專利名稱：一種淺地層剖面儀測量海底沉積物特性的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量海底沉積物特性的方法及系統(tǒng)，更具體地說，是涉及一種淺地層剖面儀測量海底沉積物的物理特性的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著海洋科學和海洋開發(fā)的發(fā)展，人們愈加迫切希望了解海底沉積物的物理特性。測量海底沉積物的聲學方法分兩大類一類是在海上用聲學方法遙測；另一類是將海底沉積物取樣，在實驗室中用聲學方法測量。兩類方法各有優(yōu)缺點。由于海底的沉積物十分復雜，各種聲學測量方法的主要努力方向是采用正確的原理，深入分析誤差，提高各種聲學測量方法的可性度。
Tokuo Yamamoto等人的1999年美國專利No.5991236、名稱為“Method ofmeasuring buried objects，geological formations and sediment properties，”的專利公開了用聲學方法測量掩埋的水雷和沉積物密度和聲速的起伏。
A.Turgut的1998年美國專利No.5815465、名稱為“Method and Apparatus ofClassifying marine sediment，”的專利提出了決定沉積物聲學特性的除了常用的快壓縮波外，還有慢壓縮波。
F.S.Carnaggio等人的1996年美國專利No.5559754、名稱為“Sedimentclassification system”的專利公開了測量沉積物的聲阻抗的方法，由此推出沉積物的類型、衰減、密度、孔隙率和聲速等。但專利中沒有具體介紹推算的方法。
研究聲學方法測量海底沉積物的最有名的文獻之一是文獻1L.R.LeBlanc，“Sonar attenuation modeling for Classification of marine sediments”，J.Acoust.Soc.Am.91(1)January，1992。文獻1中著重研究了沉積物的聲衰減，因為它與頻率存在明顯的關(guān)系，是研究沉積物的最好參數(shù)。發(fā)射線性調(diào)頻(Chirp)信號，相關(guān)器輸出的沉積物反射信號表示為解析信號Y(t)＝E(t)eiφ(t)(1)
其中E(t)是包絡(luò)，φ(t)是相位，兩者均為實信號。因此相位由下式表式φ(t)＝-ilog[Y(t)/E(t)](2)瞬時頻率表式為下式fi=12π∂φ∂t----(3)]]>由此獲得沉積物聲衰減與頻率的關(guān)系。
D.D.Caulfield的2003年美國專利No.6545945、名稱為“MaterialClassification apparatus and method”的專利中介紹的是將沉積物樣本由海上取到實驗室，用聲學方法研究它的物理性質(zhì)，專利中著重提到沉積物的阻抗和聲速一般不是頻率的函數(shù)，而聲衰減是頻率的函數(shù)。該專利與之前技術(shù)相比，重要的改進是將沉積物衰減與頻率的關(guān)系作為沉積物分類的重要參數(shù)之一。具體做法是發(fā)射不同頻率的信號，測量不同層沉積物界面的反射信號的幅度和層厚，計算衰減，由此獲得衰減(或吸收)隨頻率的變化。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)的淺地層剖面儀及其信號處理方法主要存在以下不足1、原理上的缺陷；由(2)式得φ(t)=tg-1[Im(Y(t)/E(t))Re(Y(t)/E(t))]-ilogRe2(Y(t)/E(t))+Im2(Y(t)/E(t))----(4)]]>其中Re和Im表示實部和虛部。理論研究表明，(4)式右邊第一項真正代表φ(t)，右邊第二項應(yīng)該為零。但是在實際信號處理的運算過程中，右邊第二項常常不為零，φ(t)就變成了復量，這與φ(t)被假設(shè)實數(shù)是矛盾的。(4)式右邊第一項在(-π，π)內(nèi)變化，有時就在零值附近，但φ(t)對t的微商并不小，由(3)式知此微商代表沉積層聲衰減引起的頻移。此時如果(4)式第二項不為零，引起的測量誤差就比較大。因此這類方法在原理上存在缺陷，測量精度受到影響。
2、不適用于海上測量；如美國專利No.6545945中發(fā)射不同頻率的信號，求沉積物聲衰減與頻率的關(guān)系，相當費時，只適用于室內(nèi)測量，不適用于海上測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既能用于海上測量又能用于室內(nèi)測量、原理正確、計算方便的淺地層剖面儀測量海底沉積物特性的方法及系統(tǒng)。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種淺地層剖面儀測量海底沉積物特性的方法，包括如下步驟1、根據(jù)作用距離和用途選擇線性調(diào)頻(Chirp)信號的參數(shù)；2、用換能器的傳遞函數(shù)修正Chirp信號；3、發(fā)射修正后的Chirp信號；然后接收流體介質(zhì)和海底沉積層反射回來的回波；4、對接收的回波進行濾波和采樣；5、將上一步驟所得到信號與用換能器的傳遞函數(shù)修正后的Chirp發(fā)射信號求相關(guān)，得出的解析信號Y(z)由下式表示Y(z)＝E(z)eiφ(z)(5)其中，z是深度參數(shù)；6、計算解析信號Y(z)的包絡(luò)E(z)和相位φ(z)，φ(z)由下式表示φ(z)=tg-1[Im(Y(z)/E(z))Re(Y(z)/E(z))]-----(6)]]>7、首先搜索包絡(luò)E(z)的第一個峰位P1，它對應(yīng)于海底的位置；其次搜索包絡(luò)E(z)的第二個峰位P2，它對應(yīng)于第一層沉積物的下界面；8、根據(jù)式(3)將φ(z)對時間微分得到沿深度軸上的瞬時頻率fi(z)曲線；瞬時頻率fi(z)曲線坐標與包絡(luò)信號E(z)曲線的坐標是一一對應(yīng)的；9、在瞬時頻率fi(z)曲線上，分別以與P1和P2對應(yīng)的fi(z)為中心并向兩邊分別選n1和n2個點，并記下這些點的瞬時頻率和坐標值；n1和n2為大于等于2的整數(shù)；10、把上一步驟中的2(n1+n2+1)個瞬時頻率點進行最小二乘法直線擬合，得直線fc＝kz；fc表示信號經(jīng)過沉積層聲衰減后的中心頻率，k＝Δf/h，Δf是fc與發(fā)射信號中心頻率fc0的頻移，h是第一層沉積層的厚度；因此直線斜率k即每米頻移，這是本發(fā)明要求的量；11、如此重復(3)至(10)的步驟m次，可以得到k的平均值；其中，m為等于或大于2的整數(shù)；在上述技術(shù)方案中，作為優(yōu)選，所述m取值為大于或等于9。
在上述技術(shù)方案中，該測量海底沉積物第一層聲衰減與頻率關(guān)系的方法可以推廣到其它各層，也可以推廣應(yīng)用到低頻測深儀中。
一種淺地層剖面儀，如圖1和圖2所示，它裝在載體100上，包括一換能器陣300、一溫度傳感器500分別與電子分機400電連接，所述電子分機400與干端600通過電纜連接；所述干端600包括一終端計算機601；所述電子分機400包括一發(fā)射機401、一接收機402與一聲納控制器405電連接，所述聲納控制器405與一控制計算機406電連接；所述接收機402與一數(shù)據(jù)采集器403、一高速數(shù)字信號處理器404、所述控制計算機406順序連接；一硬盤407與所述控制計算機406連接；所述換能器陣300與所述發(fā)射機401、所述接收機402電連接；所述溫度傳感器500與所述聲納控制器405電連接；所述控制計算機406通過以太網(wǎng)408與所述終端計算機601通信。
所述控制計算機406包括如下模塊一初始化模塊，用于軟件和硬件初始化；一發(fā)射信號參數(shù)選擇模塊，用于跟蹤水深、選擇Chirp信號的參數(shù)；一發(fā)射/接收模塊，用于發(fā)射用換能器傳遞函數(shù)修正后的Chirp信號，并接收流體介質(zhì)和/或海底沉積層的反射回波信號；一濾波采集模塊，用于對所述數(shù)據(jù)采集器403的回波信號進行濾波和采集；所述高速數(shù)字信號處理器404，包括如下模塊一相關(guān)計算模塊，用于將接收回波與用換能器傳遞函數(shù)修正后的Chirp發(fā)射信號求相關(guān)，輸出解析信號為Y(z)；第一計算模塊，用于計算出解析信號Y(z)的包絡(luò)E(z)和相位φ(z)；第二計算模塊，用于計算出包絡(luò)E(z)的第一峰位P1以及瞬時頻率fi(z)，并在與P1點對應(yīng)的fi(z)點左右各取整數(shù)n1個fi(z)，并記下它們的坐標值；其中n1為大于等于2的整數(shù)；第三計算模塊，用于計算出包絡(luò)E(z)的第二峰位P2以及瞬時頻率fi(z)，并在與P2點對應(yīng)的fi(z)點左右各取整數(shù)n2個fi(z)，并記下它們的坐標值；其中n2為大于等于2的整數(shù)；計算斜率k模塊，用于把選中的2(n1+n2+1)個瞬時頻率fi(z)坐標值進行最小二乘法直線擬合，得到斜率k，即每米的頻移。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本分明的優(yōu)點在于1、克服測量原理上的缺陷；由(1)、(5)式易得Re(Y(z)E(z))+iIm(Y(z)E(z))=cosφ(z)+sinφ(z)---(7)]]>所以φ(z)由下式表式φ(z)=tg-1Im(Y(z)/E(z))ReY(z)/E(z))---(8)]]>此式即(6)式，它沒有(4)式右邊的第二項。(8)式中的φ(z)不可能出現(xiàn)復數(shù)的情況；當φ(z)在零附近時也會有好的精度。(8)式有很好物理特性和數(shù)值計算精度。
2、本發(fā)明不但可用于在海上快速測量沉積物聲衰減引起的頻移，同時也能用于室內(nèi)的測量；且發(fā)射Chirp信號，一次就可得到各層引起的頻移，克服如專利U.S.No.6545945操作費時的不足。


圖1本發(fā)明的淺地層剖面儀工作示意圖；圖2本發(fā)明的淺地層剖面儀裝置示意圖；圖3本發(fā)明的淺地層剖面儀工作流程圖；圖4本發(fā)明的淺地層剖面儀的一次測量結(jié)果；上圖為沉積層剖面包絡(luò)圖像，下圖為記錄中某次實現(xiàn)的包絡(luò)幅度波形；圖中橫坐標為深度方向，單位米，縱坐標為航行方向，單位0.1公里；圖5本發(fā)明的淺地層剖面儀測得的海底多金屬結(jié)核礦的每米頻移與馳豫時間的關(guān)系。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。
如圖1所示，用本發(fā)明的淺地層剖面儀測量海底沉積物的物理特性時，它裝在載體100上，比如一艘船可以作為載體100。淺地層剖面儀總體包括濕端200和干端600，兩者之間通過電纜連接。所述濕端200包括換能器陣300、電子分機400和溫度傳感器500，濕端200通常處于水面103以下；所述干端600包括終端計算機601，它們通常裝在水面103以上。淺地層剖面儀通過換能器陣300向水中發(fā)射圓錐波束101，并接收海底沉積物102的反射信號，經(jīng)電子分機400處理后得到沉積物聲衰減引起的頻移，從而得到沉積物的其它物理特性，例如馳豫時間和粒徑等。
淺地層剖面儀的裝置示意圖如圖2所示，它包括換能器陣300、電子分機400、溫度傳感器500和干端600；電子分機400包括發(fā)射機401、接收機402、數(shù)據(jù)采集器403、高速數(shù)字處理器404、聲納控制器405、控制計算機406、硬盤407和以太網(wǎng)408；干端600包括終端計算機601。以上這些構(gòu)件均為常規(guī)產(chǎn)品或常規(guī)裝置。
利用本實施例的淺地層剖面儀測量沉積物特性的方法，執(zhí)行步驟如圖3所示步驟701是開始步驟，由終端計算機601發(fā)出指令，傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C406，啟動控制計算機406存儲器中的程序，使聲納處于工作狀態(tài)。
步驟702和703中，對系統(tǒng)的軟件和硬件進行初始化。
步驟714中，根據(jù)海底深度，選擇發(fā)射Chirp信號的參數(shù)。
步驟715中，控制計算機406經(jīng)聲納控制器405產(chǎn)生用換能器陣300傳遞函數(shù)修正后的Chirp發(fā)射信號，然后驅(qū)動發(fā)射機401，再驅(qū)動換能器陣300，發(fā)出聲脈沖到流體介質(zhì)中。
步驟716中，換能器陣300接收從流體介質(zhì)和海底沉積物102反射回來的回波信號。
步驟717中，回波信號經(jīng)接收機402饋送給數(shù)據(jù)采集器403采樣，再饋送給高速數(shù)字信號處理器404。
步驟718中，高速數(shù)字信號處理器404將接收回波與用換能器陣300傳遞函數(shù)修正后的Chirp信號求相關(guān)，輸出信號為解析信號Y(z)。
步驟719中，高速數(shù)字信號處理器404計算得到Y(jié)(z)的包絡(luò)，如圖4所示；圖4是多次發(fā)射獲得的多個包絡(luò)構(gòu)成的圖像，上圖為沉積層剖面包絡(luò)圖像，下圖為某次包絡(luò)的幅度表示；圖中橫坐標為深度方向，單位米，縱坐標為航行方向，單位0.1公里。
步驟720中，高速數(shù)字信號處理器404得到Y(jié)(z)的相位φ(z)，高速數(shù)字信號處理器404還執(zhí)行了如下步驟步驟721中，計算得包絡(luò)的第一峰位P1；步驟722中，計算得瞬時頻率fi(z)；步驟723中，計算得與P1對應(yīng)的fi(z)的左右n1個fi(z)值，本實施例中取n1＝2；步驟724中，計算得包絡(luò)的第二峰位P2；步驟725中，計算得與P2對應(yīng)的fi(z)的左右n2個fi(z)值，本實施例中取n2＝2；步驟726中，用最小二乘法擬合直線，得到斜率k，即每米頻移。
步驟727中，高速數(shù)字信號處理器404處理的結(jié)果經(jīng)控制計算機406可存在硬盤407中，也可經(jīng)由以太網(wǎng)存在終端計算機601中。步驟727之后，返回步驟714進行下一次測量。
最后，可以將溫度傳感器500的數(shù)據(jù)經(jīng)聲納控制器405饋送給控制計算機406，再經(jīng)以太網(wǎng)408饋送給終端計算機601，給出校正后的實驗數(shù)據(jù)。
利用上述實施例的淺地層剖面儀和測量方法進行實驗，實驗數(shù)據(jù)見表I和圖5。實驗中，該淺地層剖面儀裝在CR-01 6000米水下機器人上，在西太平洋多金屬結(jié)核礦區(qū)測量，離海底高約40m。實驗進行了9次，每次實驗取200幀的信號，求k的平均值，再對此9次k值求平均，見表I。
表I西太平洋多金屬結(jié)核礦區(qū)k的試驗數(shù)據(jù)


利用公開文獻的現(xiàn)有技術(shù)，例如在前面提到的L.R.Le Blanc等人的文章，得到每米頻移與馳豫時間τ的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可知，多金屬結(jié)核礦的馳豫時間τ＝0.126±0.007。
權(quán)利要求
1.一種淺地層剖面儀測量海底沉積物特性的方法，包括如下步驟1)根據(jù)作用距離和用途選擇線性調(diào)頻信號的參數(shù)；2)用換能器的傳遞函數(shù)修正線性調(diào)頻信號；3)發(fā)射修正后的線性調(diào)頻信號；然后接收流體介質(zhì)和海底沉積層反射回來的回波；4)對接收的回波進行濾波和采樣；5)將上一步驟4)所得到信號與用換能器的傳遞函數(shù)修正后的線性調(diào)頻發(fā)射信號求相關(guān)，得出的解析信號Y(z)由下式表示Y(z)＝E(z)eiφ(z)其中，z是深度參數(shù)；6)計算解析信號Y(z)的包絡(luò)E(z)和相位φ(z)，φ(z)由下式表示φ(z)=tg-1[Im(Y(z)/E(z))Re(Y(z)/E(z))]]]>7)首先搜索包絡(luò)E(z)的第一個峰位P1，它對應(yīng)于海底的位置；其次搜索包絡(luò)E(z)的第二個峰位P2，它對應(yīng)于第一層沉積物的下界面；8)根據(jù)公式fi=12π∂φ∂t,]]>將φ(z)對時間微分得到沿深度軸上的瞬時頻率fi(z)曲線；9)在瞬時頻率fi(z)曲線上，分別以與P1和P2對應(yīng)的fi(z)為中心并向兩邊分別選n1和n2個點，并記下這些點的瞬時頻率和坐標值；n1和n2為大于等于2的整數(shù)；10)把上一步驟9)中的2(n1+n2+1)個瞬時頻率點進行最小二乘法直線擬合，得直線斜率k即每米頻移；11)如此重復步驟3)至步驟10)m次，可以得到k的平均值；其中，m為等于或大于2的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺地層剖面儀測量海底沉積物特性的方法，其特征在于，所述m取值為大于或等于9。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺地層剖面儀測量海底沉積物特性的方法，其特征在于，重復步驟1)-步驟11)可測量一層以上的海底沉積物聲衰減與頻率關(guān)系。
4.一種淺地層剖面儀，包括一換能器陣(300)、一溫度傳感器(500)分別與一電子分機(400)電連接，所述電子分機(400)與干端(600)通過電纜連接；所述電子分機(400)包括一發(fā)射機(401)、一接收機(402)與一聲納控制器(405)電連接，所述聲納控制器(405)與一控制計算機(406)電連接；所述接收機(402)與一數(shù)據(jù)采集器(403)、一高速數(shù)字信號處理器(404)、所述控制計算機(406)順序連接；一硬盤(407)與所述控制計算機(406)連接；所述換能器陣(300)與所述發(fā)射機(401)、所述接收機(402)電連接；所述溫度傳感器(500)與所述聲納控制器(405)電連接；所述控制計算機(406)通過以太網(wǎng)(408)與所述干端(600)通信；其特征在于所述高速數(shù)字信號處理器(404)，包括如下模塊一用于將接收回波與用換能器傳遞函數(shù)修正后的線性調(diào)頻發(fā)射信號求相關(guān)并輸出解析信號Y(z)的相關(guān)計算模塊；用于計算出解析信號Y(z)的包絡(luò)E(z)和相位φ(z)的第一計算模塊；用于計算出包絡(luò)E(z)的第一峰位P1以及瞬時頻率fi(z)，并在與P1點對應(yīng)的fi(z)點左右各取整數(shù)n1個fi(z)，并記下它們的坐標值的第二計算模塊；其中n1為大于等于2的整數(shù)；用于計算出包絡(luò)E(z)的第二峰位P2以及瞬時頻率fi(z)，并在與P2點對應(yīng)的fi(z)點左右各取整數(shù)n2個fi(z)，并記下它們坐標值的第三計算模塊；其中n2為大于等于2的整數(shù)；用于把選中的2(n1+n2+1)個瞬時頻率fi(z)坐標值進行最小二乘法直線擬合，得到斜率k的計算斜率k模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的淺地層剖面儀，其特征在于，所述干端(600)包括一終端計算機(601)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的淺地層剖面儀，其特征在于，所述控制計算機(406)包括如下模塊一用于軟件和硬件初始化的初始化模塊；一用于跟蹤水深、選擇線性調(diào)頻信號的參數(shù)的發(fā)射信號參數(shù)選擇模塊；一發(fā)射用換能器傳遞函數(shù)修正后的線性調(diào)頻信號，并接收流體介質(zhì)和/或海底沉積層的反射回波信號的發(fā)射/接收模塊；一用于對所述數(shù)據(jù)采集器(403)的回波信號進行濾波和采集的濾波采集模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種淺地層剖面儀測量海底沉積物的物理特性的方法及系統(tǒng)。該方法通過對回波信號的包絡(luò)信號的峰值點對應(yīng)的瞬時頻率點及其附近瞬時頻率點進行直線擬合，從而得到海底沉積物的聲衰減與頻率關(guān)系。該系統(tǒng)包括換能器陣、電子分機、溫度傳感器和用于監(jiān)控和存儲的干端，其中電子分機設(shè)計為采用本發(fā)明提供的方法對數(shù)據(jù)進行處理。本發(fā)明克服已有技術(shù)原理上的缺陷，測量原理正確，測量快速、結(jié)果準確。
文檔編號G01N29/11GK1900743SQ200510080338
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者朱維慶, 潘鋒, 張向軍 申請人:中國科學院聲學研究所