CN116047606A - 海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋调查与海底探测技术领域，特别是一种海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置与方法。包括声发射横杆，其底部连接有数个声发射换能器，且各相邻声接收换能器的工作频率为依次倍频；接收立杆，与声发射横杆之间呈垂直设置，其顶部通过云台与声发射横杆连接，其底部与探头连接，接收立杆上沿垂直方向间隔设置数个声接收换能器；云台，通过控制模块与接收立杆的顶部转动连接，声发射横杆固定在云台上。其用于探测埋藏在海底沉积物内的多金属结核，并获取其三维空间分布信息，为实现高分辨率、大范围探测埋藏型多金属结核创造有利条件。

Description

海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置与方法

技术领域

本发明涉及海洋调查与海底探测技术领域，特别是一种海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置与方法。

背景技术

覆盖在地球各大深海平原沉积物表面和埋藏在沉积物深处的多金属结核，铜、镍、钴和锰等金属资源量巨大，且多金属结核相对于其他深海固体矿产具有经济价值大、调查程度高、环境影响小、开采难度低等诸多优势，有望成为最先得到大规模开发利用的深海固体矿产类型。此外，多金属结核还具有生成速率慢、赋存时间长等特点，是记录海底重大地质事件的优良载体。

与分布在海底沉积物表面的裸露型结核不同，埋藏在沉积物深处的结核赋存环境类型多样且难以被发现。目前科学界对海底裸露型结核的常用探测方法包括可视探测、多波束声呐和浅剖声呐，但前两种方法的穿透性差，而浅剖声呐则只能进行测线探测，因此难以有效应用于埋藏在沉积物深处的多金属结核的探测，导致目前全球海底埋藏型结核少有被发现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置与方法，其用于探测埋藏在海底沉积物内的多金属结核，并获取其三维空间分布信息，为实现高分辨率、大范围探测埋藏型多金属结核创造有利条件。

本发明的技术方案是：一种海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，包括探头，其特征在于，还包括

声发射横杆，其底部连接有数个声发射换能器，且各相邻声接收换能器的工作频率为依次倍频；

接收立杆，与声发射横杆之间呈垂直设置，其顶部通过云台与声发射横杆连接，其底部与探头连接，接收立杆上沿垂直方向间隔设置数个声接收换能器；

云台，通过控制模块与接收立杆的顶部转动连接，声发射横杆固定在云台上。

本发明中，所述控制模块包括机电控制模块和声信号控制模块。

所述声发射横杆上的相邻两声接收换能器之间呈等间距设置。所述接收立杆包括第一接收立杆和第二接收立杆，第一接收立杆的底部与探头固定连接，第一接收立杆的顶部与第二接收立杆固定连接，第二接收立杆的顶部与控制模块固定连接；

所述第一接收立杆上设有第一声接收换能器和第二声接收换能器，第二接收立杆上设有第三声接收换能器和第四声接收换能器。

所述声接收换能器采用宽频带接收换能器，分别通过独立的两芯差分信号电缆与声信号控制模块连接，且相邻两声接收换能器之间的极化方向相反。

所述声接收换能器采用环形接收换能器。

该装置包括四个声发射换能器，分别为第一声发射换能器、第二声发射换能器、第三声发射换能器、第四声发射换能器，谐振频率分别为f1、f2、f3及f4，第一声发射换能器与第二声发射换能器组合、第三声发射换能器与第四声发射换能器组合，并同时工作，形成差频f1-f2与和频f1+f2、差频f3-f4与和频f3+f4工作模式。

所述云台的顶部还固定设有吊头，吊头上分别固定连接有高度计和应答器。

本发明还包括利用上述海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置进行探测的方法，其中，包括以下步骤，

S1.使用船载铠装同轴电缆连接该装置的机电控制模块；

S2.该装置的布放；

数个发射换能器依次发射声波信号，并且由声速仪测量得到水中的声速v；

S3.信号的采集和处理；

声发射横杆在云台的驱动下，每隔指定角度旋转一次，声发射换能器发射声波，声接收换能器接收经过海底地层传播后的声波信号，利用声波信号形成地层的声学图像，识别海底埋藏型多金属结核，计算结核的经纬度和埋藏深度三维空间分布特征；

S4.装置的回收。

上述步骤S3中，加速放缆，使第一声接收立杆、第二声接收立杆依次贯入海底地层中，声发射横杆在云台的驱动下，每隔10°旋转一次，与此同时第一声发射换能器、第二声发射换能器、第三声发射换能器以及第四声发射换能器开始发射声波，第一声接收立杆上的第一声接收换能器和第二声接收换能器、以及第二声接收立杆上的第三声接收换能器和第四声接收换能器接收经过海底地层传播后的声波信号，由声信号控制模块采集并处理；

当声发射横杆旋转至0°、10°、……、n°(0≤n≤360)时，由四个接收换能器(y₁,y₂,y₃,y₄)采集的信号在对应频率f与对应信号波数k的声波信号分别为:

其中，i表示虚数单位，t表示声波到达时间，信号波数k通过公式k＝f/v确定；

声信号控制模块将采集处理后的数据发送至船载控制计算机，船载控制计算机利用声波信号(s₀,s₁₀,......,s_n)形成地层的声学图像，基于不同的声阻抗，识别海底埋藏型多金属结核，计算出结核的经纬度和埋藏深度三维空间分布特征。

本发明的有益效果是：

(1)本发明使用的第一声发射换能器、第二声发射换能器、第三声发射换能器以及第四声发射换能器的工作频率为依次倍频，比如分别为2kHz、4kHz、8kHz、16KHz，可以获得多种探测分辨率与探测量程，实现多层次的海底埋藏型结核空间分布探测；

(2)通过云台旋转声发射横杆，覆盖全方位的海底地层，并且利用第一声发射换能器、第二声发射换能器、第三声发射换能器以及第四声发射换能器产生的差频与和频信号，获得不同探测量程与分辨率的探测图像，并形成径向的声学三维图像，获得海底结核空间分布的整体声学图像；

(3)使用第一声接收立杆、第二声接收立杆贯入海底地层，以及等间距布置的第一声接收换能器、第二声接收换能器以及第三声接收换能器、第四声接收换能器为宽频带接收换能器，接收带宽为1kHz～100kHz，且相邻接收换能器的极化方向相反，可以直接接收通过海底地层的声信号，较现有的遥测方式，提高了信号质量。

(4)此方法具有可操作强、准确度高等优势，从而可在全球海底埋藏型多金属结核生长过程研究、成矿机制调查和资源评价中得到有效利用。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的立体结构示意图。

图中：1探头；2第一声接收换能器；3第二声接收换能器；4第三声接收换能器；5第四声接收换能器；6控制模块；7云台；8第二声发射换能器；9第一声发射换能器；10第三声发射换能器；11第四声发射换能器；12高度计；13吊头；14应答器；15声发射横杆；16接收立杆。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1和图2所示，本发明所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置包括声发射横杆15、接收立杆16和云台7，声发射横杆15位于接收立杆16的上方，且声发射横杆15与接收立杆16之间呈垂直设置，接收立杆16的底部设有探头1，接收立杆16的顶部通过云台7与发射横杆15连接。

本实施例中，接收立杆16包括第一接收立杆和第二接收立杆，第一接收立杆的底部与探头1固定连接，第一接收立杆的顶部与第二接收立杆固定连接，第二接收立杆的顶部与控制模块6固定连接。云台7可旋转的与控制模块6连接。声发射横杆15固定在云台7上。控制模块6包括机电控制模块和声信号控制模块。

第一接收立杆上设有第一声接收换能器2和第二声接收换能器3，第二接收立杆上设有第三声接收换能器4和第四声接收换能器5。第一声接收换能器2、第二声接收换能器3、第三声接收换能器4和第四声接收换能器5均采用宽频带接收换能器，分别通过独立的两芯差分信号电缆与声信号控制模块连接，且相邻两声接收换能器之间的极化方向相反。第一声接收换能器、第二声接收换能器的间距相等，第三声接收换能器、第四声接收换能器之间呈等间距设置，以便于在波形的时间轴图上，形成一条梯度线，易于信号判别和解释。本实施例中，第一声接收换能器2、第二声接收换能器3、第三声接收换能器4和第四声接收换能器5采用环形接收换能器，可以全向接收声波信号。

声发射横杆15的底部设有数个声发射换能器，本实施例中设有四个声发射换能器，其中第一声发射换能器9、第二声发射换能器8设置在接收立杆一侧的声发射横杆15的底部，第三声发射换能器10、第四声发射换能器11设置在接收立杆另一侧的声发射横杆15的底部。第一声发射换能器9、第二声发射换能器8、第三声发射换能器10、第四声发射换能器11的工作频率为依次倍频，分别通过独立的两芯差分信号电缆与声信号控制模块连接。声发射换能器在1kHz-20kHz频段范围内工作，以1kHz为步进扫频探测，以满足不同尺寸结构的测量分辨率需求。

本实施例中，第一声发射换能器9、第二声发射换能器8、第三声发射换能器10、第四声发射换能器11均为圆柱形，辐射面为沿着径向的柱面，谐振频率分别为f1、f2、f3及f4，第一声发射换能器9与第二声发射换能器8组合、第三声发射换能器10与第四声发射换能器11组合，并同时工作，形成差频f1-f2与和频f1+f2、差频f3-f4与和频f3+f4工作模式。

云台7的顶部还固定设有吊头13，吊头13上分别固定连接有高度计12和应答器14，其中高度计12用于监测装置与海底的高度，在装置入水后，下放到海底过程中，辅助下放作业，应答器14用于对装置在海底的位置进行定位。

本发明还包括利用上述海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置进行探测的方法，该方法包括以下步骤。

第一步，使用船载铠装同轴电缆连接该装置的机电控制模块。

第二步，该装置的布放。

使用船载绞车布放该装置，在高度计显示距离海底面5m时，停止放缆，利用该装置在水中测量。第一声发射换能器9、第二声发射换能器8、第三声发射换能器10以及第四声发射换能器11依次发射声波信号，并且由声速仪测量得到水中的声速v。

第三步，信号的采集和处理。

加速放缆，使第一声接收立杆、第二声接收立杆依次贯入海底地层中。使用甲板计算机配置作业参数，声发射横杆15在云台7的驱动下，每隔10°旋转一次，同时带动第一声发射换能器9、第二声发射换能器8、第三声发射换能器10以及第四声发射换能器11每隔10°旋转一次。与此同时，第一声发射换能器9、第二声发射换能器8、第三声发射换能器10以及第四声发射换能器11开始发射声波，第一声接收立杆上的第一声接收换能器2和第二声接收换能器3、以及第二声接收立杆上的第三声接收换能器4和第四声接收换能器5接收经过地层传播后的声波信号，由声信号控制模块采集并处理。

当声发射横杆旋转至0°、10°、……、n°(0≤n≤360)时，由四个接收换能器(y₁,y₂,y₃,y₄)采集的信号在对应频率f与对应信号波数k的声波信号分别为:

其中，i表示虚数单位，t表示声波到达时间，信号波数k可以通过在水中测量时采集的声波精确确定：k＝f/v。

声信号控制模块将采集处理后的数据发送至船载控制计算机，船载控制计算机利用声波信号(s₀,s₁₀,......,s_n)形成地层的声学图像，基于不同的声阻抗，识别海底埋藏型多金属结核，计算出结核的经纬度和埋藏深度三维空间分布特征。

第四步，装置的回收。

作业完毕后，将装置回收至调查船甲板面，淡水冲洗、晾干，存放于干燥通风位置。

以上对本发明所提供的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，包括探头，其特征在于，还包括

声发射横杆，其底部连接有数个声发射换能器，且各相邻声接收换能器的工作频率为依次倍频；

接收立杆，与声发射横杆之间呈垂直设置，其顶部通过云台与声发射横杆连接，其底部与探头连接，接收立杆上沿垂直方向间隔设置数个声接收换能器；

云台，通过控制模块与接收立杆的顶部转动连接，声发射横杆固定在云台上。

2.根据权利要求1所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

所述控制模块包括机电控制模块和声信号控制模块。

3.根据权利要求1所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

所述声发射横杆上的相邻声接收换能器之间呈等间距设置。

4.根据权利要求1所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

所述接收立杆包括第一接收立杆和第二接收立杆，第一接收立杆的底部与探头固定连接，第一接收立杆的顶部与第二接收立杆固定连接，第二接收立杆的顶部与控制模块固定连接；

所述第一接收立杆上设有第一声接收换能器和第二声接收换能器，第二接收立杆上设有第三声接收换能器和第四声接收换能器。

5.根据权利要求2所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

所述声接收换能器采用宽频带接收换能器，分别通过独立的两芯差分信号电缆与声信号控制模块连接，且相邻两声接收换能器之间的极化方向相反。

6.根据权利要求1所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

所述声接收换能器采用环形接收换能器。

7.根据权利要求1所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

包括四个声发射换能器，分别为第一声发射换能器、第二声发射换能器、第三声发射换能器、第四声发射换能器，谐振频率分别为f1、f2、f3及f4，第一声发射换能器与第二声发射换能器组合、第三声发射换能器与第四声发射换能器组合，并同时工作，形成差频f1-f2与和频f1+f2、差频f3-f4与和频f3+f4工作模式。

8.根据权利要求1所述的海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置，其特征在于，

所述云台的顶部还固定设有吊头，吊头上分别固定连接有高度计和应答器。

9.一种利用权利要求1-8任一所述海底埋藏型多金属结核的声学探针探测装置进行探测的方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1.使用船载铠装同轴电缆连接该装置的机电控制模块；

S2.该装置的布放；

数个发射换能器依次发射声波信号，并且由声速仪测量得到水中的声速v；

S3.信号的采集和处理；

声发射横杆在云台的驱动下，每隔指定角度旋转一次，声发射换能器发射声波，声接收换能器接收经过海底地层传播后的声波信号，利用声波信号形成地层的声学图像，识别海底埋藏型多金属结核，计算结核的经纬度和埋藏深度三维空间分布特征；

S4.装置的回收。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

上述步骤S3中，加速放缆，使第一声接收立杆、第二声接收立杆依次贯入海底地层中，声发射横杆在云台的驱动下，每隔10°旋转一次，与此同时第一声发射换能器、第二声发射换能器、第三声发射换能器以及第四声发射换能器开始发射声波，第一声接收立杆上的第一声接收换能器和第二声接收换能器、以及第二声接收立杆上的第三声接收换能器和第四声接收换能器接收经过海底地层传播后的声波信号，由声信号控制模块采集并处理；

当声发射横杆旋转至0°、10°、……、n°(0≤n≤360)时，由四个接收换能器(y₁,y₂,y₃,y₄)采集的信号在对应频率f与对应信号波数k的声波信号分别为:

其中，i表示虚数单位，t表示声波到达时间，信号波数k通过公式k＝f/v确定；

声信号控制模块将采集处理后的数据发送至船载控制计算机，船载控制计算机利用声波信号(s₀,s₁₀,......,s_n)形成地层的声学图像，基于不同的声阻抗，识别海底埋藏型多金属结核，计算出结核的经纬度和埋藏深度三维空间分布特征。

Images