一种海底热通量中长期观测装置和测量方法

摘要

本发明公开了一种海底热通量中长期观测装置，观测装置包括四支探针和测控装置，每支探针均与测控装置电性连接，测控装置包括上位机处理模块、主控模块、温度采集模块、姿态测量模块、恒压电源模块和数据通信接口；上位机处理模块通过数据通信接口与主控模块信息交换；温度采集模块包括信号调理电路和三通道热敏电阻温度传感器，温度采集模块用于将三通道热敏电阻温度传感器采集的温度信息通过信号调理电路传递至主控模块；姿态测量模块用于将采集的姿态信息传递至主控模块；同时，本发明还公开了一种海底热通量的测量方法。本发明实现对海底热通量变化规律的观测，进一步揭示区域范围内海底非稳态温度场的时空变化特征。

说明书

技术领域

本发明涉及海底观测领域，尤其涉及一种海底热通量中长期观测装置和测量方法。

背景技术

海洋地热参数的原位测量与观测是海洋地球物理勘探方法之一，它可用于查明地球热场、地热异常区及地热能的分布状况，推算地球各圈层的热状况，可为地球科学的基础研究、海洋资源勘探与成藏作用研究等领域发挥了积极作用。海底热流测量数据主要来自两种方式。一种是通过海洋石油钻井的测井资料获得钻孔热流数据，这种数据主要集中在大陆架或者深海海盆的陆缘地区；另一种是利用海底热流探针(分LISTER型和EWING型二类)插入海底表层沉积物中获得海底的热物理参数，从而计算获得热流数据。由于海底地热流测量是建立在均匀介质的热传导理论基础上，当海底热流测量数据在受海底表层地下水循环等流体作用的影响时，数据离散现象不易解释。这在一定程度上制约了海底地热流测量结果的应用研究和相关理论的发展，因而测量技术方法的创新显得十分重要。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种一种海底热通量中长期观测装置和测量方法，本发明的技术方案如下：

一种海底热通量中长期观测装置，所述观测装置包括四支探针和测控装置，所述每支探针均与测控装置电性连接，所述测控装置包括上位机处理模块、主控模块、温度采集模块、姿态测量模块、恒压电源模块和数据通信接口；所述上位机处理模块通过数据通信接口与主控模块进行信息交换；所述恒压电源模块与主控模块电性连接；所述温度采集模块包括信号调理电路和三通道热敏电阻温度传感器，所述三通道热敏电阻温度传感器固定安装于探针内部，所述温度采集模块用于将三通道热敏电阻温度传感器采集的温度信息通过信号调理电路传递至主控模块；所述姿态测量模块用于将采集的姿态信息传递至主控模块。

进一步地，所述测控装置还包括时钟控制模块和数据存储模块，所述时钟控制模块提供定时功能，所述数据存储模块用于存储数据。

进一步地，所述数据通信接口包括USB通信模块和485串口通信模块，所述上位机处理模块通过所述485串口通信模块和USB通信模块与主控模块进行信息交换。

进一步地，所述观测装置还包括基板、仪器舱、浮体、换能器、水密接插件、释放机构和配重块，所述仪器舱固定安装在基板的上端面，所述探针通过水密接插件与测控装置电性连接，所述探针固定安装在基板的下端面，所述浮体与仪器舱固定连接，所述换能器用于接收释放信号并传递至主控模块，所述主控模块与释放机构电性连接。

一种海底热通量的测量方法，包括如下步骤：

采样步骤：通过温度采集模块采集温度信息，通过姿态测量模块采集装置的姿态信息，通过时钟控制模块的计时数据。

存储步骤：将采样步骤中的温度信息、姿态信息和计时数据存储至数据存储模块。

数据分析步骤：通过海底热通量解算技术分析存储模块中所得到的温度信息、姿态信息和计时数据，进一步地得到海底热通量的信息。

进一步地，所述数据分析步骤中，将采样步骤中所得到的计时数据、温度信息和姿态信息通过校正，以得到一组海底热通量中长期观测装置在不同时间点所形成的单位面积内的热流密度值或单位热通量，进而统计分析得到热流密度变化规律或热通量的变化规律，所述一组海底热通量中长期观测装置至少包括三个海底热通量中长期观测装置。

进一步地，将采样步骤中所得到的温度信息和姿态信息通过微分的方式处理，得到温度在各个方向上的散度。

进一步地，将温度在各个方向上的散度或温度在各个方向上的变化规律通过积分的方式处理，得到任何温度区域及该温度区域内部的矢量散度的体积内各点的温度时空中的变化特征和规律变化。

进一步地，所述方法采用公式得到热流密度值变化规律或热通量的变化规律。

进一步地，所述方法采用公式得到温度在各个方向上的散度或温度在各个方向上的变化规律。

进一步地，所述方法采用公式∫_sT_ndS＝∫_VdivTdV得到任何温度区域及该温度区域内部的矢量散度的体积内各点的温度时空中的变化特征和规律变化。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上面所述的方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序，该程序被处理器执行上面所述的方法。

相比于现有技术在针对海底热流探测成果在应用研究过程中存在的问题，本发明的有益效果是：本发明设计简洁、性能稳定，更加方便地实现对海底热通量变化规律的测量，进一步揭示区域范围内海底的非稳态温度场的时空变化特征。

附图说明

图1为本发明观测装置的平面图；

图2为九个如图1所示装置构建的海底观测台网示意图；

图3为四个如图1所示装置构建的一个子台网垂直剖面图；

图4为本发明的控制原理图；

图5为本发明的控制流程图；

图6为本发明的封装装置示意图；

图7为图6的左视图；

图8为图6的俯视图。

图中：1.换能器；2、浮体；3、仪器舱；4、释放机构；5、水密接插件；6、基板；7、配重块；8、探针；9、提环。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种海底热通量中长期观测装置，如图7所示，包括基板、仪器舱和探针，在基板的上端面固定安装仪器舱，仪器舱伸出导线通过水密接插件与探针固定连接，水密接插件为水密接插头，用于对测量系统数据参数的设置和数据传输。在仪器舱上端设置有浮体，探针有四根，分别固定设置在基板的下端面。还包括换能器，换能器设在浮体的上端，并用导线穿过浮体与仪器舱电性连接。在基板下端通过释放机构固定连接有配重块。装置在海底的一定高度被投放后，在自身重力下插入海底的沉淀物中，从而开始观测。需要回收时，调查船通过发送信号至换能器，换能器接收指令并打开释放机构，配重块与装置分离并留在海底，在浮体的浮力作用下，探针拔离海底并上浮至海面，由打捞船回收。在装置的顶部设置有提环，以便于打捞船的回收。

在仪器舱内，设置有测控装置，如图4和图5所示，该测控装置主要是由主控模块控制各个分块工作的系统。主控模块选用内部集成24位高分辨率A/D转换、多通道、低能耗的ADUC845芯片作为主处理器，还包括温度采集模块，温度采集模块采用高精度的NTC型热敏电阻YSI55032为传感器，与恒流源电路一并接入测温桥式电路，测温桥式电路通过信号调理电路在A/D转换器的作用下与主控模块进行温度信息传递。具体而言，温度采集模块采用直流不平衡电桥的测量方式，分时检测四路三通道热敏电阻随温度变化的电阻值，通过前置放大电路，使用多路开关和信号放大滤波技术进行信号调理。在温度采集模块的测量电路中，采用高精度的热敏元件、超高精度的参考电阻和高稳定的恒流源来提高测量电路的稳定性、精确性和低干扰性。系统的测量准确度达到0.003℃，分辨率达到0.001℃。

测量控制电路还包括姿态测量模块，姿态测量模块是由姿态传感器通过信号调理电路与主控模块电性连接，用于测量装置在布放之后的姿态和状态信息。

测量控制电路还包括控制电路，控制电路包括时钟控制模块和数据存储模块；时钟控制模块具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，可以为系统提供万年历和时分秒定时等功能，数据存储模块用于将上述中的阻值温度信息通过24位高分辨率A/D转换器转化为数字量信息存储到FLASH存储单元，以便回收信息进行数据处理。

测量控制电路还包括上位机处理模块，上位机处理模块通过数据通信接口与主控模块电性连接，并进行信息互换，上位机处理模块主要通过PC机对主控模块进行测量前的参数设定以及对主控模块的控制。数据通信接口包括USB通信模块和485串口通信模块，用于上位机处理模块与主控模块进行信息沟通的桥梁。

另外，设置恒压电源模块，恒压电源模块为整个测量系统提供电源。

本发明所提供的一种海底热通量的测量方法，其工作原理为：通过观测装置建立的台网观测得到海底温度、温度梯度和热流密度值及其空间位置，求得海底热通量的相关信息。在借助场的数学研究方法，推算出区域范围内海底地层的温度、梯度和散度等信息，揭示区域范围内海底各点的温度时空中的变化特征和规律变化，根据这些观测资料，可以深化研究区域海底地温场动态变化特征信息，并结合原有的海底地热流探测资料的基础上，研究区域内精细的三维热状态，进一步认识海底矿产资源在演变过程中的成藏作用以及地球动力学研究中的科学问题。

具体方法为，如图6所示，系统上电后，通过上位机处理模块预先设定采用模式、采样率，并设定采样的起始时间和结束时间等工作参数以及开关机的时钟比对，该功能主要是在投放和回收之后，内置时钟与GPS的时间服务系统进行时钟比对。到达开始时间后，主控模块控制温度采集模块、姿态测量模块开始采样，同时将时间信息和姿态、温度数据按照预设的工作方式保存至数据存储模块，当到达结束时间时，系统结束采样。最后进行装置的回收，回收的方式分为两种：(1)辅助的观测装置脱离负荷，由辅助的牵引浮力设备携带返回海面，从而进行打捞；(2)由海底机器人进行回收。

收集所得采集的数据，通过海底热通量解算技术，进行进一步地分析计算，具体而言，本发明的海底热通量观测网络中，正方形台阵工作原理图如图1、图2和图3所示。设置Q为热通量，T为海底温度，q为热流密度值，K为热导率值，假设长轴Z代表垂直方向，在给定时间dt内，温度只沿Z轴变化dt，通过公式其物理意义为，通过台网观测，了解各个单元内单位面积和单位时间内的热流密度值变化规律，即热通量的变化规律；借助于场的数学研究方法，通过温度模块测得的温度信息和姿态测量模块测得的姿态信息，利用微分法通过公式算出温度在各个方向上的变化规律，即散度divT，这种方法是基于坐标系的分析方式；利用测量数据作为边界条件，利用积分法通过公式∫_sT_ndS＝∫_VdivTdV，得到温度场中任何区域内的表里联系关系，即场中任何闭合面S上的场矢量的通量(即面积分)与此面内部矢量的散度的体积关联起来，这种方法不需要借助于坐标系，是基于高斯散度定理的推广，从区域范围内各点的温度时空中的变化特征和规律变化，来解释场中数据离散的原因是受受流体干扰所致，可定量化地指出流体的方向和强度。

本发明针对全海深环境下开展科学观测中的实际情况，提供了一种新的解决方案，适用于一种涉及深海油气、天然气水合物和热液硫化物等矿产资源勘查及其成藏过程研究、深部地质与地球动力学研究领域的特殊海底观测技术；属于海底地学中长期观测台网的创新技术。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。