CN101923073B - 基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统 - Google Patents

Abstract

基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，包括框架，发射及接收换能器，换能器贯入装置，其特征是该贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置：包括由液压泵驱动的液压杆，固定于液压杆上端的上、下动滑轮，固定于框架上部的三个上定滑轮和固定于框架下部的三个下定滑轮，有两条钢缆穿过活动压盘中部的两个通孔，向上依次绕过两个上定滑轮、上动滑轮和另一个上定滑轮而固定于框架，向下依次绕过两个下定滑轮、下动滑轮和另一个下定滑轮而固定于框架。本发明适合多种海底沉积物底质类型，贯入效果显著，应用范围广；对海底沉积物扰动小，对换能器冲击小，稳定性高，测量精度高；在海底全自动工作而无需实时操控，减少海上调查成本。

Description

基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统

技术领域

本发明涉及一种海洋测量设备，具体涉及一种基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，属于海洋物理测量技术领域。

背景技术

包括声速和声衰减系数在内的海底沉积物的声学特性是表征海底沉积物基本物理性质的重要参数之一，通过对海底沉积物声速和声衰减系数的测量可以为水下潜艇导航、反潜、水声设备的设计和使用等军事活动提供重要参数，对于国防建设具有重要意义。而且，利用沉积物的声速和声衰减系数等声学特性参数评价海底岩土工程性质，其在海洋工程勘察、海底资源勘探开发等领域具有重要的应用价值。目前，现有一种原位测量技术是将声学换能器固定在海底沉积物重力取样器上，发射换能器位于取样管上部，往下等间距排列一组接收换能器，在距海底一定高度释放重力取样器，重力取样器靠自重带动声学换能器快速插入沉积物，通过发射和接收声波信号，实现对海底沉积物声速和声衰减系数的原位测量，该技术通过通讯电缆实时控制设备在海底工作状态，并将测量数据实时回传至甲板控制单元。该技术存在如下问题：(1)靠重力取样器自重带动声学换能器快速插入海底沉积物，对沉积物扰动很大，降低测量精度，而且，对换能器造成很大冲击，使其容易损坏；(2)设备通过通讯电缆由甲板单元控制其在海底的工作，采集的声波数据通过电缆实时回传至甲板单元，增加了对设备搭载船舶的要求(要求船舶必须配有铠甲缆)，增加海上调查成本；(3)设备只适用于较软海底，当海底底质较硬时，很难插入沉积物中，致使测量失败，降低工作效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，以克服现有技术的上述缺点。

本发明利用液压组合驱动机构将发射换能器和接收换能器缓慢匀速贯入到海底沉积物指定深度，采用嵌入式智能集成芯片为自动控制单元的核心，以程序控制为手段，实现设备在海底工作的自动控制和监测，系统采集的声波信号自容式存储于存储单元，无需实时向甲板回传数据。

基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，该系统包括带有起重吊环的框架，固接有发射换能器的发射探杆和固接有接收换能器的接收探杆，以及固定于框架上的内含自动控制单元和声波发射采集单元的密封仓，和换能器贯入装置，其特征在于所述的换能器贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置，该换能器贯入装置包括：固定于框架底部的液压泵、由该液压泵驱动的液压缸内的液压杆，固定于该液压杆上端的下动滑轮与上动滑轮，以及固定在框架上部的三个上定滑轮，固定于框架下部的三个下定滑轮，并有两条相互平行的钢缆穿过活动压盘中部的两个通孔，向上依次绕过两个上定滑轮、上动滑轮以及另一个上定滑轮而固定在框架上，向下依次绕过两个下定滑轮、下动滑轮以及另一个下定滑轮而固定在框架上；所述活动压盘是一个矩形板状结构体，且还带有一个发射探杆安装孔和至少两个接收探杆安装孔。

考虑到便于生产制造以及装配使用，上述发射探杆和接收探杆结构相同，均是中间有通孔、底部设有外螺纹的圆柱形管状结构体，该管状结构体顶部安装有水密插头，并且经由连接法兰固定于活动压盘上。

考虑到便于生产制造、装配使用以及与发射探杆和接收探杆相配合，上述发射换能器和接收换能器结构相同，均是底部带有贯入锥、顶部设有锁紧螺母的圆柱形结构体，该圆柱形结构体内部设有与贯入锥相连的中心承载轴，并有至少两个圆环形的压电陶瓷管并排套置在该中心承载轴上，在压电陶瓷管与中心承载轴之间填充有隔声橡胶垫；顶部的锁紧螺母可以使发射换能器和接收换能器通过发射探杆和接收探杆上的外螺纹固接于探杆上。

考虑到液压驱动的效果以及增加钢缆的承载能力，故将上述活动压盘的中部设有两个通孔，并以两条相互平行的钢缆穿过活动压盘的通孔，且上、下定滑轮与上、下动滑轮均是绕有两条钢缆的双缆滑轮。

考虑到钢缆与活动压盘的固接效果，上述钢缆通过现有的锁紧卡环与活动压盘固接。

考虑到便于判断整个系统在海底是否稳定，上述密封仓内设有倾角传感器。

考虑到便于判断是否达到下插深度，上述液压缸内设有位移传感器。

考虑到便于测量运动过程中的液压油压力，上述液压泵内设有压力传感器。

本发明在执行发射探杆和接收探杆下插任务时，在液压泵的驱动下液压杆伸出液压缸，液压杆通过钢缆和整个滑轮组合机构带动活动压盘向下运动，固定在活动压盘上的发射探杆和接收探杆在活动压盘的压力下缓慢匀速插入沉积物中，发射换能器和接收换能器也同时贯入到海底沉积物中指定深度。在执行发射探杆和接收探杆上提任务时，液压杆反向运动，缩回液压缸，通过钢缆和滑轮组合机构带动活动压盘向上运动，即可将发射换能器和接收换能器上提出沉积物。

本发明专利的优点在于：(1)发射换能器和接收换能器的中心承载轴设计，使其能够承受很大的下插力，并且采用多个压电陶瓷管串并联设计，提高了发射换能器的发射电压响应和接收换能器的接收灵敏度；(2)液压组合驱动贯入装置设计，将发射换能器和接收换能器缓慢匀速贯入到海底沉积物中，与靠重力快速插入相比，对沉积物扰动小；(3)液压组合驱动贯入装置提供较大贯入力，对于较硬的海底底质，也能将发射换能器和接收换能器贯入到海底沉积物中，拓宽了设备适用范围；(4)自动控制单元对设备在海底的工作过程和状态进行自动监测和控制，无需甲板单元的实时操控，使设备的吊放回收无需配备具有信号传输功能的铠甲缆，降低了对设备搭载船舶的要求，减少海上调查成本。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的平面结构示意图。

图3为本发明的活动压盘结构示意图。

图4为本发明的双缆绳滑轮结构示意图。

图5为本发明的发射探杆或接收探杆结构示意图。

图6为本发明的发射换能器或接收换能器结构示意图。

图7为本发明的自动控制单元的程序控制流程图。

图8为本发明的声波发射采集单元结构示意图。

其中，1.框架2.起重吊环3.自动控制单元4.声波发射采集单元5.发射换能器6.接收换能器7.发射探杆8.接收探杆9.活动压盘10.钢缆11.上定滑轮12.上动滑轮13.下动滑轮14.液压杆15.液压缸16.液压泵17.下定滑轮18.发射探杆安装孔19.接收探杆安装孔20.通孔21.锁紧卡环22.水密插头23.连接法兰24.位移传感器25.压力传感器26.倾角传感器27.密封仓28.中心承载轴29.压电陶瓷管30.隔声橡胶垫31.封堵环32.锁紧螺母33.信号电缆34.贯入锥35.声波发射模块36.声波采集模块37.数据存储与I/O模块38.发射采集控制模块39.信号发生电路40.脉冲波增压电路41.正弦波增压电路42.继电器43.信号调理电路44.压控放大电路45.高速AD转换器46.DA转换器。

具体实施方式

如图1、3所示，本发明包括带有起重吊环2的框架1，固接有发射换能器5的发射探杆7和固接有接收换能器6的接收探杆8，以及固定于框架1上的内含自动控制单元3和声波发射采集单元4的密封仓27，和换能器贯入装置，其特征在于所述的换能器贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置，该换能器贯入装置包括固定于框架1底部的液压泵16、由该液压泵16驱动的液压缸15内的液压杆14，固定于该液压杆14上端的下动滑轮13与上动滑轮12，以及固定在框架1上部的三个上定滑轮11，固定于框架1下部的三个下定滑轮17，和固接有发射探杆7和接收探杆8的活动压盘9，并有两条相互平行的钢缆10穿过活动压盘9中部的两个通孔20，向上依次绕过两个上定滑轮11、上动滑轮12以及另一个上定滑轮11而固定在框架1上，向下依次绕过两个下定滑轮17、下动滑轮13以及另一个下定滑轮17而固定在框架1上；所述活动压盘9是一个矩形板状结构体，且还带有一个发射探杆安装孔18和至少两个接收探杆安装孔19。

如图5所示，考虑到便于生产制造以及装配使用，上述发射探杆7或接收探杆8是中间有通孔、底部设有外螺纹的圆柱形管状结构体，其顶部安装有水密插头22，并且经由连接法兰23固定于活动压盘9上。

如图5、6所示，考虑到便于生产制造、装配使用以及与发射探杆7和接收探杆8相配合，上述发射换能器5或接收换能器6是底部带有贯入锥34、顶部设有锁紧螺母32的圆柱形结构体，该圆柱形结构体内部设有与贯入锥34相连的中心承载轴28，并有至少两个圆环形的压电陶瓷管29并排套置在该中心承载轴28上，在压电陶瓷管29与中心承载轴28之间填充有隔声橡胶垫30；顶部的锁紧螺母32可以使发射换能器5或接收换能器6通过发射探杆7和接收探杆8上的外螺纹固接于探杆上。

如图4所示，考虑到液压驱动的效果以及增加钢缆10的承载能力，故将上述活动压盘9的中部设有两个通孔20，并以两条相互平行的钢缆10穿过活动压盘9的通孔20，且上、下定滑轮11、17与上、下动滑轮12、13均是绕有两条钢缆10的双缆滑轮。

考虑到钢缆10与活动压盘9的固接效果，上述钢缆10通过现有的锁紧卡环21与活动压盘9固接。

如图1所示，考虑到便于判断本发明触底时是否稳定，上述密封仓27内设有倾角传感器26，用来测量触底后的倾斜度，如果设备倾角大于预设阈值，则系统停止工作，防止设备发生侧翻。

如图1、3所示，考虑到便于判断是否达到下插深度，上述液压缸15内设有位移传感器24，用来测量液压杆14的运动位移，进而计算发射探杆7和接收探杆8的下插深度，此位移信号可以提供给自动控制单元3，作为发出控制指令的判断信号。

考虑到便于测量运动过程中的液压油压力，上述液压泵16内设有压力传感器25，用来测量贯入过程中的液压油压力，为自动控制单元3提供控制判断信号。

本发明的框架1可由不锈钢管焊接而成，考虑到发射、接收探杆7、8的实际尺寸，框架1的底盘为长1800mm、宽1500mm的长方形，底盘上安装有液压泵16、液压缸15、上定滑轮11。框架1上部安装有起重吊环2，以方便船上的起重机将本发明吊装入水。

本发明的活动压盘9为长1400mm、宽360mm、厚120mm的矩形铁盘，发射探杆7和接收探杆8均通过其顶部的连接法兰23安装于活动压盘9之上。为防止探杆本身对声波传播的影响，发射探杆安装孔18位于活动压盘9的中心线，两个接收探杆安装孔19均偏离中心线，偏离的垂直距离为100mm；两个接收探杆安装孔19的中心距发射探杆安装孔18的中心距离分别为800mm和1200mm。

本发明的发射探杆7和接收探杆8结构相同，均为中间有通孔的圆柱形管状结构体，长为105mm，外径为50mm。发射探杆7和接收探杆8顶端安装有水密插头22，发射换能器5和接收换能器6的信号电缆33经过发射探杆7和接收探杆8的中心通孔与水密插头22连接。

如图2所示，本发明的活动压盘9中部的两个通孔20之间距离为200mm。如图4所示，上定滑轮11和下定滑轮17、上动滑轮12、下动滑轮13均为可以缠绕两条钢缆的双缆滑轮。不但增加钢缆10的承载力，还能够使活动压盘9在运动过程中达到很好的平衡。

本发明的发射换能器5和接收换能器6的结构相同，附图4、5中，其中心均设有直径约为25mm的中心承载轴28，发射换能器5为四个圆环形压电陶瓷管29并联后并排套装在中心承载轴28上，以提高其发射电压响应，接收换能器6为四个圆环形压电陶瓷管29串联后套装在中心承载轴28上，以提高其接收灵敏度。换能器贯入装置提供的下插压力直接作用于中心承载轴28上，保护了压电陶瓷管29，使发射换能器5和接收换能器6能够承受很大的下插力。连接压电陶瓷管29的信号电缆33从发射换能器5和接收换能器6的中心承载轴28中心引出。压电陶瓷管29与中心承载轴28之间填充有隔声橡胶垫30，防止声波振动沿中心承载轴28传播。压电陶瓷管29的前后两端安装有封堵环31，外围灌封有透声耐磨橡胶。

所述的自动控制单元3由现有的单片机、外围硬件电路及固化于单片机芯片内的软件程序组成，在软件程序的控制下，实现系统在海底工作过程的自动控制和监测。

如图7所示，本发明的自动控制单元3的程序流程包括以下步骤：1)参数设定，2)触底及倾角判断，3)探杆下插，4)数据采集，5)探杆上提；

所述的步骤1)参数设定是通过上位机设置自动控制单元3的工作参数，包括设置探杆下插或上提的时间、液压泵过载压力与下插深度；

所述的步骤2)触底及倾角判断是在步骤1)的参数设置完成之后，整个探测系统下水时依次进行触底及倾角判断；如果未触底则记录未触底信息至监控文件并继续向下运动；如果触底则记录触底信息至监控文件并开始计时并进行倾角判断；如果倾角不小于预设值，则记录倾角信息至监控文件并停止工作；如果倾角小于预设值，则进行步骤3)探杆下插；

所述的步骤3)探杆下插是启动液压泵16，使发射探杆7和接收探杆8下插，并实时监测探杆的位移、液压泵工作压力和计时状态，即自动控制单元3通过位移传感器24和压力传感器25实时监测发射探杆7和接收探杆8的下插深度以及液压泵16的工作压力，若发射探杆7和接收探杆8下插到位或出现液压泵16的工作压力过载以及下插时间超时的情况，自动控制单元3关闭液压泵16，并将包括下插超时、压力过载、下插深度的状态信息记录到监控文件，然后进行步骤4)数据采集；

所述的步骤4)数据采集是自动控制单元3向声波发射采集单元4发送开始工作指令，并开始计时；声波发射采集单元4收到工作指令后开始工作，并反馈应答指令；若自动控制单元3未监测到应答指令，则记录未收到应答指令的信息至监控文件，然后等待至预先设定的时延后启动液压泵16，执行发射探杆7和接收探杆8上提操作，若接收到应答指令，自动控制单元3开始监测声波发射采集单元4发送的工作完成指令；若监测到工作完成指令，则开始启动液压泵16，否则记录未收到工作完成指令的信息至监控文件，等待至预先设定的时延后，然后启动液压泵16；

所述的步骤5)探杆上提是启动液压泵16后，发射探杆7和声学接收探杆8开始上提，与下插过程相仿，在上提过程中，自动控制单元3通过位移传感器24和压力传感器25实时监测发射探杆7和接收探杆8的上提高度以及液压泵16的工作压力，若发射探杆7和接收探杆8上提到位或出现液压泵16的工作压力过载以及上提时间超时的情况，自动控制单元3关闭液压泵16，整个控制流程结束。

然后，回收设备至船甲板，连接通讯电缆，导出声波采集数据文件和监控文件。在整个控制流程中，自动控制单元3实时将监测到的设备工作状态记录到监测文件，根据监测文件可以方便地判断设备在海底的工作状态或出现故障的原因。

如图7所示，本实施例的倾角预设值为20°。

如图8所示，本发明的声波发射采集单元4，包括发射采集控制模块38、声波发射模块35、声波采集模块36和数据存储与I/O模块37四部分；

所述的声波发射模块35由信号发生电路39、继电器42以及均与信号发生电路39和继电器42连接的脉冲波增压电路40与正弦波增压电路41组成；并由发射采集控制模块38对信号发生电路39与继电器42进行控制；

所述的声波采集模块36包括与接收换能器6相连的信号调理电路43、与信号调理电路43相连的压控放大电路44、且每个压控放大电路44均分别经由高速AD转换器45和DA转换器46与发射采集控制模块38连接；

所述的高速AD转换器45又分别与发射采集控制模块38和数据存储与I/O模块37连接、该数据存储与I/O模块37又与发射采集控制模块38连接；所述的发射采集控制模块38又与自动控制单元3接连。

如图8所示，声波发射采集单元4工作时，发射采集控制模块38响应来自系统自动控制单元3的开始工作指令，接收来自数据存储与I/O模块37的工作参数，并控制声波发射模块35和声波采集模块36按预设的工作参数发射和采集声波信号，向自动控制单元3发送本单元工作完成指令；

信号发生电路39根据预设的发射波形、频率、波数等发射参数产生低压的脉冲波或正弦波，然后分别通过脉冲波增压电路40和正弦波增压电路41增压至设定高压，由发射采集控制模块38控制继电器42接通脉冲波增压电路40或正弦波增压电路41，向发射换能器5提供高压脉冲激励信号或正弦波激励信号，产生不同频率的声波信号。信号调理电路43对由两个接收换能器6接收到的两通道声波信号进行前置放大和滤波，然后传输给压控放大电路44，压控放大电路44对两个接收通道信号进行自动增益控制处理，然后经高速AD转换器45转换成数字信号后存储于数据存储与I/O模块37；

该数据存储与I/O模块37既用于存储声波采集模块36采集到的两通道声波波形数据，也负责接收来自甲板计算机的工作参数的设置，并将工作参数传送给发射采集控制模块38。

Claims (6)

1.基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，该系统包括带有起重吊环(2)的框架(1)，固接有发射换能器(5)的发射探杆(7)和固接有接收换能器(6)的接收探杆(8)，以及固定于框架(1)上的内含自动控制单元(3)和声波发射采集单元(4)的密封仓(27)，和换能器贯入装置，其特征在于所述的换能器贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置：包括固定于框架(1)底部的液压泵(16)、由该液压泵(16)驱动的液压缸(15)内的液压杆(14)，固定于该液压杆(14)上端的下动滑轮(13)与上动滑轮(12)，以及固定在框架(1)上部的三个上定滑轮(11)，固定于框架(1)下部的三个下定滑轮(17)，并有两条相互平行的钢缆(10)穿过活动压盘(9)中部的两个通孔(20)，向上依次绕过两个上定滑轮(11)、上动滑轮(12)以及另一个上定滑轮(11)而固定在框架(1)上，向下依次绕过两个下定滑轮(17)、下动滑轮(13)以及另一个下定滑轮(17)而固定在框架(1)上；所述活动压盘(9)是一个矩形板状结构体，且还带有一个发射探杆安装孔(18)和至少两个接收探杆安装孔(19)；所述的上、下定滑轮(11、17)与上、下动滑轮(12、13)均是绕有两条钢缆(10)的双缆滑轮；并且上述密封仓(27)内设有倾角传感器(26)；上述液压缸(15)内设有位移传感器(24)；上述液压泵(16)内设有压力传感器(25)。

2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述发射探杆(7)或接收探杆(8)是中间有通孔、底部设有外螺纹的圆柱形管状结构体，该管状结构体的顶部安装有水密插头(22)，且经由连接法兰(23)固定于活动压盘(9)上。

3.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述发射换能器(5)或接收换能器(6)是底部带有贯入锥(34)、顶部设有锁紧螺母(32)的圆柱形结构体，该圆柱形结构体内部设有与贯入锥(34)相连的中心承载轴(28)，并有至少两个圆环形的压电陶瓷管(29)并排套置在该中心承载轴(28)上，在压电陶瓷管(29)与中心承载轴(28)之间填充有隔声橡胶垫(30)。

4.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述钢缆(10)通过锁紧卡环(21)与活动压盘(9)固接。

5.如权利要求1所述的探测系统，其特征是上述自动控制单元(3)的程序流程包括以下步骤：1)参数设定，2)触底及倾角判断，3)探杆下插，4)数据采集，5)探杆上提；

所述的步骤1)参数设定是通过上位机设置自动控制单元(3)的工作参数，包括设置探杆下插或上提的时间、液压泵过载压力与下插深度；

所述的步骤2)触底及倾角判断是在步骤1)的参数设置完成之后，整个探测系统下水时依次进行触底及倾角判断；如果未触底则记录未触底信息至监控文件并继续向下运动；如果触底则记录触底信息至监控文件并开始计时并进行倾角判断；如果倾角不小于预设值，则记录倾角信息至监控文件并停止工作；如果倾角小于预设值，则进行步骤3)探杆下插；

所述的步骤3)探杆下插是启动液压泵(16)，使发射探杆(7)和接收探杆(8)下插，并实时监测探杆的位移、液压泵工作压力和计时状态，即自动控制单元(3)通过位移传感器(24)和压力传感器(25)实时监测发射探杆(7)和接收探杆(8)的下插深度以及液压泵(16)的工作压力，若发射探杆(7)和接收探杆(8)下插到位或出现液压泵(16)的工作压力过载以及下插时间超时的情况，自动控制单元(3)关闭液压泵(16)，并将包括下插超时、压力过载、下插深度的状态信息记录到监控文件，然后进行步骤4)数据采集；

所述的步骤4)数据采集是自动控制单元(3)向声波发射采集单元(4)发送开始工作指令，并开始计时；声波发射采集单元(4)收到工作指令后开始工作，并反馈应答指令；若自动控制单元(3)未监测到应答指令，则记录未收到应答指令的信息至监控文件，然后等待至预先设定的时延后启动液压泵(16)，执行发射探杆(7)和接收探杆(8)上提操作；若接收到应答指令，自动控制单元(3)开始监测声波发射采集单元(4)发送的工作完成指令；若监测到工作完成指令，则开始启动液压泵(16)，否则记录未收到工作完成指令的信息至监控文件，等待至预先设定的时延后，然后启动液压泵(16)；

所述的步骤5)探杆上提是启动液压泵(16)后，发射探杆(7)和接收探杆(8)开始上提，在上提过程中，自动控制单元(3)通过位移传感器(24)和压力传感器(25)实时监测发射探杆(7)和接收探杆(8)的上提高度以及液压泵(16)的工作压力，若发射探杆(7)和接收探杆(8)上提到位或出现液压泵(16)的工作压力过载以及上提时间超时的情况，自动控制单元(3)关闭液压泵(16)，整个程序流程结束。

6.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述的声波发射采集单元(4)包括发射采集控制模块(38)、声波发射模块(35)、声波采集模块(36)和数据存储与I/O模块(37)四部分；

所述的声波发射模块(35)由信号发生电路(39)、继电器(42)以及均与信号发生电路(39)和继电器(42)连接的脉冲波增压电路(40)与正弦波增压电路(41)组成；并由发射采集控制模块(38)对信号发生电路(39)与继电器(42)进行控制；

所述的声波采集模块(36)包括与接收换能器(6)相连的信号调理电路(43)、与信号调理电路(43)相连的压控放大电路(44)、且每个压控放大电路(44)均分别经由高速AD转换器(45)和DA转换器(46)与发射采集控制模块(38)连接；

所述的高速AD转换器(45)又分别与发射采集控制模块(38)和数据存储与I/O模块(37)连接、该数据存储与I/O模块(37)又与发射采集控制模块(38)连接；所述的发射采集控制模块(38)又与自动控制单元(3)接连。

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