【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海底矿产资源开采、海底原位长期监测，具体而言，特别涉及一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法。
技术介绍
1、目前对悬浮沉积物羽流的测量方法有原位测量法、光学测量法和遥感测量法等。原位测量法使用采样器采集海水中的颗粒物，然后通过过滤、干燥和称量等步骤来测量颗粒物质量浓度。这种方法可以得到比较准确的浓度值，但是需要在现场进行操作，工作量大，且无法对沉积物羽流的动态扩散进行监测。光学测量法使用激光散射、激光透射、散射仪、光电管等仪器对海水中的颗粒物进行测量，这种方法不需要采集样品，可监测水深范围广，可实现连续监测，操作简便，但目前只能实现单点监测。遥感测量法使用遥感卫星、航空器等对海洋颗粒物进行测量，可以实现大范围、高时空分辨率的监测，但是需要对遥感数据进行处理和校正，且受到气象条件等因素的影响，该方法也只能监测海洋上层羽流，无法监测深水羽流扩散情况。因此，对于深海海底悬浮沉积物羽流的三维扩散监测方法有待进一步研究。
2、随着金属资源日益短缺，深海多金属结核开采是国际社会发展面临的共同挑战，多金属结核富含镍、铜、钴等金属元素，然而在结核开采过程中，采矿车将对海底结核进行挖掘、过滤、排放，这些过程产生的羽流是导致海底环境问题的罪魁祸首之一。羽流是采矿过程中受到扰动发生再悬浮、运移和沉降的细颗粒沉积物、破碎金属结核或絮凝体，它与海底的沉积作用、流体运动等密切相关，羽流扩散的时空尺度量级从秒到年，从厘米到公里不等。沉积物羽流悬浮运移过程中将大量有机质、微生物和金属结核微粒随海流运移到海底各处，海洋生物可
3、然而目前缺乏对海底羽流浓度长期三维扩散监测装置，无法满足对近底层海水中羽流长期变化的监测，因此本专利技术提出基于声学技术的海底羽流浓度长期三维扩散监测装置及方法，从而满足海底羽流的长期原位监测需求。
技术实现思路
1、为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法。
2、本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法，其中，海底羽流三维扩散监测装置, 包括呈立方体的海床基框架，海床基框架的顶部四角分别连接有钢缆，四根钢缆的顶端连接至一个吊环，海床基框架的四角分别安装有有4个支腿，支腿的底端安装有垫脚，海床基框架内部通过第一法兰接口连接旋转云台，旋转云台固定安装在海床基框架内部的中心位置；所述旋转云台包括第一旋转轴、支撑轴和第二旋转轴，支撑轴呈倒"l"字形，旋转轴安装在支撑轴的上部端，支撑轴底端依次安装有旋转轴和第二法兰，第二法兰与第一法兰耦合连接在海海床基框架的中心位置，第二旋转轴通过内部旋转机构和支撑轴连接；
3、第一旋转轴和第二旋转轴具有360°旋转功能，旋转云台内部电机通过齿轮与第一旋转轴和第二旋转轴连接，支撑轴的下部设置有供电连接口连接电池仓，电池仓安装在支腿上，第一旋转轴通过adcp捆绑箍固定连接adcp；
4、具体包括以下步骤：
5、s1、前期准备：
6、根据研究需求选择合适的adcp型号，准备调查船、绞车、数据记录设备以及辅助工具，调整adcp的参数，包括发射频率、测量深度范围、数据采样率， adcp与旋转云台连接；
7、s2、部署：
8、将搭载adcp的旋转云台固定在海床基框架上，启动adcp开始工作并设置旋转云台的旋转角度和停止时间，启动云台工作；
9、使用调查船的绞车，带缆放置安装adcp和旋转云台的海床基框架至调查位置；
10、s3、结束监测与设备回收：
11、观测结束后使用调查船的绞车，回收海底羽流三维扩散监测装置；
12、s4、数据收集与分析：
13、adcp（5）收集数据，通过分析数据，得知监测所在地的海底羽流浓度的三维变化和流场情况；数据处理具体包括以下步骤：
14、声波在水体中传播，撞击水中的羽流颗粒，并将撞击产生的反射能量散射到adcp的换能器，利用水声信号处理，得到声呐方程如下：
15、
16、其中el为回波级，sl为声源级，tl为传输损耗，ts为目标强度，声波在海水中的传播会发生损耗，通过计算得到：
17、
18、其中，tl是传输损失，r是从adcp换能器到测量层的距离；
19、声波的吸收系数与水体的环境条件及使用的adcp频率有关，其计算公式为：
20、
21、其中，f是adcp的频率，t是水柱的平均温度，d是检测到的最大深度，ph是水柱的平均ph值，s是平均盐度。
22、f1和f2的参数公式分别为：
23、
24、悬浮羽流浓度的估计：
25、
26、其中，a是滤纸上沉积物的质量，b是空白滤纸的质量，c是过滤的水体体积。
27、adcp声学反射强度估计羽流浓度，使用以下声纳方程：
28、
29、其中，intercept和slope是从线性回归模型中获得的参数，而idb是adcp测得的声学反射强度值。
30、结合以上公式，可以构建基于adcp声学反射强度的羽流模型，并进一步使用神经网络等方法进行模型优化和建立。
31、作为优选方案，海床基框架由结构杆焊接成立方体框架。
32、作为优选方案，垫脚为平坦的圆形结构。
33、作为优选方案，第一旋转轴和第二旋转轴为轴承式结构。
34、作为优选方案，支撑轴的材质是316l不锈钢。
35、作为优选方案，步骤s4水体的环境条件包括温度、盐度、深度、ph值。
36、本专利技术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：
37、本专利技术提出的一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法，将多普勒流速剖面仪（adcp）和水下旋转云台相结合，辅以声学反射强度反演羽流浓度有效算法，克服了过去海底羽流扩散测量技术的缺陷，如：无法满足对近底层海水中羽流悬浮物长期变化的监测等，缺乏羽流悬浮物高分辨率浓度的时空变化数据，无法精细刻画羽流运移范围和浓度扩散分布的特征等，缺乏相关算法导致无法定量分析羽流三维剖面浓度等，同时该设备具有携带布放简单低功耗等优点，在深海采矿领域颇具前景。该方法将声学反射强度反演羽流悬浮物浓度由浅海推广到深海，在海洋调查领域具有深刻的理论实践意义。
38、本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述部分中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法，其特征在于,所述海底羽流三维扩散监测装置, 包括呈立方体的海床基框架（1-3），海床基框架（1-3）的顶部四角分别连接有钢缆（1-2），四根钢缆（1-2）的顶端连接至一个吊环（1-1），海床基框架（1-3）的四角分别安装有有4个支腿（1-4），支腿（1-4）的底端安装有垫脚（1-5），海床基框架（1-3）内部通过第一法兰（1-6）接口连接旋转云台（2），旋转云台（2）固定安装在海床基框架（1-3）内部的中心位置；所述旋转云台（2）包括第一旋转轴（2-1）、支撑轴（2-2）和第二旋转轴（2-3），支撑轴（2-2）呈倒"L"字形，旋转轴（2-1）安装在支撑轴（2-2）的上部端，支撑轴（2-2）底端依次安装有旋转轴（2-3）和第二法兰（2-4），第二法兰（2-4）与第一法兰（1-6）耦合连接在海海床基框架（1-3）的中心位置，第二旋转轴（2-3）通过内部旋转机构和支撑轴（2-2）连接；
2.根据权利要求1所述的一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法,其特征在于,所述海床基框架（1-3）由结构杆焊接成立方体框架。
3.根据权利要求1所述的一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法,其特征在于,所述垫脚（1-5）为平坦的圆形结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法,其特征在于,所述第一旋转轴（2-1）和第二旋转轴（2-3）为轴承式结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法,其特征在于,所述支撑轴（2-2）的材质是316L不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法,其特征在于,所述步骤S4水体的环境条件包括温度、盐度、深度、pH值。
...【技术特征摘要】
1.一种基于声学技术的海底羽流三维扩散监测装置的方法，其特征在于,所述海底羽流三维扩散监测装置, 包括呈立方体的海床基框架（1-3），海床基框架（1-3）的顶部四角分别连接有钢缆（1-2），四根钢缆（1-2）的顶端连接至一个吊环（1-1），海床基框架（1-3）的四角分别安装有有4个支腿（1-4），支腿（1-4）的底端安装有垫脚（1-5），海床基框架（1-3）内部通过第一法兰（1-6）接口连接旋转云台（2），旋转云台（2）固定安装在海床基框架（1-3）内部的中心位置；所述旋转云台（2）包括第一旋转轴（2-1）、支撑轴（2-2）和第二旋转轴（2-3），支撑轴（2-2）呈倒"l"字形，旋转轴（2-1）安装在支撑轴（2-2）的上部端，支撑轴（2-2）底端依次安装有旋转轴（2-3）和第二法兰（2-4），第二法兰（2-4）与第一法兰（1-6）耦合连接在海海床基框架（1-3）的中心位置，第二旋转轴（...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾永刚，陈翔，权永峥，范智涵，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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