CN102109343A - 一种海底底质声学参数原位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声学测量系统，具体说是一种海底底质声学参数原位测量系统。包括通过电缆连接的水上部分和海底部分，其中，水上控制部分包括GPS模块、电源及电缆数据传输接口；海底部分包括电缆数据传输接口、声波发射激励电路、声波发射换能器探针、声波接收换能器探针及声波波形数据采集电路；所述水上部分通过USB接口与工控机相连；所述电缆数据传输接口将工控机下达的控制命令调制后通过电缆传送给海底部分、并对海底部分上传的数据解调后送至工控机进行处理、记录。采用本发明可以进行站点式测量，也可以连续拖动测量；得到的测量数据最接近其真实值，并且结构简单，稳定性好。操作灵活方便，测量效率更高。

Description

一种海底底质声学参数原位测量系统

技术领域

本发明涉及声学测量系统，具体说是一种海底底质声学参数原位测量系统。

背景技术

海底底质的声学特性对海洋环境声场有着重要的影响，是水雷潜艇探测、水中通信等研究不可缺少的内容。在我国主要是依靠部分海域(主要是在南海海域)的地质取样，测量分析样品的声学参数，这些研究还远远不能满足军事海洋声学的需要，主要原因有：一是取样站点少，没有代表性；二是地质取样较深，测量的声学参数是纵向的平均声参数，而军事上需要的一般是横向的表层沉积物的平均声参数；三是直到目前，我国还没有掌握海底底质声学参数原位测量技术，不能直接测量海底浅层沉积物的声学参数，依靠的是地质取样，实验室内测量分析，这种调查方式造成测量速度慢、效率低，测量数据不够准确。因此，海底表层底质声学参数原位快速测量设备是我国军事海洋学研究的现实需求，研发此类设备可以为我国提供一种目前缺少的海洋环境参数快速测量手段。

发明内容

针对现有技术中存在的取样点少、测量效率低以及测量数据不够准确的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可以随机取样、测量效率高以及测量数据准确的海底底质声学参数原位测量系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

包括通过电缆连接的水上部分和海底部分，其中，水上控制部分包括GPS模块、电源及电缆数据传输接口；海底部分包括电缆数据传输接口、声波发射激励电路、声波发射换能器探针、声波接收换能器探针及声波波形数据采集电路。

所述水上部分通过USB接口与工控机相连；所述电缆传输接口将工控机下达的控制命令调制后通过电缆传送给海底部分、并对海底部分上传的数据解调后送至工控机进行处理、记录。

所述水上部分的输出端通过电缆与声波发射激励电路相连、输入端通过电缆与声波波形数据采集电路相连，用于对海底部分传递控制命令和接收海底部分上传的数据信号。

所述声波发射换能器探针通过数据线与声波发射激励电路相连，所述声波接收换能器探针通过数据线与声波波形数据采集电路相连；声波发射换能器探针和声波接收换能器探针构成声系，用于采集数据信号。

海底部分整体为人字架形结构，人字架的两边为钢管，两钢管的一端焊接形成交叉点，该交叉点设有声波发射换能器探针，两钢管的另一端与交叉点之间设有声波接收换能器探针。

所述海底人字架的三个端点设有重力相等的加重铅球，该加重铅球使声波发射/接收换能器探针插入沉积物中，并使海底部分保持稳定。

所述声波发射换能器探针为宽频高能量发射探头；所述声波接收换能器探针为两个以上的高灵敏度接收探头。

所述声波发射激励电路及声波波形数据采集电路设置在电路密封耐压容器内；所述电路密封耐压容器固接在人字架上。

所述GPS模块内存有GPS定位程序，用于测定海底底质声学参数原位测量系统的大地坐标。

本发明具有如下优点：

1.可自行选择测量方式。可以站点式测量，也可以连续拖动测量；由于海底测量部分采用合理的人字架形构造，使测量方式可以根据需要进行站点式测量或航行拖动测量。这种测量方式节省了大量的人力和时间，极大地提高了海底底质声学参数测量的速度和效率。

2.测量数据精确。由于声波发射/接收换能器探针直接插入沉积物中测量，几乎对沉积物不产生扰动的状况下原位测量，得到的测量数据最接近其真实值。

3.结构简单，稳定性好。本发明海底底质声学参数原位测量系统操作灵活方便，测量效率更高，并且由于采用人字架形构造，保证了海底测量部分的稳定性。

附图说明

图1是本发明水上部分控制面板示意图；

图2本发明海底部分结构图；

图3是本发明系统结构原理图；

图4是本发明测量系统工作界面图；

图5是本发明测量系统参数设置界面图；

图6是本发明测量系统增益选择窗口图；

图7是本发明测量数据存储窗口图；

图8是本发明已存数据选择回放文件窗口图；

图9是本发明存储文件回放图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图3所示，本发明海底底质声学参数原位测量系统由两部分构成：水上部分和海底部分，本实施例两部分通过铠装电缆连接。

水上部分的主要功能是提供电源、控制处理记录声参数。水上部分包括通用USB即插即用接口、电缆数据传输接口、GPS定位模块。水上部分通过通用USB即插即用接口与工控机相连，水上部分输出端通过电缆数据传输接口与海底测量部分的声波发射激励电路相连、水上部分输入端通过电缆数据传输接口与海底测量部分的声波波形数据采集电路相连；所述工控机内部安装有WINDOWS XP系统，该工控机发送控制命令给水上部分；水上部分将工控机对海底部分的控制命令调制后通过电缆传送给海底部分、并对海底部分上传数据进行解调，再通过USB接口传递给工控机处理、记录。GPS模块内存有测定仪器的大地坐标的GPS定位程序。

海底部分的主要功能是发射、接收、采样、输送信号。如图2所示，海底部分是一个主体人字架形构造装置，用不锈钢管制成，人字架的两边为中空管，两中空管的一端相交形成交叉点，两中空管的另一端为支点，人字架上设有电路密封耐压容器8，电路密封耐压容器8内部安装有电缆数据传输接口、声波发射激励电路、声波波形数据采集电路；人字架的三个端点(即交叉点和两个支点)分别设有加重铅球12，目的是为了保证设备在海底的稳定性。

在本实施例中，声系由1个声波发射换能器探针9和4个声波接收换能器探针10组成，所述声波发射换能器探针9为宽频高能量声波发射探头，所述声波接收换能器探针10为两个以上的高灵敏度声波接收探头，声系结构采用一点发射，多点接收，发射接收在一条直线上，声波发射接收/探头采用针式形状，在压力作用下容易插入沉积物中。

声波发射激励电路控制发射探头激发声波的时间及强度，声波波形数据采集电路对来自接收探头的声波信号进行采样、放大和滤波并完成模数转换。数据传输接口接收来自水上部分的控制命令，并将声波波形数据采集电路得到的测量数据调制后上传。海底部分采用人字架形构造，保证在所有情况下声波发射/接收探头能够插入沉积物中，并且在需要的情况下可以拖动，水下部分密封于电路密封耐压容器8的人字形框架中，信号传输采用数字方式，以防失真。

本发明工作原理如下：

首先，通过铠装电缆将水上部分的电缆数据传输接口与海底部分的电缆数据传输接口进行连接，然后，通过USB接口将水上部分与工控机进行连接；如图1所示的水上部分的控制面板示意图，首先接通电源，按下上面的I/O键1，打开水上部分；按下复位按键2，可以使系统参数恢复为默认值；数据输出指示灯3，如果灯出于闪烁状态，说明数据正在传输中；电源指示灯4，灯亮状态，说明系统已接通电源；电压表5显示底质声学测量仪的当前电压值；电流表6显示底质声学测量仪的当前电流值；USB接口7用来与工控机相连。

整个系统通过如图4所示工作界面实施控制，工作界面上部分为仪器控制、采样参数、测量数据和系统状态4个控制区；下面部分为声波波形显示区。

系统开始工作时要先设定系统参数，点击“开始采集”按钮后，跳出参数设置窗口，进入如图5所示数据采集控制窗口；其中延迟时间(μs)为采样相对发射开始的延迟时间，可以输入合理的延迟时间，以便更好地显示波形。

放大倍数为增益设置，可以点击放大倍数旁边的单选按钮选择合适的放大倍数。点击后，进入如图6所示增益选择窗口，是进行声波信号接收前置放大电路增益选择，从0.125～256提供24种选择，满足不同地质条件下的测量需要。选择一种放大增益，点击“OK”按钮，即完成增益设置。

采样点数：采样点数可输入512、1024、2048、4096个采样点。

采样周期：采样周期可以在下拉列表框中选择3.2μs、1.6μs、0.8μs、0.4μs、0.2μs。

发射周期：发射周期可以在下拉列表框中选择0.5s、1s、2s、3s、4s。

软件测试：可以用来测试系统工作是否正常。

开始采集：将系统参数设置好之后，系统开始测量采样，“采集开始”按钮变为“停止”，这时，采样参数、测量数据、系统状态都显示在屏幕上，同时，波形显示在下方屏幕上，如图4所示。系统每进行一次采样，系统状态下的测量计数都会增加一次。当一段时间的测量完成后，点击“停止”，这时系统停止测量采样。

数据记录：点击“数据记录”按钮，进入如图7所示保存“另存为”窗口，输入适当的文件名，点击“保存”按钮，即可将文件保存起来，这时保存的文件为二进制文件。点击“取消”按钮，可取消操作。

文件回放：该功能是将存储在计算机上的数据进行回放，便于将各次采样波形进行对比分析，也可以将存储的二进制文件另存为文本文档，便于编辑、查看以及利用其他绘图软件绘图。点击“文件回放”按钮，进入如图8所示文件打开窗口，可以选择要打开的文件名，点击“打开”，即可以回放如图9所示的以前存储的波形。

Claims (7)

1.一种海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：包括通过电缆连接的水上部分和海底部分，其中，水上控制部分包括GPS模块、电源及电缆数据传输接口；海底部分包括电缆数据传输接口、声波发射激励电路、声波发射换能器探针(9)、声波接收换能器探针(10)及声波波形数据采集电路；所述水上部分通过USB接口与工控机相连；所述电缆数据传输接口将工控机下达的控制命令调制后通过电缆(11)传送给海底部分、并对海底部分上传的数据解调后送至工控机进行处理、记录。

2.按照权利要求1所述的海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：所述水上部分的输出端通过电缆(11)与声波发射激励电路相连、输入端通过电缆(11)与声波波形数据采集电路相连，用于对海底部分传递控制命令和接收海底部分上传的数据信号；所述声波发射换能器探针(9)通过数据线与声波发射激励电路相连，所述声波接收换能器探针(10)通过数据线与声波波形数据采集电路相连；声波发射换能器探针(9)和声波接收换能器探针(10)构成声系，用于采集数据信号。

3.按照权利要求1所述的海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：海底部分整体为人字架形结构，人字架的两边为钢管，两钢管的一端焊接形成交叉点，该交叉点设有声波发射换能器探针(9)，两钢管的另一端与交叉点之间设有声波接收换能器探针(10)。

4.按照权利要求3所述海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：所述海底人字架的三个端点设有重力相等的加重铅球(12)，该加重铅球(12)使声波发射换能器探针(9)和声波接收换能器探针(10)插入沉积物中，并使海底部分保持稳定。

5.按照权利要求1所述海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：所述声波发射换能器探针(9)为宽频高能量发射探头；所述声波接收换能器探针(10)为两个以上的高灵敏度接收探头。

6.按照权利要求1或所述海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：所述声波发射激励电路及声波波形数据采集电路设置在电路密封耐压容器(8)内；所述电路密封耐压容器(8)固接在人字架上。

7.按照权利要求1或所述海底底质声学参数原位测量系统，其特征在于：所述GPS模块内存有GPS定位程序，用于测定海底底质声学参数原位测量系统的大地坐标。

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