CN111948294A - 沉积物声学特性原位测量的声波发射采集装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

沉积物声学特性原位测量的声波发射采集装置、系统及方法，包括主控单元、声波发射单元、声波采集单元和电源转换单元；主控单元对声波发射单元的声波发射过程进行控制，对声波采集单元的声波采集过程进行控制；声波发射单元控制发射换能器组的发射换能器产生具有设定波形、频率和强度的声波信号；声波采集单元控制接收换能器组的接收换能器接收、采集和存储声波信号。所述方法包括声波发射采集参数的设置和读取，声波信号的发射、接收和采集，声波采集信号的传输。本发明具有很好的通用性，能降低功耗；增大了测量频带的宽度；增强了对海上作业条件的适应能力；实现了多个接收换能器的同步信号接收和采集，并通过信号放大和调理提高了信噪比。

Description

沉积物声学特性原位测量的声波发射采集装置、系统及方法

技术领域

本发明属于沉积物声学测量技术领域，更具体地说，本发明涉及一种沉积物声学特性原位测量系统的声波发射采集装置及方法。

背景技术

沉积物的声学特性，包括声速和声衰减系数，分别表征声波在沉积物中传播时的速度和能量衰减特性，是沉积物的重要物理属性。原位测量技术是获得沉积物声学特性的重要手段，其通过将声学换能器贯入水下沉积物中然后在其中发射和接收声波的方式，根据声波信号的传播时间和幅度变化来提取声速和声衰减系数。迄今已经公开了多种类型的沉积物声学特性原位测量系统，如专利201010265697.7（基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位测量系统）、2010102934.9（海底沉积声学参数原位测量装置）、201610084096.3（压载贯入式海底沉积物声学特性原位测量装置）等。一个完整的沉积物声学特性原位测量系统通常包含用于声学换能器贯入和测量支撑的机械装置、用于系统水下状态监控的监测控制装置以及用于驱动声学换能器进行声波信号发射和采集的声波发射采集装置，其中声波发射采集装置或者说由该装置及其周边器件组成的声波发射采集系统，是沉积物声学特性原位测量系统必不可少的组成部分，其控制声学换能器在沉积物中发出声波信号，同时采集和记录经过沉积物传播后的声波信号。由于声波在沉积物中传播时具有衰减大、频散强等特点，因此设计的沉积物声学特性原位测量系统往往具有多通道发射（利用多个发射换能器构成宽频带组合）、多通道接收（利用不同接收距离的多个接收换能器组成阵列）的特点，因此要求声波发射采集装置能够发射和接收宽频带的声波信号，而且发射出的声波信号强度大、接收的信号信噪比高，以利于沉积物声学特性参数的提取。已公开的沉积物声学特性原位测量系统均设计了各自的声波发射采集装置，但多数与系统的水下监测和控制装置封装在一起，声波发射采集装置的通用性不足，不利于原位测量系统的维护和升级以及产品化水平的提升，因此设计一种可用于沉积物声学特性原位测量系统的模块化程度较高、通用性强的声波发射采集装置十分必要。

发明内容

本发明提出了一种沉积物声学特性原位测量系统的声波发射采集装置及方法，可以模块化地集成在沉积物声学特性原位测量系统中，用于在沉积物中发射和采集声波信号，以实现沉积物声学特性参数的提取。

一种沉积物声学特性原位测量的声波发射采集装置，其特征在于包括主控单元、分别与主控单元相连的声波发射单元和声波采集单元，以及用于供电的电源转换单元；

所述主控单元对声波发射单元的声波发射过程进行控制，对声波采集单元的声波采集过程进行控制；

所述声波发射单元用于控制发射换能器组中的一个或多个发射换能器产生具有设定波形、频率和强度的声波信号；

所述声波采集单元用于控制接收换能器组中的一个或多个接收换能器接收、采集和存储声波信号；

所述主控单元包括FPGA芯片，分别与FPGA芯片连接的用于时间控制的时钟模块、用于数据和指令存储的高速缓存模块和外部存储模块以及用于外部通讯的网路通讯模块和串行通讯模块；其中时钟模块、网路通讯模块和串行通讯模块分别通过一个I/O接口与FPGA芯片相连，所述网络通讯模块用于连接水下通讯单元，以实现在有通讯缆连接条件下与甲板测控终端的数据和指令交换；所述串行通讯模块用于连接外触发器，以实现在无通讯缆连接条件下根据外触发器的触发指令自动完成声波的发射和采集；

所述声波发射单元包括DAC芯片D1和D2、DA信号调理电路A1和A2、以及与发射换能器T1~Tn对应并对其分别进行发射控制的电子开关ST1~STn、脉冲发射电路PT1~PTn、继电器JT1~JTn，其中发射换能器T1~Tn为发射换能器组中的第T1号至第Tn号发射换能器；

所述主控单元1的FPGA芯片通过DAC芯片D2和DA信号调理电路A2所构成的一组元件进行发射波形控制，即通过该组元件来控制电子开关ST1~STn和继电器JT1~JTn的选通，使得发射换能器T1~Tn中只有一个在对应的脉冲发射电路PT1~PTn驱动下发射经过电压控制和波形控制的声波信号；而所述脉冲发射电路PT1~PTn均与对应的发射换能器T1~Tn进行阻抗匹配；

所述声波采集单元包括与接收换能器R1~Rm对应的，由ADC芯片DR1~DRm、AD信号调理电路AR1~ARm、主放大器PR1~PRm、带通滤波器FR1~FRm和前置放大器QR1~QRm组成的m个信号采集通道，其中接收换能器R1~Rm为接收换能器组中的第R1号至第Rm号接收换能器；

所述主控单元的FPGA芯片通过控制前置放大器QR1~QRm的放大倍数，对接收换能器R1~Rm感应到的声波信号进行放大，然后依次经过带通滤波器FR1~FRm的滤波、带通滤波器FR1~FRm的二级放大、AD信号调理电路AR1~ARm的信号调理后，由ADC芯片DR1~DRm转换为数字信号送入主控单元进行存储；

所述电源转换单元，其包括DC-DC模块C1~C5以及电子开关S1；

所述声波发射单元中由DAC芯片D1与DA信号调理电路A1构成的一组元件，连接到电源转换单元的DC-DC模块C3；主控单元的FPGA芯片通过DAC芯片D1和DA信号调理电路A1控制DC-DC模块C3进行发射电压控制，

所述主控单元1通过控制电子开关S1为声波发射单元和声波采集单元的电源供应，从而使声波发射单元的部件仅在声波发射时通电，使声波采集单元的部件仅在采集时通电，以降低声波发射采集装置的功耗。

所述的声波发射采集装置，其特征是所述电源转换单元是将24VDC电源进行变换，从而为装置各部分提供电源。

沉积物声学特性原位测量的声波发射采集系统，其特征在于包括以上所述的声波发射采集装置，还包括电源、射换能器组、接收换能器组、水下通讯单元、通讯缆、甲板通讯单元、甲板测控终端和外触发器；

所述电源为24VDC电源，所述电源转换单元将24VDC电源进行变换，为装置各部分提供电源；所述发射换能器组具有T1号至第Tn号发射换能器，并由声波发射单元进行控制，所述接收换能器组具有R1号至第Rm号接收换能器，并由声波接收单元进行控制，

所述水下通讯单元与所述网络通讯模块连接，采集的声波信号数据经水下通讯单元转换为可以远程传输的电信号或光信号，经通讯缆传输至甲板通讯单元，然后再将电信号或光信号转换为采集的声波信号，并输送至甲板测控终端进行信号的显示；同样地，甲板测控终端的测量控制参数和指令经甲板通讯单元的信号变换、通讯缆传输以及水下通讯单元的信号变换后，通过网络通讯模块传输至声波发射采集装置的主控单元，以实现对声波发射采集装置的测量过程的远程控制；

所述串行通讯接口连接至外触发器，外触发器为声波发射采集装置提供一个触发指令，从而触发声波发射采集装置的主控单元按照在沉积物声学特性原位测量系统下水前预设的声波发射采集参数自动控制并完成声波的发射和采集，以实现在缺少通讯缆的条件下进行自容式原位测量的目的。

所述的声波发射采集系统，其特征在于所述电源可以为封装在密封舱内的电池组，也可以为以水上供电方式经海水电缆传输至水下并经过电压变换所产生的电源。

利用所述声波发射采集系统进行声波发射与采集的方法，因包含上述声波发射采集装置，故其特征是包括以下步骤：

1、声波发射采集参数的设置和读取：主控单元中的FPGA芯片接收到甲板测控终端经甲板通讯单元、通讯缆、水下通讯单元以及网络通讯模块传输的参数设置指令后，先将设置参数存入FPGA芯片内部RAM存储器中的RM1部分，再将设置参数存入外部存储模块；

FPGA芯片接收到来自甲板测控终端经甲板通讯单元、通讯缆、水下通讯单元以及网络通讯模块传输的参数读取指令后，先从外部存储模块中读取设置参数，再将设置参数存入FPGA内部RAM存储器中的RM1部分，同时将设置参数通过网络通讯模块传输给水下通讯单元，并经由通讯缆、甲板通讯单元、最终传输给甲板测控终端；

所述的参数包括采样频率、脉冲激励频率、脉冲激励周期数、激励脉冲占空比、脉冲发射电压、是否自动增益控制、增益控制目标幅度、增益控制方式、固定增益值、上传波形数据的长度；

2、声波信号的发射、接收和采集：主控单元中的FPGA芯片接收到甲板测控终端经由甲板通讯单元、通讯缆、水下通讯单元以及网络通讯模块传输的开始工作指令、或者接收到外触发器传输的开始工作指令后，先根据设置参数进行发射、接收控制以及采集控制；

所述的发射、接收控制以及采集控制包括：电源转换单元中电子开关S1的打开、声波发射单元中DC-DC模块C3的发射电压设置、电子开关ST1~STn的打开/关闭控制，继电器JT1~JTn的打开/关闭控制、声波采集单元中前置放大器QR1--QRm的增益控制、以及采样率控制；

然后FPGA芯片以设定的采样率控制ADC芯片DR1~DRm进行接收信号的高速同步采集，并实时读取ADC芯片DR1~DRm的转换结果数据，按顺序将其存入高速缓存模块；

待采样结束后，再将高速缓存模块中的数据读出并转存到外部非易失性存储模块中；

3、声波采集信号的传输：主控单元中的FPGA芯片接收到甲板测控终端经由甲板通讯单元、通讯缆、水下通讯单元以及网络通讯模块传输的波形读取指令后，先根据读取指令中指定的外部存储模块中的数据存储起始地址和终止地址读出该地址范围内的所有数据，缓存到FPGA芯片中的内部RAM存储器中的RM2部分，再从内部RAM存储器中的RM2部分中读出所有数据并发送给网络通讯模块，再经由水下通讯单元、通讯缆以及甲板通讯单元，最终传输给甲板测控终端。

本发明所述装置与方法具有如下技术特点：（1）本装置仅需要网络接口和串行接口两种通用接口与沉积物声学特性原位测量系统的其他电路器件连接，具有很好的通用性；（2）本装置可以通过网络接口经由通讯缆与甲板测控终端进行连接，实现对水下声波发射和采集的实时控制；（3）本装置也可以通过预留的串行接口接收外触发器的触发信号，实现在无通讯缆条件下进行自容式测量，增强了本装置对海上作业条件的适应能力；（4）本装置通过主控单元控制一系列电子开关的通断进行供电管理，从而降低了功耗；（5）本装置通过主控单元控制电子开关和继电器的通断，实现多个不同频率的发射换能器按照各自预设的电压和波形参数按照一定的时序发射声波信号，增大了测量频带的宽度；（6）本装置实现了多个接收换能器的同步信号接收和采集，并通过信号放大和调理提高了信噪比，有利于根据记录的声波信号提取沉积物声学特性参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 本发明的由声波发射采集装置及其周边器件组成的声波发射采集系统结构框图。

图2 本发明的声波发射采集装置主控单元结构框图。

图3 本发明的声波发射采集装置声波发射单元结构框图。

图4 本发明的声波发射采集装置声波采集单元结构框图。

图5 本发明的声波发射采集装置电源转换单元结构框图。

图6 本发明的声波发射采集方法流程图。

其中，1. 主控单元 2. 声波发射单元 3. 声波采集单元 4. 电源转换单元 5.电源 6. 发射换能器组 7. 接收换能器组 8. 水下通讯单元 9. 通讯缆 10. 甲板通讯单元 11. 甲板测控终端 12. 外触发器 13. FPGA芯片组 14. 时钟模块 15. 高速缓存模块16. 外部存储模块 17. 网络通讯模块 18. 串行通讯模块；

D1~D2. DAC芯片 A1~A2. DA信号调理电路 ST1~STn. 电子开关 PT1~PTn. 脉冲发射电路 JT1~JTn. 继电器 T1~Tn. 发射换能器；

DR1~DRm. ADC芯片 AR1~ARm. AD信号调理电路 PR1~PRm. 主放大器 FR1~FRm. 带通滤波器 QR1~QRm. 前置放大器 R1~Rm. 接收换能器；

S1. 电子开关 C1~C5. DC-DC模块。

RM1~RM2. FPGA内部RAM块。

具体实施方式

如图1-5，一种沉积物声学特性原位测量系统的声波发射采集装置，包括主控单元1、声波发射单元2，声波采集单元3和电源转换单元4四个主要部分。

所述声波发射采集装置，通过电源转换单元4将24VDC电源5进行变换为声波发射采集装置各组成单元运行所需的电源。所述电源5，可以为封装在密封舱内的电池组，也可以为以水上供电方式经海水电缆传输至水下并经过电压变换所产生的电源。

所述声波发射采集装置，通过声波发射单元2控制发射换能器组6中的一个或多个发射换能器产生具有设定波形、频率和强度的声波信号。

所述声波发射采集装置，通过声波采集单元3控制接收换能器组7中的一个或多个接收换能器接收、采集和存储声波信号。

所述声波发射采集装置，可以经由主控单元1的网络通讯模块17连接至水下通讯单元8，经水下通讯单元8将采集的声波信号数据转换为可以远程传输的电信号或光信号，经通讯缆9传输至甲板通讯单元10，然后再将电信号或光信号转换为采集的声波信号，并输送至甲板测控终端11进行信号的显示。同样地，甲板测控终端11的测量控制参数和指令经甲板通讯单元10的信号变换、通讯缆9传输及水下通讯单元8的信号变换后，通过网络通讯模块17传输至声波发射采集装置的主控单元1，以实现对声波发射采集装置的测量过程的远程控制。

所述声波发射采集装置，还可以经由主控单元1的串行通讯接口18连接至外触发器12，外触发器12为声波发射采集装置提供一个触发指令，从而触发声波发射采集装置的主控单元1按照在沉积物声学特性原位测量系统下水前预设的声波发射采集参数自动控制并完成声波的发射和采集，以实现在缺少通讯缆9的条件下进行自容式原位测量的目的。

所述声波发射采集装置的主控单元1，包括核心的FPGA芯片13、用于时间控制的时钟模块14、用于数据和指令存储的高速缓存模块15和外部存储模块16以及用于外部通讯的网路通讯模块17和串行通讯模块18。

所述声波发射采集装置的主控单元1，其运行所需的电源由电源转换单元将24VDC电源5变换而来。主控单元1连接声波发射单元2，对声波发射过程进行控制；连接声波采集单元3，对声波采集过程进行控制。主控单元1通过网络通讯模块17连接水下通讯单元8，从而实现在有通讯缆9连接条件下与甲板测控终端11的数据和指令交换。主控单元1通过串行通讯模块18连接外触发器12，从而实现在无通讯缆9连接条件下根据外触发器12的触发指令自动完成声波的发射和采集。

所述声波发射采集装置的声波发射单元2，包括DAC芯片D1和D2、DA信号调理电路A1和A2、以及与发射换能器T1~Tn对应并对其分别进行发射控制的电子开关ST1~STn、脉冲发射电路PT1~PTn、继电器JT1~JTn（n取决于发射换能器个数）。声波发射单元2在主控单元1控制下完成声波信号的发射。DAC芯片D1和DA信号调理电路A1连接到电源转换单元4的DC-DC模块C3，主控单元1的FPGA芯片13通过DAC芯片D1和DA信号调理电路A1控制DC-DC模块C3进行发射电压控制，主控单元1的FPGA芯片13通过DAC芯片D2和DA信号调理电路A2进行发射波形控制，主控单元1的FPGA芯片13控制电子开关ST1~STn和继电器JT1~JTn的选通，使得发射换能器T1~Tn中只有一个在对应的脉冲发射电路PT1~PTn驱动下发射经过电压控制和波形控制的声波信号。脉冲发射电路PT1~PTn均需与对应的发射换能器T1~Tn进行阻抗匹配。

所述声波发射采集装置的声波采集单元3，包括与接收换能器R1~Rm（m取决于接收换能器个数）对应的由ADC芯片DR1~DRm、AD信号调理电路AR1~ARm、主放大器PR1~PRm、带通滤波器FR1~FRm和前置放大器QR1~QRm组成的信号采集通道。声波采集单元3在主控单元1控制下完成m个通道的声波信号的同步采集。主控单元1的FPGA芯片13控制前置放大器QR1~QRm的放大倍数，对接收换能器R1~Rm感应到的声波信号进行放大，然后依次经过带通滤波器FR1~FRm的滤波、带通滤波器FR1~FRm的二级放大、AD信号调理电路AR1~ARm的信号调理后，由ADC芯片DR1~DRm转换为数字信号送入主控单元1进行存储。

所述声波发射采集装置的电源转换单元4，包括一系列DC-DC模块C1~C5以及电子开关S1。电源转换单元4将24VDC电源5变化为主控单元1、声波发射单元2、声波采集单元3和水下通讯单元8所需的不同电压。电源转换单元4通过电子开关S1控制为声波发射单元2和声波采集单元3的电源供应，使其包含的部件仅在声波发射和采集时通电，以降低声波发射采集装置的功耗。

所述沉积物声学特性原位测量系统的声波发射采集方法，如图6，其利用上述的声波发射采集装置，按照以下步骤完成声波信号的发射、采集、存储和传输：

1、声波发射采集装置参数的设置和读取：

主控单元1中的FPGA芯片13，接收到来自甲板测控终端11并经由甲板通讯单元10、通讯缆9、水下通讯单元8以及网络通讯模块17传输的参数设置指令后，先将设置参数存入FPGA内部RAM块RM1，再将设置参数存入外部存储模块16 。

设置参数包括采样频率(2.5MSPS/5.0MSPS/10.0MSPS可选)；脉冲激励频率(1.0kHz～3000.0kHz，发射换能器T1、T2···Tn可分别设置)；脉冲激励周期数(1～255个，发射换能器T1、T2···Tn可分别设置)；激励脉冲占空比(1%～99%，发射换能器T1、T2···Tn统一设置)；脉冲发射电压(0～1000.0V，发射换能器T1、T2···Tn可分别设置)；是否自动增益控制(自动增益/固定增益可选)；增益控制目标幅度(自动增益时有效，0～10.0Vpp统一设置)；增益控制方式(自动增益时有效，按发射换能器T1控制/各通道分别控制可选)；发射换能器T1发射时，接收换能器R1、R2···Rm的接收信号增益(固定增益时有效，0～255，可分别设置)；发射换能器T2发射时，接收换能器R1、R2···Rm的接收信号增益(固定增益时有效，0～255，可分别设置)；发射换能器Tn发射时，接收换能器R1、R2··· Rm的接收信号增益(固定增益时有效，0～255，可分别设置)；上传波形数据的长度(1k/2k/3k/4k/5k···/32k采样点共32档可选)等。

主控单元1中的FPGA芯片13，接收到来自甲板测控终端11并经由甲板通讯单元10、通讯缆9、水下通讯单元8以及网络通讯模块17传输的参数读取指令后，先从外部存储模块16中读取设置参数，再将设置参数存入FPGA内部RAM块RM1，同时将设置参数通过网络通讯模块17传输给水下通讯单元8，并经由通讯缆9、甲板通讯单元10、最终传输给甲板测控终端11。

2、声波信号的发射、接收和采集：

主控单元1中的FPGA芯片13，接收到来自外触发器12或者来自甲板测控终端11并经由甲板通讯单元10、通讯缆9、水下通讯单元8以及网络通讯模块17传输的开始工作指令后，先根据设置参数进行发射、接收控制以及采集控制，包括电源转换单元4中电子开关S1的打开、声波发射单元2中DC-DC模块C3的发射电压设置、电子开关ST1~STn的打开/关闭控制，继电器JT1~JTn的打开/关闭控制、声波采集单元3中前置放大器QR1--QRm的增益控制、以及采样率控制等。然后FPGA芯片13以设定的采样率控制ADC芯片DR1~DRm进行接收信号的高速同步采集，并实时读取ADC芯片DR1~DRm的转换结果数据，按顺序将其存入高速缓存模块15。待采样结束后，再将高速缓存模块15中的数据读出并转存到外部非易失性存储模块16中。

开始工作指令共有二个：单次发射、接收、采集指令和多次发射、接收、采集指令，分别对应声波发射、接收、采集的二个工作模式：实验室调试模式和现场工作模式。

主控单元1中的FPGA芯片13接收到单次发射、接收、采集指令时，FPGA芯片13根据其内部RAM块RM1中存储的设置参数，进行设定发射换能器T1/T2/···/Tn的声波发射以及接收换能器R1、R2···Rm接收信号的同步采集、存储。

主控单元1中的FPGA芯片13接收到多次发射、接收、采集指令时，FPGA芯片13根据其内部RAM块RM1中存储的设置参数，先进行发射换能器T1、T2···Tn的轮流发射以及接收换能器R1、R2···Rm接收信号的同步采集。如果增益控制方式设定为固定增益方式，则存储当前接收换能器R1、R2···Rm的采集波形，并重复执行发射换能器T1、T2···Tn的轮流发射以及接收换能器R1、R2···Rm接收信号的同步采集过程，至16个循环后结束。如果增益控制方式设定为自动增益方式，则计算当前的接收换能器R1、R2···Rm采集波形幅度，并根据增益控制目标幅度计算出发射换能器T1/T2/···/Tn发射时各自的增益控制值，用于下一次发射换能器T1、T2···Tn轮流发射时接收换能器R1、R2···Rm接收信号的增益控制；重复执行自动增益控制下的发射换能器T1、T2···Tn轮流发射以及接收换能器R1、R2···Rm接收信号的同步采集过程，至各接收信号幅度与增益控制目标幅度接近(幅度差值<0.1V或循环次数达到64次)后，再进行自动增益控制下的16个声波发射、接收、采集和存储循环至整个过程结束。

3、声波采集信号的传输：

主控单元1中的FPGA芯片13，接收到来自甲板测控终端11并经由甲板通讯单元10、通讯缆9、水下通讯单元8以及网络通讯模块17传输的波形读取指令后，先根据读取指令中指定的外部存储模块16中的数据存储起始地址和终止地址读出该地址范围内的所有数据，缓存到FPGA芯片13中的内部RAM块RM2，再从内部RAM块RM2中读出所有数据发送给网络通讯模块17，并经由水下通讯单元8、通讯缆9以及甲板通讯单元10，最终传输给甲板测控终端11。

Claims (5)

1.沉积物声学特性原位测量的声波发射采集装置，其特征在于包括主控单元（1）、分别与主控单元（1）相连的声波发射单元（2）和声波采集单元（3），以及用于供电的电源转换单元（4）；

所述主控单元（1）对声波发射单元（2）的声波发射过程进行控制，对连接声波采集单元（3）的声波采集过程进行控制；

所述声波发射单元（2）用于控制发射换能器组（6）中的一个或多个发射换能器产生具有设定波形、频率和强度的声波信号；

所述声波采集单元（3）用于控制接收换能器组（7）中的一个或多个接收换能器接收、采集和存储声波信号；

所述主控单元（1）包括FPGA芯片（13），分别与FPGA芯片（13）连接的用于时间控制的时钟模块（14）、用于数据和指令存储的高速缓存模块（15）和外部存储模块（16）以及用于外部通讯的网路通讯模块（17）和串行通讯模块（18）；其中时钟模块（14）、网路通讯模块（17）和串行通讯模块（18）分别通过一个I/O接口与FPGA芯片（13）相连，所述网络通讯模块（17）用于连接水下通讯单元（8），以实现在有通讯缆（9）连接条件下与甲板测控终端（11）的数据和指令交换；所述串行通讯模块（18）用于连接外触发器（12），以实现在无通讯缆（9）连接条件下根据外触发器（12）的触发指令自动完成声波的发射和采集；

所述声波发射单元（2）包括DAC芯片D1和D2、DA信号调理电路A1和A2、以及与发射换能器T1~Tn对应并对其分别进行发射控制的电子开关ST1~STn、脉冲发射电路PT1~PTn、继电器JT1~JTn，其中发射换能器T1~Tn为发射换能器组（6）中的第T1号至第Tn号发射换能器；

所述主控单元（1）的FPGA芯片（13）通过DAC芯片D2和DA信号调理电路A2所构成的一组元件进行发射波形控制，即通过该组元件来控制电子开关ST1~STn和继电器JT1~JTn的选通，使得发射换能器T1~Tn中只有一个在对应的脉冲发射电路PT1~PTn驱动下发射经过电压控制和波形控制的声波信号；而所述脉冲发射电路PT1~PTn均与对应的发射换能器T1~Tn进行阻抗匹配；

所述声波采集单元（3）包括与接收换能器R1~Rm对应的，由ADC芯片DR1~DRm、AD信号调理电路AR1~ARm、主放大器PR1~PRm、带通滤波器FR1~FRm和前置放大器QR1~QRm组成的m个信号采集通道，其中接收换能器R1~Rm为接收换能器组（7）中的第R1号至第Rm号接收换能器；

所述主控单元（1）的FPGA芯片（13）通过控制前置放大器QR1~QRm的放大倍数，对接收换能器R1~Rm感应到的声波信号进行放大，然后依次经过带通滤波器FR1~FRm的滤波、带通滤波器FR1~FRm的二级放大、AD信号调理电路AR1~ARm的信号调理后，由ADC芯片DR1~DRm转换为数字信号送入主控单元（1）进行存储；

所述电源转换单元（4），其包括DC-DC模块C1~C5以及电子开关S1；

所述声波发射单元（2）中由DAC芯片D1与DA信号调理电路A1构成的一组元件，连接到电源转换单元（4）的DC-DC模块C3；主控单元（1）的FPGA芯片（13）通过DAC芯片D1和DA信号调理电路A1控制DC-DC模块C3进行发射电压控制，

所述主控单元（1）通过控制电子开关S1为声波发射单元（2）和声波采集单元（3）的电源供应，从而使声波发射单元（2）的部件仅在声波发射时通电，使声波采集单元（3）的部件仅在采集时通电，以降低声波发射采集装置的功耗。

2.如权利要求1所述的沉积物声学特性原位测量的声波发射采集装置，其特征是所述电源转换单元（4）是将24VDC电源进行变换，从而为装置各部分提供电源。

3.沉积物声学特性原位测量的声波发射采集系统，其特征在于包括权利要求1所述的声波发射采集装置，还包括电源（5）、发射换能器组（6）、接收换能器组（7）、水下通讯单元（8）、通讯缆（9）、甲板通讯单元（10）、甲板测控终端（11）和外触发器（12）；

所述电源（5）为24VDC电源，所述电源转换单元（4）将24VDC电源进行变换，为装置各部分提供电源；所述发射换能器组（6）具有T1号至第Tn号发射换能器，并由声波发射单元（2）进行控制，所述接收换能器组（7）具有R1号至第Rm号接收换能器，并由声波接收单元（3）进行控制，

所述水下通讯单元（8）与所述网络通讯模块（17）连接，采集的声波信号数据经水下通讯单元（8）转换为可以远程传输的电信号或光信号，经通讯缆（9）传输至甲板通讯单元（10），然后再将电信号或光信号转换为采集的声波信号，并输送至甲板测控终端（11）进行信号的显示；同样地，甲板测控终端（11）的测量控制参数和指令经甲板通讯单元（1）0的信号变换、通讯缆（9）传输以及水下通讯单元（8）的信号变换后，通过网络通讯模块（17）传输至声波发射采集装置的主控单元（1），以实现对声波发射采集装置的测量过程的远程控制；

所述串行通讯接口18连接至外触发器（12），外触发器（12）为声波发射采集装置提供一个触发指令，从而触发声波发射采集装置的主控单元（1）按照在沉积物声学特性原位测量系统下水前预设的声波发射采集参数自动控制并完成声波的发射和采集，以实现在缺少通讯缆（9）的条件下进行自容式原位测量的目的。

4.如权利要求3所述的声波发射采集系统，其特征在于所述电源5可以为封装在密封舱内的电池组，也可以为以水上供电方式经海水电缆传输至水下并经过电压变换所产生的电源。

5.利用权利要求3所述声波发射采集系统进行声波发射与采集的方法，因包含上述声波发射采集装置，故其特征是包括以下步骤：

1、声波发射采集参数的设置和读取：主控单元（1）中的FPGA芯片（13）接收到甲板测控终端（11）经甲板通讯单元（10）、通讯缆（9）、水下通讯单元（8）以及网络通讯模块（17）传输的参数设置指令后，先将设置参数存入FPGA芯片（13）内部RAM存储器中的RM1部分，再将设置参数存入外部存储模块（16）；

FPGA芯片（13）接收到来自甲板测控终端（11）经甲板通讯单元（10）、通讯缆（9）、水下通讯单元（8）以及网络通讯模块（17）传输的参数读取指令后，先从外部存储模块（16）中读取设置参数，再将设置参数存入FPGA内部RAM存储器中的RM1部分，同时将设置参数通过网络通讯模块（17）传输给水下通讯单元（8），并经由通讯缆（9）、甲板通讯单元（10）、最终传输给甲板测控终端（11）；

所述的参数包括采样频率、脉冲激励频率、脉冲激励周期数、激励脉冲占空比、脉冲发射电压、是否自动增益控制、增益控制目标幅度、增益控制方式、固定增益值、上传波形数据的长度；

2、声波信号的发射、接收和采集：主控单元（1）中的FPGA芯片（13）接收到甲板测控终端（11）经由甲板通讯单元（10）、通讯缆（9）、水下通讯单元（8）以及网络通讯模块（17）传输的开始工作指令、或者接收到外触发器（12）传输的开始工作指令后，先根据设置参数进行发射、接收控制以及采集控制，

所述的发射、接收控制以及采集控制包括：电源转换单元（4）中电子开关S1的打开、声波发射单元（2）中DC-DC模块C3的发射电压设置、电子开关ST1~STn的打开/关闭控制，继电器JT1~JTn的打开/关闭控制、声波采集单元（3）中前置放大器QR1--QRm的增益控制、以及采样率控制；

然后FPGA芯片（13）以设定的采样率控制ADC芯片DR1~DRm进行接收信号的高速同步采集，并实时读取ADC芯片DR1~DRm的转换结果数据，按顺序将其存入高速缓存模块（15）；

待采样结束后，再将高速缓存模块（15）中的数据读出并转存到外部非易失性存储模块（16）中；

3、声波采集信号的传输：主控单元（1）中的FPGA芯片（13）接收到甲板测控终端（11）经由甲板通讯单元（10）、通讯缆（9）、水下通讯单元（8）以及网络通讯模块（17）传输的波形读取指令后，先根据读取指令中指定的外部存储模块（16）中的数据存储起始地址和终止地址读出该地址范围内的所有数据，缓存到FPGA芯片（13）中的内部RAM存储器中的RM2部分，再从内部RAM存储器中的RM2部分中读出所有数据并发送给网络通讯模块（17），再经由水下通讯单元（8）、通讯缆（9）以及甲板通讯单元（10），最终传输给甲板测控终端（11）。

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