一种基于声呐电磁协同探测技术的海洋沉潜油检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋环境检测技术领域，具体的说是涉及一种运用声呐与电磁结合探 测技术，实现海洋沉潜油检测的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着全球经济的发展，通过海上运输的原油量急剧增加，相应的油轮事故 造成原油泄漏事件频频发生，并且岸边储油罐、海上输油管道和油井溢油事件也时有发生。 当溢油经过风化和海水运动等多重作用，部分溢油发生沉潜，形成沉潜油。沉潜油有沉降到 海底的沉底油，也有悬浮在海水中的悬浮油。由于沉潜油难以发现，风化速度非常缓慢，对 海洋生态环境造成长期影响，而且沉潜油会随着水温、水流等条件的变化反复上浮，形成对 岸线的多次污染，极大的影响海洋水产业、旅游业的正常作业，严重制约经济发展。
[0003] 目前国际上对于沉潜油的探测主要有：现场采样、光学探测、声纳探测、激光荧光、 荧光偏振等方法。其中，现场采样、物理和化学采样可获取溢油信息，误判率低，但是受限于 海况，且对沉潜油的采样也有一定局限性；水下光学探测方法的误判率低，但其在海水中观 测范围小；激光荧光和荧光偏振可获取溢油信息，但对于沉潜油的检测技术还不是很成熟， 也易于受到海水浑浊度的影响。综上，现有针对沉潜油的探测技术，还不能满足海洋大范围 精确探测，并且现有的一些方法耗费人力物力严重。所以探索一种可实现大范围且低成本 的探测技术就显得十分必要。
【发明内容】
[0004] 鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于声呐电磁协同探测技 术的海洋沉潜油检测系统，其能够较为准确地探测海洋中的沉潜油，而且具有探测范围广， 成本低等特点；同时其可为海洋沉潜油清理、加强海洋污染监测执法力度，提供了强有力的 信息支持和可靠保障。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案：
[0006] 一种基于声呐电磁协同探测技术的海洋沉潜油检测系统，其特征在于：
[0007] 包括声呐电磁波发射单元、声呐电磁波接收单元、信号采集单元、数据分析单元、 控制单元以及显示单元；
[0008] 其中，所述声呐电磁波发射单元连接所述控制单元，其用于向待探测区域发射声 呐信号以及电磁波信号；
[0009] 所述声呐电磁波接收单元连接所述信号采集单元；其用于接收待探测区域返回的 声呐信号以及电磁波信号；
[0010] 所述信号采集单元连接数据分析单元，其用于对接收到的声呐信号和电磁波信号 进行信号预处理；
[0011] 所述数据分析单元连接所述控制单元，所述数据分析单元用于实时将经预处理后 的声呐信号和电磁波信号进行分析处理获得对应的沉潜油探测信息后，与预设的沉潜油探 测信息基准数据库进行比对判断当前待探测区域是否存在沉潜油；其中，该数据分析单元 包含有用于沉潜油探测信息分析处理的声学和电磁学协同探测的耦合关系模型，并基于所 述耦合关系模型建立沉潜油探测信息基准数据库；
[0012] 所述控制单元连接所述显示单元，为整个装置的控制中心，在所述数据分析单元 获得沉潜油探测信息后，将该沉潜油探测信息实时发送至所述显示单元进行显示，以便于 所述显示单元形成对应的沉潜油的地理分布情况信息。
[0013] 进一步的，所述的声呐电磁波发射单元包括声呐发射装置以及电磁波发射装置； 所述声呐发射装置采用侧扫声呐发射或多波束声呐发射，所述电磁波发射装置为微波发射 装置。
[0014] 进一步的，数据分析单元用于将接收到的声呐和电磁波信息进行处理分析，根据 沉潜油和海水的声衰减、声阻抗、电导率等参数信息的不同，从中分析获得沉潜油探测信 息；该数据分析单元设计原理：由于海水的电导率较大，对电磁波有屏蔽作用，并且电磁波 的频率越高衰减的越快，所以单纯采用的微波波段的电磁波在海水中的探测距离有限。而 声波在海水中的传播距离较远，探测范围广，但是声呐探测难以区分水下沉潜油与水下植 物的反射声波信息，对于软的、平滑的、凹陷的海底回波信号较弱，探测精度不高。所以本系 统设计建立声呐电磁协同探测模型，首先使用声呐探测对大范围的区域进行沉潜油探测， 发现沉潜油存在的大致区域后，将载有声呐电磁探测装置的船舶靠近该区域，达到电磁波 可探测的距离后，进行电磁波探测，进一步探测沉潜油的存在。
[0015] 具体的，所述数据分析单元包括预装有声学和电磁学协同探测的耦合关系模型， 将经预处理后的声呐信号和电磁波信号按照所述耦合关系模型进行数据提取并获得对应 的沉潜油探测信息的数据提取模块以及与所述数据提取模块连接，接收数据提取模块获得 的沉潜油探测信息后与内部预设的沉潜油探测信息基准数据库进行比较分析，判断当前待 探测区域是否存在沉潜油的比较分析模块。
[0016] 优选的，所述声学和电磁学协同探测的耦合关系模型包括声呐探测模型以及电磁 探测模型：
[0017] 所述的声呐探测模型包括：
[0018] ⑴、当声波在密度为P的介质以速度C传播时，由声阻抗的定义，可得基础模型公 式一：
[0019] Z=Cp
[0020] ⑵、当声波从一种介质进入另一种介质时反射或损失的能量在很大程度上是由两 种介质的声阻抗来决定的，因此假设船载声呐向海底发射声波，并由一种介质垂直入射另 一种介质，得到公式二声波反射系数R模型：
[0021]
[0022] 公式二中，Z。为海水的声阻抗（CwJ，Zi为沉潜油的声阻抗（CiPJ，A为声波振 幅，即分别为声呐发射装置发射以及声波振幅和声呐接收装置接收的声波振幅；
[0023] (3)、公式三垂直入射平面波的海底反射损失BL模型：
[0024] BL = -201g [ (C:PrC0P0) / (C:P!+C0P0)]
[0025] 公式三中，QP^为海水的声阻抗，C iPi为沉潜油的声阻抗。
[0026] ⑷、鉴于声波在介质中传播会发生衰减，在不同介质中声波衰减的强度不同，因 此，得公式四，声波在介质中传播的衰减系数a _模型：
[0027] a声= 201g (A反射/A入射）/2L
[0028] 公式四中：、A&M分别为声呐发射装置发射的声波振幅和声呐接收装置接收的 声波振幅，L为探测的距离。
[0029] 所述电磁波探测模型包括：
[0030] 根据介质波导的理论，可得到电磁波衰减常数aiS、相移常数0#与电磁波传播常 数关系模型：
[0031] 丫 = a 磁 +J_ 卩磁
[0032] Y是复数，由实部电磁波衰减常数a a和虚部相移常数组成，j表示虚部。
[0033] 进一步得到电磁波传播常数与e '、e ' '的关系：
[0034]
[0035] 式中A为自由空间波长，A。为波导截止波长，e '表示材料的储能 的本领，e ' '表示材料耗能的本领。
[0036] 得到电磁波通过电介质的附加衰减量模型和附加相移量模型分别为公式七、公式 八：
[0037]
[0038] 同时，本发明还要提供一种基于所述系统的沉潜油检测方法，其包括如下步骤：
[0039] 步骤1 :建立沉潜油探测信息基准数据库：利用所述海洋沉潜油检测系统在不存 在沉潜油的海域进行探测，数据分析单元接收到声呐信号和电磁波信号后按照所述声学和 电磁学协同探测的耦合关系模型进行数据提取并建立沉潜油探测信息基准数据库；
[0040] 步骤2 :在待检测区域，利用声呐电磁波发射单元向待检测区域发射声波和电磁 波信号，并利用声呐电磁波接收单元接收返回的声波和电磁波信号；通过所述信号采集单 元进行预处理后传递至数据分析单元；
[0041] 步骤3 :数据分析单元实时将经预处理后的声呐信号和电磁波信号进行分析处理 获得对应的沉潜油探测信息后，与预设的沉潜油探测信息基准数据库进行比对判断当前待 探测区域是否存在沉潜油，并将该沉潜油探测信息实时发送至所述显示单元进行显示。
[0042] 所述的声呐电磁波发射单元包括声呐发射装置以及电磁波发射装置；所述声呐发 射装置采用侧扫声呐发射或多波束声呐发射，所述电磁波发射装置为微波发射装置。
[0043] 所述数据分析单元包括预装有声学