CN116754491B - 动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置及其工作方法，装置激光发射器接头连接着球形齿轮，可以灵活调整激光照射源和阵列超声换能器的位置，使原位监测装置平台的姿态在原位倾斜、移动和沉降过程中保持监测系统相关仪器构件垂向稳定性，提高了图像垂直分辨率。设计可伸缩抓手固定桩具有快速扎入海床和固土作用，防沉挡板利用其下压力，使得土体完成重固结，海底土强度增加，可伸缩抓手固定桩的固块能力增强。通过球面齿轮调节激光光源始终竖向照射目标区域进行圆形层析面投影，形成横向的二维圆形切片成像。监测系统相关的仪器构件沿着螺杆滑轨的方向上下运动，可以进行地层剖面的内部构造和阴影纹理等三维立体柱状成像。
Description
技术领域
本发明涉及海底滑坡监测技术领域，具体而言，特别涉及一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置及其工作方法。
背景技术
海底滑坡是破坏性最大的海洋地质灾害之一，由于地质构造运动、气体、波流以及人类活动等内外触发因素，导致水下斜坡中固结松散的沉积物或存在软弱层的岩土体沿易破坏斜坡面发生滑动的现象。当大量沉积物和岩石滑移时，会产生强大的水下冲击波，破坏海上石油钻井平台、管道等基础设施。碎屑流和沉积物还会掩埋或损坏水下电缆，大型的海底滑坡甚至引发灾难性的地震和海啸，从而产生严重的人员伤亡和巨大的经济损失。
近几十年来，针对海底滑坡监测技术不断发展，海底重力测量、电磁探测技术、声学成像技术等海底滑坡原位调查手段被发现和发展，并产生了一定的监测效果。目前针对海底滑坡的探测仪器和设备较少，采用人工方式的定点投放回收、观测和记录工作量大，工作效率低。光波和电磁波的衰减严重，传播距离非常有限，且受到海水盐度和温度的影响，从而导致测量数据不精确。纯声学技术受水下环境和海洋生物活动等影响，易受到噪声干扰，所测图像的分辨率和清晰度不能得到保证。
随着海底工程的不断建设以及人类活动范围延伸到深海，海底滑坡的监测对滑坡灾害防治预警的研究具有重要意义。
目前的现有技术方案中存在以下缺陷:
1.海底重力测量:将重力仪安放在调查船上或经过密封后放置于海底进行观测，以确定海底地壳各种岩层质量分布的不均匀性。但测量技术存在以下缺陷：1）分辨率低:可以提供海底的一般形状和结构的信息，但当涉及到小尺度的特征，如水下滑坡或精细尺度的海底地形时，它的分辨率有限。2）工作效率低:海底重力测量可能需要很长时间才能完成，特别是在海底地形复杂或有其他环境因素会影响测量精度的地区。
2.电磁探测技术：利用海底岩矿石的导电性、导磁性和介电性的差异,应用电磁感应原理,以检测沉积物电磁特性的变化，电磁特性的变化可以指示海底滑坡的发生或滑坡发生的可能性。但该技术测量环境影响程度大：受到海水盐度和温度的影响，导致测量数据不精确。
3.声学成像技术：基于水声学原理，利用阵列换能器将控制信号转换为不同频率声波信号向水下发射发生反射或散射，最终通过图形显示技术将海底地层剖面呈现出来。但该技术存在姿态角度误差：受到发射和接受水声信号的设备和仪器与所测区域的位置角度的相对关系，声波能量接收不完全，重建图像中存在偏差视角带来的图像伪影等问题。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置及其工作方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置，包括水平钢架以及在其两侧垂直向下固定安装的竖向钢架，竖向钢架分别为左右两部的第一竖向钢架和第二竖向钢架，其中，水平钢架的上表面中部固定安装有四个锚定连接杆，水平钢架的上表面左右两端固定安装有步进电机；
第一竖向钢架和第二竖向钢架之间设置有方形承台，方形承台左右两端的中部垂直分别贯穿连接有螺杆滑轨，第一竖向钢架和第二竖向钢架的结构呈镜像对称结构，螺杆滑轨的上端连接步进电机的输出端，螺杆滑轨的下端通过连接轴承固定安装在第一竖向钢架内，螺杆滑轨的前后两侧装配有导向滑杆，导向滑杆垂直贯穿连接方形承台上，且导向滑杆上下两端固定安装在竖向钢架内，方形承台通过螺杆滑轨和导向滑杆进行升降运动；
方形承台的上表面固定安装有密封壳体，方形承台的下表面固定安装有球形齿轮组壳体，球形齿轮组壳体下方活动安装有激光照射源，激光照射源包括可调谐激光器、二向色镜、光束均质器和可变扩束镜；密封壳体的内部设有数据采集控制系统包括模数变换器、光声信号放大器、数据监测模块、控制模块、存储器、电源，球形齿轮组壳体内部装配有第一齿轮、第二齿轮、曲面从动齿轮、第一步进电机、第二步进电机和球面齿轮，球面齿轮的上部左右两侧分别与有第一齿轮、第二齿轮啮合传动连接，第一步进电机、第二步进电机的输出端分别带动连接第一齿轮和第二齿轮，曲面从动齿轮啮合传动连接在球面齿轮的下部，球面齿轮的底端垂直向下固定安装有可调谐激光器，可调谐激光器的前端依次前置安装有二向色镜、光束均质器和可变扩束镜，可调谐激光器后端通过不锈钢筒垂直向下固定安装在球面齿轮的底端，不锈钢筒两侧对称连接着中空的悬臂杆，每支悬臂杆端部连接着阵列超声换能器；悬臂杆的内部装有单模光纤，单模光纤一端电性连接阵列超声换能器，单模光纤的另一端电性连接密封壳体的内部数据采集控制系统；
第一竖向钢架和第二竖向钢架的下端外壁上各布置一个防沉挡板，防沉挡板的中心位置上贯穿安装有可伸缩抓手固定桩，可伸缩抓手固定桩的顶部安装有振动器，可伸缩抓手固定桩包括可伸缩抓手固定桩壳体，可伸缩抓手固定桩壳体内部自上至下装有第三步进电机、螺旋丝杆、导向拉杆和轴承，螺旋丝杆的顶端与第三步进电机的输出端连接，螺旋丝杆的底端连接轴承，螺旋丝杆上套装有螺旋套筒的外侧固定安装有活动铰链，活动铰链铰接有刺刀抓手，刺刀抓手上开设有长条形的导向槽，导向拉杆固定安装在可伸缩抓手固定桩壳体内的中部，且导向拉杆贯穿安装在导向槽内；
锚定连接杆活动连接有用于连接ROV或AUV的活动卡口，锚定连接杆和活动卡口组成锚定连接机构。
作为优选方案，水平钢架分别与第一竖向钢架和第二竖向钢架通过加强角固定连接。
作为优选方案，阵列超声换能器具有64个阵列元。
作为优选方案，可伸缩抓手固定桩壳体的底端为圆锥形。
一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置的工作方法,其特征在于,具体包括以下步骤：
步骤S1、装置率定：对当地沉积物进行柱状采样，率定可调谐激光器的输出波长，得到沉积物相对应的可测波长值，为测区所需激光相关参数值提供参照；
步骤S2、装置投放：采集观测区海底滑坡的规模参数，按照预期的观测位置进行海底滑坡监测装置的区域性布设；海底滑坡监测装置通过锚定连接机构与ROV或AUV进行连接，连接状态检查正常后，搭载ROV或AUV运送到指定位置；待海底滑坡监测装置基本在海床面悬停静止，开启振动器，可伸缩抓手固定桩由于振动液化原理下沉，下沉到防沉挡板与海底面齐平，海底滑坡监测装置稳定在海床面，振动器停止工作，同时伸出刺刀抓手，锚定连接机构进行解锁，ROV或AUV与监测装置脱离，完成监测装置投放工作，回收ROV或AUV；
步骤S3、装置作业：可调谐激光器发射光线，通过二向色镜和光束均质器输出范围稳定的光波长和分布均匀的光强度，照射目标区域，使用可变扩束镜调节激光光源照射范围，目标区域沉积物和水体吸收光能，从而升温，导致他们膨胀和收缩，膨胀和收缩产生的压力波并产生特定的光声信号；两个具有64个阵列元阵列超声换能器围绕激光照射源同轴旋转180°，形成一个圆柱形检测矩阵曲面，单个传感器单元可以接收一个锥形区域，配合螺杆滑轨，进行多个位置和角度定点扫描，接收相应的光声信号，将其通讯传输至超声主机；在光声信号采集电路中，中空的悬臂杆内的单模光纤另一端连接至密封壳体内部的数据采集控制系统中光声信号放大器和采集电路，完成数据采集；使用时间门控，将每个测量周期划分为多个阶段，将特定阶段的所有数据进行整理，从而得到所测区域地层形态三维立体柱形成像；同时，海底滑坡监测装置上的方形承台沿着螺杆滑轨的方向上下运动，获取地层剖面的内部构造和阴影纹理等三维立体柱形成像的数据；
步骤S4、装置回收：监测工作完成后，投放ROV或AUV，下潜至装置位置，与装置锚定连接成功，可伸缩抓手固定桩收回刺刀抓手，打开振动器，同时ROV或AUV上浮，使可伸缩抓手固定桩脱离海床，振动器停止工作，ROV或AUV将装置运送至回收点。
步骤S5、通过visualstudio以及VTK工具包处理所收集数据信息可进行三维图像可视化构建。
作为优选方案，步骤S3中三维立体成像的数据获取方法具体包括以下步骤：
步骤S3-1、表面成像：通过调节阵列超声换能器与海床的相对高度以及可调谐激光器的功率，获取感兴趣海底表层形态、表面特征及空间关系的相关数据；
步骤S3-2、剖面成像：通过球面齿轮调节可调谐激光器的激光光源始终竖向照射目标区域，进行圆形层析面投影，形成横向的二维圆形切片成像。
作为优选方案，步骤S3中在长时间的监测过程中，若海底滑坡监测装置在海底斜坡上，发生了较大倾斜，通过控制模块对第一齿轮、第二齿轮、曲面从动齿轮和球面齿轮联动调节，及时进行海底滑坡监测装置的仪器构件的位置纠偏，使得海底滑坡监测装置的仪器构件始终竖直向下。
本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：
（1）竖直稳定性高：装置激光发射器接头连接着球形齿轮，可以灵活调整激光照射源和阵列超声换能器的位置，使原位监测装置平台的姿态在原位倾斜、移动和沉降过程中保持监测系统相关仪器构件垂向稳定性，有效改善现有的原位监测技术重建图像中存在偏差视角带来的图像伪影等问题，提高了图像垂直分辨率。
（2）高分辨率：以阵列超声换能器12探测光声波代替光学成像中的光子检测，从原理上避开了光学散射的影响，可以提供高对比度和高分辨率的物体影像。
(3) 固定性强:设计可伸缩抓手固定桩具有快速扎入海床和固土作用，起初振动器利用振动力使土体松动，使得可伸缩抓手固定桩以较快的速度进入海床，待防沉挡板与海底面齐平，关闭振动器，伸出刺刀抓手，下沉阶段结束。防沉挡板利用其下压力，使得土体完成重固结，海底土强度增加，可伸缩抓手固定桩的固块能力增强。
(4) 无损三维柱状取样: 通过球面齿轮调节激光光源始终竖向照射目标区域进行圆形层析面投影，形成横向的二维圆形切片成像。与此同时，监测系统相关的仪器构件沿着螺杆滑轨的方向上下运动，可以进行地层剖面的内部构造和阴影纹理等三维立体柱状成像。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明光声信号采集及图像显示的示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为球形齿轮组和阵列超声换能器处的剖面示意图；
图4为锚定连接机构的局部剖面示意图；
图5为可伸缩抓手固定桩的局部剖面示意图，
其中，图1至图5中附图标记与部件之间的对应关系为：
1.锚定连接杆，2.步进电机，3.螺杆滑轨，4.方形承台，5.导向滑杆，6.振动器，7.防沉挡板，8.可伸缩抓手固定桩，9.密封壳体，10.球形齿轮组壳体，11.激光照射源，12.阵列超声换能器，13.水平钢架，14.第一竖向钢架，15.第二竖向钢架，1001.第一步进电机，1002.第一齿轮，1003.曲面从动齿轮，1004.可调谐激光器，1005.二向色镜，1006.光束均质器，1007.可变扩束镜1008.第二齿轮，1009.球面齿轮，1010.悬臂杆，1011.第二步进电机，1012不锈钢筒，101.活动卡口，801.第三步进电机，802.螺旋丝杆，803.导向拉杆，804.轴承，805.螺旋套筒，806.活动铰链，807.刺刀抓手，808.导向槽，809.可伸缩抓手固定桩壳体。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合图1至图5对本发明的实施例的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置及其工作方法进行具体说明。
如图2所示，本发明提出了一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置，包括水平钢架13以及在其两侧垂直向下固定安装的竖向钢架，竖向钢架分别为左右两部的第一竖向钢架14和第二竖向钢架15，其中，水平钢架13的上表面中部固定安装有四个锚定连接杆1，水平钢架13的上表面左右两端固定安装有步进电机2；
第一竖向钢架14和第二竖向钢架15之间设置有方形承台4，方形承台4左右两端的中部垂直分别贯穿连接有螺杆滑轨3，第一竖向钢架14和第二竖向钢架15的结构呈镜像对称结构，以第一竖向钢架14为例，螺杆滑轨3的上端连接步进电机2的输出端，螺杆滑轨3的下端通过连接轴承固定安装在第一竖向钢架14内，螺杆滑轨3的前后两侧装配有导向滑杆5，导向滑杆5垂直贯穿连接方形承台4上，且导向滑杆5上下两端固定安装在竖向钢架内，方形承台4通过螺杆滑轨3和导向滑杆5进行升降运动，方形承台4用于承重，以及使用高性能光学吸光涂料的聚酯纤维吸声板材质，避免光和声波反向传播，消除监测数据误差。
方形承台4的上表面固定安装有密封壳体9，方形承台4的下表面固定安装有球形齿轮组壳体10，球形齿轮组壳体10下方活动安装有激光照射源11，激光照射源11包括可调谐激光器1004、二向色镜1005、光束均质器1006和可变扩束镜1007；密封壳体9的内部设有数据采集控制系统包括模数变换器、光声信号放大器、数据监测模块、控制模块、存储器、电源，如图2所示，球形齿轮组壳体10内部装配有第一齿轮1002、第二齿轮1008、曲面从动齿轮1003、第一步进电机1001、第二步进电机1011和球面齿轮1009，球面齿轮1009的上部左右两侧分别与有第一齿轮1002、第二齿轮1008啮合传动连接，第一步进电机1001、第二步进电机1011的输出端分别带动连接第一齿轮1002和第二齿轮1008，以不同的角度为球面齿轮1009提供动力，曲面从动齿轮1003啮合传动连接在球面齿轮1009的下部，为球面齿轮1009提供一个稳定的位置支持面，配合球面齿轮1009、第一齿轮1002和第二齿轮1008的运动状态。第一齿轮1002、第二齿轮1008、曲面从动齿轮1003、球面齿轮1009可以灵活调整激光照射源11和阵列超声换能器12的位置，使原位监测装置平台的姿态在原位倾斜、移动和沉降过程中保持监测接发构件垂向稳定性。球面齿轮1009的底端垂直向下固定安装有可调谐激光器1004，可提供不同波长的照射激光光源。可调谐激光器1004的前端依次前置安装有二向色镜1005、光束均质器1006和可变扩束镜1007，二向色镜1005对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。光束均质器1006可使得光强度分布均匀。可变扩束镜1007使激光光源照射范围扩大或者缩小。可调谐激光器1004后端通过不锈钢筒1012垂直向下固定安装在球面齿轮1009的底端，不锈钢筒1012两侧对称连接着中空的悬臂杆1010，每支悬臂杆1010端部连接着阵列超声换能器12；在球面齿轮1009带动下，两个阵列超声换能器12围绕激光照射源11同轴旋转180°以及进行竖直方向的纠偏运动。监测系统相关仪器构件包括激光照射源11和阵列超声换能器12。悬臂杆1010的内部装有单模光纤，单模光纤一端电性连接阵列超声换能器12，单模光纤的另一端电性连接密封壳体9的内部数据采集控制系统；
第一竖向钢架14和第二竖向钢架15的下端外壁上各布置一个防沉挡板7，防沉挡板7用于防止监测装置过度下沉。防沉挡板7的中心位置上贯穿安装有可伸缩抓手固定桩8，可伸缩抓手固定桩将监测装置牢牢固定在所测区域海床上。可伸缩抓手固定桩8的顶部安装有振动器6，如图5所示，可伸缩抓手固定桩8包括可伸缩抓手固定桩壳体809，可伸缩抓手固定桩壳体809内部自上至下装有第三步进电机801、螺旋丝杆802、导向拉杆803和轴承804，螺旋丝杆802的顶端与第三步进电机801的输出端连接，螺旋丝杆802的底端连接轴承804，螺旋丝杆802上套装有螺旋套筒805的外侧固定安装有活动铰链806，活动铰链806铰接有刺刀抓手807，刺刀抓手807上开设有长条形的导向槽808，导向拉杆803固定安装在可伸缩抓手固定桩壳体809内的中部，且导向拉杆803贯穿安装在导向槽808内；导向拉杆803控制导向槽808的位置走向，螺旋套筒805沿着螺旋丝杆802向上运动回收刺刀抓手807至可伸缩抓手固定桩壳体809内，向下运动伸出刺刀抓手807至可伸缩抓手固定桩壳体809外。
如图4所示，锚定连接杆1活动连接有用于连接ROV或AUV的活动卡口101，活动卡口101位于ROV或AUV底部位置，与监测装置上的四个锚定连接杆1位置分布相对应，锚定连接杆1和活动卡口101组成锚定连接机构。
优选地，水平钢架13分别与第一竖向钢架14和第二竖向钢架15通过加强角固定连接。
优选地，阵列超声换能器12具有64个阵列元。
优选地，可伸缩抓手固定桩壳体809的底端为圆锥形。
一种动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置的工作方法,其特征在于,具体包括以下步骤：
步骤S1、装置率定：对当地沉积物进行柱状采样，率定可调谐激光器1004的输出波长，得到沉积物相对应的可测波长值，为测区所需激光相关参数值提供参照；
步骤S2、装置投放：采集观测区海底滑坡的规模参数，按照预期的观测位置进行海底滑坡监测装置的区域性布设；海底滑坡监测装置通过锚定连接机构与ROV或AUV进行连接，连接状态检查正常后，搭载ROV或AUV运送到指定位置；待海底滑坡监测装置基本在海床面悬停静止，开启振动器6，可伸缩抓手固定桩8由于振动液化原理下沉，下沉到防沉挡板7与海底面齐平，海底滑坡监测装置稳定在海床面，振动器6停止工作，同时伸出刺刀抓手807，防沉挡板7起到阻止监测装置过度下沉的效果，锚定连接机构进行解锁，ROV或AUV与监测装置脱离，完成监测装置投放工作，回收ROV或AUV；
步骤S3、装置作业：可调谐激光器1004发射光线，通过二向色镜1005和光束均质器1006输出范围稳定的光波长和分布均匀的光强度，照射目标区域，使用可变扩束镜1007调节激光光源照射范围，目标区域沉积物和水体吸收光能，从而升温，导致他们膨胀和收缩，膨胀和收缩产生的压力波并产生特定的光声信号；两个具有64个阵列元阵列超声换能器12围绕激光照射源11同轴旋转180°，形成一个圆柱形检测矩阵曲面，单个传感器单元可以接收一个锥形区域，配合螺杆滑轨3，进行多个位置和角度定点扫描，接收相应的光声信号，如图1所示，将其通讯传输至超声主机，超声主机再通讯传输至显示设备；在光声信号采集电路中，中空的悬臂杆1010内的单模光纤另一端连接至密封壳体9内部的数据采集控制系统中光声信号放大器和采集电路，完成数据采集；使用时间门控，将每个测量周期划分为多个阶段，将特定阶段的所有数据进行整理，从而得到所测区域地层形态三维立体柱形成像；
三维立体成像的数据获取方法包括以下2种方式：
1.表面成像：通过调节阵列超声换能器12与海床的相对高度以及可调谐激光器1004的功率，获取感兴趣海底表层形态、表面特征及空间关系的相关数据；
2.剖面成像：通过球面齿轮1009调节可调谐激光器1004的激光光源始终竖向照射目标区域，进行圆形层析面投影，形成横向的二维圆形切片成像。
同时，海底滑坡监测装置上的方形承台4沿着螺杆滑轨3的方向上下运动，获取地层剖面的内部构造和阴影纹理等三维立体柱形成像的数据；
在长时间的监测过程中，若海底滑坡监测装置在海底斜坡上，发生了较大倾斜，通过控制模块对第一齿轮1002、第二齿轮1008、曲面从动齿轮1003和球面齿轮1009联动调节，及时进行海底滑坡监测装置的仪器构件的位置纠偏，使得海底滑坡监测装置的仪器构件始终竖直向下，尽可能多的收集沉积物发出的光声信号相关数据。
步骤S4、装置回收：监测工作完成后，投放ROV或AUV，下潜至装置位置，与装置锚定连接成功，可伸缩抓手固定桩8收回刺刀抓手807，打开振动器6，同时ROV或AUV上浮，使可伸缩抓手固定桩8脱离海床，振动器6停止工作，ROV或AUV将装置运送至回收点。
步骤S5、通过visualstudio以及VTK工具包处理所收集数据信息可进行三维图像可视化构建。
在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置，包括水平钢架（13）以及在其两侧垂直向下固定安装的竖向钢架，竖向钢架分别为左右两部的第一竖向钢架（14）和第二竖向钢架（15），其特征在于,所述水平钢架（13）的上表面中部固定安装有四个锚定连接杆（1），水平钢架（13）的上表面左右两端固定安装有步进电机（2）；
所述第一竖向钢架（14）和第二竖向钢架（15）之间设置有方形承台（4），方形承台（4）左右两端的中部垂直分别贯穿连接有螺杆滑轨（3），第一竖向钢架（14）和第二竖向钢架（15）的结构呈镜像对称结构，螺杆滑轨（3）的上端连接步进电机（2）的输出端，螺杆滑轨（3）的下端通过连接轴承固定安装在第一竖向钢架（14）内，螺杆滑轨（3）的前后两侧装配有导向滑杆（5），导向滑杆（5）垂直贯穿连接方形承台（4）上，且导向滑杆（5）上下两端固定安装在竖向钢架内，方形承台（4）通过螺杆滑轨（3）和导向滑杆（5）进行升降运动；
所述方形承台（4）的上表面固定安装有密封壳体（9），方形承台（4）的下表面固定安装有球形齿轮组壳体（10），球形齿轮组壳体（10）下方活动安装有激光照射源（11），激光照射源（11）包括可调谐激光器（1004）、二向色镜（1005）、光束均质器（1006）和可变扩束镜（1007）；密封壳体（9）的内部设有数据采集控制系统包括模数变换器、光声信号放大器、数据监测模块、控制模块、存储器、电源，球形齿轮组壳体（10）内部装配有第一齿轮（1002）、第二齿轮（1008）、曲面从动齿轮（1003）、第一步进电机（1001）、第二步进电机（1011）和球面齿轮（1009），球面齿轮（1009）的上部左右两侧分别与有第一齿轮（1002）、第二齿轮（1008）啮合传动连接，第一步进电机（1001）、第二步进电机（1011）的输出端分别带动连接第一齿轮（1002）和第二齿轮（1008），曲面从动齿轮（1003）啮合传动连接在球面齿轮（1009）的下部，球面齿轮（1009）的底端垂直向下固定安装有可调谐激光器（1004），可调谐激光器（1004）的前端依次前置安装有二向色镜（1005）、光束均质器（1006）和可变扩束镜（1007），可调谐激光器（1004）后端通过不锈钢筒（1012）垂直向下固定安装在球面齿轮（1009）的底端，不锈钢筒（1012）两侧对称连接着中空的悬臂杆（1010），每支悬臂杆（1010）端部连接着阵列超声换能器（12）；悬臂杆（1010）的内部装有单模光纤，单模光纤一端电性连接阵列超声换能器（12），单模光纤的另一端电性连接密封壳体（9）的内部数据采集控制系统；
所述第一竖向钢架（14）和第二竖向钢架（15）的下端外壁上各布置一个防沉挡板（7），防沉挡板（7）的中心位置上贯穿安装有可伸缩抓手固定桩（8），可伸缩抓手固定桩（8）的顶部安装有振动器（6），可伸缩抓手固定桩（8）包括可伸缩抓手固定桩壳体（809），可伸缩抓手固定桩壳体（809）内部自上至下装有第三步进电机（801）、螺旋丝杆（802）、导向拉杆（803）和轴承（804），螺旋丝杆（802）的顶端与第三步进电机（801）的输出端连接，螺旋丝杆（802）的底端连接轴承（804），螺旋丝杆（802）上套装有螺旋套筒（805）的外侧固定安装有活动铰链（806），活动铰链（806）铰接有刺刀抓手（807），刺刀抓手（807）上开设有长条形的导向槽（808），导向拉杆（803）固定安装在可伸缩抓手固定桩壳体（809）内的中部，且导向拉杆（803）贯穿安装在导向槽（808）内；
所述锚定连接杆（1）活动连接有用于连接ROV或AUV的活动卡口（101），锚定连接杆（1）和活动卡口（101）组成锚定连接机构。
2.根据权利要求1所述的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置,其特征在于,所述水平钢架（13）分别与第一竖向钢架（14）和第二竖向钢架（15）通过加强角固定连接。
3.根据权利要求1所述的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置,其特征在于,所述阵列超声换能器（12）具有64个阵列元。
4.根据权利要求1所述的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置,其特征在于,所述可伸缩抓手固定桩壳体（809）的底端为圆锥形。
5.如权利要求1-4之一所述的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置的工作方法,其特征在于,具体包括以下步骤：
步骤S1、装置率定：对当地沉积物进行柱状采样，率定可调谐激光器（1004）的输出波长，得到沉积物相对应的可测波长值，为测区所需激光相关参数值提供参照；
步骤S2、装置投放：采集观测区海底滑坡的规模参数，按照预期的观测位置进行海底滑坡监测装置的区域性布设；海底滑坡监测装置通过锚定连接机构与ROV或AUV进行连接，连接状态检查正常后，搭载ROV或AUV运送到指定位置；待海底滑坡监测装置基本在海床面悬停静止，开启振动器（6），可伸缩抓手固定桩（8）由于振动液化原理下沉，下沉到防沉挡板（7）与海底面齐平，海底滑坡监测装置稳定在海床面，振动器（6）停止工作，同时伸出刺刀抓手（807），锚定连接机构进行解锁，ROV或AUV与监测装置脱离，完成监测装置投放工作，回收ROV或AUV；
步骤S3、装置作业：可调谐激光器（1004）发射光线，通过二向色镜（1005）和光束均质器（1006）输出范围稳定的光波长和分布均匀的光强度，照射目标区域，使用可变扩束镜（1007）调节激光光源照射范围，目标区域沉积物和水体吸收光能，从而升温，导致他们膨胀和收缩，膨胀和收缩产生的压力波并产生特定的光声信号；两个具有64个阵列元阵列超声换能器（12）围绕激光照射源（11）同轴旋转180°，形成一个圆柱形检测矩阵曲面，单个传感器单元可以接收一个锥形区域，配合螺杆滑轨（3），进行多个位置和角度定点扫描，接收相应的光声信号，将其传输至超声主机；在光声信号采集电路中，中空的悬臂杆（1010）内的单模光纤另一端连接至密封壳体（9）内部的数据采集控制系统中光声信号放大器和采集电路，完成数据采集；使用时间门控，将每个测量周期划分为多个阶段，将特定阶段的所有数据进行整理，从而得到所测区域地层形态三维立体柱形成像；同时，海底滑坡监测装置上的方形承台（4）沿着螺杆滑轨（3）的方向上下运动，获取地层剖面的内部构造和阴影纹理的三维立体柱形成像的数据；
步骤S4、装置回收：监测工作完成后，投放ROV或AUV，下潜至装置位置，与装置锚定连接成功，可伸缩抓手固定桩（8）收回刺刀抓手（807），打开振动器（6），同时ROV或AUV上浮，使可伸缩抓手固定桩（8）脱离海床，振动器（6）停止工作，ROV或AUV将装置运送至回收点；
步骤S5、通过visualstudio以及VTK工具包处理所收集数据信息可进行三维图像可视化构建。
6.根据权利要求5所述的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置的工作方法，其特征在于,所述步骤S3中三维立体成像的数据获取方法具体包括以下步骤：
步骤S3-1、表面成像：通过调节阵列超声换能器（12）与海床的相对高度以及可调谐激光器（1004）的功率，获取感兴趣海底表层形态、表面特征及空间关系的相关数据；
步骤S3-2、剖面成像：通过球面齿轮（1009）调节可调谐激光器（1004）的激光光源始终竖向照射目标区域，进行圆形层析面投影，形成横向的二维圆形切片成像。
7.根据权利要求5所述的动态无损柱状取样的海底块体滑坡监测装置的工作方法，其特征在于,所述步骤S3中在长时间的监测过程中，若海底滑坡监测装置在海底斜坡上，发生了较大倾斜，通过控制模块对第一齿轮（1002）、第二齿轮（1008）、曲面从动齿轮（1003）和球面齿轮（1009）联动调节，及时进行海底滑坡监测装置的仪器构件的位置纠偏，使得海底滑坡监测装置的仪器构件始终竖直向下，尽可能多的收集沉积物发出的光声信号相关数据。
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