CN113091877A - 控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明型提供一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法，装置包括一声速测定装置、一数据处理器和一密度测定装置；所述声速测定装置包括一声速测定容器、一压力泵、一第一换能器、一第二换能器、一信号发生器和一信号采集器；所述压力泵、所述换能器连接于所述声速测定容器，所述信号发生器连接所述第一换能器，所述信号采集器连接所述第二换能器和所述数据处理器。本发明型的一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法，装置简单、便携、适用性更广，可实现对水下实际压力的模拟，以获得更加真实的目标强度值，提高资源评估精度。

Description

控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法

技术领域

本发明型涉及海洋生物资源声学领域，尤其涉及一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法。

背景技术

声学技术已经广泛应用于海洋生物的资源调查中，其中目标强度对声学调查中的物种判别和资源评估结果影响重大。由于一些小型水生生物如浮游动物的形状复杂且尺寸较小，因此直接测量它们的目标强度是不切实际的，需要借助目标散射体与水体介质的声速对比数和密度对比数来间接计算其目标强度。因此需要对目标散射体的声速值进行测定。现有的声速测定装置仅能测得正常大气压下的生物声速值，无法模拟其在海水中的实际压强环境，所测得值与水下真实值有所偏差，从而造成最终得到的目标强度值不准确。

现有声速测定装置，将声速测定装置置于压力容器内，其主要分为两个部分：声学室和压力容器，核心组件是声学室。在垂直于动物室轴线的方向上，用两张薄橡胶片将水生生物限制在动物室内。在动物室的顶部和底部各有一可密封的螺纹孔用于放取动物。在声学室的两侧各安装了一个换能器。所有电线都是防水的，并且通过安装在压力容器上的连接器进行外部连接。声学室室壁上的孔用于释放在将腔室放入实验设备和压力容器期间可能产生的任何气泡。通过进气阀和通气阀进出空气，从而改变装置内的压强。如此通过一系列算法得到所测定声学散射体与水体介质的声速对比数。将声速对比数与通过密度测定装置得到的密度对比数相结合，计算出目标强度值。

现有技术缺点：

1、结构复杂，压力装置和声速测量装置彼此独立，操作繁琐、便携性较差。

2、动物室容量较小，可放入生物数量有限，且不适用于南极磷虾等体积较大的生物。

3、动物室两侧的橡胶片对声速传播产生影响，会造成最终的结果有所偏差。

4、观察窗口较小，无法直观看到腔室内情况。

5、需额外制作压力容器，增加了制作成本。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明型提供一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法，装置简单、便携、适用性更广，可实现对水下实际压力的模拟，以获得更加真实的目标强度值，提高资源评估精度。

为了实现上述目的，本发明型提供一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置，包括一声速测定装置、一数据处理器和一密度测定装置；所述声速测定装置包括一声速测定容器、一压力泵、一第一换能器、一第二换能器、一信号发生器和一信号采集器；所述压力泵、所述换能器连接于所述声速测定容器，所述信号发生器连接所述第一换能器，所述信号采集器连接所述第二换能器和所述数据处理器。

优选地，所述声速测定容器采用透明亚力克材料制成且内部形成一倒T形管道，所述倒T形管道包括一水平管道和一竖直管道，所述竖直管道的底部连通所述水平管道的中部顶面；所述竖直管道沿竖直方向形成刻度线，所述竖直管道的顶部连接有一容器口；所述容器口可打开并连通所述压力泵；所述水平管道的两端分别连接所述第一换能器和所述第二换能器。

优选地，所述容器口与所述声速测定容器之间设置有一橡胶圈；所述容器口形成一连接孔，所述压力泵通过橡胶管道和所述连接孔与所述竖直管道连通。

优选地，所述容器口采用不锈钢材质。

优选地，所述声速测定容器的底部连接有一不锈钢底座。

优选地，所述倒T形管道的管径为3.5厘米。

本发明的一种基于本发明所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置的目标强度测定方法，包括步骤：

S1：自所述容器口将海水灌入所述倒T形管道直至所述海水的液面升至所述刻度线的0刻度处；

S2:在不同压强下，所述信号发生器产生声波，所述声波经过所述第一换能器发射；所述第二换能器接收所述声波，所述信号采集器通过所述第二换能器采集所述声波的声波信号，并将所述声波信号发送给数据处理器；所述数据处理器通过脉冲波形匹配法或脉冲波峰时间检测根据所述声波信号获得所述海水的不存在被测目标生物时声波的传播时间t_D；

S3：自所述容器口加入所述被测目标生物并记录所述液面上升后的刻度，获得所述被测目标生物的体积；

S4：通过所述压力泵改变所述倒T形管道内的压强模拟海洋中所需水深的压强；

S5：所述信号发生器产生声波，所述声波经过所述第一换能器发射；所述第二换能器接收所述声波，所述信号采集器通过所述第二换能器采集所述声波的声波信号，并将所述声波信号发送给数据处理器；

S6：所述数据处理器根据所述声波信号和所述被测目标生物的体积计算获得声速对比数；

S7：利用所述密度测定装置测量获得密度对比数并发送给所述数据处理器；

S8：所述数据处理器将所述声速对比数和所述密度对比数代入一目标强度理论模型获得所述被测目标生物的目标强度值。

优选地，所述S6步骤中，所述数据处理器根据公式(1)计算获得所述声速对比数：

其中，h_TA表示所述声速对比数，t_m表示存在所述被测目标生物时的声波的传播时间，t_D表示不存在所述被测目标生物时声波的传播时间，Φ表示体积分数；

其中，V_z表示所述被测目标生物的体积，V_m表示所述海水体积与所述被测目标生物的体积之和。

本发明型由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明将压力装置和声速测量装置结合并成一个装置，操作简便、可便携性高、降低成本。倒T型管道是直径为3.5厘米圆柱体管道，可放入较多数量或像南极磷虾等体积较大的动物。两个换能器之间没有其他设备，因此减少了其他装置对声速传播产生的影响，减少最终结果的偏差。透明亚克力可以直接观察水平管道中动物和水体介质的情况。通过摄像机可记录生物姿态，为研究目标强度与生物体倾斜角、横截面等的关系提供参考。

附图说明

图1为本发明型实施例的控压式水中声学散射体目标强度测定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图图1，给出本发明型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明型的功能、特点。

请参阅图1，本发明型实施例的一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置，包括一声速测定装置1、一数据处理器2和一密度测定装置3；声速测定装置1包括一声速测定容器11、一压力泵12、一第一换能器13、一第二换能器14、一信号发生器15和一信号采集器16；压力泵12、换能器连接于声速测定容器11，信号发生器15连接第一换能器13，信号采集器16连接第二换能器14和数据处理器2。

本实施例中，声速测定容器11采用透明亚力克材料制成且内部形成一倒T形管道111，倒T形管道111包括一水平管道和一竖直管道，竖直管道的底部连通水平管道的中部顶面；竖直管道沿竖直方向形成刻度线112，竖直管道的顶部连接有一容器口113；容器口113可打开并连通压力泵12；水平管道的两端分别连接第一换能器13和第二换能器14。第一换能器13和第二换能器14分别用防水电缆与信号发生器15或信号采集器16相接。透明亚克力可以直观的看到管道内动物情况。

容器口113与声速测定容器11之间设置有一橡胶圈；容器口113形成一连接孔，压力泵12通过橡胶管道和连接孔与竖直管道连通。

容器口113采用不锈钢材质，不轻易被海水4腐蚀，以延长装备的使用寿命。

声速测定容器11的底部连接有一不锈钢底座114，起固定作用。

倒T形管道111的管径为3.5厘米。

本发明实施例的一种基于本实施例的控压式水中声学散射体目标强度测定装置的目标强度测定方法，包括步骤：

S1：自容器口113将海水4灌入倒T形管道111直至海水4的液面升至刻度线112的0刻度处；

S2:在不同压强下，信号发生器15产生声波，声波经过第一换能器13发射；第二换能器14接收声波，信号采集器16通过第二换能器14采集声波的声波信号，并将声波信号发送给数据处理器2；数据处理器2通过脉冲波形匹配法或脉冲波峰时间检测根据声波信号获得海水4的不存在被测目标生物5时声波的传播时间t_D；

S3：自容器口113加入被测目标生物5并记录液面上升后的刻度，获得被测目标生物5的体积；

S4：通过压力泵12改变倒T形管道111内的压强模拟海洋中所需水深的压强；

S5：信号发生器15产生声波，声波经过第一换能器13发射；第二换能器14接收声波，信号采集器16通过第二换能器14采集声波的声波信号，并将声波信号发送给数据处理器2；数据处理器2通过脉冲波形匹配法或脉冲波峰时间检测根据声波信号获得海水4的存在被测目标生物5时声波的传播时间t_m；

S6：数据处理器2根据声波信号和被测目标生物5的体积计算获得声速对比数；

S7：利用密度测定装置3测量获得密度对比数并发送给数据处理器2；

S8：数据处理器2将声速对比数和密度对比数代入一目标强度理论模型获得被测目标生物5的目标强度值。

本实施例中，S6步骤中，数据处理器2根据公式(1)计算获得声速对比数：

其中，h_TA表示声速对比数，t_m表示存在被测目标生物5时的声波的传播时间，t_D表示不存在被测目标生物5时声波的传播时间，t_m和t_D利用声波信号获得，Φ表示体积分数；

其中，V_z表示被测目标生物5的体积，V_m表示海水4体积与被测目标生物5的体积之和。

本发明型实施例的一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置及方法，使用透明亚克力材料制作声速测定容器11，将压力泵12与声速测定容器11直接相连，在保证装置密封稳定的情况下，借助压力泵12改变声速测定容器11内压强。通过增大声学通道直径的方式扩大容量，使之能够放入更多数量或体积更大的动物。使用时，将容器口113的密闭活塞取下，灌入海水4和尽可能多的被测目标生物5。在倒T形管道111的竖直管道内壁上标记体积刻度，求得被测目标生物5的体积，以此用于声速比的计算。将容器口113的密闭活塞放回并与压力泵12相连，通过压力泵12增大装置内部压强，以此来模拟不同水深环境。根据声波传播距离即两个换能器之间的距离，以及换能器发射和接收信号的时间差即得到声波传播速度，从而获得海水4与被测目标混合液的声速。以同样的方法测定海水4的声速，进而计算声速对比数，将其与密度对比数相结合得到其目标强度值。由于透明亚克力材料的直观性，可在装置外放置摄像机，记录声学通道内动物的不同形态。

公式(1)的推导获得过程如下：

声速对比数h可以写为：

其中c_z和c分别是生物和水体介质的声速，Δh＝h-1≤1，Δc_z＝c_z-c。

声速和体积分数通过以下方式计算：

其中c_m和c_z分别是混合物、生物的声速。体积分数Φ定义为生物的体积(V_Z)与总混合物的体积之比(V_m＝V_w+V_Z，其中V_w为水体体积)：

将混合物的声速对比数定义为h_m＝c_m/c，可以将等式(4)化为：

由于h_m＝1+Δh_m、Δh_m≤1，可得：

下标TA代表时间平均。

对于发射器和接收器之间的总距离为L且动物层的厚度为D的几何形状，存在动物时的传播时间为t_m＝D/c_m+(L-D)/c。声速差可以用可测量的传播时间差表示为：

式中，Δc_m＝c_mΔc，t_D＝D/c是声波在不存在动物的情况下在距离D上传播所需的传播时间。将方程式(7)代入方程式(6)可得出：

h_TA即为所求声速对比数。

将上述所得声速对比数与借助密度测定装置3得到的密度对比数代入各种目标强度理论模型得到该生物的目标强度值。

以上结合附图实施例对本发明型进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明型做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明型的限定，本发明型将以所附权利要求书界定的范围作为本发明型的保护范围。

Claims (8)

1.一种控压式水中声学散射体目标强度测定装置，其特征在于，包括一声速测定装置、一数据处理器和一密度测定装置；所述声速测定装置包括一声速测定容器、一压力泵、一第一换能器、一第二换能器、一信号发生器和一信号采集器；所述压力泵、所述换能器连接于所述声速测定容器，所述信号发生器连接所述第一换能器，所述信号采集器连接所述第二换能器和所述数据处理器。

2.根据权利要求1所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置，其特征在于，所述声速测定容器采用透明亚力克材料制成且内部形成一倒T形管道，所述倒T形管道包括一水平管道和一竖直管道，所述竖直管道的底部连通所述水平管道的中部顶面；所述竖直管道沿竖直方向形成刻度线，所述竖直管道的顶部连接有一容器口；所述容器口可打开并连通所述压力泵；所述水平管道的两端分别连接所述第一换能器和所述第二换能器。

3.根据权利要求2所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置，其特征在于，所述容器口与所述声速测定容器之间设置有一橡胶圈；所述容器口形成一连接孔，所述压力泵通过橡胶管道和所述连接孔与所述竖直管道连通。

4.根据权利要求3所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置，其特征在于，所述容器口采用不锈钢材质。

5.根据权利要求4所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置，其特征在于，所述声速测定容器的底部连接有一不锈钢底座。

6.根据权利要求5所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置，其特征在于，所述倒T形管道的管径为3.5厘米。

7.一种基于权利要求2～6任一项所述的控压式水中声学散射体目标强度测定装置的目标强度测定方法，包括步骤：

S1：自所述容器口将海水灌入所述倒T形管道直至所述海水的液面升至所述刻度线的0刻度处；

S2:在不同压强下，所述信号发生器产生声波，所述声波经过所述第一换能器发射；所述第二换能器接收所述声波，所述信号采集器通过所述第二换能器采集所述声波的声波信号，并将所述声波信号发送给数据处理器；所述数据处理器通过脉冲波形匹配法或脉冲波峰时间检测根据所述声波信号获得所述海水的不存在被测目标生物时声波的传播时间t_D；

S3：自所述容器口加入所述被测目标生物并记录所述液面上升后的刻度，获得所述被测目标生物的体积；

S4：通过所述压力泵改变所述倒T形管道内的压强模拟海洋中所需水深的压强；

S5：所述信号发生器产生声波，所述声波经过所述第一换能器发射；所述第二换能器接收所述声波，所述信号采集器通过所述第二换能器采集所述声波的声波信号，并将所述声波信号发送给数据处理器；所述数据处理器通过脉冲波形匹配法或脉冲波峰时间检测根据所述声波信号获得所述海水的存在所述被测目标生物时声波的传播时间t_m；

S6：所述数据处理器根据所述声波信号和所述被测目标生物的体积计算获得声速对比数；

S7：利用所述密度测定装置测量获得密度对比数并发送给所述数据处理器；

S8：所述数据处理器将所述声速对比数和所述密度对比数代入一目标强度理论模型获得所述被测目标生物的目标强度值。

8.根据权利要求7所述的目标强度测定方法，其特征在于，所述S6步骤中，所述数据处理器根据公式(1)计算获得所述声速对比数：

其中，h_TA表示所述声速对比数，t_m表示存在所述被测目标生物时的声波的传播时间，t_D表示不存在所述被测目标生物时声波的传播时间，Φ表示体积分数；

其中，V_z表示所述被测目标生物的体积，V_m表示所述海水体积与所述被测目标生物的体积之和。

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