水下地形沉降监测在海洋勘探与开发等工程中是极其重要的一部分。水下地形的沉降或隆起监测对水下地质灾害的发生有预警作用。例如在海底天然气水合物的勘查与试采中,水合物的分解会破坏沉积物的工程力学结构,造成地面沉降,严重可致海底塌陷、滑坡甚至地震等地质灾害发生,威胁水合物的勘探与开采工程。鉴于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)9轴传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗小和可靠性高、易于实现数字化和智能化等优点,提出将其应用于水下地形的沉降监测,以实现水下地形的长期、原位及多点监测。为此,本文进行了理论分析、系统研究与试验验证等方面研究。理论分析指导系统的研究与样机的研制,试验验证了理论研究正确性与样机应用的可行性。在理论研究方面,通过对摘箬山岛附近海域地形实地调研、地形变形模拟平台地形构造与水槽沙床形态构造三种方法获取水下地形的数据,运用一维与二维离散傅里叶变换获得地形的幅度谱分布,并分析其频率成分与最高频率。在此基础上,通过框架理论推导了基于MEMS 9轴传感阵列的一维与二维非均匀采样条件,条件为当传感器间的弧长间隔应小于奈奎斯特采样间隔,通过传感阵列可无失真重构水下地形。在系统研究方面,首先进行了水下地形多数据同步采集与长距离传输方案研究。根据传感器接口特点,设计了基于IIC(Inter-Integrated Circuit)总线的多数据采集和CAN(Controller Area Network)总线的长距离传输方案。在此基础上,提出多单片机的相对时间同步方案,通过CAN总线数据传输与I/O(Input/Output)口时间同步信号的结合,解决了因单片机时间不同步造成数据混乱的问题。其次,研究了水下地形弯曲扭转角(绕各轴旋转角,姿态角)的求解问题,在对数据进行预处理与校准的基础上,通过卡尔曼滤波算法融合加速度计、陀螺仪与磁力计的数据,解算出绕各轴的旋转角。最后,研究了水下地形沉降的重构模型并进行了精度分析。针对二维模型,通过加速度值建立直线与圆弧两种模型,分别开展监测精度实验来验证模型的正确性。针对三维模型,将弯曲扭转角度转化为关键端点处的坐标,再通过插值算法进行重构。在获取不同时刻的地形时间序列后,可得到不同位置不同时间段内的地形沉降量。通过上述的理论分析与系统研究,研制了基于MEMS 9轴传感阵列的地形沉降监测样机。搭建了地形沉降的实验平台,开展了实验室实验研究,同时完成了沙堤(大型物理模型)的下坡变形监测试验、摘箬山岛潮滩地形沉降监测试验与深水环境模拟与位移监测试验。通过上述试验初步验证了样机在浅水及深水环境应用的可行性。本文所获得的结论与技术可以为海洋天然气水合物试采区沉降监测与水下曲面结构物变形监测提供技术支撑与奠定基础,具有广泛的应用价值和良好的发展前景。