CN112557514B - 手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持沉积物柱状样剖面声学全自动测量装置及方法，属于海洋地质探测领域。本发明包括反光板，用于激光的反射；激光测距探头，用于发射测距激光；声学发射采集控制单元；声学换能器；中央处理器；锂电池；显示器。根据本发明装置可以在海上取样后，在甲板上快速、方便、准确的获取箱式取样器横向、纵向上和柱状取样器纵向上的海底沉积物声速和声衰减。

Description

手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置

技术领域

本发明涉及海洋地质探测技术领域，特别涉及一种手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置及方法。

背景技术

海底沉积物声学参数对于海洋工程地质勘查、海洋声场分析、海底油气及其他矿产资源开发、海底地质灾害监测等方面均具有非常重要的应用价值。

目前，海底沉积物声学参数的直接测量方法主要有两种：海底原位测量和实验室测量。海底原位测量可以减少温度、压力、沉积物扰动，但是测量成本高、操作复杂、设备可靠性较低；实验室测量具有成本低，操作方便的特点，但由于沉积物的运输扰动、温度压力环境变化、长时间存储失水等原因经常使测量结果失真。

而甲板现场测量结合两者的优点，是一种具有较少沉积物扰动、较少失水、成本低、操作方便的近现场测量方式。而现在急需一种测量准确、成本低、操作简易(甲板操作危险，必须简便快捷)的甲板沉积物声学参数测量装置。目前还没有简便、快捷、成本低、准确度高的装置和方法。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、使用方便的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置及方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置及方法，包括基座外壳，其特征在于：基座外壳内安装有中央处理器、声学信号发射采集控制单元装置、电源装置；基座外壳底部安装有若干条探杆，探杆下端带有用于刺入沉积物的锥尖，每条探杆上安装有声学换能器；声学换能器连接声学信号发射采集控制单元装置；

基座外壳内还安装有触屏显示器、激光测距探头，基座外壳上部安装把手；每个探杆安装一个声学发射换能器或声学接收换能器。

基座外壳底部的若干条探杆中，其中一条探杆上安装一个纵波发射换能器，其余的多条探杆上分别安装一个纵波接收换能器，构成沉积物纵波扫描测量装置；或者，其中一条探杆上安装一个横波发射换能器，其余的多条探杆上分别安装一个横波接收换能器，构成沉积物横波扫描测量装置。

基座外壳上安装有防水密封接插件，用于将沉积物纵波扫描测量装置与沉积物横波扫描测量装置插接在一起同时操作。

当用于测量箱式沉积物时，基座外壳上的探杆形成椭圆形排列、圆形排列或矩形排列，安装发射换能器的探杆位于中间，安装接收换能器的探杆围绕在发射换能器所在探杆的周围；(该结构只能能够测量箱式沉积物)

当用于测量柱状沉积物时，基座外壳上的探杆沿基座外壳长度方向排列，而且是交错排列，安装发射换能器的探杆位于基座外壳底部的一端，安装接收换能器的探杆位于发射换能器所在探杆的后面，探杆错开，使各个接收换能器无遮挡，都能接收到发射换能器的信号(该结构能够测量柱状沉积物，也能测量箱式沉积物)。

电源装置采用锂电池，优选采用两块锂电池，通过选择开关控制切换两块锂电池中的某一块工作。

有一反光板，反光板与激光测距探头配合工作，反光板用于放置在被测沉积物一端；反光板底部安装有支架，支架底部连接云台；反光板上安装伸缩位移计。

把手、基座外壳、探杆，采用耐腐蚀的306不锈钢制成。

中央处理器包括CPU，以及与CPU分别连接的距离测量模块、声时测量模块、声学参数设置模块、看门狗、存储单元、电源控制单元。

声学发射采集控制单元装置包括波形发生单元、升压模块、波形发射单元、波形选择模块、通道切换单元、声学采集模块、声学放大电路、滤波模块。

本发明的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置的测量方法，其特征在于：

测试箱式沉积物样品时，将从海底取出的箱式沉积物样品放在轮船甲板上，然后该测量装置的探杆向下插入沉积物样品，从沉积物表层开始测量，然后提起该测量装置，用铲泥板铲去一层沉积物，继续测量，一层一层逐步向下测量，从而获取整个箱式沉积物的声速和声衰减；(先用带有横波发射器和横波接收器的横波测量装置进行测量，测量完毕后用带有纵波发射器和纵波接收器的纵波测量装置进行测量，或者将横波测量装置和纵波测量装置通过防水密封接插件插接在一起，同时进行横波参数测量和纵波参数测量)。

测试柱状沉积物样品时，将从海底取出的柱状沉积物样品放在轮船甲板上，然后探杆向下插入沉积物样品开始第一次测量，然后提起该测量装置向后移动一定距离，第二次测量时使第一根探杆插入第一次测量时最后一根探杆在沉积物的插孔，第三次测量时使第一根探杆插入第二次测量时最后一根探杆在沉积物的插孔，一次一次逐步向后测量，从而获取整个柱状沉积物的声速和声衰减。(先用带有横波发射器和横波接收器的横波测量装置进行测量，测量完毕后用带有纵波发射器和纵波接收器的纵波测量装置进行测量，或者将横波测量装置和纵波测量装置通过防水密封接插件插接在一起，同时进行横波参数测量和纵波参数测量)。

本发明的有益效果是，

1、根据本发明的装置可以在甲板快速准确测量得到海底沉积物声学参数，包括纵波速度、声衰减，横波速度、声衰减。

2、本发明装置结构简单，成本低，实用性强，可操作性强。

3、根据本发明装置可以在海上取样后，在甲板上快速、方便、准确的获取箱式取样器横向、纵向上和柱状取样器纵向上的海底沉积物声速和声衰减。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为箱式沉积物样本声学扫描模块主视图示意图；

图3为图2的仰视图示意图；

图4为柱状沉积物样本横波测量模块主视图示意图；

图5为图4的仰视图示意图；

图6为声学发射采集控制单元+总控单元的结构框图。

其中，1、13纵波环形发射换能器T1；2、4、5、6、7、9、10、11、15纵波接收换能器；12纵波扫描探杆；14锥尖；3、8防水水密接插件。16测量电路板。

17激光测距探头,18声学信号发射采集控制单元装置，19中央处理器，20锥尖，21声学换能器，22探杆，23锂电池，24把手，25显示器，26测距光线,27反光板。

28，35防水水密接插件；29，31横波发射换能器；30，36，37横波接收换能器 RS1、RS2、RS3；32横波探杆；33横波锥尖；34横波接收换能器RS3。

具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。

本发明的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置及方法，包括基座外壳，基座外壳内安装有中央处理器、声学信号发射采集控制单元装置、电源装置；基座外壳底部安装有若干条探杆，探杆下端带有用于刺入沉积物的锥尖，每条探杆上安装有声学换能器；声学换能器连接声学信号发射采集控制单元装置；

基座外壳内还安装有触屏显示器、激光测距探头，基座外壳上部安装把手；每个探杆安装一个声学发射换能器或声学接收换能器。

基座外壳底部的若干条探杆中，其中一条探杆上安装一个纵波发射换能器，其余的多条探杆上分别安装一个纵波接收换能器，构成沉积物纵波扫描测量装置；或者，其中一条探杆上安装一个横波发射换能器，其余的多条探杆上分别安装一个横波接收换能器，构成沉积物横波扫描测量装置。

基座外壳上安装有防水密封接插件，用于将沉积物纵波扫描测量装置与沉积物横波扫描测量装置插接在一起同时操作，或者用螺栓将两者的基座外壳进行固定连接。

当用于测量箱式沉积物时，基座外壳上的探杆形成椭圆形排列、圆形排列或矩形排列，安装发射换能器的探杆位于中间，安装接收换能器的探杆围绕在发射换能器所在探杆的周围；

当用于测量柱状沉积物时，基座外壳上的探杆沿基座外壳长度方向排列，而且是交错排列，安装发射换能器的探杆位于基座外壳底部的一端，安装接收换能器的探杆位于发射换能器所在探杆的后面，探杆错开，使各个接收换能器无遮挡，都能接收到发射换能器的信号。

电源装置采用锂电池，优选采用两块锂电池，通过选择开关控制切换两块锂电池中的某一块工作。

有一反光板，反光板与激光测距探头配合工作，反光板用于放置在被测沉积物一端；反光板底部安装有支架，支架底部连接云台；反光板上安装伸缩位移计。

把手、基座外壳、探杆，采用耐腐蚀的306不锈钢制成。

中央处理器(总控单元)，包括CPU，以及与CPU分别连接的距离测量模块、声时测量模块、声学参数设置模块、看门狗、存储单元、电源控制单元。

声学发射采集控制单元装置，包括波形发生单元、升压模块、波形发射单元、波形选择模块、通道切换单元、声学采集模块、声学放大电路、滤波模块。

本发明的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置的测量方法：

测试箱式沉积物样品时，将从海底取出的箱式沉积物样品放在轮船甲板上，首先校准激光测距仪，然后该测量装置的探杆向下插入沉积物样品，从沉积物表层开始测量，然后提起该测量装置，用铲泥板铲去一层沉积物，继续测量，一层一层逐步向下测量，从而获取整个箱式沉积物的声速和声衰减；

测试柱状沉积物样品时，将从海底取出的柱状沉积物样品放在轮船甲板上，首先校准激光测距仪，然后探杆向下插入沉积物样品开始第一次测量，然后提起该测量装置向后移动一定距离，第二次测量时使第一根探杆插入第一次测量时最后一根探杆在沉积物的插孔，第三次测量时使第一根探杆插入第二次测量时最后一根探杆在沉积物的插孔，一次一次逐步向后测量，从而获取整个柱状沉积物的声速和声衰减。

根据差动式声速和声衰减测量原理分别测量声速和声衰减。

其中海底沉积物声速的计算公式为：

式中，C为声速(m/s)；d为1个发射换能器与3个接收换能器之间的距离差(mm)，即

或

或

t为3个。接收换能器接收的声波初至的时间差(us)，即

或

或

其中

分别是接收换能器R1、R2、R3接受的声波初至的时间；

当有超过3个接收换能器时，第四个到第n个接收换能器的声速、距离差、时间差的算法与前三个接收换能器的算法相同，以此类推。

沉积物声衰减系数的计算公式为：

式中，

指的是当频率为f时，对应的声衰减系数，其单位为dB/m；

分别指的是当频率为f时，对应沉积物的参考波形振幅与水中的参考波形振幅；

分别指的是当频率为f时，对应的沉积物的衰减波形的振幅与水的衰减波形的振幅。

这里参考波形指的是换能器R1接收到的波形；衰减波形指的是R2、R3接收到的波形；然后用R2、R3接收到的波形作为衰减波形，从而分别计算相应的声衰减系数。

该手持沉积物柱状样剖面声学全自动测量装置及方法，包括：反光板、激光测距探头、声学发射采集控制单元、显示器、把手、锂电池、探杆、声学发射换能器、声学接收换能器、锥尖、中央处理器、反光板。

反光板，反光板上涂有激光反射涂料，利于激光的反射。反光板下部有配种支架和云台，方便稳定反光板，防止抖动，并确保支架呈竖直状态。支架上部安装有伸缩式位移计，可测量位移，用于激光测距传感器测量位移的辅助校正。

激光测距探头，包括激光发生器和激光接收器，用于测量声波探杆在沉积物样品的位置；激光发生器，用于发射测距激光。

显示器，包括显示单元和触屏单元，用于测量声学参数的显示与参数调整的选择。

把手和外壳，为306不锈钢，防止甲板测量时海水的锈蚀。

锂电池，包括两块锂电池组，设计为可替换充电设计，保证设备没电时可立即替换电池进行测量。

探杆，包括声学换能器。用于柱状沉积物样品时，四根探杆中包括一个发射换能器和三个接收换能器。探杆采用模块式卡扣设计，针对不同沉积物，例如泥质沉积物、粉沙质沉积物、砂纸沉积物，可更换不同测量频率的发射和接收换能器。也可为测量统一沉积物声学频散，更换不同类型测量探头；锥头为锥形头，便于插入沉积物中。探杆错开，是为了让声波更好的传播过去。

CPU可以采用英国arm公司设计的32位嵌入式处理器arm9。

Claims (5)

1.一种手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置，包括基座外壳，其特征在于：基座外壳内安装有中央处理器、声学信号发射采集控制单元装置、电源装置；基座外壳底部安装有若干条探杆，探杆下端带有用于刺入沉积物的锥尖，每条探杆上安装有声学换能器；声学换能器连接声学信号发射采集控制单元装置；

基座外壳内还安装有触屏显示器、激光测距探头，基座外壳上部安装把手；

每个探杆安装一个声学发射换能器或声学接收换能器；

基座外壳底部的若干条探杆中，其中一条探杆上安装一个纵波发射换能器，其余的多条探杆上分别安装一个纵波接收换能器，构成沉积物纵波扫描测量装置；或者，其中一条探杆上安装一个横波发射换能器，其余的多条探杆上分别安装一个横波接收换能器，构成沉积物横波扫描测量装置；

当用于测量柱状沉积物时，基座外壳上的探杆沿基座外壳长度方向排列，而且是交错排列，安装发射换能器的探杆位于基座外壳底部的一端，安装接收换能器的探杆位于发射换能器所在探杆的后面，探杆错开，使各个接收换能器无遮挡，都能接收到发射换能器传播的声波信号；

当用于测量箱式沉积物时，基座外壳上的探杆形成椭圆形排列、圆形排列或矩形排列，安装发射换能器的探杆位于中间，安装接收换能器的探杆围绕在发射换能器所在探杆的周围；

基座外壳上安装有防水密封接插件，用于将沉积物纵波扫描测量装置与沉积物横波扫描测量装置插接在一起同时操作；

有一反光板，反光板与激光测距探头配合工作，反光板用于放置在被测沉积物一端；反光板底部安装有支架，支架底部连接云台；反光板上安装伸缩位移计；

测试箱式沉积物样品或柱状沉积物样品时，将从海底取出的箱式沉积物样品或柱状沉积物样品放在轮船甲板上，进行测试。

2.根据权利要求1所述的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置，其特征在于：电源装置采用两块锂电池，通过选择开关控制切换两块锂电池中的某一块工作；把手、基座外壳、探杆，采用耐腐蚀的306不锈钢制成。

3.根据权利要求1或2所述的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置，其特征在于：中央处理器包括CPU，以及与CPU分别连接的距离测量模块、声时测量模块、声学参数设置模块、看门狗、存储单元、电源控制单元。

4.根据权利要求1或2所述的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置，其特征在于：声学发射采集控制单元装置包括波形发生单元、升压模块、波形发射单元、波形选择模块、通道切换单元、声学采集模块、声学放大电路、滤波模块。

5.一种权利要求1所述的手持式海底沉积物样品剖面声学全自动测量装置的测量方法，其特征在于：测试箱式沉积物样品时，将从海底取出的箱式沉积物样品放在轮船甲板上，然后该测量装置的探杆向下插入沉积物样品，从沉积物表层开始测量，然后提起该测量装置，用铲泥板铲去一层沉积物，继续测量，一层一层逐步向下测量，从而获取整个箱式沉积物的声速和声衰减；

测试柱状沉积物样品时，将从海底取出的柱状沉积物样品放在轮船甲板上，然后探杆向下插入沉积物样品开始第一次测量，然后提起该测量装置向后移动一定距离，第二次测量时使第一根探杆插入第一次测量时最后一根探杆在沉积物的插孔，第三次测量时使第一根探杆插入第二次测量时最后一根探杆在沉积物的插孔，一次一次逐步向后测量，从而获取整个柱状沉积物的声速和声衰减；

根据差动式声速和声衰减测量原理分别测量声速和声衰减；

这里参考波形指的是换能器R1接收到的波形；衰减波形指的是R2、R3接收到的波形；然后用R2、R3接收到的波形作为衰减波形，从而分别计算相应的声衰减系数。

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