基于測深儀的取樣器距底高度測量方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種在大洋沉積物取樣過程中用到的、針對常規(guī)取樣器的基于測深儀的取樣器距底高度測量方法。其包括步驟：第一步，設(shè)備組裝；第二步，設(shè)備投放；第三步，設(shè)備信號測試；第四步，設(shè)備測深；第五步，設(shè)備調(diào)整，調(diào)整測深儀使之能夠檢測并顯示直達(dá)波和反射波；第六步，計(jì)算距底高度，分別從測深儀上讀取直達(dá)波的深度L1和反射波的深度L2，兩者做差，計(jì)算出聲學(xué)Pinger距底的準(zhǔn)確高度AH，AH=L2-L1;第七步，地質(zhì)絞車?yán)^續(xù)放纜，當(dāng)0<AH<L時(shí)表示取樣器成功觸底。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確的把握取樣的距底高度，保證了常規(guī)取樣器能夠充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，在實(shí)際的大洋沉積物取樣作業(yè)中取得了極好的實(shí)際效果。
【專利說明】基于測深儀的取樣器距底高度測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大洋沉積物取樣【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于測深儀的取樣器距底高 度測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著海洋調(diào)查技術(shù)和裝備水平的不斷提升，一些新的海底地質(zhì)取樣技術(shù)， 如可視取樣、原位測量、取樣鉆機(jī)、保真取樣等，逐漸應(yīng)用到大洋科考中。盡管如此，由于上 述取樣設(shè)備成本高，維護(hù)難度大，重力柱取樣器、多管取樣器、箱式取樣器等常規(guī)海底沉積 物取樣設(shè)備仍然在大洋沉積物取樣中發(fā)揮著重要作用。然而這些常規(guī)取樣方式存在著難以 實(shí)時(shí)獲取取樣器距底高度，以及準(zhǔn)確判定取樣器觸底時(shí)刻等問題，特別是在大洋調(diào)查作業(yè) 中，水深一般都在數(shù)千米。
[0003] 傳統(tǒng)的作業(yè)方式是，調(diào)查人員根據(jù)鋼纜的傾斜角及作業(yè)海深來估算放纜長度，帶 有極強(qiáng)的人為主觀因素。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的大洋調(diào)查人員，仍然難以準(zhǔn)確估算放纜長度，經(jīng) 常不是放纜過長，就是施放不到底，給取樣作業(yè)帶來了極大的困難和不確定性。
[0004] 針對這種情況，出現(xiàn)了兩種基于聲學(xué)Pinger的方法：
[0005] 方法一：傳統(tǒng)聲學(xué)Pinger技術(shù)是米用遙測的方法獲取取樣器的觸底時(shí)刻。聲學(xué) Pinger的上下兩端各裝一小開角發(fā)射換能器。其工作原理是，將聲學(xué)Pinger隨鋼纜施放于 水中后，聲學(xué)Pinger按預(yù)定的時(shí)間間隔（如Is)同時(shí)向上和向下發(fā)射聲脈沖，船上通過水 聽器接收聲脈沖的直達(dá)波和海底反射波。當(dāng)聲學(xué)Pinger僅用于判斷取樣器是否觸底時(shí)，則 無需計(jì)算聲學(xué)Pinger距底高度。顯然，直達(dá)波和海底反射波的到達(dá)時(shí)差隨聲學(xué)Pinger距 海底的高度減小而變小。當(dāng)聲學(xué)Pinger抵達(dá)海底時(shí)，到達(dá)時(shí)差趨于零，從而可實(shí)現(xiàn)取樣器 的觸底判別。
[0006] 本方法的缺陷是：受海底反射系數(shù)、聲速變化和懸掛高度等影響，性能不穩(wěn)定。
[0007] 方法二：測高聲學(xué)Pinger監(jiān)測取樣器的觸底信息時(shí)，測量取樣器的高度變化更為 方便。與傳統(tǒng)聲學(xué)Pinger不同的是-測高聲學(xué)Pinger具有測高功能，稱之為測高聲學(xué) Pinger。它的上端安裝一小開角的發(fā)射換能器，下端安裝一小開角收發(fā)合置換能器，實(shí)現(xiàn)測 高功能。其工作原理是，將測高聲學(xué)Pinger懸掛在取樣器上方的一定高度（如50m)，在釋 放鋼纜時(shí)，測高聲學(xué)Pinger的下端換能器按預(yù)定的時(shí)間間隔（如Is)向取樣器發(fā)射聲脈 沖，同時(shí)觸發(fā)上端換能器向上發(fā)射一聲脈沖。當(dāng)測高聲學(xué)Pinger的下端換能器接收到取樣 器的反射回波后，立即觸發(fā)上端換能器再次發(fā)射聲脈沖。船側(cè)水聽器每秒可接收到兩個(gè)聲 脈沖信號，根據(jù)這兩個(gè)聲脈沖信號的時(shí)差就可得到聲學(xué)Pinger與取樣器的距離。實(shí)際使用 中，無需知道這個(gè)距離的具體數(shù)值。在取樣器未到達(dá)海底前，兩聲脈沖信號的時(shí)差保持不 變，一旦取樣器到達(dá)海底，測高聲學(xué)Pinger與取樣器的距離開始變小，使得兩個(gè)聲脈沖的 時(shí)差也變小。因此，兩個(gè)聲脈沖的時(shí)差開始變小的時(shí)刻就可以認(rèn)定為取樣器的觸底時(shí)刻。
[0008] 本方法的缺陷是：（1)無法獲取取樣器距離海底的高度，不利于充分發(fā)揮重力取 樣的優(yōu)勢；（2)通過兩個(gè)聲脈沖時(shí)差由不變到變小來判斷取樣器是否觸底，是一個(gè)突變過 程，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)測，無疑給操作人員帶來很大負(fù)擔(dān)，并且效果并不理想。
[0009] 因此，在大洋沉積物取樣的過程中，
[0010] 存在的問題有：
[0011] (1)難以實(shí)時(shí)獲取取樣器距底高度，以及準(zhǔn)確判定取樣器觸底時(shí)刻等問題。
[0012] (2)如果作業(yè)水域存在海流，甚至上下水層的海流方向不同，鋼纜在水下的形狀更 復(fù)雜而且無法預(yù)知，估算就更不準(zhǔn)確。
[0013] (3)取樣器觸底如果判斷不準(zhǔn)又將會(huì)帶來如下問題：1)未觸底，取樣失敗；2)放纜 過長，致使鋼纜打結(jié)，極易造成鋼纜損壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于提供一種在大洋沉積物取樣過程中用到的、針對常規(guī)取樣器的 基于測深儀的取樣器距底高度測量方法。
[0015] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的設(shè)備包括大洋科考船、測深儀、地質(zhì)絞車、鋼纜、聲學(xué) Pinger和取樣器，測深儀和地質(zhì)絞車安裝在大洋科考船上，鋼纜與地質(zhì)絞車配合安裝，包括 以下步驟：
[0016] 第一步，設(shè)備組裝，將取樣器連接在鋼纜的出纜端，聲學(xué)Pinger連接在取樣器后 面的鋼纜上，其距離取樣器為Lm ;
[0017] 第二步，設(shè)備投放，開啟聲學(xué)Pinger，將取樣器和聲學(xué)Pinger先后放入水中，保持 聲學(xué)Pinger的換能器和取樣器的取樣部件分別垂直向下；
[0018] 第三步，設(shè)備信號測試，測深儀開啟被動(dòng)Pinger模式，確認(rèn)可以收到聲學(xué)Pinger 的直達(dá)波L1 ;
[0019] 第四步，設(shè)備測深，地質(zhì)絞車勻速放纜，測深儀開啟主動(dòng)測深模式，當(dāng)絞車放纜長 度與海深相差達(dá)到Η時(shí)，測深儀開啟被動(dòng)Pinger模式；
[0020] 第五步，設(shè)備調(diào)整，調(diào)整測深儀的增益通道，使之能夠檢測并顯示直達(dá)波和反射 波；
[0021] 第六步，計(jì)算距底高度，分別從測深儀上讀取直達(dá)波的深度L1和反射波的深度 L2,兩者做差，計(jì)算出聲學(xué)Pinger距底的準(zhǔn)確高度ΛΗ，ΛΗ = L2-L1 ;
[0022] 第七步，地質(zhì)絞車?yán)^續(xù)放纜，當(dāng)0 <Λ Η < L時(shí)表示取樣器成功觸底。
[0023] 所述的第一步中的L的取值范圍為50m?100m。
[0024] 所述的第四步中的Η的取值為750m。
[0025] 所述的第七步中的地質(zhì)絞車?yán)^續(xù)放纜為自由落體放纜。
[0026] 進(jìn)一步地，第一步包括兩小步：（1)取樣器先連接在鋼纜的出纜端，取樣器進(jìn)入水 中，地質(zhì)絞車放纜Lm ; (2)將聲學(xué)Pinger連接在鋼纜的Lm處，開啟聲學(xué)Pinger，再繼續(xù)放 纜。
[0027] 進(jìn)一步地，第七步中的地質(zhì)絞車在放纜過程中，持續(xù)不斷的讀取L1和L2,當(dāng)Λ Η的 值在0 <Λ Η < L范圍時(shí)，表明取樣器已經(jīng)觸底，根據(jù)Λ Η的數(shù)值，選擇繼續(xù)放一段鋼纜或 者收回一段鋼纜，保證取樣器既觸底，同時(shí)鋼纜又不會(huì)纏繞發(fā)生損壞。
[0028] 本發(fā)明采用如上技術(shù)方案，在測深儀的基礎(chǔ)上結(jié)合聲學(xué)Pinger，能夠準(zhǔn)確的把握 取樣的距底高度，保證了常規(guī)取樣器能夠充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，在實(shí)際的大洋沉積物取 樣作業(yè)中取得了極好的實(shí)際效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1本發(fā)明一種實(shí)施例的設(shè)備及原理示意圖；
[0030] 圖2本發(fā)明實(shí)施例2中測深儀選用Bathy2010淺地層剖面儀時(shí)的工作記錄圖。
[0031] 圖中，1-大洋科考船；2-測深儀機(jī)柜；3-測深儀換能器陣；4-地質(zhì)絞車；5-鋼纜； 6-聲學(xué)Pinger ;7_取樣器；L1-直達(dá)波；L2-反射波；Λ H-聲學(xué)Pinger距底高度。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 測深儀：具有12kHz頻率、具備主動(dòng)和被動(dòng)模式的單波束測深儀；
[0035] 聲學(xué)Pinger :選用12kHz頻率的通用聲學(xué)Pinger，此處為IXSEA EP861S ;
[0036] L 取 50m，Η 取 750m，Λ Η 為 50m ;
[0037] 在進(jìn)行距底高度測量前，為保證聲學(xué)Pinger距底高度測量更加準(zhǔn)確，先使用 CTD(溫鹽深儀）測量并確定海底底部的聲速值。
[0038] 如圖1所示，設(shè)備包括大洋科考船1、測深儀、地質(zhì)絞車4、鋼纜5、聲學(xué)Pinger6和 取樣器7,測深儀和地質(zhì)絞車4安裝在大洋科考船1上，鋼纜5與地質(zhì)絞車4配合安裝，包括 以下步驟：
[0039] 第一步，設(shè)備組裝，將測深儀的測深儀機(jī)柜2安裝在大洋科考船1的實(shí)驗(yàn)室中，將 測深儀的測深儀換能器陣3安裝在大洋科考船1的底部，將取樣器7連接在鋼纜5的出纜 端，聲學(xué)Pinger6連接在取樣器7的后面的鋼纜5上，其距離取樣器7為50m ;
[0040] 第二步，設(shè)備投放，開啟聲學(xué)Pinger6,將取樣器7和聲學(xué)Pinger6先后放入水中， 保持聲學(xué)Pinger6的換能器和取樣器7的取樣部件分別垂直向下；
[0041] 第三步，設(shè)備信號測試，測深儀開啟被動(dòng)Pinger模式，確認(rèn)可以收到聲學(xué)pinger6 的直達(dá)波L1 ;
[0042] 第四步，設(shè)備測深，地質(zhì)絞車4勻速放纜，測深儀開啟主動(dòng)測深模式，當(dāng)絞車放纜 長度與海深相差750m時(shí)，測深儀開啟被動(dòng)Pinger模式；
[0043] 第五步，設(shè)備調(diào)整，調(diào)整測深儀的增益通道，使之能夠檢測并顯示直達(dá)波和反射 波；
[0044] 第六步，計(jì)算距底高度，分別從測深儀上讀取直達(dá)波的深度L1和反射波的深度 L2,兩者做差，計(jì)算出聲學(xué)pinger6距底的準(zhǔn)確高度Λ Η，Λ H = L2-L1 ;
[0045] 第七步，地質(zhì)絞車4繼續(xù)自由落體放纜，當(dāng)0 <Λ Η彡50m時(shí)表示取樣器7成功觸 底；
[0046] 第八步，根據(jù)測深儀上的測量距離Λ H，微調(diào)鋼纜長度或者不調(diào)整，靜等5?10分 鐘，提升鋼纜，回收取樣器和聲學(xué)Pinger，收集地質(zhì)樣本，整個(gè)取樣試驗(yàn)完畢。
[0047] 這里應(yīng)該指出的是：圖1中的設(shè)備組裝形式僅為示意圖，其實(shí)際尺寸需要根據(jù)實(shí) 際需要進(jìn)行確定，此外，圖1中的直達(dá)波L1和反射波L2與垂線之間的夾角、直達(dá)波L1和反 射波L2之間的夾角均為示意夾角，實(shí)際測量過程中，地質(zhì)絞車4與測深儀換能器陣3之間 的距離很小或是兩者位于同一垂線上，因此，此處的示意夾角不會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生任何不 利影響，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0048] 實(shí)施例2
[0049] 測深儀：選用Bathy2010淺地層剖面儀，選用12kHz頻率，其性能指標(biāo)見表1 ;
[0050] 聲學(xué)Pinger :選用12kHz頻率的通用聲學(xué)Pinger，此處為IXSEA EP861S，其性能 指標(biāo)見表2 ;
[0051] L 取 50m，Η 取 750m，Λ Η 為 50m。
[0052] 具體的包括以下步驟：
[0053] 第一步，在后甲板完成取樣器組裝，因取樣器體積較大，存放時(shí)一般需要拆卸，以 部件的形式存放；
[0054] 第二步，待大洋科考船1抵達(dá)作業(yè)站位后，船舶停機(jī)處于漂泊狀態(tài)；啟動(dòng)折臂吊和 地質(zhì)絞車4,掛上取樣器7,折臂吊擺出船外，操縱絞車施放鋼纜；
[0055] 第三步，待鋼纜5施放50米時(shí)，絞車停止放纜，折臂吊擺回船舷；安裝聲學(xué) Pinger6,保持換能器頭向下，安裝完成后開啟聲學(xué)Pinger6,使之不斷發(fā)射聲脈沖；
[0056] 第四步，折臂吊復(fù)位，絞車?yán)^續(xù)放纜；開啟Bathy2010淺地層剖面儀，設(shè)置為被動(dòng) Pinger模式，確認(rèn)能夠接收到聲學(xué)Pinger6的直達(dá)波，然后切換至主動(dòng)測深模式，準(zhǔn)確測量 海水深度；
[0057] 第五步，地質(zhì)絞車操作員記錄放纜長度和鋼纜傾斜角，并每隔500米報(bào)告一次；待 絞車放纜長度與海深相差750米時(shí)，Bathy2010重新調(diào)整為被動(dòng)Pinger模式，根據(jù)直達(dá)波 信號強(qiáng)度合理調(diào)整"通道增益"，通過調(diào)整"海底增益"使海底反射波能夠合理顯示，并根據(jù) 直達(dá)波和海底反射波對應(yīng)的深度值估計(jì)聲學(xué)Pinger6距底高度；
[0058] 第六步，待聲學(xué)Pinger6距底高度為100?120米時(shí)，地質(zhì)絞車4停止放纜，取樣 器7通過自重調(diào)整姿態(tài)，使取樣器7保持垂直；待取樣器7姿態(tài)調(diào)整完畢后，地質(zhì)絞車4全 速放纜，使取樣器7近似自由落體，以自身重力產(chǎn)生更高的觸底速度，在慣性作用下加速貫 入海底，獲取樣品，這個(gè)過程中，需要不斷報(bào)告聲學(xué)Pinger6距底高度；
[0059] 第七步，待聲學(xué)Pinger6距底高度為50米時(shí)，表示取樣器7已經(jīng)觸底，地質(zhì)絞車4 再放出10米左右余量鋼纜后，停止放纜；5?10分鐘后，地質(zhì)絞車開始回收鋼纜，此時(shí)聲學(xué) Pinger6距底高度不斷增大，待聲學(xué)Pinger6距底高度超過100米時(shí)，關(guān)閉Bathy2010 ;
[0060] 第八步，待聲學(xué)Pinger6出水后，回收聲學(xué)Pinger6 ;待取樣器7出水后，回收取樣 器7,收集地質(zhì)樣品。
[0061] 這里應(yīng)該指出的是：圖1中的設(shè)備組裝形式僅為示意圖，其實(shí)際尺寸需要根據(jù)實(shí) 際需要進(jìn)行確定，此外，圖1中的直達(dá)波L1和反射波L2與垂線之間的夾角、直達(dá)波L1和反 射波L2之間的夾角均為示意夾角，實(shí)際測量過程中，地質(zhì)絞車4與測深儀換能器陣3之間 的距離很小或是兩者位于同一垂線上，因此，此處不會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生任何不利影響，保證 了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0062] 如圖2所示，在取樣器和聲學(xué)Pinger6在深入海底過程中，當(dāng)能夠收到反射波的時(shí) 候，測深儀在"數(shù)據(jù)記錄顯示"窗口讀取當(dāng)前時(shí)刻的直達(dá)波對應(yīng)的深度值和海底反射波對應(yīng) 的深度值，兩者做差即是聲學(xué)Pinger6距底高度。
[0063] 圖中，每收到一個(gè)聲學(xué)Pinger6直達(dá)波后，它都會(huì)在"數(shù)據(jù)記錄顯示"窗口打一個(gè) 黑點(diǎn)。隨著聲學(xué)Pinger6不斷下降，其"數(shù)據(jù)記錄顯示"窗口中的黑點(diǎn)連成一條不斷下降黑 線；當(dāng)聲學(xué)Pinger6不斷上升時(shí)，相應(yīng)的黑線也不斷上升；當(dāng)聲學(xué)Pinger6深度不變時(shí)，相 應(yīng)的黑線保持水平。黑線的斜率在一定程度上反映了聲學(xué)Pinger6變化速度。
[0064] A階段：聲學(xué)Pinger6距離海底高度大于120米，絞車持續(xù)勻速放纜，聲學(xué)Pinger6 不斷下降，L1和L2不斷接近。
[0065] B階段：聲學(xué)Pinger6距離海底高度為120米，絞車停止放纜，聲學(xué)Pinger6深度 保持，取樣器依靠自身重力調(diào)整姿態(tài)，使之處于垂直狀態(tài)，L1和L2距離不變；
[0066] C階段：取樣器姿態(tài)調(diào)整完畢后，絞車全速放纜，直至取樣器觸底，聲學(xué)Pinger6距 離海底高度由120米減小為40米，L1和L2急速接近；
[0067] D階段：聲學(xué)Pinger6距離海底高度為40米，絞車停止放纜，停留約5?10分鐘， 待取樣器狀態(tài)穩(wěn)定，L1和L2不變；
[0068] E階段：絞車開始回收鋼纜，聲學(xué)Pinger6距離海底高度由40米開始增加，超多50 米時(shí)，取樣器離開海底。
[0069] 表lBathy2010主要技術(shù)指標(biāo)
[0070]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于測深儀的取樣器距底高度測量方法，設(shè)備包括大洋科考船（1)、測深儀、地 質(zhì)絞車（4)、鋼纜（5)、聲學(xué)Pinger (6)和取樣器（7)，測深儀和地質(zhì)絞車（4)安裝在大洋科 考船⑴上，鋼纜（5)與地質(zhì)絞車⑷配合安裝，其特征在于，包括以下步驟： 第一步，設(shè)備組裝，將取樣器（7)連接在鋼纜（5)的出纜端，聲學(xué)Pinger (6)連接在取 樣器（7)的后面的鋼纜（5)上，其距離取樣器（7)為Lm ; 第二步，設(shè)備投放，開啟聲學(xué)Pinger (6)，將取樣器（7)和聲學(xué)Pinger (6)先后放入水 中，保持聲學(xué)Pinger (6)的換能器和取樣器（7)的取樣部件分別垂直向下； 第三步，設(shè)備信號測試，測深儀開啟被動(dòng)Pinger模式，確認(rèn)可以收到聲學(xué)pinger (6)的 直達(dá)波L1 ; 第四步，設(shè)備測深，地質(zhì)絞車（4)勻速放纜，測深儀開啟主動(dòng)測深模式，當(dāng)絞車放纜長 度與海深相差達(dá)到Η時(shí)，測深儀開啟被動(dòng)Pinger模式，其中Η為開啟被動(dòng)pinger模式的距 離； 第五步，設(shè)備調(diào)整，調(diào)整測深儀的增益通道，使之能夠檢測并顯示直達(dá)波和反射波； 第六步，計(jì)算距底高度，分別從測深儀上讀取直達(dá)波的深度L1和反射波的深度L2,兩 者做差，計(jì)算出聲學(xué)pinger (6)距底的準(zhǔn)確高度Λ Η，Λ H = L2-L1 ; 第七步，地質(zhì)絞車（4)繼續(xù)放纜，當(dāng)Ο <Λ Η < L時(shí)表示取樣器（7)成功觸底。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于測深儀的取樣器距底高度測量方法，其特征在于：所述 的L的取值范圍為50m?100m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于測深儀的取樣器距底高度測量方法，其特征在于：所述 的第四步中的Η的取值為750m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于測深儀的取樣器距底高度測量方法，其特征在于：所述 的第七步中的地質(zhì)絞車（4)繼續(xù)放纜方式為自由落體放纜。
【文檔編號】G01B17/00GK104215202SQ201410419800
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】張同偉, 丁忠軍, 唐嘉陵, 楊波, 劉燁瑤, 高偉, 于凱本, 高翔 申請人:國家深?；毓芾碇行?br>