CN114216516A - 缆控海底沉积物声温同步探测取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋地质探测及取样领域，具体地说是一种缆控海底沉积物声温同步探测取样装置及方法，固定组件用于装置的固定组装、与船载通讯缆的连接，声学参数原位探测系统用于海底沉积物声速、声衰减等声学参数的实时获取，温度梯度原位探测系统用于海底沉积物多点位温度的测量，浅表层沉积物取样系统用于探测区域柱状沉积物样品的获取，实时通讯控制系统用于作业过程中对系统的操控，以及实时数据的采集传输存储。本发明能够实现海底表层沉积物声学特性参数、温度参数的同步测量，能够实现精准无扰动取样，提高沉积物声学特性参数测量的准确性、可靠性；同时，利用实时在线控制功能，能够提高设备作业效率，降低设备作业风险。

Description

缆控海底沉积物声温同步探测取样装置及方法

技术领域

本发明属于海洋地质探测及取样领域，具体地说是一种缆控海底沉积物声温同步探测取样装置及方法。

背景技术

海底浅表层沉积物作为水声的下边界和地声的上边界，其声学特性与海底探测、水声通信密切相关，对于海底资源勘探开发、海底环境监测、军事海洋环境调查、海洋工程勘察等具有重要意义，一直是海洋地质学、海洋物理学、水声学、沉积声学等学科领域的重要研究热点。海底沉积物声学测量方法主要包括三种：取样测量、反射/折射剖面遥测、原位测量。取样测量技术简单，由于温度压力可控，因此一直是海底沉积物声学测量的主要方法；但该方法受样品状态影响较大，在取样、运输、保存、测试过程中样品的扰动，导致的内部结构变化，势必会影响声学测量结果。反射/折射剖面遥测提供的是大体积地层的平均声速和衰减系数的估计，假设条件多，不确定性大。原位测量能够获取海底实际状态下的声学特性参数，避免了取样和搬运过程对沉积物造成的扰动，已成为当今海底沉积物声学特性参数测量研究的热点。

国外海底声学原位测量系统主要包括美国海军研制的ISSAMS、夏威夷大学研制的进行沉积物垂直剖面声学性质测量的Acoust ic Lance、新罕布什尔大学研制的ISSAP及华盛顿大学设计的SAMS等。近几年，我国研究人员相继开发出多台套具有不同测量方式的海底沉积物声学特性参数原位测量系统，比较有代表性的有多频海底声学原位测量系统、海底底质声学参数测量系统和基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位测量系统等，获取了大量原位海底沉积物声学特性参数测量数据。温度是影响原位测量沉积物声速、声衰减的重要环境因素之一，当前的原位声学测量设备通常都缺少多点位温度的原位同步测量，导致温度对沉积物声学特性参数的影响机制难以揭示。同时，离线或者自容式设备在作业过程中缺少对设备状态、地质条件的实时监控，可能会导致作业效率低下、作业风险增大情况的发生。

发明内容

针对上述传统海底沉积物声学参数原位探测获取装置所存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种缆控海底沉积物声温同步探测取样装置及方法。本发明能够实现海底表层沉积物声学特性参数、温度参数的同步测量，同时实现精准无扰动取样，提高沉积物声学特性参数测量的准确性、可靠性；同时，利用实时在线控制功能，提高设备作业效率，降低设备作业风险。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的探测取样装置包括固定组件、用于海底沉积物声学参数实时获取的声学参数原位探测系统、用于海底沉积物多点位温度测量的温度梯度原位探测系统、用于探测区域柱状沉积物样品获取的浅表层沉积物取样系统及实时通讯控制系统，其中固定组件与船载的通讯缆连接，所述浅表层沉积物取样系统及实时通讯控制系统分别安装于固定组件上，所述声学参数原位探测系统包括声学发射换能器、声学接收换能器及声学接收换能器安装柱，所述声学发射换器安装于固定组件上，所述声学接收换能器安装柱固接于浅表层沉积物取样系统上，所述声学接收换能器安装柱上沿长度方向均匀安装有多个声学接收换能器；所述温度梯度原位探测系统包括温度传感器安装柱及温度传感器，所述温度传感器安装柱固接于浅表层沉积物取样系统上，所述温度传感器安装柱上沿长度方向均匀安装有多个温度传感器，所述声学接收换能器及温度传感器分别与实时通讯控制系统连接。

其中：所述固定组件包括承重头对接头、安装托盘、铅块及承重头，所述声学发射换能器、浅表层沉积物取样系统及实时通讯控制系统分别固定在安装托盘上，所述承重头对接头的下端与浅表层沉积物取样系统连接、上端与所述承重头的下端铰接，所述承重头的上端与船载的通讯缆相连；所述安装托盘上设有用于增加配重的铅块。

所述安装托盘相对的两侧对称设有螺杆，每侧所述螺杆上均套设有多个铅块，两侧所述螺杆上的铅块通过压板压紧固定。

所述铅块呈圆环状，所述浅表层沉积物取样系统由压板的中间穿过，所述压板的两端分别压在两侧所述螺杆的铅块上，两侧所述螺杆分别由压板的两端穿过，并通过锁紧螺钉锁紧固定；两侧所述螺杆上的铅块的数量相同。

所述声学接收换能器安装柱通过多个固定板A固接于浅表层沉积物取样系统的一侧，各所述固定板A沿浅表层沉积物取样系统长度方向均匀设置，每个所述固定板A的一端均固接于浅表层沉积物取样系统的一侧，每个所述固定板A的另一端均设有卡箍，所述声学接收换能器安装柱通过各固定板A上的卡箍抱紧固定。

所述温度传感器安装柱通过多个固定板B固接于浅表层沉积物取样系统的另一侧，各所述固定板B沿浅表层沉积物取样系统长度方向均匀设置，每个所述固定板B的一端均固接于浅表层沉积物取样系统的另一侧，每个所述固定板B的另一端均与温度传感器安装柱固接。

所述浅表层沉积物取样系统包括取样刀头、采样外管、采样衬管及顶盖，所述采样外管固接于固定组件上，所述声学参数原位测量系统及温度梯度原位探测系统对称固接于采样外管的两侧，所述采样外管的下端为开放结构、上端设有带排水孔的顶盖，所述采样衬管可相对移动地设置于采样外管内，所述采样衬管的下端设有取样刀头。

所述实时通讯控制系统包括分别与通讯缆连接的温度采集处理模块、声学采集处理模块、高度计及水下摄像机，所述温度采集处理模块及声学采集处理模块分别安装于固定组件上，所述声学接收换能器与声学采集处理模块连接，所述温度传感器与温度采集处理模块连接，所述高度计及水下摄像机分别安装于固定组件上。

本发明缆控海底沉积物声温同步探测取样方法，采用权利要求1至8任一权利要求所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，包括以下步骤：

对缆控海底沉积物声温同步探测取样装置与船载通讯缆连接，并进行初始化；

将缆控海底沉积物声温同步探测取样装置吊起，下放至海水中；待缆控海底沉积物声温同步探测取样装置震荡幅度小于设定范围时，匀速向海底下放缆控海底沉积物声温同步探测取样装置；

在下放过程中，利用所述实时通讯控制系统对缆控海底沉积物声温同步探测取样装置的运行状态进行实时监控；在距海底设定高度后，加速释放缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，利用重力使缆控海底沉积物声温同步探测取样装置下插，使所述声学参数原位测量系统、温度梯度原位探测系统、浅表层沉积物取样系统同时插入底泥；通过所述实时通讯控制系统对声学参数原位测量系统、温度梯度原位探测系统进行多次探测；

最后，回收所述通讯缆，带动所述声学参数原位测量系统、温度梯度原位探测系统、浅表层沉积物取样系统拔出，实现采样。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明通过声学、温度同步测量，获取了沉积物声学特性参数，这对于后期实验室校正处理、声学特性研究，具有重要的数据价值。

2.本发明具有在线实时监测功能，能够反映设备安全状态、沉积底质情况等，可大大提高工作效率，降低作业风险。

3.本发明的探测取样装置结构紧凑、耐压性强，操作简单，定位精度高，可快速、有效地获取海底表层沉积物声学、温度原位测量数据和地质样品，可适用于不同深度、温度和压力的复杂海底环境下，完成原位测量和保真地质取样任务。

附图说明

图1为本发明探测取样装置的整体结构示意图；

图2为本发明探测取样装置的结构主视图；

图3为本发明探测取样装置的结构左视图；

图4为本发明探测取样装置的立体结构示意图；

图5为本发明探测取样装置的结构俯视图；

其中：1为固定组件，101为承重头对接头，102为安装托盘，103为铅块，104为压板，105为承重头；

2为声学参数原位测量系统，201为声学发射换能器，202为声学接收换能器，203为声学接收换能器安装柱，204为卡箍，205为固定板A；

3为温度梯度原位探测系统，301为温度传感器安装柱，302为固定板B；

4为浅表层沉积物取样系统，401为取样刀头，402为采样外管，403为采样衬管；

5为实时通讯控制系统，501为温度采集处理模块，502为声学采集处理模块，503为高度计，504为水下摄像机；

6为通讯缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～5所示，本发明的探测取样装置包括固定组件1、声学参数原位探测系统2、温度梯度原位探测系统3、浅表层沉积物取样系统4及实时通讯控制系统5，其中固定组件1与船载的通讯缆6连接，浅表层沉积物取样系统4及实时通讯控制系统5分别安装于固定组件1上；固定组件1用于探测取样装置的固定组装、与船载的通讯缆6的连接，声学参数原位测量系统2用于海底沉积物声速、声衰减等声学参数的实时获取，温度梯度原位探测系统3用于海底沉积物多点位温度的测量，浅表层沉积物取样系统4用于探测区域柱状沉积物样品的获取，实时通讯控制系统5用于作业过程中对系统的操控，以及实时数据的采集传输存储。

本实施例的固定组件1包括承重头对接头101、安装托盘102、铅块103、压板104及承重头105，承重头对接头101的下端与浅表层沉积物取样系统4连接、上端与承重头105的下端铰接，承重头105的上端与船载的通讯缆6相连。安装托盘102上设有用于增加配重的铅块103，本实施例在安装托盘102相对的两侧对称设有螺杆，每侧螺杆上均套设有多个铅块103，两侧螺杆上的铅块103通过压板104压紧固定；本实施例的铅块103呈圆环状，浅表层沉积物取样系统4由压板104的中间穿过，压板104的两端分别压在两侧螺杆的铅块103上，两侧螺杆分别由压板104的两端穿过，并通过锁紧螺钉锁紧固定；两侧螺杆上的铅块103的数量相同。

本实施例的声学参数原位探测系统2包括声学发射换能器201、声学接收换能器202、声学接收换能器安装柱203、卡箍204及固定板A205，声学发射换器201安装于固定组件1中的安装托盘102上，声学接收换能器安装柱203固接于浅表层沉积物取样系统4上，声学接收换能器安装柱203上沿长度方向均匀开设有多个安装孔，每个安装孔内均安装一个声学接收换能器202；本实施例的声学接收换能器安装柱203通过多个固定板A205固接于浅表层沉积物取样系统4的一侧，各固定板A205沿浅表层沉积物取样系统4长度方向均匀设置，每个固定板A205的一端均固接于浅表层沉积物取样系统4的一侧，每个固定板A205的另一端均设有卡箍204，声学接收换能器安装柱203通过各固定板A205上的卡箍204抱紧固定；本实施例的声学接收换能器安装柱203的下端为尖状结构，便于在取样时插入底泥中。

本实施例的温度梯度原位探测系统3包括温度传感器安装柱301、温度传感器302及固定板B303，温度传感器安装柱301固接于浅表层沉积物取样系统4上，温度传感器安装柱301上沿长度方向均匀安装有多个温度传感器302；本实施例的温度传感器安装柱301通过多个固定板B303固接于浅表层沉积物取样系统4的另一侧，温度传感器安装柱301的上端由安装托盘102穿过、位于安装托盘102的上方，各固定板B303沿浅表层沉积物取样系统4长度方向均匀设置，每个固定板B303的一端均固接于浅表层沉积物取样系统4的另一侧，每个固定板B303的另一端均与温度传感器安装柱301固接；本实施例的温度传感器安装柱301的下端为尖状结构，便于在取样时插入底泥中。

本实施例的浅表层沉积物取样系统4包括取样刀头401、采样外管402、采样衬管403及顶盖，采样外管402固接于固定组件1中的安装托盘102上，声学参数原位测量系统2及温度梯度原位探测系统3对称固接于采样外管402的两侧，声学参数原位测量系统2中的各固定板A205分别固接于采样外管402的一侧，温度梯度原位探测系统3中的各固定板B303分别固接于采样外管402的另一侧，采样外管402的下端为开放结构、上端由压板104的中间穿过，并与承重头对接头101的下端连接，采样外管402的上端设有带排水孔的顶盖，采样衬管403可相对移动地设置于采样外管402内，采样衬管403的下端设有取样刀头401。

本实施例的实时通讯控制系统包括分别与通讯缆6连接的温度采集处理模块501、声学采集处理模块502、高度计503及水下摄像机504，温度采集处理模块501及声学采集处理模块502分别安装于固定组件1的安装托盘102上，声学接收换能器202与声学采集处理模块502连接，温度传感器302与温度采集处理模块501连接，高度计503及水下摄像机504分别安装于固定组件1中的安装托盘102的下表面。

本发明缆控海底沉积物声温同步探测取样方法，包括选址、装置测试、下水作业及装置回收等步骤，具体为：

首先，利用科考船搭载的地球物理设备，结合已有地质资料情况，对拟测量区开展地形地貌和地层结构调查分析，初步判断海底底质类型、沉积物分布特征及厚度，分析作业风险，靶定设备下水作业站位；

其次，在甲板上对装置进行检测，与船载的通讯缆6连接，测试供电和通讯性能，做好装置下水前的准备、调试工作；

然后，利用绞车将装置吊起，下放至海水中；待装置稳定(即装置震荡幅度小于设定范围)后，匀速向海底下放；在下放过程中，利用实时通讯控制系统5对装置物理状态、通讯状态进行实时分析，判断作业条件；在距海底设定高度后，快速释放，利用重力使装置下插，声学参数原位测量系统2、温度梯度原位探测系统3、浅表层沉积物取样系统4同时插入底泥中，利用实时通讯控制系统5对装置采集参数进行设置，设置信号收发频率、采样间隔、采样模式、记录方式等，多次探测，以满足数据精度需求；

最后，利用绞车将通讯缆6进行回收，将探测取样装置拨出沉积物，回收至甲板，进行数据的导出与转换、样品采集与保存，完成深海沉积物声学、温度参数的原位同步探测及取样工作。

Claims (9)

1.一种缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：包括固定组件(1)、用于海底沉积物声学参数实时获取的声学参数原位探测系统(2)、用于海底沉积物多点位温度测量的温度梯度原位探测系统(3)、用于探测区域柱状沉积物样品获取的浅表层沉积物取样系统(4)及实时通讯控制系统(5)，其中固定组件(1)与船载的通讯缆(6)连接，所述浅表层沉积物取样系统(4)及实时通讯控制系统(5)分别安装于固定组件(1)上，所述声学参数原位探测系统(2)包括声学发射换能器(201)、声学接收换能器(202)及声学接收换能器安装柱(203)，所述声学发射换器(201)安装于固定组件(1)上，所述声学接收换能器安装柱(203)固接于浅表层沉积物取样系统(4)上，所述声学接收换能器安装柱(203)上沿长度方向均匀安装有多个声学接收换能器(202)；所述温度梯度原位探测系统(3)包括温度传感器安装柱(301)及温度传感器(302)，所述温度传感器安装柱(301)固接于浅表层沉积物取样系统(4)上，所述温度传感器安装柱(301)上沿长度方向均匀安装有多个温度传感器(302)，所述声学接收换能器(202)及温度传感器(302)分别与实时通讯控制系统(5)连接。

2.根据权利要求1所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述固定组件(1)包括承重头对接头(101)、安装托盘(102)、铅块(103)及承重头(105)，所述声学发射换能器(201)、浅表层沉积物取样系统(4)及实时通讯控制系统(5)分别固定在安装托盘(102)上，所述承重头对接头(101)的下端与浅表层沉积物取样系统(4)连接、上端与所述承重头(105)的下端铰接，所述承重头(105)的上端与船载的通讯缆(6)相连；所述安装托盘(102)上设有用于增加配重的铅块(103)。

3.根据权利要求2所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述安装托盘(102)相对的两侧对称设有螺杆，每侧所述螺杆上均套设有多个铅块(103)，两侧所述螺杆上的铅块(103)通过压板(104)压紧固定。

4.根据权利要求3所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述铅块(103)呈圆环状，所述浅表层沉积物取样系统(4)由压板(104)的中间穿过，所述压板(104)的两端分别压在两侧所述螺杆的铅块(103)上，两侧所述螺杆分别由压板(104)的两端穿过，并通过锁紧螺钉锁紧固定；两侧所述螺杆上的铅块(103)的数量相同。

5.根据权利要求1所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述声学接收换能器安装柱(203)通过多个固定板A(205)固接于浅表层沉积物取样系统(4)的一侧，各所述固定板A(205)沿浅表层沉积物取样系统(4)长度方向均匀设置，每个所述固定板A(205)的一端均固接于浅表层沉积物取样系统(4)的一侧，每个所述固定板A(205)的另一端均设有卡箍(204)，所述声学接收换能器安装柱(203)通过各固定板A(205)上的卡箍(204)抱紧固定。

6.根据权利要求1所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述温度传感器安装柱(301)通过多个固定板B(303)固接于浅表层沉积物取样系统(4)的另一侧，各所述固定板B(303)沿浅表层沉积物取样系统(4)长度方向均匀设置，每个所述固定板B(303)的一端均固接于浅表层沉积物取样系统(4)的另一侧，每个所述固定板B(303)的另一端均与温度传感器安装柱(301)固接。

7.根据权利要求1所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述浅表层沉积物取样系统(4)包括取样刀头(401)、采样外管(402)、采样衬管(403)及顶盖，所述采样外管(402)固接于固定组件(1)上，所述声学参数原位测量系统(2)及温度梯度原位探测系统(3)对称固接于采样外管(402)的两侧，所述采样外管(402)的下端为开放结构、上端设有带排水孔的顶盖，所述采样衬管(403)可相对移动地设置于采样外管(402)内，所述采样衬管(403)的下端设有取样刀头(401)。

8.根据权利要求1所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，其特征在于：所述实时通讯控制系统包括分别与通讯缆(6)连接的温度采集处理模块(501)、声学采集处理模块(502)、高度计(503)及水下摄像机(504)，所述温度采集处理模块(501)及声学采集处理模块(502)分别安装于固定组件(1)上，所述声学接收换能器(202)与声学采集处理模块(502)连接，所述温度传感器(302)与温度采集处理模块(501)连接，所述高度计(503)及水下摄像机(504)分别安装于固定组件(1)上。

9.一种缆控海底沉积物声温同步探测取样方法，其特征在于：采用权利要求1至8任一权利要求所述的缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，包括以下步骤

对缆控海底沉积物声温同步探测取样装置与船载通讯缆(6)连接，并进行初始化；

将缆控海底沉积物声温同步探测取样装置吊起，下放至海水中；待缆控海底沉积物声温同步探测取样装置震荡幅度小于设定范围时，匀速向海底下放缆控海底沉积物声温同步探测取样装置；

在下放过程中，利用所述实时通讯控制系统(5)对缆控海底沉积物声温同步探测取样装置的运行状态进行实时监控；在距海底设定高度后，加速释放缆控海底沉积物声温同步探测取样装置，利用重力使缆控海底沉积物声温同步探测取样装置下插，使所述声学参数原位测量系统(2)、温度梯度原位探测系统(3)、浅表层沉积物取样系统(4)同时插入底泥；通过所述实时通讯控制系统(5)对声学参数原位测量系统(2)、温度梯度原位探测系统(3)进行多次探测；

最后，回收所述通讯缆(6)，带动所述声学参数原位测量系统(2)、温度梯度原位探测系统(3)、浅表层沉积物取样系统(4)拔出，实现采样。

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