一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置和方法

文献发布时间：2024-04-18 20:01:30

技术领域

本发明涉及深海浅地层剖面探测技术领域，尤其深海浅表层高分辨率探测技术，具体为一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置和方法。

背景技术

深海多金属结核采矿过程中，集矿机对海底的扰动导致海底沉积物悬浮并随底流流动形成采矿羽流，羽流中的悬浮颗粒物流动过程会在海底再沉积并影响海底环境，再沉积厚度对海洋底栖生物影响程度密切相关，现有实验表明，再沉积厚度小于1cm对于底栖生物影响不大，大于5cm会导致90%窒息死亡。因而，羽流再沉积厚度面域数据是采矿环境监测与科学评价一个非常重要的技术参数，它为底栖生物影响评价及羽流模型建立提供科学依据。采矿羽流再沉积最大厚度10cm左右，为满足环境评价需要，羽流再沉积厚度面域探测分辨率需要优于1cm。目前对采矿羽流再沉积厚度仅有采用定点观测方法获取数据，还没有采矿羽流再沉积厚度的面域探测技术，主要是因为现有浅层剖面仪工作频率带宽为几kHz，波束指向性较差和旁瓣影响，分辨率约为10cm级，难以实现多金属结核采矿羽流再沉积厚度的面域数据有效探测，无法满足深海采矿环境评价要求。因此，提供一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置和方法，高效精准获取深海采矿羽流再沉积厚度的面域数据，为底栖生物影响评价及羽流模型建立提供实测数据，有助于提升我国深海采矿环境监测与评价技术水平。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明公开的一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置，具体技术方案如下：一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置，所述的装置由深海自主水下机器人、深海超高分辨率浅表层剖面仪和甲板显控单元组成；

所述深海自主水下机器人用于搭载深海超高分辨率浅表层剖面仪，为深海超高分辨率浅表层剖面仪进行采矿羽流再沉积厚度面域探测提供电能，建立通信，发送定位数据、设置参数，并和甲板显控单元通信；

所述深海超高分辨率浅表层剖面仪包括高频参量发射接收换能器阵和深海多道水听器阵列，高频参量发射接收换能器阵集发射换能器和接收换能器于一体，用于电声信号和声电信号转换，发射两个高频频率接近的原频声脉冲信号，通过介质传播的非线性产生差频信号，原频信号用于探测离海底高度，差频信号用于探测海底浅表层结构，同时可接收原频和差频信号的回波信息；深海多道水听器阵列用于宽角接收差频信号的回波信息，提升剖面仪对回波信号的接收能力；

所述甲板显控单元接收深海超高分辨率浅表层剖面仪探测样本数据和深海自主水下机器人工作状态信息，并将工作指令下传到深海自主水下机器人，实现对深海超高分辨率浅表层剖面仪远程参数设置和深海自主水下机器人的远程控制。

进一步地，所述的深海自主水下机器人包括探测载荷控制模块、组合导航定位模块和能源模块；组合导航定位模块与深海水下长基线定位系统的定位收发器连接，为深海自主水下机器人精确定位；探测载荷控制模块与深海超高分辨率浅表层剖面仪连接、深海自主水下机器人的组合导航定位模块连接以及深海声通信系统的深海端通信机连接，为深海超高分辨率浅表层剖面仪提供电能、建立通信、发送定位数据和设置参数，接收深海超高分辨率浅表层剖面仪探测的样本数据并发送给深海端通信机，接收甲板单元通过声通信系统下传到深海端通信机的指令。

进一步地，所述的深海超高分辨率浅表层剖面仪还包括显控模块和嵌入式控制处理模块；显控模块用于深海超高分辨率浅表层剖面仪控制、参数设置和结果显示；深海超高分辨率浅表层剖面仪测试时，嵌入式控制处理模块与显控模块连接，接收显控模块的控制命令和设置参数，显控模块接收嵌入式控制处理模块发送的探测数据并显示探测结果。

进一步地，所述深海采矿羽流再沉积厚度面域探测装置还包括深海水下长基线定位系统，用于确定深海自主水下机器人的大地坐标。

进一步地，所述的深海水下长基线定位系统由不少于3个长基线定位信标和1个定位收发器组成，长基线定位信标布设于作业区的海底，定位信标间距不超过5km，定位收发器安装于深海自主水下机器人中，与深海自主水下机器人的组合导航定位模块连接，对深海自主水下机器人位置进行高精度定位，通过深海自主水下机器人的探测载荷控制模块为深海超高分辨率浅表层剖面仪提供定位数据，确保采矿羽流再沉积厚度面域探测数据位置准确。

进一步地，所述深海采矿羽流再沉积厚度面域探测装置还包括深海声通信系统，由深海端声通信机、水面端声通信机和拖曳支架组成，水面端声通信机安装于拖曳支架中，拖曳支架连接在调查船通信铠装缆上通过A型架吊放到海中，深海声通信系统用于将深海超高分辨率浅表层剖面仪探测样本数据和深海自主水下机器人工作状态信息上传至甲板显控单元，以及将甲板显控单元指令下传到深海自主水下机器人，实现深海超高分辨率浅表层剖面仪参数远程设置和深海自主水下机器人应急抛载上浮的远程控制。

进一步地，所述的深海超高分辨率浅表层剖面仪包括参量阵原频接收通道、参量阵差频接收通道、多道水听器阵列接收通道，参量阵原频接收通道和参量阵差频接收通道与高频参量发射接收换能器阵连接，参量阵原频接收通道用于接收原频信号经海底反射后的回波信号，参量阵差频接收通道用于接收差频信号经海底及多金属结核反射或散射后的回波信号，多道水听器阵列接收通道与深海多道水听器阵列连接，用于宽角接收差频信号经海底及多金属结核反射或散射后的回波信号。

进一步地，所述的深海超高分辨率浅表层剖面仪中高频参量发射接收换能器阵原频信号频率范围：700kHz-1000kHz，频带宽度:250kHz-300kHz, 波束角：0.5°×0.5°，最大发射速率Ping ：50Hz；差频信号频率：100kHz、150kHz、200kHz、250kHz和300kHz。

进一步地，所述的多道水听器阵列接收频率范围：100kHz-300kHz，水听器接收角:50°，道间距10cm，接收通道为8通道及以上。

另一方面，本发明还提供了一种采矿羽流再沉积厚度面域探测方法，包括以下步骤：

步骤1：深海自主水下机器人潜次使命规划和长基线信标布阵设计

1.1 根据多金属结核集矿机作业范围结合底流数据，规划深海自主水下机器人面域探测路径；

1.2 设置深海自主水下机器人采用距海底5m等高作业模式, 航速0.5kt-1kt；

1.3 设计海底布阵的长基线定位系统的定位信标不少于3个，信标间距离不超过5km；

步骤2：长基线定位系统和声通信系统海面测试

2.1将长基线定位系统的定位信标和定位收发器吊放入海中，测试并确认所有定位信标与定位收发器之间的通信工作正常；

2.2将声通信系统的深海端声通信机、水面端声通信机吊入海中，测试并确认声通信机工作正常；

2.3用绳子连接好压块、定位信标和浮球，并确认信标工作于定位模式；

步骤3：长基线定位信标布阵与测阵

3.1 长基线定位信标布阵：根据定位信标布放设计位置，母船驶向定位信标布放设计点，距设计点500米船速降至2节，将压块推入海中并带动定位信标及浮球入海下沉；同样方法将其余定位信标按设计位置布放，完成长基线定位信标海底布阵；

3.2 长基线定位信标测阵：将定位发放器吊入海面下，母船分别以单只定位信标坐标点为中心，以水深为半径，围绕单只定位信标圆形转一圈，定位发放器对定位信标进行测距校准，获取水下定位信标大地坐标并记录；然后再以同样的方法进行对其他定位信标进行测阵，获取所有定位信标大地坐标，完成海底定位信标位置测定，并将所有定位信标大地坐标输入长基线定位系统的定位收发器中；

步骤4：甲板安装检查与测试

4.1 将深海超高分辨率浅表层剖面仪、长基线定位系统的定位收发器和声通信系统的深海端通信机安装于深海自主水下机器人中，并检查确认与深海自主水下机器人水密连接牢固；

4.2深海自主水下机器人系统甲板自检：检查并确认深海自主水下机器人本体、深海超高分辨率浅表层剖面仪、长基线定位系统的定位收发器和声通信系统的深海端通信机工作正常；

步骤5：深海自主水下机器人和声通信系统拖曳平台布放

5.1 将深海自主水下机器人布放入海，深海自主水下机器人无动力下潜；

5.2 将声通信系统拖曳平台通过调查船A型架吊放入海处于拖曳状态，调节拖曳平台深度为50m-500m，使深海通信系统处于良好状态，甲板单元能显示深海自主水下机器人下潜位置、深度、姿态信息，监控深海自主水下机器人下潜状态；

步骤6：深海自主水下机器人近底羽流再沉积厚度样本数据探测和剖面仪参数优化

6.1 深海自主水下机器人无动力下潜至离海底60m，根据使命规划，深海自主水下机器人抛载下潜压铁，深海自主水下机器人采用动力下潜至离海底5米时，深海自主水下机器人处于悬停工作模式，深海自主水下机器人探测载荷控制单元给深海超高分辨率浅表层剖面仪供电，深海超高分辨率浅表层剖面仪开始工作，并将采集样本数据发送到深海自主水下机器人探测载荷控制模块，经深海声通信系统上传至甲板单元；

6.2 甲板单元回放采集样本数据进行分析处理，如果采集数据不满足要求，通过声通信系统对深海超高分辨率浅表层剖面仪优化设置参数，包括发射速率ping，发射功率、频率和接收增益，接收参数优化后采集的样本数据，直至获得满意的羽流再沉积厚度面域探测数据质量；

步骤7：深海自主水下机器人羽流再沉积厚度面域探测

深海自主水下机器人以离海底5米的等高作业模式按设计规划路径航行，深海自主水下机器人航行速度：0.5kt-1kt，深海超高分辨率浅表层剖面仪发射速率ping：25Hz-50Hz；深海超高分辨率浅表层剖面仪发射速率与深海自主水下机器人航行速度存在正相关，即航速增加发射速率加快，保证在探测路径上每1cm有1个Ping，保证羽流再沉积厚度面域探测水平分辨率，每个结核上均有探测回波信息；深海自主水下机器人按设计使命完成潜次探测任务；

步骤8：深海自主水下机器人、声通信机和长基线阵回收

8.1深海自主水下机器人完成潜次使命任务，抛载上浮压铁，深海自主水下机器人开始无动力上浮；

8.2 当深海自主水下机器人上浮至海面500m, 回收声通信系统拖曳平台；

8.3 当深海自主水下机器人上浮至海面，回收深海自主水下机器人；

8.4 回收海底长基线阵系统定位信标；

步骤9：羽流再沉积厚度面域探测数据下载及数据解译

9.1 下载高频参量发射接收换能器阵接收数据和深海多道水听器阵列接收数据；

9.2 高频参量发射接收换能器阵接收数据和深海多道水听器阵列接收数据的联合解译。

本发明的有益效果：

1.本发明的深海超高分辨率浅表层剖面仪采用参量声呐，具有发射声波频率高、频带宽、高指向性且无旁瓣波束，穿透地层具有超高的分辨率。

本发明参量阵带宽250kHz-300kHz,以沉积物声速1600m/s,带宽250kHz计算：

地层分辨率=C/2B=1600m/s/(2*250000)/s=0.32cm

式中，C为声速，B为带宽。

2.本发明的深海超高分辨率浅表层剖面仪同时体积小，重量轻，便于在自主水下机器人中集成安装,利用参量接收阵和多通道水听器接收阵组合接收，提升装置的回波接收能力。

3.本发明的装置及方法解决了多金属结核采矿羽流再沉积厚度面域探测的技术难题，创新性地将深海超高分辨率浅表层剖面仪和深海自主机器人本体集成融合，深海自主水下机器人本体为深海超高分辨率浅表层剖面仪探测提供可探测平台，实现分辨率高达0.4cm的深海浅表层剖面探测，满足深海多金属结核采矿环境影响评估要求，为采矿对底栖生物影响和羽流模型建立提供科学的实测数据；

4.采矿羽流再沉积厚度面域探测过程中，甲板单元可通过声通信系统获取深海浅表层探测样本数据及对高分辨率剖面仪参数进行远程设置，保证探测数据质量可靠；

5.自主水下机器人深海作业过程中，甲板单元可获取自主水下机器人的位置及工作状态，实时对自主水下机器的深海作业进行监控，保证自主水下机器人作业的安全。

附图说明

图1为本发明装置组成及深海探测作业的示意图；

图2为深海超高分辨率浅表层剖面仪组成示意图；

图3为多道水听器阵列和参量阵探测数据联合解译流程图。

附图标号说明如下：

1：深海自主水下机器人；1.1：探测载荷控制模块、1.2：能源模块、1.3：组合导航定位模块；

2：深海超高分辨率浅表层剖面仪；2.1：显控模块、2.2：嵌入式控制处理模块、2.3：深海高频参量发射接收换能器阵、2.4：深海多道水听器阵列、2.5：发射模块、2.6：接收模块、2.7：数据存储模块、2.8：电源模块、2.9：电子舱、2.10：数据舱；

3：深海水下长基线定位系统；3.1：定位信标、3.2：定位收发器；

4：深海声通信系统；4.1：深海端声通信机、4.2：水面端声通信机、4.3：拖曳支架；

5：甲板显控单元； 6：调查船；7：海面；8：海底。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明装置实施例：

如图1所示，本发明提供了一种采矿羽流再沉积厚度面域探测装置，包括深海自主水下机器人1、深海超高分辨率浅表层剖面仪2、深海水下长基线定位系统3、深海声通信系统4和甲板显控单元5组成。

深海自主水下机器人1由载体结构与浮力调控模块、航行与避碰控制模块、应急安全响应模块、动力推进控制模块以及探测载荷控制模块1.1、能源模块1.2、组合导航定位模块1.3组成，用于搭载深海超高分辨率浅表层剖面仪2、长基线定位系统的定位收发器3.2和声通信系统的深海端通信机4.1；组合导航定位模块1.3包括惯性导航仪和多普勒测速仪，与长基线定位系统的定位收发器3.2连接，组合确定深海自主水下机器人高精度位置；探测载荷控制单元1.1与深海超高分辨率浅表层剖面仪2连接，为深海超高分辨率浅表层剖面仪供电、通信、发送定位信息和设置参数，以及接收深海超高分辨率浅表层剖面仪2探测的样本数据；探测载荷控制单元1.1与声通信系统的深海端通信机4.1连接，为声通信系统的深海端通信机供电，接收甲板单元通过声通信系统下传的指令，以及向深海端通信机发送深海超高分辨率浅表层剖面仪探测的样本数据。

如图2所示，深海超高分辨率浅表层剖面仪2由显控模块2.1、嵌入式控制处理模块2.2、深海高频参量发射接收换能器阵2.3、深海多道水听器阵列2.4、发射模块2.5、接收模块2.6、数据存储模块2.7、电源模块2.8、电子舱2.9和数据舱2.10组成；显控模块2.1用于深海超高分辨率浅表层剖面仪2控制、参数设置和结果显示；深海超高分辨率浅表层剖面仪2测试时，嵌入式控制处理模块2.2与显控模块连接2.1，接收显控模块2.1的控制命令和设置参数，以及向显控模块2.1发送探测数据，显控模块2.1可图形显示探测结果；当深海超高分辨率浅表层剖面仪2集成于深海自主水下机器人1时，嵌入式控制处理模块2.1与探测载荷控制单元1.1连接；高频参量发射接收换能器阵2.3集发射换能器与接收换能器于一体，用于电声及声电信号转换，在高电压驱动下同时发射两个高频频率F1，F2接近的原频声脉冲信号，其中F1>F2,基于介质的非线性及波与波间的非线性作用，两个声学脉冲信号在传播中产生会产生差频效应，产生原频（F1，F2）、差频（F1-F2）、和频（F1+F2）和谐频等二次频率声波。原频F1用于探测换能器离海底高度；差频F1-F2用于穿透海底浅表层，遇到多金属结核产生反射和散射；通过高频参量阵发射接收换能器2.3和深海多道水听器阵列2.4组合接收，提高回波接收能力和数据联合解译，实现超高分辨率浅表层地层探测；数据存储模块2.7用于保存深海超高分辨率浅表层剖面仪2工作过程中的探测数据，包括设置参数、参量阵和水听器阵列接收到的回波信息；电源模块2.8用于为深海超高分辨率浅表层剖面仪各模块提供电能；深海超高分辨率浅表层剖面仪2发射的F1、F2原频声脉冲信号频率范围：700kHz-1000kHz,差频信号F1-F2频率范围：100kHz-300kHz。深海超高分辨率浅表层剖面仪2接收模块2.6包括参量阵原频接收通道、参量阵差频接收通道、多道水听器阵列接收通道,接收模块2.6的多道水听器阵列接收通道为8通道及以上，多道水听器阵列接收频率范围：100kHz-300kHz，水听器接收角50°，道间距10cm。

深海水下长基线定位系统 3由不少于3个长基线定位信标3.1和1个定位收发器3.2组成，长基线定位信标3.1布设于作业区的海底，定位信标间距不超过5km, 定位收发器3.2安装于深海自主水下机器人1中，与深海自主水下机器人1的组合导航定位模块1.3连接，对深海自主水下机器人位置进行高精度定位，通过探测载荷控制模块1.1为深海超高分辨率浅表层剖面仪2提供定位数据，确保采矿羽流再沉积厚度面域探测数据位置准确；

深海声通信系统4由深海端声通信机4.1、水面端声通信机4.2和拖曳支架4.3组成，深海端声通信机4.1安装于深海自主水下机器人1中，水面端声通信机4.2安装于拖曳支架4.3中通过调查船A型架吊放到海面下，用于将深海超高分辨率浅表层剖面仪2探测样本数据以及深海自主水下机器人1工作状态信息上传甲板显控单元5，以及将甲板显控单元5指令下传到水下机器人，实现深海超高分辨率浅表层剖面仪2探测数据质量和AUV工作状况监控，为深海超高分辨率浅表层剖面仪2远程设置参数和深海自主水下机器人1应急响应，保证深海超高分辨率浅表层剖面仪2探测数据质量和深海自主水下机器人1工作安全。

所述的甲板显控单元5，包括工控机和显控软件，工控机具有网口和串口通信接口，可通过声通信系统4接收深海自主水下机器人1的位置及离底高度信息，以及深海超高分辨率浅表层剖面仪2发送的探测样本数据，通过显控软件图形化直观显示探测数据及数据质量；同时甲板显控单元5还可以通过声通信系统4向深海自主水下机器人1发送指令，如紧急抛载上浮指令可使深海自主水下机器人1中止水下工作抛载上浮压铁而返回海面；甲板显控单元5可根据接收到的探测样本数据，通过声通信系统4对深海超高分辨率浅表层剖面仪2工作参数进行修改，保证深海超高分辨率浅表层剖面仪2探测数据质量。

深海自主水下机器人下潜至海底约5米高度，进行等高作业模式以0.5kt-1kt航速航行，深海超高分辨率浅表层剖面仪发射速率ping：25Hz-50Hz；深海超高分辨率浅表层剖面仪发射速率与深海自主水下机器人航行速度存在正相关，即航速增加发射速率加快，保证在探测路径上每约1cm有1个Ping，保证羽流再沉积厚度面域探测水平分辨率，每个结核上均有探测回波信息，为深海超高分辨率浅表层剖面仪提供可有效探测的作业平台，深海自主水下机器人按设计使命完成潜次探测任务。

另一方面，本发明还提供了一种采矿羽流再沉积厚度面域探测方法，包括以下具体步骤：

步骤1：潜次使命规划和长基线信标布阵设计

1.1 根据多金属结核集矿机作业范围结合底流数据，规划深海自主水下机器人面域探测路径；

1.2 设置深海自主水下机器人采用距海底5m等高作业模式，航速0.5kt-1kt；

1.3 设计海底布阵的长基线定位系统的定位信标不少于3个，信标间距离不超过5km；

步骤2：长基线定位系统和声通信系统海面测试

2.1 将长基线定位系统的定位信标和定位收发器吊放入海中，测试并确认所有定位信标与定位收发器之间的通信工作正常；

2.2 将声通信系统的深海端声通信机、水面端声通信机吊入海中，测试并确认声通信机工作正常；

2.3 用绳索连接好压块、定位信标和浮球，确认信标工作于定位模式。

步骤3：长基线定位信标布阵与测阵

步骤4：甲板安装检查与测试

4.1 将所述装置的深海超高分辨率浅表层剖面仪、长基线定位系统的定位收发器和声通信系统的深海端通信机安装于潜器中，并检查确认与潜器本体水密连接牢固；

4.2 深海自主水下机器人系统甲板自检：检查并确认深海自主水下机器人本体、深海超高分辨率浅表层剖面仪、长基线定位系统的定位收发器和声通信系统的深海端通信机工作正常。

步骤5：深海自主水下机器人和声通信系统拖曳平台布放

5.1 将深海自主水下机器人布放入海，深海自主水下机器人无动力下潜；

步骤6：深海自主水下机器人近底羽流再沉积厚度样本数据探测和剖面仪参数优化

6.2 甲板单元回放采集样本数据进行分析处理，如果采集数据质量不佳，通过声通信系统对深海超高分辨率浅表层剖面仪优化设置参数（发射速率ping，发射功率、频率、接收增益等），接收参数优化后采集的样本数据，直至获得满意的羽流再沉积厚度面域探测数据质量。

步骤7：深海自主水下机器人羽流再沉积厚度面域探测

深海自主水下机器人以离海底5米的等高作业模式按设计规划路径航行，深海自主水下机器人航行速度：0.5kt-1kt，深海超高分辨率浅表层剖面仪发射速率ping：25Hz-50Hz；深海超高分辨率浅表层剖面仪发射速率与深海自主水下机器人航行速度存在正相关，即航速增加发射速率加快，保证在探测路径上每约1cm有1个Ping，保证羽流再沉积厚度面域探测水平分辨率，每个结核上均有探测回波信息；深海自主水下机器人按设计使命完成潜次探测任务。