一种海底物理环境测量装置、测量系统与测量方法与流程

1.本发明涉及海底探测技术领域，特别是涉及一种海底物理环境测量装置、测量系统与测量方法。


背景技术：

2.近几十年来，随着海洋资源开发步伐的不断加快和海洋战略地位的日益提升，海洋探测技术与装备的研究与开发受到科学界、产业界和国防领域的广泛关注。海底边界层作为海洋底部水体与海床两种介质相互作用的典型区域，海床界面上下范围包含了丰富而特殊的特性信息，其中海底边界层声学、力学以及热学特性是影响海洋声场空间结构、海底工程环境的重要因素，在海底科学研究、海洋工程勘察、水下声场环境、海洋装备性能验证等领域具有重要的应用价值。
3.现阶段针对海底特性原位测量的主流装备通常只能获取单一的物理场参数，若需要对同一站点海底原位声、力、热等多物理场多参量测量时，往往需要下放多次不同的设备进行测量，耗时耗力，测量效率低，经济成本以及人力成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种海底物理环境测量装置、测量系统与测量方法，以提高该地参量测量的效率，节约经济成本和人力成本。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种海底物理环境测量装置，包括：第一信息采集探杆、沉积物贯入探头、摩擦阻力传感器、声信号激发器、水听器、压力传感器和第二信息采集探杆；
7.所述沉积物贯入探头固定于所述第一信息采集探杆的第一端，所述第一信息采集探杆利用所述沉积物贯入探头贯入海底沉积物中；所述沉积物贯入探头上固定所述摩擦阻力传感器；所述声信号激发器固定在所述第一信息采集探杆的侧边，位于所述第一信息采集探杆的第二端位置；所述水听器固定于所述第一信息采集探杆的侧壁上，且位置与所述声信号激发器对应，所述水听器用于接收所述声信号激发器的声信号；所述压力传感器固定于所述第一信息采集探杆的侧壁上；所述第二信息采集探杆固定于所述第一信息采集探杆的侧边，所述第二信息采集探杆内置热敏电阻和发热线圈；
8.所述海底物理环境测量装置通过所述摩擦阻力传感器测量沉积物的贯入阻力参数，通过所述水听器测量沉积物的声参数，通过所述压力传感器测量沉积物的孔隙压力参数，通过所述第二信息采集探杆测量沉积物的热力参数。
9.可选的，所述沉积物的声参数包括声速和声衰减系数；所述沉积物的热力参数包括沉积物热流值和热导率。
10.可选的，所述水听器的个数为多个，多个水听器沿着第一信息采集探杆长度方向固定在所述第一信息采集探杆的侧壁，形成水听器阵列。
11.可选的，所述压力传感器的个数为多个，多个压力传感器沿着第一信息采集探杆
长度方向固定在所述第一信息采集探杆的侧壁，形成压力传感器阵列，所述压力传感器阵列用于测量不同深度的沉积物的孔隙压力参数。
12.可选的，还包括：密封电子仓，所述密封电子仓内置海底测控单元和供电单元，所述海底测控单元接收所述摩擦阻力传感器的测量信号，所述海底测控单元用于根据所述摩擦阻力传感器的测量信号输出声信号激发指令和发热指令，并将所述声信号激发指令发送至所述声信号激发器，将所述发热指令发送至所述第二信息采集探杆；所述供电单元为所述摩擦阻力传感器、所述声信号激发器、所述水听器、所述压力传感器和所述第二信息采集探杆供电。
13.可选的，还包括：吊放钢壁和配重物；所述第一信息采集探杆的第二端固定在所述吊放钢壁的底端，所述吊放钢壁的顶部设有挂环；所述配重物固定于所述吊放钢壁的底端。
14.可选的，所述声信号激发器包括不锈钢管和声学换能器，所述不锈钢管的第一端通过连接板固定于所述吊放钢壁的侧边，所述不锈钢管的第二端固定所述声学换能器。
15.可选的，所述配重物的重量可以调节。
16.本发明还提供一种海底测量系统，包括：水面控制船、铠装电缆和上述的海底物理环境测量装置；所述水面控制船包括自动绞车、船载吊机及甲板控制单元；所述船载吊机用于吊起所述海底物理环境测量装置，所述自动绞车用于对所述海底物理环境测量装置进行下放和吊起；所述甲板控制单元通过所述铠装电缆连接所述海底物理环境测量装置的通信端，所述海底物理环境测量装置的测量数据通过所述铠装电缆传输至所述甲板控制单元。
17.本发明还提供一种海底测量方法，所述海底测量方法应用于上述的海底测量系统，所述海底测量方法包括：
18.水面控制船悬停于测量站点；
19.船载吊机吊起海底物理环境测量装置，并通过自动绞车下放所述海底物理环境测量装置；
20.所述海底物理环境测量装置触底后，在配重物重力的作用下，所述海底物理环境测量装置的第一信息采集探杆、第二信息采集探杆以及所述声信号激发器依次贯入沉积物；在贯入过程中，沉积物贯入探头上固定的摩擦阻力传感器测量沉积物贯入阻力；
21.当贯入过程停止，贯入阻力降为零后，声信号激发器发射声信号，经沉积物传播后被水听器接收；同时，第二信息采集探杆的发热线圈开始发热，热敏电阻完成热学参数测量；压力传感器完成孔隙压力测量；整个测量过程中，海底物理环境测量装置采集的数据通过铠装电缆通讯功能传至甲板控制单元。
22.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
23.本发明能够将海底原位多物理场参数实现一体化测量获取，而且操作简单、便捷，提高了海底多参数测量的效率，节约了大量经济成本和人力成本。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明海底物理环境测量装置的结构示意图；
26.图2为本发明海底测量系统的结构示意图；
27.图3为本发明海底测量系统进行测量时的示意图。
28.图中标号：1
‑
水面控制船；2
‑
铠装电缆；3
‑
海底物理环境测量装置；4
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吊放钢壁；5
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密封电子仓；6
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声信号激发器；7
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配重物；8
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第一信息采集探杆；9
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第二信息采集探杆；10
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强力支架；11
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不锈钢管；12
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声学换能器；13
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沉积物贯入探头；14
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摩擦阻力传感器；15
‑
水听器；16
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压力传感器；17
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发热线圈；18
‑
热敏电阻。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.图1为本发明海底物理环境测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明海底物理环境测量装置包括：第一信息采集探杆8、沉积物贯入探头13、摩擦阻力传感器14、声信号激发器6、水听器15、压力传感器16和第二信息采集探杆9。
32.所述第一信息采集探杆8是贯入沉积物的主体部分，主要由高强度不锈钢材质构成，本发明将第一信息采集探杆8总长设计为2m，内径为0.08m，根据实际测量环境，也可以设计其他长度与内径参数。所述第一信息采集探杆8的第一端为尖锐的沉积物贯入探头13，所述第一信息采集探杆8利用沉积物贯入探头13贯入海底沉积物中。沉积物贯入探头13顶面固定有摩擦阻力传感器14，用于沉积物的贯入阻力测量。
33.所述声信号激发器6固定在所述第一信息采集探杆8的侧边，位于所述第一信息采集探杆8的第二端位置，即顶端位置。所述第一信息采集探杆8的侧壁嵌入固定水听器15，且水听器15的位置与所述声信号激发器6对应，所述水听器15用于接收所述声信号激发器6的声信号。本发明水听器15的个数为多个，多个水听器15沿着第一信息采集探杆8长度方向固定，形成水听器阵列，具体的，水听器15的个数可以为7个，间距为0.2m。进而，水听器阵列可以探测的声参数包括声速和声衰减系数。
34.第一信息采集探杆8的侧壁还嵌入固定压力传感器16，压力传感器16的个数也为多个，多个压力传感器16沿着第一信息采集探杆8长度方向固定，形成压力传感器阵列，压力传感器阵列可以测量不同深度的沉积物的孔隙压力参数，实现对沉积物原位力学特性参数的测量。例如，本发明压力传感器阵列包括6个压力传感器，间距为0.2m。
35.所述第二信息采集探杆9固定于所述第一信息采集探杆8的侧边，如图1所示，第二信息采集探杆9通过强力支架10固定在第一信息采集探杆8上。第二信息采集探杆9的长度为1.8m，内径为0.01m，与第一信息采集探杆8之间的间距为0.05m。所述第二信息采集探杆9内置热敏电阻18和发热线圈17；第二信息采集探杆9主要实现对海底沉积物热流值、热导率的测量，测量原理参考lister型热流探针结构。
36.本发明的海底物理环境测量装置通过声信号激发器6发射声信号，经沉积物传播，
被第一信息采集探杆8上的水听器阵列15接收，实现对沉积物声速及声衰减系数的测量；第一信息采集探杆8沉积物贯入探头13上的摩擦阻力传感器14实现对贯入阻力的测量；第一信息采集探杆8侧壁上的压力传感器阵16可实现对不同深度沉积物孔隙压力的测量；第二信息采集探杆9通过发热线圈17产热，并传给沉积物，内部热敏电阻18通过测量发热线圈17发热过程中温度变化，可以实现对沉积物热流值、热导率的测量。
37.本发明的海底物理环境测量装置还包括：密封电子仓5，密封电子仓5为高耐压钢制外壳，圆柱外形结构，内径为0.4m，外壳做密封处理。所述密封电子仓5内置海底测控单元和供电单元，用于对水下测量装置测控以及供电。具体的，所述海底测控单元接收所述摩擦阻力传感器14的测量信号，所述海底测控单元用于根据所述摩擦阻力传感器14的测量信号输出声信号激发指令和发热指令，并将所述声信号激发指令发送至所述声信号激发器6，将所述发热指令发送至所述第二信息采集探杆9；所述供电单元为所述摩擦阻力传感器14、所述声信号激发器6、所述水听器15、所述压力传感器16和所述第二信息采集探杆9供电。
38.此外，在具体应用时，本发明的海底物理环境测量装置还包括：吊放钢壁4和配重物7；吊放钢壁4为圆柱形，由高强度314不锈钢材质制作，顶部设有挂环，与后续的悬挂装置挂接。第一信息采集探杆8的第二端(底端)固定在所述吊放钢壁4的底端。所述配重物7固定安装于所述吊放钢壁4的底端，配重物7为一系列圆形钢板，内部为中空同心圆。每个配重钢板直径为0.5m，厚0.02m，重约100kg，根据测量环境不同，可以组合不同数量的圆形钢板，实现对海底沉积物的顺利贯入。
39.本发明的声信号激发器6包括不锈钢管11和声学换能器12，所述不锈钢管11的第一端通过连接板固定于所述吊放钢壁4的侧壁，不锈钢管11的第二端固定声学换能器12。声信号激发器6的总长度为0.5m；底部声学换能器12可以随着整个装置贯入浅表层沉积物中，完全贯入深入设置为0.1m；主要实现声学信号激发，用于对沉积物声学特性测量。
40.本发明的海底物理环境测量装置为多探杆组合结构，为只读式工作模式，具有抗高压性，最大使用水深为水下6000m。
41.基于上述海底物理环境测量装置，在具体应用时，本发明提供一种海底测量系统，如图2所示，本发明海底测量系统包括水面控制船1、铠装电缆2和图1所示的海底物理环境测量装置3。所述水面控制船1包括自动绞车、船载吊机及甲板控制单元，自动绞车、船载吊机及甲板控制单元均置于船体上方，自动绞车与船载吊机安装在船体尾部。所述船载吊机用于吊起所述海底物理环境测量装置3，所述自动绞车用于对所述海底物理环境测量装置进行下放和吊起；所述甲板控制单元通过所述铠装电缆连接所述海底物理环境测量装置的通信端，所述海底物理环境测量装置的测量数据通过所述铠装电缆传输至所述甲板控制单元。
42.铠装电缆2由导体、绝缘线芯、铠装层、铠装加固层组成，长6000m，具有通讯功能，并能承受很强的机械强度，一端连接甲板控制单元，另一端设有挂钩，用于挂接海底物理环境测量装置3，通过自动绞车与船载吊机可以实现对海底物理环境测量装置的下放与吊起。
43.具体采用海底测量系统进行测量的示意如图3所示，测量过程包括海底物理环境测量装置下放与沉积物贯入及测量。图3中左部分为海底物理环境测量装置下放示意，图3中右部分为沉积物贯入及测量示意。水面控制船1到达测量海域，开启动力定位，使船悬停于测量站点21，船载吊机通过连接吊放钢壁4吊起海底物理环境测量装置3，通过自动绞车
实现海底物理环境测量装置下放。
44.海底物理环境测量装置3触底后，在配重物7重力的作用下，海底物理环境测量装置的第一信息采集探杆8、第二信息采集探杆9以及声信号激发单元6依次实现沉积物贯入3，在贯入过程中，沉积物贯入探头13顶部的摩擦阻力传感器14测量沉积物贯入阻力；当贯入过程停止，贯入阻力降为零后，密封电子仓5内海底测控单元自动接收到贯入停止信号，将声信号激发的指令发送给声信号激发器6，声换能器12发射声信号，经沉积物传播后被水听器阵列15接收；同时，测控单元将发热指令发送给第二信息采集探杆9，发热线圈17开始发热，热敏电阻18完成热学参数测量；压力传感器阵16完成孔隙压力测量。整个测量过程中，各个采集数据通过铠装电缆2通讯功能传至甲板控制单元。完成测量后，自动绞车回收，海底物理环境测量装置3返回水面，并通过船载吊机将海底物理环境测量装置3吊至水面控制船1。
45.本发明解决了传统海底原位测量装置不能实现对海底原位多物理场多参量一体化获取的问题，为海底边界层环境信息探测提供了一种高效的方法手段和技术装备。
46.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
47.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。