CN101975820B - 海底沉积声学参数原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底沉积声学参数原位测量装置，包括一个下方为重力取样管的重力取样器、发射换能器、接收换能器和设置在重力取样器的重力取样管上方的内含控制程序的中央控制装置，有至少四个发射换能器和至少四个接收换能器经由支撑架固定于重力取样管上，其中有两个发射换能器对称地设置在重力取样管上部的外侧面上；另外两个发射换能器对称地设置在重力取样管下部的外侧面上；接收换能器均设置于两组发射换能器之间的重力取样管上；并且发射换能器和接收换能器的轴线均与重力取样管的轴线平行。本发明结构简单、探测效果明显、增加了探测深度和提高了对不同底质条件的适应性，显著提高了换能器的传播距离，大大节省了探测成本和时间。

Description

海底沉积声学参数原位测量装置

技术领域

本发明属于海洋物理声学参数测量设备，具体地是涉及一种用于在海底原位状态下测量沉积物声学参数的设备——海底沉积声学参数原位测量装置。

背景技术

海底沉积物声学参数因其在海洋工程勘察、海底资源勘探开发以及海底环境监测等领域的重要应用价值而日益受到关注，如何准确获取这些参数是目前迫切需要解决的技术难题。原位测量技术提供了一种思路，即将测量设备送到海底，并使其在尽可能小的扰动沉积物原始状态的条件下测量这些参数。目前的海底沉积物声学原位测量技术，根据测量对象和实现方式的不同分为两类，第一类以ISSAMS和SAPPA为代表的横向测量技术，通过动力装置将一个安装发射换能器的探杆和几个安装接收换能器的探杆相互平行地插入沉积物，用来测量海底以下某一层位沉积物的声学参数；第二类则是以声学长矛及其派生的多频海底声学原位测试系统为代表的垂向测量技术，能够测量海底以下一定深度范围内的沉积物的平均速度。声学长矛和多频海底声学原位测试系统都是采用以下技术方案：即将一个或几个发射换能器和一系列接收换能器(水听器)分别绑定在钢矛或重力取样管的尾端和前端，在重力作用下插入海底沉积物后，通过甲板系统控制发射换能器发射一定能量的波形，并利用水听器对通过沉积物传播过来的这一波形进行采集，进而对这些波形进行处理、分析，最终推算出声传播介质即沉积物的声学参数。

现有以声学长矛及其派生的多频海底声学原位测试系统为代表的垂向测量技术主要存在以下问题：

1)探测深度受到限制：探测深度根本上取决于接收换能器能够在距声源多大距离外感应到可识别的有效声信号，这除了与发射换能器的发射电压响应、接收换能器的灵敏度有关外，还与换能器的指向性密切相关。指向性越好，声信号传播距离越远，探测深度越大。现有技术在换能器选择以及排列布局上未充分考虑指向性问题，限制了探测深度；

2)换能器未全部插入时测量不准确：如果海底沉积物较硬或粘度较大，可能造成仅部分接收换能器插入沉积物，其余的则出露在水中，发射出的声波通过水和沉积物两种介质传播，在实际插入深度无法确定的情况下，计算出的声学参数并非沉积物实际的参数。

发明内容

本发明目的是提供一种海底沉积声学参数原位测量装置，以弥补现有技术的不足。

一种海底沉积声学参数原位测量装置，该装置包括一个下方为重力取样管的重力取样器、发射换能器、接收换能器和设置在重力取样器的重力取样管上方的内含控制程序的中央控制装置，其特征在于有至少四个发射换能器和至少四个接收换能器经由支撑架固定于重力取样管上，其中有两个发射换能器对称地设置在重力取样管上部的外侧面上；另外两个发射换能器对称地设置在重力取样管下部的外侧面上；所述的接收换能器均设置于两组发射换能器之间的重力取样管上；并且发射换能器和接收换能器的轴线均与重力取样管的轴线平行。

考虑到发射换能器或接收换能器能均匀地发射或接收信号，上述发射换能器和接收换能器的轴线环绕于重力取样管，且相邻两条轴线的间距相等。

考虑到安装与使用方便，上述接收换能器环绕于重力取样管呈螺旋分布。

考虑到减小发射换能器与接收换能器下插的阻力，上述发射换能器与接收换能器是底部为倒圆锥状的圆柱形结构体，且圆柱形结构体的外侧面上设有用于固定支撑架的环状凹槽。

考虑到便于固定发射换能器与接收换能器，上述的支撑架是一侧设有两条支撑臂的管状结构体。

考虑到将两个发射换能器或接收换能器设置于同一水平高度的需要，上述的支撑架是外侧面对称地设有两对支撑臂的管状结构体。

考虑到海底状况的不同，上述重力取样器的重力取样管可以用钢矛代替。

上述的发射换能器和接收换能器均为圆片形纵向振动换能器。

上述中央控制装置内的控制程序，含有常规的系统初始化程序以及入泥静止判定程序，还包括声波分时发射程序与声波多路接收程序。

所述的声波分时发射程序，是入泥静止后，中央控制装置中的声波发射控制模块按照预设的时间顺序、发射波形、发射电压和发射频率产生声波信号，使各个发射换能器依次发射声波信号。

所述的声波多路接收程序，是声波发射控制模块在上述声波分时发射的同时，同步发出一个外触发同步信号给中央控制装置的声波采集控制模块，收到该信号的声波采集控制模块采集来自各个接收换能器的信号，并存储起来。

本发明结构简单、探测效果明显、尤其是增加了探测深度和提高了重力取样装置对不同底质条件的适应性，大大节省了探测成本和时间。本发明通过换能器结构设计和布局设局实现了定向发射和定向接收，最大程度上发挥了换能器自身的工作效能，显著提高了换能器的传播距离，增加探测的深度；通过前后两端均安装发射换能器的布局和分时发射/多道同步接收的工作方式，实现了在探针未完全插入沉积物时也能得到较准确的测量参数，对浅水底质较硬时尤为重要。

附图说明

图1为本发明总体结构的平面示意图。

图2为本发明的仰视图。

图3为本发明总体结构的立体示意图。

图4为本发明的发射或接收换能器的结构示意图。

图5为本发明的支撑架结构示意图。

图6为本发明的另一种支撑架结构示意图。

图7为本发明的中央控制装置内的控制程序流程图。

其中，1、重力取样管，2、发射换能器，3、接收换能器，4、支撑架，5、凹槽，6、中央控制装置，7、重力取样器。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括一个下方为重力取样管1的重力取样器7、发射换能器2、接收换能器3和设置在重力取样器7的重力取样管1上方的内含控制程序的中央控制装置6，其特征在于有至少四个发射换能器2和至少四个接收换能器3经由支撑架4固定于重力取样管1上，其中有两个发射换能器2对称地设置在重力取样管1上部的外侧面上；另外两个发射换能器2对称地设置在重力取样管1下部的外侧面上；所述的接收换能器3均设置于两组发射换能器2之间的重力取样管1上，且相邻的两个接收换能器3的垂直距离相等，即相邻的两个接收换能器3的支撑架4距离相等；并且发射换能器2和接收换能器3的轴线均与重力取样管1的轴线平行，以确保发射换能器2、接收换能器3与重力取样管1在进行原位测量时能一致保持垂直。

如图2所示，考虑到发射换能器2或接收换能器能3均匀地发射或接收信号，上述发射换能器2和接收换能器3的轴线环绕于重力取样管1，且相邻两条轴线的间距相等。因采用同样的支撑架4，上述固定发射换能器2或接收换能器能3的轴线至重力取样管1轴线的距离相等；只要发射/接收换能器2、3相邻两条轴线与重力取样管1轴线的夹角相等，就能够使相邻两条轴线间距相等，如在附图2中，共有十个发射/接收换能器2、3，该夹角就是36度。

考虑到安装与使用方便，上述接收换能器3还可以环绕于重力取样管1呈螺旋分布。

如图3所示，考虑到减小发射换能器2与接收换能器3下插的阻力，上述发射换能器2与接收换能器3是底部为倒圆锥状的圆柱形结构体，且圆柱形结构体的外侧面上设有两道用于固定支撑架4的环状凹槽5。

如图4所示，考虑到便于固定发射换能器2与接收换能器3，上述的支撑架4是一侧设有两条支撑臂的管状结构体。管状结构的支撑架4可以方便地套置在重力取样管1外，并通过两条支撑臂固定发射换能器2或接收换能器3。

如图5所示，考虑到将两个发射换能器2或接收换能器3设置于同一水平高度的需要，上述的支撑架4是外侧面对称地设有两对支撑臂的管状结构体；外侧面也设置三对或以上的支撑臂，并使相邻两对支撑臂的夹角相等。这种结构尤其适合设置固定位于重力取样管1上部或下部的发射换能器2。

考虑到海底状况的不同，上述的重力取样管1是以钢矛代替。

上述发射换能器2和接收换能器3均可采用现有的圆片形纵向振动换能器。

进行水下测量时，前端的发射换能器2定向向后发射声波，后端的发射换能器2则定向向前发射声波。位于上下两组发射换能器2之间的六只接收换能器3分别接收来自上、下两组发射换能器2发出的声波信号。

上述中央控制装置6内的控制程序，包括常规的系统初始化程序以及入泥静止判定程序，还包括声波分时发射程序与声波多路接收程序，以实现与上述换能器布局对应的工作流程，整个控制程序如下：

(1)系统初始化：在甲板上将上位机与中央控制装置6相连，并通过上位机输入各种声波发射和采集参数，包括：发射波形、发射电压、发射频率在内的发射参数以及包括前置放大控制、自动增益控制、采样率、采样长度、信号幅度在内的接收参数；

(2)入泥静止判定：在系统下水过程中，中央控制装置6通过的三轴加速度传感器持续采集系统的加速度信号，利用预设程序判断是否已插入沉积物；

(3)声波分时发射：入泥静止后，中央控制装置6的声波发射控制模块按事先设定好的发射波形、发射电压和发射宽度(频率)产生声波信号，然后使各个发射换能器依次发射声波信号，即该发射过程为分时发射，如按照预设的时间顺序，可通过与发射换能器2相连的继电器切换依次发射声波信号；

(4)声波多路接收：在声波发射控制模块发射声波信号的同时，同步发出一个外触发同步信号给声波采集控制模块，收到该信号的声波采集控制模块同步检测、采集来自各个接收换能器3的信号，并存储起来；

(5)上提判定：首先判断是否达到预设的工作时间，或者判断是否有上提指令，如果不是，则继续进行步骤(4)，如果是，则提起钢缆，系统从沉积物中拔出，结束声波发射和采集；

(6)数据输出：回收到甲板后，再次将上位机与中央控制装置6相连，导出采集的数据，结束整个工作过程。

其中，上述步骤1～2、5～6均是海底沉积声学参数原位测量的常规步骤，并可采用现有的程序来实现。

Claims (7)

1.一种海底沉积声学参数原位测量装置，该装置包括一个下方为重力取样管(1)的重力取样器(7)、发射换能器(2)、接收换能器(3)和设置在重力取样器(7)的重力取样管(1)上方的内含控制程序的中央控制装置(6)，其特征在于有至少四个发射换能器(2)和至少四个接收换能器(3)经由支撑架(4)固定于重力取样管(1)上，其中有两个发射换能器(2)对称地设置在重力取样管(1)上部的外侧面上；另外两个发射换能器(2)对称地设置在重力取样管(1)下部的外侧面上；所述的接收换能器(3)均设置于两组发射换能器(2)之间的重力取样管(1)上；并且发射换能器(2)和接收换能器(3)的轴线均与重力取样管(1)的轴线平行；

上述发射换能器(2)和接收换能器(3)的轴线环绕于取样管(1)，且相邻两条轴线的间距相等；

上述的中央控制装置(6)内的控制程序包括声波分时发射程序与声波多路接收程序，其中：所述的声波分时发射程序，是入泥静止后，中央控制装置(6)中的声波发射控制模块按照预设的时间顺序、发射波形、发射电压和发射频率产生声波信号，使各个发射换能器(2)依次发射声波信号；所述的声波多路接收程序，是声波发射控制模块在上述声波分时发射的同时，同步发出一个外触发同步信号给中央控制装置(6)的声波采集控制模块，收到该信号的声波采集控制模块采集来自各个接收换能器(3)的信号，并存储起来。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于上述接收换能器(3)环绕于重力取样管(1)呈螺旋分布。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于上述发射换能器(2)与接收换能器(3)是底部为倒圆锥状的圆柱形结构体，且圆柱形结构体的外侧面上设有用于固定支撑架(4)的环状凹槽(5)。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于上述的支撑架(4)是一侧设有两条支撑臂的管状结构体。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于上述的支撑架(4)是外侧面对称地设有两对支撑臂的管状结构体。

6.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于上述的重力取样管(1)是以钢矛代替。

7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于上述的发射换能器(2)和接收换能器(3)均为圆片形纵向振动换能器。

Images