CN102393261B - 海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统。本发明包括水声换能器阵列平面、声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统。水声换能器阵列平面是由若干个水声换能器组成。声波信号发生模块主要是通过信号发生器发射设定的声波信号作为声源信号。声源自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块和驱动模块组成。数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元。本发明可以克服传统测量的缺点，在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确度。

Description

海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统

技术领域

本发明属于海洋装备技术领域，涉及一种海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统，可应用于海底热液口温度场声学测量。

背景技术

现代海底热液活动的发现是当今海洋科学最重要发现之一，对海底热液的研究处于当今科学研究的前沿。海底热液活动不仅产生了丰富的矿产资源和独特的生物基因资源，同时是全球热通量和化学元素循环的重要影响因素。现代海底热液活动的调查研究，是当代海洋科学、地质学、地球化学、矿床学及海洋生物学等多学科共同面临的重大使命，已成为国际上重大前沿热点研究领域之一。热液成矿作用、极端环境下的生命现象、大洋热和化学元素平衡以及海底热液喷流对全球气候的影响等问题，已成为本世纪科学研究的热点之一。

热液循环系统反应带内海水和岩石在高温下互相作用，从而改变它们的化学物理性质，这种改变的海水称为热液流体。海底热液活动对海洋化学环境、大洋环流及全球气候有着重要影响。此外，海底热液涌出的富含硫化物、金属元素和挥发分的流体，滋养着独特的微观和宏观生物群落，包括各类细菌和无脊椎动物。在海底热液系统内有多种特殊生态系统，构建了丰富多彩的生命世界，这些生物无论是从形态还是生活习性上都与正常环境下的生物不同。它们不依靠光合作用，从H₂S、CO₂等吸取能量。这些生物的生存与热液口温度分别环境密切相关。不同的温度区域生存着不同的物种。准确可靠的热液口温度场观测数据有助于生物学家对海底热液生物系统的研究。

基于声波理论的非接触式热液温度场测量方法，能够在高温、腐蚀、多颗粒的海底热液环境下连续实时测量，不仅能为研究海底热液提供有力帮助，而且对水下声学测温技术有一定参考价值。海底热液口声学测温的基本原理是：首先测量每条声波路径上声波的传播时间（即声波飞渡时间），进而得到这些路径上声波传播的平均速度。再利用温度与声速的关系，得出这些有效传播路径的平均温度值，通过特定的重建算法即可拟合出整个热液口待测平面的温度场。上述声学测温最关键的技术是高精度声波飞渡时间测量，因此开发一套应用于海底热液口温度场声学测量的高精度声波飞渡时间测量系统意义重大。目前，国内尚未有一种能够实现海底热液口高精度声波飞渡时间测量的系统面市。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的海底热液口温度场测量的缺点，提供了一种运行稳定可靠、测量准确快速的非侵入式、非接触式的海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统，可以提高热液口温度场测量的准确度，为我国热液口热通量测量提供较先进的方法和装备。

本发明解决技术问题所采取的具体方案是：

本发明所述的海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统包括水声换能器阵列平面、声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统。

所述的水声换能器阵列平面是由若干个水声换能器（其数量能被4整除）组成的，将若干个水声换能器安装在一个正方形平面支架上，并且均匀分布在正方形平面支架的每条边上。支架中每条边上的水声换能器与支架中另外三条边上的水声换能器两两之间可以形成若干条声波传播路径。

所述的声波信号发生模块主要是通过信号发生器发射设定的声波信号作为声源信号。

所述的声源自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块和驱动模块组成。在海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，每个水声换能器都要作为发送声波信号的水声换能器，同时其它水声换能器作为接受声波信号的水声换能器，声源自动切换电路的主要功能就是为了实现声源信号与水声换能器间的有序稳定的自动切换。该电路的工作原理是：以单片机为核心，负责与上位机的通信和译码电路的控制。某一时刻，译码电路中有1位低电平输出，驱动对应的继电器通电闭合，声源信号与对应的水声换能器相接，使该水声换能器作为发射声波信号的水声换能器工作；译码电路中的其余输出高电平，与之连接的水声换能器作为接受水声换能器使用。

所述的数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元。数据采集系统作为上位机，通过串口通信单元控制声源自动切换电路，与单片机通讯，发送各类切换指令。切换完成后，单片机也通过串口通信单元反馈给数据采集系统一个响应信号，告之任务完成。数据采集与存储单元将接受水声换能器接收的声波信号采集回来，并经前置通道带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下。数据处理单元是将声源信号与采集回来的声波信号进行时间延迟估计运算，并进行插值处理，得到每一条声波传播路径上的高精度声波飞渡时间测量值。

所述的信号发生器和各个水声换能器分别通过水密同轴电缆连接到声源自动切换电路上。

在进行海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，所述的声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统，都封装于水密耐压舱里，通过水密接插件与外界联系，并由锂电池组供电。

本发明可应用于非接触式的热液口温度场声学原位测量，可以克服传统测量的缺点，在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确度。为科学家研究洋壳散热量、建立大洋环流模型、研究热液对临近海域海洋物理特性影响提供帮助。

附图说明

图1为高精度声波飞渡时间测量系统示意图；

图2为声源自动切换电路模块设计原理图；

图3为单片机模块原理图；

图4为声源自动切换电路中译码与驱动模块原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。

如图1所示，高精度声波飞渡时间测量系统主要由水声换能器阵列平面、信号发生器、声源自动切换电路模块和数据采集系统组成。水声换能器阵列平面是个正方形平面，在正方形平面的每条边上均匀分布着数量相等的水声换能器，且每条边上的水声换能器与另外三条边上的水声换能器两两之间可以形成若干条声波传播路径。信号发生器用于发射特定的声波信号作为声源信号。声源自动切换电路模块用于实现声源信号与水声换能器间的有序稳定的自动切换。数据采集系统将接受水声换能器接收的声波信号采集回来，并经前置通道带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下，经时间延迟估计运算和插值处理，得到每一条声波传播路径上的高精度声波飞渡时间测量值。

如图2、图3和图4所示，声源自动切换电路模块设计时，包含的主要模块有：CPU控制单元、译码模块、驱动模块和继电器执行端口。数据采集系统作为上位机控制声源自动切换电路，它通过RS-232串口与控制单元（单片机）通讯，发送各类工作指令。控制单元（单片机）则按指令进行操作，通过译码、驱动，通过继电器将驱动信号连接到发送水声换能器。AT89C2051单片机P1口中的P10至P14五位数据线，与译码电路SN74154相连，控制16个继电器的开关。

本发明的具体实施例如下：

本发明所述的海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统包括水声换能器阵列平面、声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统。

水声换能器阵列平面是由16个水声换能器组成的，将这16个水声换能器安装在一个正方形平面（1.5m×15.m）支架上，并且均匀分布在正方形平面支架的每条边上。支架中每条边上的水声换能器与支架中另外三条边上的水声换能器两两之间可以形成96条声波传播路径。

声波信号发生模块主要由信号发生器发射声波信号，此声波信号为扫频信号，其扫频范围为18kHz～23kHz，声压级为69dB。

声源自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块和驱动模块组成。在海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，每个水声换能器都要作为发送声波信号的水声换能器，同时其它15水声换能器作为接受声波信号的水声换能器，声源自动切换电路的主要功能就是为了实现声源信号与水声换能器间的有序稳定的自动切换。该电路的工作原理是：以AT89C2051单片机为核心，负责与上位机的通信和译码电路SN74154的控制。某一时刻，译码电路SN74154中有1位低电平输出，驱动对应的继电器通电闭合，声源信号与对应的水声换能器相接，使该水声换能器作为发射声波信号的水声换能器工作；译码电路中的其余输出高电平，与之连接的水声换能器作为接受水声换能器使用。具体实现方式是：如图3所示，选择AT89C2051单片机P1口中的P10至P14五位数据线，与译码电路SN74154相连，控制16个继电器的开关。P1口是一个8位双向I/O口。当P1口用作输出时，其内部缓冲器可吸收20mA电流，能够直接驱动译码电路SN74154。单片机AT89C2051和译码电路SN74154都为TTL电平，信号间无需电平转换而可直接相接。P14连接两块译码电路SN74154的片选信号，当P14为低电平时，第一块译码电路(图4中IC2)被选中工作，由P10至P13口输出的四位数据位经4-16译码后，16位输出中会有一位变为低电平，其余15位为高电平。当P14为高电平时，信号经达林顿管驱动并反相，满足第二块译码电路(图4中IC5)的片选条件，IC5开始工作，根据P10至P13口输出的四位数据译码，输出1位低电平和15位高电平。这1位低电平经驱动后，对应的继电器通电闭合，使声源信号与对应的水声换能器相接，该水声换能器作为发射声波信号的水声换能器。译码电路SN74154的最大输出电流仅为16mA而无法驱动继电器，设计时选用ULN2803A作为驱动芯片，可获得最大500mA的输出电流，能够驱动机械式继电器。

数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元。数据采集系统采用NI数据采集系统，作为上位机，通过RS-232串口通信单元控制声源自动切换电路，与AT89C2051单片机通讯，发送各类切换指令。切换完成后，AT89C2051单片机也通过RS-232串口通信单元反馈给数据采集系统一个响应信号，告之任务完成。数据采集与存储单元将接受水声换能器接收的声波信号用PXI-6133同步数据采集卡采集回来，考虑到稳定性及数据量，采集卡的采样频率设定为1MS/s，当16路数据采集通道同步采集数据时，最大数据流量为32Mbytes，可通过NI数据采集系统的PCI总线进行数据传输，并经前置通道带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下。数据处理单元是将声源信号与采集回来的声波信号进行时间延迟估计运算，并进行插值处理，得到每一条声波传播路径上的高精度声波飞渡时间测量值。

信号发生器和各个水声换能器分别通过水密同轴电缆连接到声源自动切换电路上。

在进行海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，所述的声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统，都封装于水密耐压舱里，通过水密接插件与外界联系，并由锂电池组供电。

Claims (1)

1.海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统，包括水声换能器阵列平面、声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统，其特征在于：

所述的水声换能器阵列平面由若干个水声换能器组成，将若干个水声换能器安装在一个正方形平面支架上，并且均匀分布在正方形平面支架的每条边上；支架中每条边上的水声换能器与支架中另外三条边上的水声换能器两两之间形成若干条声波传播路径；

所述的声波信号发生模块是通过信号发生器发射设定的声波信号作为声源信号；

所述的声源自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块和驱动模块组成；所述的单片机控制单元负责与上位机的通信和译码模块的控制，通过译码模块的高低电平输出调节驱动模块，使对应的水声换能器工作于接收或发射状态；

所述的数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元；数据采集系统作为上位机，通过串口通信单元控制声源自动切换电路与单片机控制单元中的单片机通讯，发送各类切换指令；数据采集与存储单元将水声换能器接收的声波信号采集回来，并经前置通道带通滤波、模数转换后，存储在硬盘指定的文件夹下；数据处理单元是将声源信号与采集回来的声波信号进行时间延迟估计运算，并进行插值处理，得到每一条声波传播路径上的高精度声波飞渡时间测量值；

所述的信号发生器和各个水声换能器分别通过水密同轴电缆连接到声源自动切换电路上；

所述的声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统均封装于水密耐压舱里，通过水密接插件与外界联系，并由锂电池组供电。

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