本發明屬于海洋探測技術領域，具體地說，是涉及海底氣體噴發的探測，更具體地說，是涉及水域走航式探測海底氣體噴發的系統及方法。

背景技術：

海底普遍存在著不同規模的氣泡（群）溢出，其來源主要是通過熱分解和生物降解后產生的一些氣體組分，包含水、碳氫化合物、硫化氫或二氧化碳等成分，其中以碳氫化合物為主。當前海底鉆井平臺失穩事故的最大誘因便是海底氣體噴發導致的海床失穩，因此，研究海底氣體噴發對鉆井平臺的安全至關重要。而且，由于氣泡群噴發的氣體主要是溫室氣體，因此，準確掌握海底氣體噴出路徑、規模等要素在全球碳循環和溫室效應研究中亦占重要地位。此外，研究氣體噴出過程也為海洋生物、海洋地球化學和海洋生態過程等科學研究提供重要證據。

當前研究海底氣體噴發的手段已有較多方法，主要包括體積排空法、光學測量法和聲學測量法。體積排空法是利用容積式懸浮收集器測量冷泉區域氣泡噴出量，以此確定氣體噴出速率、噴出規模等。光學測量法是采用高分辨率CCD攝像裝置獲取氣泡流動圖像，運用圖像處理軟件計算氣泡的直徑，進行氣泡的光學測量，分辨率高，可識別15-5000um尺寸氣泡。聲學測量方法較多，例如，主動聲納法可利用氣泡柱反射回波的強度間接檢測海洋中的氣體的流量,適合于流量充足、集中的場合；利用水聽器記錄氣體流經收集器上方的噴嘴的聲音信號,并用小波方法處理聲信號數據反演氣泡流量，可確定氣體噴出規模；多波束掃描聲納裝置可觀測海底冷泉氣泡群滲漏隨海流的時空變化，能有效觀測海域的滲漏區釋放的氣泡群三維動態分布,但難以測量釋放氣泡群量；利用透射聲波與氣泡液體的互相作用關系,可以計算出滲漏氣泡流量借此確定海底氣體噴出規模等。

上述的各種方法存在著探測條件要求高、干擾因素多、探測成本高等缺點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種水域走航式探測海底氣體噴發的系統及方法，解決現有技術存在的結構和方法復雜、干擾因素多及成本高等的缺點。

為實現上述發明目的，本發明提供的系統采用下述技術方案予以實現：

一種水域走航式探測海底氣體噴發的系統，所述系統包括：

拖船，作為系統的海上機構，用于提供走航動力和海上工作平臺，在所述拖船上設置有總控機；

測量裝置，作為系統的水下測量機構，包括有主機箱、與所述主機箱連接的漂浮纜、固定在所述漂浮纜上的供電電極線和測量電極線，所述主機箱內設置有主機模塊和電源模塊，所述主機模塊包括有數據傳輸單元，所述數據傳輸單元與所述總控機通過數據傳輸線連接，所述主機箱與所述拖船通過纜繩連接；所述供電電極線上設置有兩個供電電極，所述測量電極線上設置有多個測量電極，所述供電電極通過所述供電電極線與所述主機模塊中的供電單元連接，所述測量電極通過所述測量電極線與所述主機模塊中的電位采集單元連接；在所述漂浮纜上設置有配重和浮球；

定位裝置，用于對所述測量裝置進行定位，并將定位數據傳輸至所述總控機。

如上所述的系統，所述測量電極線上的所述多個測量電極等間距設置在所述測量電極線上，所述多個測量電極中距離所述主機箱最近的為第一測量電極，所述供電電極線上的所述兩個供電電極中距離所述主機箱遠的為第二供電電極，所述第一測量電極與所述主機箱的距離大于所述第二供電電極與所述主機箱的距離。

優選的，所述兩個供電電極的距離為1m，所述第一測量電極與所述第二供電電極的距離為1m，所述多個測量電極中相鄰兩個測量電極的距離為0.05m。

優選的，所述測量電極線上設置有八個所述測量電極。

如上所述的系統，所述定位裝置包括GPS定位模塊和超短基線定位模塊，所述GPS定位模塊位于所述拖船上，所述超短基線定位模塊包括有聲學換能器和應答器，所述聲學換能器設置在所述拖船的船底部，所述應答器至少包括有設置在所述主機箱上的第一應答器、設置在所述供電電極線上的第二應答器及設置在所述測量電極線上的第三應答器。

如上所述的系統，所述系統還包括形成在所述主機箱上的障礙探測裝置，所述障礙物探測裝置與所述主機模塊中的所述數據傳輸單元連接。

為實現前述發明目的，本發明提供的方法采用下述技術方案予以實現：

一種基于上述的水域走航式探測海底氣體噴發的系統實現水域走航式探測海底氣體噴發的方法，所述方法包括：

所述系統中的拖船通過與所述系統中的測量裝置連接的纜繩拖動所述測量裝置在海水中移動；所述測量裝置在所述測量裝置中的漂浮纜的作用下、以距離海底一定距離的形式水平漂浮在海水中；

在所述測量裝置移動過程中，利用所述測量裝置中的供電單元為所述測量裝置中的兩個供電電極供電，形成電場，并獲取所述供電單元為兩個所述供電電極供電的電流值；

利用所述測量裝置中的電位采集單元采集所述測量裝置中的多個測量電極中相鄰兩個測量電極在所述電場中產生的電位差，獲得多個采集點電位差；

同時，利用所述系統中的定位裝置獲取采集每個所述采集點電位差時所述供電電極的位置及形成該電位差的所述相鄰兩個測量電極的位置，利用所述供電電極的位置和所述相鄰兩個測量電極的位置確定出每個所述采集點電位差所對應的采集點位置；

根據所述電流和所述采集點電位差計算采集點視電阻率，根據所述采集點視電阻率和所述采集點位置構建視電阻率剖面圖；

對所述視電阻率剖面圖作反演計算，獲得真電阻率剖面圖；

根據所述真電阻率剖面圖判定氣體噴發的規模及速度。

如上所述的方法，所述利用所述供電電極的位置和所述相鄰兩個測量電極的位置確定出每個所述采集點電位差所對應的采集點位置，具體包括：

根據所述供電電極的位置確定兩個所述供電電極的連線的中點，根據所述相鄰兩個測量電極的位置確定所述相鄰兩個測量電極的連線的中點，確定所述供電電極的連線的中點與所述測量電極的連線的中點之間的連線，作為中點連線，將所述中點連線的中點沿所述測量裝置的移動方向上相對于初始點的位移確定為采集點橫坐標，將所述中點連線的長度的設定百分比所對應的數值確定為采集點縱坐標，所述采集點橫坐標和所述采集點縱坐標構成所述采集點位置。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是：

利用本發明提供的系統及方法實現水域走航式探測海底氣體噴發，系統結構簡單，便于操作，系統中的測量裝置體積小，便于攜帶使用；基于電位差和電流所形成的電阻率式的探測，不易受到干擾因素的影響，探測準確性高；通過調整供電電極和測量電極的極距，能夠實現不同體積目標體和不同深度水域的氣體噴發的精確探測；可滿足對具有實時性要求的科研及工程的應用需求。

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是基于本發明水域走航式探測海底氣體噴發的系統一個實施例的結構示意圖；

圖2是圖1實施例的電路原理圖；

圖3是基于本發明水域走航式探測海底氣體噴發的方法一個實施例的流程圖；

圖4至圖6分別為基于圖3的方法獲得的、不同水域的真電阻率剖面圖。

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。

首先，簡要說明本發明的理論基礎：

海底氣泡群噴出時，氣體占據海水體積，在空間形成氣液兩相體。理論研究表明，氣液兩相體的電阻率隨氣體噴出的規模及速度呈現一定變化規律。具體來說，電阻率越大，氣體噴出的速度也越大。本發明基于該理論，設計了一種水域走航式探測海底氣體噴發的系統，并基于該系統提出了一種水域走航式探測海底氣體噴發的方法。

請參見圖1和圖2示出的基于本發明水域走航式探測海底氣體噴發的系統的一個實施例，其中，圖1是該實施例的結構示意圖，圖2是該實施例的電路原理圖。

如圖1所示，同時結合圖2所示意，該實施例的水域走航式探測海底氣體噴發的系統包括有拖船100、測量裝置200、纜繩及數據傳輸線300及定位裝置。

其中，拖船100作為系統的海上機構，不僅用于提供走航動力引導，還為整個探測過程提供海上工作平臺。拖船100上設置有總控機，用于進行采集指令下發、采集參數選擇、數據采集、數據處理及數據和處理結果的保存等。

測量裝置200作為系統的水下測量機構，包括有主機箱21、與主機箱21連接的漂浮纜22、固定在漂浮纜22上的供電電極線25和測量電極線26。

其中，主機箱21通過纜繩及數據傳輸線300中的纜繩與拖船100連接。纜繩為承力繩，具備較高強度，在拖船100上通過纜繩將測量裝置200下放到海中，在走航過程中，拖船100通過纜繩拉動測量裝置200移動。主機箱21作為測量裝置200的核心部件，其內設置有主機模塊和電源模塊，電源模塊為主機模塊提供工作電源，主機模塊實現對海底電阻率數據的采集，主機模塊的所包括的電路結構及工作原理參見后面的描述。

漂浮纜22懸掛在主機箱21后方，由浮力較大的塑料組成。在漂浮纜22上設置有配重23和浮球24。具體來說，配重23可以錨，懸掛在漂浮纜22的尾端；浮球24為多個，分散固定在漂浮纜22的纜體上。通過配重23和浮球24的調節來實現漂浮纜既能沉入到接近海底，又能以近乎水平狀態漂浮于海床面500上方的某一深度位置。

供電電極線25和測量電極線26也懸掛在主機箱21后方，并分別固定在漂浮纜22上。供電電極線25包括有承力軸、緊密包裹在承力軸外硬度較高的塑料管、位于塑料管內部的導線以及兩個供電電極C1和C2。其中，供電電極C1作為第一供電電極，靠近主機箱21，與主機箱21的距離為h1；供電電極C2作為第二供電電極，遠離主機箱21，供電電極C1與供電電極C2的距離為C2。測量電極線26包括有承力軸、緊密包裹在承力軸外硬度較高的塑料管、位于塑料管內部的導線以及八個測量電極P1-P8。八個測量電極以等間距的形式依次設置在測量電極線26上。其中，八個測量電極中，第一測量電極P1距離主機箱21最近，其與主機箱21的距離為h3；八個測量電極中，每相鄰的兩個測量電極的距離為h4。在這些距離中，優選的，h1=1m，h2=1m，h3=3m，h4=0.05m，因此，第一測量電極P1也第二供電電極C2的距離也為1m。在該實施例中，兩個供電電極的距離遠大于相鄰兩個測量電極的距離，原因在于：

供電電極用來產生電場，在所建立的電場內才能進行有效采集，而所建立的電場的范圍與供電電極間的距離、也即供電電極極距成正相關。為保證足夠的電場范圍，供電電極距不能太小。而與之相反，測量電極間的距離、也即測量電極極距越大，測量裝置200的分辨率越差，需要小極距的測量電極才能對小尺度氣泡串有良好的分辨。經數值模擬與實驗驗證，0.05m的測量電極極距是能夠對氣泡串進行有效探測的合理測量電極極距。

而之所以選擇在測量電極線26上設置八個測量電極，是因為通過數值模擬和實驗得到一個結論，直流電阻率法在海水中只能采集七層數據，所以我們做八個極，采集P1P2、P2P3、P3P4、P4P5、P5P6、P6P7、P7P8這七個電位，獲得七層數據。所謂層，是指在電場建立后，兩個測量電極的電位差受二者中間整體區域的電阻率的影響，其中由于電流在介質中的分布規律，兩個測量電極的電位差主要反映了二者之間一定深度位置的電阻率情況，深度的不同即為不同的層，且深度位置與測量電極和供電電極的距離呈正相關。

當然，上述具體數量及距離的選擇為優選的，但并不局限于上述結構，也可以采用更少數量的測量電極，或者其他的極距。

定位裝置用來對測量裝置200進行定位，并將定位數據傳輸至拖船100上的總控機，以便通過數據處理獲取到測量裝置200的位置。具體來說，定位裝置包括GPS定位模塊（圖中未示出）和超短基線定位模塊。其中，GPS定位模塊位于拖船100上。而超短基線定位模塊包括有聲學換能器411和應答器，聲學換能器411設置在拖船100的船底部，而應答器設置在測量裝置200上，至少包括有設置在主機箱21上的第一應答器412、設置在供電電極線25上的第二應答器413及設置在測量電極線26上的第三應答器414。利用GPS定位模塊和超短基線定位模塊，結合測量裝置200中各供電電極、各測量電極及主機箱21的相對位置，可以獲取到供電電極線25上的各供電電極和測量電極線26上的各測量電極的位置。同時，還可以獲得測量電極線26的姿態，以便實現對測量電極位置的監控及在測量電極線26的姿態不合適時通過拖船100的拖行速度加以調整。

此外，在主機箱21上設置有障礙探測裝置27，障礙探測裝置27與主機箱21中的主機模塊連接，主機模塊可以獲取到障礙探測裝置27的探測數據信息。具體而言，障礙探測裝置27可以為攝像機和/或聲學探測裝置，可對走航過程中主機箱21前方的地形狀況或障礙物狀況進行實時探測。

請參見圖3，該圖所示為基于本發明水域走航式探測海底氣體噴發的方法一個實施例的流程圖，具體來說，是根據上述水域走航式探測海底氣體噴發的系統實現海底氣體噴發探測的方法。

如圖3所示意，同時結合圖1和圖2的系統結構圖及電路原理圖，該實施例實現水域走航式海底氣體噴發探測的方法包括：

步驟31：拖船通過與纜繩拖動測量裝置在海水中移動，利用測量裝置中的供電單元為測量裝置中的兩個供電電極供電，形成電場，并獲取供電單元為兩個供電電極供電的電流值。

具體來說，在使用水域走航式探測海底氣體噴發的系統探測海底氣體噴發時，首先利用導航系統指導船體到達設定探測位置。探測位置可以是根據其它調查手段（如海洋地震方法或聲學方法調查）所得結果的異常區，也可以是工程、科研或其他領域所要求的關鍵區。到達設定探測位置之后，進行系統安裝、測量裝置的布放和穩定性測試。然后設定系統工作形式、供電電極所需的電流強度、供電周期等參數。在將測量裝置通過纜繩布放到海底時，通過已知的海床面500深度，調整漂浮纜上的配重和浮球，使得測量裝置距離海底一定距離而水平漂浮。例如，如圖1中，測量裝置距離海床面500的距離H為5m左右，目的在于防止采集到海床面500下方的沉積層600的電阻率信息而影響氣體探測的準確度，同時還不錯過、不漏采海底噴發出的氣體700的電阻率信息。

將測量裝置在海底布放完畢、拖船開始拖動測量裝置移動的起始位置作為初始點，根據定位裝置確定初始點的位置坐標，并將該位置坐標作為后續數據處理坐標系中的原點作為。

測量裝置的主機模塊包括有供電單元和中央控制單元，供電單元分別與測量裝置中的電源模塊和供電電極線上的兩個供電電極連接，測量開始之后，拖船拖動測量裝置在海水中移動的過程中，供電電元在中央控制單元的控制，將電源模塊提供的電流轉化為供電電極所需的直流電而施加到兩個供電電極上。從而，在供電電極周圍形成電場。在供電的同時，中央控制單元能夠獲取供電單元為兩個供電電極所供電的電流值，該電流值將通過主機模塊中的數據傳輸單元傳輸至拖船上的總控機。

步驟32：利用測量裝置中的電位采集單元采集測量裝置中的多個測量電極中相鄰兩個測量電極在電場中產生的電位差，獲得多個采集點電位差。

主機模塊中包括有采集單元和電極轉換單元所構成的電位采集單元，在供電電極供電形成電場之后、測量裝置的移動過程中，電極轉換單元在中央控制單元的控制下，切換多個測量電極中相鄰兩個測量電極作為當前工作測量電極，采集單元將采集作為當前工作測量電極在電場中所產生的電位差，獲得多個采集點電位差。

以具有P1-P8共八個測量電極的上述系統為例，將輪流測量P₁P₂、P₂P₃、P₃P₄、P₄P₅、P₅P₆、P₆P₇、P₇P₈的電位差。采集點電位差將通過數據傳輸單元傳輸至總控機中。

步驟33：利用定位裝置獲取采集每個采集點電位差時供電電極的位置及形成該電位差的相鄰兩個測量電極的位置，利用供電電極的位置和相鄰兩個測量電極的位置確定出每個采集點電位差所對應的采集點位置。

步驟12中的每個采集點電位差對應著一個采集點，利用系統中的定位裝置獲取采集每個采集點電位差時供電電極的位置及形成該電位差的相鄰兩個測量電極的位置。然后，根據供電電極的位置和相鄰兩個測量電極的位置確定出每個采集點電位差所對應的采集點位置。

具體來說，作為優選的實施方式，利用供電電極的位置和相鄰兩個測量電極的位置確定出每個采集點電位差所對應的采集點位置，具體包括：

根據定位裝置確定的供電電極的位置確定兩個供電電極的連線的中點，根據定位裝置確定的相鄰兩個測量電極的位置確定相鄰兩個測量電極的連線的中點；然后，根據這兩個中點確定供電電極的連線的中點與測量電極的連線的中點之間的連線，作為中點連線；將中點連線的中點沿測量裝置的移動方向上相對于初始點的位移確定為采集點橫坐標，將中點連線的長度的設定百分比所對應的數值確定為采集點縱坐標，采集點橫坐標和采集點縱坐標構成采集點位置。優選的，設定百分比為25%。那么，采集點橫坐標表征的是電位采集點相對于初始點的橫向位移，而采集點縱坐標表征的是電位采集點處所對應的、測量電極線所在海水面下方的特定深度

步驟34：根據電流值和采集點電位差計算采集點視電阻率，根據采集點視電阻率和采集點位置構建視電阻率剖面圖。

根據上述的電流值及采集點電位差計算出采集點視電阻率，根據采集點視電阻率和步驟33獲取的采集點位置構建視電阻率剖面圖。由于采集點位置包括有橫坐標和縱坐標，為二維位置，二維位置結合每個位置的視電阻率數據，可以構建出水下視電阻率剖面圖。具體構建過程可以參考現有來實現。

步驟35：對視電阻率剖面圖作反演計算，獲得真電阻率剖面圖；根據真電阻率剖面圖判定氣體噴發的規模及速度。

反映計算獲取真電阻率剖面圖的具體實現過程可以采用現有技術。根據真電阻率剖面圖即可對氣體噴發的規模及速度進行定性判定。具體來說，是根據真電阻率剖面圖中異常區電阻率值、尤其是高電阻率的值的來判斷氣體噴發區的規模及氣體噴發速度。

圖4、圖5和圖6示出了采用圖3實施例的方法所獲得的不同水域的真電阻率剖面圖，且為一個測量周期內的真電阻率剖面圖。

在圖4中，真電阻率剖面圖中的電阻率異常區（也即高阻帶）主要位于橫坐標為4-7m的范圍內。根據該剖面圖，可以判定在探測區域存在著氣體噴發，且氣體噴發區的范圍小于八個測量電極的長度。氣體噴發的速度根據電阻率的大小來判定。

在圖5中，真電阻率剖面圖中的電阻率異常區（也即高阻帶）主要位于橫坐標大于6m的區域內。根據該剖面圖，可以判定在探測區域存在著氣體噴發，且氣體噴發區的范圍大于八個測量電極的長度。氣體噴發的速度根據電阻率的大小來判定。

在圖6中，真電阻率剖面圖中整個探測區域內均為電阻率異常區，也即全斷面均為高阻帶。根據該剖面圖，可以判定在探測區域存在著氣體噴發，且氣體噴發區的范圍大于八個測量電極的長度。氣體噴發的速度根據電阻率的大小來判定。

采用上述實例的系統和方法，能夠實現水域走航式氣體噴發的原位探測，探測過程簡單、快捷、準確、成本低，且可以實時、反復進行探測。

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。