JP6941907B1 - 内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置及び観測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置及び観測方法を提供する。【解決手段】支持機構は天秤状を呈し、アンカーウェイト、六角ロッド、環形測定器コントロールキャビン及び支持ロッドを含み、アンカーウェイトは装置全体の底部に位置し、アンカーウェイトは複数の六角ロッドを介してその上方の環形測定器コントロールキャビンと接続され、内部波エネルギー発電機構は環形測定器コントロールキャビン内に設置され、環形測定器コントロールキャビンの外側には２本の支持ロッドが対称に固定され、そのうち１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環を介して多機能観測ロッドと接続され、もう１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環を介して砂質堆積物試料採取ロッドと接続され、環形測定器コントロールキャビンの頂部はケブラーケーブルを介して海水境界層面にある中層フロートと接続される。【選択図】図１
Description
本発明は海底観測分野に関し、特に内部波発達エリアに使用される海底のサンドウェーブ（砂の波型）の長期観測装置及び観測方法に関するものである。
中国の南シナ海海域は地質条件が複雑で、海水密度の成層化が顕著であり、海洋内部孤立波の自然多発エリアとなっている。この海域の内部波は孤立波の形式で出現するだけでなく、内部潮汐波の形式でも存在し、現時点で観測された振幅は最大で２４０ｍに達しており、巨大なエネルギーが秘められている。それが海水密度成層界面において伝播する時、大量の水塊と堆積物の垂直運動が生起され、この過程が海底に作用して海底サンドウェーブなどの地形形態がしばしば形成される。そのため中国の南シナ海北部大陸斜面では、海洋内部波によって生じた大量の海底サンドウェーブが発達している。海底サンドウェーブの移動によって海底パイプラインの浮き上がりや折損、航路上の堆積による航行の妨げ、石油・ガスプラットフォーム構造の不安定化などの事故が引き起こされ、海洋中におけるエンジニアリング業務の安全にとって重大な脅威を招くことになるため、海底サンドウェーブに対する観測研究は重大な意義を持っている。
現在、国内外の学者の多くは海底サンドウェーブのその場観測にマルチビーム測深システムやサイドスキャンソナーなどの音響測深機を採用している。マルチビームやサイドスキャンソナーなどの音響測深機により、観測海域に対し一定の時間間隔で水深測量を繰り返し行い、水深変化と平面、断面の比較とを合わせることで、海底サンドウェーブの移動観測が実現される。しかしこうした方法はコストが高く、効率が低く、得られるデータは断続的であり、海底サンドウェーブに対するリアルタイムでのその場観測は実現できていなかった。検索した開示資料のうち、特許文献１、名称「海底の大型で複雑なサンドウェーブ地形の精確な測定方法」、及び特許文献２、名称「ＭＢＥＳによる海底サンドウェーブの地形運動測定方法」の特許を分析したところ、いずれも高分解能のマルチビーム測深技術及び測位システムをコア技術として海底サンドウェーブの移動を測定するものであることが分かった。上述の方法は現在主流の観測方法であるが、何度も繰り返し測定しなければならず、時間的に不連続であり、断続的なデータでは海底サンドウェーブの移動過程における具体的な状況を正確に反映できないため、海底サンドウェーブに対する長期定点その場観測研究を行うことが必要とされていた。特許文献３、名称「海底サンドウェーブのリアルタイムその場観測装置及びその方法」及び特許文献４、名称「圧力計による海底サンドウェーブの移動観測装置及びその方法」の特許、並びに特許文献５、名称「抵抗率プローブによる多段階貫入式海底サンドウェーブその場観測装置及びその方法」の特許は、いずれもサンドウェーブに対するその場、長期、連続的観測を理論上実現している。
砂質海底は貫入強度が大きいため、従来の重力式サンプリング装置中の柱状採泥器では貫入させるのが難しく、重力式サンプリングではサンプリング作業を完成させることが困難である。箱型採泥器及びクラムシェル型採泥器の場合、海底内部の試料を採取できないうえに、海底表面の試料の採取時に砂礫の作用によって完全に閉じることが難しく、砂漏れ現象がしばしば生じる。現時点で砂質海底内部の堆積物の断面情報を有効に取得し得るサンプリング装置は未だ存在せず、上述の特許はこの問題を解決していないため、実際の観測において堆積物の水中単位体積重量、粒径、空隙率などの性質に対するデータサポートが不足し、覆っている堆積物の重量又は堆積物の抵抗率の変化によってサンドウェーブの高度変化を逆解析する際の誤差が大きくなってしまう。
また、海底サンドウェーブは、移動速度が遅く、周期が長いなどの特徴により、着底式観測プラットフォームでこの種の現象を観測する場合には数か月乃至は数年間観察しなければならず、これには相当大きな電力の消費が必要となり、この問題も多年にわたり海底観測プラットフォーム建設における悩みの種となっており、上述の特許もこの問題に対する解決方法を提出することができていない。
本発明は、海洋内部波のエネルギーを十分に利用して、海底サンドウェーブの長期その場観測を実現し、観測結果は正確で信頼性があり、観測コストが低く、且つ海底サンドウェーブの土壌試料の採取・回収を実現する、内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置を提供し、従来技術に存在する上述の欠点を克服することを目的としている。
本発明の技術案は以下の通りである。内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置であって、中層フロートと支持機構を含み、そのうち、多機能観測ロッド、砂質堆積物試料採取ロッド及び内部波エネルギー発電機構をさらに含み、支持機構は天秤状を呈し、アンカーウェイト、六角ロッド、環形測定器コントロールキャビン及び支持ロッドを含み、アンカーウェイトは装置全体の底部に位置し、アンカーウェイトは複数の六角ロッドを介してその上方の環形測定器コントロールキャビンと接続され、内部波エネルギー発電機構は環形測定器コントロールキャビン内に設置され、環形測定器コントロールキャビンの外側には２本の支持ロッドが対称に固定されており、そのうち１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環を介して多機能観測ロッドと接続され、もう１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環を介して砂質堆積物試料採取ロッドと接続され、支持ロッドには超音波流速計、超音波ドップラー流速計、水中カメラ、波浪潮位計及びイメージングソナーが搭載されており、環形測定器コントロールキャビンの底部とアンカーウェイトの頂部との間には音響切離装置が接続されたワイヤケーブルが接続されており、環形測定器コントロールキャビンの頂部はケブラーケーブルを介して海水境界層面にある中層フロートと接続される。
多機能観測ロッドの底部には貫入用コーンが固定されており、貫入用コーンの底部は尖り形状を呈し、貫入用コーンの頂部には土圧センサが設けられており、土圧センサの上方且つ多機能観測ロッド内には間隙水圧センサが設けられており、間隙水圧センサの上方且つ多機能観測ロッド内にはその軸方向に沿って複数の濁度センサが間隔を空けて設置されている。
砂質堆積物試料採取ロッドは抽出部と試料採取部を含み、試料採取部と抽出部との間は可動的に接続され、抽出部は鉛直方向に沿って平行に設置された複数の鋼管接続ロッド及び鋼管接続ロッドの軸方向に沿って設置された複数の環形貯砂槽を含み、鋼管接続ロッドは機械式挟持環を介して支持ロッドと接続され、環形貯砂槽は鋼管接続ロッドの間に設置され、環形貯砂槽内には環形のキャビティが設けられており、環形貯砂槽の環形側壁はその外部の数本の鋼管接続ロッドと固定接合され、環形貯砂槽の頂部は開口状を呈し、環形貯砂槽の底部には環形孔が設けられている。
試料採取部は鉛直方向に沿って設置された複数の試料採取ユニットを含み、試料採取ユニットは円板Ｉと円板ＩＩを含み、円板Ｉは円板ＩＩの上方に位置し、円板Ｉと円板ＩＩとの間は中心に位置する円板接続ロッドを介して固定接続され、円板Ｉと円板ＩＩは環形貯砂槽内に位置し、円板Ｉと円板ＩＩのサイズは環形貯砂槽の内壁のサイズよりも小さく、円板ＩＩのサイズは環形貯砂槽底部の環形孔のサイズよりも大きく、隣接する２つの試料採取ユニットの間の円板接続ロッドどうしは固定具を介して接続され、各鋼管接続ロッドの上部どうしには固定円板が固定接合されており、一番上に位置する試料採取ユニットの円板接続ロッドの頂端は固定円板と摺動接続されている。
本発明中、アンカーウェイトは内部に六角形凹溝を有し、六角ロッドを六角形凹溝内に挿入することで、六角ロッドとアンカーウェイトの固定接合が実現される。
超音波流速計、超音波ドップラー流速計、水中カメラ、波浪潮位計及びイメージングソナー並びに機械式挟持環はそれぞれケーブルを介して給電電源と電気的に接続され、給電電源は内部波エネルギー発電機構と電気的に接続される。
内部波エネルギー発電機構は発電機構外フレーム、発電機構内壁、発電ラック・ピニオン、バネ、感応コイル並びにコンデンサ及び整流器を含み、発電機構内壁は環形測定器コントロールキャビン内に位置し、発電機構内壁と環形測定器コントロールキャビン頂板、環形測定器コントロールキャビン底板との間は封止固定して接合され、発電機構内壁は中空の円柱型キャビティであり、環形測定器コントロールキャビン頂板には開口が設けられており、発電ラック・ピニオンとバネは発電機構内壁の中空キャビティ内に位置し、発電機構外フレームは環形測定器コントロールキャビンの上方に位置し、発電機構外フレームの底部は環形測定器コントロールキャビン頂板と固定接合され、発電機構外フレームの中央部には中心孔が設けられている。
発電ラック・ピニオンは２つのピニオン及び２つのピニオンの間に位置するラックを含み、ラックの両側に対応する２つのピニオンの回転方向は反対であり、且つ２つのピニオンはどちらもラックと互いに噛み合い、２つのピニオンはどちらも中心回転軸を介してピニオン支持ロッドと接続され、ピニオン支持ロッドは発電機構内壁と固定接合され、ラックの片側のピニオンには磁石が設けられており、ラックの下端はバネを介して環形測定器コントロールキャビン底板と接続され、ラックの頂端はケブラーケーブルを介して中層フロートと接続され、ケブラーケーブルは発電機構外フレームの中心孔内に設置され、ラックの頂端には位置制限プレートが固定されており、位置制限プレートは発電機構外フレームの中心孔の下方に位置し、且つそのサイズは中心孔のサイズよりも大きく、発電機構内壁上部と下部の外側の位置には感応コイル筐体が設けられており、感応コイル筐体は環形測定器コントロールキャビンの内部と固定接合され、感応コイルは感応コイル筐体内で巻回されており、上・下感応コイルはそれぞれリード線を介してコンデンサ及び整流器と接続されている。
各試料採取ユニットの円板接続ロッドは一体式構造でもよい。
本発明は、上述の観測装置を利用して観測サンプリングを行う方法をさらに含み、その方法は以下の工程を含む。
工程Ｓ１、測定器の室内試験及び校正。
工程Ｓ２、観測海域及び時間の選択。
工程Ｓ３、作業船の配置。
工程Ｓ４、観測装置の組み立て。
工程Ｓ５、観測装置の設置。
工程Ｓ６、観測装置の貫入及び観測。
観測装置の設置完了後、機械式挟持環がコマンドを受信し、多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドをリリースし、多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドが重力作用下で落下して砂体中に貫入し、ＡＤＶ、ＡＤＰ、波浪潮位計、水中カメラ及びイメージングソナーが作動を開始し、且つデータを記憶して、地形の観測が実現され、多機能観測ロッドがサンドウェーブの移動過程における覆土層の重量変化、サンドウェーブ表面微地形の形態変化及び海底付近水系の流体力特徴の観測を実現する。
観測過程中、中層フロートは低密度海水と高密度海水の成層界面に位置しており、海水の密度成層場では内部孤立波が極めて容易に発生し、海水密度成層界面にある中層フロートが内部孤立波の作用で上下運動することにより、内部波エネルギー発電機構が発電するようにさせる。
工程Ｓ７、砂質堆積物の試料採取。
砂質堆積物試料採取ロッドを砂体中に貫入するが、鋼管接続ロッドと円板は重量及び底面積が異なるため、受ける貫入抵抗力が異なる。鋼管接続ロッドは自重が大きく、底面積が小さく、貫入深度が大きいが、円板は自重が小さく、底面積が大きく、貫入深度が小さいため、鋼管接続ロッドと円板との間に相対的な変位が生じ、各試料採取ユニットの隣接する２つの円板の間の空間が鋼管接続ロッドに固定された環形貯砂槽の遮断から離れ、サンドウェーブ中に曝露され、サンドウェーブが当該空間に自由に出入りできるようになるため、サンドウェーブが移動すると、２つの円板の間には砂体が満たされている。
砂質堆積物試料採取ロッドがある位置のサンドウェーブ傾斜角をθ、観測時間をＴ、サンドウェーブ移動速度をｖ、環形貯砂槽の高度をＨ、環形貯砂槽の直径をＤ、隣接する環形貯砂槽どうしの距離をＬと設定すると、観測開始後の時刻ｔにおいて、観測ポイントにおけるサンドウェーブ高度変化量Δｈ＝ｖｔ・ｔａｎθとなり、観測開始後の時刻ｔに砂質堆積物試料採取ロッドに進入した堆積物の総容積は以下の通りとなる。
工程Ｓ８、装置の回収。
機械式挟持環が多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドを挟持して固定し、音響切離装置がアンカーウェイトをリリースし、中層フロートの浮力を利用して装置の上部全体を回収する。
回収過程中、機械式挟持環が鋼管接続ロッドを挟持して上方向に持ち上げるとき、円板と鋼管接続ロッドとの間が互いに独立しているため、鋼管接続ロッドが円板よりも先に持ち上げられ、環形貯砂槽の底部円環が円板に接触すると、試料採取ユニットが力を受けて持ち上げられ始め、このとき環形貯砂槽の環形側壁が上・下２つの円板との間で相対的に閉じられた空間を形成し、２つの円板の間にある堆積物が一緒に採取されて持ち上げられる。
堆積物の水中単位体積重量をγ、砂質堆積物試料採取ロッドの自重をｘ（ｋｇ）と設定すると、堆積物試料の回収を成功させるには、砂質堆積物試料採取ロッド上に作用する上方向の牽引力が少なくともＦ（ｔ）＝（Ｖ（ｔ）・γ＋ｘ）・ｇ必要であり、そのうちｇは現地の重力加速度である。
工程Ｓ９、データの収集及び修正。
工程Ｓ６では、中層フロートの上下運動過程中、ケブラーケーブルを介してラックが牽引されて上下運動し、ラックの上下運動過程中、それと噛み合うピニオンの回転を駆動し、発電ピニオンの磁石がピニオンに伴って回転し、磁石の運動過程中、上・下感応コイルどうしの磁束線に対して切断が行われ、切断された磁束線運動が感応コイル内で交流電流を発生させ、感応コイル中で発生した交流電流がリード線を通じてコンデンサ及び整流器内へ流れ、整流器を介して交流電流が直流電流に整流され、且つコンデンサに蓄電され、コンデンサは給電電源と接続されている。
本発明は次の有利な効果を有する。
（１）当該装置はコーン型の圧力センサを採用して海底サンドウェーブに対するその場観測を行い、且つその他の測定器を配設して観測を補助することで、正確且つ信頼できる観測結果を取得することができ、海底サンドウェーブに対するその場観測研究が実現する。
（２）当該観測装置に搭載された内部波エネルギー発電機構は、南シナ海において広く発達している内部波エネルギーを電力に変換することにより、観測装置の航続性を増加させ、さらに回収して何回も使用することができ、観測コストが大幅に減少する。
（３）本出願は砂質堆積物試料採取ロッドにより、サンドウェーブ土壌のサンプリングにおける問題を解決し、海底サンドウェーブ土壌試料の採取を実現し、海底地形調査及び海底科学研究に対する重要且つ実際的な使用価値を有する。
（４）当該装置はアンカーウェイト及び天秤式支持機構の方式を採用しており、アンカーウェイトが装置の不均衡な沈降や転倒の問題を解決し、天秤式支持ロッドが観測ポイント位置の堆積物の撹乱問題を解決している。
（５）砂質堆積物試料採取ロッド及び多機能観測ロッドにより、海底表層堆積物内部の間隙水圧の変化、海底付近水系における浮遊堆積物の変化の観測及び堆積物の採取を効果的に実現し、且つサンドウェーブ内部からサンドウェーブ表面、さらに海底付近水系に至る全断面観測を観測フレームに搭載されたＡＤＶ、ＡＤＰ及びイメージングソナーなどの測定器とともに実現する。
本発明の上記目的、特徴及び利点をより明解にするため、以下で図面に基づき本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
本発明を十分に理解できるよう、以下の説明では細部について具体的に説明する。但し、本発明はここでの説明とは異なる各種の他の方法により実施することが可能であり、当業者は本発明の意図を逸脱することなく同様の拡張が可能である。従って、本発明は以下に開示する具体的な実施形態に限定されない。
図１に示す通り、本発明における内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置は、中層フロート１０、支持機構、多機能観測ロッド６、砂質堆積物試料採取ロッド５及び内部波エネルギー発電機構を含む。支持機構は天秤状を呈しており、アンカーウェイト１、六角ロッド２、環形測定器コントロールキャビン８及び支持ロッド１６を含み、アンカーウェイト１は装置全体の底部に位置し、アンカーウェイトの材質は鉄筋コンクリートであり、その具体的な質量及び体積については、装置全体を海底に留めるだけの重さを提供するため、観測システムに応じて設定・設置する必要がある。アンカーウェイト１は複数の六角ロッド２を介して上方の環形測定器コントロールキャビン８と接続され、本実施例では４本の六角ロッド２が設置されている。本実施例中、アンカーウェイト１は内部に六角形凹溝を有し、六角ロッド２を六角形凹溝内に挿入することで、六角ロッド２とアンカーウェイト１の固定接合を実現する。
環形測定器コントロールキャビン８は耐食性材料で作られ、内部波エネルギー発電機構及び給電電源は環形測定器コントロールキャビン８内に設置される。環形測定器コントロールキャビン８の外側には２本の鋼製支持ロッド１６が固定されており、２本の支持ロッド１６は対称を呈して設置され、支持ロッド１６の一端は環形測定器コントロールキャビン８と固定接合され、支持ロッドの他端には機械式挟持環７が設けられており、そのうち１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環７を介して多機能観測ロッド６と接続され、もう１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環７を介して砂質堆積物試料採取ロッド５と接続される。多機能観測ロッド６と砂質堆積物試料採取ロッド５はそれぞれ機械式挟持環に通されて、支持ロッド１６と固定接合される。内部波エネルギー発電機構は給電電源と接続され、内部波エネルギー発電機構から送り出される電力が給電電源に送られて、給電電源の充電が行われ、給電電源に電力が蓄電される。
支持ロッド１６には超音波流速計１１（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｏｐｐｌｅｒ ｐｒｏｆｉｌｅｒ、略称ＡＤＰ）、Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ１２（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ、略称ＡＤＶ）、水中カメラ１３、波浪潮位計１４及びイメージングソナー１５が搭載されている。波浪潮位計１４は、波浪及び潮位情報を記録し、後にデータの整合性をとるのに用いられる。イメージングソナー１５は、定期的に地形を走査し、エリアに置けるサンドウェーブの波長を測定する。支持ロッド１６に取り付けられる上述の測定器は、ケーブルを介して環形測定器コントロールキャビン内の給電電源と並列に接続される。機械式挟持環７もケーブルを介して給電電源と接続される。
環形測定器コントロールキャビン８の底部とアンカーウェイトの頂部との間は音響切離装置４が接続されたワイヤケーブル３を介して接続され、環形測定器コントロールキャビン８の頂部はケブラーケーブル９を介して水面上の中層フロート１０と接続され、環形測定器コントロールキャビン内の給電電源によって中層フロートに給電する。船体ユニットを通じて音響切離装置４にコマンドが送信され、音響切離装置４がその下部のアンカーウェイト１をリリースすると、残りの装置が浮き上がって回収作業が実現され、海底サンドウェーブの回収作業の需要が満たされる。
本実施例中の多機能観測ロッド６は耐食材料で作られており、図６に示す通り、多機能観測ロッド６の頂部には機械式挟持環７と接続された観測ロッド接続ロッド３８が固定されており、多機能観測ロッドの底部には貫入用コーン４２が固定されており、貫入用コーン４２の底部は尖り形状を呈しているので、多機能観測ロッドを砂体中に挿入するのに都合がよい。貫入用コーン４２の頂部には土圧センサ４０が設けられており、土圧センサ４０の上方且つ多機能観測ロッド内には間隙水圧センサ４１が設けられており、間隙水圧センサ４１の上方且つ多機能観測ロッド内にはその軸方向に沿って複数の濁度センサ３９が間隔を空けて設置されている。土圧センサ４０の精度は測定範囲の２％であり、当該装置が海底に設置された後、サンドウェーブの移動に伴って土圧センサ４０が徐々に埋まり、サンドウェーブの周期変化に伴って覆土の重量にも周期的変化が現れる。
本実施例では、土圧センサ４０の上方５ｃｍ部分に間隙水圧センサ４１が取り付けられ、間隙水圧センサ４１の上方１５ｃｍ部分に１つ目の濁度センサが取り付けられ、１つ目の濁度センサの上方１０ｃｍ部分に２つ目の濁度センサが取り付けられ、第２濁度センサの上方２０ｃｍ部分に３つ目の濁度センサが取り付けられ、３つ目の濁度センサの上方２０ｃｍ部分に４つ目の濁度センサが取り付けられ、残りの濁度センサどうしの距離は３０ｃｍとして、合計８つの濁度センサが取り付けられており、センサとコーンのレイアウトの全長は２００ｃｍとし、多機能観測ロッド内部の土圧センサ、間隙水圧センサ、濁度センサは統合された自己完結型である。濁度センサ３９は並列方式でケーブルを介して環形測定器コントロールキャビンに接続され、環形測定器コントロールキャビン内の回路基板により収集頻度及びデータ記憶の制御が行われ、環形測定器コントロールキャビン内の給電電源により濁度センサ３９への給電が行われる。
当該観測装置全体を海底に投じるが、投じる前の多機能観測ロッドは機械式挟持環により制御されており、底部から海底までの間隔が約１．５メートルとなり、アンカーウェイトが海底に接触すると、環形測定器コントロールキャビンが機械式挟持環を制御して多機能観測ロッドをリリースさせ、ロッド体が自重作用下で落下し、貫入用コーンが砂体中に貫入する。
貫入用コーンが砂体に貫入した後、多機能観測ロッドの底部に搭載された土圧センサが覆っている砂土の重量変化を測定し、これにより覆っているサンドウェーブの高度変化を逆解析して、測定されたピーク値と谷底との間の高低差を波高とする。その記録の隣接する砂土重量最大値の時間間隔は、サンドウェーブが１つの波長へ移動するのに要する時間、即ち周期となる。波浪潮位計により波浪及び潮位情報を記録し、後のデータ修正に用いる。イメージングソナーは地形を動的に測定してサンドウェーブ波長を得る。即ちサンドウェーブ移動速度＝波長／周期である。ＡＤＰ及びＡＤＶによって観測エリア内における流速の空間分布を得ることができ、濁度センサが測定した堆積物浮遊濃度のデータと結合して、観測位置におけるサンドウェーブの堆積物輸送流量を得ることができる。サンドウェーブの移動速度を結合してサンドウェーブの活動性に対する定量的評価を行うことができる。搭載された水中カメラは、サンドウェーブの移動の様々な段階における表面の砂紋の変化を一定頻度で記録することができる。底部の間隙水圧センサは、サンドウェーブの移動過程における、流体力のサンドウェーブ内部に対する影響深さを測定することができる。これらにより、サンドウェーブの移動過程における断面の物理的変化過程に対する系統的な観測を実現する。
図２及び図３に示す通り、内部波エネルギー発電機構は発電機構外フレーム１８、発電機構内壁２９、発電ラック・ピニオン（ｒａｃｋ ａｎｄ ｐｉｎｉｏｎ）、バネ２７、感応コイル（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｉｌ）並びにコンデンサ及び整流器２０を含み、発電機構内壁２９は環形測定器コントロールキャビン８内に位置し、発電機構内壁２９と環形測定器コントロールキャビン頂板２４、環形測定器コントロールキャビン底板２３との間は封止固定して接合され、発電機構内壁２９は中空の円柱型キャビティであり、環形測定器コントロールキャビン頂板２４には開口が設けられており、開口を通じて海水を発電機構内壁２９のキャビティ内に流入させて、発電機構内壁２９内が海水で満ちるようにさせる。発電ラック・ピニオンとバネ２７は発電機構内壁２９の中空キャビティ内に位置する。発電機構外フレーム１８は環形測定器コントロールキャビン８の上方に位置し、発電機構外フレーム１８の底部は環形測定器コントロールキャビン頂板２４と固定接合され、発電機構外フレーム１８の中央部には中心孔が設けられている。
発電ラック・ピニオンは２つのピニオン２５及び２つのピニオンの間に位置するラック１７を含み、ラック１７の両側に対応する２つのピニオン２５の回転方向は反対であり、且つ２つのピニオン２５はどちらもラック１７と互いに噛み合う。２つのピニオン２５はどちらも中心回転軸を介してピニオン支持ロッド３０と接続され、ピニオン支持ロッド３０は発電機構内壁２９と固定接合される。ラック１７の片側のピニオン２５には磁石２６が設けられている。ラック１７の下端はバネ２７を介して環形測定器コントロールキャビン底板２３と接続され、ラック１７の頂端はケブラーケーブル９を介して海水境界層面にある中層フロート１０と接続されている。ケブラーケーブル９は発電機構外フレーム１８の中心孔内に設置され、ラック１７の頂端には位置制限プレート２８が固定されており、位置制限プレート２８は発電機構外フレーム１８の中心孔の下方に位置し、且つそのサイズは中心孔のサイズよりも大きい。発電機構外フレーム１８を設置することにより、一方でケブラーケーブル９に対するガイド作用を果たし、もう一方で発電機構外フレーム１８と位置制限プレート２８の協働作用を通してラック１７に対する位置制限作用を果たし、海水の大きな波浪か又は装置全体の回収引き上げ過程中、バネ２７が大きな外力作用を受けて損傷や不具合が生じることを防止する。
発電機構内壁２９の上部と下部の外側にはいずれも感応コイルが設けられている。本発明中、発電機構内壁２９の上部と下部の外側の位置には感応コイル筐体１９が設けられており、感応コイル筐体１９は環形測定器コントロールキャビン８の内部と固定接合され、感応コイルは感応コイル筐体１９内で巻回されている。上・下感応コイルはそれぞれリード線２２を介してコンデンサ及び整流器２０と接続され、コンデンサ及び整流器２０はリード線を介して電流を当該装置内の他の測定器へ送る。
図７に示す通り、本発明における中層フロート１０は低密度海水Ａと高密度海水Ｂの成層界面に位置しており、海水の密度成層場では内部孤立波Ｃが極めて容易に発生し、海水密度成層界面にある中層フロートが内部孤立波Ｃの作用で上下運動する。中層フロート１０の上下浮遊過程中、ラック１７はケブラーケーブル９を介して中層フロート１０と接続されているため、ケブラーケーブル９を介してラック１７が牽引されて上下運動し、ラック１７の上下運動過程中、それと噛み合うピニオン２５の回転を駆動し、このとき発電ピニオンの磁石２６がピニオン２５に伴って回転し、磁石２６の運動過程中、上・下感応コイルどうしの磁束線に対して切断が行われ、切断された磁束線運動が感応コイル内で交流電流を発生させ、感応コイル中で発生した交流電流がリード線２２を通じてコンデンサ及び整流器２０内へ流れ、整流器を介して交流電流が直流電流に整流され、且つコンデンサに蓄電される。環形測定器コントロールキャビン８の側壁には電力出力孔２１が設けられており、コンデンサは電力出力孔２１に通したリード線を介して給電電源と接続され、電力の蓄電を実現する。内部波エネルギー発電機構は、海水の密度成層場で発生する海洋内部波のエネルギーを十分に利用する。
図４及び図５に示す通り、砂質堆積物試料採取ロッド５は抽出部と試料採取部を含み、試料採取部と抽出部との間は可動的に接続される。抽出部は鉛直方向に沿って平行に設置された複数の鋼管接続ロッド３１及び鋼管接続ロッドの軸方向に沿って設置された複数の環形貯砂槽３４を含み、鋼管接続ロッド３１の上端は機械式挟持環７を介して支持ロッド１６と接続され、環形貯砂槽３４は鋼管接続ロッド３１の間に設置され、環形貯砂槽３４内には環形のキャビティが設けられており、環形貯砂槽３４の環形側壁はその外部の数本の鋼管接続ロッド３１と固定接合され、環形貯砂槽３４の頂部は開口状を呈し、環形貯砂槽３４の底部には環形孔３５が設けられている。
試料採取部は鉛直方向に沿って設置された複数の試料採取ユニットを含み、隣接する２つの試料採取ユニットどうしは固定具３７を介して上下接続が実現される。試料採取ユニットは円板Ｉ３２と円板ＩＩ３３を含み、円板Ｉ３２は円板ＩＩ３３の上方に位置し、円板Ｉ３２と円板ＩＩ３３との間は中心に位置する円板接続ロッド３６を介して固定接続され、円板Ｉ３２と円板ＩＩ３３は環形貯砂槽３４内に位置し、円板Ｉ３２と円板ＩＩ３３のサイズは環形貯砂槽３４の内壁のサイズよりも小さく、円板ＩＩ３３のサイズは環形貯砂槽３４底部の環形孔３５のサイズよりも大きいため、円板ＩＩ３３を環形貯砂槽３４底部の円環上に置くことができ、環形貯砂槽３４は試料採取ユニットに対して支持作用を果たしている。隣接する２つの試料採取ユニットの間の円板接続ロッド３６どうしは固定具３７を介して接続され、これにより試料採取ユニットの上下接続が実現される。本実施例中、試料採取部の円板接続ロッドは一体式構造でもよく、即ち１本の円板接続ロッドを介して各円板どうしの固定接合を実現してもよい。抽出部と試料採取部との間は相対的に摺動可能であり、抽出部と試料採取部との間の相対的な摺動により、サンドウェーブ土壌試料に対するサンプリングが実現される。
各鋼管接続ロッド３１の上部どうしには固定円板が固定接合されており、即ち各鋼管接続ロッド３１どうしは固定円板を介して固定接合され、一番上に位置する試料採取ユニットの円板接続ロッドは固定円板と摺動接続されており、円板接続ロッドと固定円板の接合により、試料採取部の位置決めが実現される。本発明中、試料採取ユニットの数量は観測ニーズに応じて選択・決定することができる。
当該観測装置全体を海底に投じる過程中、投じる前の砂質堆積物試料採取ロッドは機械式挟持環により制御されており、アンカーウェイトが海底に接触すると、環形測定器コントロールキャビンが機械式挟持環を制御してロッド体をリリースさせ、砂質堆積物試料採取ロッドが自重作用下で砂体中に貫入する。抽出部と試料採取部は重量及び底面積が異なるため、受ける貫入抵抗力が異なる。抽出部中の鋼管接続ロッド３１は自重が大きく、底面積が小さく、貫入深度が大きいが、試料採取部中の円板は自重が小さく、底面積が大きく、貫入深度が小さい。そのため抽出部と試料採取部との間に相対的な変位が生じ、各試料採取ユニットの隣接する円板の間の空間の両側が環形貯砂槽３４側壁の遮断から離れ、これによりサンドウェーブが隣接する２つの円板の間の空間に自由に出入りできるようになる。サンドウェーブが移動すると、２つの円板の間には砂体が満たされている。当該装置を回収する際は、機械式挟持環が鋼管接続ロッドを挟持して上方向に持ち上げ、このとき試料採取部と抽出部との間が互いに独立しているため、抽出部の鋼管接続ロッド３１が円板よりも先に持ち上げられ、鋼管接続ロッド３１により環形貯砂槽３４の底部円環が引っ張られて円板に接触すると、円板が力を受けて持ち上げられ始める。このとき環形貯砂槽３４の側壁が２つの隣接する円板との間で相対的に閉じられた空間を形成し、２つの円板の間にある堆積物が一緒に採取されて持ち上げられる。
本発明は、上述の観測装置を利用して観測サンプリングを行う方法をさらに含み、その方法は以下の工程を含む。
第１工程、測定器の室内試験及び校正。
観測を行う前に、土圧センサ、間隙水圧センサ、濁度センサ、波浪潮位計、ＡＤＶ、ＡＤＰ及びイメージングソナーはいずれも中国国家標準ＧＢ／Ｔ１２７６３．１０-２００７に従って校正・較正を行い、全ての測定器が正常な作動状態にあり、測定器の精度が国際的な要求事項を満たしていることを保証する必要がある。
第２工程、観測海域及び時間の選択。
既存の観測資料に基づき海底サンドウェーブに対する解析を行い、サンドウェーブのボトム部分から観測ポイントを選択し、３級以下の海況で作業を行い、ケブラーケーブル及び関わるロープの長さは観測ポイントの水深状況に基づいて設定する。
第３工程、３トン以上のクレーンなどの必要な設置装置を備えた作業船を配置する。
第４工程、装置の組み立て。
ＡＤＶ、ＡＤＰ、波浪潮位計、イメージングソナーの作動頻度及び時間の長さを設定した後、各種測定器を組み立てて、機械式挟持環を用いて多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドを固定し、観測装置全体の取り付けを終えた後、それを設置用船舶に積み込む。
第５工程、観測装置の設置。
ＧＰＳ測位システムを用いて作業船を所定の観測ポイントまで航行させ、設置する海域周囲の４平方海里における海流、水深及び 底質条件を観測する。海流及び船舶の漂流速度に基づき設置開始位置を決定して、目標を定めてからアンカーを下ろす設置方法を採用する。図８に示す通り、吊り上げ装置を用いて装置を設置用ケーブルで吊り上げて海に下ろし、それが漂って離れてから、アンカーウェイトを吊り上げ、アンカーウェイトを水面まで吊るし、水深が条件を満たしていることを確認して、アンカーウェイトをリリースし、入水時間、設置した水深、経緯度を記録して、音響切離装置で設置距離を測定する。
第６工程、観測装置の貫入及び観測。
図９に示す通り、観測装置の設置完了後、機械式挟持環がコマンドを受信し、多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドをリリースし、多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドが重力作用下で落下して砂体中に貫入する。ＡＤＶ、ＡＤＰ、波浪潮位計、水中カメラ及びイメージングソナーが作動を開始し、且つデータを記憶して、地形の観測が実現され、多機能観測ロッドがサンドウェーブの移動過程における覆土層の重量変化、サンドウェーブ表面微地形の形態変化及び海底付近水系の流体力特徴の観測を実現する。
観 測過程中、中層フロート１０は低密度海水Ａと高密度海水Ｂの成層界面に位置しており、海水の密度成層場では内部孤立波Ｃが極めて容易に発生し、海水密度成層界面にある中層フロートが内部孤立波Ｃの作用で上下運動し、中層フロート１０の上下浮遊過程中、内部波エネルギー発電機構が発電する。ケブラーケーブル９を介してラック１７が牽引されて上下運動し、ラック１７の上下運動過程中、それと噛み合うピニオン２５の回転を駆動し、発電ピニオンの磁石２６がピニオン２５に伴って回転し、磁石２６の運動過程中、上・下感応コイルどうしの磁束線に対して切断が行われ、切断された磁束線運動が感応コイル内で交流電流を発生させ、感応コイル中で発生した交流電流がリード線２２を通じてコンデンサ及び整流器２０内へ流れ、整流器を介して交流電流が直流電流に整流され、且つコンデンサに蓄電され、コンデンサは給電電源と接続されている。
第７工程、砂質堆積物の試料採取。
砂質堆積物試料採取ロッドを砂体中に貫入するが、鋼管接続ロッドと円板は重量及び底面積が異なるため、受ける貫入抵抗力が異なる。鋼管接続ロッドは自重が大きく、底面積が小さく、貫入深度が大きいが、円板は自重が小さく、底面積が大きく、貫入深度が小さいため、鋼管接続ロッドと円板との間に相対的な変位が生じ、各試料採取ユニットの隣接する２つの円板の間の空間が鋼管接続ロッドに固定された環形貯砂槽の遮断から離れ、サンドウェーブ中に曝露され、サンドウェーブが当該空間に自由に出入りできるようになる。サンドウェーブが移動すると、２つの円板の間には砂体が満たされている。
砂質堆積物試料採取ロッドがある位置のサンドウェーブ傾斜角をθ、観測時間をＴ、サンドウェーブ移動速度をｖ、環形貯砂槽の高度をＨ、環形貯砂槽の直径をＤ、隣接する環形貯砂槽どうしの距離をＬと設定すると、観測開始後の時刻ｔにおいて、観測ポイントにおけるサンドウェーブ高度変化量Δｈ＝ｖｔ・ｔａｎθとなる。
最下部の試料採取ユニットを例に解析を行うと、時刻ｔ（０＜ｔ＜Ｔ）において試料採取ユニットＩに進入する堆積物体積はＶ１であり、
０＜ｖｔ＜Ｄであるとき、
Ｄ＜ｖｔ＜Ｈ・ｔａｎθ＋Ｄであるとき、
Ｈ・ｔａｎθ＋Ｄ＜ｖｔ＜（Ｌ＋Ｈ）・ｓｅｃθであるとき、
が得られる。
が得られる。
従って、観測開始後の時刻ｔにおいて砂質堆積物試料採取ロッドに進入する堆積物の総容積は以下の通りとなる。
第８工程、装置の回収。
その場観測が終了し、作業船が観測海域まで航行し、コマンドを送ると、機械式挟持環が多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドを挟持して固定し、音響切離装置がアンカーウェイトをリリースし、中層フロートの浮力を利用して装置の上部全体を回収する。
これと同時に、機械式挟持環が鋼管接続ロッドを挟持して上方向に持ち上げるとき、円板と鋼管接続ロッドとの間が互いに独立しているため、鋼管接続ロッドが円板よりも先に持ち上げられ、環形貯砂槽の底部円環が円板に接触すると、試料採取ユニットが力を受けて持ち上げられ始める。このとき環形貯砂槽の環形側壁が上・下２つの円板との間で相対的に閉じられた空間を形成し、２つの円板の間にある堆積物が一緒に採取されて持ち上げられる。砂質堆積物のサンプリング過程は図１０に示す通りである。
堆積物の水中単位体積重量をγ、砂質堆積物試料採取ロッドの自重をｘ（ｋｇ）と設定すると、堆積物試料の回収を成功させるには、砂質堆積物試料採取ロッド上に作用する上方向の牽引力が少なくともＦ（ｔ）＝（Ｖ（ｔ）・γ＋ｘ）・ｇ必要であり、そのうちｇは現地の重力加速度である。
第９工程、データの収集及び修正。
多機能観測ロッド内及び支持ロッド上の各測定器に記憶されたデータを収集し、多機能観測ロッドの土圧センサのデータは波浪潮位計を通して修正を行うことができ、イメージングソナーが得たサンドウェーブの波長データによりサンドウェーブの移動速度を推算し、且つ底流データを利用して海底流速がサンドウェーブの移動に与える影響を解析する。
第１０工程、砂質堆積物試料採取ロッドが回収したサンドウェーブ土壌試料に対するマーキング・保存。後に様々な高度におけるサンドウェーブ土壌試料の物理的性質の違いを比較するのに用いることができ、サンドウェーブ土壌体についての研究に重要な意義を有する。
以上、本発明が提供する内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置について詳細に紹介した。本明細書では、具体的な例を用いて本発明の原理及び実施形態について説明したが、上記の実施例の説明は本発明の方法及び核心思想を理解するための助けにすぎない。本技術分野の当業者であれば本発明の原理を逸脱せずに本発明に対するいくらかの改良及び修飾を行うことが可能であり、それらの改良及び修飾も本発明の特許請求の保護範囲に属することを理解されたい。開示した実施例に対する上述の説明により、当業者は本発明を実現又は使用することができる。それらの実施例に対する様々な修正は当業者にとって容易に明白なものであり、本明細書中で定義される一般的な原理は、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく他の実施例中で実現し得る。従って、本発明は本明細書に示す実施例に限定されるものではなく、本明細書で開示する原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるものである。
１ アンカーウェイト
２ 六角ロッド
３ ワイヤケーブル
４ 音響切離装置
５ 砂質堆積物試料採取ロッド
６ 多機能観測ロッド
７ 支持挟持環
８ 環形測定器コントロールキャビン
９ ケブラーケーブル
１０ 中層フロート
１１ 超音波流速計
１２ 超音波ドップラー流速計
１３ 水中カメラ
１４ 波浪潮位計
１５ イメージングソナー
１６ 支持ロッド
１７ ラック
１８ 発電機構外フレーム
１９ 感応コイル筐体
２０ コンデンサ及び整流器
２１ 電力出力孔
２２ リード線
２３ 環形測定器コントロールキャビン底板
２４ 環形測定器コントロールキャビン頂板
２５ ピニオン
２６ 磁石
２７ バネ
２８ 位置制限プレート
２９ 発電機構内壁
３０ ピニオン支持ロッド
３１ 鋼管接続ロッド
３２ 円板Ｉ
３３ 円板ＩＩ
３４ 環形貯砂槽
３５ 環形孔
３６ 円板接続ロッド
３７ 固定具
３８ 観測ロッド接続ロッド
３９ 濁度センサ
４０ 土圧センサ
４１ 間隙水圧センサ
４２ 貫入用コーン
２ 六角ロッド
３ ワイヤケーブル
４ 音響切離装置
５ 砂質堆積物試料採取ロッド
６ 多機能観測ロッド
７ 支持挟持環
８ 環形測定器コントロールキャビン
９ ケブラーケーブル
１０ 中層フロート
１１ 超音波流速計
１２ 超音波ドップラー流速計
１３ 水中カメラ
１４ 波浪潮位計
１５ イメージングソナー
１６ 支持ロッド
１７ ラック
１８ 発電機構外フレーム
１９ 感応コイル筐体
２０ コンデンサ及び整流器
２１ 電力出力孔
２２ リード線
２３ 環形測定器コントロールキャビン底板
２４ 環形測定器コントロールキャビン頂板
２５ ピニオン
２６ 磁石
２７ バネ
２８ 位置制限プレート
２９ 発電機構内壁
３０ ピニオン支持ロッド
３１ 鋼管接続ロッド
３２ 円板Ｉ
３３ 円板ＩＩ
３４ 環形貯砂槽
３５ 環形孔
３６ 円板接続ロッド
３７ 固定具
３８ 観測ロッド接続ロッド
３９ 濁度センサ
４０ 土圧センサ
４１ 間隙水圧センサ
４２ 貫入用コーン
Claims (7)
- 中層フロート（１０）と支持機構を含み、多機能観測ロッド（６）、砂質堆積物試料採取ロッド（５）及び内部波エネルギー発電機構をさらに含み、前記支持機構は天秤状を呈し、アンカーウェイト（１）、六角ロッド（２）、環形測定器コントロールキャビン（８）及び支持ロッド（１６）を含み、前記アンカーウェイト（１）は装置全体の底部に位置し、前記アンカーウェイト（１）は複数の前記六角ロッド（２）を介してその上方の前記環形測定器コントロールキャビン（８）と接続され、前記内部波エネルギー発電機構は前記環形測定器コントロールキャビン（８）内に設置され、前記環形測定器コントロールキャビン（８）の外側には２本の前記支持ロッド（１６）が対称に固定されており、そのうち１本の支持ロッドはその端部の機械式挟持環（７）を介して前記多機能観測ロッド（６）と接続され、もう１本の支持ロッドはその端部の前記機械式挟持環（７）を介して前記砂質堆積物試料採取ロッド（５）と接続され、前記支持ロッド（１６）には超音波流速計（１１）、超音波ドップラー流速計（１２）、水中カメラ（１３）、波浪潮位計（１４）及びイメージングソナー（１５）が搭載されており、前記環形測定器コントロールキャビン（８）の底部と前記アンカーウェイト（１）の頂部との間には音響切離装置（４）が接続されたワイヤケーブル（３）が接続されており、前記環形測定器コントロールキャビン（８）の頂部はケブラーケーブル（９）を介して海水境界層面にある前記中層フロート（１０）と接続され、
前記多機能観測ロッド（６）の底部には貫入用コーン（４２）が固定されており、前記貫入用コーン（４２）の底部は尖り形状を呈し、前記貫入用コーン（４２）の頂部には土圧センサ（４０）が設けられており、前記土圧センサ（４０）の上方且つ前記多機能観測ロッド内には間隙水圧センサ（４１）が設けられており、前記間隙水圧センサ（４１）の上方且つ前記多機能観測ロッド内にはその軸方向に沿って複数の濁度センサ（３９）が間隔を空けて設置され、
前記砂質堆積物試料採取ロッド（５）は抽出部と試料採取部を含み、前記試料採取部と前記抽出部との間は可動的に接続され、前記抽出部は鉛直方向に沿って平行に設置された複数の鋼管接続ロッド（３１）及び前記鋼管接続ロッドの軸方向に沿って設置された複数の環形貯砂槽（３４）を含み、前記鋼管接続ロッド（３１）は前記機械式挟持環（７）を介して前記支持ロッド（１６）と接続され、前記環形貯砂槽（３４）は前記鋼管接続ロッド（３１）の間に設置され、前記環形貯砂槽（３４）内には環形のキャビティが設けられており、前記環形貯砂槽（３４）の環形側壁はその外部の数本の前記鋼管接続ロッド（３１）と固定接合され、前記環形貯砂槽（３４）の頂部は開口状を呈し、前記環形貯砂槽（３４）の底部には環形孔（３５）が設けられており、
前記試料採取部は鉛直方向に沿って設置された複数の試料採取ユニットを含み、前記試料採取ユニットは円板Ｉ（３２）と円板ＩＩ（３３）を含み、前記円板Ｉ（３２）は前記円板ＩＩ（３３）の上方に位置し、前記円板Ｉ（３２）と前記円板ＩＩ（３３）との間は中心に位置する円板接続ロッド（３６）を介して固定接合され、前記円板Ｉ（３２）と前記円板ＩＩ（３３）は前記環形貯砂槽（３４）内に位置し、前記円板Ｉ（３２）と前記円板ＩＩ（３３）のサイズは前記環形貯砂槽（３４）の内壁のサイズよりも小さく、前記円板ＩＩ（３３）のサイズは前記環形貯砂槽（３４）底部の前記環形孔（３５）のサイズよりも大きく、隣接する２つの前記試料採取ユニットの間の前記円板接続ロッド（３６）どうしは固定具（３７）を介して接続され、各前記鋼管接続ロッド（３１）の上部どうしには固定円板が固定接合されており、一番上に位置する前記試料採取ユニットの前記円板接続ロッドの頂端は前記固定円板と摺動接続されることを特徴とする、内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置。 - 前記アンカーウェイト（１）は内部に六角形凹溝を有し、前記六角ロッド（２）を前記六角形凹溝内に挿入することで、前記六角ロッドと前記アンカーウェイトの固定接合が実現されることを特徴とする、請求項１に記載の内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置。
- 前記超音波流速計（１１）、前記超音波ドップラー流速計（１２）、前記水中カメラ（１３）、前記波浪潮位計（１４）、前記イメージングソナー（１５）及び前記機械式挟持環（７）はそれぞれケーブルを介して給電電源と電気的に接続され、前記給電電源は前記内部波エネルギー発電機構と電気的に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置。
- 前記内部波エネルギー発電機構は発電機構外フレーム（１８）、発電機構内壁（２９）、発電ラック・ピニオン、バネ（２７）、感応コイル並びにコンデンサ及び整流器（２０）を含み、前記発電機構内壁（２９）は前記環形測定器コントロールキャビン（８）内に位置し、前記発電機構内壁（２９）と環形測定器コントロールキャビン頂板（２４）、環形測定器コントロールキャビン底板（２３）との間は封止固定して接合され、前記発電機構内壁（２９）は中空の円柱型キャビティであり、前記環形測定器コントロールキャビン頂板（２４）には開口が設けられており、前記発電ラック・ピニオンと前記バネ（２７）は前記発電機構内壁（２９）の中空キャビティ内に位置し、前記発電機構外フレーム（１８）は前記環形測定器コントロールキャビン（８）の上方に位置し、前記発電機構外フレーム（１８）の底部は前記環形測定器コントロールキャビン頂板（２４）と固定接合され、前記発電機構外フレーム（１８）の中央部には中心孔が設けられており、
前記発電ラック・ピニオンは２つのピニオン（２５）及び２つの前記ピニオンの間に位置するラック（１７）を含み、前記ラック（１７）の両側に対応する２つの前記ピニオン（２５）の回転方向は反対であり、且つ２つの前記ピニオン（２５）はどちらも前記ラック（１７）と互いに噛み合い、２つの前記ピニオン（２５）はどちらも中心回転軸を介してピニオン支持ロッド（３０）と接続され、前記ピニオン支持ロッド（３０）は前記発電機構内壁（２９）と固定接合され、前記ラック（１７）の片側の前記ピニオン（２５）には磁石（２６）が設けられており、前記ラック（１７）の下端は前記バネ（２７）を介して前記環形測定器コントロールキャビン底板（２３）と接続され、前記ラック（１７）の頂端は前記ケブラーケーブル（９）を介して前記中層フロート（１０）と接続され、前記ケブラーケーブル（９）は前記発電機構外フレーム（１８）の前記中心孔内に設置され、前記ラック（１７）の頂端には位置制限プレート（２８）が固定されており、前記位置制限プレート（２８）は前記発電機構外フレーム（１８）の前記中心孔の下方に位置し、且つそのサイズは前記中心孔のサイズよりも大きく、前記発電機構内壁（２９）の上部と下部の外側の位置には感応コイル筐体（１９）が設けられており、前記感応コイル筐体（１９）は前記環形測定器コントロールキャビン（８）の内部と固定接合され、前記感応コイルは前記感応コイル筐体（１９）内で巻回されており、上・下の前記感応コイルはそれぞれリード線（２２）を介して前記コンデンサ及び整流器（２０）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置。 - 各前記試料採取ユニットの間の前記円板接続ロッドは一体式構造であることを特徴とする、請求項１に記載の内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置。
- 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置の観測方法であって、
工程Ｓ１、測定器の室内試験及び校正、
工程Ｓ２、観測海域及び時間の選択、
工程Ｓ３、作業船の配置、
工程Ｓ４、観測装置の組み立て、
工程Ｓ５、前記観測装置の設置、
工程Ｓ６、前記観測装置の貫入及び観測、
前記観測装置の設置完了後、機械式挟持環がコマンドを受信し、多機能観測ロッド及び砂質堆積物試料採取ロッドをリリースし、前記多機能観測ロッド及び前記砂質堆積物試料採取ロッドが重力作用下で落下して砂体中に貫入し、ＡＤＶ、ＡＤＰ、波浪潮位計、水中カメラ及びイメージングソナーが作動を開始し、且つデータを記憶して、地形の観測が実現され、前記多機能観測ロッドがサンドウェーブの移動過程における覆土層の重量変化、サンドウェーブ表面微地形の形態変化及び海底付近水系の流体力特徴の観測を実現し、
観測過程中、中層フロートは低密度海水と高密度海水の成層界面に位置しており、海水の密度成層場では内部孤立波が極めて容易に発生し、海水密度成層界面にある前記中層フロートが内部孤立波の作用で上下運動することにより、内部波エネルギー発電機構が発電するようにさせ、
工程Ｓ７、砂質堆積物の試料採取、
前記砂質堆積物試料採取ロッドを砂体中に貫入するが、鋼管接続ロッドと円板は重量及び底面積が異なるため、受ける貫入抵抗力が異なり、前記鋼管接続ロッドは自重が大きく、底面積が小さく、貫入深度が大きいが、前記円板は自重が小さく、底面積が大きく、貫入深度が小さいため、前記鋼管接続ロッドと前記円板との間に相対的な変位が生じ、各試料採取ユニットの隣接する２つの前記円板の間の空間が前記鋼管接続ロッドに固定された環形貯砂槽の遮断から離れ、サンドウェーブ中に曝露され、サンドウェーブが前記空間に自由に出入りできるようになるため、サンドウェーブが移動すると、２つの前記円板の間に砂体が満たされており、
前記砂質堆積物試料採取ロッドがある位置のサンドウェーブ傾斜角をθ、観測時間をＴ、サンドウェーブ移動速度をｖ、環形貯砂槽の高度をＨ、環形貯砂槽の直径をＤ、隣接する前記環形貯砂槽どうしの距離をＬと設定すると、観測開始後の時刻ｔにおいて、観測ポイントにおけるサンドウェーブ高度変化量Δｈ＝ｖｔ・ｔａｎθとなり、観測開始後の時刻ｔに前記砂質堆積物試料採取ロッドに進入した堆積物の総容積は以下の通りであり、
前記機械式挟持環が前記多機能観測ロッド及び前記砂質堆積物試料採取ロッドを挟持して固定し、音響切離装置がアンカーウェイトをリリースし、前記中層フロートの浮力を利用して装置の上部全体を回収し、
回収過程中、前記機械式挟持環が前記鋼管接続ロッドを挟持して上方向に持ち上げるとき、前記円板と前記鋼管接続ロッドとの間が互いに独立しているため、前記鋼管接続ロッドが前記円板よりも先に持ち上げられ、前記環形貯砂槽の底部円環が前記円板に接触すると、前記試料採取ユニットが力を受けて持ち上げられ始め、このとき前記環形貯砂槽の環形側壁が上・下２つの前記円板との間で相対的に閉じられた空間を形成し、２つの前記円板の間にある堆積物が一緒に採取されて持ち上げられ、
堆積物の水中単位体積重量をγ、前記砂質堆積物試料採取ロッドの自重をｘ（ｋｇ）と設定すると、堆積物試料の回収を成功させるには、前記砂質堆積物試料採取ロッド上に作用する上方向の牽引力が少なくともＦ（ｔ）＝（Ｖ（ｔ）・γ＋ｘ）・ｇ必要であり、そのうちｇは現地の重力加速度であり、
工程Ｓ９、データの収集及び修正、
という工程を含むことを特徴とする、内部波発達エリアに使用される海底サンドウェーブの長期観測装置の観測方法。 - 前記工程Ｓ６において、前記中層フロートの上下浮遊過程中、ケブラーケーブルを介してラックが牽引されて上下運動し、前記ラックの上下運動過程中、それと噛み合うピニオンの回転を駆動し、発電ピニオンの磁石が前記ピニオンに伴って回転し、前記磁石の運動過程中、上・下感応コイルどうしの磁束線に対して切断が行われ、切断された磁束線運動が前記感応コイル内で交流電流を発生させ、前記感応コイル中で発生した交流電流がリード線を通じてコンデンサ及び整流器内へ流れ、前記整流器を介して交流電流が直流電流に整流され、且つ前記コンデンサに蓄電され、前記コンデンサは給電電源と接続されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
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