CN208459327U - 海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置，包括搭载平台机构、布放机构、回收机构、沉积物原位声学测量机构、沉积物原位温度剖面测量机构；所述沉积物原位声学测量机构能够持续自主同步观测海底沉积物多个深度层的声学性质；所述温度剖面测量机构包含一条或多条相同的温度探杆，能够持续自主测量多个深度的沉积物温度。本实用新型的优点：能够开展长期定点连续观测，原位获得海底沉积物性质的时间变化规律；能够在复杂天气条件下于海底开展无需调查船干预的无人值守自容式观测；能够同步获取上下两层沉积物声学性质和多层沉积物温度剖面数据，可用以体现沉积物声学性质的分层变化以及揭示沉积物温度和声学性质的关系。

Description

海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种海底沉积物特性的原位测量装置，尤其涉及一种海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置，属于海洋环境监测技术领域。

背景技术

声学性质是海底沉积物的一种基本物理性质，海底沉积物的声学性质对于海洋水声传播和海洋要素声学反演具有重要作用。最新的研究结果表明，海底浅表层沉积物性质具有时变性，在台风、寒潮等剧烈天气过程中，海底浅表层沉积物性质在几天之内就能够发生显著变化。在2012年开展的现场观测发现，台风在几天之内能使底层水温显著升高（doi：10.1016/j.csr.2017.09.006），仿真结果显示底层水温的升高能够加热海底沉积物，从而使沉积物声学性质发生显著变化，并进而对声传播产生重要影响（doi: 10.1121/1.4962343），这一发现被认为是台风影响海洋声场的第二种途径，即通过影响海底沉积物性质来影响海洋声场（doi: 10.1063/PT.5.7302）。此外，还有研究显示寒潮也能使底层水温在几天之内发生显著上升（doi: 10.1007/s12601-015-0051-z），这种底层水温上升势必也会对沉积物声学性质产生影响。

利用潜标、海床基等针对水体性质的定点连续观测手段，人们很早就认识到了剧烈天气过程能够对水体性质产生显著影响。然而，长期以来鲜有针对海底沉积物声学性质的定点连续观测手段和观测结果的报道，因而无法用实测数据回答在剧烈天气过程中海底沉积物声学性质是否发生变化以及发生怎样的变化。根据前述最新研究进展，开发一套针对海底沉积物声学性质和温度的原位定点连续测量装置是回答天气过程如何影响海底沉积物声学性质的迫切需求。

近年来，国内公开了多项对于海底沉积物声学性质的原位观测的发明专利，如一种多频海底声学原位测试系统及方法（CN 1975328A）、一种海底底质声学参数原位测量系统（CN 102109343A）、海底沉积声学参数原位测量装置（CN 101975820A）、以及基于液压贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统（CN 101923073A）等。上述已有技术存在如下缺点：首先，这些手段都无法开展连续观测，在完成一次观测后就需要将设备回收至甲板重新设置以后才能开展第二次观测，但第二次下放至海底时，观测位置可能已经发生一定程度的改变；第二，只能依靠调查船开展观测，由于调查船往往无法在台风、寒潮等剧烈天气过程中作业，进而无法利用这些手段观测到海底沉积物在剧烈天气过程中发生的变化；第三，这些手段大多只能观测一个深度层的沉积物声学性质，无法体现沉积物声学性质随深度的变化；第四，这些手段都缺少同步的沉积物温度观测，无法体现沉积物温度变化和沉积物声学性质变化的关系。

发明内容

针对上述已有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置，该装置能够持续自主同步观测海底沉积物多个深度层的声学性质和温度剖面，不受台风、寒潮等剧烈天气过程的影响，为揭示海底沉积物在剧烈天气过程中声学性质和温度剖面的变化提供实测数据。

为达到上述目的，本实用新型具体的技术方案如下：

一种海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置，其特征是包括搭载平台机构、布放机构、回收机构、沉积物原位声学测量机构、沉积物原位温度剖面测量机构；所述搭载平台机构包括外支撑框架和内支撑框架；所述外支撑框架包括机架，固定于机架顶部的支撑座，支撑座上连接有导向管；内支撑框架包括有穿过支撑座中心的导向杆，导向杆上端连接吊环，导向杆下端连接两层四边形活动压盘，活动压盘下边安装有温度探杆、声学发射探杆和声学接收探杆，活动压盘上边安装配重铅块、电子仓和电池仓；内支撑架和外支撑架通过导向杆穿过导向管和支撑座组合在一起，导向杆能够在导向管中上下活动；位移传感器的保护壳和测量杆分别安装在外支撑框架的支撑座和内支撑框架的上层活动压盘，位移传感器通过电缆和电子仓连接；电池仓通过电缆和电子仓相连，并为电子仓中的所有用电设备供电。

所述布放机构包括布放声学释放器和防缠绕浮球，所述布放声学释放器下端通过释放环和吊环相连；所述防缠绕浮球连接声学释放器上端并用以在水中拉直所述布放声学释放器。

所述回收机构连接于外支撑框架上，包括回收绳包、回收绳包释放开关、滑轮组和回收声学释放器；所述回收绳包包括EVA浮球和迪尼玛绳；所述回收声学释放器通过螺栓固定在支承座，尼龙绳一端连接回收绳包释放开关，通过尼龙绳拉紧回收绳包释放开关使回收绳包固定在支撑座上，尼龙绳的另一端通过滑轮组和回收声学释放器的释放钩相连并紧绷。

所述沉积物原位声学测量机构包括声学发射探杆、声学接收探杆，以及与之通过电缆相连的双通道声学收发控制电路，所述声学发射探杆和声学接收探杆对角安装于四边形活动压盘下端；所述双通道声学收发控制电路安装于电子仓；所述声学发射探杆包括位于声学发射探杆上端的上发射换能器和下端的下发射换能器和支撑杆组件，两个发射换能器结构相同；所述支撑杆组件包括上端连杆、中间连杆和下端连杆三部分；上发射换能器上下两端分别通过螺丝和上端连杆下端以及中间连杆上端相连，下发射换能器上下两端则分别通过螺丝和中间连杆下端和下端连杆上端相连，构成声学探杆；所述上端连杆、中间连杆为空心结构；所述上发射换能器和下发射换能器为实心结构；下发射换能器上端通过两芯水密连接缆穿过中间连杆和上发射换能器下端相连，上发射换能器上端通过三芯水密连接缆和双通道声学收发控制电路相连，发射换能器和下发射换能器对一个芯的电缆复用；所述声学接收探杆结构与声学发射探杆相类似，仅用接收换能器替代发射换能器。

所述双通道声学收发控制电路包括电池电源管理模块，系统主控及存储模块，信号发生模块，功率放大器模块，A/D采集模块，以及放大及滤波模块；其中功率放大器模块和两个发射换能器相连，放大及滤波模块和两个接收换能器相连。

所述温度剖面测量机构包含一条或多条相同的温度探杆，所述温度探杆为圆柱体结构；所述温度探杆包括作为主体的支撑杆，其两侧相错开槽，安装在支撑杆两侧开槽内的多个自容式沉积物温度测量单元和温度探杆外侧的绝热外套；所述多个温度测量单元自上而下依次交错分布温度探杆两边，能够测量多个深度的沉积物温度；所述自容式沉积物温度测量单元外侧为同温度探杆曲率相同的弧面，当安装好温度单元时，整个温度探杆外表面光滑，以减少阻力，并使温度单元和沉积物紧密接触；所述探杆绝热外套覆盖整个温度探杆，仅在温度测量单元的感温元件周围开孔，以保证测定的准确性。

所述自容式沉积物温度测量单元包括外部的外壳、上部可拆卸的上端盖、安装于上端盖内的感温元件，以及密封在外壳内部的控制和采集电路板、为感温元件和电路板供电的电池及其外部的电池盒；所述上端盖与外壳之间通过1#密封圈实现密封，而感温元件和上端盖之间通过2#密封圈组成实现密封。

所述电子仓中包含双通道声学收发控制电路和系统姿态测量电路，通过线缆与位移传感器和姿态传感器相连，用以记录位移传感器测量的位移数据，以及姿态传感器所测量和记录的系统姿态数据。

所述双通道声学收发控制电路包括电池电源管理模块用以给整个双通道声学收发控制电路供电，所述系统主控及存储模块用以控制信号的发射和采集记录，所述信号发生模块用以产生发射信号，所述功率放大器模块用以放大发射信号并输出到发射换能器，所述A/D采集模块用以将接收的模拟信号转换为数字信号，所述放大及滤波模块连接接收换能器并用以将接收的信号放大并滤波。

本实用新型的优点是：（1）能够开展长期（一个月以上）定点连续观测，原位获得海底沉积物性质的时间变化规律；（2）能够在海底开展无人值守的自容式观测，观测期间无需调查船干预，能够在剧烈天气过程中开展作业；（3）能够获取上下两层沉积物声学性质，可用以体现沉积物声学性质的分层变化；（4）能够同步获取7层沉积物温度剖面数据，可用以揭示沉积物温度和声学性质的关系。

附图说明

图1是本实用新型测量装置整体结构示意图。

图2是本实用新型声学发射或接收探杆结构示意图。

图3是本实用新型温度探杆结构示意图。

图4是本实用新型自容式沉积物温度测量单元结构示意图。

图5是本实用新型双通道声学收发控制电路组成框图。

图6是本实用新型姿态测量电路组成框图。

图7是本实用新型系统观测流程图。

其中，1、防缠绕浮球，2、布放声学释放器，3、回收绳包，4、EVA浮球，5、迪尼玛绳，6、回收绳包释放开关，7、电池仓，8、位移传感器，9、声学发射探杆，10、温度探杆，11、电子仓，12、机架，13、配重铅块，14、回收声学释放器，15、支撑座，16、导向管，17、导向杆，18、吊环，19、活动压盘，20、滑轮组，21、释放环，22、声学接收探杆，23、尼龙绳；90、上端连杆，91、上发射换能器，92、中间连杆，93、下发射换能器，94、下端连杆；1001、支撑杆，1002、自容式沉积物温度测量单元，1003、探杆绝热外套；10021、上端盖，10022感温元件，10023、外壳，10024、电路板，10025、电池盒，10026、电池，10027、1#密封圈，10028、2#密封圈；111、双通道声学收发控制电路，112、系统姿态测量电路；1121、姿态传感器；1111、系统主控及存储模块，1112、信号发生模块，1113、功率放大器模块，1114、A/D采集模块，1115、放大及滤波模块，1116、电池电源管理模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步详细说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型包括搭载平台机构、布放机构、回收机构、原位声学测量机构、原位沉积物热学测量机构五部分。

所述搭载平台机构包括外支撑框架和内支撑框架；所述外支撑框架包括机架12，固定于机架顶部的支撑座15，支撑座15上连接有导向管16；内支撑框架包括有穿过支撑座15中心的导向杆17，导向杆上端连接吊环18，导向杆下端连接两层四边形活动压盘19，活动压盘19下边分别安装有两条温度探杆10-1和10-2、声学发射探杆9和声学接收探杆22，活动压盘19上边安装配重铅块13、电子仓11和电池仓7；内支撑架和外支撑架通过导向杆17穿过导向管16和支撑座15组合在一起，导向杆17能够在导向管16中上下活动；位移传感器8的保护壳和测量杆分别安装在外支撑框架和内支撑框架，位移传感器8通过电缆和电子仓11连接；电池仓7通过电缆和电子仓11相连，为电子仓11中的所有用电设备供电。

所述布放机构包括布放声学释放器2和防缠绕浮球1，所述布放声学释放器下端通过释放环21和吊环18相连；所述防缠绕浮球1连接声学释放器上端并用以在水中拉直所述布放声学释放器2。

所述回收机构包括回收绳包3、回收绳包释放开关6、滑轮组20和回收声学释放器14；所述回收绳包3包括EVA浮球4和迪尼玛绳5；所述回收声学释放器14通过螺栓固定在支承座15，尼龙绳23一端连接回收绳包释放开关6，通过尼龙绳拉紧回收绳包释放开关6使回收绳包固定在支撑座15上，尼龙绳的另一端通过滑轮组20和回收声学释放器14的释放钩相连并紧绷。

所述沉积物原位声学测量机构包括声学发射探杆9、声学接收探杆22，以及与之通过电缆相连的双通道声学收发控制电路，所述声学发射探杆9和声学接收探杆22对角安装于四边形活动压盘19下端，所述双通道声学收发控制电路安装于电子仓11内。

如图2所示，所述声学发射探杆9包括位于声学发射探杆上端的上发射换能器91和下端的下发射换能器93和支撑杆组件组成，两个发射换能器结构相同；所述支撑杆组件包括上端连杆90、中间连杆92和下端连杆94三部分组成；上换能器91上下两端分别通过螺丝和上端连杆90下端以及中间连杆92上端相连，下发射换能器93上下两端则分别通过螺丝和中间连杆92下端和下端连杆94上端相连，构成声学探杆；所述声学接收探杆22结构与声学发射探杆9相类似，仅用接收换能器替代发射换能器。

所述温度剖面测量机构包含两条相同的温度探杆10，如图3，所述温度探杆10为圆柱体结构，包括作为主体的支撑杆1001，其两侧相错开槽，安装在支撑杆两侧开槽内的7个自容式沉积物温度测量单元1002和温度探杆外侧的绝热外套1003；所述7个温度测量单元自上而下依次交错分布温度探杆两边；温度探杆长约1m，能够测量7个深度的沉积物温度；所述自容式沉积物温度测量单元1002外侧为同温度探杆曲率相同的弧面，当安装好温度单元时，整个温度探杆10外表面光滑，以减少阻力，并使温度单元和沉积物紧密接触；所述探杆绝热外套1003覆盖整个温度探杆，仅在温度测量单元的感温元件周围开孔，以保证测定的准确性。

如图4，所述自容式沉积物温度测量单元1002包括外部的外壳10023、上部可拆卸的上端盖10021、安装于上端盖10021内的感温元件10022，以及密封在外壳10023内部的控制和采集电路板10024、为感温元件和电路板供电的电池10026及其外部的电池盒10025；所述上端盖10021与外壳10023之间通过1#密封圈10027实现密封，而感温元件10022和上端盖10021之间通过2#密封圈10028实现密封；所述上端盖采用聚甲醛材料；所述控制和采集电路板10024基于现有成熟技术实现。

所述电子仓11中包含双通道声学收发控制电路111和系统姿态测量电路112。

如图5所示，所述双通道声学收发控制电路111包括电池电源管理模块1116，系统主控及存储模块1111，信号发生模块1112，功率放大器模块1113，A/D采集模块1114，以及放大及滤波模块1115；其中功率放大器模块1113和声学发射探杆9的两个发射换能器相连，放大及滤波模块1115和两个接收换能器相连。当到达设定测量时间时，系统主控及存储模块1111通过控制信号同时激活信号发生模块1112和A/D采集模块1114，信号发生模块1112产生2路模拟信号输入功率放大器模块1113产生放大信号，经过放大的信号输入声学发射探杆9的发射换能器产生声信号，声信号被声学接收探杆22的接收换能器接收，然后输入到放大及滤波单元模块1115进行放大和滤波产生2路模拟信号，2路模拟信号和发生模块1112产生的同步信号进入A/D采集模块1114进行A/D转换，转换后的信号进入系统主控及存储模块1111记录下来，记录完成后，系统主控及存储模块1111发射控制信号进入信号发生模块1112和A/D采集模块1114，使这两个模块产生待机控制信号并分别输入功率放大器模块1113和放大及滤波单元模块1115，系统随即进入待机状态，即完成一次测量。

如图6，系统姿态测量电路112通过线缆与位移传感器8和姿态传感器1121相连，用以记录位移传感器8测量的位移数据，以及姿态传感器1121所测量和记录的系统姿态数据。

如图7，利用上述装置进行观测时，包括（1）参数设置，（2）布放，（3）测量，（4）回收四个步骤。

在步骤（1）中，分别对7个自容式沉积物温度测量单元1002、双通道声学收发控制电路111、系统姿态测量电路112三部分进行系统对时并设置测量参数，测量参数包括开始时间和采样间隔。

在步骤（2）中，将系统起吊，释放缆绳使系统接近海面，根据观测海域水深、缆绳释放长度和缆绳张力数据，判断系统是否触底，当系统触底触底后，则发出布放释放器释放信号，布放声学释放器2接收到信号后，通过打开释放环21，使绞车缆绳和系统分离，并将绞车缆绳回收至甲板，调查船即可离开观测站点。

在步骤（3）中，系统在海底按照预设参数开展自动观测海底沉积物声学数据和温度剖面数据。

在步骤（4）中，当完成设定的观测任务，在甲板发出回收释放器释放信号，回收声学释放器14在接收到信号后，使尼龙绳23脱开，从而使回收绳包释放开关6打开，EVA浮球4带动迪尼玛绳5上浮，回收人员在海面打捞迪尼玛绳5绳头，然后利用绞车将系统回收至甲板，整个观测完成。

Claims (10)

1.一种海底沉积物声学性质和温度剖面的原位定点连续测量装置，其特征是包括搭载平台机构、布放机构、回收机构、沉积物原位声学测量机构、沉积物原位温度剖面测量机构；所述搭载平台机构包括外支撑框架和内支撑框架；所述外支撑框架包括机架（12），固定于机架顶部的支撑座（15），支撑座（15）上连接有导向管（16）；内支撑框架包括有穿过支撑座（15）中心的导向杆（17），导向杆（17）上端连接吊环（18），导向杆下端连接两层四边形活动压盘（19），活动压盘（19）上边安装配重铅块（13）、电子仓（11）和电池仓（7）；内支撑架和外支撑架通过导向杆（17）穿过导向管（16）和支撑座（15）组合在一起，导向杆（17）能够在导向管（16）中上下活动；位移传感器（8）的保护壳和测量杆分别安装在外支撑框架的支撑座（15）和内支撑框架的上层活动压盘（19），位移传感器（8）通过电缆和电子仓（11）连接；电池仓（7）通过电缆和电子仓（11）相连，并为电子仓（11）中的所有用电设备供电；所述布放机构包括布放声学释放器（2）和防缠绕浮球（1），所述布放声学释放器下端通过释放环（21）和吊环（18）相连；所述防缠绕浮球（1）连接声学释放器上端并用以在水中拉直所述布放声学释放器（2）；所述回收机构连接于外支撑框架上，包括回收绳包（3）、回收绳包释放开关（6）、滑轮组（20）和回收声学释放器（14）；所述回收声学释放器（14）通过螺栓固定在支撑座（15），尼龙绳（23）一端连接回收绳包释放开关（6），通过尼龙绳拉紧回收绳包释放开关（6）使回收绳包固定在支撑座（15）上，尼龙绳的另一端通过滑轮组（20）和回收声学释放器（14）的释放钩相连并紧绷；所述沉积物原位声学测量机构包括声学发射探杆（9）、声学接收探杆（22），以及与之通过电缆相连的双通道声学收发控制电路，所述声学发射探杆（9）和声学接收探杆（22）对角安装于四边形活动压盘（19）下端；所述双通道声学收发控制电路（111）安装于电子仓（11）；所述沉积物原位温度剖面测量机构包含一条或多条安装于活动压盘（19）下边的温度探杆（10）。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述回收绳包（3）包括EVA浮球（4）和迪尼玛绳（5）。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述声学发射探杆（9）包括位于声学发射探杆上端的上发射换能器（91）和下端的下发射换能器（93）和支撑杆组件。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述支撑杆组件包括上端连杆（90）、中间连杆（92）和下端连杆（94）三部分；上发射换能器（91）上下两端分别通过螺丝和上端连杆（90）下端以及中间连杆（92）上端相连，下发射换能器（93）上下两端则分别通过螺丝和中间连杆（92）下端和下端连杆（94）上端相连。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述双通道声学收发控制电路（111）包括电池电源管理模块（1116），系统主控及存储模块（1111），信号发生模块（1112），功率放大器模块（1113），A/D采集模块（1114），以及放大及滤波模块（1115），所述功率放大器模块（1113）和两个发射换能器相连，放大及滤波模块（1115）和两个接收换能器相连。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述温度探杆（10）为圆柱体结构，包括作为主体的支撑杆（1001），安装在支撑杆两侧开槽内的多个自容式沉积物温度测量单元（1002）和温度探杆外侧的绝热外套（1003）。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述自容式沉积物温度测量单元（1002）包括外部的外壳（10023）、上部可拆卸的上端盖（10021）、安装于上端盖（10021）内的感温元件（10022），以及密封在外壳（10023）内部的控制和采集电路板（10024）、为感温元件和电路板供电的电池（10026）及其外部的电池盒（10025）。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于所述上端盖（10021）与外壳（10023）之间通过1#密封圈（10027）实现密封，所述感温元件（10022）和上端盖（10021）之间通过2#密封圈（10028）实现密封。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述电子仓（11）包含双通道声学收发控制电路（111）和系统姿态测量电路（112），通过线缆与位移传感器（8）和姿态传感器（1121）相连，用以记录位移传感器（8）测量的位移数据，以及姿态传感器（1121）所测量和记录的系统姿态数据。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于所述双通道声学收发控制电路（111）包括用以给整个双通道声学收发控制电路供电的电池电源管理模块（1116），用以控制信号的发射和采集记录的系统主控及存储模块（1111），用以产生发射信号的信号发生模块（1112），用以放大发射信号并输出到发射换能器的功率放大器模块（1113），用以将接收的模拟信号转换为数字信号的A/D采集模块（1114），以及连接接收换能器并用以将接收的信号放大并滤波的放大及滤波模块（1115）。