一種新型潛浮式深海地震儀的設計與試驗*

孟肯, 秦華偉, 朱心科, 侯斐

海洋地球物理學

一種新型潛浮式深海地震儀的設計與試驗*

孟肯1, 2, 秦華偉1, 朱心科2, 侯斐2

1. 杭州電子科技大學機械工程學院, 浙江 杭州 310018; 2. 自然資源部第二海洋研究所, 海底科學重點實驗室, 浙江 杭州 310012

鑒于國內外海洋地震臺網(wǎng)的缺乏, 本文介紹了一種面向全球海域應用的漂浮式海底地震接收系統(tǒng)(mobile earthquake recording in marine areas by independent divers, MERMAID)。針對潛浮式地震儀MERMAID浮標的研發(fā)過程, 建立了浮標的總體設計要求與典型工作循環(huán)流程, 設計了液壓式浮力調節(jié)系統(tǒng)、機械結構等, 并對比分析了不同轉速及負浮力下潛過程, 最后進行了實驗室壓力檢測和千島湖湖試。試驗結果表明, 該浮標能在15MPa壓力下保持良好的密封性與穩(wěn)定性, 利用水聽器可以有效地采集到天然地震縱波(P波), 同時計算各模塊單個周期的能耗, 以驗證設計指標。

地震臺網(wǎng); 潛浮式地震儀; MERMAID浮標; 浮力調節(jié); 天然地震

海洋地震觀測是傳統(tǒng)的海底聲學技術, 也是研究海底構造與海洋巖石圈深部結構的主力技術。發(fā)展海洋地震觀測可以較為準確地獲取海洋的介質參數(shù)、溫度分布等, 也有利于完善我國海洋天然氣水合物及油氣資源勘探技術(牛濱華等, 2000)。

在海洋地區(qū)進行高質量的長期地震采集是全球地震觀測的重要組成部分, 而建立海洋地震觀測站對認識地震本身和地球結構有著重要意義(周公威等, 2014)。目前, 使用較多的海底地震儀OBS(ocean bottom seismometer)是將檢波器放在海底的地震觀測設備, 既能用于天然地震(被動源)觀測, 又可用于海上人工地震(主動源)勘探(Jocobson et al, 1991; 劉建華等, 2008)。在勘探中, 通過工作船將被動源OBS投放到地震頻發(fā)區(qū), 保證其與海底有良好的接觸, 進行長期連續(xù)地記錄天然地震信號, 在一定周期后由母船回收(劉訓矩等, 2019; 汪俊等, 2019), 將數(shù)據(jù)導出后完成對天然地震的采集。國產寬頻帶7通道(I7-C)OBS, 包括3通道寬帶地震計(60s- 50Hz)、3通道檢波器(2~150Hz)、1通道水聽計, 采用單艙球結構, 其功耗為0.25W, 同時具備接收高頻人工震源信號和天然地震的能力, 最大連續(xù)工作時長為120d(郝天珧等, 2011)。

通過比較分析, OBS布放與回收成本較高, 不能將數(shù)據(jù)實時傳輸, 且需要定期檢查和維修。區(qū)別于傳統(tǒng)陸地上探測臺站和坐底式OBS, 地海洋學實時觀測陣浮標(Array for Real-time Geostrophic Oceanography, Argo)是一種沉浮式海洋觀測平臺, 主要用于海洋次表層溫度、鹽度、深剖面測量, 通過天線與衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸, 儀器布放運行兩年后電源耗盡(Gould, 2005; 葛錫云等, 2018)。利用Argo自主沉浮的特點, 可以組成漂浮式海底地震接收系統(tǒng)(mobile earthquake recording in marine areas by independent divers, MERMAID)。該儀器能夠高覆蓋、多循環(huán)記錄地震波的信息, 其研發(fā)和應用屬于海洋地震領域的前沿技術。2016年, 普林斯頓大學研制Son-O-MERMAID水下地震站在加拉帕戈斯成功進行了測試, 其中有18個在塔希提島附近記錄到天然地震波信號(張樹良等, 2016;Bigot-Cormier et al, 2017)。

為了加強對海洋區(qū)域高質量地震觀測網(wǎng)絡的建設, 進一步獲取地震波的相關數(shù)據(jù), 本文依據(jù)國外產品的設計理念, 主要介紹了自主研發(fā)的MERMAID系統(tǒng)結構、運行原理、循環(huán)過程等, 并通過理論分析其關鍵技術, 由試驗結果進行驗證、優(yōu)化。

1 MERMAID浮標總體設計

1.1 設計指標

深海1500m左右的溫度、鹽度和密度幾乎處于均勻狀態(tài), 是觀測天然地震P波的理想層面。球形MERMAID浮標(圖1)是長時間懸停在某一深度范圍的海洋剖面裝置, 采用水聽器“監(jiān)聽”信號, 能夠實現(xiàn)0~1200m深度范圍內的懸停、周期性自主升沉, 在水面進行GPS定位及衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)? 其橫向隨洋流運動。該浮標詳細設計指標見表1。

圖1 MERMAID浮標外形結構

表1 MERMAID浮標設計的基本指標

1.2 浮力調節(jié)原理

由浮標在靜水中的受力, 式(1):

其中為海水密度;為重力加速度;為排開液體的體積;為浮標總質量;′為人為施加外力。

通常, 實現(xiàn)裝置水下自主浮力調節(jié)有兩種方法(余立中等, 2001; 沈銳等, 2019): 1)保持裝置的排水體積不變, 通過改變其質量大小以調節(jié)浮力; 2)保持裝置的質量一定, 通過改變其自身的排水體積以調節(jié)浮力。后者是一種較為節(jié)能的方式, 故采用液壓驅動來改變其排水體積以調節(jié)重力與浮力的平衡, 實現(xiàn)剖面浮標的上浮和下潛。

根據(jù)設計要求, 浮標在1200m深度的壓強為12MPa, 取安全系數(shù)=1.3, 浮力調節(jié)系統(tǒng)最大運行壓力取15MPa?，F(xiàn)有的滾珠絲杠結構是利用減速電機驅動液壓缸內滾珠絲桿螺旋轉動, 來調節(jié)油囊的體積(丁巍偉等, 2019), 存在浮力調節(jié)量小, 重心不穩(wěn)定的缺點。本文設計油泵式浮力調節(jié)原理如圖2。

圖2 浮力調節(jié)系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)結構要求簡單, 且在滿足條件的情況下使用低功耗的元器件, 保持重力一定, 通過對可變形的密閉容腔排油或者回油以增加或減少自身的浮力。動力結構由直流電機與齒輪減速箱組成, 以提高輸出轉矩, 并通過高壓柱塞泵實現(xiàn)對浮力的精確調節(jié)(王世明等, 2010; 宗正等, 2018)。液壓回路內部排出空氣后, 基本的運行方式為如下。

1) 回油過程: 當電磁閥通電打開后, 回油泵啟動, 從外油囊中回油至密閉的可伸縮內油囊容腔中。外油囊體積減小, 內油囊體積增大, 實現(xiàn)整體結構浮力減小。

2) 排油過程: 當電磁閥處于常閉狀態(tài)時, 柱塞泵在電機的帶動下正轉, 從內油囊中通過單向閥排油至密閉的外油囊容腔中。外油囊體積增大, 內油囊體積減小, 實現(xiàn)整體結構浮力增加。

1.3 典型循環(huán)過程

MERMAID浮標按照預定程序進行自動沉浮, 一個典型周期的循環(huán)過程(圖3)分為以下6個階段。

1) 水面漂浮階段: 上位機與浮標通訊, 完成程序自檢, 在水面待命。

2) 下潛過程: 關閉水聽器, 開啟回油泵, 在低壓條件下迅速回油, 浮標為變加速運動; 回油結束后, 在負浮力狀態(tài)近似勻速下潛, 由液壓管路中的壓力傳感器采集系統(tǒng)外部壓強, 反饋當前深度信號; 到達預定深度后, 開啟排油泵往外油囊微量多次排油, 調節(jié)重力等于浮力時, 當判斷壓力傳感器數(shù)值基本不變時設定浮標處于中性浮力狀態(tài); 在誤差允許的范圍內(±50m)懸停在當前深度, 記錄壓力值, 為下一次循環(huán)提供定深和微調參數(shù), 進入地震觀測狀態(tài)。

圖3 浮標典型循環(huán)過程

3) 地震觀測階段: 開啟水聽器, 對水聲信號連續(xù)采集。若檢測到波形幅值超過設定閾值, 表示有大地震發(fā)生, 浮標延時3min上浮; 若無大地震發(fā)生, 浮標在懸停深度隨洋流漂移7d后自動上浮。

4) 上浮過程: 關閉水聽器, 柱塞泵啟動排油, 裝置在正浮力狀態(tài)下近似勻速上浮, 設定到達水面的判斷標志, 進入水面通訊階段。

5) 水面通訊階段: 主動與監(jiān)控中心聯(lián)系, 單片機截取地震波最大值前后共6min關鍵數(shù)據(jù), 通過銥星天線將數(shù)據(jù)及定位信息等發(fā)送至地面接收站。受洋流影響, 水面定位與地震采樣坐標存在一定誤差。

6) 循環(huán)剖面: 等待命令, 校準時鐘, 進入下一個循環(huán)。

2 結構布局及優(yōu)化

2.1 穩(wěn)心高

為了使浮標在惡劣海況中能夠迅速恢復至初始平衡位置, 需要對球形玻璃艙內的系統(tǒng)結構裝配進行布局。

重心位置為:

同時列出各部分元器件的浮容積, 并標出分布在三個坐標軸上的坐標值。則固定浮容積為:

浮心位置為:

根據(jù)浮標的水下穩(wěn)心高的要求, 應滿足:

為了保持平衡, 通過配平實驗應有:

并要求滿足:

2.2 空間布局

MERMAID浮標進行結構化裝配, 球形儀器艙上、下、側面分別留有通孔和抽真空密封件, 確保裝置在水下1500m的密封和安全(商紅梅等, 2016), 并對元器件按照功能分艙安裝, 使其滿足穩(wěn)心高要求, 具體分艙如下(圖4)。

1) 液壓艙: 波紋式可伸縮的內油囊有利于標定回、排油位置, 通過位移傳感器估算當前系統(tǒng)浮力狀態(tài); 控制板調節(jié)電機帶動柱塞泵改變排水體積; 可變形的外油囊由標準密封O圈固定浮球外底部。

2) 電池艙: 按尺寸要求定制的一次性且能量密度高鋰錳電池包單體組裝成電池艙, 固定于液壓艙上部, 能最大限度增加電池尺寸和容量, 使得重心坐標位于中線以下。電池組設計指標見表2。

3) 控制艙: 固定主控制板、銥星、無線電等元器件, 與液壓艙、電池艙之間采用標準化接口連接。天線固定在浮球外部最上端, 能夠保證通訊質量。甚低頻、低功耗、高靈敏度水聽器作為系統(tǒng)信號采集裝置固定在浮球保護殼, 另一端通過水密連接件與內部控制板連接。同時預留其他傳感器接口。

圖4 MERMAID浮標結構布局

表2 電池組技術指標

2.3 結構優(yōu)化設計

2.3.1 電位計

為了獲得較為準確的排油信息, 需要預估油囊中的油量以及運行位置。實驗中發(fā)現(xiàn), 在油路中安裝微型齒輪流量計后, 需要消耗一部分電量。容易產生累計誤差, 并且增加了管道中的阻力。

優(yōu)化后, 通過在內油囊一側增加位移傳感器, 密封端蓋頂部設計傳感器滑塊固定架, 使內油囊在伸縮的過程中有效地獲取排油位置, 提高對浮力調節(jié)的控制(圖5)。

2.3.2 限位開關

為了防止電機過量排油或者回油, 在內油囊伸縮的上、下極限位置分別安裝限位開關, 與電路串聯(lián)。試驗中發(fā)現(xiàn), 利用內油囊密封端蓋上頂或者下壓開關, 接觸開關使電路斷電。容易出現(xiàn)開關的疲勞和損壞, 對電機有一定的損害。

優(yōu)化后, 通過軟件讀取位移傳感器的值, 設定內油囊伸縮到限位開關前的2%~3%, 單片機控制電機停止運行。經(jīng)過反復測試, 此方式能夠有效地限制內油囊伸縮的極限位置并減少微動開關的疲勞使用(圖5)。

2.3.3 電磁開關

一般儀器在密封和抽真空后不會輕易開艙, 連接電源后將一直為系統(tǒng)供電, 因此在設備運輸或者存放時會損耗電量, 降低了使用年限。

優(yōu)化后, 通過在玻璃壁內側固定與電池串聯(lián)的電磁開關, 由磁鐵作為開關電源的“鑰匙”, 浮標在裝配、調試完成后斷電密封, 在投放之前上電能最大程度節(jié)約電量的損耗(圖5)。

圖5 改進之后的控制艙

3 關鍵技術的計算與校核

3.1 運行參數(shù)

3.1.1 阻力系數(shù)

根據(jù)11月27日千島湖試驗結果, 測得浮球最大下沉速度為max=0.2m·s–1。則雷諾數(shù)

其中0為浮標的初始排水體積;為千島湖水密度, 取1018kg·m–3;為運行速度, 單位m·s–1;為圓球直徑, 取450mm;為浮標的橫截面積;為15℃淡水粘性系數(shù), 取1.1404×10–3Pa·s。對應圓球繞流阻力曲線(吳慶凱等, 2015; 鄒一麟等, 2018), 得到該速度下的阻力系數(shù)C=0.4。

3.1.2 凈浮力計算

浮標在質量一定的情況下, 由深度引起的浮力變化需要通過自身的浮力調節(jié)能力來平衡, 從水面到最大深度的體積變化量為:

3.1.3 下潛過程分析

對速度表達式進行積分可得下沉深度的表達式(13):

結合試驗數(shù)據(jù), 分別以90%負浮力和70%負浮力回油后下沉, 得到兩組試驗曲線, 其變化規(guī)律與理論分析的趨勢基本相同。浮標15s即可達到近似勻速階段的0.17m·s–1, 如圖6中, 深度水平線表示在湖底靜置。

3.2 功耗控制

自棄式MERMAID浮標的電池容量有限, 系統(tǒng)主要搭載各種傳感器等組成反饋回路, 每個循環(huán)過程的元器件功耗需要達到最經(jīng)濟。

3.2.1 調節(jié)模塊

在液壓調節(jié)模塊中, 動力系統(tǒng)消耗的能量最大, 連續(xù)排油量為1000mL。已知齒輪箱的減速比為5.7: 1, 柱塞泵的排量為0.1m·s–1。圖3中, 外油囊接頭連接溢流閥模擬海底1200m的壓強, 對比測量不同轉速下的電機功耗大小, 見表3。

圖6 理論分析(a)與湖試數(shù)據(jù)(b)

表3 電機不同轉速對應的功耗

根據(jù)液壓泵壓力—流量曲線, 需要滿足扭矩要求, 同時考慮排油10min即可達到最大上浮速度, 故選擇電機理論轉速6000rpm。

3.2.2 控制模塊

主控制系統(tǒng)CPU采用STM32L475低功耗芯片, 水聽器電壓在0~9V, 功耗為10mW, 浮標在運行中關閉水聽器, 在采樣期間單片機休眠。浮標在未進入通訊狀態(tài)時, 關閉衛(wèi)星通訊及GPS定位模塊。

3.2.3 通訊模塊

銥星采用A3LA-RG模塊, 連接抗水深2000m銥星GPS天線遠距離通訊, 其性能參數(shù)見表4。無線電采用XTend射頻(RF)模塊進行調試通訊, 其使用方便、功耗低、節(jié)省PCB板空間。

表4 天線性能要求

內置單片機對采樣信息進行初步判斷和過濾, 截取波峰前后信號, 以2.4kbps速度傳輸, 每條信息最長為256字節(jié)。

3.3 主控制單元

1) 下位機系統(tǒng): 系統(tǒng)的下位機設計采用傳感器、A/D轉換器和單片機等硬件, 具有與上位機雙向通訊的功能, 接受并響應上位機發(fā)送的信號采集、模式切換、數(shù)據(jù)處理等指令, 實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化。

2) 上位機系統(tǒng): 上位機由通訊協(xié)議實現(xiàn)對不同浮標進行編號, 設定調試模式與工作模式, 在監(jiān)控中心的界面中能夠實現(xiàn)設定下潛時間、工作周期和休眠周期等功能。在通訊階段, 可以校準內部時鐘、檢測真空計讀數(shù)、進行GPS授時等。數(shù)據(jù)接收完成后, 可以分析數(shù)據(jù)并繪制圖形, 如圖7。

4 試驗與結論

目前, MERMAID浮標完成樣機裝配, 進行了壓力測試和湖試。結果表明, 該浮標能夠實現(xiàn)其預定的基本功能, 多種工作模式相互結合, 密封效果良好, 傳感器數(shù)據(jù)采集效率高, 系統(tǒng)操作簡單, 符合設計需求。其主要結論如下。

圖7 上位機控制界面

1) 浮力調節(jié)系統(tǒng)能夠在15Mpa的壓力下穩(wěn)定運行, 結構布局有效地提高了浮標的采樣效率和空間利用率。

2) 調節(jié)電機轉速為6000rpm能減少排油時間并有效控制液壓模塊功耗, 總耗電量4.19kWh小于電池容量4.8kWh, 能夠滿足設計使用年限(表5)。

表5 各模塊耗電量統(tǒng)計

3) 浮標在淡水中的最大下沉約為0.2m·s–1, 回油結束后下沉3~4m深度可運行至近似勻速階段, 與理論分析基本符合。

該浮標將在南海海試中進一步檢測其性能。未來在浮標的液壓結構上, 可增加高壓回油支路, 以實現(xiàn)多層剖面的采集, 并通過程序優(yōu)化控制裝置中性浮力的精準懸停。將該浮標布放在廣闊海域可以組成海底地震觀測網(wǎng), 開展層析成像, 實現(xiàn)多剖面、多功能、自動化、高效率的目標。

丁巍偉, 黃豪彩, 朱心科, 等, 2019. 一種新型潛標式海洋地震儀及在海洋地震探測中的應用[J]. 地球物理學進展, 34(1): 292–296. DING WEIWEI, HUANG HAOCAI, ZHU XINKE, et al, 2019. New mobile oceanic seismic recording system and its application in marine seismic exploration[J]. Progress in Geophysics, 34(1): 292–296 (in Chinese with English abstract).

葛錫云, 趙俊波, 陳南若, 等, 2018. 深海多功能浮標設計[J]. 船海工程, 47(3): 154–157, 163. GE XIYUN, ZHAO JUNBO, CHEN NANRUO, et al, 2018. Design of the deep-sea multi-purpose buoy[J]. Ship & Ocean Engineering, 47(3): 154–157, 163 (in Chinese with English abstract).

郝天珧, 游慶瑜, 2011. 國產海底地震儀研制現(xiàn)狀及其在海底結構探測中的應用[J]. 地球物理學報, 54(12): 3352–3361. HAO TIANYAO, YOU QINGYU, 2011. Progress of homemade OBS and its application on ocean bottom structure survey[J]. Chinese Journal of Geophysics, 54(12): 3352–3361 (in Chinese with English abstract).

劉建華, 游慶瑜, 2008. 多功能海底地震儀(OBS)[J]. 中國科技成果, (5): 55.

劉訓矩, 鄭彥鵬, 劉洋廷, 等, 2019. 主動源OBS探測技術及應用進展[J]. 地球物理學進展, 34(4): 1644–1654. LIU XUNJU, ZHENG YANPENG, LIU YANGTING, et al, 2019. Active OBS exploration and its application progress[J]. Progress in Geophysics, 34(4): 1644–1654 (in Chinese with English abstract).

牛濱華, 孫春巖, 張中杰, 等, 2000. 海洋深部地震勘探技術[J]. 勘探技術與測試方法, 7(3): 274–281. NIU BINHUA, SUN CHUNYAN, ZHANG ZHONGJIE, et al, 2000. Seismic exploration in deep ocean[J]. Earth Science Frontiers, 7(3): 274–281 (in Chinese).

商紅梅, 桑陽, 張永紅, 2016. 基于國產第一代Argo浮標的結構優(yōu)化設計[J]. 海洋技術學報, 35(6): 26–30. SHANG HONGMEI, SANG YANG, ZHANG YONGHONG, 2016. Structural optimized design for the first generation of domestic Argo floats[J]. Journal of Ocean Technology, 35(6): 26–30 (in Chinese with English abstract).

沈銳, 2019. HM2000型Argo浮標浮力調節(jié)機構測試平臺設計[J]. 計量與測試技術, 46(6): 41–44. SHEN RUI, 2019. HM2000 Argo buoyancy mechanism test platform design[J]. Metrology & Measurement Technique, 46(6): 41–44 (in Chinese with English abstract).

汪俊, 邱艷, 閻貧, 等, 2019. 跨南海西南次海盆OBS、多道地震與重力聯(lián)合調查[J]. 熱帶海洋學報, 38(4): 81–90. WANG JUN, QIU YAN, YAN PIN, et al, 2019. A joint investigation using OBS, multi-channel seismic and gravity data across the southwestern sub-basin of the South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 38(4): 81–90 (in Chinese with English abstract).

王世明, 吳愛平, 2010. 液壓技術在ARGO浮標中的應用[J]. 流體傳動與控制, (1): 50–53. WANG SHIMING, WU AIPING, 2010. Application of hydraulics in ARGO buoyage[J]. Fluicl Power Transmission and Control, (1): 50–53 (in Chinese with English abstract).

吳慶凱, 周超, 張薇, 2015. 繞流阻力系數(shù)研究綜述[J]. 嘉應學院學報(自然科學), 33(11): 53–57. WU QINGKAI, ZHOU CHAO, ZHANG WEI, 2015. Review on the research of flow resistance coefficient[J]. Journal of Jialing University (Natural Science), 33(11): 53–57 (in Chinese with English abstract).

熊小峰, 游森勇, 2011. 物塊落水后運動過程的動力學分析[J]. 數(shù)學的實踐與認識, 41(14): 91–99. XIONG XIAOFENG, YOU SENYONG, 2011. Dynamical analysis for process of objects falling into water[J]. Mathematics in Practice and Theory, 41(14): 91–99 (in Chinese).

許傳才, 1998. 球形沉子在水中沉降規(guī)律的研究[J]. 大連水產學院學報, 13(4): 22–27. XU CHUANCAI, 1998. Research and analysis on the subsiding regnlerity of sinkers in water[J]. Journal of Dalian Fisheries University, 13(4): 22–27 (in Chinese).

余立中, 商紅梅, 張少永, 2001. Argo浮標技術研究初探[J]. 海洋技術, 20(3): 34–40. YU LIZHONG, SHANG HONGMEI, ZHANG SHAOYONG, 2010. Elementary introduction of Argo buoy technological study[J]. Ocean Technology, 20(3): 34–40 (in Chinese with English abstract).

張樹良, 魯景亮, 2016. 普林斯頓大學成功開發(fā)新的海底地震監(jiān)測設備[J]. 國際地震動態(tài), (12): 3. ZHANG SHULIANG, LU JINGLIANG, 2016. Researcher measures earthquakes in the oceans[J]. Recent Developments in World Seismology, (12): 3 (in Chinese).

周公威, 張爽, 2014. 近三十年來海洋地震觀測的發(fā)展[J]. 國際地震動態(tài), (1): 18–24. ZHOU GONGWEI, ZHANG SHUANG, 2014. International ocean seismic observation in the past 30 years[J]. Recent Developments in World Seismology, (1): 18–24 (in Chinese with English abstract).

宗正, 熊學軍, 胡筱敏, 等, 2018-01-05. 油囊式水下滑翔機浮力精確控制方法: 中國, CN201710667016.1[P]. ZONG ZHENG, XIONG XUEJUN, HU XIAOMIN, 2018-01-05. Oil sac-type underwater glider buoyancy accurate control method: CN, CN201710667016.1[P]. (in Chinese)

鄒一麟, 曹軍軍, 姚寶恒, 等, 2018. 新型蓄能器浮標上浮運動水動力性能研究[J]. 艦船科學技術, 40(3): 42–48. ZOU YILIN, CAO JUNJUN, YAO BAOHENG, et al, 2018. Research on the dynamic performance of floating motion of a new type float with energy accumulator[J]. Ship Science and Technology, 40(3): 42–48 (in Chinese with English abstract).

BIGOT-CORMIER F, BERENGUER J L, 2017. How students can experience science and become researchers: tracking MERMAID floats in the Oceans[J]. Seismological Research Letters, 88(2A): 416–420.

GOULD W J, 2005. From Swallow floats to Argo-the development of neutrally buoyant floats[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 52(3–4): 529–543.

JOCOBSON R S, DORMAN L M, PURDY G M, et al, 1991. Ocean bottom seismometer facilities available[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 72(46): 506–515.

Design and test of a new mobile submersible deep-sea seismic recording system

MENG Ken1, 2, QIN Huawei1, ZHU Xinke2, HOU Fei2

1. Hangzhou Dianzi University, School of Mechanical Engineering, Hangzhou 310018, China; 2. Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Key Laboratory of Submarine Science, Hangzhou 310012, China

In view of the lack of marine seismic network at home and abroad, a mobile earthquake recording system in marine areas by independent divers (MERMAID) is introduced for global sea-area application. According to the research and development process of the mobile seismic recording system, the general design requirements and typical work cycle processof the buoy are established; the hydraulic buoyancy regulating system and mechanical structure are designed; comparison and analysis of different speeds and negative buoyancy diving process are carried out; and the laboratory pressure test and Qiandao Lake test are realized. The test results show that the MERMAID buoy can keep good sealing and stability under 15 MPa pressure, and the P wave of natural earthquake can be effectively collected by hydrophone, and the energy consumption of each module in a single period can be calculated to verify the design indicators.

seismic network; mobile seismic recording system; MERMAID buoy; buoyancy mechanism; natural earthquake

P716+.83

A

1009-5470(2020)03-0049-08

10.11978/2019095

http://www.jto.ac.cn

2019-09-23;

2020-01-03。

林強編輯

國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0305802）“全球變化與海氣相互作用”專項(GASI-02-SHB-15)csio.ac.cn

孟肯(1996—), 男, 陜西省渭南市人, 碩士研究生, 主要研究方向為海洋觀測設備結構設計。E-mail: mengken@hdu.edu.cn

秦華偉(1976—), 男, 山西省長治市人, 博士, 主要研究方向為海洋機電裝備技術。E-mail: qinhw@hdu.edu.cn

*衷心地感謝審稿專家提供寶貴的修改意見及編輯部老師們的耐心溝通

2019-09-23;

2020-01-03.

Editor: LIN Qiang

National Key Research and Development Program of China (2017YFC0305802); Global Change and Air-Sea Interaction Project (GASI-02-SHB-15)

QIN Huawei. E-mail: qinhw@hdu.edu.cn