一种海底沉积物声学原位测量与同步取样装置及方法与流程

本发明属于海洋调查与海底探测技术领域，具体涉及一种海底沉积物声学原位测量与同步取样装置及方法。

背景技术：

海底沉积物是海洋水体与海底直接接触的界面，也是人类认识、探测以及开发利用海底首先面对的对象。海底沉积物的物质属性是海底环境监测、海底资源开发以及海洋工程的重要方面。通过对海底沉积物进行声学原位测量与取样，是认识沉积物属性的一种重要手段，其最大限度地保持了沉积物的原状特性，测量精度较高。海底沉积物的物理属性与声学特征密切相关，可以基于声学原位探测沉积物声学参数进行物理属性的反演。目前，进行沉积物声学原位测量的模式有两种，一种模式是声学换能器对向安装，进行横向沉积物声学特性测量；另一种模式是声学换能器纵向安装，进行垂直方向沉积物声学特性测量；两种模式各有特点，横向测量主要针对特定层位的沉积物进行声学测量，纵向测量主要针对不同层位的沉积物进行声学测量。目前，国内外使用的海底沉积物原位测量装置只能进行单一的横向或者纵向测量，测量效率较低，主要存在如下问题：(1)仅能进行单一的横向或者纵向测量，效率较低；(2)不能进行同步沉积物取样，不利于开展沉积物的声学参数与物理参数的相关性分析研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种海底沉积物声学原位测量与同步取样装置及方法，本发明集成度高，无附加驱动装置，安装方便，操作简单，同时具有横向与纵向两种测量模式，并且能够同步完成沉积物取样功能，可反复使用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种海底沉积物声学原位测量与同步取样装置，包括甲板显控单元与水下探测单元，甲板显控单元远程控制并且实时显示水下探测单元的作业状态，水下探测单元完成声学原位测量与沉积物取样；所述水下探测单元包括六边形支架，六边形支架的下方分别通过定位销连接声学发射矛杆、声学接收矛杆和沉积物取样矛杆，六边形支架上方固定纵向发射换能器；所述声学发射矛杆上安装至少两个横向发射换能器，所述声学接收矛杆上安装接收换能器，特别地，横向发射换能器、纵向发射换能器与接收换能器在同一平面内。

进一步地，所述六边形支架的顶板上设置承重吊点，承重吊点与六边形支架的顶板构成吊点转弯保护装置，实现本装置在甲板上水平安装、起吊后垂直入水的功能。

进一步地，所述六边形支架内设置两个水下控制电子仓，一个用作供电通信仓，另一个用作声学仓，可以有效减少供电与通信对声学信号发射接收的干扰。

进一步地，所述六边形支架内安装声速仪、高度计以及水下摄像头。

进一步地，本装置重心位于六边形支架底部，使得本装置垂直起吊时，三只矛杆受力较小；并且三支矛杆呈正三角形分布，海底着陆平稳，能够在自身重力作用下插入海底沉积物中。

进一步地，纵向发射换能器与接收换能器构成纵向发射接收工作模式；横向发射换能器与接收换能器构成水平发射接收工作模式，同时具备沉积物声学原位测量两种工作模式。

进一步地，所述声学接收换能器是由多个接收换能器基元构成的阵列，该阵列嵌入声学接收矛杆的凹槽内，该阵列平面与凹槽齐平，不同接收换能器基元的辐射范围分别覆盖六边形支架上安装的纵向发射换能器与声学发射矛杆上安装的横向发射换能器。

进一步地，三只矛杆底部均呈锥形，以便有效插入沉积物中；在声学接收矛杆管壁放置温度传感器，可以同步测量海底沉积物的温度；在声学发射矛杆管壁放置位移传感器，可以获得装置进入沉积物中的深度。

一种海底沉积物声学原位测量与同步取样的方法，该方法具体为：作业时，先进行沉积物中测量，使装置插入沉积物中进行声学原位测量并同步取样，声学原位测量与沉积物同步取样完成后，然后进行一次水中测量，并且，其水中测量的参数与沉积物中声学原位测量的参数配置相同，以获得沉积物和水体中的比对数据，进行数据的后期处理，获得海底沉积物的原位声学特性参数。

进一步地，利用标准声速仪测的水中声速，与该装置测量的水中声速进行比测校准，提高沉积物中的声学原位测量的精度。

本发明的有益效果是：同步进行声学原位测量与沉积物取样，便于地声模型的研究；既可以进行横向发射接收测量模式，也可以进行纵向发射接收测量模式，多种测量模式，提高测量效率；供电通信电子仓与声学仓为独立的两个耐压仓，降低了供电与通信对声学信号的干扰；利用搭载的声速仪，对沉积物中的声程进行精确计算，提高了探测精度。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明的甲板显控单元组成示意图；

图3为本发明水下探测单元的立体示意图；

图4为本发明的测量方法流程图；

图中：1为甲板显控单元；101为显示模块；102为通信模块；103为控制模块；104为供电模块；105为同轴电缆或者光电复合缆接口；2为水下探测单元；201为承重吊点；202为六边形支架；203为声学发射矛杆；204为声学接收矛杆；205为沉积物取样矛杆；206为水下控制电子仓；207为纵向发射换能器；208为第一横向发射换能器；209为第二横向发射换能器；210为接收换能器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种海底沉积物声学原位测量与同步取样装置，包括甲板显控单元1与水下探测单元2，甲板显控单元1远程控制并且实时显示水下探测单元2的作业状态，水下探测单元2完成声学原位测量与沉积物取样。如图3所示，所述水下探测单元2包括六边形支架202，六边形支架202的下方分别通过定位销连接声学发射矛杆203、声学接收矛杆204和沉积物取样矛杆205，六边形支架202上方固定纵向发射换能器207；所述声学发射矛杆203上安装至少两个横向发射换能器，所述声学接收矛杆204上安装接收换能器210，特别地，横向发射换能器、纵向发射换能器207与接收换能器210在同一平面内。

进一步地，所述六边形支架202的顶板上设置承重吊点201，承重吊点201与六边形支架202的顶板构成吊点转弯保护装置，实现本装置在甲板上水平安装、起吊后垂直入水的功能。

进一步地，所述六边形支架202内设置两个水下控制电子仓206，一个用作供电通信仓，另一个用作声学仓，可以有效减少供电与通信对声学信号发射接收的干扰。

进一步地，所述六边形支架202内安装声速仪、高度计以及水下摄像头。

进一步地，本装置重心位于六边形支架202底部，使得本装置垂直起吊时，三只矛杆受力较小；并且三支矛杆呈正三角形分布，海底着陆平稳，能够在自身重力作用下插入海底沉积物中。

进一步地，纵向发射换能器207与接收换能器210构成纵向发射接收工作模式；横向发射换能器与接收换能器210构成水平发射接收工作模式，同时具备沉积物声学原位测量两种工作模式。

进一步地，所述接收换能器210是由多个接收换能器基元构成的阵列，该阵列嵌入声学接收矛杆204的凹槽内，该阵列平面与凹槽齐平，不同接收换能器基元的辐射范围分别覆盖六边形支架202上安装的纵向发射换能器207与声学发射矛杆203上安装的横向发射换能器。

进一步地，三只矛杆底部均呈锥形，以便有效插入沉积物中；在声学接收矛杆204管壁放置温度传感器，可以同步测量海底沉积物的温度；在声学发射矛杆203管壁放置位移传感器，可以获得装置进入沉积物中的深度。

本发明还提供了一种海底沉积物声学原位测量与同步取样的方法，该方法具体为：作业时，先进行沉积物中测量，使装置插入沉积物中进行声学原位测量并同步取样，声学原位测量与沉积物同步取样完成后，然后进行一次水中测量，并且，其水中测量的参数与沉积物中声学原位测量的参数配置相同，以获得沉积物和水体中的比对数据，进行数据的后期处理，获得海底沉积物的原位声学特性参数。利用标准声速仪测的水中声速，与该装置测量的水中声速进行比测校准，提高沉积物中的声学原位测量的精度。

实施例1

本实施例的海底沉积物声学原位测量与同步取样装置包括甲板显控单元1与水下探测单元2两部分。甲板显控单元1通过同轴电缆或光电复合缆为水下探测单元2供电，并完成二者之间的通信，甲板显控单元1可以实时显示水下探测单元2的运行状态，并对水下探测单元2进行远程控制；水下探测单元2利用自重，插入海底沉积物中，进行声学原位测量，并同步采集沉积物样品。如图2所示，甲板显控单元1包括显示模块101、通信模块102、控制模块103、供电模块104和同轴电缆或者光电复合缆接口105；其中，供电模块104为水下探测单元2供电，通信模块102完成甲板显控单元1与水下探测单元2的通信，控制模块103实现对水下探测单元2作业的远程交互控制，显示模块101实现水下探测单元2作业状态的实时显示；水下探测单元2包括六边形支架202，六边形支架202的下方分别通过定位销连接声学发射矛杆203、声学接收矛杆204和沉积物取样矛杆205，六边形支架202上方固定纵向发射换能器207；所述声学发射矛杆203上安装第一横向发射换能器208和第二横向发射换能器209，所述声学接收矛杆204上安装接收换能器210，横向发射换能器、纵向发射换能器207与接收换能器210在同一平面内。

沉积物取样矛杆205作为海底沉积物柱状取样器，其取样长度与声学接收换能器的最大距离一致，以便采集能够与声学原位探测进行对比测量的甲板声学测试的沉积物样品。

本装置在插入沉积物过程中，利用重力使得矛杆进入沉积物中，在本装置稳定后，利用声学发射矛杆或者六边形支架上部安装的纵向发射换能器发射声波，声学接收矛杆内的接收换能器接收声波，完成沉积物声学原位测量，同时沉积物取样矛杆完成沉积物取样。

实施例2

本实施例的海底沉积物声学原位测量与同步取样方法如图4所示，包括下列步骤：

步骤1：系统安装

1.1检查确认所述的各个单元部件正常；

1.2分别装配甲板显控单元与水下探测单元；

步骤2：系统测试

2.1使用同轴电缆或者光电复合缆，连接甲板显控单元与水下探测单元；

2.2按照具体作业要求，进行供电与通信测试；

步骤3：系统布放

3.1使用船舶的门型A驾与绞车，起吊水下探测单元，布放入水；

3.2沉积物中测量。在水下探测单元距离海底越10米时，高速下放设备，使得水下探测单元自由下落，矛杆插入海底沉积物中，待矛杆稳定在沉积物中后，执行沉积物中测量，采集数据；

3.3水中测量。把水下探测单元回收至水中，使用与沉积物中相同的测量参数，执行水中测量，采集数据。

步骤4：系统回收

4.1作业完成后，回收水下探测单元至甲板；

4.2拆卸水下探测单元，淡水冲洗后存放至阴凉干燥处。