CN116643316B - 一种多功能可自由组合海底地震探测装置 - Google Patents

一种多功能可自由组合海底地震探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能可自由组合海底地震探测装置，涉及海洋地震观测技术领域，包括：舱体为密封结构，舱体为钛合金材质，且舱体为锻造冲孔后进行碾压轧制成型工艺进行加工而成，上法兰上安装有水听计、第一电源接口和信号传输密封接插件，舱体内安装有数字采集器、宽频带地震计、GPS和电子罗盘；宽频带地震计安装在常平机构上；电池密封舱内安装有可充电的锂电池，沉耦架设置于舱体下且与舱体能够拆卸地连接；脱钩机构安装于舱体顶部，同时兼备作为独立节点投放和可快速集成至海床基(或潜标)等同步布设功能；同时兼备长期充电后投放和现场作业快速换电功能；同时兼备独立采集自存储数据和独立采集实时传输数据功能。

Description

一种多功能可自由组合海底地震探测装置
技术领域
本发明涉及海洋地震观测技术领域，特别是涉及一种多功能可自由组合海底地震探测装置。
背景技术
海啸是人类面临的主要灾害之一，全球81％的海啸是地震引发，利用地震波传播快于海啸波～20倍的差异特性，通过海底地震先行观测实现海啸预警，可实时观测海底地震观测是海底地震海啸灾害预警的唯一装备。
因为海底地震观测需仪器记录与海底沉积层直接耦合的地震信号这一特殊探测要求，先后发展了海底电缆(OBC)地震探测装备、海底地震仪、组合式海底地震仪(或海底地震节点OBN)等设备，以直接沉底与海底沉积层耦合的方式记录地震动信号。这三种设备中，各具观测方式的技术优劣：海底电缆地震探测装备可实现实时数据采集，但无法装配宽频带地震计，且因施工特殊性，仅限于浅海主动源地震勘探用途；海底地震仪虽突破了布设海水深度限制，可作为单个节点独立投放和回收，但不具备实时数据传输和二次投放时快速换电功能；组合式海底地震仪可实现独立投放，但因无声学释放装置，需依赖缆绳或机器人实现布设，工作水深受限、无法实时传输数据和快速换电。
随着地震探测任务多元化、勘探对象复杂化、应用场景多样化的技术需求，亟需发展一种同时兼备作为独立节点投放和可快速集成至海床基(或潜标)等同步布设功能；同时兼备长期充电后投放和现场作业快速换电功能；同时兼备独立采集自存储数据和独立采集实时传输数据功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能可自由组合海底地震探测装置，以解决上述现有技术存在的问题，同时兼备作为独立节点投放和可快速集成至海床基(或潜标)等同步布设功能；同时兼备长期充电后投放和现场作业快速换电功能；同时兼备独立采集自存储数据和独立采集实时传输数据功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种多功能可自由组合海底地震探测装置，包括：舱体，常平机构，控制电路板、水声释放电路板、多个电池密封舱、多个浮体材料、沉耦架和脱钩机构，所述舱体为密封结构，所述舱体包括上法兰、下法兰，所述上法兰固定设置与所述舱体的顶部，所述下法兰固定设置于所述舱体的底部，所述舱体为钛合金材质，且所述舱体为锻造冲孔后进行碾压轧制成型工艺进行加工而成，所述上法兰上安装有水听计、第一电源接口和信号传输密封接插件，所述舱体内安装有数字采集器、宽频带地震计、网络通讯模块、GPS和电子罗盘；所述常平机构设置于所述舱体中，且通过常平支架固定在所述舱体底部的下法兰上，所述宽频带地震计安装在所述常平机构上；所述控制电路板和所述水声释放电路板固定在常平支架上；所述电池密封舱内安装有能够充电的锂电池，所述电池密封舱的顶部与上法兰能够拆卸地固定连接，所述电池密封舱的底部与所述下法兰能够爱拆卸地固定连接，各所述电池密封舱在所述舱体的外侧沿所述舱体的周向方向上设置，所述电池密封舱的顶部设置有第二电源接口，所述第二电源接口用于与所述第一电源接口电连接；所述浮体材料的顶部与上法兰能够拆卸地固定连接，所述浮体材料的底部与所述下法兰能够爱拆卸地固定连接，各所述浮体材料在所述舱体的外侧沿所述舱体的周向方向上设置；所述沉耦架设置于所述舱体下且与所述舱体能够拆卸地连接；所述脱钩机构安装于所述舱体顶部。
优选的，所述上法兰和所述下法兰通过螺钉压紧O型圈来密封所述舱体。
优选的，所述宽频带地震计采用检波器加装自行研制的扩频电路设计而成。
优选的，所述上法兰设置成风扇结构，所述上法兰配备有多个安装孔和多个定位槽，所述安装孔和所述定位槽通过机械固定方式可匹配多种安装支架。
优选的，所述脱钩机构包括熔断丝、水声换能器和四个拉紧钢缆，一个所述拉紧钢缆用于将一个所述沉藕架的边角与舱体连接，所述水声换能器能够利用声呐设备产生电压使电腐蚀所述熔断丝，所述熔断丝断开后能够使四个所述拉紧钢缆掉落，从而使所述沉藕架与所述舱体脱离。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本专利发明了一种多功能可自由组合海底地震探测装置，该装置兼备数据自采集自存储、自采集实时传输功能，兼备快速接插拔式更换电池功能，兼备独立声学释放或搭载其他平台实现释放回收功能，兼备高频地震计和宽频带地震计任意配置功能。综合而言，该地震观测装置具备自存储或实传、快速换电、独立投放或搭载集成多种功能，同时整套装置多个部件对外具有高度自由组合特性，无需打开或改变部件外形、更改部件接口，可将海底地震采集舱体直接与具有实施传输功能的海底潜标系统直接通过接插件自由组合，通过接插件实现供电和通讯功能；电池舱可根据地震探测需求更换、增加或减少，以实现最佳组合；采集舱体内部可根据探测地震频带范围需求，任意选择装配宽频带地震计或高频地震计，无需更改舱体主体结构和接口。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的多功能可自由组合海底地震探测装置的舱体的整体示意图；
图2为本发明的多功能可自由组合海底地震探测装置的外置电池密封舱结构示意图；
图3为本发明的多功能可自由组合海底地震探测装置的自沉浮式外观结构示意图；
图4为本发明的一种多功能可自由组合海底地震探测装置的舱体的内部结构示意图；
图中：1、信号传输密封接插件；2、浮体材料固定孔；3、第一电源接口；4、上法兰；5、水听计；6、舱体；7、下法兰；8、安装固定孔；9、可充电锂电池；11、第二电源接口；12、电池舱密封盖；13、电池舱浮体材料；14、密封电池舱；15、浮体材料；16、沉耦架；17、熔断丝；18、极板；19、支撑底座；20、脱钩转轴；21、水声换能器；22、脱钩器支架；23、拉紧钢缆；24、水声释放电路板；25、控制电路板；26、宽频带地震计；27、常平机构；28、常平支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多功能可自由组合海底地震探测装置，以解决上述现有技术存在的问题，同时兼备作为独立节点投放和可快速集成至海床基(或潜标)等同步布设功能；同时兼备长期充电后投放和现场作业快速换电功能；同时兼备独立采集自存储数据和独立采集实时传输数据功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种多功能可自由组合海底地震探测装置，如图1～4所示，作为实时传输用海底地震仪时，外部结构包括舱体6、上法兰4和下法兰7，舱体6采用外部供电的金属舱体6，具有体积小、功耗低、操作方便等特点，舱体6采用钛合金外壳，耐腐蚀、防碰撞，投放时将多功能可自由组合海底地震探测装置放置于固定架内，投入到海底预先选定的位置，通过信号传输密封接插件1和外置电源接口，实现舱体6内各个仪器供电与数据实时传输，内部装有常平机构27用于宽频带地震计26姿态的调平，常平机构27设置于所述舱体中，且通过常平支架28固定在舱体6底部的下法兰上，所述宽频带地震计安装在常平机构27上。
其中，舱体6设计满足海底地震探测强耦合、弱噪声干扰的技术设计，舱体6加工工艺采用锻造冲孔后进行碾压轧制成型工艺进行加工，经过加热锻造后能改善其组织结构和力学性能，材料、能源消耗低、综合成本低，耐冲击能力强，保证了舱体6批量生产应用的经济性。舱体6顶部留有不同功能的配件安装孔，用来安装水听计5、密封接插件、观察孔等，均需满足1000m水深的耐压强度。
实时传输式金属舱体6海底地震探测装置整体为一个密封的钛合金金属舱，考虑到密封问题，对外只保留了一个指示灯的显示孔，指示灯用于显示仪器状态。设计采用了共阳极三色LED灯，完成各种状态的指示。红色灯为PPS指示灯，绿色灯为SD卡写卡灯，蓝色灯为状态转换指示灯。
上法兰4采用易组装、易搬运的风扇结构设计，不仅可以保护接插件和水听计5，也易于与其它结构连接，便于搬运。这样的结构既不影响内部整体的均匀布局，又减少了海上施工难度。
舱体6与内部一体化结构是通过下法兰7上的固定螺纹孔固定，内部一体化组装包含数字采集器、全角检波器、网络通讯模块、GPS、电子罗盘，地震计采用检波器加装自行研制的扩频电路设计而成，可同时兼容宽频带地震计26与高频地震计。
即根据仪器留海观测时长需求差异，可提前自由选择配置外接密封电池舱14的数量。同时，对于已经制备完成的装置，可通过备份相同配置参数的外置密封电池舱14，舱体上设置有第一电源接口3，密封电池舱14上设置有第二电源接口11，第一电源接口3和第二电源接口11基于直接插拔的方式实现，实现野外作业过程中仪器快速换电，将可充电锂电池9放入密封电池舱14内，密封电池舱14的电池舱密封盖12压紧o型圈密封的方式密封；将密封电池舱14固定在电池舱浮体材料13内；将浮体材料15和电池舱浮体材料13分别装在舱体6四周，上下各有两个螺钉固定，密封电池舱14上设置有安装固定孔8，舱体6的上法兰上设置有浮体材料固定孔2。
用螺钉将水声换能器21和脱钩机构固定在舱体6顶部；脱钩机构包括熔断丝17、极板18、支撑底座19、脱钩转轴20、水声换能器21、脱钩器支架22和拉紧钢缆23，拉紧四根拉紧钢缆23将仪器整体固定在沉耦架16上；待仪器回收时，用声呐设备呼叫仪器的水声换能器21，仪器释放系统向外部提供电压，电腐蚀使熔断丝17断开后，舱体6与沉藕架的四根拉紧钢缆23掉落后，仪器利用浮力材料浮力自主上浮，仪器释放系统包括水声释放电路板24和控制电路板25。
电子线路与软件架构采用已较为成熟的沉浮式海底地震仪数据采集方案，软、硬件方案是将原有成熟的基于ARM7内核单片机海底地震采集系统移植到性能更高、功耗更低的Cortex-M3内核单片机系统。采用该方案可以充分继承前期的研制成果，缩短研制周期、降低研制风险、节约研制成本，同时仪器的性能得到了升级，保证了装备的先进性。
多功能可自由组合海底地震探测装置与传统的单舱球的海底地震仪相比，具有可搭载至其他任一海底探测平台(如海底潜标、海底着陆器、海底接驳盒等)、或配置浮力材料与释放器后自成一体、支持实时数据传输的优势。根据海底测试区域和需求的不同，灵活的选择自沉浮式或者实时传输的工作方式，通过安装浮力材料和释放装置，可形成独立的海底地震仪设备，通过自沉浮式工作方式实现野外投放与回收作业；通过与海底接驳盒等探测平台安装集成，通过接插件直接与平台连接后，可实现实时传输工作模式，实时收集海底地振动数据。两种工作方式均具安装简单、易操作的特征。该装置无需额外改造，即可自由实现两种方式切换。
使用动态过程：
搭载式实时海底地震探测方式：一种多功能可自由组合海底地震探测装置在作为实时传输宽频带海底地震仪使用时在下海前固定在搭载平台的支架上，通过多功能盒对钟，每台仪器自动对上GPS信号进入采集模式，随后选择好投放地点和方位，把仪器投放在所在的位置，时时观察并记录数据供分析和研究。
独立节点式自存储海底地震探测方式：一种多功能可自由组合海底地震探测装置在作为沉浮式宽频带海底地震仪使用时，将浮体材料15和密封电池舱14固定在舱体6周围，顶部安装脱钩机构，用四根拉紧钢缆23拉进，固定在沉耦架16上。然后通过多功能盒提供的外部GPS秒脉冲信号，标定仪器内部时钟实现对钟，仪器对钟完成后自动进入采集模式，吊车吊起整机，投放到海里指定作业点位，自由落体沉入海底。待仪器回收时，用声呐设备呼叫仪器的水声换能器21，仪器释放系统向外部提供电压，电腐蚀熔断钢丝后，连接仪器与沉藕架的四根拉紧钢缆23掉落后，仪器利用浮力材料浮力自主上浮。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种多功能可自由组合海底地震探测装置，其特征在于：包括：
舱体，所述舱体为密封结构，所述舱体包括上法兰、下法兰，所述上法兰固定设置与所述舱体的顶部，所述下法兰固定设置于所述舱体的底部，所述舱体为钛合金材质，且所述舱体为锻造冲孔后进行碾压轧制成型工艺进行加工而成，所述上法兰上安装有水听计、第一电源接口和信号传输密封接插件，所述舱体内安装有数字采集器、宽频带地震计、网络通讯模块、GPS和电子罗盘；
常平机构，所述常平机构设置于所述舱体中，且通过常平支架固定在所述舱体底部的下法兰上，所述宽频带地震计安装在所述常平机构上；
控制电路板和水声释放电路板，所述控制电路板和所述水声释放电路板固定在常平支架上；
多个电池密封舱，所述电池密封舱内安装有能够充电的锂电池，所述电池密封舱的顶部与上法兰能够拆卸地固定连接，所述电池密封舱的底部与所述下法兰能够拆卸地固定连接，各所述电池密封舱在所述舱体的外侧沿所述舱体的周向方向上设置，所述电池密封舱的顶部设置有第二电源接口，所述第二电源接口用于与所述第一电源接口电连接；
多个浮体材料，所述浮体材料的顶部与上法兰能够拆卸地固定连接，所述浮体材料的底部与所述下法兰能够拆卸地固定连接，各所述浮体材料在所述舱体的外侧沿所述舱体的周向方向上设置；
沉耦架，所述沉耦架设置于所述舱体下且与所述舱体能够拆卸地连接；
脱钩机构，所述脱钩机构安装于所述舱体顶部。
2.根据权利要求1所述的多功能可自由组合海底地震探测装置，其特征在于：所述上法兰和所述下法兰通过螺钉压紧O型圈来密封所述舱体。
3.根据权利要求1所述的多功能可自由组合海底地震探测装置，其特征在于：所述宽频带地震计采用检波器加装自行研制的扩频电路设计而成。
4.根据权利要求1所述的多功能可自由组合海底地震探测装置，其特征在于：所述上法兰设置成风扇结构，所述上法兰配备有多个安装孔和多个定位槽，所述安装孔和所述定位槽通过机械固定方式可匹配多种安装支架。
5.根据权利要求1所述的多功能可自由组合海底地震探测装置，其特征在于：所述脱钩机构包括熔断丝、水声换能器和四个拉紧钢缆，一个所述拉紧钢缆用于将一个所述沉藕架的边角与舱体连接，所述水声换能器能够利用声呐设备产生电压使电腐蚀所述熔断丝，所述熔断丝断开后能够使四个所述拉紧钢缆掉落，从而使所述沉藕架与所述舱体脱离。
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