本发明涉及海洋工程，具体而言，特别涉及一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测装置的工作方法。
背景技术：
1、在深海采矿中，羽流通常指由采矿活动引起的颗粒物悬浮在水中的现象。现有悬浮颗粒物羽流监测技术中，主要采用的是物理采样、光学传感器和声学测量三种主要方法，每种方法都有其特定的应用场景和局限性。物理采样是通过直接从海底或水体中采集样本进行分析的方法。这种方法能提供非常精确的数据，但需要通过船只和潜水器进行样本收集，效率极低且成本极高。光学传感器主要通过测量水体中光的传播和散射特性来估算颗粒物浓度。但在布满悬浮颗粒物的浑浊水域中，光的穿透力大幅降低，仅能监测周围几厘米范围的颗粒物浓度。声学监测是通过分析水下声波的传播特性来监测羽流的一种方法。声波在水中的传播受到水体中悬浮颗粒的影响，通过分析声波的衰减和散射，可以推断出悬浮颗粒物的分布和浓度。这种方法覆盖范围广并提供实时数据，但传统上，声学方法主要用于测量而非通信。
2、这些技术的局限性表明，现有的深海羽流扩散监测技术需要进一步创新，以提高其效率、降低成本并扩大其应用范围。
3、在深海采矿活动中，羽流的产生和扩散是一个关键环境问题，需要持续和精确的监控以评估其对海洋生态系统的影响。现有的监测方法，尽管在特定条件下有效，但在深海采矿的背景下存在多个显著的技术挑战和局限性。本专利旨在解决以下几个具体的技术问题：
4、1. 实时监控能力的提升：
5、现有技术中，物理采样和光学传感器虽然能提供精确的测量数据，但只有在样品和设备回收后才能获取相关信息，无法在水下获得羽流变化的实时数据。在羽流监测过程中，这种实时监控能力的缺乏可能导致对羽流动态变化的监控不足，无法及时响应和采取措施。
6、2.成本和效率的优化：
7、深海采矿作业通常位于偏远海域，物理采样和光学监测在布放和回收时需要昂贵的船舶支持和复杂操作，成本极高。需要一种成本效率更高、可大范围部署的监测方法。
8、3.数据覆盖范围和密度：
9、传统的声学监测方法虽然能够覆盖较大的区域，但往往难以实现高密度的数据采集，这限制了其在精细化管理和监测深海采矿活动中的应用。需要一种能够提供高密度、高精度数据的技术方案。
10、4.综合数据传输和羽流扩散监测的功能：
11、现有声学通讯技术多专注于水下多设备间的数据传输和通讯的功能，这限制了其在悬浮颗粒物浓度监测方面的优势。本专利提出的技术将整合声学通讯与悬浮颗粒羽流扩散监测功能，实现数据的即时传输和高效处理。
技术实现思路
1、为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测装置的工作方法。本专利技术的发明目的是提供一种能够实时、低成本且高效地监测深海采矿引起的羽流扩散和浓度变化的系统，该系统不仅能提高羽流扩散监测的准确性和实时性，还能通过现有的声学通讯网络实现数据的快速传输和分析，从而优化深海采矿的环境管理和监控策略。
2、本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测系统的方法，基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测系统包括：位于海底的海底羽流锚系监测阵列、位于海底羽流锚系监测阵列的中心位置上设置的数据传输装置、位于海面的海面中央控制装置以及卫星；
3、所述海底羽流锚系监测阵列包括6个锚系监测装置，6个锚系监测装置之间间隔距离约50m，呈六边形分布，锚系监测装置包括浮球，浮球的下方连接有缆绳，缆绳上自上至下依次安装有声学通讯节点、水下监测设备和水下监测阵列支脚，声学通讯节点内包括一个声发射器和一个声接收器；
4、所述数据传输装置包括海床基支架，海床基支架的顶部安装有海床基浮体材料，海床基支架的底部四角安装有海床基支脚，海床基支架的内部安装有数据传输系统，数据传输系统通过第一连接缆通讯连接安装在海床基支架上方的声学通讯节点主机；
5、所述海面中央控制装置包括水面浮标体，水面浮标体的内部装有中央控制单元，水面浮标体的顶部装有海面浮标声学通讯单元，并通过第二连接缆与中央控制单元；
6、具体包括以下步骤：
7、步骤s1、声波发射与接收：声学通讯节点主机和声学通讯节点发射声波；声学通讯节点的声接收器捕捉经过一定距离传播后的声波，记录声波的强度和质量；
8、步骤s2、数据同步和传输：声学通讯节点主机和声学通讯节点之间传输监测数据，并通过声学信号和海面浮标声学通讯单元进行通讯，进一步通过卫星回传数据至陆地，保持羽流扩散数据的同步和实时更新；
9、步骤s3、通过声学通讯节点数据计算颗粒浓度：
10、步骤s3-1、使用获取到的声学信号进行如下声呐方程计算，其中el为回波级，sl为声源级，tl为传输损耗，ts为目标强度：
11、
12、步骤s3-2、进行温度补偿，使用不同海底羽流监测阵列测得的温度进行声波衰减计算，确保不同水温条件下测量的准确性，其中ei为声衰减级，t为温度：
13、
14、步骤s3-3、基于海底羽流阵列之间的距离(r)，以及声波在水中传播的吸收系数(α)，来计算声波传播过程中的损失(tl)。
15、
16、步骤s3-4、确定水中频率依赖的声波衰减系数(α_w)，这考虑了水温和声波频率对声波衰减的影响，其中f为接收到的声学频率，ft为弛频率。
17、
18、步骤s3-5、结合所有步骤s3-1至步骤s3-4的测量和校正，计算悬浮颗粒物的浓度(ssc)；估算出悬浮颗粒物的浓度；
19、 。
20、作为优选方案，水下监测设备包括海水水质监测设备、水动力监测设备和样品采集设备。
21、作为优选方案，海床基支架内部还装有海水水质监测设备、水动力监测设备。
22、作为优选方案，声学通讯节点（2-2）的高度为1m。
23、本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：
24、双功能集成：首次将声学通讯与环境监测功能集成，实现了实时数据传输和羽流扩散监测的高效配合。
25、广域覆盖与高密度数据：通过部署声学节点，实现了对大面积海底羽流的连续和精密监测。
26、低成本与高效率：相比传统的物理和光学监测方法，本系统的部署和维护成本更低，操作更为简便，适应性更强。
27、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测系统的方法，其特征在于,所述基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测系统包括：位于海底的海底羽流锚系监测阵列、位于海底羽流锚系监测阵列的中心位置上设置的数据传输装置（1）、位于海面的海面中央控制装置（3）以及卫星（4）；
2.根据权利要求1所述的一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测装置的方法,其特征在于,所述水下监测设备（2-4）包括海水水质监测设备、水动力监测设备和样品采集设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测装置的方法,其特征在于,所述海床基支架（1-7）内部还装有海水水质监测设备（1-4）、水动力监测设备（1-5）。
4.根据权利要求1所述的一种基于声学通讯的海底采矿羽流扩散监测装置的工作方法,其特征在于,所述声学通讯节点（2-2）的高度为1m。