CN113002738B - 一种拖曳式多参数剖面测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种拖曳式多参数剖面测量系统及测量方法，所述测量系统包括拖体、套环式拖缆和安装在母船甲板上的第一线滚和第二线滚；套环式拖缆包括第一缆绳和第二缆绳，第二缆绳的通过套环与第一缆绳相连，第一缆绳的一端连接至第一线滚，另一端连接拖体，第二缆绳的一端连接至第二线滚，另一端连接套环，在第二线滚的驱动下，第二缆绳相对于第一缆绳上下滑动；所述第二缆绳上间隔设置有多个传感器集成采集舱，在保证拖体位置不变的情况下，实现不同剖面深度范围化学、生物特征的测量，保证数据的时效性，且在拖体上还设置有电磁铁和重力式探针，利用电磁吸附释放的结构，使装置实现了水下沉积物、水体多次、连续更换点位的测量方式。

Description

一种拖曳式多参数剖面测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于海洋观测装备技术领域，具体涉及一种拖曳式的多参数剖面测量系统，用于探测一定海域范围内海水、海底沉积物的各类物理、化学参数与海底地形地貌，实现海洋剖面与海底地形地貌的高效探测。

背景技术

对于海洋的感知与了解，很大程度上依赖于海洋观测和探测技术的进步与装备的研发。我国海洋技术与装备取得了长足的进步和发展，尤其是近年来，海洋技术与装备的发展为我国海洋科学的创新提供了新的动力。在众多海底观测技术中，拖曳观测平台无疑是效率最高的观测手段。拖曳式平台的观测技术，是借助船舶拖曳水中的拖体，在航行过程中控制拖曳体的上升、下降和航行轨迹等，开展多参数海洋剖面观测，具有不影响船舶航行、实时、多要素同步观测的特点。拖曳式的观测手段多用于海底地形地貌测绘、地层分析等方面，如常见的侧扫声呐、多道地震探测等都属于走航式探测。

随着探测需求的变化，越来越多的探测传感器被集成于拖体上，如多种化学类传感器、生物传感器等，由此拖曳式的观测平台从传统的海底地形地貌测绘逐渐向兼容底层海水(或定深海水层)化学环境、生物种群特征观测演变。但是由于拖体受收放缆限制，一般常用于某一确定的深度进行移动。同时由于拖体的特殊性，现在拖体装置无法直接获取海底浅表层沉积物的土力学性质或化学性质。但是海水化学、生物特征往往在海水纵向剖面均呈现不同的变化特征，仅测量定深范围内的化学、生物特征无法反应出海水的纵向变化。在进行不同深度的测量时，现有方法需要进行调整拖体的深度，但是该方法需要重新行驶一遍路线，导致效率低下，同时由于不具有数据采集的时效性，因此采集到的数据难以同向对比。同时对于现有浅表层沉积物力学性质的探测，在深水地区进行探测时，探测装置更换地点时需要重新提起再下放，导致探测效率低下。

因此，亟待提出一种一次性布放便可实现不同深度范围内海洋剖面生物、化学特征探测，同时可实现不同地点浅表层沉积物物理力学性质或或化学性质的拖曳式多参数剖面测量系统。

发明内容

本发明提出一种能够对不同海洋垂向剖面以及海底地形地貌进行多参数探测的拖曳式测量系统及测量方法，以满足海洋观测的多尺度、多参数需求。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种拖曳式多参数剖面测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)于母船甲板单元上进行测量系统的检查，同时设置自容式传感器集成舱的工作模式，所述工作模式包括采集频率和采集周期；

(2)通过第一缆绳与拖体连接，并将拖体放入水中；

(3)当拖体到达某一深度时，将套环套入第一缆绳，并通过第二缆绳以要求间隔串联多个自容式传感器采集舱；

(4)串联完成后，再次套入套环封堵上端，同时下放第一缆绳和第二缆绳，使得拖体到达预计深度；

(5)当拖体到达预计深度后，拖体上的传感器开始工作，母船按照一定的船速匀速行驶，拖动拖体向前移动；

(6)此时自容式传感器采集舱已经开始工作，通过调整位于母船甲板上的第二线滚来调节第二缆绳上下滑动位置，实现不同剖面深度的测量；

(7)拖体保持匀速运动，当到达指定位置后，通过船上绳盘，下放回收缆绳，使得回收缆绳水下闲余长度大于重力式探针距底高度；

(8)电磁铁断电，失去磁性，重力式探针失去磁性后做自由落体运动，贯入沉积物内，获取浅表层沉积物的力学性质；

(9)贯入完成后通过收紧回收缆绳，在回收过程中同时将重力式探针上拉至限位环的位置，此时电磁铁通电，恢复磁性，与重力式探针吸附，完成重力式探针的回收；

(10)当到达不同位置时，重复步骤(8)和(9)，实现水下多点位浅表层沉积物性质的探测；

(11)工作完成后，回收套环式拖缆与拖体，同时将卡环拆下，实现自容式传感采集舱与拖体的分离。

其中，所述测量系统包括用于海底走航的拖体、套环式拖缆和安装在母船甲板上的第一线滚和第二线滚；

所述套环式拖缆包括第一缆绳和第二缆绳，第二缆绳的通过套环与第一缆绳相连，第一缆绳的一端连接至第一线滚，另一端连接拖体，第二缆绳的一端连接至第二线滚，另一端连接套环，在第二线滚的驱动下，第二缆绳相对于第一缆绳上下滑动；所述第二缆绳上间隔设置有多个传感器集成舱；从而实现拖体位置不变，但是第二缆绳上的传感器集成舱可在不同深度内进行变换，同时第二缆绳可与第一缆绳进行脱离；

所述拖体包括搭载框架，搭载框架内设置有采集控制舱，搭载框架的顶部设置有水下照明摄像头和吊环，搭载框架的两侧设置有传感器搭载架和测深计，吊环用于连接第一缆绳，拖体的主要功能是携带各类走航式传感器，在某一固定水深内被拖曳，从而进行海底地形地貌测绘以及各类生物化学特征的测定，同时兼具水下摄像功能；

所述传感器集成舱包括舱体，舱体内设置有自容式控制采集电路及与其相连的电池，舱体的一端设置有与自容式控制采集电路相连的化学测量集成探头和生物测量集成探头，舱体的另一端设置有与第二缆绳连接的卡环；所述拖体上还设置有电磁铁和重力式探针，重力式探针通过电磁铁吸附固定在拖体上，重力式探针通过回收缆绳与船上绳盘相连，所述第二缆绳内部中空，回收缆绳从第二缆绳内部穿过。

进一步的，为了保证回收缆绳在海底流作用下不发生大范围的变化，在拖体的一侧设置有用于对回收缆绳限位的限位环。

进一步的，所述第一线滚和第二线滚上设置有绳盘和回收把手，绳盘用于存放回收的套环式拖缆，回收把手用于回收控制套环式缆2。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案通过设计套环式拖缆，并在拖缆上间隔布设若干自容式传感器集成舱，在保证拖体位置不变的情况下，实现不同剖面深度范围化学、生物特征的测量，保证数据的时效性；采用自容式采集与实时采集两种采集模式，保证数据采集的互补性与安全稳定性；而且，采用双线滚与双缆绳结构，实现自容式采集装置的分离与上下移动，能够实现海洋沉积物剖面、海水剖面系统协同测量；

而且采用双缆绳结构，其中一根采用套管式的结构，内嵌可自由活动缆绳，保证缆绳之间的相对滑动，采用了可储存重力式探针的拖体结构，利用电磁吸附释放的结构，使装置实现了水下沉积物、水体多次、连续更换点位的测量方式；采用水下磁铁吸附的设计，可实现重力式探针水下连续回收与布放，省去回收至甲板再布放的过程，大大节省作业时间与经济成本；

同时双缆绳与拖体的结构，使得装置在沉积物测量过程中，其余传感器(拖体、缆绳上的采集舱)位置不发生变化，保证了其测量数据的连续性，本方案设计巧妙，具有更高的实际应用和推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例所述多参数剖面测量系统的整体结构示意图；

图2为图1中所述拖体的结构示意图；

图3为图1中所述传感器集成舱的结构示意图；

图4为图1中套环式拖缆结构示意图；

图5为图1中拖缆线滚结构示意图；

图6为本发明实施例所述重力式探针工作示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。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，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

一种拖曳式的多参数剖面测量系统，如图1所示，包括用于海底走航的拖体1、套环式拖缆2和安装在母船甲板上的第一线滚4和第二线滚5，所述套环式拖缆2包括第一缆绳18和第二缆绳19，第二缆绳19的通过套环17与第一缆绳18相连，第一缆绳18的一端连接至第一线滚4，另一端连接拖体1，第二缆绳19的一端连接至第二线滚5，另一端固定在套环17上，在第二线滚5的驱动下，第二缆绳可相对于第一缆绳18上下滑动，所述第二缆绳19上间隔设置有多个传感器集成舱3；从而实现拖体1位置不变，但是第二缆绳19上的传感器集成舱3可在不同深度内进行变换，同时第二缆绳19可与第一缆绳18进行脱离。

第一线滚4位于母船甲板，主要用于控制第一缆绳18的收放，实现拖体1在不同水深范围内进行走航，第二线滚5位于母船甲板，主要用于控制第二缆绳19收放，实现传感器集成舱3相对于拖体1在不同深度和剖面范围内进行移动，实现不同深度剖面的生物、化学特征的测量。传感器集成舱3集成多种化学参数采集端口与生物参数采集端口，数据采集采用自容式的观测方法，采集数据存储于内部，可以根据不同剖面深度的要求，可以自行设置传感器集成舱的数量，本实施例在此不做具体限定。

如图2所示，所述拖体1包括搭载框架6，搭载框架6内设置有采集控制舱7，搭载框架6的顶部设置有水下照明摄像头8和吊环9，搭载框架6的两侧设置有传感器搭载架10和测深计11。拖体1的主要功能是携带各类走航式传感器，在某一固定水深内被拖曳，从而进行海底地形地貌测绘以及各类生物化学特征的测定，同时兼具水下摄像功能。

拖体框架6内还可根据不同探测需求，搭载不同的传感器与设备，如ADCP、双频测深等装置；采集控制舱7内部放置数据采集板与信号处理装置，实现拖体与甲板单元的通讯与数据实时传输；水下照明摄像头8用于水下照明与摄像，用于方便观察近海底某些特定的生物、化学活动，同时直接观察近海底地形地貌等；吊环9用于连接第一缆绳18，保证拖体1可被母船拖行；传感器搭载架10可根据不同的观测要求，搭载不同的化学、生物传感器；测深计11向下发射声波，接触到海床面后返回，用于计算拖体距离海底面的距离，从而保证拖体位于某一深度范围内。

如图3所示，本实施例中，所述传感器集成舱3包括舱体20，舱体20内设置有自容式控制采集电路14及与其相连的电池15，舱体20的一端设置有与自容式控制采集电路14相连的化学测量集成探头12和生物测量集成探头13，舱体20的另一端设置有与第二缆绳19连接的卡环16；化学测量集成探头12采用微电极测量集成方式，每一单一电极便可实现某一地球化学参数的测量，目前可实现的参数包括pH、Eh、∑CO₂、∑H₂S，后续可根据不同的探测需求，增加不同的测量电极，生物测量集成探头13采用光学原理，内置光电模块，可实现溶解氧与气态氧的测量，自容式控制采集电路14，内置采集控制程序与存储单元，可以控制化学测量集成探头12与生物测量集成探头13进行数据采集，可以设定不同的采集频率与周期，同时可以进行数据存储。电池15，用于传感器集成舱3正常工作的供电；卡环16经第二缆绳19穿过固定，可以形成不同距离(剖面深度)的传感器采集舱阵列。

如图1所示，所述拖体1上还设置有电磁铁26和重力式探针25，重力式探针25通过电磁铁26吸附固定在拖体1上，重力式探针25通过回收缆绳23与船上绳盘相连，所述第二缆绳19内部中空，回收缆绳23从第二缆绳19内部穿过，可单独布放，改变回收缆绳23的水下长度，如图4所示。另外，为了保证回收缆绳23在海底流作用下不发生大范围的变化，在拖体1的一侧设置有用于对回收缆绳23限位的限位环24。本实施例中，回收缆绳23通过限位环24的限位与重力式探针25相连，用于回收重力式探针25。

其中，重力式探针25采用重力式探针的工作方式，可以实现海底动力触探，获取沉积物土力学性质，重力式探针25的尾部为磁吸式开关，可与位于拖体1上面的电磁铁26吸附，电磁铁26可以通过通电或不通电控制其磁性，保持通电时，吸附重力式探针25固定在拖体1上，当到达制定位置后，电磁铁26断电失去磁性，重力式探针25自由落体，贯入至沉积物内，重力式探针可根据探测需求更换成多参数化学探针、电阻率探针等，本实施例在此不做限定。

所述第一线滚4和第二线滚5上设置有绳盘22和回收把手21，绳盘22用于存放回收的套环式拖缆2，回收把手用于回收控制套环式拖缆2，缆绳一端与重力式贯入装置相连，一端穿过第二缆绳19内部与船上甲板绳盘连接。

实施例2，根据实施例1所提出的剖面测量系统，在进行拖曳式观测过程中，其具体工作流程如下：

1、于母船甲板单元上进行装置的检查，同时设置自容式传感器工作模式，包括采集频率、采集周期等内容；

2、通过第一缆绳18与拖体1连接，并将拖体1放入水中；

3、当拖体1到达某一深度时，将套环17套入第一缆绳18，并通过第二缆绳19以要求间隔串联多个自容式传感器采集舱3；

4、串联完成后，再次套入套环17封堵上端，同时下放第一缆绳18和第二缆绳19，使得拖体1到达预计深度；

5、当拖体1到达预计深度后，甲板单元控制位于拖体上的传感器开始工作，母船按照一定的船速匀速行驶，拖动拖体向前移动；

6、此时自容式传感器采集舱3已经开始工作，通过调整位于母船甲板上的第二线滚5，调节第二缆绳19上下的位置，实现不同剖面深度的测量；

7、拖体1保持匀速运动，当到达指定位置后，通过船上绳盘，下放回收缆绳23，使得回收缆绳23水下闲余长度大于重力式探针距底高度；

8、电磁铁26断电，失去磁性，重力式探针25失去磁性后开始做自由落体运动，探针贯入沉积物内，获取浅表层沉积物的力学性质(根据探测需求更换不同的探头，获取不同的参数)；

9、贯入完成后通过收紧回收缆绳23，在回收过程中同时将重力式探针上拉至限位环24的位置，此时电磁铁26通电，恢复磁性，与重力式探针吸附，完成重力式探针的回收；

10、当到达不同位置时，重复步骤8、9，实现水下多点位浅表层沉积物性质的探测；

11、工作完成后，通过线滚回收缆绳与拖体，同时将卡环16拆下，实现自容式传感采集舱与拖体的分离；

12、进行自容式传感器采集舱的数据读取，同时进行各仪器装备的维护，为下次使用做准备。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种拖曳式多参数剖面测量系统的测量方法，所述多参数剖面测量系统包括用于海底走航的拖体(1)、套环式拖缆(2)和安装在母船甲板上的第一线滚(4)和第二线滚(5)；

所述套环式拖缆(2)包括第一缆绳(18)和第二缆绳(19)，第二缆绳(19)通过套环(17)与第一缆绳(18)相连，第一缆绳(18)的一端连接至第一线滚(4)，另一端连接拖体(1)，第二缆绳(19)的一端连接至第二线滚(5)，另一端连接套环(17)，在第二线滚(5)的驱动下，第二缆绳(19)相对于第一缆绳(18)上下滑动；所述第二缆绳(19)上间隔设置有多个传感器集成舱(3)；

所述拖体(1)包括搭载框架(6)，搭载框架(6)内设置有采集控制舱(7)，搭载框架(6)的顶部设置有水下照明摄像头(8)和吊环(9)，搭载框架(6)的两侧设置有传感器搭载架(10)和测深计(11)，吊环(9)用于连接第一缆绳(18)；

所述传感器集成舱(3)包括舱体(20)，舱体(20)内设置有自容式控制采集电路(14)及与其相连的电池(15)，舱体(20)的一端设置有与自容式控制采集电路(14)相连的化学测量集成探头(12)和生物测量集成探头(13)，舱体(20)的另一端设置有与第二缆绳(19)连接的卡环(16)；

所述拖体(1)上还设置有电磁铁(26)和重力式探针(25)，重力式探针(25)通过电磁铁(26)吸附固定在拖体(1)上，重力式探针(25)通过回收缆绳(23)与船上绳盘相连，所述第二缆绳(19)内部中空，回收缆绳(23)从第二缆绳(19)内部穿过；其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1)于母船甲板单元上进行测量系统的检查，同时设置自容式传感器集成舱(3)的工作模式，所述工作模式包括采集频率和采集周期；

2)通过第一缆绳(18)与拖体(1)连接，并将拖体(1)放入水中；

3)当拖体(1)到达某一深度时，将套环(17)套入第一缆绳(18)，并通过第二缆绳(19)以要求间隔串联多个自容式传感器采集舱(3)；

4)串联完成后，再次套入套环(17)封堵上端，同时下放第一缆绳(18)和第二缆绳(19)，使得拖体(1)到达预计深度；

5)当拖体(1)到达预计深度后，拖体(1)上的传感器开始工作，母船按照一定的船速匀速行驶，拖动拖体(1)向前移动；

6)此时自容式传感器采集舱(3)已经开始工作，通过调整位于母船甲板上的第二线滚(5)来调节第二缆绳(19)上下滑动位置，实现不同剖面深度的测量；

7)拖体(1)保持匀速运动，当到达指定位置后，通过船上绳盘，下放回收缆绳(23)，使得回收缆绳(23)水下闲余长度大于重力式探针(25)距底高度；

8)电磁铁(26)断电，失去磁性，重力式探针(25)失去磁性后做自由落体运动，贯入沉积物内，获取浅表层沉积物的力学性质；

9)贯入完成后通过收紧回收缆绳(23)，在回收过程中同时将重力式探针(25)上拉至限位环(24)的位置，此时电磁铁(26)通电，恢复磁性，与重力式探针吸附，完成重力式探针的回收；

10)当到达不同位置时，重复步骤8)和9)，实现水下多点位浅表层沉积物性质的探测；

11)工作完成后，回收套环式拖缆与拖体，同时将卡环(16)拆下，实现自容式传感采集舱与拖体(1)的分离。

2.根据权利要求1所述的拖曳式多参数剖面测量系统的测量方法，其特征在于：所述拖体(1)的一侧设置有用于对回收缆绳(23)限位的限位环(24)。

3.根据权利要求1所述的拖曳式多参数剖面测量系统的测量方法，其特征在于：所述第一线滚(4)和第二线滚(5)上设置有绳盘(22)和回收把手(21)，绳盘(22)用于存放回收的套环式拖缆(2)，回收把手(21)用于回收控制套环式拖缆(2)。

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