CN116559289A - 一种海底底质测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底底质测量装置及方法。该装置包括探头、偏心探杆、声学接收换能器阵、泥温探针、宽频声学发射换能器组、支架平台、电子仓以及吊头。该装置基于自重贯入海底沉积物中，可原位测量沉积物的声学特性、力学特性与温度，并同步采集沉积物柱状样品。本发明适用于大规模海底沉积物声学特性、力学特性与温度的原位测量，可最大程度无扰动贯入海底沉积物中，并同步获取沉积物柱状样品，作业效率高，确保海底地声调查与研究的数据与样品的站位同一性，服务于地声建模与海底工程地质评价。
Description
技术领域
本发明属于海洋调查与海底探测技术领域，具体涉及一种海底底质测量装置及方法。
背景技术
海底底质作为海洋的下边界，其声学特性是开展海洋声场计算的关键要素，原位测量技术可最大程度减小对底质的扰动，并保持海底原始的温度与压力环境，是获得高精度声学特性数据的有效手段。海底底质包括岩石与松软沉积物两类，针对松软沉积物开展低扰动的原位探测是底质测量的难点之一。目前，海底沉积物的声学特性原位测量主要包括两种，一种是利用重力贯入沉积物中，这种模式最大程度保持了沉积物的原状；另一种是利用海底平台提供的反力，使用液压或电动装置提供静力贯入沉积物中，这种模式可实现大深度沉积物声学特性测量。海底沉积物声学特性评价与分析，需要利用沉积物样品、原位温度以及力学特性开展综合地声模型研究，服务于海洋水声场的计算与预测。海底平台测量模式对表层沉积物产生了扰动，影响沉积物的原始状态；而采用声学原位测量探杆与取样探杆集成的多探杆装置进行同步测量，对沉积物扰动较大，对于同一海区的作业站位，其布放与回收困难，这种调查方式效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种海底底质测量装置及方法，本发明集成度高，布放与回收方便，对沉积物的扰动小，能够同步进行沉积物声学特性、力学特性以及温度测量，并采集沉积物柱状样品，作业效率高，适宜开展专项调查。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种海底底质测量装置，该装置包括：探头、偏心探杆、声学接收换能器阵、泥温探针、宽频声学发射换能器组、支架平台、电子仓以及吊头；
探头连接在偏心探杆的一端，偏心探杆的另一端与支架平台连接，声学接收换能器阵嵌入安装在偏心探杆的侧壁，宽频声学发射换能器组与电子仓安装在支架平台上，吊头位于支架平台的顶端；
所述的探头偏心且开口，作为采集海底沉积物样品的刀口；探头上具有若干应变环，测量探头的贯入阻力；
所述的偏心探杆具有偏心的取样孔，外壁设置第一凹槽与第二凹槽，第一凹槽放置声学接收换能器阵，第二凹槽放置泥温探针，用于探测沉积物的温度，探杆壁设置若干浅槽，用于衰减通过探杆传播的声波；
所述的声学接收换能器阵包括若干接收换能器，接收换能器的间距相等，其中相邻的接收换能器的极化方向相反；
所述宽频声学发射换能器组中的声学发射换能器与声学接收换能器阵构成纵向测量模式。
进一步地，所述偏心探杆设置位移传感器，获得探杆贯入沉积物中的深度。
进一步地，所述的宽频声学发射换能器组，包括第一声学发射换能器、第二声学发射换能器、第三声学发射换能器、第四声学发射换能器以及第五声学发射换能器，所述第一声学发射换能器为平面纵向发射换能器，所述第二声学发射换能器、第三声学发射换能器、第四声学发射换能器以及第五声学发射换能器为圆柱状径向发射换能器；五个声学发射换能器分别由多级电感构成不同组合的匹配阻抗，在多个频点驱动换能器工作，构成宽频测量模式。
进一步地，所述第一声学发射换能器、第二声学发射换能器、第三声学发射换能器、第四声学发射换能器以及第五声学发射换能器，分别为谐振频率不同的声学换能器，能够独立工作或两只组合工作，形成和频与差频测量模式。
进一步地，所述声学接收换能器阵中每只接收换能器与前置放大器集成后封装成阵。
进一步地，所述第一声学发射换能器、第二声学发射换能器、第三声学发射换能器、第四声学发射换能器以及第五声学发射换能器，分别为谐振频率不同的声学换能器，能够独立工作或两只组合工作，形成和频与差频测量模式。
进一步地，所述电子仓通过调查船的同轴电缆或者光电复合缆与计算机连接，使用计算机对海底底质测量装置进行实时控制。
进一步地，所述的支架平台还能够安装声速仪、高度计、激光测距仪、姿态传感器、水下摄像机及闪光灯部件。
进一步地，支架平台下方与偏心探杆之间具有第一配重，用于调节整体装置的重量，并使得中心集中于偏心探杆轴心，支架平台上部具有第二配重，用于调节整体装置的平衡。
另一方面，本发明还提供了一种海底底质测量方法，该方法包括以下步骤：
第1步，使用船载绞车的铠装同轴电缆或铠装光电复合缆连接海底底质测量装置与计算机；
第2步，将采样管装入偏心探杆中，使用探头卡住采样管；
第3步，使用船载绞车布放整体装置，在接近海底时，操作计算机使得所述装置开始工作，开启水下摄像机，观察海底底质，若底质为岩、砾或砂，则回收装置，更换作业站位后再布放所述装置，若底质为粘土或泥，则提升装置并保持在水中；
第4步，采集水中的声传播信号波形，然后加大绞车布放速度，使得探头与偏心探杆贯入沉积物中，操作计算机使得所述装置开始工作，采集沉积物中的声传播信号波形；
第5步，使用船载绞车回收所述装置，在远离海底时，操作计算机使得所述装置开始工作，再次采集水中的声传播信号波形；
第6步，使用绞车回收所述装置至其出水，放置甲板面，淡水冲洗，干燥通风存放；
第7步，使用第4步与第5步采集的水中声传播信号波形，结合声速仪采集的水中声速，获得发射换能器与接收换能器之间的距离；
第8步，使用第4步采集的沉积物中的声传播信号波形，利用第7步获得发射换能器与接收换能器之间的距离，计算沉积物的声速与声衰减系数。
进一步地，第4步中采集沉积物中的声传播信号波形时，分别使用连续脉冲、连续线性变化频率脉冲驱动发射换能器进行测量。
本发明具备以下有益效果：
通过发明偏心取样孔的探杆，在探杆的一侧壁厚开槽配置声学接收换能器阵列，实现了单一探杆同步完成沉积物声学原位测量与取样任务，极大提高了作业效率，并且确保了原位测量与取样的站位同一性，保证了数据分析的一致性，使用偏心取样孔的探杆，缩小了探杆的外径，减小了探杆贯入沉积物过程中由于挤压造成的沉积物扰动。
通过在探杆壁设置若干浅凹槽，增加了声波的散射界面，增大了声波的传播路径，减少了直达声波到达声学接收换能器阵的幅度，提高了通过沉积物传播的到达声信号质量。
通过引入换能器组，采用差频及和频测量，扩展了沉积物声学测量的频带范围；通过设计声学接收换能器阵的相邻接收换能器的极化方向相反，使得接收信号的首波相位异相，提高了波形幅时的判别精度。
通过设置第一配重与第二配重的二级配重模式，可以灵活配置设备的自重与平衡，确保探杆的贯入深度与设备的姿态稳定。
应用本发明的方法，基于装置贯入海底前后两次在水中测量的声传播时间，提高了测量精度，并且，通过使用高低频率的连续脉冲、连续线性变化频率脉冲驱动发射换能器进行测量，快速获得了宽频带的海底沉积物的声学特性。
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做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的偏心探杆结构示意图。
图3为偏心探杆横截面示意图。
图4为本发明的探头结构示意图。
图5为本发明的探头结构俯视图。
图6为本发明的探头结构剖视图。
附图标号：1.探头、1.1.第一应变环、1.2.第二应变环、1.3.第三应变环、2.偏心探杆、3.声学接收换能器阵、4.泥温探针、5.宽频声学发射换能器组、6.1.第一配重、6.2.第二配重、7.支架平台、8.电子仓、9.吊头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明基于海底沉积物声学原位测量对于最大程度保持沉积物原始状态的要求，以对探杆贯入过程对沉积物最小扰动为出发点，总结目前海底沉积物声学原位测量存在的关键问题，提出了使用偏心探杆的技术方案，实现海底沉积物原位声学测量与取样同步作业。
如图1所示，本发明提供了一种海底底质测量装置，该装置包括：探头1、第一应变环1.1、第二应变环1.2、第三应变环1.3、偏心探杆2、声学接收换能器阵3、泥温探针4、宽频声学发射换能器组5、第一配重6.1、第二配重6.2、支架平台7、电子仓8以及吊头9；探头1连接在偏心探杆2的一端，偏心探杆2的另一端与支架平台7连接，声学接收换能器阵3嵌入安装在偏心探杆2的侧壁，宽频声学发射换能器组5与电子仓8安装在支架平台7上，第一配重6.1在偏心探杆2与支架平台7之间，用于调节装置的重量，并使得中心集中于探杆轴心，第二配重6.2在支架平台7的上部，用于调节装置的平衡；吊头9位于支架平台7的顶端；所述的探头1呈锥状，是偏心且开口的，作为采集海底沉积物样品的刀口；所述的第一应变环1.1、第二应变环1.2、第三应变环1.3，嵌入偏心探头1，测量探头的贯入阻力；所述的声学接收换能器阵3，包括4只接收换能器，接收换能器的间距相等，其中相邻的接收换能器的极化方向相反。所述宽频声学发射换能器组5中的声学发射换能器与声学接收换能器阵3构成纵向测量模式。
电子仓8可以通过调查船的同轴电缆或者光电复合缆与计算机连接，使用计算机对所述装置进行实时控制。计算机还可以与具有北斗或者GPS等全球卫星导航定位系统接口、HY1600等测深仪接口的船载调查设备连接；电子仓8包括同轴电缆接口、光电复合缆接口，可以与调查船的绞车连接。
如图1所示，支架平台7还可以放置HY1200声速仪、KONGSBERG1107高度计、激光测距仪、TCM姿态传感器、KONGSBERG水下摄像机及闪光灯等部件。
如图1所示，所述的宽频声学发射换能器组5，包括第一声学发射换能器5.1、第二声学发射换能器5.2、第三声学发射换能器5.3、第四声学发射换能器5.4以及第五声学发射换能器5.5，所述第一声学发射换能器5.1为平面纵向发射换能器，所述第二声学发射换能器5.2、第三声学发射换能器5.3、第四声学发射换能器5.4以及第五声学发射换能器5.5为圆柱状径向发射换能器，其谐振频率分别为100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、1kHz。
五个声学发射换能器分别由多级电感构成不同组合的匹配阻抗，在多个频点驱动换能器工作，构成宽频测量模式。
如图1所示，声学接收换能器阵3的每只接收换能器与前置放大器集成后封装成阵。
如图2和图3所示，所述的偏心探杆2为高强度金属圆柱状，材质为42CrMoA(42铬钼A)，取样孔内径为85mm，外径为142mm；设置位移传感器，可以获得探杆贯入沉积物中的深度；其具有偏心的取样孔2.1，探杆壁设置若干浅槽，用于衰减到达探杆的声波；所述的偏心探杆2的外壁设置第一凹槽2.2与第二凹槽2.3，第一凹槽2.2放置声学接收换能器阵3，第二凹槽2.3放置泥温探针4，用于探测沉积物的温度。
如图4、图5和图6所示，探头的锥底直径略大于探杆的直径2mm，在贯入海底沉积层时扩孔。
实施例2
本发明还提供了一种海底底质测量方法，基于海底底质测量装置，包括以下步骤：
第1步，使用船载绞车的铠装同轴电缆或铠装光电复合缆连接海底底质测量装置与计算机；
第2步，将采样管装入偏心探杆2中，使用探头1卡住采样管；
第3步，使用船载绞车布放所述整体装置，在接近海底时，操作计算机使得所述装置开始工作，开启水下摄像机，观察海底底质，若底质为岩、砾或砂，则回收装置，更换作业站位后再布放所述装置，若底质为粘土或泥，则回收装置至距离海底约10米；
第4步，采集水中的声传播信号波形完成后，加大绞车布放速度，使得探头1与偏心探杆2贯入沉积物中，操作计算机使装置开始工作，在沉积物中进行测量时，分别使用8kHz与12kHz的连续脉冲驱动第一声学发射换能器5.1、第二声学发射换能器5.2进行测量，采集沉积物中的声传播信号波形；
第5步，使用船载绞车回收所述装置，在远离海底10m高度时，操作计算机使得所述装置开始工作，采集水中的声传播信号波形；
第6步，使用绞车回收所述装置至其出水，放置甲板面，淡水冲洗，干燥通风存放；
第7步，使用第4步与第5步采集的水中声传播信号波形，结合校准后的声速仪采集的水中声速，获得发射换能器与接收换能器之间的距离；
第8步，使用第4步采集的沉积物中的声传播信号波形，利用第7部获得发射换能器与接收换能器之间的距离，计算沉积物的声速与声衰减系数。
沉积物的声速计算按下述公式计算：
式中：为测量层位沉积物的平均声速，单位为米每秒（m/s）；/>为声速仪测得的水中声速，单位为米每秒（m/s）；/>为水下探测单元入水接近海底水中测量时，发射换能器与接收换能器之间的声波传播时间，单位为秒（s）；/>为水下探测单元回收离开海底水中测量时，发射换能器与接收换能器之间的声波传播时间，单位为秒（s）；/>为水下探测单元贯入沉积物中时，发射换能器与接收换能器之间的声波传播时间，单位为秒（s）。
沉积物的声衰减系数按下述公式计算：
式中：为频率为f的声波在沉积物中的衰减系数，单位为分贝每米（dB/m）；/>为沉积物中声波到达不同采集通道的信号幅度，单位为伏（V）；/>分别是所述装置近底与离底时在水体中的信号幅度，单位为伏（V）。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种海底底质测量装置，其特征在于，该装置包括：探头（1）、偏心探杆（2）、声学接收换能器阵（3）、泥温探针（4）、宽频声学发射换能器组（5）、支架平台（7）、电子仓（8）以及吊头（9）；
探头（1）连接在偏心探杆（2）的一端，偏心探杆（2）的另一端与支架平台（7）连接，声学接收换能器阵（3）嵌入安装在偏心探杆（2）的侧壁，宽频声学发射换能器组（5）与电子仓（8）安装在支架平台（7）上，吊头（9）位于支架平台（7）的顶端；
所述的探头（1）偏心且开口，作为采集海底沉积物样品的刀口；探头（1）上具有若干应变环，测量探头的贯入阻力；
所述的偏心探杆（2）具有偏心的取样孔（2.1），外壁设置第一凹槽（2.2）与第二凹槽（2.3），第一凹槽（2.2）放置声学接收换能器阵（3），第二凹槽（2.3）放置泥温探针（4），用于探测沉积物的温度，探杆壁设置若干浅槽，用于衰减通过探杆传播的声波；
所述的声学接收换能器阵（3）包括若干接收换能器，接收换能器的间距相等，其中相邻的接收换能器的极化方向相反；
所述宽频声学发射换能器组（5）中的声学发射换能器与声学接收换能器阵（3）构成纵向测量模式。
2.根据权利要求1所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，所述偏心探杆（2）设置位移传感器，获得探杆贯入沉积物中的深度。
3.根据权利要求1所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，所述的宽频声学发射换能器组（5），包括第一声学发射换能器（5.1）、第二声学发射换能器（5.2）、第三声学发射换能器（5.3）、第四声学发射换能器（5.4）以及第五声学发射换能器（5.5），所述第一声学发射换能器（5.1）为平面纵向发射换能器，所述第二声学发射换能器（5.2）、第三声学发射换能器（5.3）、第四声学发射换能器（5.4）以及第五声学发射换能器（5.5）为圆柱状径向发射换能器；五个声学发射换能器分别由多级电感构成不同组合的匹配阻抗，在多个频点驱动换能器工作，构成宽频测量模式。
4.根据权利要求3所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，所述第一声学发射换能器（5.1）、第二声学发射换能器（5.2）、第三声学发射换能器（5.3）、第四声学发射换能器（5.4）以及第五声学发射换能器（5.5），分别为谐振频率不同的声学换能器，能够独立工作或两只组合工作，形成和频与差频测量模式。
5.根据权利要求1所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，所述声学接收换能器阵（3）中每只接收换能器与前置放大器集成后封装成阵。
6.根据权利要求1所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，所述电子仓（8）通过调查船的同轴电缆或者光电复合缆与计算机连接，使用计算机对海底底质测量装置进行实时控制。
7.根据权利要求1所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，所述的支架平台（7）还能够安装声速仪、高度计、激光测距仪、姿态传感器、水下摄像机及闪光灯部件。
8.根据权利要求1所述的一种海底底质测量装置，其特征在于，支架平台（7）下方与偏心探杆（2）之间具有第一配重（6.1），用于调节整体装置的重量，并使得中心集中于偏心探杆（2）轴心，支架平台（7）上部具有第二配重（6.2），用于调节整体装置的平衡。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述海底底质测量装置的海底底质测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第1步，使用船载绞车的铠装同轴电缆或铠装光电复合缆连接海底底质测量装置与计算机；
第2步，将采样管装入偏心探杆（2）中，使用探头（1）卡住采样管；
第3步，使用船载绞车布放整体装置，在接近海底时，操作计算机使得所述装置开始工作，开启水下摄像机，观察海底底质，若底质为岩、砾或砂，则回收装置，更换作业站位后再布放所述装置，若底质为粘土或泥，则提升装置并保持在水中；
第4步，采集水中的声传播信号波形，然后加大绞车布放速度，使得探头（1）与偏心探杆（2）贯入沉积物中，操作计算机使得所述装置开始工作，采集沉积物中的声传播信号波形；
第5步，使用船载绞车回收所述装置，在远离海底时，操作计算机使得所述装置开始工作，再次采集水中的声传播信号波形；
第6步，使用绞车回收所述装置至其出水，放置甲板面，淡水冲洗，干燥通风存放；
第7步，使用第4步与第5步采集的水中声传播信号波形，结合声速仪采集的水中声速，获得发射换能器与接收换能器之间的距离；
第8步，使用第4步采集的沉积物中的声传播信号波形，利用第7步获得发射换能器与接收换能器之间的距离，计算沉积物的声速与声衰减系数。
10.根据权利要求9所述的海底底质测量方法，其特征在于，第4步中采集沉积物中的声传播信号波形时，分别使用连续脉冲、连续线性变化频率脉冲驱动发射换能器进行测量。
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