一种集成于海底原位装备的泥线位置测试仪及识别方法

技术领域

本发明涉及海底原位勘探与监测技术领域，具体而言，特别涉及一种集成于海底原位装备的泥线位置测试仪及识别方法。

背景技术

随着海洋科学研究、资源与能源开发及环境保护的深入，越来越多的工程结构物、原位装备等需要铺设在海底表层沉积物上并长期运营，如深海观测网、管缆系统、采矿车等。这些结构物的设计、施工和长期运行都与海底表面沉积物的物理和力学性质紧密相关。因此，海底表层沉积物物理与力学性质吸引了广泛的关注，推动了海底表层沉积物原位测试技术的不断发展，目前中国海洋大学牵头的国家重点研发计划项目装备“美吉号”已实现全海深探测海底表层沉积物力学参数的目标。然而，不同海域海底表层沉积物、环境水与原位探测装备的复杂相互作用过程，导致这些坐底式海底原位装备与泥线的位置关系难以确定，造成基于原位装备获取的数据解析困难。

例如，在海底表层沉积物强度原位测试中，通常把泥线作为海床表层沉积物的上界面，泥线上方是环境水体，属于牛顿流体。泥线下方是水体和沉积物的混合物 (McKee etal.,2004)，被定义为海底表层沉积物，具有非牛顿流体的力学行为 (Nian et al.,2019；Zhang et al.,2021)。在传统海底原位测试中，由于泥线之下的海底表层沉积物强度非常低，海底原位装备极有可能陷入更深层的沉积物中，导致测试装置与泥线的空间位置难以确定（甚至有可能出现测试探头初始位置已在泥线之下的现象），进而造成原位测试数据不能准确反应海底表层沉积物强度参数及其对应的位置。即使采用实时采集数据的高精度探头（静力触探、全流动贯入），在探头贯入海底表层沉积物过程中，海底表层沉积物的低强度特征导致通过原位测试数据判断探头何时接触泥线依然十分困难。

此外，在实际工程应用中，绝大多数海底原位装备都需安置在海床上。当海底原位装备降落到海床时，根据海洋工程地质调查经验，很多情况下海底原位装备的支撑脚不可避免地嵌入到海底表层沉积物一定深度处，但在目前条件下，陷入深度难以获取，也难以评估。因此，很难确定搭载海底原位装备的观测（或探测）仪器是否在泥线之上，何时开始接触泥线。更重要的，靠近泥线的海底表层沉积物，是海洋观测与工程建设最受关注的部分。

目前的识别方法多基于贯入沉积物的传感器来识别泥线，如专利（申请号：201810114193.1）公布的原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置及方法，专利（申请号：202110814070.0）公布的基于自然电位法识别海床界面的孔压观测装置及工作方法，它们分别使用力学性质测试探杆和电学性质测试探杆通过贯入的方式来区分界面。这些都是采用接触式测试方法，不仅需要多贯入一根或多根探杆，造成成本的大幅上升，而且多插入的探杆会扰动周围沉积物，影响贯入装置的测试。更重要的是，在贯入探杆过程中，很可能造成搭载探杆的装备发生位移，因此需要保证贯入装置与空间位置测试装置同步工作。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种集成于海底原位装备的泥线位置测试仪及识别方法，测试仪器包括声学换能器及压力传感器，方法囊括水压力数据水深数据反演、悬浮泥沙浓度声学反演、泥线位置精准识别、设备沉降量计算，可实现大多数海底原位装备沉降状态下泥线空间位置的准确判断。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种集成于海底原位装备的泥线位置测试仪及识别方法，集成于海底原位装备的泥线位置测试仪，包括带有固定装置的耐压壳体、安装在耐压壳体内部的连接通道、采集储存控制单元、电池、连接管、压力传感器，以及位于耐压壳体下端的声学换能器，固定装置固定安装在耐压壳体的上部，其一端与测试仪连接，另一端与坐底式海底原位装备连接，采集储存控制单元通过数据线与压力传感器相连接，数据线通过连接通道延伸至声学换能器；所述压力传感器通过连接管实时采集位于测试仪顶部的压力的水压力；所述声学换能器位于测试仪的下部，通过采集储存控制单元设定测试仪向安装位置以下水深范围内的剖面发射特定厚度和层位的声学信号；电池位于压力传感器与声学换能器之间，通过电线给压力传感器、声学换能器以及采集储存控制单元进行供电；

集成于海底原位装备的泥线位置测试仪的识别方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据区域海况与地质信息调查，确定仪器布放位置的底质情况；

步骤2：对压力传感器校订，并设置好装置观测时间、采集频率及声学分层厚度h，确定缆绳、布放船只以及布放日期与站位经纬度

步骤3：将测试仪使用固定装置固定在坐底式海底原位装备的架构之上，其下方无遮挡物，记录安装位置距离支撑脚的高度H，H即为测试仪声学信号观测范围；

步骤4：下放至指定地点开展测试，等待所有观测完成后，回收出水；在陆地上拆卸、养护并保存装置，读取采集储存控制单元中的数据，获得实时水深并完成回波信号的校正；

步骤5：进行室内仪器标定实验，使实际原位测试数据对应，给出泥线的空间对应位置与设备沉降距离。

作为优选方案，步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：对于原位获取的水压力数据进行处理，将压力传感器实时观测的水压力数据以十分钟为分段周期进行平均得到平均水压力

（1）

其中，

步骤4.2：结合仪器布放位置经纬度

步骤4.3：使用公式（2）将原始回波信号

（2）

其中，

作为优选方案，固定装置包括螺丝、固定扣和固定杆，固定杆共四个平均分布于耐压壳体上部，固定杆上开有安装孔，螺丝穿过安装孔将测试仪固定在固定扣上，固定扣的一端与测试仪连接，另一端与坐底式海底原位装备连接，实现测试仪的固定。

作为优选方案，步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：在室内进行使用与观测位置相同的底质进行标定试验，将泥线识别装置固定于标定桶上方，使开启仪器并对不同位置的水样进行抽滤实验获得悬浮泥沙浓度

步骤5.2：将收集到的水样抽滤试验数据

（3）

其中，

步骤5.3：将拟合系数带入公式（3）得到悬浮泥沙浓度

步骤5.4：对悬浮泥沙浓度以分层高度h为自变量、分层浓度为因变量，进行浓度梯度计算；梯度的计算可基于Matlab的gradient函数；

步骤5.5：基于环境水体中与泥线下悬浮泥沙浓度的差异，从上至下寻找梯度极大值所在的高度位置即为泥线位置H1；

步骤5.6：根据测试仪的在坐底设备上的安装位置，即可确定沉降深度H2=H–H1。

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：

（1）本发明专利提供了一种集成于海底原位装备的泥线空间位置测试仪。解决了海底原位装备受海床表层沉积物及装备沉降耦合影响下，无法确定海底原位装备与泥线空间位置关系的难题。

（2）本发明专利提供的泥线空间位置测试仪，具有体积小、易安装、耗电量低、识别能力强等优点，通过固定装置可实现在绝大多数海底原位设备上的使用，实现与海底原位设备的同步观测。

（3）本发明基于声学原理，进行了无扰动观测，避免了传统接触式测试方法界面监测方法对海床表层沉积物的扰动，保证了原位测试数据的准确性。

（4）本发明专利基于声学反演原理与静水压力计算方法，将回波信号数据及压力数据转化为沉积物浓度数据和水深数据，结合泥线空间位置测试仪安装在海底原位装备的具体位置，可以准确判断海底原位装备与泥线空间位置关系，同时准确分析海底原位装备的沉降深度。

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。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为设备示意图；

图2为仪器安装位置及观测范围示意图；

图3为泥线位置识别示意图；

其中，图1至图3中附图标记与部件之间的对应关系为：

1固定装置，2采集储存控制单元，3连接通道，4声学换能器，5连接管，6压力传感器，7电池，8耐压壳体。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，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。

下面结合图1至图3对本发明的实施例的集成于海底原位装备的泥线位置测试仪及识别方法进行具体说明。

如图1所示，本发明提出了一种集成于海底原位装备的泥线位置测试仪及识别方法，集成于海底原位装备的泥线位置测试仪，包括带有固定装置1的耐压壳体8，安装在耐压壳体8内部的连接通道3、采集储存控制单元2、电池7、连接管5、压力传感器6，以及位于耐压壳体8下端的声学换能器4，固定装置1包括螺丝、固定扣和固定杆，固定杆共四个平均分布于耐压壳体8上部，固定杆上开有安装孔，螺丝穿过安装孔将测试仪固定在固定扣上，固定扣的一端与测试仪连接，另一端与坐底式海底原位装备连接，实现测试仪的固定。采集储存控制单元2通过数据线与压力传感器6相连接，数据线通过连接通道3延伸至声学换能器4，实现采集储存控制单元2对传感器测试参数的设置调整以及储存；压力传感器6通过连接管5实时采集位于测试仪顶部的压力的水压力；声学换能器4位于测试仪的下部，通过采集储存控制单元2设定测试仪向安装位置以下水深范围内的剖面发射特定厚度和层位的声学信号，每一采样深度间隔可设定，并接收深度剖面内的泥沙或其他悬浮颗粒反射回来的信号；电池7位于压力传感器6与声学换能器4之间，通过电线给压力传感器6、声学换能器4以及采集储存控制单元2进行供电；

集成于海底原位装备的泥线位置测试仪的识别方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据区域海况与地质信息调查，确定仪器布放位置的底质情况；

步骤2：根据依据国家标准（GB/T12763.10—2007）对压力传感器校订，并设置好装置观测时间、采集频率及声学分层厚度

步骤3：将测试仪使用固定装置1固定在坐底式海底原位装备的架构之上，其下方无遮挡物，不能遮挡声学信号的传播，不影响其他搭载观测仪器的正常使用；记录安装位置距离支撑脚的高度

步骤4：下放至指定地点开展测试，等待所有观测完成后，回收出水；在陆地上拆卸、养护并保存装置，读取采集储存控制单元2中的数据，获得实时水深并完成回波信号的校正；具体包括以下步骤：

步骤4.1：对于原位获取的水压力数据进行处理，将压力传感器6实时观测的水压力数据以十分钟为分段周期进行平均得到平均水压力

（1）

其中，

步骤4.2：结合仪器布放位置经纬度

步骤4.3：声学换能器4获得的回波信号因为受到噪声影响及信号传播衰减等因素而失真，无法直接使用，使用公式（2）将原始回波信号

（2）

其中，

步骤5：进行室内仪器标定实验，使实际原位测试数据对应，给出泥线的空间对应位置与设备沉降距离，指导工程设计与科学研究。具体包括以下步骤：

步骤5.1：在室内进行使用与观测位置相同的底质进行标定试验，将泥线识别装置固定于标定桶上方，使开启仪器并对不同位置的水样进行抽滤实验获得悬浮泥沙浓度

步骤5.2：将收集到的水样抽滤试验数据

（3）

其中，

步骤5.3：将拟合系数带入公式（3）得到悬浮泥沙浓度

步骤5.4：对悬浮泥沙浓度以分层高度

步骤5.5：基于环境水体中与泥线下悬浮泥沙浓度的差异，从上至下寻找梯度极大值所在的高度位置即为泥线位置

步骤5.6：根据测试仪的在坐底设备上的安装位置，即可确定沉降深度

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。