一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统

1.本发明涉及海底地层原位测量技术领域，特别是涉及一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统。


背景技术：

2.海洋是地球生命的诞生之地，生物的进化历程表明，地球上的生命起源于海洋。海洋总面积约为3.6亿平方公里，占据了地球表面积的70％，蕴藏着极其丰富的生物资源和矿产资源。目前已探索的海底区域仅占海洋总面积5％左右，可以说人类对海洋尤其是深海的探索还十分有限。
3.由于深海海底是一个高压、低温以及强腐蚀环境，并且海底地形较为复杂且周围海水又时刻处于动态变化的过程。地下环境中又普遍存在压力、温度、浓度和组分上的差异，烃类物质将从深部动态运移至表层，使得浅表层沉积物、孔隙水和底层水等介质中的地球化学特征发生变化，形成地球化学异常。近年来海洋资源开发的步伐日益加快，海洋工程建设日益增多。海底的海底地形及地球化学参数原位测量研究对于海洋环境调查、海底资源勘探、海洋开发利用等各方面都具有重要意义。
4.在地球科学尚处在描述阶段，且仅以寻找矿产资源为主要目标的时候，人为的探险和考察大体上可以解决当时的问题；而现代的地球科学研究如若要作环境预测，只有通过长期连续的过程观测才能揭示地球科学机理，而不能满足于短暂的“探险、考察”。
5.针对以上问题，本发明提出了一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统，对海底地形参数及化学参数进行长期的原位监测和动态跟踪。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统，解决过往地球科学的摸索仅依靠探险和考察，缺乏长期及连续性的过程观测的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统，所述系统包括设备搭载模块、化学参数测量模块、地形参数测量模块和数据采集及控制模块；
8.所述测量设备搭载模块，分布于海底各个监测点，用于为所述化学参数测量模块和所述地形参数测量模块提供搭载环境；
9.所述化学参数测量模块，设于海底各个监测点的测量设备搭载模块中，所述化学参数测量模块用于采集海底化学参数；所述海底化学参数包括溶解氧浓度值、ph值、eh值、盐度值、温度值以及浊度值；
10.所述地形参数测量模块，设于海底各个监测点的测量设备搭载模块中，所述地形参数测量模块用于采集海底地形参数；所述海底地形参数包括海底地层的三轴加速度信息、三轴角速度信息和三轴航向角信息；
11.数据采集及控制模块，分别与化学参数测量模块和地形参数测量模块连接，用于
接收所述海底化学参数和所述海底地形参数。
12.可选地，所述设备搭载模块包括：
13.刚性腔体，插设于海底各个监测点的地层中，所述化学参数测量模块设于所述刚性腔体内部；
14.柔性管道，铺设于海底各个监测点的地层中，与海底各个监测点的地层土壤耦合；所述地形参数测量模块设于所述柔性管道内部，且所述柔性管道内壁与地形参数测量模块之间空隙填充有硅酸凝胶。
15.可选地，所述地形参数测量模块包括：加速度传感器、陀螺仪和磁力计；
16.所述加速度传感器用于获得海底各个监测点在重力场的三轴加速度信息；
17.所述陀螺仪用于获得海底各个监测点的三轴角速度信息；
18.所述磁力计用于获得海底各个监测点的三轴航向角信息；
19.所述加速度传感器、所述陀螺仪和所述磁力计级联成传感阵列，各传感阵列外有水密舱体进行高压密封。
20.可选地，所述数据采集及控制模块包括：供电单元、综合控制单元、通信及定位单元和多通道数据采集单元；
21.供电单元，分别与综合控制单元、通信及定位单元、多通道数据采集单元、化学参数测量模块和地形参数测量模块连接，用于提供电源，且所述供电单元包括主电源和备用电源；
22.水面综合控制及解析软件，安装在所述综合控制单元中，用于进行数据解析、人机交互以及根据人机交互操作产生相应的控制指令；所述控制指令包括采集参数设置指令和供电状态监测指令；
23.综合控制单元，用于根据所述采集参数设置指令，分别设置所述地形参数测量模块和所述化学参数测量模块的采集参数；所述综合控制单元还用于根据供电状态监测指令对供电单元进行监测；
24.通信及定位单元，与综合控制单元连接，所述通信及定位单元用于进行数据通信；
25.多通道数据采集单元，分别与通信及定位单元、化学参数测量模块和地形参数测量模块连接，所述多通道数据采集单元用于获取所述海底地形参数和海底化学参数，并通过通信及定位单元向所述综合控制单元上传供电状态及采集的所述海底地形参数和海底化学参数。
26.可选地，所述水面综合控制及解析软件还用于通过旋转矩阵将所述加速度传感器、所述陀螺仪和所述磁力计采集的信息转化为空间三轴的姿态角；利用姿态角和传感器节点间的长度关系确定传感阵列变形量；通过空间海底表面布置的多条传感阵列获得各监测点的空间坐标信息，再通过细分插值获得监测区域海底地形曲面的形状；基于传感阵列的海底地层形变三维重构技术，将监测区域的海底地形以图形可视化的方式在线显示。
27.可选地，所述化学参数测量模块包括：溶解氧浓度测量传感器、ph值测量传感器、eh值测量传感器、盐度值测量传感器、温度值测量传感器和浊度值测量传感器；且所述溶解氧浓度测量传感器、所述ph值测量传感器、所述eh值测量传感器、所述盐度值测量传感器、所述温度值测量传感器和所述浊度值测量传感器通过耐压舱结构封装；
28.可选地，所述化学参数测量模块还包括：同步校准单元，用于对各传感器进行信号
校正以及同步各传感器的数据采集响应时间。
29.可选地，所述化学参数测量模块的各传感器采用离子选择电极分析技术对溶液中各离子进行检测；
30.所述化学参数测量模块的各传感器中包括离子选择电极，所述离子选择电极的电位与溶液中待测离子活度的关系式如下：
[0031][0032]
其中，e为离子选择电极的电位，e0为标准电极电位，r为电气常数，t为热力学温度，n为待测离子的化学价，f为法拉第常数，α为待测离子的活度。
[0033]
可选地，所述化学参数测量模块的各传感器中还包括参比电极；
[0034]
所述离子选择电极与对应的所述参比电极联合组成完整的电位测量回路，用于测量所述离子选择电极的电位e。
[0035]
可选地，所述参比电极选用ag/agcl电极；采用将agci层直接包覆在ag丝上的方式进行改进，适应深海环境。
[0036]
根据本发明提供的具体发明内容，本发明公开了以下技术效果：
[0037]
本发明提供的一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统，包括：测量设备搭载模块，分布于海底各个监测点，用于为化学参数测量模块和地形参数测量模块提供搭载环境；化学参数测量模块，设于海底各个监测点的测量设备搭载模块中，用于采集海底化学参数；地形参数测量模块，设于海底各个监测点的测量设备搭载模块中，用于采集海底地形参数；海底地形参数包括海底地层的三轴加速度信息、三轴角速度信息和三轴航向角信息；数据采集及控制模块，分别与化学参数测量模块和地形参数测量模块连接，用于接收所述海底化学参数和所述海底地形参数。本发明的方法，采用创新的海底地层多参量同步采集原理，集成高精度接触式传感器以及多类型化学参数传感器，实现了对地层沉积物化学性质及地层形变等环境要素进行长期的原位监测和动态跟踪，为环境风险评估和环境影响评价提供丰富的有价值的数据资料。
附图说明
[0038]
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明实施例1提供的一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统的结构示意图；
[0040]
图2为本发明实施例2提供的原位测量的系统中刚性钻杆的内部结构示意图；
[0041]
图3为本发明实施例3提供的原位测量的系统中柔性缆的内部结构示意图。
[0042]
符号说明：
[0043]
1：设备搭载模块；2：化学参数测量模块；3：地形参数测量模块；4：数据采集及控制模块；11：刚性钻杆；12：柔性缆；31：加速度传感器；32：陀螺仪；33：磁力计；41：供电单元；42：综合控制单元；43：通信及定位单元；44：多通道数据采集单元；45：水面综合控制及解析
软件。
具体实施方式
[0044]
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。
[0045]
本发明的目的是提供一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统，解决过往地球科学的摸索仅依靠探险和考察，缺乏长期及连续性的过程观测的问题。
[0046]
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。
[0047]
实施例1：
[0048]
如图1所示，本发明提供了一种用于海底地形参数及化学参数原位测量的系统，包括设备搭载模块1、化学参数测量模块2、地形参数测量模块3和数据采集及控制模块4；
[0049]
测量设备搭载模块1，分布于海底各个监测点，用于为化学参数测量模块2和地形参数测量模块3提供搭载环境。
[0050]
化学参数测量模块2和地形参数测量模块3均使用传感器进行测量，传感器在海底地表以及在地层内的测量则需要克服布放的困难，通过测量设备搭载模块1为各传感器提供测量环境。
[0051]
化学参数测量模块2，设于海底各个监测点的测量设备搭载模块1中，化学参数测量模块2用于采集海底化学参数。
[0052]
将各传感器集成于刚性钻杆11内部进行海底布放与原位监测，并在需要的时候移动钻机到指定位置将刚性钻杆11布放于地层内部。
[0053]
地形参数测量模块3，设于海底各个监测点的测量设备搭载模块1中，所述地形参数测量模块3用于采集海底地形参数；所述海底地形参数包括海底地层的三轴加速度信息、三轴角速度信息和三轴航向角信息。
[0054]
数据采集及控制模块4，分别与化学参数测量模块2和地形参数测量模块3连接，用于接收所述海底化学参数和所述海底地形参数。
[0055]
所述设备搭载模块1包括：
[0056]
刚性腔体，插设于海底各个监测点的地层中，所述化学参数测量模块设于所述刚性腔体内部。
[0057]
化学参数测量模块2的大多数传感器需要插入海底地层内部进行原位监测，有的还需要建立液体或者空腔环境，因此以不易被挤压变形的刚性腔体，如刚性钻杆11为其搭建硬件基础，部分传感器探头伸出刚性腔体外，与海底地层土壤或海底溶液接触。
[0058]
柔性管道，铺设于海底各个监测点的地层中，与海底各个监测点的地层土壤耦合；所述地形参数测量模块设于所述柔性管道内部，且所述柔性管道内壁与地形参数测量模块之间空隙填充有硅酸凝胶。
[0059]
地形参数测量模块3的传感器需要与泥土充分耦合，以获得地形形变时的参数，所以采用可变形的柔性管道，如柔性缆12为其搭建硬件基础。将地形参数测量模块3集成至柔
性缆12内部，柔性管道内填充硅酸凝胶，使柔性缆12与海底沉积物充分耦合，在地形发生倾斜或者移动的时候，柔性缆12随着发生弯曲与扭转，再利用基于传感阵列的海底地形层形变三维重构技术，可以将传感阵列的弯曲量和扭转量转换为地层真实的变形及倾斜量，并将其以图形可视化的方式在线显示。
[0060]
地形参数测量模块3包括：加速度传感器31、陀螺仪32和磁力计33。
[0061]
所述加速度传感器31用于获得海底各个监测点在重力场的三轴加速度信息。
[0062]
所述陀螺仪32用于获得海底各个监测点的三轴角速度信息。
[0063]
所述磁力计33用于获得海底各个监测点的三轴航向角信息。
[0064]
所述加速度传感器31、所述陀螺仪32和所述磁力计33通过rs485总线等间隔级联成传感阵列，各传感阵列外有水密舱体进行高压密封。柔性缆12外部材质为透明硅胶管，高精度接触式传感器在缆中通过导线串联连接，透明硅胶管内填充硅酸凝胶，在透明硅胶管内填充硅酸凝胶时应将管内做真空处理，去除气泡。
[0065]
为使柔性缆12与海底沉积物充分耦合，布放时将柔性缆12通过钻机进行布放，柔性缆12安装于刚性钻杆11内部，完成钻进后，刚性钻杆11回收，柔性缆12布放至沉积物土层内部。
[0066]
数据采集及控制模块4中包括：供电单元41、综合控制单元42、通信及定位单元43和多通道数据采集单元44。
[0067]
供电单元41，分别与综合控制单元42、通信及定位单元43、多通道数据采集单元44、化学参数测量模块2和地形参数测量模块3连接，用于提供电源，且所述供电单元41包括主电源和备用电源。
[0068]
水面综合控制及解析软件45，安装在所述综合控制单元42中，用于进行数据解析、人机交互以及根据人机交互操作产生相应的控制指令；所述控制指令包括采集参数设置指令和供电状态监测指令。
[0069]
综合控制单元42，用于根据所述采集参数设置指令，分别设置所述地形参数测量模块3和所述化学参数测量模块2的采集参数；所述综合控制单元42还用于根据供电状态监测指令对供电单元41进行监测。
[0070]
通信及定位单元43，与综合控制单元42连接，通信及定位单元43采用非接触式电磁耦合技术进行数据通信，其感应电动势表达式如下：
[0071][0072]
其中，ε为感应电动势，为磁通量，a为比例系数，ω为通讯频率，n1为发射线圈匝数，n2为接收线圈匝数，i为发射线圈电流，μ为相对磁导率，t为时间，θ为初始相位。
[0073]
多通道数据采集单元44，分别与通信及定位单元43、化学参数测量模块2和地形参数测量模块3连接，所述多通道数据采集单元44用于获取所述海底地形参数和海底化学参数，并通过通信及定位单元43向所述综合控制单元42上传供电状态及采集的所述海底地形参数和海底化学参数。
[0074]
为了更有助于对海底地形的形变进行研究，水面综合控制及解析软件45还用于通过旋转矩阵将所述加速度传感器31、所述陀螺仪32和所述磁力计33采集的信息转化为空间三轴的姿态角；利用姿态角和传感器节点间的长度关系确定传感阵列变形量；通过空间海
底表面布置的多条传感阵列获得各监测点的空间坐标信息，再通过细分插值获得监测区域海底地形曲面的形状；基于传感阵列的海底地层形变三维重构技术，将监测区域的海底地形以图形可视化的方式在线显示。
[0075]
所述化学参数测量模块2包括：溶解氧浓度测量传感器、ph值测量传感器、eh值测量传感器、盐度值测量传感器、温度值测量传感器和浊度值测量传感器；且所述溶解氧浓度测量传感器、所述ph值测量传感器、所述eh值测量传感器、所述盐度值测量传感器、所述温度值测量传感器和所述浊度值测量传感器通过耐压舱结构封装。
[0076]
为了确保采集到的数据的准确性和各参数之间的同步性，所述化学参数测量模块2还包括：同步校准单元，用于基于各传感器之间测试原理和相应时间不同的情况，通过陆地联调实验对各传感器进行信号校正以及同步各传感器的数据采集响应时间。
[0077]
在本实施例中，所述化学参数测量模块2的各传感器采用离子选择电极分析技术对溶液中各离子进行检测。
[0078]
所述化学参数测量模块2的各传感器中包括离子选择电极，所述离子选择电极的电位与溶液中待测离子活度的关系式如下：
[0079][0080]
其中，e为离子选择电极的电位，e0为标准电极电位，r为电气常数，t为热力学温度，n为待测离子的化学价，f为法拉第常数，α为待测离子的活度。
[0081]
化学参数测量模块2的每个传感器中对应于离子选择电极还包括参比电极。
[0082]
每个离子选择电极与对应的参比电极联合组成完整的电位测量回路，用于测量离子选择电极的电位e。参比电极用于提供与保持一个固定的参比电势。
[0083]
为了适应深海环境，参比电极选用ag/agcl电极；采用将agci层直接包覆在ag丝上的方式进行改进。
[0084]
实施例2：
[0085]
本实施例的具体方案与实施例1方案基本相同，不同之处在于：如图2所示，在本实施例中，化学参数测量模块2包括：甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、ph传感器、压力传感器和温度传感器；可以对海底的溶解氧浓度值、ph值、eh值、盐度值、温度值、浊度值以及溶解态的二氧化碳(co2)、氢(h2)、硫化氢(h2s)、氧逸度(fo2)、二价离子(me
2+
)、一价离子(me
1+
)、氯离子(c
l-)、硫酸根(so
42-)等化学参数的测量。
[0086]
并且化学参数测量模块2还包括rhizon土壤溶液取样器、水下电机、存样长导管、螺纹、通讯线圈和抽拉系统；螺纹用于刚性钻杆间的连接，水下电机用于带动抽拉系统对海底地层土样品的辅助取样，存样长导管用于保存海底地层土样品；各传感器通过耐压舱结构封装，通过螺纹连接，并直接通过通讯线圈及水密电缆进行信号传输，达到水下测量的目的。
[0087]
实施例3：
[0088]
本实施例的具体方案与实施例1方案基本相同，不同之处在于：如图3所示，地形参数测量模块3包括：温度传感器、压力传感器和mems加速度传感器。通过温度传感器和压力传感器用于获得地层的温压场特征。mems加速度传感器用于获得海底各个监测点在重力场的三轴加速度信息。
[0089]
温度传感器、压力传感器和mems加速度传感器通过rs485总线等间隔级联成传感阵列，各传感阵列外有水密舱体进行高压密封。柔性缆外部材质为透明硅胶管，高精度接触式传感器在缆中通过导线串联连接，透明硅胶管内填充硅酸凝胶，在透明硅胶管内填充硅酸凝胶时应将管内做真空处理，去除气泡。当地层发生倾斜或者移动的时候，监测缆随着发生弯曲与扭转，再利用基于传感阵列的海底地层形变三维重构技术，可以将传感阵列的弯曲扭转量转换为地层真实的变形及倾斜量，并将其用图形可视化的方式在线显示出来。
[0090]
技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。
[0091]
所有软件或其中的一部分有时可能会通过网络进行通信，如互联网或其他通信网络。此类通信可以将软件从一个计算机设备或处理器加载到另一个。例如：从视频目标检测设备的一个服务器或主机计算机加载至一个计算机环境的硬件平台，或其他实现系统的计算机环境，或与提供目标检测所需要的信息相关的类似功能的系统。因此，另一种能够传递软件元素的介质也可以被用作局部设备之间的物理连接，例如光波、电波、电磁波等，通过电缆、光缆或者空气等实现传播。用来载波的物理介质如电缆、无线连接或光缆等类似设备，也可以被认为是承载软件的介质。在这里的用法除非限制了有形的“储存”介质，其他表示计算机或机器“可读介质”的术语都表示在处理器执行任何指令的过程中参与的介质。
[0092]
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；本领域的技术人员应该理解，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0093]
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。