海底沉積聲學參數原位測量裝置的製作方法

2023-05-29 03:05:21

專利名稱：海底沉積聲學參數原位測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於海洋物理聲學參數測量設備，具體地是涉及一種用於在海底原位狀態 下測量沉積物聲學參數的設備一海底沉積聲學參數原位測量裝置。
背景技術：
海底沉積物聲學參數因其在海洋工程勘察、海底資源勘探開發以及海底環境監測 等領域的重要應用價值而日益受到關注，如何準確獲取這些參數是目前迫切需要解決的技 術難題。原位測量技術提供了一種思路，即將測量設備送到海底，並使其在儘可能小的擾動 沉積物原始狀態的條件下測量這些參數。目前的海底沉積物聲學原位測量技術，根據測量 對象和實現方式的不同分為兩類，第一類以ISSAMS和SAPPA為代表的橫向測量技術，通過 動力裝置將一個安裝發射換能器的探杆和幾個安裝接收換能器的探杆相互平行地插入沉 積物，用來測量海底以下某一層位沉積物的聲學參數；第二類則是以聲學長矛及其派生的 多頻海底聲學原位測試系統為代表的垂向測量技術，能夠測量海底以下一定深度範圍內的 沉積物的平均速度。聲學長矛和多頻海底聲學原位測試系統都是採用以下技術方案即將 一個或幾個發射換能器和一系列接收換能器(水聽器)分別綁定在鋼矛或重力取樣管的尾 端和前端，在重力作用下插入海底沉積物後，通過甲板系統控制發射換能器發射一定能量 的波形，並利用水聽器對通過沉積物傳播過來的這一波形進行採集，進而對這些波形進行 處理、分析，最終推算出聲傳播介質即沉積物的聲學參數。現有以聲學長矛及其派生的多頻海底聲學原位測試系統為代表的垂向測量技術 主要存在以下問題1)探測深度受到限制探測深度根本上取決於接收換能器能夠在距聲源多大距 離外感應到可識別的有效聲信號，這除了與發射換能器的發射電壓響應、接收換能器的靈 敏度有關外，還與換能器的指向性密切相關。指向性越好，聲信號傳播距離越遠，探測深度 越大。現有技術在換能器選擇以及排列布局上未充分考慮指向性問題，限制了探測深度；2)換能器未全部插入時測量不準確如果海底沉積物較硬或粘度較大，可能造成 僅部分接收換能器插入沉積物，其餘的則出露在水中，發射出的聲波通過水和沉積物兩種 介質傳播，在實際插入深度無法確定的情況下，計算出的聲學參數並非沉積物實際的參數。

發明內容
本發明目的是提供一種海底沉積聲學參數原位測量裝置，以彌補現有技術的不 足。—種海底沉積聲學參數原位測量裝置，該裝置包括一個下方為重力取樣管的重力 取樣器、發射換能器、接收換能器和設置在重力取樣器的重力取樣管上方的內含控制程序 的中央控制裝置，其特徵在於有至少四個發射換能器和至少四個接收換能器經由支撐架固 定於重力取樣管上，其中有兩個發射換能器對稱地設置在重力取樣管上部的外側面上；另 外兩個發射換能器對稱地設置在重力取樣管下部的外側面上；所述的接收換能器均設置於兩組發射換能器之間的重力取樣管上；並且發射換能器和接收換能器的軸線均與重力取樣 管的軸線平行。考慮到發射換能器或接收換能器能均勻地發射或接收信號，上述發射換能器和接 收換能器的軸線環繞於重力取樣管，且相鄰兩條軸線的間距相等。考慮到安裝與使用方便，上述接收換能器環繞於重力取樣管呈螺旋分布。考慮到減小發射換能器與接收換能器下插的阻力，上述發射換能器與接收換能器 是底部為倒圓錐狀的圓柱形結構體，且圓柱形結構體的外側面上設有用於固定支撐架的環 狀凹槽。考慮到便於固定發射換能器與接收換能器，上述的支撐架是一側設有兩條支撐臂 的管狀結構體。考慮到將兩個發射換能器或接收換能器設置於同一水平高度的需要，上述的支撐 架是外側面對稱地設有兩對支撐臂的管狀結構體。考慮到海底狀況的不同，上述重力取樣器的重力取樣管可以用鋼矛代替。上述的發射換能器和接收換能器均為圓片形縱向振動換能器。上述中央控制裝置內的控制程序，含有常規的系統初始化程序以及入泥靜止判定 程序，還包括聲波分時發射程序與聲波多路接收程序。所述的聲波分時發射程序，是入泥靜止後，中央控制裝置中的聲波發射控制模塊 按照預設的時間順序、發射波形、發射電壓和發射頻率產生聲波信號，使各個發射換能器依 次發射聲波信號。所述的聲波多路接收程序，是聲波發射控制模塊在上述聲波分時發射的同時，同 步發出一個外觸發同步信號給中央控制裝置的聲波採集控制模塊，收到該信號的聲波採集 控制模塊採集來自各個接收換能器的信號，並存儲起來。本發明結構簡單、探測效果明顯、尤其是增加了探測深度和提高了重力取樣裝置 對不同底質條件的適應性，大大節省了探測成本和時間。本發明通過換能器結構設計和布 局設局實現了定向發射和定向接收，最大程度上發揮了換能器自身的工作效能，顯著提高 了換能器的傳播距離，增加探測的深度；通過前後兩端均安裝發射換能器的布局和分時發 射/多道同步接收的工作方式，實現了在探針未完全插入沉積物時也能得到較準確的測量 參數，對淺水底質較硬時尤為重要。


圖1為本發明總體結構的平面示意圖。圖2為本發明的仰視圖。圖3為本發明總體結構的立體示意圖。圖4為本發明的發射或接收換能器的結構示意圖。圖5為本發明的支撐架結構示意圖。圖6為本發明的另一種支撐架結構示意圖。圖7為本發明的中央控制裝置內的控制程序流程圖。其中，1、重力取樣管，2、發射換能器，3、接收換能器，4、支撐架，5、凹槽，6、中央控 制裝置，7、重力取樣器，8、支撐臂。
具體實施例方式如圖1、2所示，本發明包括一個下方為重力取樣管1的重力取樣器7、發射換能器 2、接收換能器3和設置在重力取樣器7的重力取樣管1上方的內含控制程序的中央控制裝 置6，其特徵在於有至少四個發射換能器2和至少四個接收換能器3經由支撐架4固定於重 力取樣管1上，其中有兩個發射換能器2對稱地設置在重力取樣管1上部的外側面上；另外 兩個發射換能器2對稱地設置在重力取樣管1下部的外側面上；所述的接收換能器3均設 置於兩組發射換能器2之間的重力取樣管1上，且相鄰的兩個接收換能器3的垂直距離相 等，即相鄰的兩個接收換能器3的支撐架4距離相等；並且發射換能器2和接收換能器3的 軸線均與重力取樣管1的軸線平行，以確保發射換能器2、接收換能器3與重力取樣管1在 進行原位測量時能一致保持垂直。如圖2所示，考慮到發射換能器2或接收換能器能3均勻地發射或接收信號，上述 發射換能器2和接收換能器3的軸線環繞於重力取樣管1，且相鄰兩條軸線的間距相等。因 採用同樣的支撐架4，上述固定發射換能器2或接收換能器能3的軸線至重力取樣管1軸線 的距離相等；只要發射/接收換能器2、3相鄰兩條軸線與重力取樣管1軸線的夾角相等，就 能夠使相鄰兩條軸線間距相等，如在附圖2中，共有十個發射/接收換能器2、3，該夾角就是 36度。考慮到安裝與使用方便，上述接收換能器3還可以環繞於重力取樣管1呈螺旋分布。如圖3所示，考慮到減小發射換能器2與接收換能器3下插的阻力，上述發射換能 器2與接收換能器3是底部為倒圓錐狀的圓柱形結構體，且圓柱形結構體的外側面上設有 兩道用於固定支撐架4的環狀凹槽5。如圖4所示，考慮到便於固定發射換能器2與接收換能器3，上述的支撐架4是一 側設有兩條支撐臂8的管狀結構體。管狀結構的支撐架4可以方便地套置在重力取樣管1 外，並通過兩條支撐臂8固定發射換能器2或接收換能器3。如圖5所示，考慮到將兩個發射換能器2或接收換能器3設置於同一水平高度的 需要，上述的支撐架4是外側面對稱地設有兩對支撐臂8的管狀結構體；外側面也設置三對 或以上的支撐臂8，並使相鄰兩對支撐臂8的夾角相等。這種結構尤其適合設置固定位於重 力取樣管1上部或下部的發射換能器2。考慮到海底狀況的不同，上述的重力取樣管1是以鋼矛代替。上述發射換能器2和接收換能器3均可採用現有的圓片形縱向振動換能器。進行水下測量時，前端的發射換能器2定向向後發射聲波，後端的發射換能器2則 定向向前發射聲波。位於上下兩組發射換能器2之間的六隻接收換能器3分別接收來自上、 下兩組發射換能器2發出的聲波信號。上述中央控制裝置6內的控制程序，包括常規的系統初始化程序以及入泥靜止判 定程序，還包括聲波分時發射程序與聲波多路接收程序，以實現與上述換能器布局對應的 工作流程，整個控制程序如下(1)系統初始化在甲板上將上位機與中央控制裝置6相連，並通過上位機輸入各 種聲波發射和採集參數，包括發射波形、發射電壓、發射頻率在內的發射參數以及包括前置放大控制、自動增益控制、採樣率、採樣長度、信號幅度在內的接收參數；(2)入泥靜止判定在系統下水過程中，中央控制裝置6通過的三軸加速度傳感器 持續採集系統的加速度信號，利用預設程序判斷是否已插入沉積物；(3)聲波分時發射入泥靜止後，中央控制裝置6的聲波發射控制模塊按事先設定 好的發射波形、發射電壓和發射寬度(頻率)產生聲波信號，然後使各個發射換能器依次發 射聲波信號，即該發射過程為分時發射，如按照預設的時間順序，可通過與發射換能器2相 連的繼電器切換依次發射聲波信號；(4)聲波多路接收在聲波發射控制模塊發射聲波信號的同時，同步發出一個外 觸發同步信號給聲波採集控制模塊，收到該信號的聲波採集控制模塊同步檢測、採集來自 各個接收換能器3的信號，並存儲起來；(5)上提判定首先判斷是否達到預設的工作時間，或者判斷是否有上提指令，如 果不是，則繼續進行步驟(4)，如果是，則提起鋼纜，系統從沉積物中拔出，結束聲波發射和 採集；(6)數據輸出回收到甲板後，再次將上位機與中央控制裝置6相連，導出採集的 數據，結束整個工作過程。其中，上述步驟1 2、5 6均是海底沉積聲學參數原位測量的常規步驟，並可採 用現有的程序來實現。
權利要求
一種海底沉積聲學參數原位測量裝置，該裝置包括一個下方為重力取樣管(1)的重力取樣器(7)、發射換能器(2)、接收換能器(3)和設置在重力取樣器(7)的重力取樣管(1)上方的內含控制程序的中央控制裝置(6)，其特徵在於有至少四個發射換能器(2)和至少四個接收換能器(3)經由支撐架(4)固定於重力取樣管(1)上，其中有兩個發射換能器(2)對稱地設置在重力取樣管(1)上部的外側面上；另外兩個發射換能器(2)對稱地設置在重力取樣管(1)下部的外側面上；所述的接收換能器(3)均設置於兩組發射換能器(2)之間的重力取樣管(1)上；並且發射換能器(2)和接收換能器(3)的軸線均與重力取樣管(1)的軸線平行。
2.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述發射換能器(2)和接收換能器(3) 的軸線環繞於取樣管(1)，且相鄰兩條軸線的間距相等。
3.如權利要求1或2所述的測量裝置，其特徵在於上述接收換能器(3)環繞於重力取 樣管(1)呈螺旋分布。
4.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述發射換能器(2)與接收換能器(3) 是底部為倒圓錐狀的圓柱形結構體，且圓柱形結構體的外側面上設有用於固定支撐架(4) 的環狀凹槽(5)。
5.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述的支撐架(4)是一側設有兩條支撐 臂(8)的管狀結構體。
6.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述的支撐架(4)是外側面對稱地設有 兩對支撐臂(8)的管狀結構體。
7.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述的重力取樣管(1)是以鋼矛代替。
8.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述的發射換能器(2)和接收換能器 (3)均為圓片形縱向振動換能器。
9.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於上述的中央控制裝置(6)內的控制程序 包括聲波分時發射程序與聲波多路接收程序，其中所述的聲波分時發射程序，是入泥靜止 後，中央控制裝置(6)中的聲波發射控制模塊按照預設的時間順序、發射波形、發射電壓和 發射頻率產生聲波信號，使各個發射換能器(2)依次發射聲波信號；所述的聲波多路接收 程序，是聲波發射控制模塊在上述聲波分時發射的同時，同步發出一個外觸發同步信號給 中央控制裝置(6)的聲波採集控制模塊，收到該信號的聲波採集控制模塊採集來自各個接 收換能器(3)的信號，並存儲起來。
全文摘要
本發明涉及一種海底沉積聲學參數原位測量裝置，包括一個下方為重力取樣管的重力取樣器、發射換能器、接收換能器和設置在重力取樣器的重力取樣管上方的內含控制程序的中央控制裝置，有至少四個發射換能器和至少四個接收換能器經由支撐架固定於重力取樣管上，其中有兩個發射換能器對稱地設置在重力取樣管上部的外側面上；另外兩個發射換能器對稱地設置在重力取樣管下部的外側面上；接收換能器均設置於兩組發射換能器之間的重力取樣管上；並且發射換能器和接收換能器的軸線均與重力取樣管的軸線平行。本發明結構簡單、探測效果明顯、增加了探測深度和提高了對不同底質條件的適應性，顯著提高了換能器的傳播距離，大大節省了探測成本和時間。
文檔編號G01N29/02GK101975820SQ201010293649
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者劉保華, 劉敬喜, 盧傑, 張德玉, 李官保, 梁軍汀, 鄭進鴻, 闞光明 申請人:國家海洋局第一海洋研究所