CN100456046C - 一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法及系统。该方法通过对回波信号的包络信号的峰值点对应的瞬时频率点及其附近瞬时频率点进行直线拟合，从而得到海底多金属结核矿的声衰减与频率关系。该系统包括换能器阵、电子分机、温度传感器和用于监控和存储的干端，其中电子分机设计为采用本发明提供的方法对数据进行处理。本发明克服已有技术原理上的缺陷，测量原理正确，测量快速、结果准确。

Description

一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法及系统

技术领域

本发明涉及一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法及系统。

背景技术

随着海洋科学和海洋开发的发展，人们愈加迫切希望了解海底沉积物的物理特性。测量海底沉积物的声学方法分两大类：一类是在海上用声学方法遥测；另一类是将海底沉积物取样，在实验室中用声学方法测量。两类方法各有优缺点。由于海底的沉积物十分复杂，各种声学测量方法的主要努力方向是采用正确的原理，深入分析误差，提高各种声学测量方法的可性度。

Tokuo Yamamoto等人的1999年美国专利No.5991236、名称为“Method ofmeasuring buried objects，geological formations and sediment properties，”的专利公开了用声学方法测量掩埋的水雷和沉积物密度和声速的起伏。

A.Turgut的1998年美国专利No.5815465、名称为“Method and Apparatus ofClassifying marine sediment，”的专利提出了决定沉积物声学特性的除了常用的快压缩波外，还有慢压缩波。

F.S.Carnaggio等人的1996年美国专利No.5559754、名称为“Sedimentclassification system”的专利公开了测量沉积物的声阻抗的方法，由此推出沉积物的类型、衰减、密度、孔隙率和声速等。但专利中没有具体介绍推算的方法。

研究声学方法测量海底沉积物的最有名的文献之一是文献1：L.R.LeBlanc，“Sonar attenuation modeling for Classification of marine sediments”，J.Acoust.Soc.Am.91(1)January，1992。文献1中着重研究了沉积物的声衰减，因为它与频率存在明显的关系，是研究沉积物的最好参数。发射线性调频(Chirp)信号，相关器输出的沉积物反射信号表示为解析信号：

Y(t)＝E(t)e^iφ(t)        (1)

其中E(t)是包络，φ(t)是相位，两者均为实信号。因此相位由下式表式

φ(t)＝-ilog[Y(t)/E(t)]          (2)

瞬时频率表式为下式

$f_i=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}---\left(3\right)$

由此获得沉积物声衰减与频率的关系。

D.D.Caulfield的2003年美国专利No.6545945、名称为“MaterialClassification apparatus and method”的专利中介绍的是将沉积物样本由海上取到实验室，用声学方法研究它的物理性质，专利中着重提到沉积物的阻抗和声速一般不是频率的函数，而声衰减是频率的函数。该专利与之前技术相比，重要的改进是将沉积物衰减与频率的关系作为沉积物分类的重要参数之一。具体做法是：发射不同频率的信号，测量不同层沉积物界面的反射信号的幅度和层厚，计算衰减，由此获得衰减(或吸收)随频率的变化。

如上所述，现有技术主要存在以下不足：

1、原理上的缺陷；

由(2)式得

$\mathrm{\φ}\left(t\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}(Y\left(t\right)/E\left(t\right))}{\mathrm{Re}(Y\left(t\right)/E\left(t\right))}\right]-i\log \sqrt{{\mathrm{Re}}^2(Y\left(t\right)/E\left(t\right))+{\mathrm{Im}}^2(Y\left(t\right)/E\left(t\right))}---\left(4\right)$

其中Re和Im表示实部和虚部。理论研究表明，(4)式右边第一项真正代表φ(t)，右边第二项应该为零。但是在实际信号处理的运算过程中，右边第二项常常不为零，φ(t)就变成了复量，这与φ(t)被假设实数是矛盾的。(4)式右边第一项在(-π，π)内变化，有时就在零值附近，但φ(t)对t的微商并不小，由(3)式知此微商代表沉积层声衰减引起的频移。此时如果(4)式第二项不为零，引起的测量误差就比较大。因此这类方法在原理上存在缺陷，测量精度受到影响。

2、不适用于海上测量；

如美国专利No.6545945中发射不同频率的信号，求沉积物声衰减与频率的关系，相当费时，只适用于室内测量，不适用于海上测量。

3、没有对于海底多金属结核矿进行测量的有效方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中测量海底沉积物特性的方法的不足，提供一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法，包括如下步骤：

1)根据作用距离和用途选择线性调频(Chirp)信号的参数；

2)用换能器的传递函数修正Chirp信号；

3)发射修正后的Chirp信号；然后接收流体介质和海底多金属结核矿反射回来的回波；

4)对接收的回波进行滤波和采样；

5)将上一步骤4)所得到信号与用换能器的传递函数修正后的Chirp发射信号求相关，得出的解析信号Y(z)由下式表示

Y(z)＝E(z)e^iφ(z)

其中，z是深度参数；

6)计算解析信号Y(z)的包络E(z)和相位φ(z)，φ(z)由下式表示

$\mathrm{\φ}\left(z\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}(Y\left(z\right)/E\left(z\right))}{\mathrm{Re}(Y\left(z\right)/E\left(z\right))}\right]$

7)首先搜索包络E(z)的第一个峰位P₁，它对应于海底的位置；其次搜索包络E(z)的第二个峰位P₂，它对应于第一层海底多金属结核矿的下界面；

8)根据式(3)将φ(z)对时间微分得到沿深度轴上的瞬时频率f_i(z)曲线；瞬时频率f_i(z)曲线坐标与包络信号E(z)曲线的坐标是一一对应的；

9)在瞬时频率f_i(z)曲线上，分别以与P₁和P₂对应的f_i(z)为中心向两边各选n个点，并记下这些点的瞬时频率和坐标值；其中n为大于等于2的整数；

10)把上一步骤9)选中的10个瞬时频率点和坐标值进行最小二乘法直线拟合，得直线f_c＝kz；f_c表示信号经过沉积层声衰减后的中心频率，k＝Δf/h，Δf是f_c与发射信号中心频率f_c0的频移，h是第一层沉积层的厚度；因此直线斜率k即每米频移，就是本方法要求的量。

11)如此重复步骤3)至步骤10)m次，可以得到k的平均值；其中，m取值为大于或等于9；

12)由k求得海底多金属结核矿的物理特性参数；所述海底多金属结核矿的物理特性参数包括驰豫时间和粒径；

重复步骤1)一步骤12)测量一层以上的海底多金属结核矿声衰减与频率关系。

在上述技术方案中，该测量海底多金属结核矿第一层声衰减与频率关系的方法可以推广到其它各层，也可以推广应用到低频测深仪中。

一种利用上述方法对海底多金属结核矿进行测量的系统，如图1和图2所示，它装在载体100上，包括：

一换能器阵300、一温度传感器500分别与电子分机400电连接，所述电子分机400与干端600通过电缆连接；所述干端600包括一终端计算机601；

所述电子分机400包括一发射机401、一接收机402与一声纳控制器405电连接，所述声纳控制器405与一控制计算机406电连接；所述接收机402与一数据采集器403、一高速数字信号处理器404、所述控制计算机406顺序连接；一硬盘407与所述控制计算机406连接；

所述换能器阵300与所述发射机401、所述接收机402电连接；

所述温度传感器500与所述声纳控制器405电连接；

所述控制计算机406通过以太网408与所述干端600通信。

所述高速数字信号处理器404，包括如下模块：

一相关计算模块，用于将接收回波与用换能器传递函数修正后的Chirp发射信号求相关，输出解析信号为Y(z)；

第一计算模块，用于计算出解析信号Y(z)的包络E(z)和相位φ(z)；

第二计算模块，用于计算出包络E(z)的第一峰位P₁以及瞬时频率f_i(z)，并在与P₁点对应的f_i(z)点左右各取整数n₁个f_i(z)，并记下它们的坐标值；其中n₁为大于等于2的整数；

第三计算模块，用于计算出包络E(z)的第二峰位P₂以及瞬时频率f_i(z)，并在与P₂点对应的f_i(z)点左右各取整数n₂个f_i(z)，并记下它们的坐标值；其中n₂为大于等于2的整数；

计算斜率k模块，用于把选中的2(n₁+n₂+1)个瞬时频率f_i(z)坐标值进行最小二乘法直线拟合，得到斜率k，即每米的频移；

其中，所述控制计算机406包括如下模块：

一初始化模块，用于软件和硬件初始化；

一发射信号参数选择模块，用于跟踪水深、选择Chirp信号的参数；

一发射/接收模块，用于发射用换能器传递函数修正后的Chirp信号，并接收流体介质和/或海底沉积层的反射回波信号；

一滤波采集模块，用于对所述数据采集器403的回波信号进行滤波和采集。

与现有技术相比，本分明的优点在于：

1、克服测量原理上的缺陷；

由(1)、(5)式易得

$\mathrm{Re}\left(\frac{Y\left(z\right)}{E\left(z\right)}\right)+\mathrm{iIm}\left(\frac{Y\left(z\right)}{E\left(z\right)}\right)=\cos \mathrm{\φ}\left(z\right)+\sin \mathrm{\φ}\left(z\right)---\left(7\right)$

所以φ(z)由下式表式

$\mathrm{\φ}\left(z\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\mathrm{Im}(Y\left(z\right)/E\left(z\right))}{\mathrm{Re}(Y\left(z\right)/E\left(z\right))}---\left(8\right)$

此式即(6)式，它没有(4)式右边的第二项。(8)式中的φ(z)不可能出现复数的情况；当φ(z)在零附近时也会有好的精度。(8)式有很好物理特性和数值计算精度。

2、本发明不但可用于在海上快速测量海底多金属结核矿声衰减引起的频移，同时也能用于室内的测量；且发射Chirp信号，一次就可得到各层引起的频移，克服如专利U.S.No.6545945操作费时的不足。

附图说明

图1本发明的对海底多金属结核矿进行测量的系统工作示意图；

图2本发明的对海底多金属结核矿进行测量的系统装置示意图；

图3本发明的对海底多金属结核矿进行测量的系统工作流程图；

图4本发明的对海底多金属结核矿进行测量的系统的一次测量结果；上图为海底多金属结核矿剖面包络图像，下图为记录中某次实现的包络幅度波形；图中横坐标为深度方向，单位：米，纵坐标为航行方向，单位：0.1公里；

图5本发明的对海底多金属结核矿进行测量的系统测得的海底多金属结核矿的每米频移与驰豫时间的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，用本发明的对海底多金属结核矿进行测量的系统，它装在载体100上，比如一艘船可以作为载体100。该系统总体包括湿端200和干端600，两者之间通过电缆连接。所述湿端200包括换能器阵300、电子分机400和温度传感器500，湿端200通常处于水面103以下；所述干端600包括终端计算机601，它们通常装在水面103以上。该系统通过换能器阵300向水中发射圆锥波束101，并接收海底多金属结核矿102的反射信号，经电子分机400处理后得到海底多金属结核矿声衰减引起的频移，从而得到海底多金属结核矿的其它物理特性，例如驰豫时间和粒径等。

一种对海底多金属结核矿进行测量的系统的装置示意图，如图2所示，它包括换能器阵300、电子分机400、温度传感器500和干端600；电子分机400包括发射机401、接收机402、数据采集器403、高速数字处理器404、声纳控制器405、控制计算机406、硬盘407和以太网408；干端600包括终端计算机601。以上这些构件均为常规产品或常规装置。

利用本实施例的对海底多金属结核矿进行测量的方法，执行步骤如图3所示：

步骤701是开始步骤，由终端计算机601发出指令，传输到控制计算机406，启动控制计算机406存储器中的程序，使声纳处于工作状态。

步骤702和703中，对系统的软件和硬件进行初始化。

步骤714中，根据海底深度，选择发射Chirp信号的参数。

步骤715中，控制计算机406经声纳控制器405产生用换能器阵300传递函数修正后的Chirp发射信号，然后驱动发射机401，再驱动换能器阵300，发出声脉冲到流体介质中。

步骤716中，换能器阵300接收从流体介质和海底多金属结核矿102反射回来的回波信号。

步骤717中，回波信号经接收机402馈送给数据采集器403采样，再馈送给高速数字信号处理器404。

步骤718中，高速数字信号处理器404将接收回波与用换能器阵300传递函数修正后的Chirp信号求相关，输出信号为解析信号Y(z)。

步骤719中，高速数字信号处理器404计算得到Y(z)的包络，如图4所示；图4是多次发射获得的多个包络构成的图像，上图为对海底多金属结核矿剖面包络图像，下图为某次包络的幅度表示；图中横坐标为深度方向，单位：米，纵坐标为航行方向，单位：0.1公里。

步骤720中，高速数字信号处理器404得到Y(z)的相位φ(z)，高速数字信号处理器404还执行了如下步骤：

步骤721中，计算得包络的第一峰位P₁；

步骤722中，计算得瞬时频率f_i(z)；

步骤723中，计算得与P₁对应的f_i(z)的左右n₁个f_i(z)值，本实施例中取n₁＝2；

步骤724中，计算得包络的第二峰位P₂；

步骤725中，计算得与P₂对应的f_i(z)的左右n₂个f_i(z)值，本实施例中取n₂＝2；

步骤726中，用最小二乘法拟合直线，得到斜率k，即每米频移。

步骤727中，高速数字信号处理器404处理的结果经控制计算机406可存在硬盘407中，也可经由以太网存在终端计算机601中。步骤727之后，返回步骤714进行下一次测量。

最后，可以将温度传感器500的数据经声纳控制器405馈送给控制计算机406，再经以太网408馈送给终端计算机601，给出校正后的实验数据。

利用上述实施例的对海底多金属结核矿进行测量的方法和系统进行实验，实验数据见表I和图5。实验中，该浅地层剖面仪装在CR-01 6000米水下机器人上，在西太平洋多金属结核矿区测量，离海底高约40m。实验进行了9次，每次实验取200帧的信号，求k的平均值，再对此9次k值求平均，见表I。

表I西太平洋多金属结核矿区k的试验数据

试验次数	平均每米频移k(Hz/m)
		1	-77.73
2	-73.70
		3	-66.44
4	-64.71
		5	-69.53
6	-69.24
		7	-70.09
8	-69.54
		9	-67.78
平均值	-69.85±3.88

利用公开文献的现有技术，例如在前面提到的L.R.Le Blanc等人的文章，得到每米频移与驰豫时间τ的关系，如图5所示。由图5可知，多金属结核矿的驰豫时间τ＝0.126±0.007。

Claims (2)

1、一种对海底多金属结核矿进行测量的声学方法，包括如下步骤：

1)根据作用距离和用途选择线性调频信号的参数；

2)用换能器的传递函数修正线性调频信号；

3)发射修正后的线性调频信号；然后接收流体介质和海底多金属结核矿反射回来的回波；

4)对接收的回波进行滤波和采样；

5)将上一步骤4)所得到信号与用换能器的传递函数修正后的线性调频发射信号求相关，得出解析信号Y(z)由下式表示

Y(z)＝E(z)^eiφ(z)

其中，z是深度参数；

6)计算解析信号Y(z)的包络E(z)和相位φ(z)，φ(z)由下式表示

$\mathrm{\φ}\left(z\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}(Y\left(z\right)/E\left(z\right))}{\mathrm{Re}(Y\left(z\right)/E\left(z\right))}\right]$

7)首先搜索包络E(z)的第一个峰位P₁，它对应于海底的位置；其次搜索包络E(z)的第二个峰位P₂，它对应于第一层海底多金属结核矿的下界面；

8)根据式(3)将φ(z)对时间微分得到沿深度轴上的瞬时频率f_i(z)曲线；

9)在瞬时频率f_i(z)曲线上，分别以与P₁和P₂对应的f_i(z)为中心向两边各选n个点，并记下这些点的瞬时频率和坐标值；其中n为大于等于2的整数；

10)把上一步骤9)选中的10个瞬时频率点和坐标值进行最小二乘法直线拟合，得直线斜率k即每米频移；

11)如此重复步骤3)至步骤10)m次，可以得到k的平均值；其中，所述m取值为大于或等于9；

12)由k求得海底多金属结核矿的物理特性参数；所述海底多金属结核矿的物理特性参数包括驰豫时间和粒径

重复步骤1)一步骤12)测量一层以上的海底多金属结核矿声衰减与频率关系。

2、一种利用权利要求1所述的方法对海底多金属结核矿进行测量的系统，包括：

一换能器阵(300)、一温度传感器(500)分别与一电子分机(400)电连接，所述电子分机(400)与干端(600)通过电缆连接；

所述电子分机(400)包括一发射机(401)、一接收机(402)与一声纳控制器(405)电连接，所述声纳控制器(405)与一控制计算机(406)电连接；所述接收机(402)与一数据采集器(403)、一高速数字信号处理器(404)、所述控制计算机(406)顺序连接；一硬盘(407)与所述控制计算机(406)连接；

所述换能器阵(300)与所述发射机(401)、所述接收机(402)电连接；

所述温度传感器(500)与所述声纳控制器(405)电连接；

所述控制计算机(406)通过以太网(408)与所述干端(600)通信；

其特征在于：

所述高速数字信号处理器(404)，包括如下模块：

一用于将接收回波与用换能器传递函数修正后的线性调频发射信号求相关并输出解析信号Y(z)的相关计算模块；

用于计算出解析信号Y(z)的包络E(z)和相位φ(z)的第一计算模块；

用于计算出包络E(z)的第一峰位P₁以及瞬时频率f_i(z)，并在与P₁点对应的f_i(z)点左右各取整数n₁个f_i(z)，并记下它们的坐标值的第二计算模块；其中n₁为大于等于2的整数；

用于计算出包络E(z)的第二峰位P₂以及瞬时频率f_i(z)，并在与P₂点对应的f_i(z)点左右各取整数n₂个f_i(z)，并记下它们坐标值的第三计算模块；其中n₂为大于等于2的整数；

用于把选中的2(n₁+n₂+1)个瞬时频率f_i(z)坐标值进行最小二乘法直线拟合，得到斜率k的计算斜率k模块；

所述干端(600)包括一终端计算机(601)；

所述控制计算机(406)包括如下模块：

一用于软件和硬件初始化的初始化模块；

一用于跟踪水深、选择线性调频信号的参数的发射信号参数选择模块；

一发射用换能器传递函数修正后的线性调频信号，并接收流体介质和/或海底沉积层的反射回波信号的发射/接收模块；

一用于对所述数据采集器(403)的回波信号进行滤波和采集的滤波采集模块。

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