CN114113314B - 一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于海洋灾害监测技术领域，提供了一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，包括：多个换能器和控制机构，所述换能器用于电信号和声信号的转换，且多个所述换能器呈扇形设置在海底中的底座平台上，形成取水口水下通道的一个断面的全角度的电信号/声信号的覆盖；所述控制机构，用于控制所述换能器将电信号转换为声信号并发射；控制所述换能器接收目标物的反射声信号；解析所述反射电信号，从而获得监测数据；并根据所述监测数据计算出海洋生物量通量的值。本发明实现取水口水下通道的整个断面的全面监测，监测效果好，能够更好的实现对核电取水口的海洋生物量通量的估计，减少误差，提高准确性。
Description
技术领域
本发明属于海洋灾害监测技术领域，尤其涉及一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统及方法。
背景技术
目前，近年来,国内多座滨海核电站周边海域时有发生海洋生物；如：水母、毛虾、海地瓜、海藻、鱼类等入侵核电站冷源取水口事件。核电周边海域水体中大量漂浮的海生物进入冷源取水口的取水明渠及取水泵房导致过滤装置堵塞，进一步引起电站机组功率降低甚至突发停堆,影响了核电站的安全可靠运行。因此，需要对滨海核电站冷源取水区周边海域海生物进行大面积、实时监测和生物量评估，以保障核电站冷源安全运行。
声波是进行水下远距离传输的有效能量方式，是进行水下目标大面积探测的有力手段之一。现有市面上的海洋致灾生物水声监测系统，如中国专利库公开的一种用于滨海核电站的海洋致灾生物声学评估系统(申请号：CN202010479913.1；公开号：CN111562582A)，它包括超声波换能器，升降电机，户外控制设备，所述户外控制设备安装在地面上，其右侧通过安装架安装有升降电机，所述户外控制设备包括有用于安装元器件的控制箱，所述控制箱内还安装有声纳中央控制器，液位监测控制器，姿态稳定补偿器，自动升降支架控制器，网络接口设备以及电源转换模块，所述升降电机的动作轴向下伸入海洋水域中，升降电机与控制箱内的自动升降支架控制器电性连接控制，且通过联轴器在升降电机的动作轴上安装有一根螺杆，所述螺杆螺纹配合有可上下移动的升降支架，所述升降支架的右端面还水平焊接有一块耳板，所述耳板通过右端头开设圆形通孔的方式滑动配合有一根导向杆，所述导向杆的顶端头焊接于升降电机的底部，所述超声波换能器安装在升降支架上，并随升降支架落于水域中，并且在超声波换能器的底端安装有液位传感器，所述户外控制设备的后侧安装有中间信息传输设备。
上述用于滨海核电站的海洋致灾生物声学评估系统所存在缺陷在于：其监测覆盖角度和范围有限，无法更好的实现对核电取水明渠入水口生物量通量的估计，误差较大。
发明内容
本发明提供了一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，包括：
机柜，其设置在岸基上；
多个换能器，所述换能器用于电信号和声信号的转换，且多个所述换能器呈扇形设置在海底中的底座平台上，形成取水口水下通道的一个断面的全角度的电信号/声信号的覆盖；
控制机构，用于控制所述换能器将电信号转换为声信号并发射；控制所述换能器接收目标物的反射声信号；解析所述反射电信号，从而获得监测数据；并根据所述监测数据计算出海洋生物量通量的值；
显示机构，用于将海洋生物量通量的值显示于显示器上。
作为进一步改进的，所述控制机构包括设置在所述机柜内的计算机和信号输送机构，所述信号输送机构包括：
多通道数据采集模块，其设置在所述机柜内，用于实现数字信号与电信号的相互转化；
功率放大模块，其设置在所述机柜内，用于提升所述数据采集模块输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块加载至所述换能器；其中，所述收发转换模块用于控制发射端和接收端电路的转换；以及
滤波放大模块，其设置在所述机柜内，用于接收端中对所述收发转换模块接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，并输送至所述数据采集模块。
作为进一步改进的，该滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统还包括与所述计算机通讯连接的数据管理模块，其用于存储处理后的监测数据和历史数据。
作为进一步改进的，所述底座平台上设有与所述控制机构通讯连接的陀螺仪和平衡装置；其中
所述陀螺仪用于测得所述底座平台在水下的姿态信号；
所述平衡装置用于调整所述底座平台在海底的位置，使所述底座平台上的多个换能器形成的电信号/声信号区域与所述断面重合。
作为进一步改进的，所述控制机构进一步用于控制所述陀螺仪工作，并接收所述姿态信号，所述控制机构根据所述姿态信号判断所述底座平台在海底的姿态；并根据所述姿态信号判断所述底座平台在海底倾斜度，调整所述底座平台在海底的位置。
作为进一步改进的，该用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统还包括与所述控制机构通讯连接的报警装置。
作为进一步改进的，所述控制机构进一步用于判断所述海洋生物量通量的值是否达到海洋生物量的设定阈值；若是，控制所述报警装置向管理员报警，提醒管理员清理。
作为进一步改进的，所述海洋生物量通量n通过如下计算得到：
其中，σbs为致灾生物单个个体平均散射截面，可通过不同海洋生物的相应经验公式确定或者通过测量所得；sV为脉冲回波的散射截面,i代表换能器的编号，sV表达式为:
其中，EL为回声级，由换能器测量所得；SL为换能器声源级；TL为传播损失，通过经验公式所得；lctp为换能器指向性束宽的分贝值；ccor为校正系数。
一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测方法，包括如下步骤：
S10：控制机构控制多个换能器同时工作，换能器将电信号转换为初始声信号发出；
S20：换能器接收反射声信号；其中，反射声信号为在同一时间段内，在形成的断面上的初始声信号与海洋生物发生相互作用后反射携带致灾生物信息的声波；
S30：换能器将反射声信号转换为反射电信号后经信号输送机构传输回控制机构；
S40：控制机构解析反射电信号，获得监测数据；并通过监测数据计算出海洋生物量通量的值。
本发明的有益效果是：本发明通过控制机构控制设置在海底中的多个换能器通过工作，形成一个取水口水下通道的全角度电信号/声信号覆盖的断面，从而获得同一时间段内经过断面的携带海洋生物信息的反射声信号，并根据解析反射声信号获得的检测数据计算出海洋生物量通量的值。实现取水口水下通道的整个断面的全面监测，监测效果好，能够更好的实现对核电取水口的海洋生物量通量的估计，减少误差，提高准确性；使工作人员及时发现致灾生物的具体通量值，及时对其进行处理，以保障核电站冷源安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施例提供的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的换能器安装结构示意图；
图3是本发明实施例提供的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测方法流程图。
附图标记：
10-换能器；20-底座平台；30-控制机构；21-计算机；22-信号输送机构；221-多通道数据采集模块；222-功率放大模块；223-收发转换模块；224-滤波放大模块；40-致灾生物；11-换能器一；12-换能器二；13-换能器三。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1-3所示，一种用于滨海核电站的海洋致灾生物40水声监测系统，包括：
机柜，其设置在岸基上；
多个换能器10，所述换能器10用于电信号和声信号的转换，且多个所述换能器10呈扇形设置在海底中的底座平台20上形成一个取水口水下通道的全角度的电信号/声信号覆盖的断面；
控制机构30，用于控制所述换能器10将电信号转换为声信号并发射；控制所述换能器10接收目标物的反射声信号；解析所述反射电信号，从而获得监测数据；并根据所述监测数据计算出海洋生物量通量的值；
显示机构，用于将海洋生物量通量的值显示于显示器上。
具体实施时，所述控制机构30控制多个所述换能器10将电信号转换为声信号并发射，控制多个所述换能器10接收目标物的反射声信号，解析所述反射电信号，从而获得监测数据；并根据所述监测数据计算出海洋生物量通量的值。水下声信号在传播过程中作用于致灾海洋生物体上后，产生携带目标物信息的后向散射波；之后被相应的所述换能器10接收。每个所述换能器10将反射声信号转换为反射电信号。多个所述换能器10组合探测，呈扇形设置在海底中的底座平台20上形成一个取水口水下通道的全角度的电信号/声信号覆盖的断面，使得探测角度覆盖了取水口水道范围；能够更准确的实现对核电取水口的海洋生物量通量的估计。
本发明通过控制机构30控制设置在海底中的多个换能器10通过工作，形成一个取水口水下通道的全角度电信号/声信号覆盖的断面，从而获得同一时间段内经过断面的携带海洋生物信息的反射声信号，并根据解析反射声信号获得的检测数据计算出海洋生物量通量的值。其实现取水口水下通道的整个断面的全面监测，监测效果好，能够更好的实现对核电取水口的海洋生物量通量的估计，减少误差，提高准确性；使工作人员及时发现致灾生物40的具体通量值，及时对其进行处理，以保障核电站冷源安全运行。
进一步地，所述换能器10有三个，每个所述换能器10的-3dB波束角为55°-65°。在本实施例中，三个所述换能器10结构相同，均为活塞式收发合置换能器10，其功能是实现电信号和声信号的转换。当换能器10作为发射声源时，其功能是将放大后的模拟电压信号转换成声信号，并辐射于水体中；其中心频率可达100kHz；优选的，工作频率范围为80kHz～120kHz，-3dB波束角为60°。所述的活塞式收发合置换能器10也用于将水下接收到的声信号转换成模拟电信号。当发射声信号碰到水体中致灾海洋生物时，会产生声散射或者回波。当换能器10作为接收声传感器时，其功能是接收致灾生物40的声散射或者回波信号，并输送到滤波放大模块224，其声接收工作频率范围为1kHz～200kHz。
进一步地，所述底座平台20为等腰梯形结构，其两等腰底角的角度为60°，三个所述换能器10分别固定于所述底座平台20的顶部以及两个腰部。在本实施例中，所述底座平台20用于固定所述换能器10。其由不锈钢材质制成，等腰梯形结构，角度为60°。三个换能器10分别固定于顶部以及两个腰部，实现一个断面上180°的覆盖，从而实现了这个断面上致灾生物40生物量的通量估计。
进一步地，所述控制机构30包括设置在所述机柜内的计算机21和信号输送机构22，所述信号输送机构22包括：
多通道数据采集模块221，其设置在所述机柜内，用于实现数字信号与电信号的相互转化；
功率放大模块222，其设置在所述机柜内，用于提升所述数据采集模块输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块223加载至所述换能器10；其中，所述收发转换模块223用于控制发射端和接收端电路的转换；以及
滤波放大模块224，其设置在所述机柜内，用于接收端中对所述收发转换模块223接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，并输送至所述数据采集模块。
具体实施时，所述多通道数据采集模块221用于实现所述计算机21的数字信号与模拟电压信号的相互转化；其可至少设有三个模拟输入通道、三个模拟输出通道和一个同步触发通道，所述多通道数据采集模块221的采样精度为24bit，采样率可达1MS/s。所述功率放大模块222用于提升所述数据采集卡输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块223加载至所述换能器10，所述功率放大模块222最高工作功率可达200W，且放大倍数可调，工作频率范围覆盖60kHz至180Khz；其中，所述收发转换模块223用于控制发射端和接收端电路的转换，其可通过变换激励电平的方式实现系统发射和接收模式的快速切换。滤波放大模块224用于接收端中对所述收发转换模块223接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，以抑制噪声干扰，并输送至所述多通道数据采集模块221上；所述滤波放大模块224的信号放大倍数可调，滤波的中心频率为100kHz，通带频率范围60Hz～180kHz。
进一步地，该滨海核电站的海洋致灾生物40水声监测系统还包括与所述计算机21通讯连接的数据管理模块，其用于存储处理后的监测数据和历史数据。
进一步地，所述底座平台20上设有与所述控制机构30通讯连接的陀螺仪和平衡装置；其中
所述陀螺仪用于测得所述底座平台20在水下的姿态信号；
所述平衡装置用于调整所述底座平台20在海底的位置，使所述底座平台20上的多个换能器10形成的电信号/声信号区域与所述断面重合。
进一步地，所述控制机构30进一步用于控制所述陀螺仪工作，并接收所述姿态信号，所述控制机构30根据所述姿态信号判断所述底座平台20在海底的姿态；并根据所述姿态信号判断所述底座平台20在海底倾斜度，调整所述底座平台20在海底的位置。
具体实施时，在所述底座平台20上设置有陀螺仪和平衡装置，所述控制机构30控制所述陀螺仪工作，并接收所述姿态信号；所述控制机构30根据所述姿态信号判断所述底座平台20在海底的姿态；并根据所述姿态信号判断所述底座平台20在海底倾斜度；所述平衡装置接收控制机构30发送的所述底座平台20的反馈信息，所述平衡装置通过实时调整所述底座平台20的角度，确保所述底座平台20上的多个换能器10发送的声波信号和接收的回波信号始终在同一个所述断面中，有效提高了恶劣海况下系统工作的可靠性。
进一步地，该用于滨海核电站的海洋致灾生物40水声监测系统还包括与所述控制机构30通讯连接的报警装置；所述控制机构30进一步用于判断所述海洋生物量通量的值是否达到海洋生物量的设定阈值；若是，控制所述报警装置向管理员报警，提醒管理员清理。在本实施例中，设置与所述控制机构30通讯连接的报警装置，所述设定阈值为安全阈值；当所述控制机构30判断海洋生物量通量值超过所述设定阈值时，根据该海洋生物量通量值查找对应的灾害等级，进一步的确定该灾害等级下的应对方案和措施，并通过控制机构30控制所述报警装置发出警报；并将所述灾害等级和应对方案自动推送至关联人员终端设备。
在本实施例中，所述机柜内置的计算机21在开机后提供人机交互界面：根据需求设置不同的参数，包括发射参数设置、接收参数设置、回波信号显示、生物量总体估计、数据保存等。系统工作模式时，发射信号经过所述多通道数据采集模块221生成波形数据并传送至功率放大模块222进行功率放大。后经收发转换模块223依次加载至换能器一11、换能器二12、换能器三13上，驱动其向水中辐射声波。水下声波在传播过程中作用于致灾海洋生物体上后，产生携带目标物信息的后向散射波；之后被相应的换能器10接收。每个所述换能器10将反射声信号转换为反射电信号后经收发转换模块223传送至所述前置放大滤波模块进行滤波、放大处理。再经所述多通道数据采集模块221转化为数字信号后，在计算机21上进行进一步的显示、分析以及数据存储。
在本实施例中，所述机柜固定于岸基上；所述底座平台20放置于核电站冷源取水口水道的海底上。所述底座平台20采用等腰梯形结构，角度为60°。三个换能器10分别固定于顶部以及两个腰部。三个换能器10的-3dB波束角为60°。三个换能器10组合探测，使得该探测系统的探测角度覆盖了取水口水道范围；可获得三个换能器10的目标回波强度值；在已知目标强度的前提下，可以通过回波积分法来评估海洋生物量通量n。
所述海洋生物量通量n通过如下计算得到：
其中，σbs为致灾生物40单个个体平均散射截面，可通过不同海洋生物的相应经验公式确定或者通过测量所得；sV为脉冲回波的散射截面,i代表换能器10的编号，sV表达式为:
其中，EL为回声级，由换能器10测量所得；SL为换能器10声源级；TL为传播损失，通过经验公式所得；lctp为换能器10指向性束宽的分贝值；ccor为校正系数。
一种用于滨海核电站的海洋致灾生物40水声监测方法，包括如下步骤：
S10：控制机构30控制多个换能器10同时工作，换能器10将电信号转换为初始声信号发出；
S20：换能器10接收反射声信号；其中，反射声信号为在同一时间段内，在形成的断面上的初始声信号与海洋生物发生相互作用后反射携带致灾生物40信息的声波；
S30：换能器10将反射声信号转换为反射电信号后经信号输送机构22传输回控制机构30；
S40：控制机构30解析反射电信号，获得监测数据；并通过监测数据计算出海洋生物量通量的值。
所述控制机构30根据所设置的信号发出参数的信息通过所述信号输送机构22发送电信号，且电信号加载至换能器10中，并驱动所述换能器10向水中辐射声波。水下声波在传播过程中与同一时间段内经过断面的海洋生物发生相互作用，产生携带海洋生物信息的后向散射波；之后再被所述换能器10接收；所述换能器10将声信号转换为电信号后经所述信号输送机构22传输回所述控制机构30，所述控制机构30对其进行数据存储，并将解析后的反射电信号在所述显示单元的显示器上显示，其中，所述解析后的反射电信号包括波形、频谱以及距离。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，包括：
多个换能器(10)，所述换能器(10)用于电信号和声信号的转换，且多个所述换能器(10)呈扇形设置在海底中的底座平台(20)上，形成一个取水口水下通道的全角度的电信号/声信号覆盖的断面；
控制机构(30)，用于控制所述换能器(10)将电信号转换为声信号并发射；控制所述换能器(10)接收目标物的反射声信号；解析所述反射电信号，从而获得监测数据；并根据所述监测数据计算出海洋生物量通量的值；所述海洋生物量通量n通过如下计算得到：
其中，σbs为致灾生物单个个体平均散射截面，可通过不同海洋生物的相应经验公式确定或者通过测量所得；sV为脉冲回波的散射截面,i代表换能器的编号，sV表达式为:
其中，EL为回声级，由换能器测量所得；SL为换能器声源级；TL为传播损失，通过经验公式所得；lctp为换能器指向性束宽的分贝值；ccor为校正系数。
2.根据权利要求1所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，所述控制机构(30)包括设置在机柜内的计算机(21)和信号输送机构(22)，所述信号输送机构(22)包括：
多通道数据采集模块(221)，其设置在所述机柜内，用于实现数字信号与电信号的相互转化；
功率放大模块(222)，其设置在所述机柜内，用于提升所述数据采集模块输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块(223)加载至所述换能器(10)；其中，所述收发转换模块(223)用于控制发射端和接收端电路的转换；以及
滤波放大模块(224)，其设置在所述机柜内，用于接收端中对所述收发转换模块(223)接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，并输送至所述数据采集模块。
3.根据权利要求2所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，该滨海核电站的海洋致灾生物(40)水声监测系统还包括与所述计算机(21)通讯连接的数据管理模块，其用于存储处理后的监测数据和历史数据。
4.根据权利要求1所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，所述底座平台(20)上设有与所述控制机构(30)通讯连接的陀螺仪和平衡装置；其中
所述陀螺仪用于测得所述底座平台(20)在水下的姿态信号；
所述平衡装置用于调整所述底座平台(20)在海底的位置，使所述底座平台(20)上的多个换能器(10)形成的电信号/声信号区域与所述断面重合。
5.根据权利要求4所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，所述控制机构(30)进一步用于控制所述陀螺仪工作，并接收所述姿态信号，所述控制机构(30)根据所述姿态信号判断所述底座平台(20)在海底的姿态；并根据所述姿态信号判断所述底座平台(20)在海底倾斜度，调整所述底座平台(20)在海底的位置。
6.根据权利要求1所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，该用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统还包括与所述控制机构(30)通讯连接的报警装置。
7.根据权利要求6所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，其特征在于，所述控制机构(30)进一步用于判断所述海洋生物量通量的值是否达到海洋生物量的设定阈值；若是，控制所述报警装置向管理员报警，提醒管理员清理。
8.一种用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的用于滨海核电站的海洋致灾生物水声监测系统，所述方法包括如下步骤：
S10：控制机构控制多个换能器同时工作，换能器将电信号转换为初始声信号发出；
S20：换能器接收反射声信号；其中，反射声信号为在同一时间段内，在形成的断面上的初始声信号与海洋生物发生相互作用后反射携带致灾生物信息的声波；
S30：换能器将反射声信号转换为反射电信号后经信号输送机构传输回控制机构；
S40：控制机构解析反射电信号，获得监测数据；并通过监测数据计算出海洋生物量通量的值；所述海洋生物量通量n通过如下计算得到：
其中，σbs为致灾生物单个个体平均散射截面，可通过不同海洋生物的相应经验公式确定或者通过测量所得；sV为脉冲回波的散射截面,i代表换能器的编号，sV表达式为:
其中，EL为回声级，由换能器测量所得；SL为换能器声源级；TL为传播损失，通过经验公式所得；lctp为换能器指向性束宽的分贝值；ccor为校正系数。
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