测量海洋土电阻率的方法及装置与流程

本发明属于海洋测量技术领域，具体地说，是涉及测量海洋土电阻率的方法及装置。

背景技术：

二十一世纪是海洋的世纪，随着海底管道电缆的铺设、海底油气资源的勘探和开发，海洋土的物理力学和工程地质性质研究，尤其是复杂深海海洋土性质的研究日益受到人们的重视。近年来，电阻率探测技术已经广泛用于海洋土物理指标测试、资源开发利用等环节。电阻率是表征土的导电能力的基本物性指标，能反映土的基本物理力学性质及结构特征等，因此测量海洋土的电阻率具有重要的理论意义和应用价值。

目前，海洋土电阻率的测量通常采用海底取样测量方法和电测井测量方法。海底取样测量方法是将原位海洋土取出，然后，在室内测量取出的土样的电阻率数据。电测井的方法是首先在海底开挖一口测井，然后将电阻率探头贯入测井内，利用电阻率探头测量海洋土的电阻率。

海底取样测量方法为非实时性测量，而且在取土样过程中对土样造成扰动，改变土层结构的稳定性，影响测量数据的准确性。电测井测量方法虽然是实时测量，能够得到真电阻率数据，进而获取土层状态和地质评价参数。但是电测井的方法在开挖测井的过程中仍会对井壁周边的土层造成较大扰动，这就导致测量结果的不确定性和不准确性。并且，电测井的方法需要开挖测井，过程复杂，造价和成本过高，一次测量过程投资较大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量海洋土电阻率的方法及装置，实现对海洋土电阻率的原位、快速、准确测量。

为实现上述发明目的，本发明提供的测量海洋土电阻率的装置采用下述技术方案予以实现：

一种测量海洋土电阻率的装置，所述装置包括有探杆，所述探杆包括有顶舱、杆体和探头，所述杆体连接所述顶舱和所述探头；

所述顶舱上形成有挂钩，所述顶舱内形成有内置电源、控制电路、恒流源电路、数据采集电路和传感电路；所述内置电源为所述控制电路、所述恒流源电路、所述数据采集电路及所述传感电路供电，所述控制电路分别与所述数据采集电路、所述传感电路及所述恒流源电路连接；所述顶舱内还形成有与所述传感电路连接的加速度传感器；

所述探头上形成有电极序列，所述电极序列包括有两个供电电极和至少两个测量电极，所述供电电极和所述测量电极以与外界相通的形式安装在所述探头上，所述供电电极通过位于所述杆体内的导线与所述恒流源电路连接，所述测量电极通过位于所述杆体内的导线与所述数据采集电路连接。

如上所述的装置，所述探头包括有呈筒状的探头主体和呈锥状的头部，所述电极序列形成在所述探头主体上，所述电极序列的横截面与所述探头主体的中轴线垂直。

如上所述的装置，所述电极序列包括有四个测量电极，两个所述供电电极沿所述探头的圆周方向对称形成在所述探头上，四个所述测量电极中的两个测量电极形成一个测量电极组，四个所述测量电极形成左、右两个测量电极组，所述两个测量电极组以两个所述供电电极的连线为对称轴左右对称地形成在所述探头上，两个所述供电电极和四个所述测量电极等距安装在所述探头上。

如上所述的装置，在所述探杆内形成有姿态传感器，所述姿态传感器与所述传感电路连接。

如上所述的装置，在所述探杆内形成有压力传感器，所述压力传感器与所述传感电路连接。

如上所述的装置，在所述杆体上形成有配重块。

为实现前述发明目的，本发明提供的测量海洋土电阻率的方法采用下述技术方案来实现：

一种测量海洋土电阻率的方法，所述方法采用上述的装置测量海洋土电阻率，所述方法包括：

在所述装置中的探杆向海洋土贯入的过程中，利用所述装置中的恒流源电路向所述装置中的两个供电电极供电，利用所述装置中的数据采集电路采集所述装置中的两个测量电极之间的电极电位，根据下述公式获取实时海洋土电阻率：

其中，ρ为实时海洋土电阻率，K为装置系数，C1P1为两个所述供电电极中第一供电电极与所述测量电极中第一测量电极之间的距离，C2P1为两个所述供电电极中第二供电电极与所述第一测量电极之间的距离，C1P2为所述第一供电电极与测量电极中第二测量电极之间的距离，C2P2为所述第二供电电极与所述第二测量电极之间的距离，△U_P1P2为所述第一测量电极与所述第二测量电极之间的实时电位差，I为所述装置中的恒流源电路输出至所述供电电极上的交变直流电流；

同时，在所述探杆向海洋土贯入的过程中，利用所述装置中的加速度传感器的检测结果获取所述探杆贯入海洋土的实时深度；

基于所述实时深度和所述实时海洋土电阻率，获取海洋土深度与该深度处的海洋土电阻率之间一一对应的关系。

如上所述的方法，所述探杆包括有四个测量电极，所述四个测量电极构成用于测量同一海洋土深度处的海洋土电阻率的两个测量电极组，该海洋土深度处对应的海洋土电阻率为两个所述测量电极组获取的实时海洋土电阻率的平均值。

如上所述的方法，所述方法还包括：

在所述装置中的探杆向海洋土贯入的过程中，获取所述探杆的倾斜角度；

将所述探杆的倾斜角度与设定角度作比较；

若所述探杆的倾斜角度大于所述设定角度，丢弃该过程中所获取的所述实时海洋土电阻率。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供的测量海洋土电阻率的装置中，通过设置具有供电电极和测量电极的探头，在探杆贯入海洋土的过程中，为供电电极供电形成电场，该电场经过海洋土的作用，会在探头的测量电极上产生与海洋土电阻率的大小相对应的电位差，通过测量该电位差即可实现对海洋土电阻率的测量，得到的是横向的电阻率数据，能够精确反应海洋土的成层性，分辨率高。由于测量过程是在探杆贯入海洋土的过程中实时测量的，因而，不仅实现了对海洋土的电阻率的原位测量，得到且不会对海洋土造成扰动，保证了数据测量的准确性；并且，探杆可以根据需要随时放入到海底，无需预先设置测量井，测量简单、方便，成本低。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是基于本发明测量海洋土电阻率的装置一个实施例的立体图；

图2是图1实施例的剖视图；

图3是图1实施例中电极序列的结构示意图；

图4是图1实施例的电路原理图；

图5是基于本发明测量海洋土电阻率的方法一个实施例的流程图；

图6是基于图1的装置和图5的方法获得的曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

请参见图1至图4示出的基于本发明测量海洋土电阻率的装置的一个实施例。其中，图1和图2分别是该实施例的立体图和剖视图，图3是电极序列的结构示意图，图4是该实施例的电路原理图。

如图1至图4所示意，该实施例用于测量海洋土电阻率的装置包括有探杆100，探杆100包括有顶舱1、杆体2和探头3，杆体2连接顶舱1和探头3。

具体来说，顶舱1为由不锈钢材料作为壳体、内部形成有空腔的结构。顶舱1包括有舱体、上端盖和下端盖(图中未标注)，上、下端盖分别与舱体通过螺纹连接，并通过螺母固定。在顶舱1的顶端上形成有挂钩11，利用该挂钩11，可以连接缆绳，进而通过缆绳将整个探杆100与船体相连，实现在船上方便地向海底抛探杆100以及将海底的探杆100拖回船上。在顶舱1的内部空腔中形成有电池舱12和电路板舱13两部分，作为内置电源的电池安装在电池舱12内，两块电路板并排竖向安装在电路板舱13内，由螺母将电池和电路板固定在托架上。托架由绝缘树脂材料制成，可通过螺母调节电池舱12和电路板舱13的长度，以适应不同尺寸。

顶舱1内的电路板上包括有控制电路、恒流源电路、数据采集电路和传感电路。内置电源为控制电路、恒流源电路、数据采集电路及传感电路供电，控制电路分别与数据采集电路、传感电路及恒流源电路连接。此外，顶舱1内还形成有与传感电路连接的加速度传感器(图中未示出)。在探杆100中、具体来说可以在顶舱1中形成与传感电路连接的加速度传感器，控制电路能够按照和交变电流同步的频率通过传感电路对加速度传感器进行采样，并对得到的加速度信号经过两次时域积分获取探杆贯入海洋土的实时深度。

其中，恒流源电路可以包括A/D转换电路、D/A转换电路、电流调节器、保护电路和采样电阻。数据采集电路可以包括A/D转换电路、抗混叠滤波电路、信号前端处理电路、负载电路及高速切换开关和滤波电路。但并不局限于该结构，还可以采用其他能够实现相同功能的结构来实现。

杆体2为具有中空内腔的筒状结构，可以通过螺纹连接的方式分别与顶舱1及探头3连接。杆体2的长度可以根据需要测量的海底土层的深度进行选择。优选的，杆体2的壳体采用多层结构来实现，最外层的材料为聚偏氟乙烯(PVDF)，第二层为空心不锈钢管。在不锈钢管的中空内腔中穿有导线5。

探头3作为探杆100的核心测量部件，优选结构为包括有具有中空腔体的筒状的探头主体31和呈锥状的头部32，其中，探头主体31的上端与杆体2连接，头部32远离杆体2。头部32作为整个探杆100向海洋土中贯入的头部位置，选用锥状的结构，材料为不锈钢，利于贯入土中。探头主体31的壳体采用与杆体2的壳体相同的多层结构来实现。

在探头主体31上形成有一个电极序列33，下面描述电极序列的结构。

电极序列33包括有两个供电电极和四个测量电极，分别为第一供电电极C1、第二供电电极C2、第一测量电极P1、第二测量电极P2、第三测量电极P3及第四测量电极P4。这六个电极均以与外界相通的形式等距镶嵌在探头主体31上。具体来说，在探头主体31的壳体上、沿周向方向上开设有六个孔洞，每个孔洞中镶嵌有一个电极。两个供电电极中，第一供电电极C1和第二供电电极C2分别通过杆体2内的导线5与顶舱1中的恒流源电路连接，四个测量电极也分别通过导线5与顶舱1中的数据采集电路连接。并且，第一供电电极C1和第二供电电极C2沿探头的圆周方向上对称分布，四个测量电极中，第一测量电极P1和第二测量电极P2形成一个测量电极组，第三测量电极P3和第四测量电极P4形成另一个测量电极组，两个测量电极组以第一供电电极C1和第二供电电极C2的连线为对称轴左右对称地镶嵌在探头主体31上。当然，在其他实施例中，测量电极也可以仅有两个，测量电极与供电电极的排布结构也可以为其他结构。

而且，作为优选的实施方式，电极序列33的横截面与探头主体31的中轴线垂直。也即，在探头主体31处于竖直方向时，第一电极序列33为水平方向。从而，当探头主体31竖直贯入海洋土中时，可以利用电极序列实现海洋土横向电阻率的测量。但不局限于此，在其他的实施例中，电极序列的横截面也可以不与探头主体31的中轴线垂直。

此外，在杆体2上还形成有配重块4。配重块4以可拆卸的方式形成在杆体2上、靠近顶舱2的位置。通过设置配重块4，可以通过改变配重块4的重量调整探杆100的重量，以适应不同成分的海洋土沉积物，增加电阻率测量的准确性。

作为优选的实施方式，在该实施例中，在探杆100中、具体来说是在探头3内还形成有姿态传感器，其也通过导线5与顶舱1内的传感电路连接。通过设置姿态传感器，能够判断出探杆100在贯入海洋土过程中是否发生了倾斜以及倾斜角度的大小，进而能够对测量的电阻率数据进行辅助处理，提高测量数据的准确性。更具体的原理及方法参考后面的描述。此外，还可以在探杆100中、具体来说可以在顶舱1中形成与传感电路连接的压力传感器，利用压力传感器对探杆100所受的压力进行实时监测，避免贯入深度过大、压力过大而损坏探杆100。

具有上述结构的装置在工作时，控制电路接受上位机发出的指令，由电流调节器接收D/A转换电路的控制信号，通过保护电路后，采样电阻对电流信号采样并发送到A/D转换单元，完成恒流源电路的闭环反馈控制。数据采集电路通过高速切换开关及滤波电路，将恒流源电路输出的直流源转变为频率一定、如1KHz的交变电流，交变电流通过第一供电电极C1和第二供电电极C2为电极序列持续供电，电极序列中的第一测量电极P1、第二测量电极P2、第三测量电极P3及第四测量电极P4将持续输出电极电位。为了配合数据采集电路对微小信号的拾取，恒流源电路可以加入伪随机信号供数据采集电路提取有效信号。这一技术的应用有效地解决了海水中低电阻率环境下接收微小信号的难题。四个测量电极输出的电极电位经信号前端处理电路进行滤波和放大后，输出到抗混叠滤波电路中，对信号进行抗混叠处理，将输出的电平中混叠频率分量降到最低。最后，采集的电位信号经A/D转换电路传输至控制电路中。与此同时，控制电路按照和交变电流同步的频率对加速度传感器的检测数据进行取样，从而能够得到两条电阻率随深度变化的平行电阻率曲线，将两组电阻率数据一一对应计算均值，得到最终的电阻率曲线。测量过程中的数据均可通过控制电路上传到存储单元、如SD卡中存储。更具体的工作方法参见图5所示及下面对图5的描述。

请参见图5，该图所示为基于本发明测量海洋土电阻率的方法一个实施例的流程图，具体来说，是基于图1实施例的装置实现海洋土电阻率的测量方法的一个实施例。

如图5所示意，同时结合图1至图4的装置实施例的结构及描述，该实施例实现对海洋土电阻率的测量方法包括下述步骤：

步骤51：将探杆向海洋土贯入。

在需要测量某处海底海洋土的电阻率时，将携带有图1实施例的探杆100的轮船开到某处，然后，将探杆100垂直抛入海底，使得探杆100以自由落体的方式进入海底。在探杆100的自身重量作用下，探杆100向海洋土贯入。

在此之前，预先根据要测量的海底沉积物的特性在探杆100上配置合适的配重块5。

步骤52：利用恒流源电路为供电电极供电，利用数据采集电路采集测量电极之间的电位差；利用加速度传感器获取探杆贯入海洋土的实时深度。

在探杆100的探头3接触到海洋土时开始，利用顶舱1中的恒流源电路为电极序列中的供电电极供电。供电电极产生电场，该电场作用于海洋土中，将在与海洋土相接触的一个测量电极组中的两个测量电极之间产生电位差，该电位差可以通过数据采集电路进行采集。

同时，利用装置中的加速度传感器的检测结果获取探杆贯入海洋土的实时深度。该过程的实现可以参考现有技术。

步骤53：根据步骤52测量的电极电位获取实时海洋土电阻率。

步骤52采集到的电极电位的大小不仅与供电电场的大小、电极之间的位置相关，还与海洋土的电阻率相关。供电电场的大小可以通过交变恒流源来确定，具体来说，如图4所示，是通过高速切换开关将直流电转变为交变恒流源，交变直流电流通过C1、C2加到电极序列中。电极之间的位置是已知的，而电极电位可以通过数据采集电路采集到。因此，通过一定的方式即可计算出与所采集的电极电位一一对应的海洋土电阻率。

以图3中的电极序列33为例，可以根据下述公式获取实时海洋土电阻率：

其中，ρ为实时海洋土电阻率，K为装置系数，C1P1为两个第一供电电极C1与第一测量电极P1之间的距离，C2P1为第二供电电极C2与第一测量电极P1之间的距离，C1P2为第一供电电极C1与第二测量电极P2之间的距离，C2P2为第二供电电极C2与第二测量电极P2之间的距离，△U_P1P2为第一测量电极P1与第二测量电极P2之间的实时电位差，I为恒流源输出至供电电极上的交变直流电流。在上述公式中，电极之间的距离在探杆100固定之后也是固定的、且已知的，电流I和电极电位△U_P1P2均可以测量获得，因此，在获得实时的电流I和电极电位△U_P1P2之后，即可利用上述公式计算出实时的海洋土电阻率ρ，从而，获得一条与贯入深度相关的电阻率曲线。

同样的方法，同时可以计算出利用第三测量电极P3和第三测量电极P4之间所测得的电位差计算出的另一个实时海洋土电阻率。而且，四个测量电极处于同一水平面上，第一测量电极P1和第二测量电极P2所获得的实时海洋土电阻率与第三测量电极P3和第四测量电极P4所获得的实时海洋土电阻率为同一深度上海洋土的电阻率。

探杆100不断地向海洋土贯入的过程中，可以实时获得多个不同时刻的海洋土电阻率。

步骤54：基于实时深度和实时海洋土电阻率，获取海洋土深度与该深度处的海洋土电阻率之间一一对应的关系。

如果通过加速度传感器确定出在不同时刻探杆100贯入海洋土的深度，那么，就可以获得海洋土深度与该深度处的海洋土电阻率之间一一对应的关系。从而，获得海洋土垂向上不同土层的电阻率。

具体工作过程如下：

控制电路接受上位机发出的指令，由电流调节器接收D/A转换电路的控制信号，通过保护电路后，采样电阻对电流信号采样并发送到A/D转换单元，完成恒流源电路的闭环反馈控制。数据采集电路通过高速切换开关及滤波电路，将恒流源电路输出的直流源转变为频率一定、如1KHz的交变电流，交变电流通过第一供电电极C1和第二供电电极C2为电极序列持续供电，电极序列中的第一测量电极P1、第二测量电极P2、第三测量电极P3及第四测量电极P4将持续输出电极电位。为了配合数据采集电路对微小信号的拾取，恒流源电路可以加入伪随机信号供数据采集电路提取有效信号。这一技术的应用有效地解决了海水中低电阻率环境下接收微小信号的难题。四个测量电极输出的电极电位经信号前端处理电路进行滤波和放大后，输出到抗混叠滤波电路中，对信号进行抗混叠处理，将输出的电平中混叠频率分量降到最低。最后，采集的电位信号经A/D转换电路传输至控制电路中。与此同时，控制电路按照和交变电流同步的频率对加速度传感器的检测数据进行取样，从而能够得到两条电阻率随深度变化的平行电阻率曲线，将两组电阻率数据一一对应计算均值，得到最终的电阻率曲线。测量过程中的数据均可通过控制电路上传到存储单元、如SD卡中存储。如图6所示的曲线即为基于图1的装置和图5的方法所获得的电极电位与深度的关系曲线。图中，曲线1为电极序列33中第一测量电极P1和第二测量电极P2所测得的电位差与深度的关系曲线，曲线2为电极序列33中第三测量电极P3和第四测量电极P4所测得的电位差与深度的关系曲线。从图6的曲线中，可以反映出电极电位随着贯入深度的变化而变化。

采用上述方法测量海洋土电阻率时，在探杆贯入海洋土的过程中，为供电电极供电形成电场，该电场经过海洋土的作用，会在探头的测量电极上产生与海洋土电阻率的大小相对应的电极电位，通过测量该电极电位即可实现对海洋土电阻率的测量，且获得不同深度的土层的横向电阻率，进而能够获得反映土层在不同深度上的层形性的物理力学状态。由于测量过程是在探杆贯入海洋土的过程中实时测量的，因而，不仅实现了对海洋土的电阻率的原位测量，且不会对海洋土造成扰动，保证了数据测量的准确性；并且，探杆可以根据需要随时放入到海底，无需预先设置测量井，测量简单、方便，成本低。

对于要求探杆100以垂直向下贯入进行测量的测量过程来说，为减少因探杆100倾斜而造成测量数据的不准确，可以在测量过程中利用姿态传感器来判断探杆100的倾斜程度。具体来说，在探杆向海洋土贯入的过程中，获取利用姿态传感器的检测数据来获取探杆的倾斜角度；然后，将探杆的倾斜角度与设定角度作比较；若探杆的倾斜角度大于设定角度，丢弃该过程中所获取的实时海洋土电阻率。例如，设定角度为15°，如果探杆倾斜角度大于15°，则认为倾斜角度过大，丢弃此过程中所获得的电阻率数据。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。