CN107064294A - 海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置 - Google Patents

海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，包括超声波发生设备、超声波接收设备、以及载体；载体包括：数据采集构件和控制构件；所述数据采集构件包括支撑框架；支撑框架内安装有带动超声波发生设备和超声波接收设备动作的机械式扫描装置、用于控制超声波发生设备工作状态和接收超声波接收设备输出信号的电子设备；电子设备包括：用于控制超声波发生设备和超声波接收设备工作、六自由度驱动缸动作、旋转机构动作、纵梁动作、横移驱动电机动作、纵移驱动电机动作、摆动机构动作、并接收超声波接收设备输出信号的控制器；控制构件包括位于甲板上的绞车；绞车的绳索自由端与支撑框架固定连接。本发明具有测量精度高的特点。

Description

海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置
技术领域
本发明涉及海底沉积物探测技术领域，特别是涉及一种海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置。
背景技术
海底浅层沉积物声学参数是决定海洋声场环境的关键因素，是海水中声波传播损失、海洋声场组成、水声学研究等的重要组成部分，是海洋底质调查、海洋声场研究和海洋地球科学研究不可缺少的研究内容，在海洋工程建设以及海洋环境监测等领域具有重要的研究价值。海底沉积物特性参数分布特征问题一直备受关注，尤其是在分析不同沉积环境等单元声学参数变化模式、构建准确的地声模型等方面，缺少相应的精细而真实的具有分层结构的沉积物声学数据，急需开展针对层状海底浅层沉积物特性参数分布特征原位观测及数据采集。
目前海底沉积物声学原位测量基本采用基于透射式和折射式两类侵入式海底沉积声学原位测量方法为主，均需要插入沉积物中进行测量。1、透射法的沉积物声学原位测量是声波通过插入沉积物的发射、接收声学换能器进行传播，传播介质是介于声学换能器之间的沉积物。2、折射法的沉积物声学原位测量是声波经发射声学换能器发射后，在海水与沉积物界面发生折射，被插入沉积物中的接收声学换能器接收。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，国内先后公布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(一种海底地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)、201610084096.3(压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置)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受来推断声速和声衰减系数，如专利201010293649.9(海底沉积声学参数原位测量装置)所述，其原位测量技术还可根据测量对象和实现方式的不同，分为横向测量技术和垂向测量技术两类。专利201610084096.3显示现有海底沉积物声学原位测量采用的液压贯入式声学原位测量装置，包括框架、密封仪器舱密封仪器舱、电子系统、声学换能器和水密电缆及接插件，系统通过自重将金属框架的探杆插入海底沉积物，设备触底后开启电子系统的声波发射采集模块，安装于其中一支探杆端部的发射声学换能器发射声波,经过沉积物传播后,被安装于其余3支金属框架的探杆顶端的接收声学换能器接收。电子系统将接收到的声波信号转换成数字信号后，存储到电子系统的存储单元，等装置提升至甲板后再导出数据。
现有的声学原位测量装置存在以下问题：1、装置采用活塞法、液压贯入式使探头插入至海底沉积物中，或利用仪器重量使探头插入海底沉积物中，对海底沉积物仍有一定扰动，容易存在海底姿态不可控、易倾倒的问题；2、装置是根据研究的目标，而确定测量的尺度和分辨率，如声学换能器间距是一定的，在不同沉积环境、沉积物类型等情况下存在适用性问题；3、沉积物的结构和空间分布具有非均匀性和各项异性等特点，而横向测量多采用透射法测量，垂向测量多采用折射法测量方式，无法同时从横向和垂向对海底沉积物特性进行高分辨力的快速地分析评价。因此，现有的声学原位测量装置存在一定扰动，分辨率较低，很难满足未来地球科学发展对高分辨率声学观测海底浅层沉积物特性研究的迫切需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置；该海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置通过六自由度机构、旋转机构、二维平台机构、摆动机构的控制，进而实现对海底沉积物原位声学的精确、全面测量。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，包括超声波发生设备、超声波接收设备、以及载体；
所述载体包括：带动超声波发生设备和超声波接收设备进入深海进行原位声学数据采集的数据采集构件、用于控制数据采集构件入水深度的控制构件；其中：
所述数据采集构件包括下开口的支撑框架；所述支撑框架内安装有带动超声波发生设备和超声波接收设备动作的机械式扫描装置、用于控制超声波发生设备工作状态和接收超声波接收设备输出信号的电子设备；
所述机械式扫描装置包括六自由度机构，所述六自由度机构包括与支撑框架固定连接的固定板，所述固定板通过六自由度驱动缸与自由板连接；所述自由板位于固定板的下方，所述自由板的下表面安装有旋转机构；所述旋转机构包括连接板，所述连接板的上表面与自由板的下表面固定连接；所述连接板的下表面通过转盘与支架连接；所述支架包括两条彼此平行的滑动梁，每条滑动梁上安装有一个横移滑块，两个横移滑块之间安装有纵梁；在所述纵梁上安装有两个纵移滑块；所述超声波接收设备包括超声波接收设备A和超声波接收设备B；所述超声波发生设备通过摆动机构与纵梁上的纵移滑块A连接；所述超声波接收设备A安装在摆动机构上，所述超声波接收设备B与纵梁上的纵移滑块B连接；在所述支架上安装有控制两个横移滑块动作的横移驱动电机；在所述纵梁上安装有驱动两个纵移滑块动作的纵移驱动电机；
所述电子设备包括：用于控制超声波发生设备和超声波接收设备工作、六自由度驱动缸动作、旋转机构动作、纵梁动作、横移驱动电机动作、纵移驱动电机动作、摆动机构动作、并接收超声波接收设备输出信号的控制器；
所述控制构件包括位于甲板上的绞车；所述绞车的绳索自由端与支撑框架固定连接。
进一步：所述摆动机构包括连接杆；在所述纵移滑块A上安装有摆动电机；所述摆动电机的驱动轴与连接杆的一端连接；所述超声波发生设备固定安装在连接杆的侧壁。
更进一步：所述超声波发生设备和超声波接收设备位于同一水平面上。
进一步：所述控制器通过通信电缆与控制终端进行数据交互。
进一步：所述支撑框架包括四棱台形状的探测部和位于探测部上方的密封舱两部分；其中：所述探测部的下表面大于上表面；在所述探测部下方的四个支腿上安装有抓紧海底沉积物的支撑盘；在所述支撑盘的中心安装有插入海底沉积物内的紧固插杆。
进一步：所述超声波发生设备为声学换能器；所述超声波接收设备为水听器。
进一步：所述声学换能器为中心频率为100KHZ，带宽为50KHZ的压电换能器。
进一步：在所述支撑框架上还安装有姿态传感器；所述姿态传感器的信号输出端子通过数据线与控制器的I/O端口电连接。
更进一步：所述支撑框架为轴对称结构，姿态传感器安装于支撑框架的对称轴上。
进一步：在所述支撑框架上还安装有温度传感器、深度传感器、以及盐度传感器；所述温度传感器、深度传感器、以及盐度传感器分别通过数据线与控制器的I/O端口电连接。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明利用上述技术方案完成对海底沉积物特性进行高分辨力的测量任务，由于支撑框架直接位于沉积物的表面，不破坏沉积物，同时采用一个超声波发生设备发出超声波，两个超声波接收设备，这样在进行超声波检测时，超声波接收设备B能够对超声波发生设备输出的超声波进行直接检测，而超声波接收设备A能够对经过沉积物反射后的超声波进行检测；通过两组数据的分析比较，可以对沉积物进行数据分析；保证检测结果的准确性，满足了高精度海底沉积物特性参数分布特征的测量要求。采用反射法测量方式进一步减少干扰，基于声反射法的声学原位测量技术可快速获取海底信息，具有非接触、易于维护、测量精度高、环境适应性强等优点，由于海底反射声信号携带了有关海底沉积物的大量信息，非常适合应用海底浅层沉积物特性参数的测量。其次，基于反射法的沉积物声学原位测量是声波通过发射声学换能器发射，通过摆动机构进而实现垂向或斜向入射沉积物，在海底界面发生反射，被接收声学换能器接收，具有操控简单快捷的优点。
附图说明：
图1为本发明优选实施例的第一结构图；
图2为本发明优选实施例的第二结构图；
图3为本发明优选实施例中探测部内的结构图；
图4为本发明优选实施例的仰视图；
图5为本发明优选实施例中摆动机构的结构图；
图6为本发明优选实施例中支撑框架的结构图。
其中：1、支撑框架；1-1、密封仓；1-2、探测部；1-3、支撑盘；1-4、紧固插杆；2、电子设备；3、六自由度机构；3-1、固定板；3-2、六自由度驱动缸；3-3、自由板；4、旋转机构；4-1、连接板；4-2、转盘；4-3、旋转电机；5、二维运动平台；5-1、支架；5-2、滑动梁；5-3、纵梁；5-4、第一固定直线进给器；5-5、第二固定直线进给器；5-6、纵移驱动电机；5-7、横移驱动电机；6、摆动机构；6-1、摆动电机；6-2、立板；6-3、驱动轴；6-4、旋转套；6-5、连接杆；7、超声波发生设备；8、超声波接收设备；9、绞车；10、斜拉筋；11、固定盘。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图6，一种海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，包括超声波发生设备7、超声波接收设备8、以及载体；在本优选实施例中：超声波发生设备选用的是声学换能器；所述超声波接收设备为水听器；作为优选：所述声学换能器为中心频率为100KHZ，带宽为50KHZ的压电换能器。
所述载体包括：带动超声波发生设备7和超声波接收设备8进入深海进行原位声学数据采集的数据采集构件、用于控制数据采集构件入水深度的控制构件；其中：
所述数据采集构件包括下开口的支撑框架1；所述支撑框架内安装有带动超声波发生设备和超声波接收设备动作的机械式扫描装置、用于控制超声波发生设备工作状态和接收超声波接收设备输出信号的电子设备；作为优选，请参阅图3：
所述机械式扫描装置包括六自由度机构3，所述六自由度机构3包括与支撑框架1固定连接的固定板3-1，所述固定板3-1通过六自由度驱动缸3-2与自由板3-3连接；所述自由板3-3位于固定板的下方，所述自由板3-3的下表面安装有旋转机构4；所述旋转机构4包括连接板4-1，所述连接板4-1的上表面与自由板3-3的下表面固定连接；所述连接板4-1的下表面通过转盘4-2与支架5-1连接；转盘4-2通过传动轴与旋转电机4-3连接；所述支架5-1包括两条彼此平行的滑动梁5-2，每条滑动梁5-2上安装有一个横移滑块，两个横移滑块之间安装有纵梁5-3；在所述纵梁5-3上安装有两个纵移滑块；所述超声波接收设备8包括超声波接收设备A和超声波接收设备B；超声波接收设备B用于检测超声波发生设备直接输出的超声波信号，这样能够很好地保证输出信号的质量，超声波接收设备A用于检测经过沉积物反射后的超声波信号，通过两个信号的比对，可以实现对沉积物的数据分析；其中：所述超声波发生设备7通过摆动机构6与纵梁5-3上的纵移滑块A连接；在所述摆动机构上安装超声波接收设备A；所述超声波接收设备B与纵梁上的纵移滑块B连接；在所述支架5-1上安装有控制两个横移滑块动作的横移驱动电机5-7；在所述纵梁5-3上安装有驱动两个纵移滑块动作的纵移驱动电机5-6；上述支架5-1、两条滑动梁5-2、纵梁5-3、纵移驱动电机5-6、横移驱动电机5-7组成一个二维运动平台5；横移驱动电机5-7为双轴输出电机，横移驱动电机5-7的输出轴通过第一固定直线进给器5-4、第二固定直线进给器5-5分别驱动两条滑动梁5-2上的一个横移滑块动作；由于两个横移滑块由一个电机驱动，因此能够很好地保证两个滑块的同步性，进而保证纵梁5-3运动的平稳性；所述纵移驱动电机5-6有两个，两个纵移驱动电机5-6分别通过一个移动直线进给器与纵移滑块A、纵移滑块B连接；
所述电子设备包括：用于控制超声波发生设备和超声波接收设备工作、六自由度驱动缸动作、旋转机构动作、纵梁动作、横移驱动电机动作、纵移驱动电机动作、摆动机构动作、并接收超声波接收设备输出信号的控制器；由于上述控制每个部件端子的控制器均为比较成熟的电子技术，而本发明并非对电子零部件的改进，这些部件可以直接从市场进行购买，因此此处不再对其具体的结构和工作原理做过多的赘述；
所述控制构件包括位于甲板上的绞车9；所述绞车9的绳索自由端与支撑框架1固定连接。请参阅图4，为了便于拆卸，支撑框架1的顶部通过斜拉筋10与圆环形的固定盘11固定连接；随后将绳索自由端与固定盘11固定连接；
请参阅图5：所述摆动机构6包括连接杆6-5；在所述纵移滑块A上安装有摆动电机6-1；所述摆动电机6-1的驱动轴6-3通过旋转套6-4与连接杆6-5的一端连接；所述超声波发生设备7固定安装在连接杆6-5的侧壁；驱动轴6-3通过立板6-2安装在纵移滑块A上；
请参阅图2：以竖直向下方向为0度，摆动机构6的摆动幅度为-90度至90度；所述超声波发生设备和超声波接收设备B位于同一水平面上。这样，当进行超声波检测时，超声波接收设备B能够对超声波发生设备输出的超声波进行直接检测，而超声波接收设备A能够对经过沉积物反射后的超声波进行检测；通过两组数据的分析比较，可以对沉积物进行数据分析；保证检测结果的准确性。
为了便于实现远程检测：所述控制器通过通信电缆与控制终端进行数据交互。
所述支撑框架包括四棱台形状的探测部和位于探测部1-2上方的密封舱1-1两部分；其中：所述探测部的下表面大于上表面；在所述探测部下方的四个支腿上安装有抓紧海底沉积物的支撑盘1-3；在所述支撑盘1-3的中心安装有插入海底沉积物内的紧固插杆1-4；左右优选，在紧固插杆1-4上可以安装温度传感器，这样即可对沉积物内部的温度进行检测；紧固插杆1-4的直径尺寸越小越好，这样即可最大限度地减小对沉积物的破坏。
为了获取更全面的数据：在所述支撑框架上还安装有姿态传感器；所述姿态传感器的信号输出端子通过数据线与控制器的I/O端口电连接。为了保证姿态传感器的检测精度，作为优选：所述支撑框架为轴对称结构，姿态传感器安装于支撑框架的对称轴上。
在所述支撑框架上还安装有温度传感器、深度传感器、以及盐度传感器；所述温度传感器、深度传感器、以及盐度传感器分别通过数据线与控制器的I/O端口电连接。
本发明的工作原理为：首先通过绞车将支撑框架1下放至海底沉积物上，随后利用控制器驱动六自由度机构、旋转机构、二维平台机构、摆动机构动作，使得超声波发生装置7发出超声波，超声波的波形、频率和强度可以通过控制器进行调节；随后利用超声波接收装置8接收反射回来的超声波信号，并将接收到的信号发送给控制器；当采用控制终端与控制器进行数据交换时，工程师即可实现在夹板上对水下六自由度机构、旋转机构、二维平台机构、摆动机构动作的远程控制，同时实现对采集数据的实时接收，通过采用姿态传感器能够实时对支撑框架1倾斜角度的监控；进而实现对沉积物表面的超声检测。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，包括超声波发生设备、超声波接收设备、以及载体；其特征在于：
所述载体包括：带动超声波发生设备和超声波接收设备进入深海进行原位声学数据采集的数据采集构件、用于控制数据采集构件入水深度的控制构件；其中：
所述数据采集构件包括下开口的支撑框架；所述支撑框架内安装有带动超声波发生设备和超声波接收设备动作的机械式扫描装置、用于控制超声波发生设备工作状态和接收超声波接收设备输出信号的电子设备；
所述机械式扫描装置包括六自由度机构，所述六自由度机构包括与支撑框架固定连接的固定板，所述固定板通过六自由度驱动缸与自由板连接；所述自由板位于固定板的下方，所述自由板的下表面安装有旋转机构；所述旋转机构包括连接板，所述连接板的上表面与自由板的下表面固定连接；所述连接板的下表面通过转盘与支架连接；所述支架包括两条彼此平行的滑动梁，每条滑动梁上安装有一个横移滑块，两个横移滑块之间安装有纵梁；在所述纵梁上安装有两个纵移滑块；所述超声波接收设备包括超声波接收设备A和超声波接收设备B；所述超声波发生设备通过摆动机构与纵梁上的纵移滑块A连接；所述超声波接收设备A安装在摆动机构上，所述超声波接收设备B与纵梁上的纵移滑块B连接；在所述支架上安装有控制两个横移滑块动作的横移驱动电机；在所述纵梁上安装有驱动两个纵移滑块动作的纵移驱动电机；
所述电子设备包括：用于控制超声波发生设备和超声波接收设备工作、六自由度驱动缸动作、旋转机构动作、纵梁动作、横移驱动电机动作、纵移驱动电机动作、摆动机构动作、并接收超声波接收设备输出信号的控制器；
所述控制构件包括位于甲板上的绞车；所述绞车的绳索自由端与支撑框架固定连接。
2.根据权利要求1所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述摆动机构包括连接杆；在所述纵移滑块A上安装有摆动电机；所述摆动电机的驱动轴与连接杆的一端连接；所述超声波发生设备固定安装在连接杆的侧壁。
3.根据权利要求2所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述超声波发生设备和超声波接收设备位于同一水平面上。
4.根据权利要求1所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述控制器通过通信电缆与控制终端进行数据交互。
5.根据权利要求1所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述支撑框架包括四棱台形状的探测部和位于探测部上方的密封舱两部分；其中：所述探测部的下表面大于上表面；在所述探测部下方的四个支腿上安装有抓紧海底沉积物的支撑盘；在所述支撑盘的中心安装有插入海底沉积物内的紧固插杆。
6.根据权利要求1-5任一项所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述超声波发生设备为声学换能器；所述超声波接收设备为水听器。
7.根据权利要求6所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述声学换能器为中心频率为100KHZ，带宽为50KHZ的压电换能器。
8.根据权利要求6所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：在所述支撑框架上还安装有姿态传感器；所述姿态传感器的信号输出端子通过数据线与控制器的I/O端口电连接。
9.根据权利要求8所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：所述支撑框架为轴对称结构，姿态传感器安装于支撑框架的对称轴上。
10.根据权利要求6所述的海底沉积物原位声学测量系统的数据采集装置，其特征在于：在所述支撑框架上还安装有温度传感器、深度传感器、以及盐度传感器；所述温度传感器、深度传感器、以及盐度传感器分别通过数据线与控制器的I/O端口电连接。
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