CN105548368A - 压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置 - Google Patents

Abstract

压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，包括外支撑机构、贯入驱动机构和监控测量机构三部分；外支撑机构包括由螺栓紧固的多边形支撑架和导向管；贯入驱动机构包括起吊头、导向杆、活动压盘、安装法兰、压载铅块和探杆等组件；监控测量机构包括状态监测传感器组件、声学传感器组件、监控测量电路组件；根据本测量装置与甲板控制平台之间是否有通讯缆连接，分别采用实时监控模式和自容模式完成测量过程。显然外支撑机构保证了测量装置在海底坐底时的稳定性，导向管和导向杆的配置使得探杆带动声学换能器更平稳地贯入沉积物中；基于测量装置在海底状态参数的采集来自动判断和控制声学特性原位测量过程；监控测量机构具有良好的可扩展性。

Description

压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域，具体涉及一种海底沉积物声学特性测量装置，尤其是一种压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置。

背景技术

海底沉积物的声学特性参数(主要指声速和声衰减系数)是表征其物理特性的基础参数，可以广泛应用于海水和海底声传播研究、海洋工程勘察和海底资源探查等领域。近年来，原位测量技术成为海底沉积物声学特性测量技术的发展趋势，国内先后公开了几种类型的原位测量技术，如专利200610155117.2.7(一种多频海底声学原位测试系统及方法)、200910255767.8(一种海底底质声学参数原位测量系统)、201010293649.9(海底沉积声学参数原位测量装置)、201010265697.7(基于液压贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统)等。这些装置从原理上都是将声学传感器贯入沉积物内部，通过声波的发射和接收来推算声速和声衰减系数，区别则主要在于声学传感器的排布和贯入方式。排布方式包括水平阵列和垂直阵列两种，贯入方式则有自重(含自由落体)贯入和液压贯入两种。与上述不同，本发明提出了一种采用压载贯入方式的海底沉积物声学特性原位测量装置，既能避免自重贯入式测量系统容易存在的海底姿态不可控、易倾倒的问题，也克服了液压贯入式测量系统因配套的液压装置和动力电源导致的重量、体积过大，操作复杂等问题，将有助于提高海上测量作业的效率和可靠性。

发明内容

本发明提供了一种压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，以克服现有技术的不足。

一种压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是包括外支撑机构、贯入驱动机构和监控测量机构三部分；

所述外支撑机构包括由螺栓紧固的支撑架，支撑架顶部为支撑盘，所述支撑盘下端连接导向管；

所述贯入驱动机构包括起吊头、导向杆、活动压盘、安装法兰、压载铅块和探杆；所述导向杆为柱状结构，所述起吊头位于导向杆顶部，并作为导向杆的上限位部件；所述安装法兰设置在导向杆底部，且所述导向杆穿过所述导向管和支撑盘并可在导向管内上下移动，移动的范围受限于起吊头和安装法兰；所述安装法兰下部连接有活动压盘；所述活动压盘为板状结构，活动压盘下部安装多根竖直的探杆；活动压盘还承载压载铅块；所述探杆的数量为两根以上，其前端为声学换能器；

所述监控测量机构，包括状态监测传感器组件、声学传感器组件、内含监控测量电路和电源的密封舱；其中密封舱搭载于所述的活动压盘上；

所述的状态传感器组件，包括入水传感器、触底传感器和位移传感器，上述传感器均通过防水连接器和电缆连接到密封舱内的监控测量电路；所述入水传感器安装在贯入驱动机构上；所述触底传感器，其感应部件与外部触发部件分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述位移传感器，其保护外壳与测量杆也分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述触底传感器和位移传感器，均通过贯入驱动机构相对外支撑机构的运动产生信号；

所述的声学传感器组件，包括位于探杆底部的声学换能器，所述的声学换能器含一个发射换能器和一个以上的接收换能器，并通过防水连接器和电缆与密封舱内的监控测量电路相连；

所述的监控测量电路包括中央控制器、声波发射采集模块、数据传输模块，以及倾角传感器；

所述中央控制器，分别连接入水传感器、触底传感器、位移传感器、倾角传感器，以采集这些传感器的信号；所述中央控制器，还连接声波发射采集模块和数据传输模块，以对声波发射采集和信号数据的传输进行控制；

所述声波发射采集模块，接收来自中央控制器的指令，根据预设参数控制声学换能器发射、采集声波信号，对信号预处理后进行存储，并传送至数据传输模块；

所述数据传输模块，接收来自中央控制器的状态观测数据和来自声波发射采集模块的声波观测数据，并对数据进行封装后经由通讯端口导出或者进行实时数据传输；

所述倾角传感器，集成于中央控制器的电路板上，感应测量装置的倾斜程度。所述的装置在以自容模式进行海底沉积物声学特性原位测量中的应用。

以上所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是还包括位于调查船上的甲板控制平台，所述的甲板控制平台通过由绞车控制的通讯缆与测量控制电路的数据传输模块进行通讯；所述通讯缆采用铠装同轴缆或光电复合缆。所述的装置在以实时模式进行海底沉积物声学特性原位测量中的应用。

以上所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述的状态传感器组件还包括高度计、水下摄像机和水下照明灯，所述高度计、水下摄像机和水下照明灯，均安装在贯入驱动机构上；所述的监控测量电路还包括照明控制与视频服务器模块，在本测量装置与甲板控制平台之间有通讯缆连接的情况下，实时控制水下照明灯的开合与水下摄像机获取海底影像，并将影像数据传送至数据传输模块。

以上所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述外支撑机构，包括至少四根支撑架，该支撑架下部为竖直段、上部位倾斜段，所述支撑架上部的倾斜段均连接于支撑盘，所述支撑架下部的竖直段通过水平设置的横梁实现两两之间的相互连接，且每相邻两个支撑架之间的夹角相等，从而使外支撑机构成为一个具有中轴线的轴对称结构。

以上所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述支撑盘形状为圆形或正多边形，支撑盘中央设有开孔，开孔底部连接有导向管，所述外支撑机构还包括可穿过导向杆并卡在支撑盘上的的限位插销，所述限位插销，其拔出后才允许导向杆上下移动。

以上所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述入水传感器与触底传感器采用以下集成式结构：包括由前、后两个仓室组成的耐压密封舱，所述前、后两个仓室以连接通道相互连接，且前、后两个仓室之间有一条间隙；所述前仓室前端设有前端盖，前端盖上安装水密连接器；

所述前、后仓室内部分别安装发射超声晶片和接收超声晶片、或者分别安装接收超声晶片和发射超声晶片，且所述的发射超声晶片和接收超声晶片分别位于上述间隙的两侧，密封舱内设有磁性接近开关且该磁性接近开关紧贴舱壁内侧面安装，所述的发射超声晶片、接收超声晶片和磁性接近开关分别通过导线与位于前仓室内部的检测电路相连；

所述检测电路的输出端与水密连接器相连，用于检测数据的输出；

所述检测电路包括微功耗单片机、超声检测模块和触底检测模块三部分；所述超声检测模块由发射驱动电路、接收放大电路、信号整形电路和脉冲计数器组成；其中，发射驱动电路一端与发射超声晶片相连，另一端连接微功耗单片机；接收放大电路一端连接接收超声晶片，另一端依次经信号整形电路和脉冲计数器后，以并口数据线与微功耗单片机相连；

所述触底检测模块包括连接有辅助保护电路的主开关回路，辅助保护电路的输出端直接与微功耗单片机相连。该集成式传感器可称为自动进行水气介质识别的触底传感器。

以上所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述声学换能器，均为圆柱状换能器，安装在与其直径相同的探杆上，所述声学换能器，其前端为锥形，以减小贯入阻力。

所述监控测量机构，根据本测量装置与甲板控制平台之间是否有通讯缆连接，分别采用实时监控模式和自容模式完成测量过程。

所述实时监控模式测量过程，其根据监控测量组件采集并通过通讯缆实时上传至甲板控制台的水下状态信息，按照实时设定的参数进行声波信号的发射、采集和存储。

所述自容模式测量过程，其根据入水传感器和触底传感器采集的状态数据自动控制声波发射、采集和存储过程，其包括入水判定、触底判定、声波发射采集和存储、离底判定、延时判定、出水判定等进程。

本发明的特点是：外支撑机构保证了测量装置在海底坐底时的稳定性，导向管和导向杆的配置使得探杆带动声学换能器更平稳地贯入沉积物中；基于测量装置在海底状态参数的采集来自动判断和控制声学特性原位测量过程；监控测量机构良好的可扩展性使得测量装置能够根据调查船配备的缆绳条件自由选择实时监控测量模式或者自容测量模式。

附图说明

图1.本发明测量装置侧视结构示意图。

图2本发明测量装置俯视结构示意图。

图3本发明监控测量机构原理框图。

图4本发明采用实时监控模式的电路运行流程图。

图5本发明采用自容监控模式的电路运行流程图。

图6本发明的自动进行水气介质识别的触底传感器的纵剖面示意图。

图7本发明的自动进行水气介质识别的触底传感器密封仓自发射超声晶片或接收超声晶片出的横截面示意图。

图8本发明的自动进行水气介质识别的触底传感器检测电路原理框图。

其中，1.支撑架2.导向管3.横梁4.支撑盘5.导向杆6.限位插销7.起吊头8.活动压盘9.安装法兰10.压载铅块11.探杆12.耐压密封舱13.声学换能器14.入水传感器15.触底传感器16.位移传感器17.监控测量电路18.中央控制器19.声波发射采集模块20.数据传输模块21.倾角传感器22.高度计23.水下摄像机24.水下照明灯25.照明控制与视频服务器模块26.甲板绞车27.甲板控制平台28.通讯缆；

A1.密封仓A2.前端盖A3.后端盖A4.水密连接器A5.O形圈A6.发射超声晶片A7.接收超声晶片A8.检测电路板A9.磁性接近开关A10.微功耗单片机A11.超声检测模块A12.触底检测模块A13.发射驱动电路A14.接收放大电路A15.信号整形电路A16.脉冲计数器A17.并口数据线A18.主开关回路A19.辅助保护电路A20.外部磁力部件(也称外部触发部件)。

具体实施方式

图1～3显示了压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置的主要组成部分，其特征是包括外支撑机构、贯入驱动机构和监控测量机构三部分；

所述外支撑机构包括由螺栓紧固的支撑架1，支撑架1顶部为支撑盘4，所述支撑盘4下端连接导向管2；

所述贯入驱动机构包括起吊头7、导向杆5、活动压盘8、安装法兰、压载铅块10和探杆11；所述导向杆5为柱状结构，所述起吊头7位于导向杆5顶部，并作为导向杆5的上限位部件；所述安装法兰9设置在导向杆5底部，且所述导向杆5穿过所述导向管2和支撑盘4并可在导向管2内上下移动，移动的范围受限于起吊头7和安装法兰9；所述安装法兰9下部连接有活动压盘8；所述活动压盘8为板状结构，活动压盘8下部安装多根竖直的探杆11；活动压盘8还承载压载铅块10；所述探杆11的数量为两根以上，其前端为声学换能器13；

所述监控测量机构，包括状态监测传感器组件、声学传感器组件、内含监控测量电路17和电源的密封舱12；其中密封舱12搭载于所述的活动压盘8上；

所述的状态传感器组件，包括入水传感器14、触底传感器15和位移传感器16，上述传感器均通过防水连接器和电缆连接到密封舱12内的监控测量电路17；所述入水传感器14安装在贯入驱动机构上；所述触底传感器15，其感应部件与外部触发部件分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述位移传感器16，其保护外壳与测量杆也分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述触底传感器15和位移传感器16，均通过贯入驱动机构相对外支撑机构的运动产生信号；

所述的声学传感器组件，包括位于探杆11底部的声学换能器13，所述的声学换能器13含一个发射换能器和一个以上的接收换能器，并通过防水连接器和电缆与密封舱12内的监控测量电路17相连；

所述的监控测量电路17包括中央控制器18、声波发射采集模块19、数据传输模块20，以及倾角传感器21；

所述中央控制器18，分别连接入水传感器14、触底传感器15、位移传感器16、倾角传感器21，以采集这些传感器的信号；所述中央控制器18，还连接声波发射采集模块19和数据传输模块20，以对声波发射采集和信号数据的传输进行控制；

所述声波发射采集模块19，接收来自中央控制器18的指令，根据预设参数控制声学换能器发射、采集声波信号，对信号预处理后进行存储，并传送至数据传输模块20；

所述数据传输模块20，接收来自中央控制器18的状态观测数据和来自声波发射采集模块19的声波观测数据，并对数据进行封装后经由通讯端口导出或者进行实时数据传输；

所述倾角传感器21，集成于中央控制器18的电路板上，感应测量装置的倾斜程度。

如图3，还包括位于调查船上的甲板控制平台27，所述的甲板控制平台27通过由绞车26控制的通讯缆28与测量控制电路17的数据传输模块20进行通讯；所述通讯缆28采用铠装同轴缆或光电复合缆。

如图3，所述的状态传感器组件还包括高度计22、水下摄像机23和水下照明灯24，所述高度计22、水下摄像机23和水下照明灯24，均安装在贯入驱动机构上；所述的监控测量电路17还包括照明控制与视频服务器模块25，在本测量装置与甲板控制平台27之间有通讯缆28连接的情况下，实时控制水下照明灯24的开合与水下摄像机23获取海底影像，并将影像数据传送至数据传输模块20。

如图1，所述外支撑机构，包括至少四根支撑架1，该支撑架1下部为竖直段、上部位倾斜段，所述支撑架1上部的倾斜段均连接于支撑盘4，所述支撑架1下部的竖直段通过水平设置的横梁3实现两两之间的相互连接，且每相邻两个支撑架1之间的夹角相等，从而使外支撑机构成为一个具有中轴线的轴对称结构。

如图1，所述支撑盘4形状为圆形或正多边形，支撑盘4中央设有开孔，开孔底部连接有导向管2，所述外支撑机构还包括可穿过导向杆5并卡在支撑盘4上的的限位插销6，所述限位插销6，其拔出后才允许导向杆5上下移动。

如图6-8、所述入水传感器14与触底传感器15采用以下集成式结构：包括由前、后两个仓室组成的耐压密封舱A1，所述前、后两个仓室以连接通道相互连接，且前、后两个仓室之间有一条间隙；所述前仓室前端设有前端盖A2，前端盖A2上安装水密连接器A4；

所述前、后仓室内部分别安装发射超声晶片A6和接收超声晶片A7、或者分别安装接收超声晶片A7和发射超声晶片A6，且所述的发射超声晶片A6和接收超声晶片A7分别位于上述间隙的两侧，密封舱A1内设有磁性接近开关A9且该磁性接近开关A9紧贴舱壁内侧面安装，所述的发射超声晶片A6、接收超声晶片A7和磁性接近开关A9分别通过导线与位于前仓室内部的检测电路A8相连；

所述检测电路A8的输出端与水密连接器A4相连，用于检测数据的输出；

所述检测电路A8包括微功耗单片机A10、超声检测模块A11和触底检测模块A12三部分；所述超声检测模块A11由发射驱动电路A13、接收放大电路A14、信号整形电路A15和脉冲计数器A16组成；其中，发射驱动电路A13一端与发射超声晶片A6相连，另一端连接微功耗单片机A10；接收放大电路A14一端连接接收超声晶片A7，另一端依次经信号整形电路A15和脉冲计数器A16后，以并口数据线A17与微功耗单片机A10相连；

所述触底检测模块A12包括连接有辅助保护电路A19的主开关回路A18，辅助保护电路A19的输出端直接与微功耗单片机A10相连。

如图6，所述前端盖2和后端盖3与密封仓的连接处有O形圈5以保证仓体内的水密性。

如图1，所述声学换能器13，均为圆柱状换能器，安装在与其直径相同的探杆11上，所述声学换能器13，其前端为锥形，以减小贯入阻力。

如图4，利用上述装置实时进行海底沉积物声学特性原位测量的方法，其特征是包括以下步骤：

在调查船甲板上接通本测量装置的电源，将通讯缆28与密封舱12连接，使甲板控制平台27与监测控制电路17的数据传输模块20实现通讯；中央控制器18开始采集各个传感器的信号，经由数据传输模块20和通讯缆28传送至甲板控制平台27进行实时显示；通过声波发射采集模块19进行发射参数预设和采集参数预设，发射参数包括发射声波的波形、波数、频率、能量；采集参数包括采样率、采样长度、增益控制；

启动甲板绞车26，将本测量装置吊起，拔掉限位插销6后，放入水中，入水传感器16的输出由出水信号变为入水信号；甲板绞车26不断向水下释放测量装置，当接近海底时停止释放，开始近海底海水的声特性测量，用作沉积物声特性原位测量的参考；此时甲板控制平台27经由中央控制器18向声波发射采集模块19发送启动声波发射指令，声波发射采集模块19根据预设发射参数控制声学换能器13中的发射换能器发射相应的声波信号，同时根据预设采集参数采集来自接收换能器的声波信号，经过增益放大、滤波预处理后存储，同时将记录的波形打包后经由数据传输模块20和通讯缆28实时显示在甲板控制平台27上，甲板控制平台27上根据显示的波形情况随时调整声波发射和采集参数，并根据调整后的参数重复上述过程，直到获得满意的信号波形并记录下来；

然后继续释放测量装置至支撑架1接触海底，外支撑机构停止运动，而贯入驱动机构在负载铅块10驱动下继续向下，带动声学传感器13逐渐贯入沉积物，贯入过程中重复上述近底层海水中的声波发射采集过程，直到位移传感器16的信号不再发生变化，表明已经贯入到最大深度；

然后回收测量装置，完成一次实时控制模式的原位测量过程。

如图5，利用上述装置实时进行海底沉积物声学特性原位测量的方法，其特征是包括以下步骤：

在调查船甲板上接通本测量装置的电源，通过导线连接上位机电脑和测量装置的监测控制电路17，设置测量装置的工作参数；断开导线，启动甲板绞车26，将测量装置吊起，监控测量电路17的中央控制器18开始采集入水传感器的信号；

将测量装置吊放入水中，入水传感器14发出入水信号，中央控制器18启动触底监测进程。测量装置不断下放，触底传感器15始终处于离底状态，直到外支撑架1接触海底并停止向下运动，而导向杆5则在负载铅块10驱动下继续下移，带动触底传感器15的感应部件离开其外部触发部件，从而产生触底信号传送至中央控制器18。中央控制器18随即采集位移传感器16和倾角传感器21的信号输出，同时控制声波发射采集模块19，按照预设发射和采集参数经由声学换能器13发射和采集声波信号，并与位移数据、倾角数据一起存储起来；

然后开始下一轮的触底判断进程。此时负载铅块10驱动探杆11和声学换能器13向下逐渐贯入沉积物中，触底传感器15也因为感应部件越来越远离外部触发部件而持续输出触底信号，采集到触底信号的中央控制器18也不断控制声波发射采集模块重复发射、采集声波信号以及位移、倾角信号并存储；导向杆5随不断下移，直到到达起吊头7上限位后停止；甲板操作态台据放缆长度与预先测量的水深资料判断已放到底，则静置于海底1分钟后开始回收钢缆，带动导向杆5上移。导向杆5上移过程中，中央控制器18仍根据接收到的触底信号而不断重复发射、采集声波信号以及位移信号并存储，直到导向杆5上移到安装法兰9上的下限位位置，声学传感器13脱离海底进入水中，位移传感器16复位归零，触底传感器15因感应部件贴近外部触发部件而输出离底信号；中央控制器18开始进入延时测量进程，延时时长在测量前设定.延时期间继续在水中发射、采集声波信号，存储的近海底水声信号用来进行沉积物声学特性测量的对比,延时超时后，中央控制器18控制声波发射采集模块19停止声波发射、接收，开始判断出水信号，钢缆不断回收，直到离开水面，入水传感器16发出出水信号，中央控制器18自动关闭各个传感器的电源，监控测量电路17进入待机状态，将测量装置放在甲板上，用导线经由数据传输模块导出存储的数据，完成一次自容测量模式的原位测量过程。

上述集成式传感器在水、气介质中自动进行触底识别的原理如下：

1)将上述传感器安装在贯入驱动机构上，外部磁力部件A20(如磁铁)安装在支撑机构上，或者相反地将上述传感器安装在支撑机构上，外部磁力部件A20安装在贯入驱动机构上；通过吊装机构将装置吊装入水中，随着吊装机构的起吊或者释放，该外部磁力部件A20与磁性接近开关A9的距离发生从感应范围内向感应范围外的变化，或者相反的变化；

2)在吊装过程中，当外部磁力部件A20进入磁性接近开关A9的感应范围时，所述触底检测模块A12输出高电平；当外部磁力部件A20离开磁性接近开关A9的感应范围时，触底检测模块A12输出为低电平，微功耗单片机A10通过检测输出端电平的高低，以实现触底的检测；并且将输出的低电平识别为1，即表示触底，将输出的高电平识别为0，即表示未触底；

3)在吊装过程中，所述超声检测模块A11，按照如下步骤完成水气介质识别：

微功耗单片机A10输出超声触发脉冲，通过发射驱动电路A13驱动后由发射超声晶片A6发射超声波；超声波透过前、后仓室两壁及间隙内的介质后，被接收超声晶片A7接收，接收的信号依次经由接收放大电路A14放大、经信号整形电路A15整形，再由脉冲计数器A16进行计数，最后通过并口数据线A17将计数结果送给微功耗单片机A10；

由于空气和水中超声波的衰减差异很大，导致接收到的信号幅度也有显著差异，因此微功耗单片机A10根据脉冲计数结果来判断前、后仓室之间空隙中的介质是水还是空气，从而实现水气介质识别；当识别为水介质时，输出1，识别为空气介质时，输出0；

4)所述微功耗单片机A10经过步骤2)和3)的水气介质识别和触底检测后，通过水密连接器A4得以向外输出四种信号状态：

“00”：空气介质、未触底；

“01”：空气介质、触底；

“10”：水介质、未触底；

“11”：水介质、触底；

5)当信号状态为“11”时表明坐底式测量设备处于海底坐底状态。

不失一般性，上述步骤3中，以10～40之间的任意整数作为脉冲数阈值，当微功耗单片机A10接收到的脉冲数大于该阈值时，将传感器所处的介质识别为水介质，当接收到的脉冲数小于该阈值时，将介质识别为空气介质。

实施例

如图1-3，本发明的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，包括外支撑机构、贯入驱动机构和监控测量机构三个功能机构。

所述外支撑机构，包括由螺栓紧固的多边形支撑架1和导向管2。所述多边形外支撑架，由四根以上(本实施例中为六根)的金属管通过下部的管状金属横梁3和上部的金属支撑盘4连接。所述支撑盘4，形状可为圆形或多边形(本实施例中为圆形)，其中央的开孔连接导向管2，允许贯入驱动机构的导向杆5穿过并上下自由移动。所述外支撑机构，还包括可穿过导向杆5并卡在支撑盘4上的的限位插销6。所述限位插销6，其拔出后才允许导向杆5上下移动。

所述贯入驱动机构，其包括起吊头7、导向杆5、活动压盘8、安装法兰9、压载铅块10和探杆11等组件。所述起吊头7，一端连接导向杆5，并作为导向杆5的上限位部件，另一端可通过连接吊机将测量装置整体起吊和移动。所述导向杆5，为不规则圆柱体或者多棱柱体(本实施例中为圆柱体)，穿过支撑机构的导向管2和支撑盘4并可上下移动，移动的范围受限于起吊头7和安装法兰9之间，并受限位插销6控制。所述安装法兰9，是导向杆5和活动压盘8的连接部件，还作为导向杆5的下限位部件。所述活动压盘8，为多边形或圆形金属板状结构(本实施例中为长方形板状结构)，可通过安装法兰9与导向杆5一起移动，将其下端连接的多根探杆11同步贯入或提起。所述活动压盘8，还承载压载铅块10以及监控测量机构的密封舱12。所述压载铅块10，为多块形状规则的铅块，叠置在活动压盘8上，为探杆11贯入沉积物提供驱动力。所述探杆11，为两根以上(本实施例中为四根)、相互平行的厚壁金属圆管，其前端连接声学换能器13，是声学换能器13经由压载铅块10驱动贯入沉积物中的传动部件。

所述监控测量机构，其包括状态监测传感器组件、声学传感器组件、监控测量电路组件、电源、密封舱，以及连接上述组件的防水连接器和电缆组件。

所述监控测量机构的状态传感器组件，其包括入水传感器14、触底传感器15和位移传感器16等必需组件，还可包括高度计22、水下摄像机23和水下照明灯24等可选组件，上述组件均通过防水连接器和电缆连接到密封舱12内的监控测量电路17。所述触底传感器15，其感应部件与外部触发部件分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述位移传感器16，其保护外壳与测量杆也分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述触底传感器15和位移传感器16，均通过贯入驱动机构相对外支撑机构的运动产生信号。

所述触底传感器15，当贯入驱动机构上提到最大位置(即达到导向杆5的下限位)时，其输出离底信号；当贯入驱动机构远离该最大位置时，其输出触底信号。

所述位移传感器，当贯入驱动机构上提到最大位置(达到即导向杆5的下限位)时，其输出位移值为零；当贯入驱动机构下移到最大位置(即达到导向杆5的上限位)时，其输出最大位移值，也就是声学换能器13的最大贯入深度。

所述入水传感器14、高度计22、水下摄像机23和水下照明灯24等组件，均安装在贯入驱动机构上。所述可选组件，仅用于本测量装置与甲板控制平台27之间有通讯缆28连接的情况。所述通讯缆28，可以为铠装同轴缆或光电复合缆。

所述监控测量机构的声学传感器组件，其包括一组声学换能器13，其中含一个发射换能器和一个以上的接收换能器(本实施例中为三个)。所述声学换能器13，均为圆柱状换能器，安装在与其直径相同的探杆11上，通过防水连接器和电缆组件与密封舱12内的监控测量电路17相连。所述声学换能器13，其前端为锥形，可减小贯入阻力。

所述监控测量机构的监控测量电路组件，其包括中央控制器18、声波发射采集模块19、数据传输模块20等电路模块以及倾角传感器21。所述中央控制器18，分别连接入水传感器14、触底传感器15、位移传感器16、倾角传感器21和高度计22等传感器，采集这些传感器的信号。所述中央控制器18，还连接声波发射采集模块19和数据传输模块20，对声波发射采集和信号数据的传输进行控制。所述声波发射采集模块19，接收来自中央控制器18的指令，根据预设参数控制声学换能器发射、采集声波信号，对信号预处理后进行存储，并传送至数据传输模块20。所述数据传输模块20，接收来自中央控制器18的状态观测数据和来自声波发射采集模块19的声波观测数据，并对数据进行封装后经由通讯端口导出或者进行实时数据传输。所述倾角传感器21，集成于中央控制器18的电路板上，感应测量装置的倾斜程度。

所述监控测量机构的监控测量电路组件，还包括可选的照明控制与视频服务器模块25，其在本测量装置与甲板控制平台27之间有通讯缆28连接的情况下，实时控制水下照明灯24的开合和水下摄像机23获取海底影像，并将影像数据传送至数据传输模块20。

所述监控测量机构的电源为向监控测量电路组件提供电力。

所述监控测量机构的密封舱组件，为监控测量电路组件和电源组件提供防水、抗压保护，包括一个或几个金属密封舱12(本实施例中为两个)，密封舱12的外壳有防水连接器和电缆组件，连接密封舱12外部的各个传感器和内部的监控测量电路17。

所述监控测量机构，根据本测量装置与甲板控制平台27之间是否有通讯缆28连接，分别采用实时监控模式和自容模式完成测量过程。

所述实时监控模式测量过程，其根据监控测量组件采集并通过通讯缆实时上传至甲板控制台的水下状态信息，按照实时设定的参数进行声波信号的发射、采集和存储。附图4列出了实施步骤，描述如下：

在调查船甲板上接通测量装置的电源，将通讯缆28连接内装监测控制电路17的密封舱12，使甲板控制平台27可以与监测控制电路17的数据传输模块20正常通讯。中央控制器18开始采集各个传感器的信号，经由数据传输模块20和通讯缆28传送至甲板控制平台27进行实时显示。启动甲板绞车26，将测量装置吊起，拔掉限位插销6后，放入水中，入水传感器16的输出由出水信号变为入水信号。甲板绞车26不断向水下释放测量装置，当各个传感器显示其接近海底时停止释放，开始近海底海水的声特性测量，用作沉积物声特性原位测量的参考。此时甲板控制平台27经由中央控制器18向声波发射采集模块19发送启动声波发射指令，声波发射采集模块19根据预设发射参数(包括发射声波的波形、波数、频率、能量等)控制声学换能器13中的发射换能器发射相应的声波信号，同时根据预设采集参数(采样率、采样长度、增益控制等)采集来自接收换能器的声波信号，经过增益放大、滤波等预处理后存储起来，同时将记录的波形打包后经由数据传输模块20和通讯缆28实时显示在甲板控制平台27上，甲板控制平台27上可以根据显示的波形情况随时调整声波发射和采集参数，并根据调整后的参数重复上述过程，直到获得满意的信号波形记录下来，同步记录状态信号数据。然后继续释放测量装置至支撑架1接触海底，外支撑机构停止运动，而贯入驱动机构在负载铅块10驱动下继续向下，带动声学传感器13逐渐贯入沉积物，贯入过程中重复上述近底层海水中类似的声波发射采集过程，直到位移传感器16的信号不再发生变化，表明已经贯入到最大深度。然后回收测量装置，完成一次实时控制模式的原位测量过程。

所述实时控制模式测量过程，其实施不限于上述过程，由于通过通讯缆28的辅助，在甲板控制平台27上可以实时监控测量装置的水下工作过程，因此可以根据不同的测量目标，任意进行各种测量操作，如在一个站位进行多次近海底水声的重复测量、多次沉积物的贯入测量、手动控制贯入深度等。

所述自容模式测量过程，其根据入水传感器和触底传感器采集的状态数据自动控制声波发射、采集和存储过程，其包括入水判定、触底判定、声波发射采集和存储、离底判定、延时判定、出水判定等进程。附图5列出了实施步骤，描述如下：

在调查船甲板上接通测量装置的电源，通过导线连接上位机电脑和测量装置的监测控制电路17，设置测量装置的工作参数。断开导线，启动甲板绞车26，将测量装置吊起，拔掉限位插销6后，监控测量电路17的中央控制器18开始采集入水传感器的信号。将测量装置吊放入水中，入水传感器14发出入水信号，中央控制器18启动触底监测进程。测量装置不断下放，触底传感器15始终处于离底状态，直到外支撑架1接触海底并停止向下运动，而导向杆5则在负载铅块10驱动下继续下移，带动触底传感器15的感应部件离开其外部触发部件，从而产生触底信号传送至中央控制器18。中央控制器18随即采集位移传感器16和倾角传感器21的信号输出，同时控制声波发射采集模块19，按照预设发射和采集参数经由声学换能器13发射和采集声波信号，并与位移数据、倾角数据一起存储起来。然后开始下一轮的触底判断进程。此时负载铅块10驱动探杆11和声学换能器13向下逐渐贯入沉积物中，触底传感器15也因为感应部件越来越远离外部触发部件而持续输出触底信号，采集到触底信号的中央控制器18也不断控制声波发射采集模块重复发射、采集声波信号以及位移、倾角信号并存储。导向杆5随不断下移，直到到达起吊头7上限位后停止。甲板操作态台据放缆长度与预先测量的水深资料判断已放到底，则静置于海底1分钟后开始回收钢缆，带动导向杆5上移。导向杆5上移过程中，中央控制器18仍根据接收到的触底信号而不断重复发射、采集声波信号以及位移信号并存储，直到导向杆5上移到安装法兰9上的下限位位置，声学传感器13脱离海底进入水中，位移传感器16复位归零，触底传感器15因感应部件贴近外部触发部件而输出离底信号，中央控制器18开始进入延时测量进程，延时时长在测量前设定(本实施例中设为10s).延时期间继续在水中发射、采集声波信号，存储的近海底水声信号用来进行沉积物声学特性测量的对比。延时超时后，中央控制器18控制声波发射采集模块19停止声波发射、接收，开始判断出水信号，钢缆不断回收，直到离开水面，入水传感器16发出出水信号，中央控制器18自动关闭各个传感器的电源，监控测量电路17进入待机状态，在导向杆5上插入限位插销6并将测量装置放在甲板上，用导线经由数据传输模块导出存储的数据，完成一次自容测量模式的原位测量过程。

所述自容测量模式，还可在近海底水声测量完成并提起直到出水前，随时重新下放，并重复进行前述的海底贯入测量和近海底水声测量。直到测量装置出水，入水传感器16发出出水信号，中央控制器18自动关闭各个传感器的电源，监控测量电路17进入待机状态。利用入水传感器16的上述对测量进程的控制，可以避免因在甲板上的误操作而导致测量装置自动运行。

Claims (10)

1.一种压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是包括外支撑机构、贯入驱动机构和监控测量机构三部分；

所述外支撑机构包括由螺栓紧固的支撑架(1)，支撑架(1)顶部为支撑盘(4)，所述支撑盘(4)下端连接导向管(2)；

所述贯入驱动机构包括起吊头(7)、导向杆(5)、活动压盘(8)、安装法兰(9)、压载铅块(10)和探杆(11)；所述导向杆(5)为柱状结构，所述起吊头(7)位于导向杆(5)顶部，并作为导向杆(5)的上限位部件；所述安装法兰(9)设置在导向杆(5)底部，且所述导向杆(5)穿过所述导向管(2)和支撑盘(4)并可在导向管(2)内上下移动，移动的范围受限于起吊头(7)和安装法兰(9)；所述安装法兰(9)下部连接有活动压盘(8)；所述活动压盘(8)为板状结构，活动压盘(8)下部安装多根竖直的探杆(11)；活动压盘(8)还承载压载铅块(10)；所述探杆(11)的数量为两根以上，其前端为声学换能器(13)；

所述监控测量机构，包括状态监测传感器组件、声学传感器组件、内含监控测量电路(17)和电源的密封舱(12)；其中密封舱(12)搭载于所述的活动压盘(8)上；

所述的状态传感器组件，包括入水传感器(14)、触底传感器(15)和位移传感器(16)，上述传感器均通过防水连接器和电缆连接到密封舱(12)内的监控测量电路(17)；所述入水传感器(14)安装在贯入驱动机构上；所述触底传感器(15)，其感应部件与外部触发部件分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述位移传感器(16)，其保护外壳与测量杆也分置于外支撑机构和贯入驱动机构上；所述触底传感器(15)和位移传感器(16)，均通过贯入驱动机构相对外支撑机构的运动产生信号；

所述的声学传感器组件，包括位于探杆(11)底部的声学换能器(13)，所述的声学换能器(13)含一个发射换能器和一个以上的接收换能器，并通过防水连接器和电缆与密封舱(12)内的监控测量电路(17)相连；

所述的监控测量电路(17)包括中央控制器(18)、声波发射采集模块(19)、数据传输模块(20)，以及倾角传感器(21)；

所述中央控制器(18)，分别连接入水传感器(14)、触底传感器(15)、位移传感器(16)、倾角传感器(21)，以采集这些传感器的信号；所述中央控制器(18)，还连接声波发射采集模块(19)和数据传输模块(20)，以对声波发射采集和信号数据的传输进行控制；

所述声波发射采集模块(19)，接收来自中央控制器(18)的指令，根据预设参数控制声学换能器发射、采集声波信号，对信号预处理后进行存储，并传送至数据传输模块(20)；

所述数据传输模块(20)，接收来自中央控制器(18)的状态观测数据和来自声波发射采集模块(19)的声波观测数据，并对数据进行封装后经由通讯端口导出或者进行实时数据传输；

所述倾角传感器(21)，集成于中央控制器(18)的电路板上，感应测量装置的倾斜程度。

2.如权利要求1所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是还包括位于调查船上的甲板控制平台(27)，所述的甲板控制平台(27)通过由绞车(26)控制的通讯缆(28)与测量控制电路(17)的数据传输模块(20)进行通讯；所述通讯缆(28)采用铠装同轴缆或光电复合缆。

3.如权利要求2所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述的状态传感器组件还包括高度计(22)、水下摄像机(23)和水下照明灯(24)，所述高度计(22)、水下摄像机(23)和水下照明灯(24)，均安装在贯入驱动机构上；所述的监控测量电路(17)还包括照明控制与视频服务器模块(25)，在本测量装置与甲板控制平台(27)之间有通讯缆(28)连接的情况下，实时控制水下照明灯(24)的开合与水下摄像机(23)获取海底影像，并将影像数据传送至数据传输模块(20)。

4.如权利要求1所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述外支撑机构，包括至少四根支撑架(1)，该支撑架(1)下部为竖直段、上部位倾斜段，所述支撑架(1)上部的倾斜段均连接于支撑盘(4)，所述支撑架(1)下部的竖直段通过水平设置的横梁(3)实现两两之间的相互连接，且每相邻两个支撑架(1)之间的夹角相等，从而使外支撑机构成为一个具有中轴线的轴对称结构。

5.如权利要求3所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述支撑盘(4)形状为圆形或正多边形，支撑盘(4)中央设有开孔，开孔底部连接有导向管(2)，所述外支撑机构还包括可穿过导向杆(5)并卡在支撑盘(4)上的的限位插销(6)，所述限位插销(6)，其拔出后才允许导向杆(5)上下移动。

6.如权利要求1所述的压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征是所述入水传感器(14)与触底传感器(15)采用以下集成式结构：包括由前、后两个仓室组成的耐压密封舱(A1)，所述前、后两个仓室以连接通道相互连接，且前、后两个仓室之间有一条间隙；所述前仓室前端设有前端盖(A2)，前端盖(A2)上安装水密连接器(A4)；

所述前、后仓室内部分别安装发射超声晶片(A6)和接收超声晶片(A7)、或者分别安装接收超声晶片(A7)和发射超声晶片(A6)，且所述的发射超声晶片(A6)和接收超声晶片(A7)分别位于上述间隙的两侧，密封舱(A1)内设有磁性接近开关(A9)且该磁性接近开关(A9)紧贴舱壁内侧面安装，所述的发射超声晶片(A6)、接收超声晶片(A7)和磁性接近开关(A9)分别通过导线与位于前仓室内部的检测电路(A8)相连；

所述检测电路(A8)的输出端与水密连接器(A4)相连，用于检测数据的输出；

所述检测电路(A8)包括微功耗单片机(A10)、超声检测模块(A11)和触底检测模块(A12)三部分；所述超声检测模块(A11)由发射驱动电路(A13)、接收放大电路(A14)、信号整形电路(A15)和脉冲计数器(A16)组成；其中，发射驱动电路(A13)一端与发射超声晶片(A6)相连，另一端连接微功耗单片机(A10)；接收放大电路(A14)一端连接接收超声晶片(A7)，另一端依次经信号整形电路(A15)和脉冲计数器(A16)后，以并口数据线(A17)与微功耗单片机(A10)相连；

所述触底检测模块(A12)包括连接有辅助保护电路(A19)的主开关回路(A18)，辅助保护电路(A19)的输出端直接与微功耗单片机(A10)相连。

7.权利要求1所述的装置在以自容模式进行海底沉积物声学特性原位测量中的应用。

8.权利要求2所述的装置在以实时模式进行海底沉积物声学特性原位测量中的应用。

9.一种利用权利要求2所述的装置实时进行海底沉积物声学特性原位测量的方法，其特征是包括以下步骤：

在调查船甲板上接通本测量装置的电源，将通讯缆(28)与密封舱(12)连接，使甲板控制平台(27)与监测控制电路(17)的数据传输模块(20)实现通讯；中央控制器(18)开始采集各个传感器的信号，经由数据传输模块(20)和通讯缆(28)传送至甲板控制平台(27)进行实时显示；通过声波发射采集模块(19)进行发射参数预设和采集参数预设，发射参数包括发射声波的波形、波数、频率、能量；采集参数包括采样率、采样长度、增益控制；

启动甲板绞车(26)，将本测量装置吊起，拔掉限位插销(6)后，放入水中，入水传感器(16)的输出由出水信号变为入水信号；甲板绞车(26)不断向水下释放测量装置，当接近海底时停止释放，开始近海底海水的声特性测量，用作沉积物声特性原位测量的参考；此时甲板控制平台(27)经由中央控制器(18)向声波发射采集模块(19)发送启动声波发射指令，声波发射采集模块(19)根据预设发射参数控制声学换能器(13)中的发射换能器发射相应的声波信号，同时根据预设采集参数采集来自接收换能器的声波信号，经过增益放大、滤波预处理后存储，同时将记录的波形打包后经由数据传输模块(20)和通讯缆(28)实时显示在甲板控制平台(27)上，甲板控制平台(27)上根据显示的波形情况随时调整声波发射和采集参数，并根据调整后的参数重复上述过程，直到获得满意的信号波形并记录下来；

然后继续释放测量装置至支撑架(1)接触海底，外支撑机构停止运动，而贯入驱动机构在负载铅块(10)驱动下继续向下，带动声学传感器(13)逐渐贯入沉积物，贯入过程中重复上述近底层海水中的声波发射采集过程，直到位移传感器(16)的信号不再发生变化，表明已经贯入到最大深度；

然后回收测量装置，完成一次实时控制模式的原位测量过程。

10.一种利用权利要求1所述的装置实时进行海底沉积物声学特性原位测量的方法，其特征是包括以下步骤：

在调查船甲板上接通本测量装置的电源，通过导线连接上位机电脑和测量装置的监测控制电路(17)，设置测量装置的工作参数；断开导线，启动甲板绞车(26)，将测量装置吊起，监控测量电路(17)的中央控制器(18)开始采集入水传感器的信号；

将测量装置吊放入水中，入水传感器(14)发出入水信号，中央控制器(18启动触底监测进程；测量装置不断下放，触底传感器(15)始终处于离底状态，直到外支撑架(1)接触海底并停止向下运动，而导向杆(5)则在负载铅块(10)驱动下继续下移，带动触底传感器(15)的感应部件离开其外部触发部件，从而产生触底信号传送至中央控制器(18)，中央控制器(18)随即采集位移传感器(16)和倾角传感器(21)的信号输出，同时控制声波发射采集模块(19)，按照预设发射和采集参数经由声学换能器(13)发射和采集声波信号，并与位移数据、倾角数据一起存储起来；

然后开始下一轮的触底判断进程，此时负载铅块(10)驱动探杆(11)和声学换能器(13)向下逐渐贯入沉积物中，触底传感器(15)也因为感应部件越来越远离外部触发部件而持续输出触底信号，采集到触底信号的中央控制器(18)也不断控制声波发射采集模块重复发射、采集声波信号以及位移、倾角信号并存储；导向杆(5)随不断下移，直到到达起吊头(7)上限位后停止；甲板操作态台据放缆长度与预先测量的水深资料判断已放到底，则静置于海底1分钟后开始回收钢缆，带动导向杆(5)上移，导向杆(5)上移过程中，中央控制器(18)仍根据接收到的触底信号不断重复发射、采集声波信号以及位移信号并存储，直到导向杆(5)上移到安装法兰(9)上的下限位位置，声学传感器(13)脱离海底进入水中，位移传感器(16)复位归零，触底传感器(15)因感应部件贴近外部触发部件而输出离底信号；中央控制器(18)开始进入延时测量进程，延时时长在测量前设定，延时期间继续在水中发射、采集声波信号，存储的近海底水声信号用来进行沉积物声学特性测量的对比，延时超时后，中央控制器(18)控制声波发射采集模块(19)停止声波发射、接收，开始判断出水信号，钢缆不断回收，直到离开水面，入水传感器(16)发出出水信号，中央控制器(18)自动关闭各个传感器的电源，监控测量电路(17)进入待机状态，将装置放在甲板上，用导线经由数据传输模块导出存储的数据，完成一次自容测量模式的原位测量过程。