一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣裝置及方法與流程

本發明屬于海洋調查與海底探測技術領域，具體涉及一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣裝置及方法。

背景技術：

海底沉積物是海洋水體與海底直接接觸的界面，也是人類認識、探測以及開發利用海底首先面對的對象。海底沉積物的物質屬性是海底環境監測、海底資源開發以及海洋工程的重要方面。通過對海底沉積物進行聲學原位測量與取樣，是認識沉積物屬性的一種重要手段，其最大限度地保持了沉積物的原狀特性，測量精度較高。海底沉積物的物理屬性與聲學特征密切相關，可以基于聲學原位探測沉積物聲學參數進行物理屬性的反演。目前，進行沉積物聲學原位測量的模式有兩種，一種模式是聲學換能器對向安裝，進行橫向沉積物聲學特性測量；另一種模式是聲學換能器縱向安裝，進行垂直方向沉積物聲學特性測量；兩種模式各有特點，橫向測量主要針對特定層位的沉積物進行聲學測量，縱向測量主要針對不同層位的沉積物進行聲學測量。目前，國內外使用的海底沉積物原位測量裝置只能進行單一的橫向或者縱向測量，測量效率較低，主要存在如下問題：(1)僅能進行單一的橫向或者縱向測量，效率較低；(2)不能進行同步沉積物取樣，不利于開展沉積物的聲學參數與物理參數的相關性分析研究。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣裝置及方法，本發明集成度高，無附加驅動裝置，安裝方便，操作簡單，同時具有橫向與縱向兩種測量模式，并且能夠同步完成沉積物取樣功能，可反復使用。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣裝置，包括甲板顯控單元與水下探測單元，甲板顯控單元遠程控制并且實時顯示水下探測單元的作業狀態，水下探測單元完成聲學原位測量與沉積物取樣；所述水下探測單元包括六邊形支架，六邊形支架的下方分別通過定位銷連接聲學發射矛桿、聲學接收矛桿和沉積物取樣矛桿，六邊形支架上方固定縱向發射換能器；所述聲學發射矛桿上安裝至少兩個橫向發射換能器，所述聲學接收矛桿上安裝接收換能器，特別地，橫向發射換能器、縱向發射換能器與接收換能器在同一平面內。

進一步地，所述六邊形支架的頂板上設置承重吊點，承重吊點與六邊形支架的頂板構成吊點轉彎保護裝置，實現本裝置在甲板上水平安裝、起吊后垂直入水的功能。

進一步地，所述六邊形支架內設置兩個水下控制電子倉，一個用作供電通信倉，另一個用作聲學倉，可以有效減少供電與通信對聲學信號發射接收的干擾。

進一步地，所述六邊形支架內安裝聲速儀、高度計以及水下攝像頭。

進一步地，本裝置重心位于六邊形支架底部，使得本裝置垂直起吊時，三只矛桿受力較小；并且三支矛桿呈正三角形分布，海底著陸平穩，能夠在自身重力作用下插入海底沉積物中。

進一步地，縱向發射換能器與接收換能器構成縱向發射接收工作模式；橫向發射換能器與接收換能器構成水平發射接收工作模式，同時具備沉積物聲學原位測量兩種工作模式。

進一步地，所述聲學接收換能器是由多個接收換能器基元構成的陣列，該陣列嵌入聲學接收矛桿的凹槽內，該陣列平面與凹槽齊平，不同接收換能器基元的輻射范圍分別覆蓋六邊形支架上安裝的縱向發射換能器與聲學發射矛桿上安裝的橫向發射換能器。

進一步地，三只矛桿底部均呈錐形，以便有效插入沉積物中；在聲學接收矛桿管壁放置溫度傳感器，可以同步測量海底沉積物的溫度；在聲學發射矛桿管壁放置位移傳感器，可以獲得裝置進入沉積物中的深度。

一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣的方法，該方法具體為：作業時，先進行沉積物中測量，使裝置插入沉積物中進行聲學原位測量并同步取樣，聲學原位測量與沉積物同步取樣完成后，然后進行一次水中測量，并且，其水中測量的參數與沉積物中聲學原位測量的參數配置相同，以獲得沉積物和水體中的比對數據，進行數據的后期處理，獲得海底沉積物的原位聲學特性參數。

進一步地，利用標準聲速儀測的水中聲速，與該裝置測量的水中聲速進行比測校準，提高沉積物中的聲學原位測量的精度。

本發明的有益效果是：同步進行聲學原位測量與沉積物取樣，便于地聲模型的研究；既可以進行橫向發射接收測量模式，也可以進行縱向發射接收測量模式，多種測量模式，提高測量效率；供電通信電子倉與聲學倉為獨立的兩個耐壓倉，降低了供電與通信對聲學信號的干擾；利用搭載的聲速儀，對沉積物中的聲程進行精確計算，提高了探測精度。

附圖說明

圖1為本發明總體結構示意圖；

圖2為本發明的甲板顯控單元組成示意圖；

圖3為本發明水下探測單元的立體示意圖；

圖4為本發明的測量方法流程圖；

圖中：1為甲板顯控單元；101為顯示模塊；102為通信模塊；103為控制模塊；104為供電模塊；105為同軸電纜或者光電復合纜接口；2為水下探測單元；201為承重吊點；202為六邊形支架；203為聲學發射矛桿；204為聲學接收矛桿；205為沉積物取樣矛桿；206為水下控制電子倉；207為縱向發射換能器；208為第一橫向發射換能器；209為第二橫向發射換能器；210為接收換能器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明提供了一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣裝置，包括甲板顯控單元1與水下探測單元2，甲板顯控單元1遠程控制并且實時顯示水下探測單元2的作業狀態，水下探測單元2完成聲學原位測量與沉積物取樣。如圖3所示，所述水下探測單元2包括六邊形支架202，六邊形支架202的下方分別通過定位銷連接聲學發射矛桿203、聲學接收矛桿204和沉積物取樣矛桿205，六邊形支架202上方固定縱向發射換能器207；所述聲學發射矛桿203上安裝至少兩個橫向發射換能器，所述聲學接收矛桿204上安裝接收換能器210，特別地，橫向發射換能器、縱向發射換能器207與接收換能器210在同一平面內。

進一步地，所述六邊形支架202的頂板上設置承重吊點201，承重吊點201與六邊形支架202的頂板構成吊點轉彎保護裝置，實現本裝置在甲板上水平安裝、起吊后垂直入水的功能。

進一步地，所述六邊形支架202內設置兩個水下控制電子倉206，一個用作供電通信倉，另一個用作聲學倉，可以有效減少供電與通信對聲學信號發射接收的干擾。

進一步地，所述六邊形支架202內安裝聲速儀、高度計以及水下攝像頭。

進一步地，本裝置重心位于六邊形支架202底部，使得本裝置垂直起吊時，三只矛桿受力較小；并且三支矛桿呈正三角形分布，海底著陸平穩，能夠在自身重力作用下插入海底沉積物中。

進一步地，縱向發射換能器207與接收換能器210構成縱向發射接收工作模式；橫向發射換能器與接收換能器210構成水平發射接收工作模式，同時具備沉積物聲學原位測量兩種工作模式。

進一步地，所述接收換能器210是由多個接收換能器基元構成的陣列，該陣列嵌入聲學接收矛桿204的凹槽內，該陣列平面與凹槽齊平，不同接收換能器基元的輻射范圍分別覆蓋六邊形支架202上安裝的縱向發射換能器207與聲學發射矛桿203上安裝的橫向發射換能器。

進一步地，三只矛桿底部均呈錐形，以便有效插入沉積物中；在聲學接收矛桿204管壁放置溫度傳感器，可以同步測量海底沉積物的溫度；在聲學發射矛桿203管壁放置位移傳感器，可以獲得裝置進入沉積物中的深度。

本發明還提供了一種海底沉積物聲學原位測量與同步取樣的方法，該方法具體為：作業時，先進行沉積物中測量，使裝置插入沉積物中進行聲學原位測量并同步取樣，聲學原位測量與沉積物同步取樣完成后，然后進行一次水中測量，并且，其水中測量的參數與沉積物中聲學原位測量的參數配置相同，以獲得沉積物和水體中的比對數據，進行數據的后期處理，獲得海底沉積物的原位聲學特性參數。利用標準聲速儀測的水中聲速，與該裝置測量的水中聲速進行比測校準，提高沉積物中的聲學原位測量的精度。

實施例1

本實施例的海底沉積物聲學原位測量與同步取樣裝置包括甲板顯控單元1與水下探測單元2兩部分。甲板顯控單元1通過同軸電纜或光電復合纜為水下探測單元2供電，并完成二者之間的通信，甲板顯控單元1可以實時顯示水下探測單元2的運行狀態，并對水下探測單元2進行遠程控制；水下探測單元2利用自重，插入海底沉積物中，進行聲學原位測量，并同步采集沉積物樣品。如圖2所示，甲板顯控單元1包括顯示模塊101、通信模塊102、控制模塊103、供電模塊104和同軸電纜或者光電復合纜接口105；其中，供電模塊104為水下探測單元2供電，通信模塊102完成甲板顯控單元1與水下探測單元2的通信，控制模塊103實現對水下探測單元2作業的遠程交互控制，顯示模塊101實現水下探測單元2作業狀態的實時顯示；水下探測單元2包括六邊形支架202，六邊形支架202的下方分別通過定位銷連接聲學發射矛桿203、聲學接收矛桿204和沉積物取樣矛桿205，六邊形支架202上方固定縱向發射換能器207；所述聲學發射矛桿203上安裝第一橫向發射換能器208和第二橫向發射換能器209，所述聲學接收矛桿204上安裝接收換能器210，橫向發射換能器、縱向發射換能器207與接收換能器210在同一平面內。

沉積物取樣矛桿205作為海底沉積物柱狀取樣器，其取樣長度與聲學接收換能器的最大距離一致，以便采集能夠與聲學原位探測進行對比測量的甲板聲學測試的沉積物樣品。

本裝置在插入沉積物過程中，利用重力使得矛桿進入沉積物中，在本裝置穩定后，利用聲學發射矛桿或者六邊形支架上部安裝的縱向發射換能器發射聲波，聲學接收矛桿內的接收換能器接收聲波，完成沉積物聲學原位測量，同時沉積物取樣矛桿完成沉積物取樣。

實施例2

本實施例的海底沉積物聲學原位測量與同步取樣方法如圖4所示，包括下列步驟：

步驟1：系統安裝

1.1檢查確認所述的各個單元部件正常；

1.2分別裝配甲板顯控單元與水下探測單元；

步驟2：系統測試

2.1使用同軸電纜或者光電復合纜，連接甲板顯控單元與水下探測單元；

2.2按照具體作業要求，進行供電與通信測試；

步驟3：系統布放

3.1使用船舶的門型A駕與絞車，起吊水下探測單元，布放入水；

3.2沉積物中測量。在水下探測單元距離海底越10米時，高速下放設備，使得水下探測單元自由下落，矛桿插入海底沉積物中，待矛桿穩定在沉積物中后，執行沉積物中測量，采集數據；

3.3水中測量。把水下探測單元回收至水中，使用與沉積物中相同的測量參數，執行水中測量，采集數據。

步驟4：系統回收

4.1作業完成后，回收水下探測單元至甲板；

4.2拆卸水下探測單元，淡水沖洗后存放至陰涼干燥處。