自返式微型地热探针设计及贯入特性分析

Seafloor heat flow is an important parameter of marine geological investigation, the traditional seafloor Heat-flow investigation method is to make the probe insert into the submarine hydrothermal sediment and measure heat-flow data.And at present, the devices of this technology usually are too large in size, complicately oprated, poor efficiency, etc. In order to improve heat-flow measurement technology, this study proposes a small boomerang submarine sediment heat-flow in situ measurement technology. First, by analysising the principle of heat-flow measurement to determine the important parameter, such as heat pulse width, heat source cylinder radius, etc. Secondly, analysis the infuluence of undersea wave and current, design diversion and self-balance structure, and then, make force analysis on the measurement system in designated ocean environment, use these conclusions above to predict the attitude, speed of undersea drop movement and insert depth, research on the law of the mearsurement system underwater movement, determine the general structure paremeters of heat-flow measurement system. In order to reduce the thermal conductivity deviation, study on thermal conductivity in-situ measurement technology. And the same, because of the need of heat-flow data acquisiting, reseach on roomerang and underwater infra-red data transmission technology. The new submarine heat-flow measurement system abandons the method that ensure the insertion depth just by increasing the probe length and weight. The study presents the technology of boomerang-style quick in-situ measurement, which will simplify the recycle and demployment operation, shorten the work time of single measurement point, can be deploymented and recycled by ship and plane.

海底热流是海洋地质、地球物理调查的一项重要参数，传统的海底地热调查手段是利用海洋地热探针插入海底沉积物测量海底的热流数据。此项技术中普遍存在测量仪器体量过大、操作复杂、作业时间长且需动用大型调查船舶等不足。为完善海底热流探测技术，本研究提出一种微型的自返式地热探针技术，首先从分析热流探测的原理入手，确定热源圆柱体半径和热脉冲宽度等基础参数；其次，在考虑海洋环境干扰的基础上设计平衡与导流结构，进行特定海洋环境中分阶段受力分析，预测下降姿态、速度和贯入深度，研究探测系统水下运动的规律，确定热流探测系统的总体结构参数。为降低热流数据偏差，研究热导率原位测量技术；为数据回收的需要，研究返回舱自返回技术和海底数据的红外传输技术。新型的海底地热探测系统摒弃之前通过增加探针长度、重量的方法来保证贯入深度的设计思路，提出一种小型化的自返式地热探针技术，操作简便，便于飞机、小型船舶等投放回收。

本研究在项目执行周期内，课题组围绕海底沉积物自返式微型地热探针相关关键技术及其可行性开展了理论分析、原理样机研制、实验室试验和海上试验。.通过理论分析，对自返式微型探针在典型海洋水下流场中的运动特性进行了细致的分析和研究，充分考虑水下波流力影响，并合理忽略次要因素的影响，计算出水下下放阻力、运动轨迹、速度-深度等关系曲线，并得到了相关理论计算公式。并从理论层面论证了微型地热探针自主贯入海底沉积物测量方式的可行性。.在理论分析的结论的指导下，对项目申请阶段的结构进行了优化。按照地热探针微型化设计要求，完成微型探针的总体结构设计，最大限度减小设备外径和自重。为实现探针自返回的研制目标，设计并实现了基于电化学腐蚀原理的三点抱紧式释放结构。.完成了探针内部电路硬件设计及软件编制工作，设计电路板间通讯协议和工作流程。主要包括触底监控电路、定量加热电路、水下无线通信电路和水面卫星通讯电路等，重点研究了适用于微型探针的多通道测温电路，通过不断改进和大量的数据分析，目前该电路已达到课题研制目标。.水下射频通信衰减较大，而对于近距离水下通信，其较强的抗干扰能力与声通讯和红外通讯相比具备明显优势，而且其功耗低，不怕遮挡，无需严格对准。本研究详细分析了海水的介质特性、射频信号传播动态和特性，并建立信道模型，估算信道衰减。设计并实现了无线通信电路及内部通信协议，结合长周期的试验，不断提升接收成功率。.深入研究了电化学腐蚀的原理，并模拟水下盐度环境进行了电化学腐蚀室内测试，基于电化学腐蚀原理设计电化学释放结构，采用扁平化设计，节省空间，周向均布定位点，防止轴向位移，这一设计在严苛的空间要求下创新地解决了安装的固定性与释放的可靠性之间的矛盾。.本项目完成河上试验1次，海上试验1次，经过试验，微型地热探针可顺利贯入海底沉积物中，且姿态较好，系统各模块工作正常，获取到的测温数据能较好的还原探针整个测温过程。