抓握缓冲保护声学探杆。当夹持液压缸一11的液压杆伸长时，在机械臂一12的作用下卡爪一14向外旋转，同时，在机械臂二16的作用下卡爪二15也向外旋转，这样声学探杆3即被声学探杆夹持机构一松开。相反，当夹持液压缸一11的液压杆回缩时，在机械臂一12的作用下卡爪一14向内旋转，同时，在机械臂二16的作用下卡爪二15也向内旋转，这样声学探杆3即被声学探杆夹持机构一紧紧夹持。
贯入装置二18的结构与贯入装置一17的结构相同，但是贯入装置一17在贯入装置二18的上面。为了保持两者的位置关系，贯入装置二18的升降液压缸二7通过垫块6与支撑框架2固定连接。
如图5所示，每根声学探杆3均分别被贯入装置一17和贯入装置二18夹持。
当升降液压缸倒放时(缸体在上、液压杆在下)：
初始状态为：升降液压缸一5的液压杆和升降液压缸二7的液压杆均在行程最小的位置；贯入装置一17上的卡爪一14和卡爪二15夹紧声学探杆3，贯入装置二18上的卡爪一14和卡爪二15也夹紧声学探杆3。
需要贯入该声学探杆时：
步骤1)，升降液压缸一5和升降液压缸二7的液压杆均伸长至最大行程；这样声学探杆3插入一个液压杆行程的深度。
步骤2)，夹持液压缸一11的液压杆伸长，贯入装置一17的卡爪一14和卡爪二15松开声学探杆3，升降液压缸一5的液压杆缩回至行程最小的位置，而后，夹持液压缸一11的液压杆回缩，贯入装置一17的卡爪一14和卡爪二15再次夹紧声学探杆3；
步骤3)，夹持液压杆二8的液压杆伸长，贯入装置二18的卡爪一14和卡爪二15松开声学探杆3，升降液压缸二7的液压杆缩回至行程最小的位置，而后，夹持液压缸二8的液压杆回缩，贯入装置二18的卡爪一14和卡爪二15再次夹紧声学探杆3；
步骤4)重复步骤1)至步骤3)。
经过多次贯入后，声学探杆中的所有换能器均插入海底沉积物。
将六根声学探杆分别编号为声学探杆①、声学探杆②、声学探杆③、声学探杆④、声学探杆⑤、声学探杆⑥；其中，声学探杆①、声学探杆③、声学探杆⑤中的换能器4均为纵波换能器。声学探杆②、声学探杆④、声学探杆⑥中的换能器4均为横波换能器。
以上述扫描装置说明本发明对海底沉积物声学断面扫描测量的方法。
使用本发明对海底沉积物声学断面扫描测量的方法：
步骤1：通过科考船A架将中继浮标吊装至临近海域。
步骤2：如图7所示，三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置和配重浮球通过凯夫拉缆32连接，首先将配重浮球吊装至海面，松开脱钩器后在配重浮球中配重31的作用下，配重浮球将沉入海底，然后将三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置吊装至海底，然后通过地质绞车缆上的声学释放器脱钩。
步骤3：甲板单元通过卫星信号传递插入深度信号给中继浮标25(如图6所示，顶部为卫星通讯机23，中部为浮球，下部包括中继浮标控制仓26、电池仓28和水声通讯机二27，中继浮标25上还设有太阳能电池板24，太阳能电池板24与电池仓28电连接；太阳能电池板24与电池仓28的连接为成熟技术，其内部电路等不再赘述)，中继浮标25上的水声通讯机二27与三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置上的水声通讯机一1通过水声通信连接，水声通讯机二27将卫星通讯机的控制信号传输给水声通讯机1，即，控制信号传输至三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置。
步骤4，升降液压缸一5和升降液压缸二7的液压杆均伸长至最大行程；这样声学探杆3插入一个液压杆行程的深度。
步骤5，夹持液压缸一11的液压杆伸长，贯入装置一17的卡爪一14和卡爪二15松开声学探杆3，升降液压缸一5的液压杆缩回至行程最小的位置，而后，夹持液压缸一11的液压杆回缩，贯入装置一17的卡爪一14和卡爪二15再次夹紧声学探杆3；
步骤6，夹持液压杆二8的液压杆伸长，贯入装置二18的卡爪一14和卡爪二15松开声学探杆3，升降液压缸二7的液压杆缩回至行程最小的位置，而后，夹持液压缸二8的液压杆回缩，贯入装置二18的卡爪一14和卡爪二15再次夹紧声学探杆3；
步骤7，重复步骤4至步骤6，经过多次贯入后，声学探杆中的所有换能器均插入海底沉积物。
步骤8：六根声学探杆3全部贯入完成后，通过水声通讯机一1发送贯入完成指令给中继浮标25，信号再通过卫星传输至所述甲板控制单元。
步骤9：将三根设有纵波换能器的声学探杆3分别编号为①、③、⑤，三根设有横波换能器的声学探杆3分别编号为②、④、⑥。
声学发射采集单元自动发射采集纵波信号，过程如下：
具体扫描测试过程为：
其中声学探杆①中最上面的纵波换能器作为发射换能器，声学探杆③、⑤中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第二个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆③、⑤中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第三个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆③、⑤中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第四个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆③、⑤中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第五个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆③、⑤中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第六个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆③、⑤中的纵波换能器作为接收换能器。
然后依照相同的步骤：
声学探杆③中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆⑤中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
步骤10：声学发射采集单元自动发射采集横波信号的。
具体扫描测试过程为：
其中声学探杆②中最上面的横波换能器作为发射换能器，声学探杆④、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆②中从上面数第二个横波换能器作为发射换能器，声学探杆④、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆②中从上面数第三个横波换能器作为发射换能器，声学探杆④、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆②中从上面数第四个横波换能器作为发射换能器，声学探杆④、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆②中从上面数第五个横波换能器作为发射换能器，声学探杆④、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆②中从上面数第六个横波换能器作为发射换能器，声学探杆④、⑥中的横波换能器作为接收换能器。
然后依照相同的步骤：
声学探杆④中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆⑥中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
步骤11：待纵横波信号发射采集完成后，声学发射采集单元进入休眠状态，待下次定时器或采集命令到来时，再重复步骤9和步骤10。
步骤12：全部观测结束后，甲板单元通过卫星信号发射上提命令给中继浮标，中继浮标通过水声通讯机将控制信号传输至三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置。
步骤13：升降液压缸一5和升降液压缸二7的液压杆均回缩至最短行程；这样声学探杆3拔出一个液压杆行程的深度；
步骤14：夹持液压缸一11的液压杆伸长，贯入装置一17的卡爪一14和卡爪二15松开声学探杆3，升降液压缸一5的液压杆伸长至最大行程的位置，而后，夹持液压缸一11的液压杆回缩，贯入装置一17的卡爪一14和卡爪二15再次夹紧声学探杆3；
步骤15，夹持液压杆二8的液压杆伸长，贯入装置二18的卡爪一14和卡爪二15松开声学探杆3，升降液压缸二7的液压杆伸长至行程最大的位置，而后，夹持液压缸二8的液压杆回缩，贯入装置二18的卡爪一14和卡爪二15再次夹紧声学探杆3；
步骤16，重复步骤14至步骤15，经过多次连续拔出后，六根声学探杆3全部拔出。
步骤17，六根声学探杆全部拔出完成后，通过水声通讯机一1发送拔出完成指令给中继浮标，信号再通过卫星传输至所述甲板控制单元。
步骤18：甲板单元收到拔出完成信号后，通过声学释放器30将浮球所连配重31释放，浮球29上浮后，通过凯夫拉缆32将设备上提至甲板。
本发明三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置中总控仓中的总控电路如图9所示，声学信号发射采集仓中的声学信号发射采集单元的结构框图如图8所示。本发明三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置的创新点是基于海底沉积物的三维声学断面扫描装置。甲板单元与中继浮球的卫星通讯、中继浮球与海底沉积物扫描装置中水声通讯机的水声通信均为本领域熟知的技术，因此不再赘述。
实施例2
声学探杆3中换能器4的类型不同，其余同实施例1。
本实施例中六根声学探杆(声学探杆①、声学探杆②、声学探杆③、声学探杆④、声学探杆⑤、声学探杆⑥)均为纵波换能器。
当声学探杆内均为纵波换能器时，步骤9和步骤10合为一步，声学发射采集单元自动发射采集纵波信号：
具体扫描测试过程为：
其中声学探杆①中最上面的纵波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第二个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第三个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第四个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第五个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的纵波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第六个纵波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的纵波换能器作为接收换能器。
然后依照相同的步骤：
声学探杆②中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆③中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆④中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆⑤中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆⑥中的其中一个纵波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
实施例3
声学探杆3中换能器4的类型不同，其余同实施例1。
本实施例中六根声学探杆(声学探杆①、声学探杆②、声学探杆③、声学探杆④、声学探杆⑤、声学探杆⑥)均为横波换能器。
当声学探杆内均为横波换能器时，步骤9和步骤10合为一步，声学发射采集单元自动发射采集横波信号：
具体扫描测试过程为：
其中声学探杆①中最上面的横波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第二个横波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第三个横波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第四个横波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第五个横波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的横波换能器作为接收换能器；
声学探杆①中从上面数第六个横波换能器作为发射换能器，声学探杆②、③、④、⑤、⑥中的横波换能器作为接收换能器。
然后依照相同的步骤：
声学探杆②中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆③中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆④中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆⑤中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
声学探杆⑥中的其中一个横波换能器作为发射换能器，依次扫描测试。
利用本发明可测得海底沉积物的压缩波速Vp和剪切波速Vs，根据本发明测得的参数利用现有理论可得到多个有价值的参数，比如：
根据测量的海底沉积物的纵波声速Vp和横波声速Vs，基于Frenked-Gassman方程来更准确的估算沉积物中水合物的饱和度：
Figure BDA0002385516270000121
Figure BDA0002385516270000122
Figure BDA0002385516270000123
其中，海底沉积物密度ρ、海底沉积物固体颗粒密度ρs、孔隙海水密度ρw、海底沉积物中水合物密度ρh，海底沉积物固体颗粒弹性模量Ks、孔隙海水弹性模量Kw，均为本发明设备布放前通过海底沉积物取样进行土工试验获取的该区域海底沉积物的环境背景参数。
另外，当本发明中声学探杆均为纵波换能器时，可以根据以下公式计算水合物饱和度：
Figure BDA0002385516270000131
式中，Vp是含水合物沉积介质的纵波速度；φ为孔隙度；Sh指水合物饱和度(水合物占孔隙的体积分数)。Vw、Vh、Vm分别为水、纯水合物和骨架的纵波速度。
当然，还有根据本发明测得的参数，根据现有理论还可以计算其他参数，在此不再一一举例。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，包括支撑框架，所述支撑框架上设有水声通讯器、控制单元、声学信号发射采集单元和贯入系统，其特征在于：所述贯入系统上设有若干声学探杆；每个所述声学探杆纵向上至少设置若干纵波换能器或至少设置若干横波换能器；其中一个纵波换能器作为发射换能器，其他声学探杆中的纵波换能器作为接收换能器；或者其中一个横波换能器作为发射换能器，其他声学探杆中的横波换能器作为接收换能器；各纵波换能器或横波换能器均与声学信号发射采集单元通信连接。
2.如权利要求1所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：所述贯入系统上设有至少六根声学探杆；每根所述声学探杆纵向上至少设置六个纵波换能器或至少设置六个横波换能器。
3.如权利要求1所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：所述贯入系统上设有六根声学探杆；每根所述声学探杆纵向上设置六个纵波换能器或设置六个横波换能器。
4.如权利要求1或3所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：各声学探杆的连线呈正多边形。
5.如权利要求1所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：每个声学探杆内部的换能器纵向轴线重合。
6.如权利要求1或3所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：所述贯入系统包括若干子贯入系统，声学探杆与子贯入系统一一对应。
7.如权利要求6所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：各子贯入系统包括贯入装置一和贯入装置二；贯入装置一与贯入装置二结构相同。
8.如权利要求7所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：所述贯入装置一包括固定于支撑框架的升降液压缸，升降液压缸的液压杆上固定设置一水平安装台；所述水平安装台上设有声学探杆夹持机构；所述声学探杆夹持机构包括固定在水平安装台上的夹持液压缸，夹持液压缸的液压杆连接机械臂一和机械臂二，机械臂一固定连接卡爪一，机械臂二固定连接卡爪二，卡爪一与卡爪二均与水平安装台铰接；卡爪一和卡爪二用于夹持或松开声学探杆。
9.如权利要求8所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：所述贯入装置一的声学探杆夹持机构位于贯入装置二的声学探杆夹持机构的上方。
10.如权利要求8或9所述三维原位实时海底沉积物声学断面扫描装置，其特征在于：所述卡爪一和卡爪二上均设有声学探杆的弧形容置空间。
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