淺海沉積層探針測量系統(tǒng)

孫浩添，黃楷倫，孟艷麗，王連明，吳金榮

(1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190)

0 引言

淺海是現(xiàn)階段人類海洋活動的主要區(qū)域，搭建海上鉆井平臺、水產(chǎn)養(yǎng)殖、鋪設(shè)海底光纜等海洋作業(yè)都需要了解淺海沉積結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)測量海底沉積結(jié)構(gòu)的方法操作復(fù)雜、耗時(shí)長、受海洋環(huán)境影響嚴(yán)重，因此，迫切需要一種能夠快速、準(zhǔn)確獲得海底沉積結(jié)構(gòu)的儀器[1].國外研發(fā)了多普勒式探針[2]、多波速測深探針[3]、槍插入延遲計(jì)[4]等多種基于不同原理的探針.其中多普勒式探針與多波速探針依靠聲學(xué)原理進(jìn)行測量，測量范圍廣，但由于水聲性質(zhì)的影響，精度遜色，價(jià)格昂貴，不利于進(jìn)行大規(guī)模投放與陣列式測量；槍插入式探針依靠力學(xué)原理進(jìn)行測量，精度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且受到最小插入深度的限制，不利于在淺海區(qū)使用.國內(nèi)淺海探測技術(shù)主要依賴于國外產(chǎn)品，不但價(jià)格昂貴，而且在使用過程中受到國外技術(shù)制約.[5-6]

因此需要設(shè)計(jì)一種針對水下20～200 m淺海沉積層測量系統(tǒng)[7].它通過采集探針與沉積層撞擊加速度的變化，計(jì)算被測沉積層彈性模量，從而建立基于彈性模量的淺海沉積層結(jié)構(gòu)定性的分類方法.[8-10]從系統(tǒng)建模與機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號采集與數(shù)據(jù)傳輸綜合考慮，設(shè)計(jì)探針測量系統(tǒng)，并通過與已知彈性模量的軟黏土比對，進(jìn)行性能測試.最后根據(jù)實(shí)測結(jié)果建立基于彈性模量的淺海沉積層定性分類方法.在淺海沉積層測量方面，淺海沉積層探針測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量方法相比，成本低廉，受海洋環(huán)境影響小，是一種快速遠(yuǎn)距離定性測量方法；與其他探針系統(tǒng)相比，抗干擾能力強(qiáng)，不受插入深度的影響，并且建立了利用淺海沉積層探針系統(tǒng)測量，基于彈性模量的淺海沉積層定性分類方法.

1 系統(tǒng)建模與機(jī)械結(jié)構(gòu)

由海面以自由落體方式下投的探針，下落過程中受到重力、浮力、海水的阻力作用，在發(fā)生碰撞前，需探針達(dá)到勻速運(yùn)動狀態(tài).因此可以得到勻速運(yùn)動狀態(tài)下的簡化運(yùn)動方程為

(1)

其中：m為探針質(zhì)量，g為常數(shù)，c為海水的阻力系數(shù)，v為探針碰撞前的速度，s為探針截面積，B為探針?biāo)艿母×?

如果要保證探針碰撞前勻速階段速度為5～7 m/s，取海水對探針的阻力系數(shù)為0.25～0.4，海水的密度近似為1.03×103kg/m3，則可估算探針的質(zhì)量；根據(jù)探針?biāo)貌牧?，可以確定探針的體積.

圖1 探針外觀

最終探針設(shè)計(jì)為體積為9.69×10-4m3，直徑為9×10-2m，高度為0.42 m的近似圓柱體，如圖1所示.

質(zhì)量m約為5.05 kg，探頭為合金鋼，尾翼為輕質(zhì)鋁.可實(shí)現(xiàn)探針碰撞前v的范圍為5.5～6 m/s.

實(shí)際撞擊過程可以近似為完全非彈性碰撞的球板模型，探針相當(dāng)于球體，沉積層相當(dāng)于板，計(jì)算公式為[11]

(2)

其中：μ1，μ2分別為撞擊雙方各自的泊松系數(shù)；E1，E2分別為撞擊雙方的彈性模量；R為探針的等效半徑；m為探針的質(zhì)量；v為探針碰撞前的速度；t為碰撞持續(xù)時(shí)間，t不包含探針回彈時(shí)間.

實(shí)際沉積層情況是多變的，可以將其抽象為飽和但彈性模量不同的黏土進(jìn)行加速度范圍的計(jì)算[12].

極端軟的情況：取飽和很軟黏土作為模型，即縫隙被水填滿的很軟黏土，泊松比為0.5，彈性模量為0.30～0.35 MPa；合金鋼的泊松比為0.25～0.3，彈性模量為205 GPa；探針質(zhì)心到前端的等效半徑R為0.05 m.由此計(jì)算出碰撞時(shí)間的最大值為0.020 8 s.將碰撞理解為瞬時(shí)過程，平均最大加速度為265.7 m/s2.

極端硬的情況：取飽和沙質(zhì)黏土作為模型，即縫隙被水注滿的沙質(zhì)黏土，泊松比為0.5，彈性模量為30～40 MPa；合金鋼的泊松比為0.25～0.3，彈性模量為205 GPa；探針質(zhì)心到前端的等效半徑R為0.05 m.由此可計(jì)算出碰撞持續(xù)時(shí)間的最小值為0.002 8 s.將碰撞理解為瞬時(shí)過程，平均最大加速度為2 493.818 m/s2.

實(shí)際被測的湖底或海底沉積層，其撞擊時(shí)間與加速度應(yīng)該介于上述兩種極端情況之間.

2 信號采集與數(shù)據(jù)傳輸

信號采集與傳輸系統(tǒng)分為水下采集單元與水上甲板單元，水下采集單元負(fù)責(zé)信號采集，內(nèi)部搭載采集電路.甲板單元負(fù)責(zé)信號的接收與處理，由接收器和處理器構(gòu)成(見圖2).

由于是定性分析，在撞擊持續(xù)時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，以能繪制不失真的撞擊曲線為宜，因此可根據(jù)撞擊持續(xù)時(shí)間確定傳感器的采樣頻率.根據(jù)推算的最大平均撞擊加速度確定傳感器量程.在同樣采樣位數(shù)的情況下，量程選取較小將導(dǎo)致測量范圍減少，量程選取過大將導(dǎo)致測量精度降低，因此綜合上述因素，選擇加速度傳感器ADXL375，它的量程為-2 000～2 000 m/s2，最高采樣頻率為3 kHz.

水下采集單元由STC單片機(jī)作為主控制器，甲板單元的接收器由STM32F207單片機(jī)作為主控器[13]，通過RS-485通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，處理器為PC機(jī)，如圖3所示.

圖2 采集與傳輸系統(tǒng)

圖3 采集與傳輸電路

3 性能測試

首先，在已知水下沉積層類型的湖泊采用本系統(tǒng)，采集撞擊加速度數(shù)據(jù)并繪制加速度曲線，形成標(biāo)準(zhǔn)樣本，然后對未知沉積層類型的海底進(jìn)行測試.

圖4是撞擊沉積淤泥的加速度變化曲線，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示加速度，曲線的形狀則與待測沉積層特性有關(guān)，能夠定性反映沉積層特性.[14]

圖4 沉積淤泥的加速度曲線

曲線中有3個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)和2個(gè)重要過程：

撞擊發(fā)生時(shí)間點(diǎn)：探針自由落體下落后撞擊開始的時(shí)間點(diǎn)，在實(shí)際測量中這點(diǎn)很難捕捉的到，因此是一個(gè)近似點(diǎn).

撞擊事件過程：加速度由0開始向數(shù)軸正方向增大到峰值并隨后減小到0的時(shí)間區(qū)域.在這個(gè)區(qū)域中，探針的加速度是由0逐漸增大至峰值隨后逐漸減小至0，曲線的形狀與沉積層的結(jié)構(gòu)有關(guān).

進(jìn)入阻尼振蕩時(shí)間點(diǎn)：探針在撞擊時(shí)間后，由此點(diǎn)進(jìn)入阻尼振蕩過程，這一點(diǎn)即是探針的加速度第2次為0的時(shí)間點(diǎn).

阻尼振蕩過程：阻尼振蕩過程的強(qiáng)度與沉積層的性質(zhì)有關(guān).探針測量數(shù)據(jù)中阻尼振蕩階段的分析，對淺海沉積層強(qiáng)度相關(guān)研究人員以及海洋地理學(xué)和地聲學(xué)人員具重要的意義[15].

穩(wěn)態(tài)時(shí)間點(diǎn)：探針的阻尼振蕩過程結(jié)束，最終進(jìn)入合加速度為0的穩(wěn)態(tài).

濾波后的圖像與原始圖像非常相似，這說明采樣所得的加速度幾乎是平滑連續(xù)的.這是因?yàn)閷?shí)測事件中，在相同采樣頻率的情況下，越是相對平緩的撞擊過程，采樣點(diǎn)越能較好地描述加速度變化.

圖5是撞擊淤泥與細(xì)沙混合物的加速度變化曲線.由于含有細(xì)沙，圖5更加松散.由圖5中可以看出，加速度的峰值較低，形狀與圖4過程類似，阻尼振蕩的過程略有不同.這種相似性是由于同樣的沉積淤泥造成的.不同則是因?yàn)閰^(qū)域混有少量的細(xì)沙.

圖5 撞擊淤泥與細(xì)沙混合物的加速度曲線

圖6是撞擊硬質(zhì)沙土的加速度變化曲線，由于水分蒸發(fā)，沙土已經(jīng)略微板結(jié)成塊.由圖6可以看出，加速度的峰值較大，曲線形成了一個(gè)尖峰.而且曲線無阻尼振蕩事件，加速度以一個(gè)過阻尼過程直接降低至穩(wěn)態(tài).

圖7是在遼寧老鐵山海灣對水下沉積層的測試結(jié)果，老鐵山海灣水下80 m深區(qū)域?yàn)槔翔F山余脈，以大塊光滑巖石為主.因此從圖7可以看出，加速度的峰值超過了100 m/s2.本次采集到的加速度已經(jīng)不能看做是一個(gè)平滑連續(xù)曲線.但在實(shí)際中加速度值是不能突變的，原因在于傳感器的采集頻率偏低，快速變化的信號導(dǎo)致采樣點(diǎn)過少造成的.

圖6 撞擊硬質(zhì)沙土的加速度曲線

圖7 老鐵山海灣的測試結(jié)果

4 沉積層的定性分類方法

綜上所述，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型中的(2)式采用彈性模量對沉積層進(jìn)行定性分類.在一次撞擊事件中，若探針的形狀、材質(zhì)及質(zhì)量已確定，即探針等效半徑R、前端材質(zhì)泊松比μ1、彈性模量E1、探針整體質(zhì)量m已確定，則碰撞持續(xù)時(shí)間t是由撞擊速度v、待測物泊松比μ2、待測物彈性模量E2決定的.

根據(jù)(2)式可推導(dǎo)出

(3)

其中對于傳統(tǒng)材料，在彈性工作范圍內(nèi)，泊松比一般為常數(shù)，但超越彈性范圍以后，泊松比隨應(yīng)力的增大而增大，最大值為0.5.碰撞持續(xù)時(shí)間t和撞擊速度v可根據(jù)撞擊曲線進(jìn)行確定，因此，根據(jù)(3)式計(jì)算出彈性模量E2.

通過將待測物的彈性模量E2與已知標(biāo)準(zhǔn)樣本的彈性模量進(jìn)行比較，定性地對待測物進(jìn)行分類.在當(dāng)前采樣頻率下，且不嚴(yán)重失真的前提下，根據(jù)撞擊事件時(shí)間，計(jì)算出探針可測飽和沉積層的彈性模量范圍.

圖8 計(jì)算撞擊速度的積分區(qū)域

以圖4為例說明計(jì)算方法.圖4中探針處于正常工作狀態(tài)，撞擊過程可等效為一個(gè)有阻尼的彈簧振子振蕩過程，所以對圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖8的積分，積分結(jié)果近似為探針的撞擊速度v=1.59 m/s，計(jì)算碰撞時(shí)間為0.009 3 s，彈性模量為4.13 MPa.經(jīng)過查詢黏土的彈性模量表，可以得知飽和軟的黏土彈性模量為4～5 MPa，可見沉積淤泥的彈性模量與飽和軟黏土相似.

對各種已知沉積層進(jìn)行測試，測定的撞擊速度、第1次達(dá)到峰值時(shí)間及計(jì)算的彈性模量結(jié)果見表1.

取撞擊速度為表1中撞擊速度平均值1.87 m/s，將其作為v代入(3)式可以得到碰撞時(shí)間t與彈性模量E的關(guān)系，如圖9所示.

由數(shù)學(xué)模型可知，所討論碰撞時(shí)間并未包含回彈過程.因此，第1次達(dá)到峰值的時(shí)間即為數(shù)學(xué)模型中的碰撞時(shí)間，將碰撞前的速度和相應(yīng)的第1次達(dá)到峰值時(shí)間代入數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出相應(yīng)的彈性模量，繪制在圖9中，以星號表示各測量點(diǎn).

表1 相同高度測量不同待測物的彈性模量

由圖9中可以看出，通過估算所得彈性模量變化趨勢基本符合理論模型中的固定速度下的彈性模量變化趨勢.其中撞擊時(shí)間小于0.004 7 s(左側(cè)第3點(diǎn))，傳感器已經(jīng)失真，無法再正確地描述加速度變化，因此本文設(shè)計(jì)的探針系統(tǒng)可測飽和沉積層的彈性模量范圍應(yīng)小于20.46 MPa，且大于傳感器噪聲門限.在其可測范圍內(nèi)，可以根據(jù)彈性模量對待測沉積層進(jìn)行定性分析.

對同一實(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行了3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將測得疊加曲線繪制在圖10中.

圖9 測得彈性模量與理論計(jì)算彈性模量

圖10 3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)疊加曲線

3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)所測曲線能夠很好地疊加在一起.這說明了探針對于同一待測對象，具有很好的可重現(xiàn)性.

5 結(jié)果與討論

對于不同的待測沉積層，在探針不失真的情況下，所產(chǎn)生的阻尼振蕩過程與沉積層的性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)撞擊阻尼振蕩的曲線可確定彈性模量，根據(jù)彈性模量在泊松比接近0.5的情況下，對待測物進(jìn)行定性分析.

從探針本身來說，探針采樣頻率為3 kHz，能有效檢測加速度小于200 m/s2的撞擊事件，下限為傳感器的噪音門限.

從待測沉積層來說，在沉積層彈性模量小于20.46 MPa的范圍內(nèi)，探針工作正常，在沉積層的彈性模量大于 20.46 MPa時(shí)，探針開始失真.

數(shù)學(xué)模型中的理論收尾速度與積分所得的速度相差較大，這是因?yàn)閿?shù)學(xué)模型中的板是理想的，不會因?yàn)樽矒舳l(fā)生擠壓、變形、移動.而實(shí)際撞擊過程，在探針撞擊土壤時(shí)，土壤會被擠壓、變形、移動.因此，實(shí)際過程中采集到的加速度傳感器事件的積分并不能完全表示探針達(dá)到收尾速度.受撞擊事件影響的土壤的總質(zhì)量越大，則積分所得速度與探針勻速運(yùn)動時(shí)的收尾速度相差就越遠(yuǎn).

為使探針測量更準(zhǔn)確，可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1) 提高傳感器的采樣頻率.更高的采樣頻率可以更真實(shí)地描繪撞擊事件.

(2) 因地制宜，針對不同的待測結(jié)構(gòu)，采用不同的探針.比如本文中的傳感器量程之所以選擇如此之大，是因?yàn)樵诖蠓秶鷥?nèi)淺海沉積層整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變.因此，可先用量程較大、采樣頻率較低的探針進(jìn)行粗測，然后再使用量程較小、采樣頻率較高的探針做更高精度的測量.