CN111964651B - 一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置及其工作方法，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统。贯入动力系统由回收环、浮标、凯夫拉电缆、限位筒、立方体限位块、控制单元、环形控制舱、重块和环形铁块，观测系统由声学探杆、声学探杆储存单元、圆台形限位块、单向限位装置、水平支撑杆、电阻率探杆、电极环、发射换能器、第一贯入锥尖、接收换能器、水平支撑杆、和第二贯入锥尖，稳定系统由四脚架限位筒、圆管、稳定圆环、缓冲装置、重力锚。通过本发明，既满足海底沙波原位观测装置的贯入需求，保证贯入效果，还将内孤立波的能量作为一种资源加以利用，以减少装置本身的设计运行成本，并能够满足实时、原位地观测海底沙波。

Description

一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及海底观测技术领域和海洋工程地质技术领域，具体而言，特别涉及一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置及其工作方法。
背景技术
海底沙波是一种在海洋浪、潮、流等水动力作用下发育的呈丘状、新月状的海底地貌，其波脊线垂直于主水流方向。作为一种活动性地貌，海底沙波的迁移会造成海底管道悬空折断、航道淤积碍航、油气平台结构失稳等事故，对海洋里的工程设施安全造成严重威胁，因此对海底沙波的研究具有重大意义。内孤立波是一种特殊的非线性内波，发生在海洋内部密度不均匀水层间，能够引起海水和海底之间显著的相互作用，具有改造海底的能力。目前关于内孤立波的研究集中于其本身的特性（周期、振幅、流速），或是针对内孤立波所引起的相关海底灾害，还未有学者将内孤立波的能量作为一种资源加以利用。
目前国内外学者观测海底沙波多采用多波束测深系统和侧扫声呐等声学仪器。每隔一定时间使用多波束和侧扫声呐等声学仪器对海底沙波进行重复水深测量，通过水深变化，结合剖面对比以实现对海底沙波的迁移观测，但是这种方法效率低，成本高，且所得数据不连续，无法实现对海底沙波的原位实时观测。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）均是采用目前主流的方法，运用多波束测深系统来观测海底沙波的运移，无法实现长期原位实时观测。海底沙波原位实时观测装置及方法（专利号：CN201710693750.5）和基于压力计的海底沙波迁移观测装置及方法（专利号：CN201611223091.0）均实现了对海底沙波的原位、实时、连续观测，是通过水压变化反演沙波高度变化，但观测装置的贯入需求是基于装置本身的自重，海底的复杂环境无法保证贯入效果，其所得数据误差较大。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置及其工作方法。目的在于既满足海底沙波原位观测装置的贯入需求，保证贯入效果，还将内孤立波的能量作为一种资源加以利用，以减少装置本身的设计运行成本，并能够满足实时、原位地观测海底沙波。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统，其中，贯入动力系统由回收环、浮标、凯夫拉电缆、限位筒、立方体限位块、控制单元、环形控制舱、重块和环形铁块组成，所述回收环焊接在浮标的顶端，浮标连接在3根凯夫拉电缆的一端，位于中间的凯夫拉电缆的另一端与重块连接，另外2根凯夫拉电缆的的另一端与环形控制舱连接，环形控制舱内部安装有通电电磁铁，限位筒内部为空腔，限位筒的上方对称装有2个立方体限位块，立方体限位块的一端位于限位筒的外部，立方体限位块的另一端贯穿限位筒位于限位筒的内腔中，重块位于限位筒的内部立方体限位块的下方，环形控制舱套装在限位筒的外部位于立方体限位块的下方，环形控制舱和立方体限位块上装有2组控制单元，限位筒的外部还套装有环形铁块，环形铁块位于环形控制舱的下方；
观测系统由声学探杆、声学探杆储存单元、圆台形限位块、单向限位装置、水平支撑杆、电阻率探杆、电极环、发射换能器、第一贯入锥尖、接收换能器和第二贯入锥尖组成，声学探杆采用不锈钢钢管，声学探杆活动安装在限位筒的内部下方，声学探杆的杆体上部是声学探杆储存单元，声学探杆的杆体下部外围安装3个圆台形限位块，限位筒的内部与圆台形限位块对应位置安装有单向限位装置，发射换能器固定安装在限位筒的内部下端，声学探杆的下端固定安装第一贯入锥尖，贯入锥尖的上方固定安装有2个接收换能器，声学探杆储存单元和圆台形限位块位于限位筒的底端内部，贯入锥尖和接收换能器位于限位筒的底端外部，水平支撑杆的中心设置环形套环，水平支撑杆通过环形套环套装在限位筒上并位于环形铁块的下方，水平支撑杆的两端垂直向下固定安装电阻率探杆，电阻率探杆上内嵌装有若干个电极环,阻率探杆底端固定安装第二贯入锥尖；
稳定系统由四脚架限位筒、圆管、稳定圆环、缓冲装置、重力锚、垂直支撑圆管组成，四脚架限位筒焊接在限位筒上并且位于环形套环的下方，四脚架限位筒的外壁呈十字固定安装有4个圆管，圆管的另一端与位于限位筒下方的稳定圆环焊接，稳定圆环的下安装有缓冲装置，缓冲装置通过垂直支撑圆管与重力锚相连。
作为优选方案，凯夫拉电缆，抗拉强度：≥70(kg)，工作环境温度：-45℃—120℃。
作为优选方案，单向限位装置的材质为柔性材料。
作为优选方案，四脚架限位筒与圆管之间采用焊接的方式安装。
作为优选方案，重力锚材质为钢筋混凝土材料，密度为2800 kg/m3。
作为优选方案，电阻率探杆材质为耐腐蚀材料。
作为优选方案，电极环采用石墨电极。
作为优选方案，缓冲装置内部安装有缓冲弹簧，垂直支撑圆管与重力锚为刚性连接。
一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置的工作方法，具体步骤如下：
S1：设备室内检测与标定：在观测之前发射换能器、接收换能器与电阻率探杆需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；
S2：选择观测海域与布放船：根据已有观测资料对观测海域进行分析，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，布放包括具有3吨以上吊车的必要的布放设备的作业船；
S3：组装装置：将声学探杆、电阻率探杆、浮标、重块组装在四脚架上，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；
S4：布放工作：利用GPS定位系统将作业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，将重力锚吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚，记录入水时间、布放水深、经纬度；
S5：观测装置工作：观测装置布放结束后，观测装置稳定在海床底部，两种观测探杆开始工作，当内孤立波发生并传播时，浮标受到内孤立波的作用下移，凯夫拉电缆失去拉力，环形控制舱与重块下移，重块锤击声学探杆使其向下移动，当圆台形限位块经过单向限位单元时，单向限位单元可阻止声学探杆回弹，当内孤立波的一个周期结束时，凯夫拉电缆重新恢复拉力，环形控制舱通过磁力带动下方环形铁块向上运动，重块也恢复至初始状态，当环形控制舱上方的控制单元与立方体限位块下方的控制单元相接触时，环形控制舱被短路，失去磁性，环形铁块在重力作用下下落，锤击水平支撑杆使电阻率探杆贯入沙波，当声学探杆与发射换能器相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆与四脚架限位筒相接触时，电阻率探杆达到最大贯入深度；
S6：回收装置：原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下方水下机器人ROV，将回收缆绳与浮标相连，将装置整体回收，此时发射换能器固定声学探杆，四脚架限位筒固定电阻率探杆，收集声学探杆内与水平支撑杆上电阻率探杆的储存数据，并对观测装置进行清洗与维护；
S7：电阻率探杆数据处理：
海底沙波波高的确定：提取电阻率探杆测得的电阻率剖面，得到的电阻率突变处即为沙波与上部海水界面位置；当电阻率突变处最低时，此时记录的位置为沙波波谷，当电阻率突变处最高时，此时记录的位置为波峰，相邻波峰与波谷之间的绝对高程即为沙波波高，选取多组数据求取平均值即为沙波平均波高；
根据界面位置的变化推算海床侵蚀淤积速率，以海底沙波迁移的一个周期为时间间隔，通过计算相邻一个周期内界面位置，波峰或波谷的高度变化量，得到海床侵蚀淤积速率，相邻一个周期内界面位置会发生变化，以沙波某一波峰或波谷为参考点，某一时刻参考点到水平支撑杆之间的距离为H1，在一个周期过去之后参考点到水平支撑杆之间的距离为H2，两者之间的绝对差值为△H，根据H1和H2的相对高度关系判断一个周期内海床处于淤积或侵蚀状态，结合一个周期T可得到海床的侵蚀淤积速率为V=△H/T。
海底沙波迁移周期的确定：相邻电阻率极值波峰或波谷之间的记录时间即为海底沙波的一个迁移周期，选取多组数据求取平均值即得到沙波迁移的平均周期；
海底沙波含水率、孔隙率、孔隙比的确定：电阻率Archie公式广义定义为：
Figure 581552DEST_PATH_IMAGE001
 （1）
其中：
Figure 645323DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 375382DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 44261DEST_PATH_IMAGE004
分别为与沉积物性质有关的参数；
Figure 834362DEST_PATH_IMAGE005
为饱和度；
Figure 854271DEST_PATH_IMAGE006
为孔隙率；
Figure 122441DEST_PATH_IMAGE007
为孔隙水的电阻率；
Figure 911406DEST_PATH_IMAGE008
为电阻率。室内试验可提前获得
Figure 137987DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 379613DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 451474DEST_PATH_IMAGE007
的数值，而定点观测海域的海水电阻率变化不大，可以将式（1）化简为：
Figure 626104DEST_PATH_IMAGE009
 （2）
其中：
Figure 226849DEST_PATH_IMAGE010
。
通过室内试验得到电阻率与孔隙率之间的关系曲线，然后运用式（2）对曲线进行拟合，求出
Figure 486929DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 831323DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 860459DEST_PATH_IMAGE004
数值，即可得到沙波电阻率与孔隙率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波孔隙率；同时孔隙比与孔隙率之间的关系为：
Figure 632106DEST_PATH_IMAGE012
 （3）
因此也可以得到海底沙波孔隙比与电阻率之间的关系。
海底沙波电阻率与含水率之间的关系式为：
Figure 379482DEST_PATH_IMAGE013
 （4）
其中：
Figure 527566DEST_PATH_IMAGE008
为电阻率，
Figure 411209DEST_PATH_IMAGE014
为含水率。
通过室内试验得到电阻率与含水率之间的关系曲线，然后运用式（4）对曲线进行拟合，求出
Figure 619336DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 588429DEST_PATH_IMAGE016
值，即可得到沙波电阻率与含水率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波含水率；
海底沙波密度、比重、容重的确定：室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 274626DEST_PATH_IMAGE017
，结合以下公式：
Figure 278354DEST_PATH_IMAGE018
 （5）
Figure 657382DEST_PATH_IMAGE019
 （6）
Figure 848192DEST_PATH_IMAGE020
 （7）
Figure 338079DEST_PATH_IMAGE021
 （8）
Figure 196314DEST_PATH_IMAGE022
 （9）
其中：
Figure 11823DEST_PATH_IMAGE017
为干密度，
Figure 689929DEST_PATH_IMAGE008
为天然密度，
Figure 983507DEST_PATH_IMAGE005
为饱和度，
Figure 430669DEST_PATH_IMAGE006
为孔隙率，
Figure 417080DEST_PATH_IMAGE023
为孔隙比，
Figure 582482DEST_PATH_IMAGE024
为土粒密度，
Figure 679751DEST_PATH_IMAGE025
为水的密度，
Figure 987279DEST_PATH_IMAGE025
=1g/cm3，
Figure 144590DEST_PATH_IMAGE026
为饱和密度，
Figure 62868DEST_PATH_IMAGE027
为饱和重度，g为重力加速度。其中比重在数值上等于
Figure 432669DEST_PATH_IMAGE024
。
室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 120003DEST_PATH_IMAGE017
，已知孔隙比、孔隙率与g，
Figure 182637DEST_PATH_IMAGE025
在数值上等于1.0，其余数据可以通过关系式得到，因此也可以得到海底沙波电阻率与密度、比重与容重之间的关系。后期原位观测得到的数据代入公式计算，即可得到原位观测海域的海底沙波的密度、比重与容重；
S8：声学探杆数据处理：
海底沙波声衰减系数的确定：根据现场由仪器测得的两个不同固定距离上声信号振幅推算出声衰减：
Figure 322631DEST_PATH_IMAGE028
 （10）
其中：
Figure 27282DEST_PATH_IMAGE011
为海底沙波的声衰减系数，
Figure 303542DEST_PATH_IMAGE029
为在第一个接收换能器上测得的声压振幅，单位（
Figure 802657DEST_PATH_IMAGE030
），
Figure 164368DEST_PATH_IMAGE031
为在第二个接收换能器上测得的声压振幅，单位（
Figure 141551DEST_PATH_IMAGE030
）；
可以通过室内试验建立声衰减系数与海底沙波平均粒径、孔隙度之间的关系，以此配合声速得到的数据，确定海底沙波的物理性质；
海底沙波波高的确定：声学探杆发射换能器和贯入锥尖上部的接收换能器之间的距离为
Figure 537898DEST_PATH_IMAGE032
，两个接收换能器之间的距离为
Figure 207913DEST_PATH_IMAGE033
，声波信号到达第一个接收换能器的时间为t1，到达第二个接收换能器的时间为t2，则声波在两个接收换能器之间传播的时间为
Figure 56921DEST_PATH_IMAGE034
，声波在沉积物之间的速度为：
Figure 837795DEST_PATH_IMAGE035
 （11）
海水声速可以用温度
Figure 88648DEST_PATH_IMAGE036
、盐度
Figure 929565DEST_PATH_IMAGE037
和深度
Figure 265868DEST_PATH_IMAGE038
（或压力）的函数来表示。根据Medwin经验公式可知：
Figure 850433DEST_PATH_IMAGE039
 （12）
其中：
Figure 955792DEST_PATH_IMAGE040
的单位为（m/s），
Figure 967611DEST_PATH_IMAGE036
为摄氏温度（℃），
Figure 525631DEST_PATH_IMAGE037
为盐度（‰），
Figure 913887DEST_PATH_IMAGE038
为海水深度（m）；通过查阅观测海域的水文资料可得到温度
Figure 873753DEST_PATH_IMAGE036
、盐度
Figure 56472DEST_PATH_IMAGE037
和深度
Figure 367368DEST_PATH_IMAGE038
的数值，即可计算得到海水声速
Figure 293736DEST_PATH_IMAGE040
；
已知海水声速
Figure 108108DEST_PATH_IMAGE040
和声波在沉积物之间的速度
Figure 727308DEST_PATH_IMAGE041
，结合声波到达第二个接收换能器的时间t2、发射换能器和贯入锥尖上部的接收换能器之间的距离
Figure 259921DEST_PATH_IMAGE032
，可得到海水与沙波顶部的界面位置，界面位置与发射换能器相距最近时即为波峰，界面位置与发射换能器相距最远时即为波谷，相邻波峰与波谷之间的绝对高程即为沙波波高，选取多组数据求取平均值即为沙波平均波高；
海底沙波迁移周期的确定：相邻界面位置极值波峰或波谷之间的记录时间即为海底沙波的一个迁移周期，选取多组数据求取平均值即得到沙波迁移的平均周期；
海底沙波平均粒径、含水率、孔隙率（孔隙比）、密度的确定：根据沉积物的沉积环境建立了声学参数预测方程，选取的主要参数是声速
Figure 724400DEST_PATH_IMAGE041
（m/s）、平均粒径
Figure 658858DEST_PATH_IMAGE042
（
Figure 448959DEST_PATH_IMAGE043
）、孔隙度
Figure 203289DEST_PATH_IMAGE006
（%）、含水率
Figure 737038DEST_PATH_IMAGE014
（%）、密度
Figure 526003DEST_PATH_IMAGE008
（g/cm3）。主要经验公式如下所示：
Figure 221426DEST_PATH_IMAGE044
 （13）
Figure 994210DEST_PATH_IMAGE045
 （14）
Figure 800492DEST_PATH_IMAGE046
 （15）
Figure 443963DEST_PATH_IMAGE047
 （16）
其中：
Figure 575867DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 400446DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 10419DEST_PATH_IMAGE048
是常数，
Figure 39555DEST_PATH_IMAGE041
（m/s）是声波在沉积物之间的速度；
通过室内试验得到声速与平均粒径、孔隙度、含水率、密度之间的关系曲线，然后运用式（12）至式（15）对曲线进行拟合，求出
Figure 811202DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 558578DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 706663DEST_PATH_IMAGE048
数值，即可得到声速与孔隙率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波的平均粒径、孔隙度、含水率与密度；
海底沙波比重、容重的确定：室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 590305DEST_PATH_IMAGE017
，已知孔隙比、孔隙率与g，
Figure 798432DEST_PATH_IMAGE025
在数值上等于1.0，其余数据可以通过关系式（5）至式（9）得到，因此也可以得到声速与比重与容重之间的关系；后期原位观测得到的数据通过公式计算，即可得到原位观测海域的海底沙波的比重与容重；
将声学探杆与电阻率探杆数据处理后得到的海底沙波物理性质进行对比分析，最终确定海底沙波的物理性质。
本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：与现有的技术相比，本发明装置创新性地将内孤立波的能量作为一种资源并加以利用，将其转换为两种观测探杆的贯入动能，有效地保证了两种观测探杆能够贯入海底沙波一定深度，与传统装置相比，本装置无需自带配电设施以提供贯入动力，加上可以多次回收再利用，大大降低了观测成本；同时在四脚架底部加入缓冲装置，可保证本装置在不均一海床下两观测探杆垂直海底贯入。本发明装置使用两种观测探杆对海底沙波的物理性质进行综合分析，能够提高观测结果的准确性。本发明装置可以实现海底海水—海床界面—海底沙波物理性质的原位、长期观测，在工程地质环境监测与海底科学研究中具有应用价值。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为本发明的左视结构示意图；
图4为本发明的俯视结构示意图；
图5为贯入系统上部的结构示意图；
图6为贯入系统下部与稳定系统的结构示意图；
图7为声学探杆的结构示意图；
图8为水平支撑杆的结构示意图；
图9为本发明的海底沙波原位观测装置贯入流程示意图；
图10为控制单元的控制原理电路图，
其中，图1至图9中附图标记与部件之间的对应关系为：
1、回收环，2、浮标，3、凯夫拉电缆，4、限位筒，5、立方体限位块，6、控制单元，7、环形控制舱，8、重块，9、声学探杆储存单元，10、声学探杆，11、环形铁块，12、电极环，13、四脚架限位筒，14、圆台形限位块，15、电阻率探杆，16、单向限位单元，17、圆管，18、发射换能器，19、稳定圆环，20、缓冲装置，21、重力锚，22、第一贯入锥尖，23、垂直支撑圆管，24、接收换能器，25、水平支撑杆，26、第二贯入锥尖，27、环形套环。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合图1至图9对本发明的实施例的基于内孤立波的海底沙波原位观测装置及其工作方法进行具体说明。
如图1至图9所示，本发明提出了一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统，其中，贯入动力系统由回收环1、浮标2、凯夫拉电缆3、限位筒4、立方体限位块5、控制单元6、环形控制舱7、重块8和环形铁块11组成，回收环1焊接在浮标2的顶端，回收环1的作用是通过悬挂钩锁将整体装置回收，浮标2连接在3根凯夫拉电缆3的一端，凯夫拉电缆3，抗拉强度：≥70kg，工作环境温度：-45℃—120℃。位于中间的凯夫拉电缆3的另一端与重块8连接，另外2根凯夫拉电缆3的的另一端与环形控制舱7连接，当凯夫拉电缆3失去拉力时，重块8和环形控制舱7将会下落，以实现声学探杆10的贯入。环形控制舱7内部安装有通电电磁铁，限位筒4内部为空腔，限位筒4的上方对称装有2个立方体限位块5，立方体限位块5的一端位于限位筒4的外部，立方体限位块5的另一端贯穿限位筒4位于限位筒4的内腔中，重块8位于限位筒4的内部立方体限位块5的下方，立方体限位块5限制重块8的最大位移。环形控制舱7套装在限位筒4的外部位于立方体限位块5的下方，限位筒4的外部还套装有环形铁块11，环形铁块11位于环形控制舱7的下方，环形控制舱7可在限位筒4外部上下运动，其内部安装有通电电磁铁，通过磁力带动下方环形铁块11在限位筒4外部运动；环形控制舱7和立方体限位块5上装有2组控制单元6，环形控制舱7上方的控制单元6与立方体限位块5下方的控制单元是一组，当两者相接触时，环形控制舱7内部的电磁铁被短路，失去磁性，下方环形铁块11在自重作用下下落，实现电阻率探杆的贯入，环形控制舱7通过两组控制单元6实现对环形铁块11的吸引与释放，其原理如图10所示，图中：E为电源，K1为控制单元，R为保护电阻，D1与D2为电磁铁，K2为弹簧开关，D1与K2组成继电器，Is为电流源。除控制单元K1以外，其余各电路元件均位于环形控制舱内部。两组控制单元6相接触时，K1闭合，此时电磁铁D1被短路，弹簧开关K2断开，电磁铁D2丧失磁力释放环形铁块；两组控制单元分离时，即K1打开，此时电磁铁D1通电吸引弹簧开关K2闭合，电磁铁D2通电吸引环形控制舱下方环形铁块11。
观测系统由声学探杆10、声学探杆储存单元9、圆台形限位块14、单向限位装置16、水平支撑杆25、电阻率探杆15、电极环12、发射换能器18、第一贯入锥尖22、接收换能器24和第二贯入锥尖26组成，声学探杆10采用不锈钢钢管，声学探杆10活动安装在限位筒4的内部下方，声学探杆10的杆体上部是声学探杆储存单元9，声学探杆储存单元9通过导线与声学发射与接收换能器相连，能够控制并测量换能器产生的声学信号，数据采集的结果可存放在储存单元自带的USB自容式存储盘，以供后期回收装置时取回原始数据分析使用。声学探杆10的杆体下部外围安装3个圆台形限位块14，限位筒4的内部与圆台形限位块14对应位置安装有单向限位装置16，单向限位装置16的材质为柔性材料，限位筒4和单向限位装置16两者配合以实现声学探杆10在向下贯入过程中，保证圆台形限位块14在通过单向限位单元16后不发生回弹，稳定贯入深度。发射换能器18固定安装在限位筒4的内部下端，声学探杆10的下端固定安装第一贯入锥尖22，贯入锥尖22的上方固定安装有2个接收换能器24，以实现声学探杆观测目的。声学探杆储存单元9和圆台形限位块14位于限位筒4的底端内部，第一贯入锥尖22和接收换能器24位于限位筒4的底端外部，水平支撑杆25的中心设置环形套环27，水平支撑杆25通过环形套环27套装在限位筒4上并位于环形铁块11的下方，水平支撑杆25的两端垂直向下固定安装电阻率探杆15，电阻率探杆15材质为耐腐蚀材料。电阻率探杆15上内嵌装有若干个电极环12，电极环12采用石墨电极，内嵌在杆体中，上部为数据存储记录模块。阻率探杆15底端固定安装第二贯入锥尖26。当声学探杆10贯入结束后，声学探杆储存单元9激发发射换能器18发射声波，声波信号在海底沙波中传播后被接收换能器24接收，完成数据采集，并将数据传送给声学探杆储存单元9进行储存。
稳定系统由四脚架限位筒13、圆管17、稳定圆环19、缓冲装置20、重力锚21、垂直支撑圆管23组成，四脚架限位筒13焊接在限位筒4上并且位于环形套环27的下方，，四脚架限位筒13以限制水平支撑杆最大贯入位移。四脚架限位筒13的外壁呈十字固定安装有4个圆管17，四脚架限位筒13与圆管17之间采用焊接的方式安装，圆管17的另一端与位于限位筒4下方的稳定圆环19焊接，稳定圆环19的下安装有缓冲装置20，以满足装置在不平缓海底下的稳定性。缓冲装置20通过垂直支撑圆管23与重力锚21相连，缓冲装置20内部安装有缓冲弹簧，垂直支撑圆管23与重力锚21为刚性连接，当海床底部有一定倾斜角度时，海床波峰处先与重力锚接触，此时垂直支撑圆管压缩缓冲弹簧，缓冲装置内部每隔一定距离安装一限位块，防止垂直支撑圆管回弹；直至海床波谷处与另一重力锚相接触并稳定时，缓冲弹簧不再压缩，装置可在一定倾斜角度的海床上保持稳定。重力锚21材质为钢筋混凝土材料，密度为2800 kg/m3，重力锚21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以维持稳定。
工作原理
本观测原理是将观测装置投放在海底处，重力锚触底后，若海底沙波有一定倾斜角度，可通过四脚架与重力锚连接处的缓冲装置维持稳定。声学探杆与电阻率探杆在自重作用下贯入沉积物一定深度。限位筒外部环形控制舱内安装有通电电磁铁，环形舱与上部浮标通过凯夫拉电缆相连，环形控制舱在装置稳定时与贯入系统上部立方体限位块连接在一起，此时环形舱内部的电磁铁被控制单元短路。当内孤立波发生传播时，浮标位置下移，凯夫拉电缆失去拉力，限位筒内部重块下落，锤击声学探杆使其贯入沉积物，外部环形控制舱在自重作用下也向下方移动，环形控制舱与限位块分离后通电，电磁铁产生磁性，当环形舱与下方环形铁块相接近时会将环形铁块吸住，当内孤立波的一个周期过去后，凯夫拉电缆恢复拉力，拉着重块与环形控制舱上移，当环形控制舱与立方体限位块相接触时，控制单元将电磁铁短路，电磁铁失去磁性，环形铁块下落锤击水平支撑杆使电阻率探杆贯入沙波。限位筒下方设置有圆台形凹槽，两观测探杆存在最大贯入深度。
监测原理
因海水与沉积物电阻率存在差异，提取电阻率探杆测得的电阻率剖面，得到的电阻率突变处即为海床界面位置；根据海床界面位置的变化可以推算海床侵蚀淤积速率。通过前期室内试验可得到沉积物物理性质（密度、含水率、孔隙比、比重、容重）与海底沙波电阻率之间的关系；根据原位观测得到的电阻率反推海底沙波的物理性质。
声学探杆底部贯入锥尖内部与上方安装有两个接收换能器，配合限位筒底部的发射换能器，发射换能器发射的声波被贯入到沙波内部的两个接收换能器接收，以此确定声波信号到达两个接收换能器的时间差
Figure 501946DEST_PATH_IMAGE034
，两个接收换能器的距离已知为
Figure 453722DEST_PATH_IMAGE033
，可计算声波在海底沙波中传播的速度
Figure 191871DEST_PATH_IMAGE041
。
声波在海底沙波中传播的速度
Figure 570899DEST_PATH_IMAGE041
的计算公式为
Figure 27288DEST_PATH_IMAGE049
。
通过频谱技术，提取两个接收换能器接收到的声波振幅，求出声波的衰减幅度。前期室内试验确定声学参数（声速）与海底沙波物理性质（密度、含水率、孔隙比、比重、容重）之间的关系，将声学参数反演为物理性质参数。根据原位观测得到的声速反推海底沙波的物理性质。
一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置的工作方法，具体步骤如下：
S1：设备室内检测与标定：在观测之前发射换能器18、接收换能器24与电阻率探杆15需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；
S2：选择观测海域与布放船：根据已有观测资料对观测海域进行分析，在三级海况以下作业，凯夫拉电缆3和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置，布放包括具有3吨以上吊车的必要的布放设备的作业船；
S3：组装装置：将声学探杆10、电阻率探杆15、浮标2、重块8组装在四脚架上，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；
S4：布放工作：利用GPS定位系统将作业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21，将重力锚21吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚21，记录入水时间、布放水深、经纬度；
S5：观测装置工作：观测装置布放结束后，观测装置稳定在海床底部，两种观测探杆开始工作，当内孤立波发生并传播时，浮标2受到内孤立波的作用下移，凯夫拉电缆3失去拉力，环形控制舱7与重块8下移，重块8锤击声学探杆10使其向下移动，当圆台形限位块14经过单向限位单元16时，单向限位单元16可阻止声学探杆10回弹，当内孤立波的一个周期结束时，凯夫拉电缆3重新恢复拉力，环形控制舱7通过磁力带动下方环形铁块11向上运动，重块8也恢复至初始状态，当环形控制舱7上方的控制单元6与立方体限位块5下方的控制单元6相接触时，环形控制舱7被短路，失去磁性，环形铁块11在重力作用下下落，锤击水平支撑杆25使电阻率探杆15贯入沙波，当声学探杆10与发射换能器18相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆25与四脚架限位筒13相接触时，电阻率探杆15达到最大贯入深度；
S6：回收装置：原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下方水下机器人ROV，将回收缆绳与浮标2相连，将装置整体回收，此时发射换能器18固定声学探杆10，四脚架限位筒13固定电阻率探杆15，收集声学探杆10内与水平支撑杆25上电阻率探杆15的储存数据，并对观测装置进行清洗与维护；
S7：电阻率探杆数据处理：
海底沙波波高的确定：提取电阻率探杆测得的电阻率剖面，得到的电阻率突变处即为沙波与上部海水界面位置；当电阻率突变处最低时，此时记录的位置为沙波波谷，当电阻率突变处最高时，此时记录的位置为波峰，相邻波峰与波谷之间的绝对高程即为沙波波高，选取多组数据求取平均值即为沙波平均波高；
根据界面位置的变化推算海床侵蚀淤积速率，以海底沙波迁移的一个周期为时间间隔，通过计算相邻一个周期内界面位置，波峰或波谷的高度变化量，得到海床侵蚀淤积速率，相邻一个周期内界面位置会发生变化，以沙波某一波峰或波谷为参考点，某一时刻参考点到水平支撑杆之间的距离为H1，在一个周期过去之后参考点到水平支撑杆之间的距离为H2，两者之间的绝对差值为△H，根据H1和H2的相对高度关系判断一个周期内海床处于淤积或侵蚀状态，结合一个周期T可得到海床的侵蚀淤积速率为V=△H/T。
海底沙波迁移周期的确定：相邻电阻率极值波峰或波谷之间的记录时间即为海底沙波的一个迁移周期，选取多组数据求取平均值即得到沙波迁移的平均周期；
海底沙波含水率、孔隙率、孔隙比的确定：电阻率Archie公式广义定义为：
Figure 517176DEST_PATH_IMAGE051
 （1）
其中：
Figure 375410DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 190920DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 603446DEST_PATH_IMAGE054
分别为与沉积物性质有关的参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
为饱和度；
Figure 428183DEST_PATH_IMAGE056
为孔隙率；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为孔隙水的电阻率；
Figure 406503DEST_PATH_IMAGE058
为电阻率。室内试验可提前获得
Figure 127334DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 558316DEST_PATH_IMAGE055
与
Figure 390006DEST_PATH_IMAGE057
的数值，而定点观测海域的海水电阻率变化不大，可以将式（1）化简为：
Figure 957253DEST_PATH_IMAGE060
 （2）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
。
通过室内试验得到电阻率与孔隙率之间的关系曲线，然后运用式（2）对曲线进行拟合，求出
Figure 380144DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 767263DEST_PATH_IMAGE053
与
Figure 668223DEST_PATH_IMAGE054
数值，即可得到沙波电阻率与孔隙率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波孔隙率；同时孔隙比与孔隙率之间的关系为：
Figure 355556DEST_PATH_IMAGE064
 （3）
因此也可以得到海底沙波孔隙比与电阻率之间的关系。
海底沙波电阻率与含水率之间的关系式为：
Figure 418190DEST_PATH_IMAGE066
 （4）
其中：
Figure 292605DEST_PATH_IMAGE058
为电阻率，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为含水率。
通过室内试验得到电阻率与含水率之间的关系曲线，然后运用式（4）对曲线进行拟合，求出
Figure 997256DEST_PATH_IMAGE068
与
Figure DEST_PATH_IMAGE069
值，即可得到沙波电阻率与含水率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波含水率；
海底沙波密度、比重、容重的确定：室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 804675DEST_PATH_IMAGE070
，结合以下公式：
Figure 303790DEST_PATH_IMAGE072
 （5）
Figure 665501DEST_PATH_IMAGE074
 （6）
Figure 908263DEST_PATH_IMAGE076
 （7）
Figure 570189DEST_PATH_IMAGE078
 （8）
Figure 974625DEST_PATH_IMAGE080
 （9）
其中：
Figure 558054DEST_PATH_IMAGE070
为干密度，
Figure 610366DEST_PATH_IMAGE058
为天然密度，
Figure 126798DEST_PATH_IMAGE055
为饱和度，
Figure 702136DEST_PATH_IMAGE056
为孔隙率，
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为孔隙比，
Figure 304019DEST_PATH_IMAGE082
为土粒密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
为水的密度，
Figure 154163DEST_PATH_IMAGE083
=1g/cm3，
Figure 525102DEST_PATH_IMAGE084
为饱和密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE085
为饱和重度，g为重力加速度。其中比重在数值上等于
Figure 802499DEST_PATH_IMAGE082
。
室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 626099DEST_PATH_IMAGE070
，已知孔隙比、孔隙率与g，
Figure 748775DEST_PATH_IMAGE083
在数值上等于1.0，其余数据可以通过关系式得到，因此也可以得到海底沙波电阻率与密度、比重与容重之间的关系。后期原位观测得到的数据代入公式计算，即可得到原位观测海域的海底沙波的密度、比重与容重；
S8：声学探杆数据处理：
海底沙波声衰减系数的确定：根据现场由仪器测得的两个不同固定距离上声信号振幅推算出声衰减：
Figure DEST_PATH_IMAGE087
 （10）
其中：
Figure 505379DEST_PATH_IMAGE062
为海底沙波的声衰减系数，
Figure 688099DEST_PATH_IMAGE088
为在第一个接收换能器上测得的声压振幅，单位（
Figure DEST_PATH_IMAGE089
），
Figure 998994DEST_PATH_IMAGE090
为在第二个接收换能器上测得的声压振幅，单位（
Figure 925362DEST_PATH_IMAGE089
）；
可以通过室内试验建立声衰减系数与海底沙波平均粒径、孔隙度之间的关系，以此配合声速得到的数据，确定海底沙波的物理性质；
海底沙波波高的确定：声学探杆发射换能器和贯入锥尖上部的接收换能器之间的距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，两个接收换能器之间的距离为
Figure 536472DEST_PATH_IMAGE092
，声波信号到达第一个接收换能器的时间为t1，到达第二个接收换能器的时间为t2，则声波在两个接收换能器之间传播的时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE093
，声波在沉积物之间的速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE095
 （11）
海水声速可以用温度
Figure 686830DEST_PATH_IMAGE096
、盐度
Figure DEST_PATH_IMAGE097
和深度
Figure 750601DEST_PATH_IMAGE098
（或压力）的函数来表示。根据Medwin经验公式可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE099
 （12）
其中：
Figure 746239DEST_PATH_IMAGE100
的单位为（m/s），
Figure 680697DEST_PATH_IMAGE096
为摄氏温度（℃），
Figure 205219DEST_PATH_IMAGE097
为盐度（‰），
Figure 225128DEST_PATH_IMAGE098
为海水深度（m）；通过查阅观测海域的水文资料可得到温度
Figure 758878DEST_PATH_IMAGE096
、盐度
Figure 547842DEST_PATH_IMAGE097
和深度
Figure 243266DEST_PATH_IMAGE098
的数值，即可计算得到海水声速
Figure 16049DEST_PATH_IMAGE100
；
已知海水声速
Figure 822331DEST_PATH_IMAGE100
和声波在沉积物之间的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE101
，结合声波到达第二个接收换能器的时间t2、发射换能器和贯入锥尖上部的接收换能器之间的距离
Figure 996961DEST_PATH_IMAGE091
，可得到海水与沙波顶部的界面位置，界面位置与发射换能器相距最近时即为波峰，界面位置与发射换能器相距最远时即为波谷，相邻波峰与波谷之间的绝对高程即为沙波波高，选取多组数据求取平均值即为沙波平均波高；
海底沙波迁移周期的确定：相邻界面位置极值波峰或波谷之间的记录时间即为海底沙波的一个迁移周期，选取多组数据求取平均值即得到沙波迁移的平均周期；
海底沙波平均粒径、含水率、孔隙率（孔隙比）、密度的确定：Hamilton（1982）根据沉积物的沉积环境建立了声学参数预测方程，选取的主要参数是声速
Figure 128865DEST_PATH_IMAGE101
（m/s）、平均粒径
Figure 123366DEST_PATH_IMAGE102
（
Figure DEST_PATH_IMAGE103
）、孔隙度
Figure 998918DEST_PATH_IMAGE056
（%）、含水率
Figure 762474DEST_PATH_IMAGE067
（%）、密度
Figure 793841DEST_PATH_IMAGE058
（g/cm3）。主要经验公式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE105
 （13）
Figure DEST_PATH_IMAGE107
 （14）
Figure DEST_PATH_IMAGE109
 （15）
Figure DEST_PATH_IMAGE111
 （16）
其中：
Figure 869114DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 282777DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 166420DEST_PATH_IMAGE112
是常数，
Figure 374547DEST_PATH_IMAGE101
（m/s）是声波在沉积物之间的速度；
通过室内试验得到声速与平均粒径、孔隙度、含水率、密度之间的关系曲线，然后运用式（12）至式（15）对曲线进行拟合，求出
Figure 343640DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 295416DEST_PATH_IMAGE069
与
Figure 33565DEST_PATH_IMAGE112
数值，即可得到声速与孔隙率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波的平均粒径、孔隙度、含水率与密度；
海底沙波比重、容重的确定：室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 412593DEST_PATH_IMAGE070
，已知孔隙比、孔隙率与g，
Figure 603403DEST_PATH_IMAGE083
在数值上等于1.0，其余数据可以通过关系式（5）至式（9）得到，因此也可以得到声速与比重与容重之间的关系；后期原位观测得到的数据通过公式计算，即可得到原位观测海域的海底沙波的比重与容重；
将声学探杆与电阻率探杆数据处理后得到的海底沙波物理性质进行对比分析，最终确定海底沙波的物理性质。
在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统，其特征在于，所述贯入动力系统由回收环（1）、浮标（2）、凯夫拉电缆（3）、限位筒（4）、立方体限位块（5）、控制单元（6）、环形控制舱（7）、重块（8）和环形铁块（11）组成，所述回收环（1）焊接在浮标（2）的顶端，浮标（2）连接在3根凯夫拉电缆（3）的一端，位于中间的凯夫拉电缆（3）的另一端与重块（8）连接，另外2根凯夫拉电缆（3）的另一端与环形控制舱（7）连接，环形控制舱（7）内部安装有通电电磁铁，限位筒（4）内部为空腔，限位筒（4）的上方对称装有2个立方体限位块（5），立方体限位块（5）的一端位于限位筒（4）的外部，立方体限位块（5）的另一端贯穿限位筒（4）位于限位筒（4）的内腔中，重块（8）位于限位筒（4）的内部立方体限位块（5）的下方，环形控制舱（7）套装在限位筒（4）的外部位于立方体限位块（5）的下方，环形控制舱（7）和立方体限位块（5）上装有2组控制单元（6），限位筒（4）的外部还套装有环形铁块（11），环形铁块（11）位于环形控制舱（7）的下方；
所述观测系统由声学探杆（10）、声学探杆储存单元（9）、圆台形限位块（14）、单向限位装置（16）、水平支撑杆（25）、电阻率探杆（15）、电极环（12）、发射换能器（18）、第一贯入锥尖（22）、接收换能器（24）和第二贯入锥尖（26）组成，声学探杆（10）采用不锈钢钢管，声学探杆（10）活动安装在限位筒（4）的内部下方，声学探杆（10）的杆体上部是声学探杆储存单元（9），声学探杆（10）的杆体下部外围安装3个圆台形限位块（14），限位筒（4）的内部与圆台形限位块（14）对应位置安装有单向限位装置（16），发射换能器（18）固定安装在限位筒（4）的内部下端，声学探杆（10）的下端固定安装第一贯入锥尖（22），贯入锥尖（22）的上方固定安装有2个接收换能器（24），声学探杆储存单元（9）和圆台形限位块（14）位于限位筒（4）的底端内部，贯入锥尖（22）和接收换能器（24）位于限位筒（4）的底端外部，水平支撑杆（25）的中心设置环形套环（27），水平支撑杆（25）通过环形套环（27）套装在限位筒（4）上并位于环形铁块（11）的下方，水平支撑杆（25）的两端垂直向下固定安装电阻率探杆（15），电阻率探杆（15）上内嵌装有若干个电极环（12），电阻率探杆（15）底端固定安装第二贯入锥尖（26）；
所述稳定系统由四脚架限位筒（13）、圆管（17）、稳定圆环（19）、缓冲装置（20）、重力锚（21）、垂直支撑圆管（23）组成，四脚架限位筒（13）焊接在限位筒（4）上并且位于环形套环（27）的下方，四脚架限位筒（13）的外壁呈十字固定安装有4个圆管（17），圆管（17）的另一端与位于限位筒（4）下方的稳定圆环（19）焊接，稳定圆环（19）的下安装有缓冲装置（20），缓冲装置（20）通过垂直支撑圆管（23）与重力锚（21）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，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℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，其特征在于，所述单向限位装置（16）的材质为柔性材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，其特征在于，所述四脚架限位筒（13）与圆管（17）之间采用焊接的方式安装。
5.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，其特征在于，所述重力锚（21）材质为钢筋混凝土材料，密度为2800 kg/m3。
6.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，其特征在于，所述电阻率探杆（15）材质为耐腐蚀材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，其特征在于，所述电极环（12）采用石墨电极。
8.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置，其特征在于，所述缓冲装置（20）内部安装有缓冲弹簧，垂直支撑圆管（23）与重力锚（21）为刚性连接。
9.如权利要求1-7之一所述的一种基于内孤立波的海底沙波原位观测装置的工作方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1：设备室内检测与标定：在观测之前发射换能器（18）、接收换能器（24）与电阻率探杆（15）需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；
S2：选择观测海域与布放船：根据已有观测资料对观测海域进行分析，在三级海况以下作业，凯夫拉电缆（3）和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置，布放包括具有3吨以上吊车的必要的布放设备的作业船；
S3：组装装置：将声学探杆（10）、电阻率探杆（15）、浮标（2）、重块（8）组装在四脚架上，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；
S4：布放工作：利用GPS定位系统将作业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（21），将重力锚（21）吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚（21），记录入水时间、布放水深、经纬度；
S5：观测装置工作：观测装置布放结束后，观测装置稳定在海床底部，两种观测探杆开始工作，当内孤立波发生并传播时，浮标（2）受到内孤立波的作用下移，凯夫拉电缆（3）失去拉力，环形控制舱（7）与重块（8）下移，重块（8）锤击声学探杆（10）使其向下移动，当圆台形限位块（14）经过单向限位装置（16）时，单向限位装置（16）可阻止声学探杆（10）回弹，当内孤立波的一个周期结束时，凯夫拉电缆（3）重新恢复拉力，环形控制舱（7）通过磁力带动下方环形铁块（11）向上运动，重块（8）也恢复至初始状态，当环形控制舱（7）上方的控制单元（6）与立方体限位块（5）下方的控制单元（6）相接触时，环形控制舱（7）被短路，失去磁性，环形铁块（11）在重力作用下下落，锤击水平支撑杆（25）使电阻率探杆（15）贯入沙波，当声学探杆（10）与发射换能器（18）相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆（25）与四脚架限位筒（13）相接触时，电阻率探杆（15）达到最大贯入深度；
S6：回收装置：原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下方水下机器人ROV，将回收缆绳与浮标（2）相连，将装置整体回收，此时发射换能器（18）固定声学探杆（10），四脚架限位筒（13）固定电阻率探杆（15），收集声学探杆（10）内与水平支撑杆（25）上电阻率探杆（15）的储存数据，并对观测装置进行清洗与维护；
S7：电阻率探杆数据处理：
海底沙波波高的确定：提取电阻率探杆测得的电阻率剖面，得到的电阻率突变处即为沙波与上部海水界面位置；当电阻率突变处最低时，此时记录的位置为沙波波谷，当电阻率突变处最高时，此时记录的位置为波峰，相邻波峰与波谷之间的绝对高程即为沙波波高，选取多组数据求取平均值即为沙波平均波高；
根据界面位置的变化推算海床侵蚀淤积速率，以海底沙波迁移的一个周期为时间间隔，通过计算相邻一个周期内界面位置，波峰或波谷的高度变化量，得到海床侵蚀淤积速率，相邻一个周期内界面位置会发生变化，以沙波某一波峰或波谷为参考点，某一时刻参考点到水平支撑杆之间的距离为H1，在一个周期过去之后参考点到水平支撑杆之间的距离为H2，两者之间的绝对差值为△H，根据H1和H2的相对高度关系判断一个周期内海床处于淤积或侵蚀状态，结合一个周期T可得到海床的侵蚀淤积速率为V=△H/T；
海底沙波迁移周期的确定：相邻电阻率极值波峰或波谷之间的记录时间即为海底沙波的一个迁移周期，选取多组数据求取平均值即得到沙波迁移的平均周期；
海底沙波含水率、孔隙率、孔隙比的确定：电阻率Archie公式广义定义为：
Figure 189521DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中：
Figure 776360DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 999531DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 346329DEST_PATH_IMAGE004
分别为与沉积物性质有关的参数；
Figure 338556DEST_PATH_IMAGE005
为饱和度；
Figure 361876DEST_PATH_IMAGE006
为孔隙率；
Figure 337922DEST_PATH_IMAGE007
为孔隙水的电阻率；
Figure 81887DEST_PATH_IMAGE008
为电阻率；
室内试验可提前获得
Figure 568101DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 372109DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 960085DEST_PATH_IMAGE007
的数值，而定点观测海域的海水电阻率变化不大，可以将式（1）化简为：
Figure 242162DEST_PATH_IMAGE009
（2）
其中：
Figure 349926DEST_PATH_IMAGE010
；
通过室内试验得到电阻率与孔隙率之间的关系曲线，然后运用式（2）对曲线进行拟合，求出
Figure 590415DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 134529DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 751455DEST_PATH_IMAGE004
数值，即可得到沙波电阻率与孔隙率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波孔隙率；同时孔隙比与孔隙率之间的关系为：
Figure 572780DEST_PATH_IMAGE012
（3）
因此也可以得到海底沙波孔隙比与电阻率之间的关系；
海底沙波电阻率与含水率之间的关系式为：
Figure 363931DEST_PATH_IMAGE013
（4）
其中：
Figure 270707DEST_PATH_IMAGE008
为电阻率，
Figure 550379DEST_PATH_IMAGE014
为含水率；
通过室内试验得到电阻率与含水率之间的关系曲线，然后运用式（4）对曲线进行拟合，求出
Figure 491790DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 949447DEST_PATH_IMAGE016
值，即可得到沙波电阻率与含水率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波含水率；
海底沙波密度、比重、容重的确定：室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 609098DEST_PATH_IMAGE017
，结合以下公式：
Figure 302248DEST_PATH_IMAGE018
（5）
Figure 957220DEST_PATH_IMAGE019
（6）
Figure 975992DEST_PATH_IMAGE020
（7）
Figure 231262DEST_PATH_IMAGE021
（8）
Figure 728102DEST_PATH_IMAGE022
（9）
其中：
Figure 644105DEST_PATH_IMAGE017
为干密度，
Figure 427254DEST_PATH_IMAGE008
为天然密度，
Figure 795918DEST_PATH_IMAGE005
为饱和度，
Figure 971816DEST_PATH_IMAGE006
为孔隙率，
Figure 742325DEST_PATH_IMAGE023
为孔隙比，
Figure 837320DEST_PATH_IMAGE024
为土粒密度，
Figure 817915DEST_PATH_IMAGE025
为水的密度，
Figure 656558DEST_PATH_IMAGE025
=1g/cm3，
Figure 389896DEST_PATH_IMAGE026
为饱和密度，
Figure 921372DEST_PATH_IMAGE027
为饱和重度，g为重力加速度；其中比重在数值上等于
Figure 123683DEST_PATH_IMAGE024
；
室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 31596DEST_PATH_IMAGE017
，已知孔隙比、孔隙率与g，
Figure 511119DEST_PATH_IMAGE025
在数值上等于1.0，其余数据可以通过关系式得到，因此也可以得到海底沙波电阻率与密度、比重与容重之间的关系；
后期原位观测得到的数据代入公式计算，即可得到原位观测海域的海底沙波的密度、比重与容重；
S8：声学探杆数据处理：
海底沙波声衰减系数的确定：根据现场由仪器测得的两个不同固定距离上声信号振幅推算出声衰减：
Figure 823283DEST_PATH_IMAGE028
（10）
其中：
Figure 653836DEST_PATH_IMAGE011
为海底沙波的声衰减系数，
Figure 958915DEST_PATH_IMAGE029
为在第一个接收换能器上测得的声压振幅，单位
Figure 292944DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 166222DEST_PATH_IMAGE031
为在第二个接收换能器上测得的声压振幅，单位
Figure 592393DEST_PATH_IMAGE030
；
可以通过室内试验建立声衰减系数与海底沙波平均粒径、孔隙度之间的关系，以此配合声速得到的数据，确定海底沙波的物理性质；
海底沙波波高的确定：声学探杆发射换能器和贯入锥尖上部的接收换能器之间的距离为
Figure 310951DEST_PATH_IMAGE032
，两个接收换能器之间的距离为
Figure 155279DEST_PATH_IMAGE033
，声波信号到达第一个接收换能器的时间为t1，到达第二个接收换能器的时间为t2，则声波在两个接收换能器之间传播的时间为
Figure 933879DEST_PATH_IMAGE034
，声波在沉积物之间的速度为：
Figure 348811DEST_PATH_IMAGE035
（11）
海水声速可以用温度
Figure 136638DEST_PATH_IMAGE036
、盐度
Figure 445260DEST_PATH_IMAGE037
和深度
Figure 988237DEST_PATH_IMAGE038
的函数来表示；
根据Medwin经验公式可知：
Figure 117561DEST_PATH_IMAGE039
（12）
其中：
Figure 443501DEST_PATH_IMAGE040
的单位为m/s，
Figure 996842DEST_PATH_IMAGE036
为摄氏温度，
Figure 117244DEST_PATH_IMAGE037
为盐度‰，
Figure 896982DEST_PATH_IMAGE038
为海水深度m；通过查阅观测海域的水文资料可得到温度
Figure 636399DEST_PATH_IMAGE036
、盐度
Figure 654033DEST_PATH_IMAGE037
和深度
Figure 601129DEST_PATH_IMAGE038
的数值，即可计算得到海水声速
Figure 337004DEST_PATH_IMAGE040
；
已知海水声速
Figure 378647DEST_PATH_IMAGE040
和声波在沉积物之间的速度
Figure 516368DEST_PATH_IMAGE041
，结合声波到达第二个接收换能器的时间t2、发射换能器和贯入锥尖上部的接收换能器之间的距离
Figure 244152DEST_PATH_IMAGE032
，可得到海水与沙波顶部的界面位置，界面位置与发射换能器相距最近时即为波峰，界面位置与发射换能器相距最远时即为波谷，相邻波峰与波谷之间的绝对高程即为沙波波高，选取多组数据求取平均值即为沙波平均波高；
海底沙波迁移周期的确定：相邻界面位置极值波峰或波谷之间的记录时间即为海底沙波的一个迁移周期，选取多组数据求取平均值即得到沙波迁移的平均周期；
海底沙波平均粒径、含水率、孔隙率、密度的确定：根据沉积物的沉积环境建立了声学参数预测方程，
Figure 857536DEST_PATH_IMAGE041
m/s、平均粒径
Figure 63390DEST_PATH_IMAGE042
Figure 930983DEST_PATH_IMAGE043
、孔隙度
Figure 829668DEST_PATH_IMAGE006
%、含水率
Figure 540135DEST_PATH_IMAGE014
%、密度
Figure 674314DEST_PATH_IMAGE008
g/cm3；
主要经验公式如下所示：
Figure 52205DEST_PATH_IMAGE044
（13）
Figure 230115DEST_PATH_IMAGE045
（14）
Figure 427878DEST_PATH_IMAGE046
（15）
Figure 241113DEST_PATH_IMAGE047
（16）
其中：
Figure 332566DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 573054DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 133480DEST_PATH_IMAGE048
是常数，
Figure 484827DEST_PATH_IMAGE041
m/s是声波在沉积物之间的速度；
通过室内试验得到声速与平均粒径、孔隙度、含水率、密度之间的关系曲线，然后运用式（12）至式（15）对曲线进行拟合，求出
Figure 430786DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 107755DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 14531DEST_PATH_IMAGE048
数值，即可得到声速与孔隙率之间的关系式，后期原位观测得到的数据代入室内试验得到的公式，即可得到原位观测海域的海底沙波的平均粒径、孔隙度、含水率与密度；
海底沙波比重、容重的确定：室内试验可以得到海底沙波的干密度
Figure 277891DEST_PATH_IMAGE017
，已知孔隙比、孔隙率与g，
Figure 484881DEST_PATH_IMAGE025
在数值上等于1.0，其余数据可以通过关系式（5）至式（9）得到，因此也可以得到声速与比重与容重之间的关系；后期原位观测得到的数据通过公式计算，即可得到原位观测海域的海底沙波的比重与容重；
将声学探杆与电阻率探杆数据处理后得到的海底沙波物理性质进行对比分析，最终确定海底沙波的物理性质。
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