本發明屬于海洋測量技術領域，具體地說，是涉及測量海洋土電阻率的方法及裝置。

背景技術：

二十一世紀是海洋的世紀，隨著海底管道電纜的鋪設、海底油氣資源的勘探和開發，海洋土的物理力學和工程地質性質研究，尤其是復雜深海海洋土性質的研究日益受到人們的重視。近年來，電阻率探測技術已經廣泛用于海洋土物理指標測試、資源開發利用等環節。電阻率是表征土的導電能力的基本物性指標，能反映土的基本物理力學性質及結構特征等，因此測量海洋土的電阻率具有重要的理論意義和應用價值。

目前，海洋土電阻率的測量通常采用海底取樣測量方法和電測井測量方法。海底取樣測量方法是將原位海洋土取出，然后，在室內測量取出的土樣的電阻率數據。電測井的方法是首先在海底開挖一口測井，然后將電阻率探頭貫入測井內，利用電阻率探頭測量海洋土的電阻率。

海底取樣測量方法為非實時性測量，而且在取土樣過程中對土樣造成擾動，改變土層結構的穩定性，影響測量數據的準確性。電測井測量方法雖然是實時測量，能夠得到真電阻率數據，進而獲取土層狀態和地質評價參數。但是電測井的方法在開挖測井的過程中仍會對井壁周邊的土層造成較大擾動，這就導致測量結果的不確定性和不準確性。并且，電測井的方法需要開挖測井，過程復雜，造價和成本過高，一次測量過程投資較大。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種測量海洋土電阻率的方法及裝置，實現對海洋土電阻率的原位、快速、準確測量。

為實現上述發明目的，本發明提供的測量海洋土電阻率的裝置采用下述技術方案予以實現：

一種測量海洋土電阻率的裝置，所述裝置包括有探桿，所述探桿包括有頂艙、桿體和探頭，所述桿體連接所述頂艙和所述探頭；

所述頂艙上形成有掛鉤，所述頂艙內形成有內置電源、控制電路、恒流源電路、數據采集電路和傳感電路；所述內置電源為所述控制電路、所述恒流源電路、所述數據采集電路及所述傳感電路供電，所述控制電路分別與所述數據采集電路、所述傳感電路及所述恒流源電路連接；所述頂艙內還形成有與所述傳感電路連接的加速度傳感器；

所述探頭上形成有電極序列，所述電極序列包括有兩個供電電極和至少兩個測量電極，所述供電電極和所述測量電極以與外界相通的形式安裝在所述探頭上，所述供電電極通過位于所述桿體內的導線與所述恒流源電路連接，所述測量電極通過位于所述桿體內的導線與所述數據采集電路連接。

如上所述的裝置，所述探頭包括有呈筒狀的探頭主體和呈錐狀的頭部，所述電極序列形成在所述探頭主體上，所述電極序列的橫截面與所述探頭主體的中軸線垂直。

如上所述的裝置，所述電極序列包括有四個測量電極，兩個所述供電電極沿所述探頭的圓周方向對稱形成在所述探頭上，四個所述測量電極中的兩個測量電極形成一個測量電極組，四個所述測量電極形成左、右兩個測量電極組，所述兩個測量電極組以兩個所述供電電極的連線為對稱軸左右對稱地形成在所述探頭上，兩個所述供電電極和四個所述測量電極等距安裝在所述探頭上。

如上所述的裝置，在所述探桿內形成有姿態傳感器，所述姿態傳感器與所述傳感電路連接。

如上所述的裝置，在所述探桿內形成有壓力傳感器，所述壓力傳感器與所述傳感電路連接。

如上所述的裝置，在所述桿體上形成有配重塊。

為實現前述發明目的，本發明提供的測量海洋土電阻率的方法采用下述技術方案來實現：

一種測量海洋土電阻率的方法，所述方法采用上述的裝置測量海洋土電阻率，所述方法包括：

在所述裝置中的探桿向海洋土貫入的過程中，利用所述裝置中的恒流源電路向所述裝置中的兩個供電電極供電，利用所述裝置中的數據采集電路采集所述裝置中的兩個測量電極之間的電極電位，根據下述公式獲取實時海洋土電阻率：

其中，ρ為實時海洋土電阻率，K為裝置系數，C1P1為兩個所述供電電極中第一供電電極與所述測量電極中第一測量電極之間的距離，C2P1為兩個所述供電電極中第二供電電極與所述第一測量電極之間的距離，C1P2為所述第一供電電極與測量電極中第二測量電極之間的距離，C2P2為所述第二供電電極與所述第二測量電極之間的距離，△U_P1P2為所述第一測量電極與所述第二測量電極之間的實時電位差，I為所述裝置中的恒流源電路輸出至所述供電電極上的交變直流電流；

同時，在所述探桿向海洋土貫入的過程中，利用所述裝置中的加速度傳感器的檢測結果獲取所述探桿貫入海洋土的實時深度；

基于所述實時深度和所述實時海洋土電阻率，獲取海洋土深度與該深度處的海洋土電阻率之間一一對應的關系。

如上所述的方法，所述探桿包括有四個測量電極，所述四個測量電極構成用于測量同一海洋土深度處的海洋土電阻率的兩個測量電極組，該海洋土深度處對應的海洋土電阻率為兩個所述測量電極組獲取的實時海洋土電阻率的平均值。

如上所述的方法，所述方法還包括：

在所述裝置中的探桿向海洋土貫入的過程中，獲取所述探桿的傾斜角度；

將所述探桿的傾斜角度與設定角度作比較；

若所述探桿的傾斜角度大于所述設定角度，丟棄該過程中所獲取的所述實時海洋土電阻率。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是：本發明提供的測量海洋土電阻率的裝置中，通過設置具有供電電極和測量電極的探頭，在探桿貫入海洋土的過程中，為供電電極供電形成電場，該電場經過海洋土的作用，會在探頭的測量電極上產生與海洋土電阻率的大小相對應的電位差，通過測量該電位差即可實現對海洋土電阻率的測量，得到的是橫向的電阻率數據，能夠精確反應海洋土的成層性，分辨率高。由于測量過程是在探桿貫入海洋土的過程中實時測量的，因而，不僅實現了對海洋土的電阻率的原位測量，得到且不會對海洋土造成擾動，保證了數據測量的準確性；并且，探桿可以根據需要隨時放入到海底，無需預先設置測量井，測量簡單、方便，成本低。

結合附圖閱讀本發明的具體實施方式后，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚。

附圖說明

圖1是基于本發明測量海洋土電阻率的裝置一個實施例的立體圖；

圖2是圖1實施例的剖視圖；

圖3是圖1實施例中電極序列的結構示意圖；

圖4是圖1實施例的電路原理圖；

圖5是基于本發明測量海洋土電阻率的方法一個實施例的流程圖；

圖6是基于圖1的裝置和圖5的方法獲得的曲線。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下將結合附圖和實施例，對本發明作進一步詳細說明。

請參見圖1至圖4示出的基于本發明測量海洋土電阻率的裝置的一個實施例。其中，圖1和圖2分別是該實施例的立體圖和剖視圖，圖3是電極序列的結構示意圖，圖4是該實施例的電路原理圖。

如圖1至圖4所示意，該實施例用于測量海洋土電阻率的裝置包括有探桿100，探桿100包括有頂艙1、桿體2和探頭3，桿體2連接頂艙1和探頭3。

具體來說，頂艙1為由不銹鋼材料作為殼體、內部形成有空腔的結構。頂艙1包括有艙體、上端蓋和下端蓋(圖中未標注)，上、下端蓋分別與艙體通過螺紋連接，并通過螺母固定。在頂艙1的頂端上形成有掛鉤11，利用該掛鉤11，可以連接纜繩，進而通過纜繩將整個探桿100與船體相連，實現在船上方便地向海底拋探桿100以及將海底的探桿100拖回船上。在頂艙1的內部空腔中形成有電池艙12和電路板艙13兩部分，作為內置電源的電池安裝在電池艙12內，兩塊電路板并排豎向安裝在電路板艙13內，由螺母將電池和電路板固定在托架上。托架由絕緣樹脂材料制成，可通過螺母調節電池艙12和電路板艙13的長度，以適應不同尺寸。

頂艙1內的電路板上包括有控制電路、恒流源電路、數據采集電路和傳感電路。內置電源為控制電路、恒流源電路、數據采集電路及傳感電路供電，控制電路分別與數據采集電路、傳感電路及恒流源電路連接。此外，頂艙1內還形成有與傳感電路連接的加速度傳感器(圖中未示出)。在探桿100中、具體來說可以在頂艙1中形成與傳感電路連接的加速度傳感器，控制電路能夠按照和交變電流同步的頻率通過傳感電路對加速度傳感器進行采樣，并對得到的加速度信號經過兩次時域積分獲取探桿貫入海洋土的實時深度。

其中，恒流源電路可以包括A/D轉換電路、D/A轉換電路、電流調節器、保護電路和采樣電阻。數據采集電路可以包括A/D轉換電路、抗混疊濾波電路、信號前端處理電路、負載電路及高速切換開關和濾波電路。但并不局限于該結構，還可以采用其他能夠實現相同功能的結構來實現。

桿體2為具有中空內腔的筒狀結構，可以通過螺紋連接的方式分別與頂艙1及探頭3連接。桿體2的長度可以根據需要測量的海底土層的深度進行選擇。優選的，桿體2的殼體采用多層結構來實現，最外層的材料為聚偏氟乙烯(PVDF)，第二層為空心不銹鋼管。在不銹鋼管的中空內腔中穿有導線5。

探頭3作為探桿100的核心測量部件，優選結構為包括有具有中空腔體的筒狀的探頭主體31和呈錐狀的頭部32，其中，探頭主體31的上端與桿體2連接，頭部32遠離桿體2。頭部32作為整個探桿100向海洋土中貫入的頭部位置，選用錐狀的結構，材料為不銹鋼，利于貫入土中。探頭主體31的殼體采用與桿體2的殼體相同的多層結構來實現。

在探頭主體31上形成有一個電極序列33，下面描述電極序列的結構。

電極序列33包括有兩個供電電極和四個測量電極，分別為第一供電電極C1、第二供電電極C2、第一測量電極P1、第二測量電極P2、第三測量電極P3及第四測量電極P4。這六個電極均以與外界相通的形式等距鑲嵌在探頭主體31上。具體來說，在探頭主體31的殼體上、沿周向方向上開設有六個孔洞，每個孔洞中鑲嵌有一個電極。兩個供電電極中，第一供電電極C1和第二供電電極C2分別通過桿體2內的導線5與頂艙1中的恒流源電路連接，四個測量電極也分別通過導線5與頂艙1中的數據采集電路連接。并且，第一供電電極C1和第二供電電極C2沿探頭的圓周方向上對稱分布，四個測量電極中，第一測量電極P1和第二測量電極P2形成一個測量電極組，第三測量電極P3和第四測量電極P4形成另一個測量電極組，兩個測量電極組以第一供電電極C1和第二供電電極C2的連線為對稱軸左右對稱地鑲嵌在探頭主體31上。當然，在其他實施例中，測量電極也可以僅有兩個，測量電極與供電電極的排布結構也可以為其他結構。

而且，作為優選的實施方式，電極序列33的橫截面與探頭主體31的中軸線垂直。也即，在探頭主體31處于豎直方向時，第一電極序列33為水平方向。從而，當探頭主體31豎直貫入海洋土中時，可以利用電極序列實現海洋土橫向電阻率的測量。但不局限于此，在其他的實施例中，電極序列的橫截面也可以不與探頭主體31的中軸線垂直。

此外，在桿體2上還形成有配重塊4。配重塊4以可拆卸的方式形成在桿體2上、靠近頂艙2的位置。通過設置配重塊4，可以通過改變配重塊4的重量調整探桿100的重量，以適應不同成分的海洋土沉積物，增加電阻率測量的準確性。

作為優選的實施方式，在該實施例中，在探桿100中、具體來說是在探頭3內還形成有姿態傳感器，其也通過導線5與頂艙1內的傳感電路連接。通過設置姿態傳感器，能夠判斷出探桿100在貫入海洋土過程中是否發生了傾斜以及傾斜角度的大小，進而能夠對測量的電阻率數據進行輔助處理，提高測量數據的準確性。更具體的原理及方法參考后面的描述。此外，還可以在探桿100中、具體來說可以在頂艙1中形成與傳感電路連接的壓力傳感器，利用壓力傳感器對探桿100所受的壓力進行實時監測，避免貫入深度過大、壓力過大而損壞探桿100。

具有上述結構的裝置在工作時，控制電路接受上位機發出的指令，由電流調節器接收D/A轉換電路的控制信號，通過保護電路后，采樣電阻對電流信號采樣并發送到A/D轉換單元，完成恒流源電路的閉環反饋控制。數據采集電路通過高速切換開關及濾波電路，將恒流源電路輸出的直流源轉變為頻率一定、如1KHz的交變電流，交變電流通過第一供電電極C1和第二供電電極C2為電極序列持續供電，電極序列中的第一測量電極P1、第二測量電極P2、第三測量電極P3及第四測量電極P4將持續輸出電極電位。為了配合數據采集電路對微小信號的拾取，恒流源電路可以加入偽隨機信號供數據采集電路提取有效信號。這一技術的應用有效地解決了海水中低電阻率環境下接收微小信號的難題。四個測量電極輸出的電極電位經信號前端處理電路進行濾波和放大后，輸出到抗混疊濾波電路中，對信號進行抗混疊處理，將輸出的電平中混疊頻率分量降到最低。最后，采集的電位信號經A/D轉換電路傳輸至控制電路中。與此同時，控制電路按照和交變電流同步的頻率對加速度傳感器的檢測數據進行取樣，從而能夠得到兩條電阻率隨深度變化的平行電阻率曲線，將兩組電阻率數據一一對應計算均值，得到最終的電阻率曲線。測量過程中的數據均可通過控制電路上傳到存儲單元、如SD卡中存儲。更具體的工作方法參見圖5所示及下面對圖5的描述。

請參見圖5，該圖所示為基于本發明測量海洋土電阻率的方法一個實施例的流程圖，具體來說，是基于圖1實施例的裝置實現海洋土電阻率的測量方法的一個實施例。

如圖5所示意，同時結合圖1至圖4的裝置實施例的結構及描述，該實施例實現對海洋土電阻率的測量方法包括下述步驟：

步驟51：將探桿向海洋土貫入。

在需要測量某處海底海洋土的電阻率時，將攜帶有圖1實施例的探桿100的輪船開到某處，然后，將探桿100垂直拋入海底，使得探桿100以自由落體的方式進入海底。在探桿100的自身重量作用下，探桿100向海洋土貫入。

在此之前，預先根據要測量的海底沉積物的特性在探桿100上配置合適的配重塊5。

步驟52：利用恒流源電路為供電電極供電，利用數據采集電路采集測量電極之間的電位差；利用加速度傳感器獲取探桿貫入海洋土的實時深度。

在探桿100的探頭3接觸到海洋土時開始，利用頂艙1中的恒流源電路為電極序列中的供電電極供電。供電電極產生電場，該電場作用于海洋土中，將在與海洋土相接觸的一個測量電極組中的兩個測量電極之間產生電位差，該電位差可以通過數據采集電路進行采集。

同時，利用裝置中的加速度傳感器的檢測結果獲取探桿貫入海洋土的實時深度。該過程的實現可以參考現有技術。

步驟53：根據步驟52測量的電極電位獲取實時海洋土電阻率。

步驟52采集到的電極電位的大小不僅與供電電場的大小、電極之間的位置相關，還與海洋土的電阻率相關。供電電場的大小可以通過交變恒流源來確定，具體來說，如圖4所示，是通過高速切換開關將直流電轉變為交變恒流源，交變直流電流通過C1、C2加到電極序列中。電極之間的位置是已知的，而電極電位可以通過數據采集電路采集到。因此，通過一定的方式即可計算出與所采集的電極電位一一對應的海洋土電阻率。

以圖3中的電極序列33為例，可以根據下述公式獲取實時海洋土電阻率：

其中，ρ為實時海洋土電阻率，K為裝置系數，C1P1為兩個第一供電電極C1與第一測量電極P1之間的距離，C2P1為第二供電電極C2與第一測量電極P1之間的距離，C1P2為第一供電電極C1與第二測量電極P2之間的距離，C2P2為第二供電電極C2與第二測量電極P2之間的距離，△U_P1P2為第一測量電極P1與第二測量電極P2之間的實時電位差，I為恒流源輸出至供電電極上的交變直流電流。在上述公式中，電極之間的距離在探桿100固定之后也是固定的、且已知的，電流I和電極電位△U_P1P2均可以測量獲得，因此，在獲得實時的電流I和電極電位△U_P1P2之后，即可利用上述公式計算出實時的海洋土電阻率ρ，從而，獲得一條與貫入深度相關的電阻率曲線。

同樣的方法，同時可以計算出利用第三測量電極P3和第三測量電極P4之間所測得的電位差計算出的另一個實時海洋土電阻率。而且，四個測量電極處于同一水平面上，第一測量電極P1和第二測量電極P2所獲得的實時海洋土電阻率與第三測量電極P3和第四測量電極P4所獲得的實時海洋土電阻率為同一深度上海洋土的電阻率。

探桿100不斷地向海洋土貫入的過程中，可以實時獲得多個不同時刻的海洋土電阻率。

步驟54：基于實時深度和實時海洋土電阻率，獲取海洋土深度與該深度處的海洋土電阻率之間一一對應的關系。

如果通過加速度傳感器確定出在不同時刻探桿100貫入海洋土的深度，那么，就可以獲得海洋土深度與該深度處的海洋土電阻率之間一一對應的關系。從而，獲得海洋土垂向上不同土層的電阻率。

具體工作過程如下：

控制電路接受上位機發出的指令，由電流調節器接收D/A轉換電路的控制信號，通過保護電路后，采樣電阻對電流信號采樣并發送到A/D轉換單元，完成恒流源電路的閉環反饋控制。數據采集電路通過高速切換開關及濾波電路，將恒流源電路輸出的直流源轉變為頻率一定、如1KHz的交變電流，交變電流通過第一供電電極C1和第二供電電極C2為電極序列持續供電，電極序列中的第一測量電極P1、第二測量電極P2、第三測量電極P3及第四測量電極P4將持續輸出電極電位。為了配合數據采集電路對微小信號的拾取，恒流源電路可以加入偽隨機信號供數據采集電路提取有效信號。這一技術的應用有效地解決了海水中低電阻率環境下接收微小信號的難題。四個測量電極輸出的電極電位經信號前端處理電路進行濾波和放大后，輸出到抗混疊濾波電路中，對信號進行抗混疊處理，將輸出的電平中混疊頻率分量降到最低。最后，采集的電位信號經A/D轉換電路傳輸至控制電路中。與此同時，控制電路按照和交變電流同步的頻率對加速度傳感器的檢測數據進行取樣，從而能夠得到兩條電阻率隨深度變化的平行電阻率曲線，將兩組電阻率數據一一對應計算均值，得到最終的電阻率曲線。測量過程中的數據均可通過控制電路上傳到存儲單元、如SD卡中存儲。如圖6所示的曲線即為基于圖1的裝置和圖5的方法所獲得的電極電位與深度的關系曲線。圖中，曲線1為電極序列33中第一測量電極P1和第二測量電極P2所測得的電位差與深度的關系曲線，曲線2為電極序列33中第三測量電極P3和第四測量電極P4所測得的電位差與深度的關系曲線。從圖6的曲線中，可以反映出電極電位隨著貫入深度的變化而變化。

采用上述方法測量海洋土電阻率時，在探桿貫入海洋土的過程中，為供電電極供電形成電場，該電場經過海洋土的作用，會在探頭的測量電極上產生與海洋土電阻率的大小相對應的電極電位，通過測量該電極電位即可實現對海洋土電阻率的測量，且獲得不同深度的土層的橫向電阻率，進而能夠獲得反映土層在不同深度上的層形性的物理力學狀態。由于測量過程是在探桿貫入海洋土的過程中實時測量的，因而，不僅實現了對海洋土的電阻率的原位測量，且不會對海洋土造成擾動，保證了數據測量的準確性；并且，探桿可以根據需要隨時放入到海底，無需預先設置測量井，測量簡單、方便，成本低。

對于要求探桿100以垂直向下貫入進行測量的測量過程來說，為減少因探桿100傾斜而造成測量數據的不準確，可以在測量過程中利用姿態傳感器來判斷探桿100的傾斜程度。具體來說，在探桿向海洋土貫入的過程中，獲取利用姿態傳感器的檢測數據來獲取探桿的傾斜角度；然后，將探桿的傾斜角度與設定角度作比較；若探桿的傾斜角度大于設定角度，丟棄該過程中所獲取的實時海洋土電阻率。例如，設定角度為15°，如果探桿傾斜角度大于15°，則認為傾斜角度過大，丟棄此過程中所獲得的電阻率數據。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其進行限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的普通技術人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明所要求保護的技術方案的精神和范圍。