CN207317800U - 一种深海逆式回声测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深海逆式回声测量系统，包括传感器系统、电子系统、系留系统和回收系统，所述传感器系统包括设置于仪器舱顶部的发射/接收二合一的水声换能器和设置于仪器舱内的压力传感器，所述电子系统包括设置于仪器舱内部的核心电路板和电池，所述系留系统包括从上到下依次设置的浮体、玻璃球、系留索、布放架和锚系，所述回收系统包括设置于仪器舱和锚系之间的熔断式释放器、设置于浮体顶部的GPS信标机，同时还公开了该测量方法，本实用新型所公开的测量系统及方法能够在海底长期稳定精确测量数据，为深入了解和掌握深海大洋三维环流结构、变化规律及其对气候变化的影响，提供了强有力的技术保障。

Description

一种深海逆式回声测量系统

技术领域

本实用新型涉及水下探测领域，特别涉及一种深海逆式回声测量系统。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，要认识海洋、开发和利用海洋就要进行海洋调查。高新技术的海洋装备是海洋调查的重要保障。为发现海洋新现象、验证海洋新理论和满足海洋科学发展需求，在研究海域获取长周期海洋科学数据除了依靠浮标和潜标外，坐底式观测设备对获取长期现场观测数据至关重要。

当海底的产生的声波辐射至海面并被反射回海底时，垂直声波传播的时间(Vertical Acoustic Travel Time，以下简称VATT)是一个重要的参数。我们知道，VATT变化主要遵循所测量水柱上综合温度剖面的变化规律。在一些大、中尺度洋流和锋带的应用已经证明，VATT往往可以被重新解释为位势高度(高度动态)，受海流弯曲或涡的影响而不停变化。在许多地区，温度和位势高度，随时间变化的垂直剖面特征，有可能从VATT测量决定。然后从横向分离测得的数据可以估算水平梯度位势高度，可以反演计算地球自转引起的海流剖面。

逆式回声仪是一种安装于海底用来测量从海床到海面的垂向声传播时间的仪器。可用于监测温度结构和动态高度变化。其工作原理是在海底面布置一个换能器并向上发射声波，当发射的声波经海平面反射回接收换能器，二者之间的时间差即为VATT。观测数据可以通信上传给水面母船，也可以待逆式回声仪回收后通过读取存储设备获取，用以监测海洋主温跃层的起伏，并结合压力数据及历史水文数据利用经验公式间接推算出不同深度上的温度、盐度及密度等水体参数的变化。

目前传统的逆式回声测量系统结构简单，在深海中工作时易受海底环境的影响，布放时很难与海平面完全垂直。测量数据不够精确，测量时，混响和虚假目标(如鱼等)造成的假回波会对测量结果造成很大影响。而且，在海底工作时，各模块同时工作，对电池要求比较高，耗电量大，使用寿命短，需经常更换电池。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种深海逆式回声测量系统及测量方法，以达到能够在海底长期稳定精确测量数据的目的。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种深海逆式回声测量系统，包括传感器系统、电子系统、系留系统和回收系统，所述传感器系统包括设置于仪器舱顶部的发射/接收二合一的水声换能器和设置于仪器舱内的压力传感器，所述电子系统包括设置于仪器舱内部的核心电路板和电池，所述系留系统包括从上到下依次设置的浮体、玻璃球、系留索、布放架和锚系，所述仪器舱固定于布放架的顶部，系留索连接于仪器舱顶部，锚系连接于仪器舱底部，所述回收系统包括设置于仪器舱和锚系之间的熔断式释放器、设置于浮体顶部的GPS信标机。

上述方案中，所述核心电路板上设有主控模块、与主控模块相连的值班模块、压力传感器模块、电源模块和回声测量模块，所述主控模块上设有与其它模块相连的控制接口、传感器接口、数据接口和RS-232接口，以及用于数据存储的CF储存卡。

上述方案中，所述水声换能器包括信号产生电路、振荡器、声波发射器、声波接收器、转换器和智能处理器。

上述方案中，所述水声换能器的中心频率12kHz，工作水深500米-5600米，具有圆锥状波束，开角90°，频带宽度150Hz。

上述方案中，所述水声换能器为圆柱状纵振换能器，最大声源级195dB，外壳采用硫化橡胶套，且硫化橡胶套外侧设有保护笼架。

一种深海逆式回声测量方法，包括如下步骤：首先由水声换能器的信号产生电路产生电信号，然后经振荡器转换为振荡声波信号，并由声波发射器发出，发射敞口小于单向45°，信号由海面反射回来后，声波接收器接收声信号，经转换器转换为电信号，最后在智能处理器控制下初步处理后进行存储。

上述方案中，所述水声换能器设置有锁定时间，锁定时间即为预期海表面回波到达的时间，当声波发射器发出信号后立即关闭锁定，到达锁定时间后再开启接收信号。

上述方案中，系统下水前，通过PC电脑的RS-232串口或者可选的无线传输模块对设备的工作参数进行配置，测量间隔参数保存在值班模块中，发射功率调节、测量深度范围保存在主控模块中。

上述方案中，电子系统由值班模块进行长时间低功耗值班，其余电路模块处于断电状态，值班模块对外部实时时钟进行判别，符合测量时间点，则打开电子系统完成规定的测量任务，测量任务完成后关闭电子系统，保留值班模块的供电，等待下一次测量。

上述方案中，电子系统开机进行测量时，主控模块控制回声测量模块工作，同时读取外部可选的传感器数据，回声测量模块工作完成后将测量数据传送给主控模块的数据接口，主控模块将测量数据和传感器数据按照MS-DOS的文件格式存储到CF存储卡中，测量结束，通知值班模块关机。

通过上述技术方案，本实用新型提供的深海逆式回声测量系统和测量方法解决现有观测技术中浮标和潜标无法获取高时空分辨率海洋环境数据的难题，该设备布放在深海海底，具有良好的低温特性和低功耗特性，能长期、隐蔽的对海洋动力参数和环境要素进行立体综合监测。本实用新型研制的逆式回声测量系统是测量声波从海底到粗燥海面垂直路径的来回传播时间，并根据传播时间反演海洋温度、盐度、海流等水文及动力信号，核心技术问题为研发传感器系统、电子系统、系留系统和回收系统并将其整合，同时建立声学信号处理与反演系统，根据声波传播时间提取海洋水文与动力信号。为深入了解和掌握深海大洋三维环流结构、变化规律及其对气候变化的影响，提供了强有力的技术保障。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例所公开的一种深海逆式回声测量系统整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的电子系统组成框图；

图3为本实用新型实施例所公开的电子系统工作流程示意图。

图中，1、仪器舱；2、水声换能器；3、浮体；4、玻璃球；5、系留索；6、布放架；7、锚系；8、释放器；9、GPS信标机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种深海逆式回声测量系统及测量方法，该系统能够在海底长期稳定精确测量数据，为深入了解和掌握深海大洋三维环流结构、变化规律及其对气候变化的影响，提供了强有力的技术保障。

如图1所示的深海逆式回声测量系统，包括传感器系统、电子系统、系留系统和回收系统。传感器系统包括设置于仪器舱1顶部的发射/接收二合一的水声换能器2和设置于仪器舱1内的压力传感器，仪器舱1采用直径43厘米的17寸玻璃球，耐压6700米，为核心电路板提供深海耐压水密舱体。

电子系统包括设置于仪器舱1内部的核心电路板和电池，核心电路板主要完成传感器数据接收、数据处理、数据存储、时序管理等功能。如图2所示，核心电路板上设有主控模块、与主控模块相连的值班模块、压力传感器模块、电源模块和回声测量模块，主控模块上设有与其它模块相连的控制接口、传感器接口、数据接口和RS-232接口，以及用于数据存储的CF储存卡。

系留系统包括从上到下依次设置的浮体3、玻璃球4、系留索5、布放架6和锚系7，仪器舱1固定于布放架6的顶部，系留索5连接于仪器舱1顶部，锚系7连接于仪器舱1底部，布放架6采用耐腐蚀的锰钢材质，形状采用削顶的圆锥形，其中上端的小钢圈用于放置仪器舱1，下端的大钢圈用于整个系统坐底布放。

本实施例中，布放架6的高度为1.5m，系留索5的长度为50m，浮体3与玻璃球4之间的距离为10m。

回收系统包括设置于仪器舱1和锚系之间的熔断式释放器8、设置于浮体3顶部的GPS信标机9。释放机构主要采用熔断式释放器，以海水作为介质，借助电化学反应进行释放。

为使发射声波和接收声波的换能器时间一致，减小测量误差，我们采取发射/接收二合一的水声换能器2。水声换能器2是通过水声信道发送和接收信号,采用90°开角向海面发射信号，根据不同水深设置发射功率，借助返回的声波信号获取声传播时间。水声换能器2包括信号产生电路、振荡器、声波发射器、声波接收器、转换器和智能处理器。水声换能器2的中心频率12kHz，工作水深500-5600米，具有圆锥状波束，开角90°，频带宽度150Hz。水声换能器2为圆柱状纵振换能器，最大声源级195dB，外壳采用硫化橡胶套，且硫化橡胶套外侧设有保护笼架，防止投放过程中损坏水声换能器2。

该测量系统的测量方法包括如下步骤：首先由水声换能器2的信号产生电路产生电信号，然后经振荡器转换为振荡声波信号，并由声波发射器发出，发射敞口小于单向45°，信号由海面反射回来后，声波接收器接收声信号，经转换器转换为电信号，最后在智能处理器控制下初步处理后进行存储。

水声换能器2设置有锁定时间，锁定时间即为预期海表面回波到达的时间，当声波发射器发出信号后立即关闭锁定，到达锁定时间后再开启接收信号，这样就可以最小化来自鱼和其它物体的虚假回波，最大化海表面起伏信号。

系统下水前，通过PC电脑的RS-232串口或者可选的无线传输模块对设备的工作参数进行配置，测量间隔参数保存在值班模块中，发射功率调节、测量深度范围保存在主控模块中。

如图3所示，电子系统由值班模块进行长时间低功耗值班，其余电路模块处于断电状态，值班模块对外部实时时钟进行判别，符合测量时间点，则打开电子系统完成规定的测量任务，测量任务完成后关闭电子系统，保留值班模块的供电，等待下一次测量。

电子系统开机进行测量时，主控模块控制回声测量模块工作，同时读取外部可选的传感器数据，回声测量模块工作完成后将测量数据传送给主控模块的数据接口，主控模块将测量数据和传感器数据按照MS-DOS的文件格式存储到CF存储卡中，测量结束，通知值班模块关机。

回收时启动释放器8释放掉锚系7，并依靠玻璃球4的浮力使设备上浮到海面。GPS信标机9利用一个小浮体3安装在系留系统的顶部，在设备上浮到海面时启动，向外发射GPS位置信息，回收船利用GPS信标机接收设备寻找该测量系统并进行回收。

回声测量系统返回岸上以后，保存的数据可以有2种方式读入PC机。一种是将CF存储卡插入PC机的读卡器直接读取数据；另一种方式是选配无传模块，可以在不打开设备外壳的情况下通过无线串行接口直接读入PC机。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (5)

1.一种深海逆式回声测量系统，包括传感器系统、电子系统、系留系统和回收系统，其特征在于，所述传感器系统包括设置于仪器舱顶部的发射/接收二合一的水声换能器和设置于仪器舱内的压力传感器，所述电子系统包括设置于仪器舱内部的核心电路板和电池，所述系留系统包括从上到下依次设置的浮体、玻璃球、系留索、布放架和锚系，所述仪器舱固定于布放架的顶部，系留索连接于仪器舱顶部，锚系连接于仪器舱底部，所述回收系统包括设置于仪器舱和锚系之间的熔断式释放器、设置于浮体顶部的GPS信标机。

2.根据权利要求1所述的一种深海逆式回声测量系统，其特征在于，所述核心电路板上设有主控模块、与主控模块相连的值班模块、压力传感器模块、电源模块和回声测量模块，所述主控模块上设有与其它模块相连的控制接口、传感器接口、数据接口和RS-232接口，以及用于数据存储的CF储存卡。

3.根据权利要求1所述的一种深海逆式回声测量系统，其特征在于，所述水声换能器包括信号产生电路、振荡器、声波发射器、声波接收器、转换器和智能处理器。

4.根据权利要求1所述的一种深海逆式回声测量系统，其特征在于，所述水声换能器的中心频率12kHz，工作水深500米-5600米，具有圆锥状波束，开角90°，频带宽度150Hz。

5.根据权利要求1所述的一种深海逆式回声测量系统，其特征在于，所述水声换能器为圆柱状纵振换能器，最大声源级195dB，外壳采用硫化橡胶套，且硫化橡胶套外侧设有保护笼架。