本实用新型属于海洋监测技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测海底底质声学特性的测量装置。
背景技术：
海底观测是人类研究探索海洋、开发和利用海底资源的重要前提之一。海底观测的主要任务包括探测未知世界、寻找海底资源、监控人类活动对海洋带来的影响等。对海底的物理、化学和生物量的观测，是海洋科学研究的基础。
海底沉积物是地质历史的良好记录，对认识海洋的形成和演变具有重要意义。研究海洋沉积物可以为海底电缆和输油管道的铺设、石油钻井平台的设计和施工等海洋开发前期工程提供重要的科学依据，同时也可为石油等海底沉积矿产的生成和储集条件提供重要资料。
检测海底表层沉积物的声学参数是研究海洋声场环境、判别海底地质类型的基础数据，其声学特性是分析海底声波传播损失、构建地声模型不可缺少的研究内容，为海底底质声学分类、海底声学环境评价、声学调查等提供基础资料和关键技术。
目前用于检测海底声学参数的测量装置往往结构复杂，且无法进行实时的在线连续观测，通过测量装置采集到的海底声学数据和参数只能在测量装置打捞上岸后，才能进行下载和分析，因此，实时性差，且操作过程繁琐。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种海底底质声学现场测量装置，可以对海底声学参数实现原位检测，提高了海底声学数据采集的实时性。
为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种海底底质声学现场测量装置，包括水下检测装置和与其通信的水上控制装置；所述水下检测装置包括用于测量水下检测装置距离海底高度的高度计、用于拍摄海底影像并上传至所述水上控制装置的视频及照明装置、用于采集海底的声学参数并上传至所述水上控制装置的声学采集单元以及探杆、液压驱动装置和控制器；在所述探杆上安装有声学换能器，用于插入到海底中并检测海底沉积物的声学参数；所述液压驱动装置连接所述探杆，用于驱动所述探杆插入或离开海底；所述控制器用于控制所述液压驱动装置运行，并将所述高度计采集到的高度信号上传至所述水上控制装置。
作为所述液压驱动装置的一种优选组建方案，在所述液压驱动装置中设置有直流电机、液压泵、油缸、下插电磁阀和上提电磁阀；所述控制器控制直流电机运行，通过直流电机驱动液压泵向油缸供油；所述液压泵通过两条油路选择性地与所述油缸连通，在一条油路上安装有下插电磁阀，在另外一条油路上安装有上提电磁阀，所述探杆连接所述油缸的活塞；所述控制器通过控制所述下插电磁阀打开或所述上提电磁阀打开，从而控制其中一条油路与所述油缸连通，继而控制所述活塞的运行方向，驱动所述探杆插入或离开海底。
为了对所述探杆插入海底的深度以及回收位置进行准确限位，本实用新型在所述油缸中还安装有位移传感器，用于检测所述活塞的运行位置，并生成检测信号发送至所述控制器。所述控制器根据位移传感器反馈的检测信号判断探杆的升降位置，通过控制所述下插电磁阀或上提电磁阀关断，以对探杆的升降位置实现准确限位。
优选的，本实用新型在安装有所述下插电磁阀的油路上还设置有压力传感器，采集油路压力并反馈至所述控制器，用于对海底地质的硬度以及液压驱动装置是否发生故障实现有效检测。
作为对所述下插电磁阀和上提电磁阀通断状态的一种优选控制方式，本实用新型优选在所述下插电磁阀和上提电磁阀的供电回路中分别连接一路固态继电器，所述控制器通过控制所述固态继电器通断，进而控制所述下插电磁阀和上提电磁阀打开或关闭。
进一步的，在所述水下检测装置中还设置有一个倾角传感器，检测所述水下检测装置的倾斜角度并反馈至所述控制器。
为了使所述水下检测装置具有自供电的能力，本实用新型在所述水下检测装置中还设置有电池组、电源转换板和电压传感器；所述电源转换板接收所述电池组输出的供电电源，并转换成水下检测装置中各用电负载所需的工作电源，为所述各用电负载供电；所述电压传感器检测所述电源转换板输出的工作电压，并反馈至所述控制器。
为了使本实用新型的海底底质声学现场测量装置在具备现场原位在线检测能力的同时，兼具有传统的自容式自动检测工作模式（即，水下检测装置自动完成海底底质声学参数的采集和保存工作，待打捞上岸后，供科研人员下载、分析的工作模式），本实用新型在所述水下检测装置中还设置有触底入水传感器，其在入水并接触到海底时生成触底信号发送至所述控制器，以通知控制器可以开始执行海底声学参数的采集工作了。
进一步的，所述控制器通过接口板接收各类传感器反馈的采集信号，并将接收到的采集信号转换成上传数据，以光通信的方式上传至所述的水上控制装置。
再进一步的，在所述水下检测装置中还设置有光纤收发器和转接盒，所述控制器将上传数据发送至光纤收发器，经由光纤收发器转换成光信号后，通过光纤传输至转接盒，所述转接盒将所述光信号通过光缆上传至所述的水上控制装置。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型解决了传统深远海海底声学探测装置和仪器无法进行实时在线连续观测的缺陷，为海底底质声学特性现场测量研究提供了可视化及多参数、高实时性的数据与信息，为海洋科研人员长期获取海底实时声学数据与参数提供了重要的技术支撑平台。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的海底底质声学现场测量装置的一种实施例的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
本实施例的用于检测海底底质声学特性的测量装置，为了对海底现场的声学环境实现实时地在线连续观测，将测量装置分成水下检测装置100和水上控制装置200两部分，如图1所示。其中，水下检测装置100用于投放到待测海域，对待测海域的海底底质声学参数进行原位检测，并可以将其采集到的数据实时地上传至水上控制装置200，通过水上控制装置200显示给海洋科研人员，从而使海洋科研人员能够实时地观测到海底底质声学特性现场的变化情况，为研究海洋声场环境提供基础数据。
在本实施例的水下检测装置100中，主要设置有视频及照明装置13、高度计14、声学采集单元12、控制器1、液压驱动装置和探杆9等组成部分，如图1所示。其中，视频及照明装置13用于照亮和拍摄海底的现场环境，并生成海底影像数据及时地上传至水上控制装置200，以便于海洋科研人员实时地观测海底的真实环境。高度计14用于测量水下检测装置100距离海底的高度，并生成检测信号发送至所述控制器1，经由所述控制器1上传至水上控制装置200，以便于海洋科研人员能够准确地判断出水下检测装置100是否接近海底，继而在水下检测装置100快要触底时，及时地向所述控制器1发出控制指令，以启动液压驱动装置运行，将探杆9插入到海底中。本实施例在探杆9上安装有声学换能器，在探杆9插入到海底的过程中，通过声学换能器实时采集海底沉积物的声学参数，以用于海底地质类型的有效识别。同时，在水下检测装置100快要触底时，控制器1控制声学采集单元12启动运行，采集海底的声学参数，并上传至所述水上控制装置200，以用于海底地声模型的构建。当探杆9上的声学换能器完成对海底沉积物的声学参数的采集工作后，控制器1启动液压驱动装置再次运行，控制探杆9上提，离开海底，完成本次测量任务。
为了控制探杆9下插和上提，本实施例在所述液压驱动装置中设置有直流电机19、液压泵20、油缸21、下插电磁阀10和上提电磁阀11等主要组成部分。其中，直流电机19接收控制器1输出的启停指令，在控制器1的控制作用下启动运行，继而驱动液压泵20向油缸21供油。为了使油缸21中的活塞可以在油缸21内做往复运动，继而带动与所述活塞连接的探杆9下插或上提，本实施例在所述液压泵20与油缸21之间设置两条油路22、23，如图1所示，并在其中一条油路22上安装下插电磁阀10，而在另外一条油路23上安装上提电磁阀11，通过控制两个电磁阀10、11的开关状态，以改变两条油路22、23的通断状态。
具体来讲，当需要将探杆9插入到海底的沉积物中时，控制器1首先控制下插电磁阀10打开，上提电磁阀11保持关闭状态；然后，控制器1发出启动指令，控制直流电机19启动运行，进而驱动液压泵20通过油路22向油缸21供油，使活塞向图1所示的第一方向A运动，继而驱动探杆9向伸入海底的方向移动，使探杆9插入到海底的沉积物中。待探杆9插入到海底的指定深度后，控制器1控制直流电机19停机，保持探杆9的当前深度，继续执行测量任务。
相反地，当探杆9上的声学换能器完成测量任务后，控制器1控制下插电磁阀10关闭，上提电磁阀11打开，切断油路22，并连通油路23。尔后，控制器1启动直流电机19再次运行，驱动液压泵20通过油路23向油缸21供油，使活塞向图1所示的第二方向B（与第一方向A相反的方向）运动，继而驱动探杆9上提，远离海底，实现探杆9的回收。待探杆9归位后，控制器1控制直流电机19停机，并打开下插电磁阀10和上提电磁阀11，使油缸21中的活塞因其两侧压力相当而保持平衡状态。
在本实施例中，为了对下插电磁阀10和上提电磁阀11的开关状态进行有效控制，本实施例采用在下插电磁阀10和上提电磁阀11的供电回路中分别串联固态继电器7的方式，构建下插电磁阀10和上提电磁阀11的供电回路。控制器1通过控制两个固态继电器7导通或关断，继而改变下插电磁阀10和上提电磁阀11的开关状态，进而控制探杆9下插或上提。
为了对探杆9的下插位置和上提位置实现准确地定位，本实施例在油缸21中增设有位移传感器16，用于检测活塞的运动位置，并反馈至所述控制器1。控制器1根据活塞的运动位置，即可间接地获知探杆9的下插和上提位置，继而实现对探杆9下插深度和回收位置的准确定位。
在本实施例的液压驱动装置中，还可以进一步设置压力传感器17，优选设置在安装有下插电磁阀10的油路22中，通过检测油路22中的液压油的压力，即可计算出活塞向探杆9施加的压力。将压力传感器17检测到的压力信号反馈至控制器1，控制器1根据压力大小，一方面可以判断出液压驱动装置是否出现故障，即，当检测到的压力超过设定的上限值时，可以判定液压驱动装置发生故障。此时，控制器1可以控制直流电机19停止运行，以保护测量装置，避免故障进一步扩大。另一方面，控制器1可以将检测到的压力上传至水上控制装置200，水上控制装置200根据接收到的压力大小，可以间接地计算出海底沉积物的硬度，结合声学换能器反馈的声学参数，即可更加准确地识别出海底沉积物的类型。
当然，也可以在水下检测装置100中设置触底入水传感器15，通过触底入水传感器15感测水下检测装置100是否入水并接触到海底，进而生成触底信号发送至所述控制器1。控制器1在接收到触底入水传感器15发出的触底信号后，自动控制液压控制装置将探杆9下插至海底，并开启声学换能器检测海底沉积物的声学特性，同时开启声学采集单元12采集海底的声学参数。
为了提高测量结果的精度，本实施例在所述水下检测装置100中还设置有一倾角传感器6，如图1所示，用于检测水下检测装置100的倾斜角度，并传输至所述控制器1。
本实施例的控制器1作为整个水下检测装置100的控制核心，可以采用ARM核心板，配合接口板2实现对各类数据和信号的接收和传送。如图1所示。对于高度计14检测到的高度信号可以通过RS485总线传输至所述控制器1；对于倾角传感器6、触底入水传感器15、位移传感器16和压力传感器17采集到的检测信号，可以经由接口板2统一转换成RS232总线数据后，再传送至所述控制器1。对于声学采集单元12、视频及照明装置13、直流电机19、固态继电器7所需的控制指令，控制器1可以通过接口板2转换成是适配的信号类型后，再传送至各执行部件。
作为水下检测装置100与水上控制装置200之间的一种优选通信方式，本实施例采用光缆300连接在所述水下检测装置100与水上控制装置200之间，利用光通信方式实现二者之间的数据交互。为此，本实施例在水下检测装置100中设置有光纤收发器4和转接盒8，如图1所示。控制器1将其接收到的需要上传的数据经由以太网接口发送至光纤收发器4，利用光纤收发器4将电信号转换成光信号后，通过光纤24传输至转接盒8，经由转接盒8转接到光缆300，进而通过光缆300上传至水上控制装置200，提供给甲板上的科研人员观测，或者进一步发送至远程的监控中心，实现现场海底底质声学特性的在线远程监测。对于声学采集单元12采集到的声学参数，可以不经过控制器1，而直接发送至光纤收发器4转换成光信号后，上传至水上控制装置200。对于视频及照明装置13拍摄的海底影像数据，也可以通过接口板2直接发送至光纤收发器4，转换成光信号后，及时上传至水上控制装置200，以提高数据传输的实时性。
同时，对于甲板上的科研人员或者远程监控中心发出的控制指令，可以通过水上控制装置200以光信号的方式，经由光缆300下发至水下检测装置100。通过光缆300下传的光信号首先经由转接盒8转接至光纤24，进而通过光纤24传输至光纤收发器4，以将光信号转换成电信号后，发送至控制器1，通过控制器1协调各执行部件动作，以响应科研人员或者远程监控中心的控制指令，完成相应的测量任务。
对于水下检测装置100中各用电负载所需的工作电源，既可以通过水上控制装置200提供，也可以采用在水下检测装置100中内置电池组18（例如，锂电池组等）的方式自主转换生成。本实施例以采用后一种方式为例进行说明。如图1所示，本实施例在水下检测装置100中设置锂电池组18、电源转换板3和电压传感器5。电源转换板3通过电缆25连接锂电池组18，接收锂电池组18提供的直流供电，并转换成水下检测装置100中各用电负载所需的工作电源，例如3.3V、5V等低压直流电源，为各用电负载供电。在电源转换板3输出的每一路电源传输线路中分别设置电压传感器5（本实施例以设置两路电压传感器5为例进行说明），检测电源传输线路中的电源电压，并将检测结果通过接口板2发送至控制器1，以便在控制器1检测到供给用电负载的电源电压超过安全阈值时，能够及时地控制各负载停止运行，避免测量装置因过压而损毁。
本实施例的控制器1、接口板2、电源转换板3、光纤收发器4、电压传感器5、倾角传感器6、固态继电器7和转接盒8可以单独布设在一个密封的控制舱26内，控制舱26上安装水密接头，外接所述的光缆300，以避免水下检测装置100入水后，海水进入控制舱26造成电子部件的短路损坏。对于视频及照明装置13、锂电池组18和液压驱动装置可以布设在另外一个或多个密封舱内，以确保各部件能够更好地适应深海海底的工作环境。
工业实用性
下面结合图1，对本实施例的海底底质声学现场测量装置的具体工作原理进行详细阐述。
本实施例的海底底质声学现场测量装置具有可视化实时在线控制和自容式自动控制两种工作模式。
当测量装置工作在可视化实时在线控制模式时，在水下检测装置100投入到待测海域后，首先开启视频及照明装置13照亮海底并拍摄海底影像，视频数据及图像通过光纤收发器4转换成光信号后，上传至水上控制装置200。同时开启高度计14测量水下检测装置100距离海底的高度。科研人员通过水上控制装置200监控水下检测装置100入水后的情况，根据视频观测和高度计14测量的离底高度，在监测到水下检测装置100快要触底时，通过水上控制装置200发送下杆指令给控制器1。控制器1在接收到下杆指令后，生成相应的控制信号通过接口板2发送至固态继电器7和直流电机19，通过控制连接在下插电磁阀10的供电回路中的固态继电器7导通，以控制下插电磁阀10打开，通过控制直流电机19启动运行，以驱动液压泵20通过油路22向油缸21供油，继而驱动探杆9伸出，插入到海底沉积物中。控制器1根据位移传感器16反馈的检测信号判断探杆9的下插深度，当探杆9下插到指定深度时，控制器1控制直流电机19停止运行，以保持探杆9的当前下插深度。在探杆9下插海底的过程中，控制器1开启探杆9上的声学换能器，采集海底沉积物的声学参数，并实时地上传至水上控制装置200。在探杆9下插到指定深度后，控制器1开启声学采集单元12，采集海底的声学参数，并实时地上传至水上控制装置200。经过延时等待后，控制器1通过接口板2发送指令控制声学换能器和声学采集单元12关闭，结束声学参数的采集工作。尔后，控制器1控制下插电磁阀10关闭，并控制连接在上提电磁阀11的供电回路中的固态继电器7导通，以控制上提电磁阀11打开，并再次启动直流电机19运行，驱动液压泵20通过油路23向油缸21供油，继而上提探杆9，使探杆9离开海底。在探杆9上提的过程中，根据位移传感器16反馈的检测信号判断探杆9的上提位置，待探杆9回收归位后，控制器1控制直流电机19停止运行。在整个工作过程中，接口板2通过其上设置的模数转换电路接收位移传感器16、压力传感器17、倾角传感器6以及两路电压传感器5输出的检测信号，并转换成数字信号，经由RS232串口发送至所述的控制器1。所述控制器1将接收到的检测数据通过以太网接口发送至光纤收发器4，转换成光信号后，经由转接盒18和光缆300上传至水上控制装置200，以提供给甲板上的科研人员，实时监控探杆9的位移、油缸21驱动探杆9的压力、水下检测装置100在海底洋流中的倾斜角度以及锂电池组18输出的电压是否正常等，以实现科研人员对水下检测装置100在海底工作状况的实时监控。
当测量装置工作在自容式自动控制模式时，控制器1根据触底入水传感器15反馈的触底信号判断水下检测装置100是否接触海底。当触底和入水两种状态都满足时，说明水下检测装置100真正接触海底，此时，控制器1控制直流电机19运行，驱动液压泵20通过油路22向油缸21供油，控制探杆9下插进入海底沉积物，并开启探杆9上的声学换能器采集海底沉积物的声学参数。待探杆9下插到指定的下插深度时，控制器1控制直流电机19停止运行，并启动声学采集单元12对海底声学数据进行采集。经过延时等待后，控制器1控制声学换能器停止运行，并通过接口板2以RS232串行通信的方式发送指令给声学采集单元12，以控制声学采集单元12结束工作。接着，控制器1通过接口板2再次启动直流电机19，驱动液压泵20通过油路23向油缸21供油，继而控制探杆9上提，离开海底沉积物。待探杆9归位后，关闭直流电机19。在整个工作过程中，位移传感器16、压力传感器17、倾角传感器6以及两路电压传感器5输出的检测信号，通过接口板2上的模数转换电路进行模拟量到数字量的转换后，通过RS232串口发送至控制器1，再通过控制器1写入与其连接的FLASH存储器进行保存。而声学换能器和声学采集单元12采集到的声学数据也存储到所述FLASH存储器中。当水下检测装置100回收到甲板后，再通过水上控制装置200发出数据下载指令，将FLASH存储器中保存的数据从水下检测装置100下载到水上控制装置200，供科研人员调阅。
本实施例的海底底质声学现场测量装置可以广泛应用于大规模的海洋沉积物声学调查研究工作中，为沉积物的声学特性研究提供精确的声速和声衰减系数等基础参数。同时，还可以推广应用到湖泊、江河、水库等其它水下底质声学特性现场测量领域中。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。