海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统及方法

本发明涉及海洋观测，具体涉及一种海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统及方法。

背景技术：

1、海底沉积物颗粒间的孔隙压力作为认知土体性质和变化的参数，其重要性早已经被普遍认识。海底环境具有高环境静水压力和高腐蚀性的特点，并且对于人类来说难以直接进行干预，因此在海底环境中对沉积物进行原位孔隙压力测量是相对困难和复杂的。国际上从20世纪60年代开始研制海底沉积物孔隙压力原位观测设备，比较有代表性的有：挪威岩土工程研究所(ngi)和美国伊利诺伊大学(ui)研发的ngi-ui孔隙压力探杆、美国seaswab观测项目中使用的noaa孔隙压力探杆和里海大学孔隙压力探杆、英国研发的popup pore pressure instrument(puppi)孔隙压力探杆、法国nke海洋仪器公司研制的piezometers系列孔隙压力探杆等。这些孔隙压力原位观测设备都进行了广泛的海底应用，但是大都局限于海底单点观测，无法解决海底沉积物三维立体孔隙压力观测和海底大尺度孔隙压力观测问题。

2、海底沉积物孔隙压力组网观测是国际海洋科学研究的前沿和热点问题，是深入认识海洋、经略海洋的重要方法。国外已经初步尝试应用多根海底孔隙压力探杆进行多点观测，如：sultan等2009年在niger三角洲海域的某海底麻坑中布放了9根piezometer孔隙压力观测探杆进行海底多点观测，研究海底沉积物内部的浅层气体释放问题。但是，目前使用的海底沉积物孔隙压力海底组网观测都是多观测节点的定点、连续、独立观测，各观测节点各自形成系统，观测节点间并无相互协调联系，而且观测数据采用自容存储的方式，回收数据时需要将各观测节点的孔隙压力观测探杆观测数据逐一进行回收。这种海底组网观测方式往往设备造价高昂，后续设备维护繁琐，并且自容存储的数据传递方式难以及时获取观测数据，难以实现对风暴潮、内孤立波等快速变化的大尺度海洋动力过程带来的海底沉积物的快速响应和长期连续实时观测，因此需要在海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测这一技术难题上取得突破。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统及方法，可实现多观测节点协调配合采集、海陆远距离数据实时传输、输出观测数据相对稳定。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、提供一种海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统，包括数据采集中枢装置，以及与数据采集中枢装置通讯连接的至少一个海底沉积物孔隙压力观测装置；

4、海底沉积物孔隙压力观测装置包括依次连接的转接舱、杆体和套管，转接舱的底面通过底面光纤水密接插件与多个光纤孔隙压力传感器的上部连接，转接舱侧面通过侧面光纤水密接插件连接外部光纤传输线缆，多个底面光纤水密接插件的感应光纤通过安装在转接舱内的一分多光纤连接器和内部光纤传输线缆与侧面光纤水密接插件连接的外部光纤传输线缆连接；光纤孔隙压力传感器的封装外壳开有可联通外部海水并作为静水压力通道的通道口，光纤孔隙压力传感器的下部在杆体内设有杆体孔隙流体通道，相邻套管之间在连接处设置有套管孔隙流体通道并密封嵌入安装有透水石，套管内设孔隙流体管道，孔隙流体管道的两端分别与杆体孔隙流体通道和套管孔隙流体通道连接；

5、数据采集中枢装置包括立架，立架上分别安装有观测仪器和数据采集耐压舱，数据采集舱用于采集和存储光纤孔隙压力传感器的观测数据，数据采集舱顶端安装有顶端水密接插件，并与转接舱的水密接插件的外部光纤传输线缆连接，数据采集舱内置锂电池模块并安装有可解调各孔隙压力传感器采集到的信号变化量的第一多通道光纤解调仪。

6、进一步的，杆体与套管之间通过限位件连接，限位件包括杆体限位板和缓冲支架，杆体限位板上开设有镂空的渗流作用孔，杆体限位板的表面与杆体底部连接，缓冲支架为中空的倒锥型结构，其上端与杆体限位板底面连接，其下端与套管连接。

7、缓冲支架通过螺丝紧固与限位板连接，缓冲支架为中空圆锥型结构，上部与限位板连接的位置直径较大，下部与套管连接的位置直径较小，缓冲支架在装置贯入过程中起到缓冲贯入冲击力的作用，防止过度贯入沉积物内部。

8、进一步的，位于端部的套管末端通过紧固螺丝连接固定有锥尖，锥尖角度为60°。

9、套管末端连接锥尖，便于贯入海底，60°的角度用于承受锥尖贯入阻力。

10、进一步的，观测仪器包括声学多普勒流速仪adv、波潮仪、深海摄像机和深海照明灯，声学多普勒流速仪adv和波潮仪为自容式观测仪器，内置采集系统和锂电池；深海摄像机和深海照明灯通过水密电缆连接至安装在立架上的锂电池舱和深海摄像机控制舱。

11、进一步的，立架还安装有用于数据采集中枢装置与水面数据通信浮标之间的数据通讯的声学通讯机，声学通讯机内置第二多通道光纤解调仪，并通过rs232线缆分别与锂数据采集耐压舱、电池舱、深海摄像机控制舱、观测仪器以及声学通讯机外部的声学换能器通讯连接，第二多通道光纤解调仪通过声学换能器与水面数据通信浮标的声学换能器通讯。

12、进一步的，深海摄像机控制舱内置摄像机总控系统，总控系统主体部分包括arm微控制器和大容量机械硬盘。

13、总控系统通过arm处理器向各摄像机发送总体控制命令，通过大容量机械硬盘存储观测视频图像。锂电池舱内部为大容量可充电锂电池组，可为用电设备提供电量供应。

14、进一步的，转接舱和立架的顶部均设置有吊环。

15、转接舱上的吊环用于连接缆绳和挂钩，以用于吊置观测装置，立架的顶部设置吊环，以便于连接缆绳和挂钩吊置数据采集中枢装置。

16、进一步的，立架的底部安装有立架限位板，立架限位板上开设有镂空的渗流作用孔。

17、限位板设计有镂空的沉积物渗流作用孔，防止由于限位板的过度阻隔，导致近海底的底层海水与海底沉积物的孔隙流体之间无法进行正常交换，从而影响正常观测结果的问题，同时有助于降低限位板和海底沉积物之间的吸附力。

18、海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统的观测方法，包括以下步骤：

19、s1、利用上位机调试数据采集中枢装置和海底沉积物孔隙压力观测装置中各个传感器的工作状态，利用上位机设置数据采集中枢装置中各观测仪器机各舱的工作参数；

20、s2、利用工作船的地质缆绳和水声释放器进行布放直至抵达海底，在布放过程中，通过水面水声通讯机与水下水声通讯机实现双向通讯，实时获取海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统的海底布放姿态、海底工作状态、实时观测数据等信息，辅助判断海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统的水下状态；待完全坐底后，通过发送声学释放命令控制水声释放器释放海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统，地质缆绳携带水声释放器上提回收；

21、s3、多个海底沉积物孔隙压力观测装置在海底选用环形的布放方式以得到一个监测区，监测区的环形中心布放数据采集中枢装置，数据采集中枢装置通过水下机器人的机械手完成各光纤线缆与各海底沉积物孔隙压力观测装置的连接；

22、s4、布放数据通讯系统：

23、当监测区位于海岸带区域时，通过潜水员直接将通讯电缆连接至陆上实验室，由实验室直接提供海底电量供应，以及接收海底观测数据，检查海底观测系统的工作状态；

24、当监测区位于深海区域时，布放水面数据通信浮标进行通讯配合，数据采集中枢装置的水声通讯机将数据无线传输至水面数据通信浮标的水声通讯机，由水面数据通信浮标的北斗通讯模块经通讯卫星将观测数据传输至陆上实验室，陆上实验室接收海底观测数据、检查海底观测系统的工作状态；

25、当监测区位于浅海区域时，布放水面数据通信浮标进行通讯配合，通过水下机器人或潜水员配合，将数据采集中枢装置的通讯电缆连接至水面数据通信浮标，由水面数据通信浮标的北斗通讯模块经通讯卫星将观测数据传输至陆上实验室，陆上实验室接收海底观测数据、检查海底观测系统的工作状态；

26、当监测区附近有海洋平台时，通过水下机器人或潜水员配合，将通讯电缆连接至海洋平台实验室，由海洋平台实验室直接提供海底电量供应，以及接收海底观测数据，检查海底观测系统的工作状态，也可以由海洋平台实验室的北斗通讯模块经通讯卫星将观测数据传输至陆上实验室；

27、s5、海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统完成海底观测任务后，通过水下机器人或潜水员下潜辅助挂钩，将船载地质缆绳与观测系统的吊环连接以回收观测系统。

28、进一步的，海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统的观测方法，还包括：s6、海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统回收完成后，使用一分二数据通讯线缆一端连接水密接插件，另一端分别通过usb接口和电源接口连接外部电脑上位机和外部电源，通过外部电脑上位机查看系统状态信息，调试各传感器工作状态，下载观测数据。

29、本发明的有益效果：

30、一、海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统通过一个数据采集中枢装置，耦合多个海底沉积物孔隙压力观测装置，可以同时观测获取多个观测点海底沉积物孔隙压力信息指标，结构简单，活动部件少，整体稳定性高，可靠度好。

31、二、通过一个数据采集中枢装置统一调控多个海底沉积物孔隙压力观测装置，建造成本较低，输出数据稳定，可用于对组网观测节点协调性要求高的海域。

32、三、海底沉积物孔隙压力观测装置集成孔隙压力传感器全部采用光纤压差传感技术，抗电磁、射频干扰能力强，响应速度快，灵敏度高，耐腐蚀，能在深海恶劣环境下工作，同时传感器本身无需供电，可靠性强，延长了海底连续工作时间。

33、四、海底沉积物孔隙压力原位长期实时组网观测系统采用模块化结构，可以根据具体实施区域，自由调整观测节点数量和数据采集中枢装置的观测仪器类型，易于拆卸和组装，具有十分强的适应性与兼容性。

34、五、海底沉积物孔隙压力观测装置的光纤孔隙压力传感器高置于海床面以上，有助于防止海底沉积物堵塞静水压力通道，导致观测数据失效的情况。同时光纤孔隙压力传感器位于观测装置顶部，便于更换传感器和监测维修。