專利名稱：一種海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，具體說(shuō)是一種海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
海底底質(zhì)的聲學(xué)特性對(duì)海洋環(huán)境聲場(chǎng)有著重要的影響，是水雷潛艇探測(cè)、水中通 信等研究不可缺少的內(nèi)容。在我國(guó)主要是依靠部分海域(主要是在南海海域)的地質(zhì)取樣， 測(cè)量分析樣品的聲學(xué)參數(shù)，這些研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足軍事海洋聲學(xué)的需要，主要原因有一 是取樣站點(diǎn)少，沒(méi)有代表性；二是地質(zhì)取樣較深，測(cè)量的聲學(xué)參數(shù)是縱向的平均聲參數(shù)，而 軍事上需要的一般是橫向的表層沉積物的平均聲參數(shù)；三是直到目前，我國(guó)還沒(méi)有掌握海 底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量技術(shù)，不能直接測(cè)量海底淺層沉積物的聲學(xué)參數(shù)，依靠的是地質(zhì) 取樣，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量分析，這種調(diào)查方式造成測(cè)量速度慢、效率低，測(cè)量數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。因 此，海底表層底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位快速測(cè)量設(shè)備是我國(guó)軍事海洋學(xué)研究的現(xiàn)實(shí)需求，研發(fā)此 類設(shè)備可以為我國(guó)提供一種目前缺少的海洋環(huán)境參數(shù)快速測(cè)量手段。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的取樣點(diǎn)少、測(cè)量效率低以及測(cè)量數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確的不足，本 發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以隨機(jī)取樣、測(cè)量效率高以及測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的海底底 質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括通過(guò)電纜連接的水上部分和海底部分，其中，水上控制部分包括GPS模塊、電 源及電纜數(shù)據(jù)傳輸接口 ；海底部分包括電纜數(shù)據(jù)傳輸接口、聲波發(fā)射激勵(lì)電路、聲波發(fā)射換 能器探針、聲波接收換能器探針及聲波波形數(shù)據(jù)采集電路。所述水上部分通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連；所述電纜傳輸接口將工控機(jī)下達(dá)的控 制命令調(diào)制后通過(guò)電纜傳送給海底部分、并對(duì)海底部分上傳的數(shù)據(jù)解調(diào)后送至工控機(jī)進(jìn)行 處理、記錄。所述水上部分的輸出端通過(guò)電纜與聲波發(fā)射激勵(lì)電路相連、輸入端通過(guò)電纜與聲 波波形數(shù)據(jù)采集電路相連，用于對(duì)海底部分傳遞控制命令和接收海底部分上傳的數(shù)據(jù)信號(hào)。所述聲波發(fā)射換能器探針通過(guò)數(shù)據(jù)線與聲波發(fā)射激勵(lì)電路相連，所述聲波接收換 能器探針通過(guò)數(shù)據(jù)線與聲波波形數(shù)據(jù)采集電路相連；聲波發(fā)射換能器探針和聲波接收換能 器探針構(gòu)成聲系，用于采集數(shù)據(jù)信號(hào)。海底部分整體為人字架形結(jié)構(gòu)，人字架的兩邊為鋼管，兩鋼管的一端焊接形成交 叉點(diǎn)，該交叉點(diǎn)設(shè)有聲波發(fā)射換能器探針，兩鋼管的另一端與交叉點(diǎn)之間設(shè)有聲波接收換 能器探針。所述海底人字架的三個(gè)端點(diǎn)設(shè)有重力相等的加重鉛球，該加重鉛球使聲波發(fā)射/ 接收換能器探針插入沉積物中，并使海底部分保持穩(wěn)定。
所述聲波發(fā)射換能器探針為寬頻高能量發(fā)射探頭；所述聲波接收換能器探針為兩 個(gè)以上的高靈敏度接收探頭。所述聲波發(fā)射激勵(lì)電路及聲波波形數(shù)據(jù)采集電路設(shè)置在電路密封耐壓容器內(nèi)；所 述電路密封耐壓容器固接在人字架上。所述GPS模塊內(nèi)存有GPS定位程序，用于測(cè)定海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)的 大地坐標(biāo)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.可自行選擇測(cè)量方式?？梢哉军c(diǎn)式測(cè)量，也可以連續(xù)拖動(dòng)測(cè)量；由于海底測(cè)量 部分采用合理的人字架形構(gòu)造，使測(cè)量方式可以根據(jù)需要進(jìn)行站點(diǎn)式測(cè)量或航行拖動(dòng)測(cè) 量。這種測(cè)量方式節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，極大地提高了海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的速度 禾口效率。2.測(cè)量數(shù)據(jù)精確。由于聲波發(fā)射/接收換能器探針直接插入沉積物中測(cè)量，幾乎 對(duì)沉積物不產(chǎn)生擾動(dòng)的狀況下原位測(cè)量，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)最接近其真實(shí)值。3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。本發(fā)明海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)操作靈活方便，測(cè) 量效率更高，并且由于采用人字架形構(gòu)造，保證了海底測(cè)量部分的穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明水上部分控制面板示意圖；圖2本發(fā)明海底部分結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)工作界面圖；圖5是本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面圖；圖6是本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)增益選擇窗口圖；圖7是本發(fā)明測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)窗口圖；圖8是本發(fā)明已存數(shù)據(jù)選擇回放文件窗口圖；圖9是本發(fā)明存儲(chǔ)文件回放圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖3所示，本發(fā)明海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成水上部分和 海底部分，本實(shí)施例兩部分通過(guò)鎧裝電纜連接。水上部分的主要功能是提供電源、控制處理記錄聲參數(shù)。水上部分包括通用USB 即插即用接口、電纜數(shù)據(jù)傳輸接口、GPS定位模塊。水上部分通過(guò)通用USB即插即用接口與 工控機(jī)相連，水上部分輸出端通過(guò)電纜數(shù)據(jù)傳輸接口與海底測(cè)量部分的聲波發(fā)射激勵(lì)電路 相連、水上部分輸入端通過(guò)電纜數(shù)據(jù)傳輸接口與海底測(cè)量部分的聲波波形數(shù)據(jù)采集電路相 連；所述工控機(jī)內(nèi)部安裝有WINDOWS XP系統(tǒng)，該工控機(jī)發(fā)送控制命令給水上部分；水上部 分將工控機(jī)對(duì)海底部分的控制命令調(diào)制后通過(guò)電纜傳送給海底部分、并對(duì)海底部分上傳數(shù) 據(jù)進(jìn)行解調(diào)，再通過(guò)USB接口傳遞給工控機(jī)處理、記錄。GPS模塊內(nèi)存有測(cè)定儀器的大地坐 標(biāo)的GPS定位程序。
海底部分的主要功能是發(fā)射、接收、采樣、輸送信號(hào)。如圖2所示，海底部分是一個(gè) 主體人字架形構(gòu)造裝置，用不銹鋼管制成，人字架的兩邊為中空管，兩中空管的一端相交形 成交叉點(diǎn)，兩中空管的另一端為支點(diǎn)，人字架上設(shè)有電路密封耐壓容器8，電路密封耐壓容 器8內(nèi)部安裝有電纜數(shù)據(jù)傳輸接口、聲波發(fā)射激勵(lì)電路、聲波波形數(shù)據(jù)采集電路；人字架的 三個(gè)端點(diǎn)(即交叉點(diǎn)和兩個(gè)支點(diǎn))分別設(shè)有加重鉛球12，目的是為了保證設(shè)備在海底的穩(wěn) 定性。在本實(shí)施例中，聲系由1個(gè)聲波發(fā)射換能器探針9和4個(gè)聲波接收換能器探針10 組成，所述聲波發(fā)射換能器探針9為寬頻高能量聲波發(fā)射探頭，所述聲波接收換能器探針 10為兩個(gè)以上的高靈敏度聲波接收探頭，聲系結(jié)構(gòu)采用一點(diǎn)發(fā)射，多點(diǎn)接收，發(fā)射接收在一 條直線上，聲波發(fā)射接收/探頭采用針式形狀，在壓力作用下容易插入沉積物中。聲波發(fā)射激勵(lì)電路控制發(fā)射探頭激發(fā)聲波的時(shí)間及強(qiáng)度，聲波波形數(shù)據(jù)采集電路 對(duì)來(lái)自接收探頭的聲波信號(hào)進(jìn)行采樣、放大和濾波并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸接口接收來(lái) 自水上部分的控制命令，并將聲波波形數(shù)據(jù)采集電路得到的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)制后上傳。海底部 分采用人字架形構(gòu)造，保證在所有情況下聲波發(fā)射/接收探頭能夠插入沉積物中，并且在 需要的情況下可以拖動(dòng)，水下部分密封于電路密封耐壓容器8的人字形框架中，信號(hào)傳輸 采用數(shù)字方式，以防失真。本發(fā)明工作原理如下首先，通過(guò)鎧裝電纜將水上部分的電纜數(shù)據(jù)傳輸接口與海底部分的電纜數(shù)據(jù)傳輸 接口進(jìn)行連接，然后，通過(guò)USB接口將水上部分與工控機(jī)進(jìn)行連接；如圖1所示的水上部分 的控制面板示意圖，首先接通電源，按下上面的I/O鍵1，打開(kāi)水上部分；按下復(fù)位按鍵2，可 以使系統(tǒng)參數(shù)恢復(fù)為默認(rèn)值；數(shù)據(jù)輸出指示燈3，如果燈出于閃爍狀態(tài)，說(shuō)明數(shù)據(jù)正在傳輸 中；電源指示燈4，燈亮狀態(tài)，說(shuō)明系統(tǒng)已接通電源；電壓表5顯示底質(zhì)聲學(xué)測(cè)量?jī)x的當(dāng)前電 壓值；電流表6顯示底質(zhì)聲學(xué)測(cè)量?jī)x的當(dāng)前電流值；USB接口 7用來(lái)與工控機(jī)相連。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)如圖4所示工作界面實(shí)施控制，工作界面上部分為儀器控制、采樣 參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)4個(gè)控制區(qū)；下面部分為聲波波形顯示區(qū)。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)要先設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕后，跳出參數(shù)設(shè)置窗口， 進(jìn)入如圖5所示數(shù)據(jù)采集控制窗口 ；其中延遲時(shí)間(μ S)為采樣相對(duì)發(fā)射開(kāi)始的延遲時(shí)間， 可以輸入合理的延遲時(shí)間，以便更好地顯示波形。放大倍數(shù)為增益設(shè)置，可以點(diǎn)擊放大倍數(shù)旁邊的單選按鈕選擇合適的放大倍數(shù)。 點(diǎn)擊后，進(jìn)入如圖6所示增益選擇窗口，是進(jìn)行聲波信號(hào)接收前置放大電路增益選擇，從 0. 125 256提供M種選擇，滿足不同地質(zhì)條件下的測(cè)量需要。選擇一種放大增益，點(diǎn)擊 “0Κ”按鈕，即完成增益設(shè)置。采樣點(diǎn)數(shù)采樣點(diǎn)數(shù)可輸入512、10Μ、2048、4096個(gè)采樣點(diǎn)。采樣周期采樣周期可以在下拉列表框中選擇3. 2 μ S、1. 6 μ s、0. 8 μ s、0. 4 μ S、 0· 2 μ S。發(fā)射周期發(fā)射周期可以在下拉列表框中選擇0.5s、ls、2s、3s、4s。軟件測(cè)試可以用來(lái)測(cè)試系統(tǒng)工作是否正常。開(kāi)始采集將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置好之后，系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量采樣，“采集開(kāi)始”按鈕變?yōu)椤巴?止”，這時(shí)，采樣參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)都顯示在屏幕上，同時(shí)，波形顯示在下方屏幕上，如圖4所示。系統(tǒng)每進(jìn)行一次采樣，系統(tǒng)狀態(tài)下的測(cè)量計(jì)數(shù)都會(huì)增加一次。當(dāng)一段時(shí)間的 測(cè)量完成后，點(diǎn)擊“停止”，這時(shí)系統(tǒng)停止測(cè)量采樣。數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)記錄”按鈕，進(jìn)入如圖7所示保存“另存為”窗口，輸入適當(dāng)?shù)?文件名，點(diǎn)擊“保存”按鈕，即可將文件保存起來(lái)，這時(shí)保存的文件為二進(jìn)制文件。點(diǎn)擊“取 消”按鈕，可取消操作。文件回放該功能是將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，便于將各次采樣波形進(jìn) 行對(duì)比分析，也可以將存儲(chǔ)的二進(jìn)制文件另存為文本文檔，便于編輯、查看以及利用其他繪 圖軟件繪圖。點(diǎn)擊“文件回放”按鈕，進(jìn)入如圖8所示文件打開(kāi)窗口，可以選擇要打開(kāi)的文 件名，點(diǎn)擊“打開(kāi)”，即可以回放如圖9所示的以前存儲(chǔ)的波形。
權(quán)利要求
1.一種海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括通過(guò)電纜連接的水上部 分和海底部分，其中，水上控制部分包括GPS模塊、電源及電纜數(shù)據(jù)傳輸接口 ；海底部分包 括電纜數(shù)據(jù)傳輸接口、聲波發(fā)射激勵(lì)電路、聲波發(fā)射換能器探針(9)、聲波接收換能器探針 (10)及聲波波形數(shù)據(jù)采集電路；所述水上部分通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連；所述電纜數(shù)據(jù) 傳輸接口將工控機(jī)下達(dá)的控制命令調(diào)制后通過(guò)電纜(11)傳送給海底部分、并對(duì)海底部分 上傳的數(shù)據(jù)解調(diào)后送至工控機(jī)進(jìn)行處理、記錄。
2.按照權(quán)利要求1所述的海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述水上部 分的輸出端通過(guò)電纜(11)與聲波發(fā)射激勵(lì)電路相連、輸入端通過(guò)電纜(11)與聲波波形數(shù) 據(jù)采集電路相連，用于對(duì)海底部分傳遞控制命令和接收海底部分上傳的數(shù)據(jù)信號(hào)；所述聲 波發(fā)射換能器探針(9)通過(guò)數(shù)據(jù)線與聲波發(fā)射激勵(lì)電路相連，所述聲波接收換能器探針 (10)通過(guò)數(shù)據(jù)線與聲波波形數(shù)據(jù)采集電路相連；聲波發(fā)射換能器探針(9)和聲波接收換能 器探針(10)構(gòu)成聲系，用于采集數(shù)據(jù)信號(hào)。
3.按照權(quán)利要求1所述的海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于海底部分整 體為人字架形結(jié)構(gòu)，人字架的兩邊為鋼管，兩鋼管的一端焊接形成交叉點(diǎn)，該交叉點(diǎn)設(shè)有聲 波發(fā)射換能器探針(9)，兩鋼管的另一端與交叉點(diǎn)之間設(shè)有聲波接收換能器探針(10)。
4.按照權(quán)利要求3所述海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述海底人字 架的三個(gè)端點(diǎn)設(shè)有重力相等的加重鉛球(12)，該加重鉛球(1 使聲波發(fā)射換能器探針(9) 和聲波接收換能器探針(10)插入沉積物中，并使海底部分保持穩(wěn)定。
5.按照權(quán)利要求1所述海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述聲波發(fā)射 換能器探針(9)為寬頻高能量發(fā)射探頭；所述聲波接收換能器探針(10)為兩個(gè)以上的高靈 敏度接收探頭。
6.按照權(quán)利要求1或所述海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述聲波發(fā) 射激勵(lì)電路及聲波波形數(shù)據(jù)采集電路設(shè)置在電路密封耐壓容器(8)內(nèi)；所述電路密封耐壓 容器(8)固接在人字架上。
7.按照權(quán)利要求1或所述海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述GPS模 塊內(nèi)存有GPS定位程序，用于測(cè)定海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)的大地坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，具體說(shuō)是一種海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)。包括通過(guò)電纜連接的水上部分和海底部分，其中，水上控制部分包括GPS模塊、電源及電纜數(shù)據(jù)傳輸接口；海底部分包括電纜數(shù)據(jù)傳輸接口、聲波發(fā)射激勵(lì)電路、聲波發(fā)射換能器探針、聲波接收換能器探針及聲波波形數(shù)據(jù)采集電路；所述水上部分通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連；所述電纜數(shù)據(jù)傳輸接口將工控機(jī)下達(dá)的控制命令調(diào)制后通過(guò)電纜傳送給海底部分、并對(duì)海底部分上傳的數(shù)據(jù)解調(diào)后送至工控機(jī)進(jìn)行處理、記錄。采用本發(fā)明可以進(jìn)行站點(diǎn)式測(cè)量，也可以連續(xù)拖動(dòng)測(cè)量；得到的測(cè)量數(shù)據(jù)最接近其真實(shí)值，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。操作靈活方便，測(cè)量效率更高。
文檔編號(hào)G01C13/00GK102109343SQ20091025576
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者李會(huì)銀, 李艷華, 譚寶海, 谷明峰, 郭常升 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院海洋研究所