深海工程地质环境原位长期实时观测系统及方法与流程

本发明属于海洋观测技术领域，尤其涉及深海工程地质环境原位长期实时观测系统及方法。

背景技术

深海原位、长期、实时观测系统，是进行海洋科学研究的重要手段。有效的原位、长期、实时观测手段的缺失，制约了对海洋动力过程机制的深入认识，也成为开展海洋灾害有效预测防治的瓶颈。目前针对海洋工程地质环境变化的研究，多采用数值模拟与重复调查取样手段，亟需海洋长期观测数据的支持与验证。

目前，陆地工程地质环境观测技术已经基本完善，浅海区工程地质环境观测技术得到初步发展，深海工程地质环境观测技术仍存在许多技术瓶颈与限制。深海观测中，一类为海底观测网，一类为座底式/贯入式观测平台。海底观测网建设周期长，耗费资金巨大、管理维护困难和灵活度低。普通的座底式/贯入式观测平台多无法集成自我发电供电系统，不能满足长期观测需求，也不能实现实时通讯与远程控制。目前的贯入式观测平台多采用重力贯入方式依靠自身重力将探杆贯入到沉积物中，对于硬底质海区无法实现有效贯入。针对座底式/贯入式观测平台，我国目前仍然没有拥有自主独立知识产权的技术和设备，实现海底原位、长期、实时观测。因此，在深海工程地质环境观测方面，如何在有限建设资金前提下，实现原位、长期、实时观测，是我国以及世界深海观测技术领域存在的重要瓶颈问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种深海工程地质环境原位、长期、实时观测系统及方法。

一种深海工程地质环境原位长期实时观测系统，其特征在于包括搭载有多种观测仪器的座底式搭载平台、位于海面的观测数据中继传输浮标、远程观测数据管理服务器与客户端；

所述搭载于座底式搭载平台的观测仪器包括：声学探杆——包含海底沉积物波速测量探头及其采集控制器、孔隙水压力探杆——包含孔隙水压力传感器及其采集控制器、电学探杆——包含海底沉积物三维电阻率传感器及其采集控制器、多参数集成传感器系统——包含温度、盐度、甲烷浓度、二氧化碳浓度、溶解氧浓度、海流、姿态传感器；

所述座底式搭载平台还搭载有与观测数据中继传输浮标进行通讯的水声通讯机、提供观测用电的海水电池、将以上三种观测探杆压入沉积物的液压贯入机构、保持坐底稳定性的配重式底座；

所述观测数据中继传输浮标包括位于海面的中继浮标，该中继浮标通过固定缆绳与海底锚定系统连接；

所述中继浮标顶部设有通讯天线、摄像机、太阳能电池板，内部设有浮体材料、浮标搭载平台、浮标控制舱、浮标水声通讯机。

所述的深海工程地质环境原位长期实时观测系统，其特征在于所述的海水电池是海水溶解氧电池，即利用镁与海水电解质中溶解氧之间的电化学反应产生电能对座底式搭载平台及其搭载的设备进行供电。

所述的海水溶解氧电池由四个发电单元与两个电能储存单元组成；所述的四个发电单元以中心对称方式布置均匀布置于仪器搭载平台外侧；仪器搭载平台的框架结构呈开放式，内部海水可自由穿过；最大程度保证发电单元附近海流速度，以保障供电系统的溶解氧供应；两个电能储存单元交替进行充放电过程，即一个储存电能时，另一个对观测系统供电。

所述的深海工程地质环境原位长期实时观测系统，其特征在于所述观测数据中继传输浮标中，固定缆绳选用凯夫拉材质缆绳，以保证缆绳有足够强度，并且降低缆绳重力。

所述的深海工程地质环境原位长期实时观测系统的布放和观测的方法，其特征在于包括以下步骤：

将安装于座底式搭载平台上的观测仪器设定工作参数；

利用调查船将本系统的座底式搭载平台及其上的观测仪器、观测数据中继传输浮标运至布放水域中的指定观测站位；

先释放观测数据中继传输浮标，后释放座底式搭载平台，两者的水平距离应保持在1km范围之内；

释放观测数据中继传输浮标时，调查船以1-3节的速度缓慢前行，随调查船的前行，依次将海面中继浮标、固定缆绳释放入水，最后将海底锚定系统抛掷入水，完成整个数据中继传输浮标系统释放；

释放座底式搭载平台时，动力锚定停船，船载绞车钢缆通过声学释放器与座底式搭载平台连接，将座底式搭载平台通过绞车释放，释放速度为≤1m/s；

根据站位水深与已释放钢缆的长度确定座底式搭载平台触底时间；在距离海底100m-200m时，降低释放速度，以防止触底时的冲击对观测仪器与座底式搭载平台造成破坏；

触底后，通过座底式搭载平台的液压贯入机构将声学探杆、孔隙水压力探杆、电学探杆缓慢贯入到沉积物中；

贯入结束，利用水声通讯方式激发座底式搭载平台顶端的声学释放器；声学释放器接收指令后，完成释放，进而船载绞车钢缆脱钩；回收钢缆，完成座底式搭载平台及其观测仪器的释放；

座底式搭载平台上的观测仪器按照设定参数进行工作。

所述的深海工程地质环境原位长期实时观测系统观测结束之后的回收方法，其特征在于包括以下步骤：

完成观测后，根据座底式搭载平台释放站位的经纬度信息，将调查船驶至释放站位；

船动力锚定后，释放rov水下机器人与船载绞车钢缆；理由水下rov机器人将钢缆固定到座底式搭载平台顶端位置；

先回收rov水下机器人成功后，再通过回收船载绞车钢缆将座底式搭载平台及其搭载的设备回收，速度为≤1m/s；

回收座底式搭载平台后，再用常规方法回收观测数据中继传输浮标。

本发明能够在2000米水深范围内进行海水—沉积物界面的工程性质、物理性质、力学性质、生物化学性质的原位、长期、实时观测。

本发明通过搭载观测仪器，包括水体观测仪器、海床界面观测仪器、沉积物观测仪器，实现了深海海底界面层的立体综合观测。所述的座底式搭载平台采用液压贯入方式将观测探杆贯入沉积物中，而非采用重力贯入式，以保障贯入与观测效果。

本发明的海底观测仪器与搭载平台利用了海水电池、海面观测数据中继传输浮标利用了太阳能电池，完成了观测系统的自我供电，满足深海长期观测供电需求。

本发明采用了海面观测数据中继传输浮标，结合水声通讯与卫星通讯，实现了海底观测平台与远程客户端的双向实时通讯。利用中继传输浮标系统实现观测仪器与座底式搭载平台与远程观测数据管理服务器与客户端的双向实时通讯。为实现灾害预警，关键观测数据通过实时通讯方式进行获取；为节约系统用电，其余观测数据采用自容存储模式，待观测结束后，统一读取。

所述的观测数据中继传输浮标集成了太阳能电池板），利用太阳能对海面中继浮标进行供电，避免了携带大量电池；集成了摄像机，可定时拍摄海面海况与过往船舶，并将信号远程观测数据管理服务器与客户端，以便随时掌握观测区海况，并记录过往船舶情况，以备观测数据中继传输浮标系统丢失时查找。

所述的远程观测数据管理服务器与客户端中，授权用户可随时登陆服务器查询、下载观测数据。根据观测结果，随时调整各观测仪器的采集频率设定。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的座底式搭载平台结构示意图。

图3是本发明的观测数据中继传输浮标示意图。

图4是本发明的中继浮标结构示意图。

图5是本发明的远程管理服务器与客户端示意图。

图6是本发明的座底式搭载平台释放过程示意图。

图7是本发明的座底式搭载平台回收过程示意图。

其中，1座底式搭载平台、2观测数据中继传输浮标、3远程观测数据管理服务器与客户端、4声学探杆（包含沉积物波速测量探头及其采集控制器）、5孔隙水压力探杆（包含孔隙水压力传感器及其采集控制器）、6电学探杆（包含海底沉积物三维电阻率传感器及其采集控制器）、7海水电池、8液压贯入机构、9配重式底座、10水声通讯机、11多参数集成传感器系统、12中继浮标、13固定缆绳、14海底锚定系统、15通讯天线、16摄像机、17太阳能电池板、18浮体材料、19浮标搭载平台、20浮标控制舱、21浮标水声通讯机、22调查船、23rov水下机器人、24船载绞车钢缆。

具体实施方式

如图1，所述深海工程地质环境原位长期实时观测系统总体结构由三部分组成：观测仪器与座底式搭载平台1、位于海面的观测数据中继传输浮标2、远程观测数据管理服务器与客户端3。

所述的座底式搭载平台1搭载的主要观测仪器包括声学探杆4、孔隙水压力探杆5、电学探杆6、多参数集成传感器系统（温度、盐度、甲烷浓度、二氧化碳浓度、溶解氧浓度、海流、姿态）11。

除上述观测仪器外，还搭载与观测数据中继传输浮标2进行通讯的水声通讯机10、提供观测自我供电的海水电池7、将观测探杆压入沉积物的液压贯入机构8、保持坐底稳定性的配重式底座9。深海工程地质环境原位长期实时观测设备布放于长期观测站位。

为保证观测探杆的贯入与观测效果，观测系统抛弃常用的重力贯入方式，而采用液压贯入方式。座底式搭载平台1安装了液压贯入机构8将观测探杆贯入到沉积物中。

在硬底质海区，为减小贯入阻力，保证观测探杆的有效贯入，液压贯入机构8将声学探杆4、孔隙水压力探杆5、电学探杆6分别贯入到沉积物中。在软底质海区，液压贯入机构8可将各观测探杆统一一次性贯入，以达到节约用电目的，延长海底观测时长。

优选的，海底观测仪器与座底式搭载平台1的长期供电通过自制海水溶解氧电池实现7。利用镁与海水电解质中溶解氧之间的电化学反应产生电能，避免了携带大量电池或长距离海底电缆的铺设。可实现低成本、环保、可持续的海底长期观测仪器电能供应。

海水溶解氧电池设置有两个电能储存舱，轮流进行充放电。即：一个电能储存舱进行放电，为观测系统提供电能时；另一个电能储存舱进行充电。

所述海面观测数据中继传输浮标系统2由海面中继浮标12、固定缆绳13、海底锚定系统14组成。

为保证观测仪器与座底式搭载平台1与观测数据中继传输浮标系统2之间的有效通讯，座底式搭载平台1与海底锚定系统14的直线距离不超过1km。

为减轻固定缆绳13的重力，并且保证缆绳强度，固定缆绳13选用凯夫拉材质。

海面中继浮标12由通讯天线15、摄像机16、太阳能电池板17、浮体材料18、浮标搭载平台19、浮标控制舱20、浮标水声通讯机21组成。

为保证海面观测数据中继传输浮标系统2电能自给，采用太阳能供电方式。

摄像机16可定时拍摄海面海况与过往船舶，并将信号远程观测数据管理服务器与客户端3。以便随时掌握观测区海况，并记录过往船舶情况，以备观测数据中继传输浮标系统2丢失时查找。

海面中继浮标12通过水声通讯机21获取观测仪器与座底式搭载平台1的观测数据；进一步地，通过通讯天线15将观测数据传输至卫星；继而，卫星将观测数据传输至远程观测数据管理服务器与客户端3，供客户端访问使用。

授权用户可随时登陆服务器查询、下载观测数据。根据观测结果，可以随时调整各观测仪器的采集频率设定，加大观测频率，或降低观测频率。

参数调整指令由远程观测数据管理服务器与客户端3传输至卫星，由卫星传输至海面中继浮标12的通讯天线15；进一步地，海面中继浮标12通过浮标水声通讯机21将指令发送到海底观测平台水声通讯机10，最终完成调整观测仪器参数。使现场观测更好地反映地质灾害孕育发生过程、海底界面层动态变化过程。

根据座底式搭载平台1释放站位的经纬度信息，将调查船22驶至释放站位。首先释放观测数据中继传输浮标系统2，后释放座底式搭载平台1。避免先释放座底式搭载平台，再释放观测数据中继传输浮标系统时，海底锚定系统14将座底式搭载平台击中破坏。

释放观测数据中继传输浮标系统2时，船速控制在2节左右，按照海面中继浮标12、固定缆绳13、海底锚定系统14的顺序释放。

释放座底式搭载平台1时，保证观测探杆贯入沉积物后，再触发声学释放器，将钢缆24与搭载平台1分离。

观测完成后，通过rov水下机器人23将船载钢缆24系于座底式搭载平台1，通过船载地质绞车回收钢缆，继而回收观测平台及其所搭载的观测仪器。

观测数据除实时传输外，也保留自容存储模式。待长期观测结束后，回收观测仪器，统一读取。只有关键数据实时传输，以保证观测系统用电。

实施例

如附图1所示，本发明深海工程地质环境原位长期实时观测系统主要包括观测仪器与座底式搭载平台1、海面观测数据中继传输浮标系统2、远程观测数据管理服务器与客户端3。

座底式搭载平台1的释放过程，如图6所示。

根据观测需要，确定观测站位后，将调查船22驶至指定站位。首先释放观测数据中继传输浮标系统2，后释放座底式搭载平台1。

释放海面观测数据中继传输浮标系统2时，调查船以1-3节的速度缓慢前行。随调查船的前行，依次将海面中继浮标12、固定缆绳13释放入水，最后将海底锚定系统14抛掷入水。完成整个数据中继传输浮标系统释放。

释放座底式搭载平台1时，动力锚定停船，将座底式搭载平台1通过船载地质绞车释放，释放速度为1m/s。

根据站位水深与已释放钢缆的长度确定座底式搭载平台1触底时间。在距离海底100m-200m时，降低释放速度，防止触底时的冲击对观测仪器与座底式搭载平台1造成破坏。

仪器触底后，通过座底式搭载平台1的液压贯入机构8将沉积物声学观测探杆4、沉积物孔隙水压力观测探杆5、电学观测探杆6缓慢贯入到沉积物中。

贯入结束，利用水声通讯方式激发座底式搭载平台1顶端的声学释放器。声学释放器接收指令后，完成释放，进而钢缆脱钩。回收钢缆，完成观测仪器与座底式搭载平台1的释放。

座底式搭载平台1的回收过程，如图7所示。

根据座底式搭载平台1释放站位的经纬度信息，将调查船22驶至释放站位。

船动力锚定后，释放rov水下机器人23与船载绞车钢缆24。

rov水下机器人23将船载绞车钢缆24固定到座底式搭载平台1顶端位置。先回收水下机器人rov23成功后，再通过回收船载绞车钢缆24将座底式搭载平台及其搭载的观测仪器回收，速度为1m/s。

附图2为观测仪器与座底式搭载平台1的整体关键结构示意图。

所述观测仪器由海底沉积物波速测量探头与采集控制器-即声学探杆4、孔隙水压力传感器与采集控制器-即孔隙水压力探杆5、海底沉积物三维电阻率传感器与采集控制器-即电学探杆6、观测平台水声通讯机10、多参数集成传感器系统（温度、盐度、甲烷浓度、二氧化碳浓度、溶解氧浓度、海流、姿态）11组成，所有观测仪器集成到深水座底式搭载平台1。

所述的座底式搭载平台1，除上述观测仪器外，还搭载与海面浮标通讯的水声通讯机10、提供观测用电的海水电池7、将观测探杆压入沉积物的液压贯入机构8、保持坐底稳定性的配重式底座9。

如图3所示，所述海面观测数据中继传输浮标系统2由海面中继浮标12、固定缆绳13、海底锚定系统14组成。

固定缆绳13选用凯夫拉材质缆绳，以保证缆绳有足够强度，并且降低缆绳重力。

为保证观测仪器与座底式搭载平台1与海面观测数据中继传输浮标系统2之间的有效水声通讯，座底式搭载平台1与中继传输浮标的海底锚定系统14的水平距离应保持在1km范围之内。

观测期间，沉积物的物理性质、力学性质，通过沉积物声学观测探杆4、电学观测探杆6的观测数据反演得到。

根据水体与沉积物的电阻率差异，海床侵蚀淤积速率通过沉积物电学观测探杆6的电阻率突变位置反演得到。

温度、盐度、甲烷浓度、二氧化碳浓度、溶解氧浓度、海流通过搭载在座底式搭载平台上的多参数集成传感器系统11获得。

优选的，海底观测仪器与搭载平台1的长期供电通过海水溶解氧电池7实现。利用镁与海水电解质中溶解氧之间的电化学反应产生电能，避免了携带大量电池或长距离海底电缆的铺设。海水溶解氧电池设置有两个电能储存舱，轮流进行充放电。即：一个电能储存舱进行放电，为观测系统提供电能时；另一个电能储存舱进行充电。

优选的，海面观测数据中继传输浮标系统2采用太阳能供电方式。太阳能电池板17集成于海面中继浮标12。

通过海水溶解氧电池7与太阳能电池板17，实现了海底观测平台与数据中继传输浮标系统的长期供电。

如图4所示，上述的海面中继浮标12还包括通讯天线15、摄像机16、浮体材料18、浮标搭载平台19、浮标控制舱20、浮标水声通讯机21。

通过浮标水声通讯机21与观测平台水平通讯机10实现海底观测仪器1与海面观测数据中继传输浮标系统2之间的双向通讯。

通过通讯天线15与卫星实现远程观测数据管理服务器与客户端3与海面观测数据中继传输浮标系统2之间的双向通讯。

海面中继浮标12通过水声通讯机21获取观测仪器与座底式搭载平台1的观测数据；进一步地，通过通讯天线15将观测数据传输至卫星；继而，卫星将观测数据传输至远程观测数据管理服务器与客户端3，供客户端访问使用。

观测数据采用实时通讯与自容存储两种模式。

为实现灾害预警，关键观测数据通过实时通讯方式进行获取。其余观测数据采用自容存储模式，待观测结束后，统一读取。

如图5所示，授权用户可随时登陆服务器查询、下载观测数据。根据观测结果，可以随时调整各观测仪器的频率设定。

当观测数据异常，判断水体环境有较大变化、或者有可能发生地质灾害时，加大观测频率；反之，降低观测频率。

参数调整指令由远程观测数据管理服务器与客户端3传输至卫星，由卫星传输至海面中继浮标12的通讯天线15；进一步地，海面中继浮标12通过浮标水声通讯机21将指令发送到海底观测平台水声通讯机10，最终完成调整观测仪器参数。使现场观测更好地反映地质灾害孕育发生过程、海底界面层动态变化过程。

由于本发明的深海工程地质环境原位长期实时观测系统可在深海环境实现水体与沉积物的综合观测。并且实现了电能自我供给，具备长期观测能力。实现了实时通讯，具体灾害预警能力。该系统可以获得定量的海底工程地质环境参数及其随时间的变化，在深海环境调查、深海油气资源开发、深海水合物开采环境长期监测等工程中具有推广应用价值。