CN112881525A - 一种海底沉积物声学特性原位测量装置、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海底沉积物声学特性原位测量装置、系统和方法，装置包括有水上主控子系统的测量船、位于所述测量船上的甲板单元、与甲板单元连接且漂浮于所述海平面上的海面稳定装置，电缆，水下数据采集传输电路、发射换能器、第一接收换能器以及第二接收换能器。本发明提供的海底沉积物声学特性原位测量装置、系统和方法采用有缆作业，水上部分通过电缆与海底测量装置相连通，水上主控子系统通过电缆对海底测量装置进行控制，并实时解调、处理和记录海底测量部分上传的数据，电缆还具备提升、下放和拖动海底装置的作用。水下测量子系统在得到水上控制部分的指令后，实现发射、接收声波，并将采集的数据上传。
Description
技术领域
本发明属于声学测量技术领域，具体涉及一种海底沉积物声学特性原位测量装置、系统和方法。
背景技术
由于资源勘探、军事应用、岩土特性声学调查和声波传播理论研究等的需要，多年来人们一直在进行海底沉积物声学性质的测量。声波能在水下远距离、大范围和大深度传播，也能传入沉积物，然后反射回来，回波传递了海水与沉积物信息，因此海底沉积物声学特性是海洋各类工程研究开发的基础数据，提高测量海底沉积物声学恃性的技术水平很重要。
海底沉积层的最重要的声学特性包括海底浅表层沉积物声速和衰减，这两个海底参数的计算是海底声学、海洋声场研究和海洋石油地质等领域所必需的基础参数；掌握海底沉积物声学特性及沉积物的物理性质也对浅海声场分析研究和海底地层剖面仪、声纳探测距离的计算具有重要意义；利用声学方法来判断海底软硬度并且了解海底沉积物的土力学性质，对潜艇下潜提供参数和海底工程基底稳定性评价都有重要意义。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种利用声学方法原位测量海底沉积物的特性的海底沉积物声学特性原位测量装置、系统和方法。
本发明提供如下技术方案：一种海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征在于，包括位于海平面以上包括有水上主控子系统的测量船、位于所述测量船上的甲板单元、与甲板单元连接且漂浮于所述海平面上的海面稳定装置，电缆，位于所述海平面以下的水下数据采集传输电路、与所述采集传输电路通信连接的发射换能器、与所述采集传输电路通信连接的第一接收换能器以及与所述采集传输电路通信连接的第二接收换能器；
所述电缆将所述包括有水上主控子系统的测量船和所述数据采集传输电路通信连接和物理连接；
所述发射换能器、所述第一接收换能器和所述第二接收换能器竖直插入海底沉积物中；
所述水下数据采集传输电路、所述发射换能器、所述第一接收换能器、所述第二接收换能器属于包括水下测量子系统的海底测量装置。
进一步地，所述电缆的物理连接作用为提升、下放和拖动所述海底测量装置。
进一步地，所述电缆为铠装电缆。
本发明还提供一种海底沉积物声学特性原位测量系统，包括位于海平面以上的水上主控子系统、电缆、位于海平面以下的水下测量子系统，所述电缆将所述水上主控子系统与所述水下测量子系统通信连接；
所述水上主控子系统，用于通过所述电缆对所述水下测量子系统进行控制，并实时解调、处理和记录所述水下测量子系统上传的数据；
所述水下测量子系统用于在得到所述水上主控子系统的指令后，实现发射、接收声波，并将采集的数据上传给所述水上主控子系统。
进一步地，所述水上主控子系统包括显控台、工控机、GPS定位模块、水上数据传输模块和水上供电模块；
所述GPS定位模块，用于实时定位所述系统所在地理位置；
所述工控机，用于根据所述实时地理位置改变所述水下测量子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令，在各种环境条件下获得最佳测量结果数据并进行所述数据处理和记录；
所述水上数据传输模块，用于下行传输给所述水下测量系统所述工控机设置的所述控制参数和采集水下声波信号数据命令并上行传输给所述工控台所述水下测量系统计算得到的海底沉积物中的声速V和声衰减系数α；
所述水上供电模块，用于为所述水上主控子系统的工作供电；
所述显控台用于显示计算得到的所述声速V和声衰减系数α。
进一步地，所述工控机设置的参数包括声波信道的放大倍数、数据采集延迟时间、采集密度及采样点数。
进一步地，所述水下测量系统包括声系控制模块、发射换能器、接收换能器、数据采集模块、水下数据传输模块和水下供电模块；所述接收换能器包括第一接收换能器和第二接收换能器；
所述水下数据传输模块通过所述电缆与所述水上数据传输模块通信连接，用于将所述水上主控子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令下行传输给所述声系控制模块，并用于将所述声系控制模块计算得到的所述声速V和所述声衰减系数α上行传输给所述水上主控系统；
所述声系控制模块，用于向所述发射换能器发出发射声波激励的命令，并用于接收第一换能器和第二接收换能器所接收到的水下声波信号数据，计算所述声波在海底沉积物中的声速V和声衰减系数α的以及用于将计算结果进行数字化转换；
所述发射换能器，用于发射不同频率不同幅值声波；
所述第一接收换能器，用于接收第一时刻t1的第一水下声波信号；
所述第二接收换能器，用于接收第二时刻t2的第二水下声波信号；
所述数据采集模块，用于接收所述第一水下声波信号和第二水下声波信号，对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换后上行传递给所述声系控制模块；并且用于下行将所述发射声波激励的命令传递给所述发射换能器；
所述水下供电模块，用于为所述水下测量子系统的工作供电。
进一步地，所述水下测量系统还包括电压转换模块，用于供给所述水下测量系统所需的电路低压电和用于发射声波的发射换能器所需的高压电。
进一步地，所述数据采集模块对应第一接收换能器和第二接收换能器分别设置两个接收信号通道。
本发明还提供利用上述海底沉积物声学特性原位测量系统的原位测量方法，包括以下步骤：
S1：所述GPS定位模块，实时定位所述系统所在地理位置；所述工控机，根据所述实时地理位置改变所述水下测量子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令；
S2：所述水上数据传输模块将所述工控机设置的所述控制参数下行传输给所述水下测量系统中的水下数据传输模块；
S3：所述水下数据传输模块将所述水上主控子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令下行传输给所述声系控制模块；
S4：所述声系控制模块发出发射声波激励的命令，所述数据采集模块下行将所述发射声波激励的命令传递给所述发射换能器，所述发射换能器发射不同频率不同幅值声波，穿过所述海底沉积物分别到达第一接收换能器、第二接收换能器；
S5：所述第一接收换能器接收第一时刻t1的第一水下声波信号并记录振幅A1，所述第二接收换能器接收第二时刻t2的第二水下声波信号并记录振幅A2；
S6：所述数据采集模块，接收所述第一水下声波信号和第二水下声波信号，对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换后上行传递给所述声系控制模块；
S7：所述声系控制模块将所述第一接收换能器和第二接收换能器所接收到的水下声波信号数据进行声波在海底沉积物中的声速V和声衰减系数α的计算并将计算结果数字化转换后，所述水下数据传输模块将所述计算结果给水上数据传输模块，所述水上数据传输模块将所述计算结果传递给所述工控机，所述工控机将将所述计算结果传递给所述显控台显示所述计算结果，完成海底沉积物声学特性的原位测量。
进一步地，所述声速V的计算公式为V＝D/(t1-t2)，所述声衰减系数α的计算公式为α＝20lg(A1/A2)/D，其中所述D为第一接收换能器与第二接收换能器之间的距离，所述A1为声波到达第一接收换能器的振幅；所述A2为声波到达第一接收换能器的振幅。
本发明的有益效果为：
1、海底沉积物声学特性原位测量技术与取样测量相比不改变海底沉积物的赋存环境，海水是换能器与沉积物之间的天然耦合剂，测量时对沉积物的扰动也小，测量更准确，能更好地描述海底沉积物的声学特性。
2、本发明提供的装置、系统和方法实现建立双向数字信道，可以根据实际测量环境实时发送各种控制命令，调整海底数据采集电路的信号增益、数据采集延迟时间、采样密度及数据量，进一步提高了信号采集质量；声波信号的数据采集在海底完成，然后以数字信号形式传送到水上主控系统，提高声速、声衰减的测量精度。
3、本发明提供的装置、系统和方法实现测量、记录声波所有原始测量数据，有利于后期处理提取更多的沉积物声学特性信息。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的海底沉积物声学特性原位测量装置结构示意图；
图2为本发明海底沉积物声学特性原位测量系统结构示意图；、
图3为本发明海底沉积物声学特性原位测量系统的声系控制模块的数据采集、处理和数字化转换流程图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种海底沉积物声学特性原位测量装置，包括位于海平面以上包括有水上主控子系统的测量船、位于测量船上的甲板单元、与甲板单元连接且漂浮于海平面上的海面稳定装置，电缆，位于海平面以下的水下数据采集传输电路、与采集传输电路通信连接的发射换能器、与采集传输电路通信连接的第一接收换能器以及与采集传输电路通信连接的第二接收换能器；
电缆将包括有水上主控子系统的测量船和数据采集传输电路通信连接和物理连接，电缆的物理连接作用为提升、下放和拖动海底测量装置，电缆为铠装电缆、发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器竖直插入海底沉积物中；
水下数据采集传输电路、发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器属于包括水下测量子系统的海底测量装置。
实施例2
如图1-2所示，为本实施例提供的一种一种海底沉积物声学特性原位测量系统，如图1-2所示，系统包括位于海平面以上的、位于实施例1中的测量船上的水上主控子系统，电缆，位于海平面以下的、位于实施例1中的海底测量装置上的水下测量子系统，电缆将水上主控子系统与水下测量子系统通信连接；
水上主控子系统，用于通过电缆对水下测量子系统进行控制，并实时解调、处理和记录水下测量子系统上传的数据；
水下测量子系统用于在得到水上主控子系统的指令后，实现发射、接收声波，并将采集的数据上传给水上主控子系统。
其中，如图2所示，水上主控子系统包括显控台、工控机、GPS定位模块、水上数据传输模块和水上供电模块；
GPS定位模块，用于实时定位系统所在地理位置；
工控机，用于根据实时地理位置改变水下测量子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令，在各种环境条件下获得最佳测量结果数据并进行数据处理和记录；
水上数据传输模块，用于下行传输给水下测量系统工控机设置的控制参数和采集水下声波信号数据命令并上行传输给工控台水下测量系统计算得到的海底沉积物中的声速V和声衰减系数α；
水上供电模块，用于为水上主控子系统的工作供电；
显控台用于显示计算得到的声速V和声衰减系数α。
工控机设置的参数包括声波信道的放大倍数、数据采集延迟时间、采集密度及采样点数。
水下测量系统包括声系控制模块、发射换能器、接收换能器、数据采集模块、水下数据传输模块和水下供电模块；接收换能器包括第一接收换能器和第二接收换能器；
水下数据传输模块通过电缆与水上数据传输模块通信连接，用于将水上主控子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令下行传输给声系控制模块，并用于将声系控制模块计算得到的声速V和声衰减系数α上行传输给水上主控系统；
声系控制模块，用于向发射换能器发出发射声波激励的命令，并用于接收第一换能器和第二接收换能器所接收到的水下声波信号数据，计算声波在海底沉积物中的声速V和声衰减系数α的以及用于将计算结果进行数字化转换；
发射换能器，用于发射不同频率不同幅值声波；
第一接收换能器，用于接收第一时刻t1的第一水下声波信号；
第二接收换能器，用于接收第二时刻t2的第二水下声波信号；
数据采集模块，用于接收第一水下声波信号和第二水下声波信号，对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换后上行传递给声系控制模块；并且用于下行将发射声波激励的命令传递给发射换能器；
水下供电模块，用于为水下测量子系统的工作供电。
水下测量系统还包括电压转换模块，用于供给水下测量系统所需的电路低压电和用于发射声波的发射换能器所需的高压电。
数据采集模块对应第一接收换能器和第二接收换能器分别设置两个接收信号通道。
实施例3
本实施例提供利用实施例2的系统的海底沉积物声学特性原位测量方法，包括以下步骤：
S1：GPS定位模块，实时定位系统所在地理位置；工控机，根据实时地理位置改变水下测量子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令；
S2：水上数据传输模块将工控机设置的控制参数下行传输给水下测量系统中的水下数据传输模块；
S3：水下数据传输模块将水上主控子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令下行传输给声系控制模块；
S4：声系控制模块发出发射声波激励的命令，数据采集模块下行将发射声波激励的命令传递给发射换能器，发射换能器发射不同频率不同幅值声波，穿过海底沉积物分别到达第一接收换能器、第二接收换能器；
S5：第一接收换能器接收第一时刻t1的第一水下声波信号并记录振幅A1，第二接收换能器接收第二时刻t2的第二水下声波信号并记录振幅A2；
S6：数据采集模块，接收第一水下声波信号和第二水下声波信号，对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换后上行传递给声系控制模块；
S7：声系控制模块将第一接收换能器和第二接收换能器所接收到的水下声波信号数据进行声波在海底沉积物中的声速V和声衰减系数α的计算并将计算结果数字化转换后，水下数据传输模块将计算结果给水上数据传输模块，水上数据传输模块将计算结果传递给工控机，工控机将将计算结果传递给显控台显示计算结果，完成海底沉积物声学特性的原位测量。
具体地，如图3所示，声系控制模块通过数据传输模块接收水上主控子系统下达的命令，并调制和上传采集的声波数据，声系控制模块还对声波发射的时间进行控制，对声波采集信道进行参数设置，设置参数包括声波信道的放大倍数、数据采集延迟时间、采集密度(采样间隔)及采样点数等。发射换能器发射不同频率不同幅值声波，接收换能器接收到达的声波。数据采集模块对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换，由单片机、声波信号模拟处理、模数转换、FIFO存储器及数据采集控制逻辑实现，对应两个接收换能器设计了两个接收信号处理通道。数据采集模块的功能是：在声系控制模块发出发射激励命令后，按照设定的延迟时间和采集数据量，依次启动两个通道的A/D转换，并控制A/D转换数据顺序写入FIFO，数据采集结束时向单片机申请中断。电压转换模块供给测量系统所需的电路低压电和声波换能器高压电。
其中，声速V的计算公式为V＝D/(t1-t2)，声衰减系数α的计算公式为α＝20lg(A1/A2)/D，其中D为第一接收换能器与第二接收换能器之间的距离，所述A1为声波到达第一接收换能器的振幅；所述A2为声波到达第一接收换能器的振幅。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征在于，包括位于海平面以上的包括有水上主控子系统的测量船、位于所述测量船上的甲板单元、与甲板单元连接且漂浮于所述海平面上的海面稳定装置、电缆、位于所述海平面以下的水下数据采集传输电路、与所述采集传输电路通信连接的发射换能器、与所述采集传输电路通信连接的第一接收换能器以及与所述采集传输电路通信连接的第二接收换能器；
所述电缆将所述包括有水上主控子系统的测量船和所述数据采集传输电路通信连接和物理连接；
所述发射换能器、所述第一接收换能器和所述第二接收换能器竖直插入海底沉积物中；
所述水下数据采集传输电路、所述发射换能器、所述第一接收换能器、所述第二接收换能器属于包括水下测量子系统的海底测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种海底沉积物声学特性原位测量装置，其特征在于，所述电缆的物理连接作用为提升、下放和拖动所述海底测量装置。
3.一种海底沉积物声学特性原位测量系统，其特征在于，包括位于海平面以上的水上主控子系统、电缆、位于海平面以下的水下测量子系统，所述电缆将所述水上主控子系统与所述水下测量子系统通信连接；
所述水上主控子系统，用于通过所述电缆对所述水下测量子系统进行控制，并实时解调、处理和记录所述水下测量子系统上传的数据；
所述水下测量子系统用于在得到所述水上主控子系统的指令后，实现发射、接收声波，并将采集的数据上传给所述水上主控子系统。
4.根据权利要求3所述的一种海底沉积物声学特性原位测量系统，其特征在于，所述水上主控子系统包括显控台、工控机、GPS定位模块、水上数据传输模块和水上供电模块；
所述GPS定位模块，用于实时定位所述系统所在地理位置；
所述工控机，用于根据所述实时地理位置改变所述水下测量子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令，在各种环境条件下获得最佳测量结果数据并进行所述数据处理和记录；
所述水上数据传输模块，用于下行传输给所述水下测量系统所述工控机设置的所述控制参数和采集水下声波信号数据命令并上行传输给所述工控台所述水下测量系统计算得到的海底沉积物中的声速V和声衰减系数α；
所述水上供电模块，用于为所述水上主控子系统的工作供电；
所述显控台用于显示计算得到的所述声速V和声衰减系数α。
5.根据权利要求4所述的一种海底沉积物声学特性原位测量系统，其特征在于，所述工控机设置的参数包括声波信道的放大倍数、数据采集延迟时间、采集密度及采样点数。
6.根据权利要求3所述的一种海底沉积物声学特性原位测量系统，其特征在于，所述水下测量系统包括声系控制模块、发射换能器、接收换能器、数据采集模块、水下数据传输模块和水下供电模块；所述接收换能器包括第一接收换能器和第二接收换能器；
所述水下数据传输模块通过所述电缆与所述水上数据传输模块通信连接，用于将所述水上主控子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令下行传输给所述声系控制模块，并用于将所述声系控制模块计算得到的所述声速V和所述声衰减系数α上行传输给所述水上主控系统；
所述声系控制模块，用于向所述发射换能器发出发射声波激励的命令，并用于接收第一换能器和第二接收换能器所接收到的水下声波信号数据，计算所述声波在海底沉积物中的声速V和声衰减系数α的以及用于将计算结果进行数字化转换；
所述发射换能器，用于发射不同频率不同幅值声波；
所述第一接收换能器，用于接收第一时刻t1的第一水下声波信号；
所述第二接收换能器，用于接收第二时刻t2的第二水下声波信号；
所述数据采集模块，用于接收所述第一水下声波信号和第二水下声波信号，对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换后上行传递给所述声系控制模块；并且用于下行将所述发射声波激励的命令传递给所述发射换能器；
所述水下供电模块，用于为所述水下测量子系统的工作供电。
7.根据权利要求6所述的一种海底沉积物声学特性原位测量系统，其特征在于，所述水下测量系统还包括电压转换模块，用于供给所述水下测量系统所需的电路低压电和用于发射声波的发射换能器所需的高压电。
8.根据权利要求7所述的一种海底沉积物声学特性原位测量系统，其特征在于，所述数据采集模块对应第一接收换能器和第二接收换能器分别设置两个接收信号通道。
9.根据权利要求3-8任一所述的一种海底沉积物声学特性原位测量系统的原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述GPS定位模块，实时定位所述系统所在地理位置；所述工控机，根据所述实时地理位置改变所述水下测量子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令；
S2：所述水上数据传输模块将所述工控机设置的所述控制参数下行传输给所述水下测量系统中的水下数据传输模块；
S3：所述水下数据传输模块将所述水上主控子系统的控制参数和采集水下声波信号数据命令下行传输给所述声系控制模块；
S4：所述声系控制模块发出发射声波激励的命令，所述数据采集模块下行将所述发射声波激励的命令传递给所述发射换能器，所述发射换能器发射不同频率不同幅值声波，穿过所述海底沉积物分别到达第一接收换能器、第二接收换能器；
S5：所述第一接收换能器接收第一时刻t1的第一水下声波信号并记录振幅A1，所述第二接收换能器接收第二时刻t2的第二水下声波信号并记录振幅A2；
S6：所述数据采集模块，接收所述第一水下声波信号和第二水下声波信号，对接收到的声波信号进行放大、滤波和模数转换后上行传递给所述声系控制模块；
S7：所述声系控制模块将所述第一接收换能器和第二接收换能器所接收到的水下声波信号数据进行声波在海底沉积物中的声速V和声衰减系数α的计算并将计算结果数字化转换后，所述水下数据传输模块将所述计算结果给水上数据传输模块，所述水上数据传输模块将所述计算结果传递给所述工控机，所述工控机将将所述计算结果传递给所述显控台显示所述计算结果，完成海底沉积物声学特性的原位测量。
10.根据权利要求9所述的一种海底沉积物声学特性原位测量方法，其特征在于，所述声速V的计算公式为V＝D/(t1-t2)，所述声衰减系数α的计算公式为α＝20lg(A1/A2)/D，其中所述D为第一接收换能器与第二接收换能器之间的距离；所述A1为声波到达第一接收换能器的振幅；所述A2为声波到达第一接收换能器的振幅。
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