2024, Vol. 48
文章信息
- 王浩森, 张建兴, 刘玉斌, 郭常升, 栾振东. 2024.
- WANG Haosen, ZHANG Jianxing, LIU Yubin, GUO Changsheng, LUAN Zhendong. 2024.
- 缆控式海底沉积物声温同步探测取样系统研发与应用
- Development and application of a cable-controlled marine sediment acoustic, temperature - based, and sampling system
- 海洋科学, 48(8): 85-95
- Marine Sciences, 48(8): 85-95.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20220921001
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文章历史
- 收稿日期：2022-09-21
- 修回日期：2022-11-18
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Center For Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
随着海洋沉积学、海洋地质学等学科的发展以及海洋资源的开发利用, 对海洋利用的不断加深, 海底沉积物声学特性的测量与研究越来越受到广泛关注。海底沉积物是水下声场的重要底边界, 是海洋声场的重要组成部分 [1-2]。海底沉积物可以看作由固体颗粒骨架、孔隙流体组成的双相弹性介质, 当不饱和即存在气体时为三相弹性介质, 组成结构复杂, 这也导致了海底沉积物的声学特性复杂多样[3]。当海底环境条件(温度、压力、盐度)和物理性质(密度、孔隙度、含水率)发生变化时, 声波在海底沉积物中的传播受到影响, 声速和声衰减等声学特性也会发生较大变化[4-7]。深入研究海底沉积物的声学特性对水下声波的传播、水下声场数值预报[8]、工程地质勘探等具有重大意义。
目前获取海底沉积物声学性质参数的方式有4种, 分别为理论模型法[9-10]、经验方程法[11-14]、取样测量[15-16]和原位测量法[17-18], 其中理论模型与经验方程法属于间接测量技术, 取样测量和原位测量法属于直接测量技术。给定理论模型和经验方程边界条件(孔隙度、密度、声速等), 基于数学关系式能反演出所需要的海底沉积物模型参数[19-20], 但是不同海域底质的沉积环境、声学特性、物理性质各不相同, 仅仅通过理论模型和经验方程等间接测量技术存在局限性和适用范围; 取样测量是研究海底沉积物声学特性的常用手段, 将样品带到甲板或实验室测取沉积物声学参数, 但是这种方法无法还原海底沉积物所处的原位环境(温度、压力、盐度), 并且样品在搬运过程中不可避免地会对沉积物结构造成扰动, 进而导致取样测量值与真实值之间存在误差[21]。对海底沉积物的原位声速、声衰减等声学参数的不断求真, 催生了海底原位声学测量技术的发展。20世纪90年代以来, 国外研制出多套海底沉积物原位声学测量设备, 比较具有代表性的是声学长矛(acoustic lance)[22]、原位沉积物声学测量系统(in-suit sediment acoustic measurement system, ISSAMS)[23]。国内自2009年以来, 已自主研发了液压式海底沉积声学原位测量系统(hydraulic driving in-suit sediment acoustic measurement system, HISAMS)[24]、海底底质声学参数原位测量系统(in-suit marine sediment acoustic measurement system, ISMSAMS)[25]和压载式海底沉积声学原位测量系统(ballast in-suit sediment acoustic measurement system, BISAMS)[26], 并在我国渤海、东海和南海海域开展了多次原位声学测量等相关研究。国内外的声学测量系统无法实现多点位温度探测及同步取样, 且作业深度大多局限于浅海区(表 1)。为了解决这些实际问题, 满足科学研究与调查工作的需要, 研制了一套缆控式海底沉积物声温同步探测取样系统, 并且于南海台西南盆地成功进行海试应用, 获取了沉积物原位声学、温度数据与低扰动的柱状沉积物样品, 对开展深海浅层沉积物声学特性及其相关物性研究具有重要意义。本文对该系统的工作原理、核心组成、工作流程和海试应用等方面展开了介绍与分析。
| 声学测量系统 | 声学长矛 | ISSAMS | HISMAS | ISMSAMS | BISAMS |
| 接收通道 | 10 | 纵波: 3横波: 2 | 3 | 2 | 3 |
| 发射通道 | 1 | 纵波: 1横波: 1 | 1 | 1 | 1 |
| 发射主频 | 8 kHz; 16 kHz | 纵波: 15~200 kHz横波: 0.1~2.0 kHz | 30 kHz | 10~40 kHz | 20~35 kHz |
| 最大工作水深 | 6 000 m | 200 m | 500 m | 500 m | 6 000 m |
| 探测深度 | 3~5 m | 0.3 m | 1 m | 0.3 m | 0.8 m |
| 测量参数 | 纵波声速; 声衰减系数 | 纵、横波声速; 纵、横波声衰减系数 | 纵波声速; 声衰减系数 | 纵波声速; 声衰减系数 | 纵波声速; 声衰减系数 |
海底沉积物声温同步探测取样系统装载高度计、安装托盘、声学发射换能器、声学接收换能器、承重头、温度探针、取样刀头等机构(图 1), 并且可根据需要配备激光拉曼光谱定量测量装置, 开展深海原位化学参数测定。声学参数原位测量系统由发射换能器、接收换能器以及声学接收器换能柱组成, 声学接收换能器安装柱上沿长度方向均匀安装有多个接收换能器。温度传感器安装柱固接于浅表层沉积物取样系统上, 温度探针沿长度方向上均匀布置多个温度传感器。
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| 图 1 装置结构图 Fig. 1 Frame of the technical structure |
系统的主体结构和托架采用了不锈钢材质, 耐水、空气等弱腐蚀介质, 硬度较高。处理舱采用TC4钛合金材质, 具有优良的耐腐蚀性, 并且密度低、强度大、韧性好, 便于后期维护。系统的工作方式可以由水上人员实时控制, 也可以完成水下自容, 能够实现自供电, 独立完成采集并且存储数据。详细的系统参数如表 2。
| 技术参数 | 设计指标 |
| 测量参数 | 沉积物声速、声衰减系数; 原位温度梯度、热流、原位沉积物样品 |
| 工作水深 | 3 000~6 000 m, 可定制 |
| 贯入深度 | 1.5~3 m, 同取样长度 |
| 测量频带 | 1~200 kHz |
| 发射通道 | 不少于1道 |
| 接收通道 | 8~12通道, 可定制 |
| 采样率 | 1~10 MHz, 可调节 |
| 发射声源 | 不小于190 dB, 可调节 |
| 温度点数 | 8~12点, 可定制 |
| 声速测量精度 | 2% |
| 声衰减系数测量精度 | ±5% |
| 原位温度梯度精度 | ±0.001 ℃ |
| 原位温度梯度范围 | 0~35 ℃ |
海底沉积物声温同步探测取样系统采用有缆方式作业, 首先在甲板上对系统进行检测, 测试供电与通讯是否正常。然后利用绞车将系统吊起, 待其稳定后匀速向海底下放[图 2(a)]。系统配备的高度计与水下高清摄像头[图 2(b)]为我们提供了精准的距海底高度以及可视化的水下作业过程, 通过高度计得到当前系统的位置, 当达到设定好的高度后(一般为5~7 m, 保证装置有足够动能插入海底)悬停5 min, 尽可能让系统适应海底流场环境且保持稳定, 之后快速释放, 利用重力插入海底表层沉积物, 待系统静置后开始声学与温度参数的测量。水下高清摄像头能够拍摄高质量的一手视频数据, 直观呈现海底真实环境, 避免因底质为基岩或者海底条件恶劣时导致装置触底发生破坏[图 2(c)], 保障了水下作业的安全性, 同时可以在线监测系统姿态等参数。测量和取样工作完成后, 利用绞车将系统拉起, 回收至甲板, 导出与转换数据, 分析与保存样品。
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| 图 2 装置实物图 Fig. 2 Technique material object 注: (a): 系统下水; (b): 高度计、摄像头、多点位温度梯度探测系统实物图; (c): 水下镜头; (d): 声学参数原位测量系统、实时通讯控制系统; (e): 浅表层沉积物取样系统; (f): 固定组件 |
系统坐底后, 在配重铅块以及自身重力的作用下将沉积物取样刀头、声学换能器安装柱、温度探针贯入沉积物中, 之后甲板计算机发出命令激活[图 2(d)]声学发射换能器发出声信号, 信号经过沉积物的传播被声学接收换能器即水听器阵列接收。接收到的信号被传输到声学采集处理模块[图 2(d)], 依次经过放大、滤波、A/D转换等过程, 存储在系统中的同时经通讯缆传输到甲板计算机, 提供声信号的波形记录。声学数据测量完毕后由甲板计算机再次发出指令激活多点位温度梯度探测系统工作[图 2(b)], 首先对温度探针进行加热, 探针内部的热敏电阻按照设定好的周期测量从升温到降温这一时间段内的温度数据。经温度采集处理模块初步处理后[图 2(d)], 通过通讯缆将数据上传到甲板计算机。声、温数据采集工作完成后系统被提起, 沉积物取样刀头下端此时封闭[图 2(e)], 将同一位置的柱状沉积物样品保存在取样管内并带回甲板。上述的声学接收、发射换能器、温度探针、沉积物取样刀头等部件均安装在固定组件[图 2(f)]上, 保证各系统稳定运行, 避免部件发生偏移、掉落等问题。
2 系统组成系统主体由5部分组成, 包括声学参数原位测量系统、多点位温度梯度探测系统、浅表层沉积物取样系统、固定组件以及实时通讯控制系统(图 3)。
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| 图 3 系统结构框架图 Fig. 3 Components of the in situ system |
实时通讯控制系统由温度采集处理模块、声学采集处理模块、高度计和水下高清摄像头组成。处理模块外体由圆柱状舱体结构组成, 使系统的核心部位均匀受力, 保证系统在高压环境下正常工作。内部设有电源模块、通信模块、探测控制模块、存储模块。电源模块负责将甲板传送的高压直流/交流电转换为48 V、24 V、12 V等直流电; 通讯模块为声学参数原位测量系统、温度梯度探测系统提供高速的以太网通讯, 实时接收观测数据; 探测控制模块包括温度采集处理模块、声学采集处理模块, 负责各个子系统的协调配合, 保证子系统正常工作, 对子系统进行实时监控, 向声学参数原位测量系统、多点位温度梯度探测系统分发指令, 汇总接收的所有数据, 最终传输给甲板端呈现数据。
2.2 声学参数原位测量系统声学参数原位测量系统根据接收到的指令能够完成多种类型声波的发射、采集和储存, 不同类型的声波适合不同声学参数的测量。电源和电缆为系统提供了电力保障, 保证有足够的电流使系统完成储存工作, 满足系统长时间工作的任务要求。当装置需要长时间工作时, 系统中的能耗电路可以控制发射和接收电路功耗来切换水下自容和在线工作模式, 以极低的功率消耗完成长时间的数据采集工作。接口控制电路则对外部输入信号统一处理, 避免信号输入紊乱, 提供一个稳定的工作环境。图 4为原理示意图。
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| 图 4 声学参数原位测量系统原理示意图 Fig. 4 Principle of the in-situ measurement system for acoustic parameters |
声学参数原位测量系统首先接收实时通讯控制系统传送的工作参数指令并进行设置, 之后通过电路依次传递信号, 激活发射、接收换能器。声学接收换能器安装柱上等间距安装6个接收换能器, 发射换能器和接收换能器能够实现水中声信号和电信号的相互转换, 转换过程中其工作效率决定了发射换能器的声源级和接收换能器的灵敏度指标。接收换能器与发射换能器的安装与布局能够保证接收时间的准确与声信号的保真, 便于推导出沉积物的声学特性。本系统发射换能器固定在安装托盘上, 避免系统触底时造成的震动导致换能器偏移甚至脱落, 使换能器能够向海底发射纵向声信号。系统实时传输的姿态数据保证声学接收换能器安装柱垂直、稳定地插入沉积物中。
声波发射和接收的计时精度是测量系统的关键, 现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)具有功耗低、计算速度快且不存在软件的延时性等特点[27], 能够确保二者以统一的步调运行。接收换能器捕获到的声波信号经过了海底沉积物的传播与衰减, 信号会极其微弱, 接收电路中的滤波和信号增益模块对传来的信号放大, 根据衰减不同进行对应的增益调节, 最后经过滤波过滤掉噪声。处理后的信号经过数字模拟转换器(analog to digital converter, AD)将数据转换为FPGA能读取的格式, 并输入FGPA内部进行信号的整理分组并对数据进行初步处理, 最后传送至高速数字信号处理器(digital signal processor, DSP)进行声速和声衰减参数的计算。
DSP芯片与FPGA协同处理声、电、磁等数字信号能够满足探测系统高速处理和传输信号的要求[28], 多波束探测系统[29]、弹载组合导航系统[30]等均搭载两者作为信号处理模块的核心部分。DSP芯片能够在有限的时间内完成数据信息的接收、发送以及编码处理, 实现相位幅度联合检测算法[31], 保证了大量数据处理的实时性与精确性。FPGA作为DSP的协处理器供DSP调用, 负责对数据进行初步解译以及数据的调度分配。中央处理器(central processing unit, CPU)电路采用的TI公司DSP芯片TMS320C6748, 负责系统的控制和数据的计算工作。C6748(指代上述TMS320C6748)能够在低能耗的状态下满足数据的运算要求, 同时满足了装置的拓展能力, 提供多种外设连接选择, 例如UPP接口、SPI接口、USB接口等, 实现了与FPGA及其他设备的无缝连接[32]。
2.3 多点位温度梯度探测系统多点位温度梯度探测系统由0~35 ℃的温区测温温度探针和数据采集电路组成。数据采集电路安装在温度采集处理模块中, 包括通道选择、信号调理、A/D转换等模块。甲板计算机能够通过通讯缆对温度探针的参数配置等进行设定, 同时监视系统的姿态数据, 保证系统垂直下落贯入海底, 精准测取温度数据。在深海温度探测中, 常用的温度传感器有热电偶、金属热电阻和热敏电阻。热电偶的构造简单且坚固耐用, 测温范围广, 适合恶劣环境; 热敏电阻和金属热电阻的测量精度比热电偶更高, 更适合深海环境中的温度测量, 可以依据测区的海况选择需要的探针。为了满足探针达到最大工作水深时的耐压要求, 探针部分的套管外径设计为20~25 mm, 长度设计为800 mm(图 5), 且温度采集处理舱采用了圆柱状结构, 使其表面受力更加均匀, 承压能力更强。温度的测量绝对精度可达0.001 ℃, 目前已经成功获取了大量热液梯度温度数据, 并且首次在国内测得马努斯热液区喷口温度279 ℃。探针内部设计为八点热敏定制探针, 从顶部开始每隔90 mm等间隔依次插入探针管内, 最后采用G-HRCI30AWG导线将热敏电阻分别连接, 并采用环氧树脂固定在一起。
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| 图 5 温度探针外形图 Fig. 5 Temperature probe |
浅表层沉积物取样系统水下主体部分由取样刀头(图 6)及立式沉积物取样管构成。取样刀头由刀体、取样部、刀头等部件组成, 顶端内部设有定位缺口、螺纹孔与立式沉积物取样管一端相连。锁紧机构关闭时, 刀头无法通过重力作用向下滑动, 此时刀体内部的封闭片在弹性元件(包含在锁紧机构内)的作用下紧贴内壁。当取样刀头接触到底质时, 锁紧机构打开, 在重力与弹力的作用下刀头插入底质中开始取样。取样完成后提起刀头, 此时锁紧机构呈打开状态, 刀头向下滑落带动封闭片转动起到组合封闭作用。
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| 图 6 浅表层沉积物取样系统核心部件示意图 Fig. 6 Core components of the shallow sediment sampling system |
固定组件包括承重头对接头、安装托盘、铅块及承重头, 声学发射换能器、浅表层沉积物取样系统及实时通讯控制系统分别固定在安装托盘上, 承重头对接头的下端与浅表层沉积物取样系统连接、上端与承重头的下端铰接, 承重头的上端与船载的通讯缆相连, 安装托盘上设有用于增加配重的铅块。
3 系统应用 3.1 试验区概况南海位于特提斯、环太平洋构造域的交汇处, 是西太平洋面积最大的边缘海, 是全球构造活动最强烈的地区之一[33]。南海以其独特的地理位置和长时间的时空演化, 广泛发育海底峡谷、海山、盆地等多种地貌单元。试验区位于南海东北部的台西南盆地(图 7), 东临台湾岛, 是发育在南海北部陆缘的新生代伸展型断陷盆地[34], 试验区平均水深1 200 m。台西南盆地上部为全新世地层, 表层沉积物类型多为粗砂、中砂、黏土、粉砂质黏土等[35]。丰富的沉积物、有机质以及天然气水合物[36]使台西南盆地拥有“九龙甲烷礁”“海洋四号沉积体”等活跃的冷泉系统。
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| 图 7 试验区位置及站位布设图 Fig. 7 Location of the test area and station |
2022年5月, 本套系统在南海一个科学航次中进行了海试与应用, 搭载“东方红3”号考察船于我国台西南盆地冷泉区附近选取了5个站位C1、C2、C3、C4、C5(图 7)进行原位探测和取样, 获取了具有姿态和方位信息的沉积物原位声速、声衰减系数以及温度梯度等各项参数。
科考船到达测量站位后, 利用绞车将系统下放到海水中距底5 m处, 待系统稳定后垂直下放, 贯入深度达1.6 m, 工作水深约为1 200 m。系统插入海底表层沉积物中且与沉积物耦合, 声学原位测量系统开始工作。发射换能器向沉积物中发出声信号经过一段时间(t)后被接收换能器(R1, R2, …, R6)接收。利用传播距离与时间差求出声速, 计算公式为:
| $ C=\Delta L_n / \Delta t_n, $ | (1) |
式中, C为沉积物声速, 单位m·s–1; Δtn表示沉积物中信号到达相邻接收换能器的时间差, 单位s; ΔLn表示相邻换能器间距, 单位为m; 本文采用不同的相邻换能器获得多组声速数据, 最后取平均值。声衰减系数的计算公式为
| $ \alpha=10 \lg \left(E_n / E_{n+1}\right) / \Delta L_n, $ | (2) |
式中α为沉积物声衰减系数, 单位为dB·m–1; En表示接收换能器收到的信号能量, 为信号幅度平方的积分。同时下放声速剖面仪(sound velocity profiler, SVP)同步测量海水声速, 将测得的海水声速作为基准声速, 利用系统获取的声波信号时差与基准声速计算换能器间距, 计算公式为
| $ \Delta L_n=\Delta t_{w n} V_w, $ | (3) |
式中Δtwn为海水中信号到达相邻接收换能器的时间差, 单位s; Vw表示SVP声速剖面仪测量的海水声速。经过计算换能器间距R1R2=0.19 m, R2R3=R3R4=R4R5= R5R6=0.2 m。
温度探针下潜到海底浅表层沉积物之后, 由上位机(直接发出操控命令的计算机)发出指令, 开始热流测量。首先对探针加热30 s, 温度探针中的8个热敏电阻每2 s测取一次数据, 记录热脉冲衰减和探针从被加热到拔出时间段内的温度, 用于计算沉积物的热导率。温度值与热电偶值一一对应, 热敏电阻向数据采集电路传输电压信号, 经过通道选择之后进入信号调理电路增益、放大信号。AD转换电路接收到信号后将其转换为能够识别、储存的形式, 将温度值写入数据存储器内, 最终发送回上位机[图 8(b)]。本次海试共取得5组连续性好、低扰动的深海软泥沉积物柱状样品, 取样长度0.55~1.02 m, 共计3.68 m, 取样率最大为64 %。声速剖面仪测取的海水声速值与系统海试结果表明(表 3), 声速测量精度(|系统实测海水声速–Vw|/Vw)小于2%, 试验区沉积物原位声速在1 464.65~1 485.93 m/s, 声衰减系数平均值为10.78 dB/m。甲板上位机获取的声波波形完好[图 8(a)], 声学参数测量过程稳定。成功获取了多点位温度值, 未升温时同一站位多次温度测量值的标准差表明精度误差小于0.001 ℃(表 4)。
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| 图 8 数据采集界面 Fig. 8 Data collection interface |
| 站位 | 沉积物原位声速/(m∙s–1) | 沉积物原位声衰减系数/(dB∙m–1) | 水深/m | SVP海水声速/(m∙s–1) | 实测海水声速/(m∙s–1) | 相对误差/% | 类型 |
| C1 | 1 458.05 | 10.11 | 1 167.5 | 1 484.03 | 1 464.39 | 1.3% | |
| C2 | 1 475.52 | 10.24 | 1 130.1 | 1 483.42 | 1 498.45 | 1% | |
| C3 | 1 485.93 | 11.15 | 1 141.7 | 1 483.63 | 1 486.92 | 0.2% | 深海软泥 |
| C4 | 1 468.53 | 11.33 | 1 136.6 | 1 483.63 | 1 464.39 | 1.3% | |
| C5 | 1 464.65 | 11.06 | 1 150.4 | 1 483.91 | 1 498.45 | 1% |
| 时间/s | 温度1 | 温度2 | 温度3 | 温度4 | 温度5 | 温度6 | 温度7 | 温度8 |
| 0 | 3.611 0 | 3.570 1 | 3.571 5 | 3.573 7 | 3.544 5 | 3.5167 | 3.520 1 | 3.526 3 |
| 2 | 3.611 4 | 3.570 2 | 3.571 6 | 3.573 7 | 3.543 5 | 3.5159 | 3.519 7 | 3.526 0 |
| 4 | 3.611 5 | 3.570 3 | 3.571 6 | 3.573 8 | 3.543 2 | 3.515 7 | 3.519 7 | 3.525 9 |
| 6 | 3.611 5 | 3.570 3 | 3.5717 | 3.57 40 | 3.543 0 | 3.5157 | 3.519 8 | 3.525 9 |
| 8 | 3.611 6 | 3.570 3 | 3.571 7 | 3.574 0 | 3.542 8 | 3.5156 | 3.519 8 | 3.526 0 |
| 标准差 | 0.000 2 | 0.000 1 | 0.000 1 | 0.000 1 | 0.000 6 | 0.000 4 | 0.000 1 | 0.000 1 |
该系统在本次海试应用中满足了项目以及“东方红3”号深海沉积物的原位探测和取样要求, 并且在水下作业过程中能够全过程实时监控, 观测系统姿态、方位、高度、电压、舱压等, 使系统具有精准的定位能力。面对深海和复杂地质条件, 能够根据不同的极端环境进行方式优化, 实现发射多种频率的沉积物声学原位探测, 克服了以往探测系统只能在浅水区应用的局限性, 提高了深海原位探测的效率, 拓宽了原位沉积物声学探测技术的应用范围。
4 结论与展望本文对一种缆控式沉积物声温同步探测取样系统进行了介绍, 描述分析了系统的组成、工作原理、相比传统探测系统的优势以及海试和应用情况等内容。本系统创新性地将沉积物原位探测及取样技术融为一体, 各个系统高度集成化, 实现了核心模块的科学布局。在我国台西南盆地成功进行了海试应用, 作业深度接近1 200 m, 首次实现了浅层沉积物声学参数、多点位温度的实时测量, 同时精准获取了原位高保真的柱状沉积物样品, 有效避免了沉积物在取样、搬运等过程中造成的扰动以及环境变化导致的测量误差, 最大程度地保持海底真实环境进行浅层沉积物声学特性和相关物性参数的综合探测研究, 满足了深海领域沉积物原位声温探测的要求。
沉积物原位综合探测是海洋资源勘探开发与深海研究的关键技术, 伴随着技术理论与前沿科技的不断升级, 实现ROV等水下机器人搭载多种原位探测系统是探索深海领域的发展趋势。随着今后样品数量以及探测区域的增多, 有望建立不同海区沉积物声学与物理参数的模型, 开展沉积物样品实验室测量和原位测量对比, 分析两种测量方法之间的差异与海底沉积物声衰减特性, 对以往的沉积物声学测量数据进行修订。本套系统的成功海试应用, 有望提高我国海底浅表层沉积物原位声学探测技术的水平。
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