[发明专利]深海海底边界层动态观测装置和方法

摘要

本发明公开了一种深海海底边界层动态观测装置和方法，所述观测装置包括触底开关和探杆，所属触底开关包括挂钩、引航重锤、触发缆、铠装电缆、触底控制器、触发接收器和驱动单元，所述探杆包括有顶舱和杆体，所述顶舱上形成有耐腐蚀金属导流叶片和吊环；所述杆体上部呈圆柱状、下部呈圆锥状，在交接处设置有高强度格栅挡片，杆体上形成有若干个电极序列。其方法包括：室内校正仪器，利用辅助船定位及布放观测装置，根据前期设计和触底开关控制，使探杆一部分插入海床，周期性测量并校正，可获得海底边界层变化过程。本发明结构简单、操作方便、工作可靠，能够适应深海高压环境，对海床界面上下一定深度范围进行观测记录，并可监测海床高程变化。

主权项

1.一种利用深海海底边界层动态观测装置观测深海海底边界层的方法，其特征在于所述的深海海底边界层动态观测装置包括触底开关(Ⅰ)和探杆(Ⅱ)，所述探杆(Ⅱ)包括由耐腐蚀材料制成的顶舱(6)和连接于顶舱(6)底部的杆体(8)，顶舱(6)外侧设有导流叶片(5)、顶部设有吊环(7)，顶舱(6)内设有内置电源、主处理器、存储器、数据采集电路、传感电路、加速度传感器和姿态传感器；所述主处理器分别与所述数据采集电路和传感电路连接，所述传感电路与加速度传感器和姿态传感器连接；杆体(8)底部呈圆锥状，杆体(8)的圆锥状部分以上为圆柱形部分，且在圆柱形部分与圆锥状部分交接处设置有格栅挡片(14)，杆体(8)上部外侧面安装环形配重块(9)；杆体(8)外侧面上设有若干环形的电极(13)，从而形成电极序列，所述电极(13)通过位于杆体(8)内的导线(12)与顶舱(6)中的数据采集电路连接，任意相邻的四个电极(13)形成一个电极组，中间两个为测量电极，两端为供电电极；所述主处理器控制数据采集电路为所述供电电极供电，并测量两个所述测量电极间的电位差；所述触底开关(I)包括外壳(3)、触发缆(2)和引航重锤(1)，外壳(3)内设有触发接收器(15)、驱动单元(18)和触底控制器(16)，触底控制器(16)通过触发接收器(15)与触发缆(2)相连，触发缆(2)另一端与引航重锤(1)相连，外壳(3)通过铠装电缆(4)与所述顶舱(6)相连，外壳(3)顶部还设有挂钩(17)；所述杆体(8)包括绝缘管(10)和所述绝缘管(10)内部的耐腐蚀金属管(11)，所述绝缘管(10)沿其长度方向间隔形成多个凹槽，每个所述凹槽内安装一个所述电极(13)；所述耐腐蚀金属管(11)底端形成锥尖部，所述耐腐蚀金属管(11)内部有导线(12)穿过，导线(12)穿过金属管内部连接各个电极(13)和顶舱(6)内的数据采集电路；所述的观测深海海底边界层的方法，包括以下步骤：1)室内校正试验：1.1)首先将该观测装置插入大型模拟水槽；1.2)然后模拟真实海床侵蚀和淤积过程，并使用激光测距仪精密测量整个过程中海床高程变化，同时使用设有若干环形的电极(13)的该观测装置进行测量；1.3)对比该观测装置的测量结果和激光测距仪的测量结果，建立该观测装置的观测结果与海床真实变化的关系，得到修正系数f；利用修正系数f，建立实时海洋土电阻率计算公式：其中，f为修正系数，为几何因子，ρ为土体电阻率，ΔU为测量段电位差，I为供电电流强度，a为相邻两个测量电极间距，b为环形电极圈半径；2)对观测装置进行检测和设置，确保所有传感器处于正常工作状态，然后将所有传感器安装入顶舱(6)进行密封，探杆(II)通过顶部的吊环(7)和触底开关(I)的驱动单元相连，同时顶舱(6)内部的主处理器还通过铠装电缆(4)与触底开关(I)内部的触底控制单元连接，铠装电缆(4)既可以通讯又可承重；3)根据目标点位的底质资料及动力触探资料，计算该点位海床的锥尖阻力和侧摩阻力并确定贯入度，据此设计环形配重，确保杆体可以插入海床；并根据海水深度设置触发缆(2)的长度；4)利用辅助船的GPS定位系统将辅助船开到目标点位；5)利用船载起吊装置和布放缆通过触底开关(I)顶部挂钩(17)将观测装置起吊，朝海床表面方向下放入海，布放过程中使布放缆处于竖直状态；6)触底开关(I)的引航重锤(1)随整个观测装置下放，引航重锤(1)首先触及海床表面后，触发接收器(15)发送信号给触底开关(I)内的触底控制器(16)，触底控制器(16)向驱动单元(18)发出控制信号，同时触底控制器(16)通过铠装电缆(4)向顶舱(6)内的主处理器发出信号，驱动单元(18)启动并释放探杆(II)，探杆(II)靠自身重力以海水中自由落体的方式插入海床，利用探杆(II)底部圆锥和自带的格栅挡片(14)，使探杆(II)一部分插入海床，另一部分位于水体中，探杆(II)的主处理器接收到触底信号后，根据事前设定的周期进行测量工作；7)原位观测周期结束之后，辅助船通过回收缆绳起吊观测装置，此时触底开关(I)通过铠装电缆带动探杆(II)，将二者一起回收；8)读取存储器的观测数据，利用步骤1)建立实时海洋土电阻率计算公式，计算整个观测过程海洋土电阻率变化过程，然后通过姿态传感器记录的数据进行高程变化的校正，通过加速度传感器记录的数据进行深度校正，最后得到垂向电阻率的变化过程；9)海底边界层的确定：电阻率最大的部分为海床电阻率，第一个极大值与其上一个极小值的中点为海床面，上部均为海水电阻率，其中电阻率最小的部分为未受影响海水，电阻率中值部分为海底边界层；10)在不同周期重复以上步骤1)‑9)，对比不同测量周期的数据，即得到海底边界层的动态变化过程。