一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统及方法与流程

本发明涉及海底测量设备技术领域，特别是涉及一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统及方法。

背景技术：

海底是水下声场的重要边界，海底底质声学特性对海水中声波传播规律和水下声场空间结构具有重要影响。海底底质声学特性测量与研究在海洋声场预报、水下目标探测、水下通讯和导航、海底地形测绘和海底资源勘探等军事、海洋科学及生产领域具有重要的应用价值。海底底质声学特性直接测量方法主要有沉积物样品的实验室测量和海底原位测量两种，海底沉积声学原位测量是将声学仪器放置海底，直接测量声波在沉积物中的传播特性，这种方法避免了样品取样和搬运对沉积物造成的扰动，并且周围环境未发生变化，因此测量结果相对于在实验室测量样品更加准确、可靠。

目前所使用海底底质声学特性原位测量系统，无论是采用横向测量方式还是采用纵向测量方式，均只能测量高频声波在沉积物中的传播特性，无法实现中低频声波在沉积物中的传播特性的测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现中低频声波在沉积物中的传播特性的测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统，包括承载框架，所述承载框架中设置有控制舱、液压舱、垂直探杆贯入机构和水平探杆支持机构，所述垂直探杆机构包括固设在所述承载框架上的竖直的导轨，所述导轨的顶端固设有贯入油缸，所述贯入油缸的油缸杆与滑块固连，所述滑块与所述导轨滑动配合，所述滑块上固设有活动夹紧油缸，所述导轨的底端固设有固定夹紧油缸，所述活动夹紧油缸和所述固定夹紧油缸分别将同一个垂直探杆夹紧，所述垂直探杆的底端固设有两个上下间隔设置的接收换能器，所述贯入油缸能够驱动所述垂直探杆进行升降；所述水平探杆支持机构包括固设在所述承载框架上的驱动装置，所述驱动装置的输出轴与水平探杆的一端垂直且固连，所述驱动装置能够驱动所述水平探杆以所述输出轴为中心轴转动，所述水平探杆的另一端设置有发射换能器，所述发射换能器为中低频声波发射换能器，所述接收换能器能够接收中低频声波；所述控制舱中设置有控制电路，所述液压舱内设置有与所述控制电路电连接的贯入油缸压力传感器，所述控制电路通过电缆与显控系统电连接。

优选地，所述水平探杆上还设置有升降油缸，所述升降油缸的油缸杆与所述水平探杆垂直，所述发射换能器与所述升降油缸的油缸杆固连，所述升降油缸能够驱动所述发射换能器进行升降。

优选地，所述水平探杆支持机构还包括水平位置限位支架和垂直位置限位板，所述驱动装置为液压马达，所述水平位置限位支架固设在所述承载框架上，所述液压马达固设在所述水平位置限位支架上；所述承载支架的顶端对应所述水平探杆设置有容纳孔，所述容纳孔设置有缺口，所述水平探杆处于竖直状态时穿过所述容纳孔，所述垂直位置限位板通过螺栓可拆卸安装在所述缺口处。

优选地，所述液压舱密闭，所述液压舱内还设置有分别与所述控制电路电连接的贯入油缸压力传感器、液压马达压力传感器和升降油缸压力传感器；所述的控制舱密封，所述控制舱内还设置有与所述控制电路电连接的姿态传感器；所述滑块上设置有与所述控制电路电连接的位移传感器，所述液压马达的输出轴上设置有与所述控制电路电连接的角度传感器。

优选地，所述承载框架的底端设置有若干个底脚，所述承载框架的顶端设置有设置有起吊环，所述承载框架、所述起吊环及所述底脚构成承载平台。

优选地，所述发射换能器与所述控制电路中的声波发射电路电连接，所述接收换能器与所述控制电路中的声波接收电路电连接。

本发明还提供一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量方法，基于上述海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统，包括以下步骤：

(1)将控制舱中的控制电路与甲板控制台的实时显控单元电连接；

(2)通过实时显控单元将水平探杆回收至竖直状态，并打开垂直位置限位板，确保水平探杆在水下能够进行收放动作。

(3)通过吊装设备将原位测量系统布放入水，直至承载平台触底，即位于海底沉积物的上方后，不能再继续下沉为止；在布放过程中，水平探杆保持在竖直状态；

(4)通过贯入油缸驱动垂直探杆向下运动，直至所述垂直探杆底端的接收换能器位于所述海底沉积物中的预设深度为止；通过液压马达驱动水平探杆至水平状态；

(5)通过所述实时显控系统向封装在控制舱内的控制电路中的声波发射采集系统发送声波发射、采集的参数和指令，发射换能器发射中低频声波信号，所述接收换能器接收所述中低频声波信号，所述接收换能器将采集到的数据上传至所述实时显控系统；

(6)通过所述液压马达将所述水平探杆恢复到竖直状态，通过所述贯入油缸驱动所述垂直探杆上升，直至所述垂直探杆恢复原位为止；

(7)通过所述吊装设备将原位测量系统回收至母船。

优选地，在步骤(4)中当所述贯入油缸不能够一次性将所述垂直探杆驱动到预设深度时，通过所述贯入油缸驱动所述垂直探杆进行若干次下插动作，直至所述垂直探杆底端的接收换能器位于所述海底沉积物中的预设深度为止。

本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统实现了中低频声波在沉积物中的传播特性的原位测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统工作状态的结构示意图；

图2为本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统零位状态的结构示意图；

图3为本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统中垂直探杆贯入机构的结构示意图；

图4为本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统中换能器信号发射接收示意图；

图5为本发明海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统中控制单元的电路原理图；

其中：1、垂直探杆；2、垂直探杆贯入机构；2-1、贯入油缸；2-2、活动夹紧油缸；2-3、滑块；2-4、导轨；2-5、固定夹紧油缸；3、承载平台；3-1、承载框架；3-2、起吊环；3-3、底脚；4、水平探杆支持机构；4-1、垂直位置限位板；4-2、水平位置限位支架；4-3、液压马达；5、水平探杆；6、控制舱；7、液压舱；8、发射换能器；9、接收换能器；10、姿态传感器，11、贯入油缸压力传感器；12、液压马达压力传感器；13、升降油缸压力传感器；14、角度传感器；15、位移传感器；16、升降油缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现中低频声波在沉积物中的传播特性的测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图4所示：本实施例海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统包括承载框架3-1，承载框架3-1中设置有控制舱6、液压舱7、垂直探杆贯入机构2和水平探杆支持机构4，承载框架3-1的顶端设置有起吊环3-2，垂直探杆1机构包括固设在承载框架3-1上的竖直的导轨2-4，导轨2-4的顶端固设有贯入油缸2-1，贯入油缸2-1的油缸杆与滑块2-3固连，滑块2-3与导轨2-4滑动配合，滑块2-3上固设有活动夹紧油缸2-2，导轨2-4的底端固设有固定夹紧油缸2-5，活动夹紧油缸2-2和固定夹紧油缸2-5分别将同一个垂直探杆1夹紧，垂直探杆1的底端固设有两个上下间隔设置的接收换能器9；水平探杆支持机构4包括固设在承载框架3-1上的驱动装置，驱动装置的输出轴与水平探杆5的一端垂直且固连，驱动装置能够驱动水平探杆5以输出轴为中心轴转动，水平探杆5的另一端设置有发射换能器8，接收换能器9为宽频换能器，接收换能器9能够接收中低频声波。

垂直探杆贯入机构通过活动夹紧油缸2-2、固定夹紧油缸2-5、贯入油缸2-1的配合动作，可使垂直探杆1的连续下插，将接收换能器9下插到沉积物内足够的深度；水平探杆支持机构驱动水平探杆5到达水平位置，使发射换能器8与接收换能器9之间可达到足够长的距离，并由升降油缸16实现发射换能器8在水平探杆5上的升降，确保发射换能器8能够紧贴海底沉积物表面，使其满足中低频声学特性的测量条件。

水平探杆5上还设置有升降油缸16，升降油缸16的油缸杆与水平探杆5垂直，发射换能器8与升降油缸16的油缸杆固连。水平探杆支持机构4还包括水平位置限位支架4-2和垂直位置限位板4-1，驱动装置为液压马达4-3，水平位置限位支架4-2固设在承载框架3-1上，液压马达4-3固设在水平位置限位支架4-2上；承载支架的顶端对应水平探杆5设置有容纳孔，容纳孔设置有缺口，水平探杆5处于竖直状态时穿过容纳孔，垂直位置限位板4-1通过螺栓可拆卸安装在缺口处；当测量系统处于仓储状态时，垂直位置限位板4-1将水平探杆5固定在容纳孔内，防止其因震动或其它原因而向外摆动。承载框架3-1的底端设置有若干个底脚3-3，承载框架3-1的顶端设置有设置有起吊环3-2，承载框架3-1、起吊环3-2及底脚3-3构成承载平台3。

控制舱6中设置有控制电路和与控制电路电连接的姿态传感器10，液压舱7密闭，液压舱7内设置有分别与控制电路电连接的贯入油缸压力传感器11、液压马达压力传感器12、升降油缸压力传感器13，贯入油缸压力传感器11、液压马达压力传感器12、升降油缸压力传感器13分别与对应的油管相连，贯入油缸2-1、液压马达4-3和升降油缸16的油管均穿过液压舱且。控制电路通过电缆与显控系统电连接；滑块2-3上设置有与控制电路电连接的位移传感器15，液压马达4-3的输出轴上设置有与控制电路电连接的角度传感器14。

上述各传感器的所检测到的数值均能够在显控系统中显示，其中姿态传感器10测量承载框架3-1的实时姿态，判断承载框架3-1在水下的姿态，是否满足测量要求；角度传感器14测量水平探杆5的实时摆动角度，判断其是否摆动到水平或者垂直位置；位移传感器15测量垂直探杆的实时下插深度；液压马达压力传感器12测量液压马达的实时压力，并辅助判读水平探杆是否摆动到极限位置；升降油缸压力传感器13测量升降油缸16的实时压力，判断升降油缸16是否升降到极限位置。

发射换能器8为镶拼圆柱换能器，安装在水平探杆5的头部，可发射径向为全向性的频率为1-10khz的中低频声波。为了满足中低频段声波发射的需求，发射换能器8采用圆环式镶拼结构形式，发射换能器8由多个压电陶瓷条和填充材料(金属拼接条)粘结而成圆环状，并在拼装好的压电陶瓷圆环的顶、底两端加装金属盖板。发射换能器8在径向上为全向性发射，保证由接收水听器、垂直探杆1、水平探杆5和发射换能器8组成的平面内，发射换能器8具有良好的声源级。接收换能器9为镶嵌在垂直探杆1内的宽频水听器，镶嵌部位开有透声窗，使声波能够传到水听器，在垂直探杆1下插过程中，垂直探杆1能够很好的保护接收换能器9，避免接收换能器9受压而破坏。两个接收换能器9以一定的间距安装于垂直探杆1的底端；接收换能器9在垂直方向上具有较大的波束开角，保证斜向声线方向具有良好的接收灵敏度。两个接收换能器9均接收来自发射换能器8的中低频声波信号，以便进行测试数据备份，以此获得所测海底沉积物的中低频声学特性。

垂直探杆1的长度与水平探杆5的长度均大于3m，在垂直探杆1向海底沉积物中插入到最大深度且水平探杆5完全展开至水平位置的状态下，发射换能器8与两个接收换能器9之间的距离均大于3m，使收发间距不小于两个声波波长的距离(对于本系统所能测量的最低频率1khz，其声波波长约为1.5m)，满足中低频沉积物声学特性测量的需求。

本实施例海底沉积物中低频声学特性的原位测量系统在工作状态时，接收换能器9被插入到沉积物3m的深度，发射换能器8被布置于沉积物的表面，发射换能器8与接收换能器9之间的连线为与沉积物表面呈一定角度的斜线，整套系统构成斜向方式的测量方法。

实时显控系统实现了测量系统在甲板的实时操作和监控。显控系统可使测量者根据海底地形的实际情况、承载框架在海底的实际姿态，确定接收换能器9的实际下插深度、发射换能器8的摆动角度等参数，并可根据各传感器的实时测量数值判断接收换能器9、发射换能器8是否运动到位；并且可实时观察测量系统获得的沉积物声学特性曲线，以判断测量作业的进度。

本实施例还提供一种海底沉积物中低频声学特性的原位测量方法，包括以下步骤：

(1)将甲板控制台与光电绞车的光电缆相连，光电绞车的光电缆与承载平台3上的控制舱6中的控制电路相连，在甲板控制台的实时显控系统内进行发射参数预设和采集参数预设；

(2)通过甲板控制台的实时显控单元对发射换能器8、接收换能器9及其信号处理模块进行调试，对垂直探杆1的下插、上提动作以及位移传感器15进行调试；对水平探杆5的收放动作进行调试，对贯入油缸压力传感器11、液压马达压力传感器12、升降油缸压力传感器13、姿态传感器10、角度传感器14进行调试；

(3)将垂直探杆1上提至最高位置，位移传感器15数值归零；将水平探杆5回收至垂直状态，水平探杆5角度传感器14归零，打开水平探杆5垂直位置限位板4-1，确保水平探杆5在水下可以进行收放动作；

(4)摆动母船吊装设备并放光电缆，将原位测量系统布放入水，此过程中需做好设备止荡工作，在测量系统的布放过程中，水平探杆5保持在垂直存储位置，以防冲击力对发射换能器8造成损伤；

(5)当承载平台3触底时，确认姿态传感器10传到实时显控系统的角度数值是否在原位测量的允许范围内，若姿态传感器10传到实时显控系统的角度数值没有在原位测量的允许范围内，则上提承载平台3，重复步骤(4)直至姿态传感器10传到实时显控系统的角度数值位于原位测量的允许范围内；确认姿态传感器10传到实时显控系统的角度数值位于原位测量的允许范围内后启动贯入油缸2-1，将垂直探杆1缓慢插入沉积物中，此过程中，需观察位移传感器15在实时显控单元中的实时数值以确定垂直探杆1是否下插到位，并且观察贯入油缸压力传感器11的数值，当压力过大时，可将垂直探杆1反复上提下插以降低液压系统的负荷；当垂直探杆1下插到位后，关停贯入油缸2-1；

(6)启动水平探杆支持机构4的液压马达4-3，此过程中，需观察水平探杆5角度传感器14在实时显控系统中的实时数值，并且观察压力传感器的数值，确定发射换能器8是否接触到海底沉积物，水平限位支架安装在承载平台3的底部，当水平探杆5在水下被外摆至水平位置时，水平限位支架为水平探杆5提供限位，使其不能再继续向外摆动；

(7)实时显控系统向封装在控制舱6内的控制电路中的声波发射采集系统发送声波发射、采集的参数和指令，其中，发射电路产生指定频率的中低频波形信号，经放大后传送给发射换能器8，发射换能器8发射中低频声波信号，经在沉积物中传播后被接收换能器9接收，然后被采集电路采集，将采集到的数据经过光电复合缆上传至船上的实时显控系统，并进行数据的保存；采集的数据同时保存在采集电路的存储单元作为备份；

(8)在布放水平探杆支持机构4后，通过以下三种状态综合判断发射换能器8是否已经与沉积物接触：

a)水平探杆5角度传感器14的数值是否在90度附近，若是，说明水平探杆5已经基本处于水平位置；

b)液压马达4-3的压力传感器是否过大，如果过大，则说明水平探杆5或者发射换能器8已经布放到与沉积物接触；

c)观察接收到的中低频声波波形曲线：在发射换能器8未到达沉积物表面时，声波传播路线为一段水中距离加一段沉积物距离，当水平探杆5慢慢转动到水平位置时，水中距离逐渐减小，沉积物距离逐渐增加，反应在声波波形曲线上的现象为水中传播特性逐渐变小，沉积物中传播特性逐渐变大，当声波曲线接近稳定时，说明发射换能器8已经与沉积物接触；

当出现a)与b)状态而未出现c)状态时，说明水平探杆5已经到达沉积物表面，而发射换能器8仍未到达沉积物表面，此时需启动升降油缸16，驱动发射换能器8垂直向下运动，直到与沉积物接触，此过程中，通过以下两种状态综合判断发射换能器8是否已经与沉积物接触：

1)升降油缸压力传感器13是否过大，如果过大，则说明发射换能器8已经与沉积物接触；

2)观察接收到的中低频声波波形曲线：在发射换能器8未到达沉积物表面时，声波传播路线为一段水中距离加一段沉积物距离，当水平探杆5慢慢转动到水平位置时，水中距离逐渐减小，沉积物距离逐渐增加，反应在声波波形曲线上的现象为水中传播特性逐渐变小，沉积物中传播特性逐渐变大，当声波曲线接近稳定时，说明发射换能器8已经与沉积物接触；

(9)当发射换能器8与沉积物接触后，关闭水平探杆支持机构4的液压马达4-3以及升降油缸16，开始进行声学特性测量并观察接收到的声波曲线以完成声学测量；

(10)声学测量完成后，关闭声波发射模块以及声波接收模块，启动发射换能器8升降油缸16，将发射换能器8提升到零位后关闭发射换能器8升降油缸16；启动水平探杆支持机构4的液压马达4-3，将水平探杆5回收到垂直位置后关闭液压马达4-3；当水平探杆5处于垂直位置时，垂直位置限位板4-1将水平探杆5固定在容纳孔里，此时当液压马达4-3不提供驱动力时，水平探杆5不会向水平方向倾倒；

(11)启动贯入油缸2-1，将垂直探杆1缓慢从沉积物中上提，此过程中，需观察位移传感器15在实时显控系统中的实时数值以确定垂直探杆1是否上提到位，并且观察压力传感器的数值，当压力过大时，将垂直探杆1反复上提下插以降低液压系统的负荷；当垂直探杆1上提到位后，关停贯入油缸2-1；

(12)回收光电缆，将承载平台3回收至母船，安装垂直位置限位板4-1。

本说明书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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。