CN114877942A - 自主稳定的海底底形与边界层近距离观测装置及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主稳定的海底底形与边界层近距离观测装置及应用方法。该装置包括仪器仓、三脚架两大部分，其中仪器仓包含三维点式流速计、电池仓、声学多普勒流速剖面仪、悬浮物剖面测量仪和三维微地貌声纳；三脚架包含拉环、仪器安装支柱、上三边架、仪器安置平板、上斜边杆、中斜边杆、下斜边杆、防下沉挡板和下三边架。该装置的使用方法，包括装置组装、仪器调试、投放、作业与回收等步骤。本发明具有自主稳定、组装拆卸方便、采集数据多样等优点，可对活动性底形及其底边界层的水动力环境进行同步监测，以分析底形的时序变化过程及致灾机理。本发明可在海底动力地貌、海底探测装备、海洋工程建设等领域使用。
Description
技术领域
本发明涉及海底地形地貌、海底动力地貌、海底探测装备、海底原位监测技术、海洋工程建设等技术领域，具体是指一种可自主稳定的活动性底形原位监测装置与应用方法。
背景技术
当水流流速超过海床泥沙碎屑的起动流速，就会引起沉积物的运动，塑造各种起伏的地貌，通称为底床形态（bedform，简称底形），如：海底沙波、沙脊、冲刷槽等。同时，在海水与这些底形之间的边界层内，水流因与底部摩擦，将对其近底的流速、流向、悬沙浓度等产生重要影响。
我国拥有西太平洋最宽广的近浅海区，60米以浅海域面积超过80万平方公里，长期以来，长江和黄河等大型河流携带巨量的沉积物入海，使得我国近浅海海床分布有大面积的松散沉积物。同时，中国近浅海的水动力作用复杂，受潮流、海流、内波及台风等多种复杂因素的影响，具备发育大规模活动性底形的最有利条件。
活动性底形的快速生长、形变和迁移，可导致海床形态的剧烈改变，严重威胁周边海底工程（如浅海航道、海底光缆、石油平台、跨海大桥等）的安全与稳定。中国近浅海活动性底形发育区必将对海洋工程的稳定和安全产生重要影响。因此，对活动性底形及其上覆的边界层的水动力、悬沙信息开展长期原位的高精度监测，进而揭示其致灾过程和机理，是海底地形地貌和海洋工程领域共同关注的重要技术问题。
当前，三维微地貌声呐是获取长时序、高分辨率活动性底形数据的主要技术手段，但该技术对于所搭载的原位平台的姿态垂向稳定性要求极高，现有的原位监测技术难以满足三维微地貌声呐的高稳定性要求。同时，现有技术还难以满足活动性底形及其上覆底边界层水文动力环境的同步监测需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种自主稳定的海底底形与边界层近距离观测装置及应用方法。
本发明通过下述技术方案得以实现：
一种自主稳定的海底底形与边界层近距离观测装置，包括仪器仓、三脚架；仪器仓位于三脚架上部，便于搭载的仪器进行竖直方向的探测；所述的仪器仓内安装有三维点式流速计、电池仓、声学多普勒流速剖面仪、悬浮物剖面测量仪、陀螺仪和三维微地貌声呐；三维点式流速计通过抱箍安装在仪器仓内，用于获取底边界层的流速、流向信息；电池仓通过抱箍安装在仪器仓内，通过电缆向三维点式流速计、声学多普勒流速剖面仪、悬浮物剖面测量仪和三维微地貌声呐供电；声学多普勒流速剖面仪底部通过螺丝安装在仪器安置平板上表面，用于测量装置顶部至海表的流速、流向剖面；悬浮物剖面测量仪通过抱箍安装在仪器仓内，用于获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息；陀螺仪通过螺丝安装在仪器安置平板中部的圆形空洞内，其内部固定安装有三维微地貌声呐，三维微地貌声呐依靠重力作用，可始终保持竖直向下获取活动性底形数据。
所述的三维点式流速计、声学多普勒流速剖面仪和悬浮物剖面测量仪测得的底边界层水文数据，用于分析解释三维微地貌声呐观测到的活动性底形时序变化过程及致灾机理。
所述的三脚架包括拉环、仪器安装支柱、上三边架、仪器安置平板、上斜边杆、中斜边杆、下斜边杆、防下沉挡板和下三边架；拉环便于装置的投放及回收，仪器安装支柱、上三边架、仪器安置平板和上斜边杆构成仪器仓的外框架；上斜边杆和中斜边杆通过螺丝孔Ⅰ用螺丝连接，中斜边杆和下斜边杆通过螺丝Ⅱ用螺丝连接，起支撑和负重作用；下斜边杆尾端连接防下沉挡板，防下沉挡板，具备防下沉和防止装置发生横向位移的功能；下三边架连接三脚架的三条斜边，增加装置整体的稳定性。
所述的陀螺仪包括外圆环、内圆环和保护垫片；陀螺仪利用外圆环上的六个等间距螺丝孔安装在仪器安置平板上表面，使用螺丝固定；外圆环和内圆环通过连接转子Ⅰ连接，三维微地貌声纳通过转子Ⅱ固定在内圆环中，保证三维微地貌声纳始终竖直向下观测。
一种所述的装置的应用方法，包括下列步骤：
步骤1：装置组装与仪器调试
在调查船甲板上将装置组装完毕，检查所述的仪器仓内各仪器是否安装牢固，检查所述的三脚架安装是否牢固，各螺丝是否拧紧固定，检查所述的陀螺仪能否使三维微地貌声呐始终保持竖直向下观测，检查所述的仪器仓中三维点式流速计、电池仓、声学多普勒流速剖面仪、悬浮物剖面测量仪和三维微地貌声呐能否正常工作、采集数据；
步骤2：装置投放
所述的拉环连接缆绳，由船上的缆车将装置缓慢放入海底，释放过程中，实时接收三维微地貌声纳的画面，当三维微地貌声纳传输的画面不再变化时，认为装置已经到达海底面，可进行长时间的连续定点观测；
步骤3：仪器作业与装置回收
步骤2所述装置到达海底后，所述的仪器仓中的仪器即可进行工作，其中所述的三维点式流速计用于获取底边界层的流速、流向信息；电池仓向三维点式流速计、声学多普勒流速剖面仪、悬浮物剖面测量仪和三维微地貌声纳长时间供电，保证装置在海底长时间连续工作；声学多普勒流速剖面仪用于测量装置上方的流速、流向剖面；悬浮物剖面测量仪用于获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息；三维微地貌声纳用于观测海底微地貌变化，装置完成作业后，拉环连接缆绳，通过船上绞车进行回收。
本发明具有的有益效果：
（1）自主稳定性。将三维微地貌声呐安装在陀螺仪上，能够在平台发生倾斜时，其探头始终保持竖直向下测量活动性底形数据，避免了三维微地貌声呐的测量范围出现偏移导致观测失败的风险；同时，三棱台的结构设计进一步增加了平台的整体稳定性。
（2）可拆卸性。为了方便平台整体的加工制作、长途运输和现场投放，装置设计制作采用分体加工、整体拼装方案，易于运输和现场组装。
（3）采集数据多样性。本发明不仅可采集活动性底形数据，还能同步采集底形上覆的底边界层数据，其中，三维点式流速计可测量底边界层的流速、流向信息，悬浮物剖面测量仪可获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息，声学多普勒流速剖面仪可测量该装置顶部至海面的流速剖面。
本发明可在海底地形地貌、海底动力地貌、海底探测装备、海底原位监测技术、海洋工程建设等领域广泛应用。
附图说明
图1是本发明的正视结构示意图。
图2是图1中的仪器仓俯视结构示意图。
图3是图1中的三脚架立体结构示意图。
图4是图1中的陀螺仪俯视结构示意图。
图5是图4的立体结构示意图。
图6是图1中的防下沉挡板立体结构示意图。
图7是本发明的立体结构示意图。
图中，1、仪器仓，1.1、三维点式流速计，1.2、电池仓，1.3、声学多普勒流速剖面仪，1.4、悬浮物剖面测量仪，1.5三维微地貌声纳，2、三脚架，2.1、拉环，2.2、仪器安装支柱，2.3、上三边架，2.4、仪器安置平板，2.5、螺丝孔Ⅰ，2.6、螺丝孔Ⅱ，2.7、下三边架，2.8、上斜边杆，2.9、中斜边杆，2.10、下斜边杆，2.11、卡扣，2.12、防下沉挡板，3、陀螺仪，3.1、外圆环，3.2、转子Ⅰ，3.3、转子Ⅱ，3.4、内圆环，3.5、螺丝孔，3.6、保护垫片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图１至图７所示，一种自主稳定的海底底形与边界层近距离观测装置，包括仪器仓1、三脚架2；仪器仓1位于三脚架2上部，便于搭载的仪器进行竖直方向的探测；所述的仪器仓内安装有三维点式流速计（1.1）、电池仓（1.2）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）、陀螺仪3和三维微地貌声呐（1.5）；三维点式流速计（1.1）通过抱箍安装在仪器仓1内，用于获取底边界层的流速、流向信息；电池仓（1.2）通过抱箍安装在仪器仓1内，通过电缆向三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声呐（1.5）供电；声学多普勒流速剖面仪（1.3）底部通过螺丝安装在仪器安置平板（2.4）上表面，用于测量装置顶部至海表的流速、流向剖面；悬浮物剖面测量仪（1.4）通过抱箍安装在仪器仓1内，用于获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息；陀螺仪3通过螺丝安装在仪器安置平板（2.4）中部的圆形空洞内，其内部固定安装有三维微地貌声呐（1.5），三维微地貌声呐（1.5）依靠重力作用，可始终保持竖直向下获取活动性底形数据。
所述的三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）和悬浮物剖面测量仪（1.4）测得的底边界层水文数据，用于分析解释三维微地貌声呐（1.5）观测到的活动性底形时序变化过程及致灾机理。
所述的三脚架2包括拉环（2.1）、仪器安装支柱（2.2）、上三边架（2.3）、仪器安置平板（2.4）、上斜边杆（2.8）、中斜边杆（2.9）、下斜边杆（2.10）、防下沉挡板（2.12）和下三边架（2.7）；拉环（2.1）便于装置的投放及回收，仪器安装支柱（2.2）、上三边架（2.3）、仪器安置平板（2.4）和上斜边杆（2.8）构成仪器仓1的外框架；上斜边杆（2.8）和中斜边杆（2.9）通过螺丝孔Ⅰ（2.5）用螺丝连接，中斜边杆（2.9）和下斜边杆（2.10）通过螺丝Ⅱ（2.6）用螺丝连接，起支撑和负重作用；下斜边杆（2.10）尾端连接防下沉挡板（2.12），防下沉挡板（2.12），具备防下沉和防止装置发生横向位移的功能；下三边架（2.7）连接三脚架2的三条斜边，增加装置整体的稳定性。
所述的陀螺仪3包括外圆环（3.1）、内圆环（3.4）和保护垫片（3.6）；陀螺仪3利用外圆环（3.1）上的六个等间距螺丝孔（3.5）安装在仪器安置平板（2.4）上表面，使用螺丝固定；外圆环（3.1）和内圆环（3.4）通过连接转子Ⅰ（3.2）连接，三维微地貌声纳（1.5）通过转子Ⅱ（3.3）固定在内圆环（3.4）中，保证三维微地貌声纳（1.5）始终竖直向下观测。
一种所述的装置的应用方法，包括下列步骤：
步骤1：装置组装与仪器调试
在调查船甲板上将装置组装完毕，检查所述的仪器仓1内各仪器是否安装牢固，检查所述的三脚架2安装是否牢固，各螺丝是否拧紧固定，检查所述的陀螺仪3能否使三维微地貌声呐（1.5）始终保持竖直向下观测，检查所述的仪器仓1中三维点式流速计（1.1）、电池仓（1.2）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声呐（1.5）能否正常工作、采集数据；
步骤2：装置投放
所述的拉环（2.1）连接缆绳，由船上的缆车将装置缓慢放入海底，释放过程中，实时接收三维微地貌声纳（1.5）的画面，当三维微地貌声纳（1.5）传输的画面不再变化时，认为装置已经到达海底面，可进行长时间的连续定点观测；
步骤3：仪器作业与装置回收
步骤2所述装置到达海底后，所述的仪器仓1中的仪器即可进行工作，其中所述的三维点式流速计（1.1）用于获取底边界层的流速、流向信息；电池仓（1.2）向三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声纳（1.5）长时间供电，保证装置在海底长时间连续工作；声学多普勒流速剖面仪（1.3）用于测量装置上方的流速、流向剖面；悬浮物剖面测量仪（1.4）用于获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息；三维微地貌声纳（1.5）用于观测海底微地貌变化，装置完成作业后，拉环（2.1）连接缆绳，通过船上绞车进行回收。
实施例 1
一种自主稳定的近海底微地形地貌观测装置，参照附图2，仪器仓1由三维点式流速计（1.1）、电池仓（1.2）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声纳（1.5）组成，构成装置的主要工作仪器；参照附图3，三脚架2为三棱台型，具有稳定性，拉环（2.1）方便装置投放及回收；仪器安装支柱（2.2）、上三边架（2.3）、上斜边杆（2.8）和仪器安置平板（2.4）构成仪器仓1的框架，三维点式流速计（1.1）、电池仓（1.2）和悬浮物剖面测量仪（1.4）通过抱箍安装在仪器仓1中，声学多普勒流速剖面仪（1.3）和陀螺仪3通过螺孔固定在仪器安置平板（2.4）上；上斜边杆（2.8）、中斜边杆（2.9）和下斜边杆（2.10）通过螺丝孔Ⅰ（2.5）和螺丝孔Ⅱ（2.6）用螺丝连接，起支撑和负重作用；下斜边杆（2.10）尾部连接防下沉挡板（2.12）（参照附图6），防下沉挡板（2.12）起防止装置下沉及防止装置发生横向位移作用；下三边架（2.7）连接三脚架底部的三条支脚，起稳定作用；陀螺仪3通过转子Ⅰ（3.2）固定三维微地貌声纳（1.5），保证三维微地貌声纳（1.5）始终保持垂直向下定点观测，保护垫片（3.6）起防止装置发生横向位移和保护作用。
实施例 2
一种自主稳定的近海底微地形地貌动态观测方法，包括下列步骤：该装置在中国台湾浅滩进行投放，中国台湾浅滩上发育有大规模高活动性底形，且动力环境十分复杂，非常适于测试该装置的性能。参照附图7，在甲板上将所述装置的仪器仓1、三脚架2、陀螺仪3拼装完成，检查各部分连接是否牢固、螺丝是否拧紧，各工作仪器能否正常工作，采集数据，检查完毕后，拉环（2.1）连接绳索，由船上绞车缓慢下放至选定的平坦海底，待装置整体到达海底，通过仪器仓1内各工作仪器传回的数据，判断装置可正常工作，其中所述的三维点式流速计（1.1）用于监测水下单点流速；电池仓（1.2）向三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声纳（1.5）长时间供电，保证装置在海底长时间连续工作；声学多普勒流速剖面仪（1.3）用于测量装置上方的流速剖面；悬浮物剖面测量仪（1.4）用于收集高分辨率的泥沙动态剖面数据及沉降速率；三维微地貌声纳（1.5）用于观测海底微地貌变化，装置完成作业后，拉环（2.1）连接绳索通过船上绞车进行回收。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (5)
1.一种自主稳定的海底底形与边界层近距离观测装置，其特征在于，包括仪器仓（1）、三脚架（2）；仪器仓（1）位于三脚架（2）上部，便于搭载的仪器进行竖直方向的探测；所述的仪器仓内安装有三维点式流速计（1.1）、电池仓（1.2）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）、陀螺仪（3）和三维微地貌声呐（1.5）；三维点式流速计（1.1）通过抱箍安装在仪器仓（1）内，用于获取底边界层的流速、流向信息；电池仓（1.2）通过抱箍安装在仪器仓（1）内，通过电缆向三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声呐（1.5）供电；声学多普勒流速剖面仪（1.3）底部通过螺丝安装在仪器安置平板（2.4）上表面，用于测量装置顶部至海表的流速、流向剖面；悬浮物剖面测量仪（1.4）通过抱箍安装在仪器仓（1）内，用于获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息；陀螺仪（3）通过螺丝安装在仪器安置平板（2.4）中部的圆形空洞内，其内部固定安装有三维微地貌声呐（1.5），三维微地貌声呐（1.5）依靠重力作用，可始终保持竖直向下获取活动性底形数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）和悬浮物剖面测量仪（1.4）测得的底边界层水文数据，用于分析解释三维微地貌声呐（1.5）观测到的活动性底形时序变化过程及致灾机理。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的三脚架（2）包括拉环（2.1）、仪器安装支柱（2.2）、上三边架（2.3）、仪器安置平板（2.4）、上斜边杆（2.8）、中斜边杆（2.9）、下斜边杆（2.10）、防下沉挡板（2.12）和下三边架（2.7）；拉环（2.1）便于装置的投放及回收，仪器安装支柱（2.2）、上三边架（2.3）、仪器安置平板（2.4）和上斜边杆（2.8）构成仪器仓（1）的外框架；上斜边杆（2.8）和中斜边杆（2.9）通过螺丝孔Ⅰ（2.5）用螺丝连接，中斜边杆（2.9）和下斜边杆（2.10）通过螺丝Ⅱ（2.6）用螺丝连接，起支撑和负重作用；下斜边杆（2.10）尾端连接防下沉挡板（2.12），防下沉挡板（2.12），具备防下沉和防止装置发生横向位移的功能；下三边架（2.7）连接三脚架（2）的三条斜边，增加装置整体的稳定性。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的陀螺仪（3）包括外圆环（3.1）、内圆环（3.4）和保护垫片（3.6）；陀螺仪（3）利用外圆环（3.1）上的六个等间距螺丝孔（3.5）安装在仪器安置平板（2.4）上表面，使用螺丝固定；外圆环（3.1）和内圆环（3.4）通过连接转子Ⅰ（3.2）连接，三维微地貌声纳（1.5）通过转子Ⅱ（3.3）固定在内圆环（3.4）中，保证三维微地貌声纳（1.5）始终竖直向下观测。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述的装置的应用方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：装置组装与仪器调试
在调查船甲板上将装置组装完毕，检查所述的仪器仓（1）内各仪器是否安装牢固，检查所述的三脚架（2）安装是否牢固，各螺丝是否拧紧固定，检查所述的陀螺仪（3）能否使三维微地貌声呐（1.5）始终保持竖直向下观测，检查所述的仪器仓（1）中三维点式流速计（1.1）、电池仓（1.2）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声呐（1.5）能否正常工作、采集数据；
步骤2：装置投放
所述的拉环（2.1）连接缆绳，由船上的缆车将装置缓慢放入海底，释放过程中，实时接收三维微地貌声纳（1.5）的画面，当三维微地貌声纳（1.5）传输的画面不再变化时，认为装置已经到达海底面，可进行长时间的连续定点观测；
步骤3：仪器作业与装置回收
步骤2所述装置到达海底后，所述的仪器仓（1）中的仪器即可进行工作，其中所述的三维点式流速计（1.1）用于获取底边界层的流速、流向信息；电池仓（1.2）向三维点式流速计（1.1）、声学多普勒流速剖面仪（1.3）、悬浮物剖面测量仪（1.4）和三维微地貌声纳（1.5）长时间供电，保证装置在海底长时间连续工作；声学多普勒流速剖面仪（1.3）用于测量装置上方的流速、流向剖面；悬浮物剖面测量仪（1.4）用于获取底边界层的泥沙浓度剖面及其沉降速率信息；三维微地貌声纳（1.5）用于观测海底微地貌变化，装置完成作业后，拉环（2.1）连接缆绳，通过船上绞车进行回收。
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