CN110954907A - 一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海底沉积物声学技术领域，特别涉及一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置；本发明包括可用于发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号的换能器及设置在换能器内的电子舱和电路控制机构，电路控制机构可用于提供电源和进行信号传输控制，电路控制机构处于电子舱内；本发明可以发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号，其具有高强度的耐压性和耐腐蚀性，可工作于深海。

Description

一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置
技术领域
本发明涉及海底沉积物声学技术领域，特别涉及一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置。
背景技术
为获得海底沉积物的分层结构和地质掩埋特征，声学探测是一种常用的有效方法。
传统的海底沉积物声学探测为寻求探测深度指标，一般使用低频探测，如美国SyQuest公司Bathy-2010Pchirp，工作频率为3.5KHz；德国General Acoutiscs公司的Subpro 1210，工作频率12kHz；尽管像Edgetech公司的3200系列的SB-424已经达到4KHz到24KHz这样大的带宽，但仍然是使用30KHz以下的工作频率范围。
低频声信号对探测海底沉积物深度方面是有优势的，但由于其穿透能力强，反而使其无法对海底表层沉积物进行有效探测，尤其是海底浅表30cm以内的海水-沉积物的固液二相混合物状态，低频声信号能量绝大部分都穿透沉积物，无法获取有效的反射接收信号能量，使得固液界面探测不准确，表层沉积物分层结构探测模糊；同时，低频信号的工作频率本身限制了信号带宽的宽度，因此限制了探测沉积物分层结构的分辨率。
对深海浅表沉积物的声学测量具有重要的科学价值，比如，分析浊流搬运对沉积物沉积作用的影响，需要在深海陡坡区域内观测海底沉积物表层1～3米范围内、优于5cm分辨率的沉积物分层结构，再比如获取不同区域海底表层沉积物的沉降速率，需要用声学测量表层沉积物的厚度与其它观测手段的长期观测数据进行对比；这些需求都需要对海底浅表沉积物进行精确的声学探测，而这些探测需求是传统的低频声学探测设备无法满足的。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其可以发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号，其具有高强度的耐压性和耐腐蚀性，可工作于深海。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其中，包括可用于发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号的换能器及设置在所述换能器内的电子舱和电路控制机构，所述电路控制机构可用于提供电源和进行信号传输控制，所述电路控制机构处于所述电子舱内。
作为本发明的一种改进，所述换能器可独立发射并接收工作中心频率为50KHz、带宽30KHz的信号和工作中心频率为75KHz、带宽30KHz的信号以及工作中心频率为110KHz、带宽30KHz的信号。
作为本发明的进一步改进，所述换能器采用压电陶瓷和匹配层收发合置式的换能器。
作为本发明的更进一步改进，所述电路控制机构包括锂电池和电路板连接组件，所述电路板连接组件包括相连接的分机子板和底板。
作为本发明的更进一步改进，所述分机子板通过接插件连接在所述底板上。
作为本发明的更进一步改进，所述分机子板包括用于发射信号的发射机子板、用于接收信号的接收机子板、用于进行信号处理的信号处理机子板、用于连接所述锂电池的电源机子板和用于备用的备用机子板。
作为本发明的更进一步改进，所述信号处理机子板采用对宽带线性调频信号进行匹配滤波的脉冲压缩。
作为本发明的更进一步改进，所述信号包括点频短脉冲形式信号和宽带线性频率调制信号。
作为本发明的更进一步改进，所述换能器的尾端设置有端盖。
作为本发明的更进一步改进，所述换能器的壳体和电子舱的壳体进行水密封处理，所述换能器的壳体内固定连接有固定板，所述固定板的一端连接在所述换能器的壳体的尾端，所述固定板的另一端与支撑板连接，所述锂电池、发射机子板、接收机子板、信号处理机子板、电源机子板和备用机子板均连接在所述固定板上。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明可以发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号，其具有高强度的耐压性和耐腐蚀性，可工作于深海。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记：1-换能器，2-电子舱，3-电路控制机构，31-锂电池，32-底板，33-发射机子板，34-接收机子板，35-信号处理机子板，36-电源机子板，37-备用机子板，38-接插件，4-端盖，5-固定板，6-支撑板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，包括可用于发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号的换能器1及设置在换能器1内的电子舱2和电路控制机构3，电路控制机构3可用于提供电源和进行信号传输控制，电路控制机构3处于电子舱2内。
在本发明内，换能器1可独立发射并接收工作中心频率为50KHz、带宽30KHz的信号和工作中心频率为75KHz、带宽30KHz的信号以及工作中心频率为110KHz、带宽30KHz的信号；具体地讲，换能器1可独立发射并接收工作中心频率为50KHz、带宽30KHz信号和工作中心频率为75KHz、带宽30KHz信号以及工作中心频率为110KHz、带宽30KHz信号，三种频率的信号需要与对应频率的换能器对接，可各自独立使用；上述的宽带信号包括点频短脉冲形式信号和宽带线性频率调制信号。
在本发明内，换能器1采用压电陶瓷和匹配层收发合置式的换能器，既可以发射对应频率的宽带信号，也可以接收对应频率的宽带信号，此处对应频率是指上述的三个工作中心频率和带宽(工作中心频率为50KHz、带宽30KHz信号和工作中心频率为75KHz、带宽30KHz信号以及工作中心频率为110KHz、带宽30KHz信号)。
在本发明内，电路控制机构包括锂电池31和电路板连接组件，电路板连接组件包括相连接的分机子板和底板32；分机子板通过接插件38连接在底板32上；进一步，分机子板包括用于发射信号的发射机子板33、用于接收信号的接收机子板34、用于进行信号处理的信号处理机子板35、用于连接所述锂电池的电源机子板36和用于备用的备用机子板37，信号处理机子板35采用对宽带线性调频信号进行匹配滤波的脉冲压缩；具体地讲，电子舱2和换能器1的壳体进行了水密封处理，工作时电路控制机构3安装在电子舱2的壳体的耐压结构内部，电路部分处于常压状态，深海的高压环境完全由电子舱2和换能器1的壳体支撑；这样的设计避免了高压环境对电子芯片疲劳老化的影响，本发明的装置的稳定性能更好；换能器1为压电陶瓷和匹配层收发合置式换能器，既可以发射对应频率的宽带信号，也可以接收对应频率的宽带信号。这里对应频率是指上述的三个工作中心频率和带宽。发射信号的形式包括点频短脉冲形式和宽带线性频率调制(LFM)信号。电路连接形式为分机子板和底板的方式，各子板的信号连接全部通过底板32走线，底板32与分机子板之间通过接插件38连接，其中底板32为1块板，分机子板包括发射机子板33、接收机子板34、信号处理机子板35、电源机子板36和备用机子板37。
在本发明内，为了方便安装和拆卸，换能器1的尾端设置有端盖4；换能器1的壳体和电子舱2的壳体进行水密封处理，换能器1的壳体内固定连接有固定板5，固定板5的一端连接在换能器1的壳体的尾端，固定板5的另一端与支撑板6连接，锂电池31、发射机子板33、接收机子板34、信号处理机子板35、电源机子板36和备用机子板37均连接在固定板5上。
本发明提供其的设计过程，其实施主要包括四个步骤：步骤(1)首先要对声呐参数进行设计；步骤(2)根据声呐参数设计结果，进行指标分解，即将声呐指标转换成各分机的电路指标；步骤(3)然后再根据各分机的电路指标进行电路设计；步骤(4)在电路设计和电路规模的基础上进行结构设计，最终进行测试验证得到整体的装置。下面具体进行阐述。
在步骤(1)中，声呐参数设计是指，根据声纳方程
SL＝EN+2(TL1+TL2)+NL-BS-DIR (1)
其中，SL——声源级，与换能器发射灵敏度及所加电压、功率、发射指向性指数有关；TL1——水中传播损失，包括扩散损失和吸收损失；TL2——沉积物中传播损失，包括扩散损失和沉积物声衰减损失；NL——噪声级，环境噪声；BS——后向散射强度，即目标强度；DIR——接收指向性指数，包括换能器转换效率；EN——检测信噪比。
在步骤(1)，获得本发明的沉积物声学探测装置的声源级指标，该指标的获得是后续设计的基础。
在步骤(2)中，指标分解是指将声源级指标分解到换能器指标、发射电路指标、接收电路指标中，以约束各单元部分的设计；具体包括换能器指标的工作中心频率、工作带宽、发射声源级、接收灵敏度；发射电路指标的发射功率、功放类型、发射信号特征；接收电路指标中的工作频率、接收最小信号能力、接收信号动态范围等。
在步骤(3)中，电路设计是指根据步骤(2)确定的指标要求进行的发射电路设计、接收电路设计、数字电路设计和电源设计。
在步骤(4)中，结构设计是指在电路设计和耐压要求基础上的结构设计，包括电路安装形式、耐压电子舱设计、耐压换能器封装设计以及耐压结构材料选择等。
本发明的工作频率在30KHz～150KHz之间，探测信号类型为宽带信号，具有高强度的耐压结构，耐腐蚀，可工作于深海，其沉积物穿透深度为1～3m，最大工作深度可达到11000米。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，包括可用于发射和接收工作频率在30KHz～150KHz之间的宽带信号的换能器及设置在所述换能器内的电子舱和电路控制机构，所述电路控制机构可用于提供电源和进行信号传输控制，所述电路控制机构处于所述电子舱内。
2.根据权利要求1所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述换能器用于独立发射并接收工作中心频率为50KHz、带宽30KHz的信号和工作中心频率为75KHz、带宽30KHz的信号以及工作中心频率为110KHz、带宽30KHz的信号。
3.根据权利要求1所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述换能器采用压电陶瓷和匹配层收发合置式的换能器。
4.根据权利要求1所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述电路控制机构包括锂电池和电路板连接组件，所述电路板连接组件包括相连接的分机子板和底板。
5.根据权利要求4所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述分机子板通过接插件连接在所述底板上。
6.根据权利要求5所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述分机子板包括用于发射信号的发射机子板、用于接收信号的接收机子板、用于进行信号处理的信号处理机子板、用于连接所述锂电池的电源机子板和用于备用的备用机子板。
7.根据权利要求6所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述信号处理机子板采用对宽带线性调频信号进行匹配滤波的脉冲压缩。
8.根据权利要求2所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述信号包括点频短脉冲形式信号和宽带线性频率调制信号。
9.根据权利要求6所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述换能器的尾端设置有端盖。
10.根据权利要求9所述的一种应用于深海浅表的高精度沉积物声学探测装置，其特征在于，所述换能器的壳体和电子舱的壳体进行水密封处理，所述换能器的壳体内固定连接有固定板，所述固定板的一端连接在所述换能器的壳体的尾端，所述固定板的另一端与支撑板连接，所述锂电池、发射机子板、接收机子板、信号处理机子板、电源机子板和备用机子板均连接在所述固定板上。
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