本發(fā)明是一種基于壓力計為核心技術的海底沙波遷移觀測裝置及方法，屬于海底觀測技術領域和海洋工程地質領域。

背景技術：

海底沙波是一種活動性極強的海底地貌類型，在全球潮流陸架、海岸、海峽、海灣以及有定向流速的陸架海區(qū)等地普遍存在且危害嚴重。沙波在浪潮流以及內波等水動力條件作用下會發(fā)生遷移，極有可能造成海底輸運管道與光纜的懸空或掩埋，更嚴重的可能會導致海底輸運管道和光纜的斷裂、海上平臺的傾斜，給經濟和環(huán)境帶來巨大損失，所以對海底沙波遷移的觀測研究意義重大。

目前海底沙波遷移的研究主要有理論模型、數值計算和現場觀測。理論模型有待現場實測數據證實和改進，數值計算精度較低且不同計算方法差異較大，現場觀測大多是定期派出科考船對觀測海域利用多波束和gps進行定位水深重復測量，比較實際。從檢索的公開資料分析發(fā)現：一種基于mbes的海底沙波地貌運動探測方法，專利申請?zhí)朿n201310317429.9，該發(fā)明就是以高分辨率多波束測深技術和定位系統(tǒng)為核心技術來探測海底沙波地貌的運動。這種觀測方法簡單直觀，但是其測量次數多、時間短且不連續(xù)，缺少原位觀測手段，從間斷的數據不能準確的判斷沙波遷移的真實距離。而長期原位觀測可以得到長期、連續(xù)的監(jiān)測數據，相比來說更為接近實際情況，本發(fā)明就是基于壓力計和微型側掃聲納為核心的長期原位觀測裝置，對海底沙波遷移的監(jiān)測和預警方案的研究具有重要意義。

在海底觀測技術領域，我國對海底沙波遷移的原位觀測技術目前還沒有自己獨立知識產權的設備和技術，本發(fā)明裝置簡便易行，將會填補這一空缺，推動國家海洋地質災害防治預警的發(fā)展進程，保障海底基礎工程設施的安全。

技術實現要素：

本發(fā)明針對現有技術的不足，提供一種海底沙波遷移的觀測裝置及方法，以實現對海底沙波遷移的長期原位觀測，監(jiān)測原理在于水深壓力計所測水壓變化反映觀測儀器的高程變化，相鄰的水壓最值所記錄的時間間隔即為沙波遷移一個波長所需的時間；旋轉式沉積物剖面成像儀測量地形得出沙波波長，即沙波遷移速率＝波長/周期。

基于壓力計的海底沙波遷移觀測裝置，其特征在于包括海底沙波觀測系統(tǒng)以及輔助船，所述輔助船上配備有起吊裝置和布放纜，所述海底沙波觀測系統(tǒng)包括固定裝置、周期測量裝置和波長測量裝置；

固定裝置主要由四腳架、帶凹槽的光滑鋼桿、纜繩以及起連接作用的細鋼筋組成；

周期測量裝置固定在鋼桿上；波長測量裝置通過纜繩連接在固定裝置上；

周期測量裝置包括測量圓球、水深壓力計、mru三維姿態(tài)傳感器；所述測量圓球固定在鋼桿上，并沿鋼桿上下運動，測量圓球表面有6個直徑0.01m的圓孔，上半球4個、下半球2個，距中心軸線0.03m成圓狀均勻分布，從而保證內外水壓一致；測量圓球表面還有多個角狀突起，以將海流的水平沖擊力轉化為旋轉的動力，保證其在海流的作用下不致上下移動；mru三維姿態(tài)傳感器與水深壓力計一同固定在測量圓球內部，并通過滾球隨著測量圓球一起沿鋼桿上下運動；

在沙波移動的過程中，測量圓球會上下運動，此時水深壓力計會記錄的水壓的變化，從而得到沙波遷移一個波長所需的時間；固定裝置布放時，海底表面可能有一定傾斜角度，或者在沙波的遷移過程中，裝置有些許傾斜，mru三維姿態(tài)傳感器則會記錄傾斜的角度，在今后數據處理時進行校正，保證監(jiān)測的準確性。

波長測量裝置包括安裝有旋轉式沉積物剖面成像儀的圓形浮球，圓形浮球表面有一個圓孔，通過纜繩連接在固定裝置上；旋轉式沉積物剖面成像儀固定在圓孔上，定期掃描地形以測量區(qū)域沙波的波長。

如上述的海底沙波遷移觀測裝置，其特征在于所述四腳架材質為不銹鋼316，密度為7.98kg/m3，其表面涂漆，長、寬、高分別為1.5m*1.5m*1m，每個腳底部都設有錐頭，適當增加錐頭的重量可使之作為配重使用；

所述鋼桿長4m，首尾兩端通過細鋼筋固定在四腳架上以確保不會傾斜；鋼桿通過細鋼筋豎直的固定在固定裝置上，以使測量圓球內的水深壓力計保持豎直。

如上述的海底沙波遷移觀測裝置，其特征在于測量圓球以聚苯乙烯為材料，直徑0.3m，密度為1.07kg/m3，略大于海水且小于泥沙，在海水中可自由下沉，在泥沙作用下可向上運動。

如權利要求1所述的海底沙波遷移觀測裝置，其特征在于所述水深壓力計型號為8cb2000-ⅰ，水深測量范圍0-2000m，精度為0.01％，分辨率為0.01ppm；mru三維姿態(tài)傳感器型號為tes-100。

如上述的海底沙波遷移觀測裝置，其特征在于所述細鋼筋外形光圓，材料為q235，直徑0.01m，強度hpb235。

如上述的海底沙波遷移觀測裝置，其特征在于圓形浮球以聚乙烯為材料，直徑0.6m，密度0.9kg/m3，懸浮在水體中；旋轉式沉積物剖面成像儀型號為spr-scan，測量半徑1-100m，分辨率為0.02ppm，最大可用于3000m水深。

利用上述的裝置對海底沙波遷移觀測的方法，其特征在于包括以下步驟：

1)設備室內檢測與標定：在測量之前水深壓力計、mru三維姿態(tài)傳感器和旋轉式沉積物剖面成像儀儀器按照國家標準gb/t12763.10一2007進行校準標定，保證所有儀器處于正常工作狀態(tài)，儀器精度符合國標要求；

2)選擇觀測點：根據已有觀測資料對海底沙波進行分析，選擇需要進行調查的觀測點；

3)準備好輔助船，船上配備有起吊裝置及布放纜；

4)設置水深壓力計、mru三維姿態(tài)傳感器以及旋轉式沉積物剖面成像儀的工作頻率和時長，然后分別安裝于測量圓球和圓形浮球內部；周期測量裝置安裝于鋼桿上，鋼桿首尾用細鋼筋固定；波長測量裝置通過纜繩與固定裝置連接；整個觀測系統(tǒng)安裝好之后，將其搭載于輔助船上；

5)利用gps定位系統(tǒng)將輔助船行駛至目標觀測點，拋錨、下樁，使船體保持穩(wěn)定狀態(tài)；

6)利用起吊裝置和布放纜將觀測系統(tǒng)用起吊，下放入海，至海床表面，布放過程中盡量使布放纜處于豎直狀態(tài)；

7)觀測系統(tǒng)布放完成后，水深壓力計、mru三維姿態(tài)傳感器以及旋轉式沉積物剖面成像儀按設定的頻率與時長進行工作，實現沙波遷移過程中觀測點水壓變化以及地形的觀測；

8)原位觀測周期結束之后，將輔助船行駛至下放目標點，進行觀測系統(tǒng)回收；

9)讀取水深壓力計、mru三維姿態(tài)傳感器以及旋轉式沉積物剖面成像儀記錄的數據，對于水深壓力計的數據，需要消除浪潮流的影響，換算成高程變化，然后通過mru三維姿態(tài)傳感器記錄的數據進行高程變化的校正；最后和旋轉式沉積物剖面成像儀導出的波長數據一起，計算出沙波遷移的速率。

與現有的技術相比，本發(fā)明采用一種地形與水壓變化相結合的測量裝置對海底沙波遷移進行觀測，利用本觀測系統(tǒng)可以實現對海底沙波遷移的長期原位觀測，能夠比較精準地記錄海底沙波的遷移過程及速率。所述觀測裝置都可以進行回收再利用，具有很強重復利用性，可極大節(jié)約觀測成本。本發(fā)明是一種簡便有效的海底沙波遷移的觀測方法，在海底地形調查和海底科學研究中具有重要的實際應用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的海底沙波遷移觀測系統(tǒng)總圖。

圖2是本發(fā)明的周期測量裝置示意圖。

圖3是本發(fā)明的波長測量裝置示意圖。

圖4是本發(fā)明的輔助船結構示意圖。

圖5是本發(fā)明的海底沙波遷移觀測的流程框圖。

圖6是本發(fā)明的總體結構示意圖。

其中，ⅰ、固定裝置，ⅱ、周期測量裝置，ⅲ、波長測量裝置；1、四腳架，2、細鋼筋，3、帶凹槽的光滑鋼桿，4、纜繩，5、水深壓力計，6、測量圓球，7、角狀突起，8、圓孔，9、滾球，10、mru三維姿態(tài)傳感器，11、圓形浮球，12、旋轉式沉積物剖面成像儀，13、圓孔，14、輔助船，15、起吊裝置，16、布放纜

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明是基于壓力計為核心技術的海底沙波遷移觀測裝置及方法，包括固定裝置ⅰ、周期測量裝置ⅱ和波長測量裝置ⅲ。

固定裝置ⅰ是四腳架1和光滑鋼桿3的組合結構，兩者通過細鋼筋2相連接。四腳架1表面涂漆，長、寬、高分別為1.5m*1.5m*1m，每個腳底部都設有錐頭，適當增加錐頭的重量可使之作為配重使用，保證其在海底不會傾倒。鋼桿3長4m，首尾兩端通過細鋼筋2固定在四腳架1上，是周期測量裝置ⅱ的載體，并通過纜繩與波長測量裝置ⅲ相接。

如圖2所示，周期測量裝置ⅱ是以測量圓球6為載體的水壓測量系統(tǒng)，由測量圓球6、水深壓力計5和mru三維姿態(tài)傳感器10組成。測量圓球6以聚苯乙烯為材料，直徑0.3m，密度為1.07kg/m³，其表面有6個直徑0.01m的圓孔8，上半球4個、下半球2個，距中心軸線0.03m成圓狀均勻分布，保證內外水壓一致；測量圓球6表面還有幾個角狀突起7，可將海流的水平沖擊力轉化為旋轉的動力，保證其在海流的作用下不致上下移動。mru三維姿態(tài)傳感器10與水深壓力計5一同固定在測量圓球6內部，并通過滾球9隨著測量圓球6一起在帶凹槽的光滑鋼桿3上上下運動。在沙波移動的過程中，測量圓球會上下運動，此時水深壓力計5會記錄的水壓的變化，從而得到沙波遷移一個波長所需的時間。固定裝置ⅰ布放時，海底表面可能有一定傾斜角度，或者在沙波的遷移過程中，裝置有些許傾斜，mru三維姿態(tài)傳感器10則會記錄傾斜的角度，在今后數據處理時進行校正，保證監(jiān)測的準確性。

如圖3所示，波長測量裝置ⅲ是以圓形浮球11為載體，圓球11材質為聚乙烯，旋轉式沉積物剖面成像儀12則固定在圓孔13上。

如圖4所示，輔助船14用于布放和回收海底沙波遷移觀測系統(tǒng)，船上配備有起吊裝置15和布放纜16。

本發(fā)明的海底沙波遷移觀測方法主要包括：

利用輔助船對觀測目標點進行定位布放海底觀測裝置，通過海底觀測系統(tǒng)中的周期測量裝置和波長測量裝置對海底沙波的遷移進行觀測記錄，原位觀測周期結束后進行裝置回收，然后對數據進行處理分析，得到海底沙波的遷移速率。

下面結合圖4、5對本實施例的步驟做如下說明：

1)設備室內檢測與標定，在測量之前水深壓力計(5)、mru三維姿態(tài)傳感器(10)和旋轉式沉積物剖面成像儀(12)等儀器均需按照國家標準gb/t12763.10一2007進行校準標定，保證所有儀器處于正常工作狀態(tài)，儀器精度符合國標要求。

2)選擇觀測點，根據已有觀測資料對海底沙波進行分析，選擇合適的觀測點。

3)準備好輔助船(14)，船上配備有起吊裝置(15)及布放纜(16)。

4)設置水深壓力計(5)、mru三維姿態(tài)傳感器(10)以及旋轉式沉積物剖面成像儀(12)的工作頻率和時長，然后固定入測量圓球(6)和圓形浮球(11)內部。周期測量裝置(ⅱ)通過帶凹槽的光滑鋼桿(3)與固定裝置(ⅰ)連接，然后首尾用細鋼筋(2)固定；波長測量裝置(ⅲ)通過纜繩(4)與固定裝置(ⅰ)連接。整個觀測系統(tǒng)安裝好之后，將其搭載于輔助船(14)上。

5)利用輔助船gps定位系統(tǒng)將輔助船(14)行駛至目標觀測點，并拋錨、下樁，使船體保持穩(wěn)定狀態(tài)。

6)利用起吊裝置(15)將觀測系統(tǒng)用布放纜(16)起吊，下放入海，至海床表面，布放過程中盡量使布放纜(16)處于豎直狀態(tài)。

7)觀測系統(tǒng)布放完成后，水深壓力計(5)、mru三維姿態(tài)傳感器(10)以及旋轉式沉積物剖面成像儀(12)按設定的頻率與時長進行工作，實現沙波遷移過程中觀測點水壓變化以及地形的觀測。

8)原位觀測周期結束之后，將輔助船(14)行駛至下放目標點，進行觀測系統(tǒng)回收。

9)讀取水深壓力計(5)、mru三維姿態(tài)傳感器(10)以及旋轉式沉積物剖面成像儀(12)記錄的數據，對于水深壓力計的數據，需要消除浪潮流的影響，換算成高程變化，然后通過三維姿態(tài)傳感器(10)記錄的數據進行高程變化的校正。最后與由沉積物剖面成像儀所得的波長數據一起，計算出沙波遷移的速率。

對上述采集到的數據進行處理的方法，如下：

周期測量裝置(ⅱ)中，對水深壓力計(5)的觀測值進行檢驗得到水壓值，相鄰兩個最值之間所經歷的時間，即為海底沙波遷移的周期t；波長測量裝置(ⅰ)中旋轉式沉積物剖面成像儀對地形進行記錄，得到波長數據λ。即v＝λ/t。