CN210666044U - 一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，该装置包括接收换能组件：至少一组发射换能组件，每组所述发射换能组件均包括由若干参量发射换能器呈一定间隔有序排列形成的参量发射换能器阵列以及由若干Chirp发射换能器呈一定间隔有序排列形成的Chirp发射换能器阵列。该测量装置结构简单合理，安装使用方便。将参量阵列技术和Chirp技术相结合，利用参量阵列浅地层剖面仪在高脉冲发射速率、大波束角、高主频参数特点，提高水平分辨率和垂直分辨率；利用Chirp型浅地层剖面仪低频特点，提高地层的探测深度。同时具有勘测深度较深、分辨率高、作业效率高、自动生成三维可视化海洋地层剖面图、应用范围广等优点。

Description

一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及水下地层检测技术领域，特别是涉及一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置。

背景技术

随着水底工程的不断发展，对于水底地层的测量，要求就越来越迫切。准确地测量水底地层,可以大大减少工程钻的数量,加速工程的进展。现有技术中，基于声学原理的浅地层剖面测量技术在海洋地质勘查中应用广泛。浅地层剖面仪向地层发射声波脉冲，声波脉冲到达海底后一部分声波经过海底表面反射、折射，另外一部分透射进地层深处，回波陆续返回被换能器接收，通过数据的处理反映海底浅地层构造。

浅地层剖面仪的分辨率通常是指其垂直分辨率，其与反射信号脉冲宽度有关，通常可以表示为：

垂直分辨率＝1/2×CT⑴

式中：C为声速；T为脉冲宽度。

如公式⑴所示，浅地层剖面仪的最小垂直分辨率为1/2×CT，即小于1/2×CT的相邻目标就无法分辨。由于信号脉冲的前沿触及上一界面后的反射回波与脉冲后延触及下一界面后的反射回波的最小间隔为1/2×CT，如果上一界面和下一界面的间距小于1/2×CT，从理论上来说，浅地层剖面仪就无法分辨率两个界面。

由公式⑴可知，垂直分辨率与发射脉宽有关，即信号脉宽越窄，才能得到越高的分辨率。但是发射功率和脉宽也有相关性，需要较大的发射功率才能发射较宽脉冲信号，发射功率越低，发射信号脉宽越窄。而发射功率又和穿透能力有关，发射功率越大，浅地层剖面仪穿透能力就越强；反之发射功率越小，穿透能力也就越弱。由以上分析可知，现有技术中的浅地层剖面仪的分辨率和穿透能力是相互矛盾的。

综上，如何提供一种既具有高分辨率又可以提高底层的探测深度的设备，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置。

本实用新型提供了如下方案：

一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，包括：

接收换能组件：

至少一组发射换能组件，每组所述发射换能组件均包括由若干参量发射换能器呈一定间隔有序排列形成的参量发射换能器阵列以及由若干Chirp发射换能器呈一定间隔有序排列形成的Chirp发射换能器阵列。

优选地：还包括呈十字交叉结构的框架，所述发射换能组件为两组且一一对应的与所述框架包含的两杆体相连。

优选地：两组所述发射换能组件各自包含的所述参量发射换能器阵列以及所述Chirp发射换能器阵列交叉且垂直布置。

优选地：所述接收换能组件位于所述框架中部且与所述框架相连。

优选地：还包括支撑架，所述支撑架的一端用于实现与水底底面相连，所述支撑架的另一端与所述框架可旋转相连。

优选地：所述支撑架的另一端通过旋转驱动组件与所述框架相连，所述旋转驱动组件用于根据预设的旋转参数驱动所述框架规律性旋转。

优选地：所述旋转驱动组件包括伺服电机。

优选地：所述包括供电组件以及数据记录组件，所述供电组件用于为各用电设备供电，所述接收换能组件用于经反射返回的声波脉冲转换为模拟或数字信号，所述数据记录组件用于将转换后的模拟或数字信号进行记载。

优选地：所述供电组件包括电源线，所述电源线用于实现与水面供电设备相连。

优选地：所述接收换能组件连接有数据传输线，所述数据传输线用于实现与数据分析建模设备相连；所述数据分析建模设备用于实时接收所述接收换能组件发送的模拟或数字信号并通过3D建模应用进行建模生成三维可视化地层剖面图。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

通过本实用新型，可以实现一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，在一种实现方式下，该装置可以包括接收换能组件：至少一组发射换能组件，每组所述发射换能组件均包括由若干参量发射换能器呈一定间隔有序排列形成的参量发射换能器阵列以及由若干Chirp发射换能器呈一定间隔有序排列形成的Chirp发射换能器阵列。本申请提供的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，结构简单合理，安装使用方便。将参量阵列技术和Chirp技术相结合，利用参量阵列浅地层剖面仪在高脉冲发射速率、大波束角、高主频参数特点，提高水平分辨率和垂直分辨率；利用Chirp型浅地层剖面仪低频特点，提高地层的探测深度。同时具有勘测深度较深、分辨率高、作业效率高、自动生成三维可视化海洋地层剖面图、应用范围广等优点。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置的俯视图；

图2是本实用新型实施例提供的一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置的主视图。

图中：接收换能组件1、参量发射换能器2、Chirp发射换能器3、框架4、支撑架5、旋转驱动组件6。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参见图1、图2，为本实用新型实施例提供的一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，如图1、图2所示，该装置包括接收换能组件1：该接收换能组件1可以为市售的接收换能器，接收换能器又称“水听器”，是指将水中声信号转换成电信号的换能器，它一般应具有较高的灵敏度,大多数都工作在共振频率以下一个相当宽的频带内,因此在其工作频段内要求有平坦的灵敏度频率响应。

至少一组发射换能组件，每组所述发射换能组件均包括由若干参量发射换能器2呈一定间隔有序排列形成的参量发射换能器阵列以及由若干Chirp发射换能器3呈一定间隔有序排列形成的Chirp发射换能器阵列。

进一步的，为了提高该装置的准确性，还包括呈十字交叉结构的框架4，所述发射换能组件为两组且一一对应的与所述框架包含的两杆体相连。两组所述发射换能组件各自包含的所述参量发射换能器阵列以及所述Chirp发射换能器阵列交叉且垂直布置。所述接收换能组件1位于所述框架4中部且与所述框架4相连。每组发射换能组件包含的所述参量发射换能器阵列以及所述Chirp发射换能器阵列彼此分离且平行布置。

为了方便该装置放置于水底使用，还包括支撑架5，所述支撑架5的一端用于实现与水底底面相连，所述支撑架5的另一端与所述框架4可旋转相连。所述支撑架5的另一端通过旋转驱动组件6与所述框架4相连，所述旋转驱动组件6用于根据预设的旋转参数驱动所述框架规律性旋转。为了保证旋转的精度，所述旋转驱动组件包括伺服电机。

进一步的，所述包括供电组件以及数据记录组件，所述供电组件用于为各用电设备供电，所述接收换能组件用于经反射返回的声波脉冲转换为模拟或数字信号，所述数据记录组件用于将转换后的模拟或数字信号进行记载。该供电组件可以选用蓄电池，由于该装置在水下工作了，为了方便进行供电，所述供电组件包括电源线，所述电源线用于实现与水面供电设备相连。该水面供电设备可以放置于船上，在使用时将该装置放置于水下后，通过电源线由船上进行供电，这样既可以保证供电的稳定同时更加安全可靠。

为了方便讲获取到的数据信息及时的传输至水面，本申请实施例可以提供所述接收换能组件连接有数据传输线，所述数据传输线用于实现与数据分析建模设备相连；所述数据分析建模设备用于实时接收所述接收换能组件发送的模拟或数字信号并通过3D建模应用进行建模生成三维可视化地层剖面图。

本申请提供的装置各部件的工作原理为：

(1)参量阵浅地层剖面测量技术工作原理：

参量阵浅地层剖面仪在高电压驱动下同时向海底发射两个频率接近的高频声学脉冲信号(F1，F2，F1＞F2)作为主频，当两个声学脉冲信号在水体中传播时候，会发生差频率效应，产生一系列的二次频率，如F1，F2，(F1+F2)，(F1－F2)，2F1，2F2等等。其中F1高频用于探测水深，(F1+F2)可以用来记录水体中的信息，而由于F1，F2非常接近。因此(F1－F2)频率较低，一般在几千赫兹，主要用于穿透海底沉积物，探测海底沉积物构造，而且可以保持高频脉冲信号的波束角不变(高频波束角一般在几度，而传统浅剖发射波束角一般在几十度)，相比Chirp型浅地层剖面仪具有很高的分辨率，尤其是针对于深水作业，其水平分辨率要高于Chirp浅地层剖面仪。

(2)Chirp型浅地层剖面测量技术工作原理

Chirp型浅地层剖面仪采用Chirp脉冲信号技术。Chirp脉冲信号是指线性调频脉冲，其具有较宽的频带宽度和较窄的脉冲宽度。Chirp脉冲信号的理论表达式如公式⑵所示。

S(t)＝Asin2π(f1+(f2－f1)/2T)t，0≦t＜T ⑵

式中：A为振幅；f1为开始频率；f2为结束频率；T为延迟时间；t为记录时间。

由于Chirp脉冲信号的频带宽，且脉宽较窄，即在保证穿透能力的同时也能提高分辨率。可采用包络函数和信号卷积处理来提高某些主频主要频率成分，压制次要频率成分，可以降低噪音，提高信噪比。

本申请提供的方案将参量阵列技术和Chirp技术相结合，利用参量阵浅地层剖面仪在高脉冲发射速率、大波束角、高主频参数特点，提高水平分辨率和垂直分辨率；利用Chirp型浅地层剖面仪低频特点，提高地层的探测深度。获得高精度海洋地质数据，通过3D建模软件成三维可视化海洋地层剖面图。该装置应用范围广，可以应用于海洋地层划分、识别气层和裂缝、估算岩石力学参数、底质风险排查：海底沉船、障碍物等。还可以搭载ROV、AUV进行海缆路由勘测。

该装置使用时的流程为：

1、打开三个支撑架，将该装置下放至海底。

2、该装置由两组发射换能器阵列交叉垂直布置。每组发射换能器由参量阵列和Chirp阵列组成。两组阵列按照设定好程序，发射声波脉冲，中间换能器接受回波，完成固定位置探测。

3、按照逆时针(或顺时针)同时旋转两组框架至一定角度，固定位置，换能器开始工作，以此往复旋过90度，勘测到360度地层数据。数据经过3D建模软件进行地质建模，形成三维可视化地层剖面图。

4、测量完成回收该装置。

总之，本申请提供的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，结构简单合理，安装使用方便。将参量阵列技术和Chirp技术相结合，利用参量阵列浅地层剖面仪在高脉冲发射速率、大波束角、高主频参数特点，提高水平分辨率和垂直分辨率；利用Chirp型浅地层剖面仪低频特点，提高地层的探测深度。同时具有勘测深度较深、分辨率高、作业效率高、自动生成三维可视化海洋地层剖面图、应用范围广等优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，包括：

接收换能组件：

至少一组发射换能组件，每组所述发射换能组件均包括由若干参量发射换能器呈一定间隔有序排列形成的参量发射换能器阵列以及由若干Chirp发射换能器呈一定间隔有序排列形成的Chirp发射换能器阵列。

2.根据权利要求1所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，还包括呈十字交叉结构的框架，所述发射换能组件为两组且一一对应的与所述框架包含的两杆体相连。

3.根据权利要求2所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，两组所述发射换能组件各自包含的所述参量发射换能器阵列以及所述Chirp发射换能器阵列交叉且垂直布置。

4.根据权利要求2所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，所述接收换能组件位于所述框架中部且与所述框架相连。

5.根据权利要求2所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，还包括支撑架，所述支撑架的一端用于实现与水底底面相连，所述支撑架的另一端与所述框架可旋转相连。

6.根据权利要求5所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，所述支撑架的另一端通过旋转驱动组件与所述框架相连，所述旋转驱动组件用于根据预设的旋转参数驱动所述框架规律性旋转。

7.根据权利要求6所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，所述旋转驱动组件包括伺服电机。

8.根据权利要求1所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，所述包括供电组件以及数据记录组件，所述供电组件用于为各用电设备供电，所述接收换能组件用于经反射返回的声波脉冲转换为模拟或数字信号，所述数据记录组件用于将转换后的模拟或数字信号进行记载。

9.根据权利要求8所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，所述供电组件包括电源线，所述电源线用于实现与水面供电设备相连。

10.根据权利要求1所述的基于声学原理的海洋地质勘查参数测量装置，其特征在于，所述接收换能组件连接有数据传输线，所述数据传输线用于实现与数据分析建模设备相连；所述数据分析建模设备用于实时接收所述接收换能组件发送的模拟或数字信号并通过3D建模应用进行建模生成三维可视化地层剖面图。

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