本發(fā)明屬于海洋調(diào)查與海底探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣裝置及方法。

背景技術(shù)：

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(rèn)識(shí)、探測(cè)以及開發(fā)利用海底首先面對(duì)的對(duì)象。海底沉積物的物質(zhì)屬性是海底環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底資源開發(fā)以及海洋工程的重要方面。通過對(duì)海底沉積物進(jìn)行聲學(xué)原位測(cè)量與取樣，是認(rèn)識(shí)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(cè)量精度較高。海底沉積物的物理屬性與聲學(xué)特征密切相關(guān)，可以基于聲學(xué)原位探測(cè)沉積物聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行物理屬性的反演。目前，進(jìn)行沉積物聲學(xué)原位測(cè)量的模式有兩種，一種模式是聲學(xué)換能器對(duì)向安裝，進(jìn)行橫向沉積物聲學(xué)特性測(cè)量；另一種模式是聲學(xué)換能器縱向安裝，進(jìn)行垂直方向沉積物聲學(xué)特性測(cè)量；兩種模式各有特點(diǎn)，橫向測(cè)量主要針對(duì)特定層位的沉積物進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，縱向測(cè)量主要針對(duì)不同層位的沉積物進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)外使用的海底沉積物原位測(cè)量裝置只能進(jìn)行單一的橫向或者縱向測(cè)量，測(cè)量效率較低，主要存在如下問題：(1)僅能進(jìn)行單一的橫向或者縱向測(cè)量，效率較低；(2)不能進(jìn)行同步沉積物取樣，不利于開展沉積物的聲學(xué)參數(shù)與物理參數(shù)的相關(guān)性分析研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣裝置及方法，本發(fā)明集成度高，無附加驅(qū)動(dòng)裝置，安裝方便，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)具有橫向與縱向兩種測(cè)量模式，并且能夠同步完成沉積物取樣功能，可反復(fù)使用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣裝置，包括甲板顯控單元與水下探測(cè)單元，甲板顯控單元遠(yuǎn)程控制并且實(shí)時(shí)顯示水下探測(cè)單元的作業(yè)狀態(tài)，水下探測(cè)單元完成聲學(xué)原位測(cè)量與沉積物取樣；所述水下探測(cè)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(xué)發(fā)射矛桿、聲學(xué)接收矛桿和沉積物取樣矛桿，六邊形支架上方固定縱向發(fā)射換能器；所述聲學(xué)發(fā)射矛桿上安裝至少兩個(gè)橫向發(fā)射換能器，所述聲學(xué)接收矛桿上安裝接收換能器，特別地，橫向發(fā)射換能器、縱向發(fā)射換能器與接收換能器在同一平面內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述六邊形支架的頂板上設(shè)置承重吊點(diǎn)，承重吊點(diǎn)與六邊形支架的頂板構(gòu)成吊點(diǎn)轉(zhuǎn)彎保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)本裝置在甲板上水平安裝、起吊后垂直入水的功能。

進(jìn)一步地，所述六邊形支架內(nèi)設(shè)置兩個(gè)水下控制電子倉(cāng)，一個(gè)用作供電通信倉(cāng)，另一個(gè)用作聲學(xué)倉(cāng)，可以有效減少供電與通信對(duì)聲學(xué)信號(hào)發(fā)射接收的干擾。

進(jìn)一步地，所述六邊形支架內(nèi)安裝聲速儀、高度計(jì)以及水下攝像頭。

進(jìn)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(shí)，三只矛桿受力較?。徊⑶胰瑮U呈正三角形分布，海底著陸平穩(wěn)，能夠在自身重力作用下插入海底沉積物中。

進(jìn)一步地，縱向發(fā)射換能器與接收換能器構(gòu)成縱向發(fā)射接收工作模式；橫向發(fā)射換能器與接收換能器構(gòu)成水平發(fā)射接收工作模式，同時(shí)具備沉積物聲學(xué)原位測(cè)量?jī)煞N工作模式。

進(jìn)一步地，所述聲學(xué)接收換能器是由多個(gè)接收換能器基元構(gòu)成的陣列，該陣列嵌入聲學(xué)接收矛桿的凹槽內(nèi)，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(fā)射換能器與聲學(xué)發(fā)射矛桿上安裝的橫向發(fā)射換能器。

進(jìn)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(xué)接收矛桿管壁放置溫度傳感器，可以同步測(cè)量海底沉積物的溫度；在聲學(xué)發(fā)射矛桿管壁放置位移傳感器，可以獲得裝置進(jìn)入沉積物中的深度。

一種海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣的方法，該方法具體為：作業(yè)時(shí)，先進(jìn)行沉積物中測(cè)量，使裝置插入沉積物中進(jìn)行聲學(xué)原位測(cè)量并同步取樣，聲學(xué)原位測(cè)量與沉積物同步取樣完成后，然后進(jìn)行一次水中測(cè)量，并且，其水中測(cè)量的參數(shù)與沉積物中聲學(xué)原位測(cè)量的參數(shù)配置相同，以獲得沉積物和水體中的比對(duì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處理，獲得海底沉積物的原位聲學(xué)特性參數(shù)。

進(jìn)一步地，利用標(biāo)準(zhǔn)聲速儀測(cè)的水中聲速，與該裝置測(cè)量的水中聲速進(jìn)行比測(cè)校準(zhǔn)，提高沉積物中的聲學(xué)原位測(cè)量的精度。

本發(fā)明的有益效果是：同步進(jìn)行聲學(xué)原位測(cè)量與沉積物取樣，便于地聲模型的研究；既可以進(jìn)行橫向發(fā)射接收測(cè)量模式，也可以進(jìn)行縱向發(fā)射接收測(cè)量模式，多種測(cè)量模式，提高測(cè)量效率；供電通信電子倉(cāng)與聲學(xué)倉(cāng)為獨(dú)立的兩個(gè)耐壓倉(cāng)，降低了供電與通信對(duì)聲學(xué)信號(hào)的干擾；利用搭載的聲速儀，對(duì)沉積物中的聲程進(jìn)行精確計(jì)算，提高了探測(cè)精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的甲板顯控單元組成示意圖；

圖3為本發(fā)明水下探測(cè)單元的立體示意圖；

圖4為本發(fā)明的測(cè)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(fù)合纜接口；2為水下探測(cè)單元；201為承重吊點(diǎn)；202為六邊形支架；203為聲學(xué)發(fā)射矛桿；204為聲學(xué)接收矛桿；205為沉積物取樣矛桿；206為水下控制電子倉(cāng)；207為縱向發(fā)射換能器；208為第一橫向發(fā)射換能器；209為第二橫向發(fā)射換能器；210為接收換能器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣裝置，包括甲板顯控單元1與水下探測(cè)單元2，甲板顯控單元1遠(yuǎn)程控制并且實(shí)時(shí)顯示水下探測(cè)單元2的作業(yè)狀態(tài)，水下探測(cè)單元2完成聲學(xué)原位測(cè)量與沉積物取樣。如圖3所示，所述水下探測(cè)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(xué)發(fā)射矛桿203、聲學(xué)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(fā)射換能器207；所述聲學(xué)發(fā)射矛桿203上安裝至少兩個(gè)橫向發(fā)射換能器，所述聲學(xué)接收矛桿204上安裝接收換能器210，特別地，橫向發(fā)射換能器、縱向發(fā)射換能器207與接收換能器210在同一平面內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述六邊形支架202的頂板上設(shè)置承重吊點(diǎn)201，承重吊點(diǎn)201與六邊形支架202的頂板構(gòu)成吊點(diǎn)轉(zhuǎn)彎保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)本裝置在甲板上水平安裝、起吊后垂直入水的功能。

進(jìn)一步地，所述六邊形支架202內(nèi)設(shè)置兩個(gè)水下控制電子倉(cāng)206，一個(gè)用作供電通信倉(cāng)，另一個(gè)用作聲學(xué)倉(cāng)，可以有效減少供電與通信對(duì)聲學(xué)信號(hào)發(fā)射接收的干擾。

進(jìn)一步地，所述六邊形支架202內(nèi)安裝聲速儀、高度計(jì)以及水下攝像頭。

進(jìn)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(shí)，三只矛桿受力較??；并且三支矛桿呈正三角形分布，海底著陸平穩(wěn)，能夠在自身重力作用下插入海底沉積物中。

進(jìn)一步地，縱向發(fā)射換能器207與接收換能器210構(gòu)成縱向發(fā)射接收工作模式；橫向發(fā)射換能器與接收換能器210構(gòu)成水平發(fā)射接收工作模式，同時(shí)具備沉積物聲學(xué)原位測(cè)量?jī)煞N工作模式。

進(jìn)一步地，所述接收換能器210是由多個(gè)接收換能器基元構(gòu)成的陣列，該陣列嵌入聲學(xué)接收矛桿204的凹槽內(nèi)，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(fā)射換能器207與聲學(xué)發(fā)射矛桿203上安裝的橫向發(fā)射換能器。

進(jìn)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(xué)接收矛桿204管壁放置溫度傳感器，可以同步測(cè)量海底沉積物的溫度；在聲學(xué)發(fā)射矛桿203管壁放置位移傳感器，可以獲得裝置進(jìn)入沉積物中的深度。

本發(fā)明還提供了一種海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣的方法，該方法具體為：作業(yè)時(shí)，先進(jìn)行沉積物中測(cè)量，使裝置插入沉積物中進(jìn)行聲學(xué)原位測(cè)量并同步取樣，聲學(xué)原位測(cè)量與沉積物同步取樣完成后，然后進(jìn)行一次水中測(cè)量，并且，其水中測(cè)量的參數(shù)與沉積物中聲學(xué)原位測(cè)量的參數(shù)配置相同，以獲得沉積物和水體中的比對(duì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處理，獲得海底沉積物的原位聲學(xué)特性參數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)聲速儀測(cè)的水中聲速，與該裝置測(cè)量的水中聲速進(jìn)行比測(cè)校準(zhǔn)，提高沉積物中的聲學(xué)原位測(cè)量的精度。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣裝置包括甲板顯控單元1與水下探測(cè)單元2兩部分。甲板顯控單元1通過同軸電纜或光電復(fù)合纜為水下探測(cè)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(shí)時(shí)顯示水下探測(cè)單元2的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)水下探測(cè)單元2進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；水下探測(cè)單元2利用自重，插入海底沉積物中，進(jìn)行聲學(xué)原位測(cè)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(fù)合纜接口105；其中，供電模塊104為水下探測(cè)單元2供電，通信模塊102完成甲板顯控單元1與水下探測(cè)單元2的通信，控制模塊103實(shí)現(xiàn)對(duì)水下探測(cè)單元2作業(yè)的遠(yuǎn)程交互控制，顯示模塊101實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)單元2作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；水下探測(cè)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(xué)發(fā)射矛桿203、聲學(xué)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(fā)射換能器207；所述聲學(xué)發(fā)射矛桿203上安裝第一橫向發(fā)射換能器208和第二橫向發(fā)射換能器209，所述聲學(xué)接收矛桿204上安裝接收換能器210，橫向發(fā)射換能器、縱向發(fā)射換能器207與接收換能器210在同一平面內(nèi)。

沉積物取樣矛桿205作為海底沉積物柱狀取樣器，其取樣長(zhǎng)度與聲學(xué)接收換能器的最大距離一致，以便采集能夠與聲學(xué)原位探測(cè)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量的甲板聲學(xué)測(cè)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(jìn)入沉積物中，在本裝置穩(wěn)定后，利用聲學(xué)發(fā)射矛桿或者六邊形支架上部安裝的縱向發(fā)射換能器發(fā)射聲波，聲學(xué)接收矛桿內(nèi)的接收換能器接收聲波，完成沉積物聲學(xué)原位測(cè)量，同時(shí)沉積物取樣矛桿完成沉積物取樣。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量與同步取樣方法如圖4所示，包括下列步驟：

步驟1：系統(tǒng)安裝

1.1檢查確認(rèn)所述的各個(gè)單元部件正常；

1.2分別裝配甲板顯控單元與水下探測(cè)單元；

步驟2：系統(tǒng)測(cè)試

2.1使用同軸電纜或者光電復(fù)合纜，連接甲板顯控單元與水下探測(cè)單元；

2.2按照具體作業(yè)要求，進(jìn)行供電與通信測(cè)試；

步驟3：系統(tǒng)布放

3.1使用船舶的門型A駕與絞車，起吊水下探測(cè)單元，布放入水；

3.2沉積物中測(cè)量。在水下探測(cè)單元距離海底越10米時(shí)，高速下放設(shè)備，使得水下探測(cè)單元自由下落，矛桿插入海底沉積物中，待矛桿穩(wěn)定在沉積物中后，執(zhí)行沉積物中測(cè)量，采集數(shù)據(jù)；

3.3水中測(cè)量。把水下探測(cè)單元回收至水中，使用與沉積物中相同的測(cè)量參數(shù)，執(zhí)行水中測(cè)量，采集數(shù)據(jù)。

步驟4：系統(tǒng)回收

4.1作業(yè)完成后，回收水下探測(cè)單元至甲板；

4.2拆卸水下探測(cè)單元，淡水沖洗后存放至陰涼干燥處。