本發(fā)明涉及海洋技術領域，特別涉及一種海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)和方法。

背景技術：

海底冷泉是指來自海底沉積地層的氣體以噴涌或滲漏的方式逸出海底的一種海洋地質(zhì)現(xiàn)象。海底冷泉的發(fā)育和分布一般與天然氣水合物的分解或與海床下天然氣及石油沿地質(zhì)薄弱帶的上升密切相關，海底冷泉已成為指示現(xiàn)代海底發(fā)育或尚存天然氣水合物最有效的標志之一。天然氣水合物在自然界有廣泛的分布，尤其是在廣闊的海底，儲量驚人。據(jù)了解，全球天然氣水合物的儲量是現(xiàn)有天然氣和石油儲量的兩倍，具有廣闊的開發(fā)前景。天然氣水合物是一種分布廣，儲量大，能量密度高的新型高效優(yōu)質(zhì)能源，清潔無污染。因此，本發(fā)明針對海底淺層氣逸出氣泡的特點，實現(xiàn)快速確定冷泉富集海域，進而促進天然氣水合物的勘探，經(jīng)濟效益顯著。

目前，國內(nèi)的海洋氣泡檢測技術多采用水下攝像機等常規(guī)深潛器探測的檢測手段，具有應用范圍小，作業(yè)效率低等問題；采用聲納探測方法，具有方便，快捷，作業(yè)效率高等特點。

目前，探測冷泉的專用設備還在研發(fā)階段，現(xiàn)有的設備只能探測到一些特有的氣泡，如Geopulse系列、Chirp系列的淺地層剖面儀，只能探測到中等、大的淺層氣逸出氣泡和部分偶爾出現(xiàn)的大氣泡。另外，測深儀主要是測量深度，只能探測到較小的淺層氣逸出氣泡。此外，常規(guī)旁側(cè)聲納探測主要是圖像方面的功能，單道地震、多道地震主要用來測量地震，且單道地震不會探測到常見的淺層氣逸出氣泡，只能探測到偶爾出現(xiàn)的大氣泡，探測范圍較小；多道地震只能探測到大氣泡，其遠大于淺層氣逸出氣泡，易破碎。常規(guī)旁側(cè)聲納探測到的氣泡遠小于常見的淺層氣逸出氣泡，不適于探測淺層氣逸出氣泡。

因此，國內(nèi)自主研發(fā)的淺層氣逸出氣泡探測儀器已經(jīng)迫在眉睫。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有方法探測冷泉速度慢和范圍小的問題，本發(fā)明提供了一種海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明提供了一種海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)，所述的海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)包括：含有多個換能器組成的換能器基陣，電纜，收發(fā)合置開關，發(fā)射機，接收機，信號處理機，回聲處理服務器和供電模塊。所述的換能器基陣放置于水下，并且通過所述的電纜連接位于水上的所述的收發(fā)合置開關的一側(cè)，在水上，所述的收發(fā)合置開關另一側(cè)連接所述的發(fā)射機和所述的接收機，所述的發(fā)射機和所述的接收機分別連接所述的信號處理機，所述的信號處理機連接所述的回聲處理服務器，所述的供電模塊為整個系統(tǒng)提供電源。

所述的含有多個換能器的換能器基陣為水下系統(tǒng)，水上系統(tǒng)包括：所述的收發(fā)合置開關，所述的發(fā)射機，所述的接收機，所述的信號處理機，所述的回聲處理服務器和所述的供電模塊。

所述的換能器基陣，包括換能器元件，支撐框架，安裝接口，襯板，匹配層和密封件。所述的襯板覆蓋在所述的支撐框架上，所述的襯板上包含有呈等間距排列的孔，所述的換能器元件呈等間距放入所述的襯板的孔中，所述的匹配層置于所述的換能器元件的正上方，增加工作帶寬，確保所述的換能器基陣發(fā)射寬帶信號；所述的密封件緊密連接在所述的支撐框架的下方，形成水密封，且連接所述的電纜的端口。所述的安裝接口為備用接口，起到固定的作用。所述的換能器基陣的工作范圍為2-4000m。所述的換能器基陣將接收或發(fā)射的信號進行電信號與聲信號之間的轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射時，將所述的發(fā)射機輸出的寬帶多頻點電信號轉(zhuǎn)換成聲信號；在接收時，將接收到的寬帶多頻點聲學回波信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號發(fā)送給所述的接收機。

所述的電纜，采用水密電纜。

所述的發(fā)射機包括匹配網(wǎng)絡和功率放大器，所述的匹配網(wǎng)絡用來實現(xiàn)功率放大器與換能器基陣之間的阻抗匹配，進而提高電信號與聲信號之間的轉(zhuǎn)換效率，所述的功率放大器用來放大發(fā)射信號的功率。因此，所述的工作頻率范圍選為10-20kHz。

所述的接收機包括前級放大器，濾波器，含增益控制的后級放大器和數(shù)據(jù)采集器，所述的前級放大器將電信號進行前級放大，所述的濾波器對前級放大后的電信號進行濾波，所述的后級放大器對濾波后的電信號進行后級放大，所述的數(shù)據(jù)采集器用來將經(jīng)后級放大器放大的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的電信號。

所述的回聲處理服務器上連接人機接口，顯示設備和GPS設備，

所述的供電模塊包括電源和電源控制單元，電源和電源控制單元連接。

本發(fā)明同時提供了一種海底冷泉水體回聲反射探測的方法，其包括如下步驟：

1)所述的供電模塊開始工作，所述的回聲處理服務器通過人機接口接收人為和遠程的探測操作或指令，進而所述的信號處理機生成寬帶多頻點的發(fā)射 信號，該發(fā)射信號經(jīng)所述的發(fā)射機放大后傳輸給所述的收發(fā)合置開關，該信號通過所述的電纜到達所述的換能器基陣，所述的換能器基陣將該發(fā)射信號由電信號轉(zhuǎn)換為聲信號發(fā)射出去。

2)隨后，所述的換能器基陣接收該聲信號的聲學回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，通過所述的電纜和所述的收發(fā)合置開關將電信號傳輸?shù)剿龅慕邮諜C，所述的接收機將微弱的電信號接收，該電信號在所述的接收機中經(jīng)過濾波和放大。

3)隨后，傳輸?shù)剿龅男盘柼幚頇C，所述的信號處理機接收來自所述的接收機的電信號，并且對該電信號進行信號處理，控制系統(tǒng)工作過程及工作狀態(tài)。

4)所述的回聲處理服務器接收來自所述的信號處理機的電信號，將其轉(zhuǎn)換為逸出氣泡的圖像，隨后在所述的顯示設備上，采用聲納圖像顯示技術，顯示探測結(jié)果，再根據(jù)逸出氣泡的特性來判別所述的電信號對應的聲信號是否為冷泉。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：采用了多個換能器組合成換能器基陣的方式，簡化了換能器的加工工藝；采用了船底，船舷或拖拽的方式，簡單方便，有利的加快了探測海底冷泉的探測速度，同時也使得探測范圍增大了，通過采用寬帶多頻點的聲學探測技術，可探測出不同尺寸的逸出氣泡。

附圖說明

圖1是海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

1、換能器基陣 2、電纜

3、收發(fā)合置開關 4、發(fā)射機

5、接收機 6、信號處理機

7、回聲處理服務器 8、供電模塊

圖2是海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)的水上和水下的系統(tǒng)框圖

1、換能器基陣 2、電纜

3、收發(fā)合置開關 4、發(fā)射機

5、接收機 6、信號處理機

7、回聲處理服務器 8、供電模塊

9、顯示設備 10、GPS設備

11、人機接口 81、電源

82、電源控制單元

圖3是海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)接收機和發(fā)射機的原理框圖

41、匹配網(wǎng)絡 42、功率放大器

51、前級放大器 52、濾波器

53、含增益控制的后級放大器 54、數(shù)據(jù)采集器

圖4是海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)的換能器基陣結(jié)構(gòu)示意圖

12、換能器元件 13、安裝接口

14、襯板 15、匹配層

16、密封件 17、支撐框架

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

如圖1所示，所述的海底冷泉水體回聲反射探測系統(tǒng)包括：含有多個換能器組成的換能器基陣1，電纜2，收發(fā)合置開關3，發(fā)射機4，接收機5，信號處理機6，回聲處理服務器7和供電模塊8。所述的換能器基陣1放置于水下，并且通過所述的電纜2連接在位于水上的所述的收發(fā)合置開關3的一側(cè)，在水上，所述的收發(fā)合置開關3另一側(cè)連接所述的發(fā)射機4和所述的接收機5，所述的發(fā)射機4和所述的接收機5分別連接所述的信號處理機6，所述的信號處理機6連接所述的回聲處理服務器7，所述的供電模塊8為整個系統(tǒng)提供電源。

如圖2所示，所述的含有多個換能器的換能器基陣1為水下系統(tǒng)，水上系統(tǒng)包括：所述的收發(fā)合置開關3，所述的發(fā)射機4，所述的接收機5，所述的信號處理機6，所述的回聲處理服務器7和所述的供電模塊8。

如圖4所示，所述的換能器基陣1，包括換能器元件12，支撐框架17，安裝接口13，襯板14，匹配層15和密封件16。所述的襯板14覆蓋在所述的支撐框架上，所述的襯板14上包含有呈等間距排列的孔，所述的換能器元件12呈等間距放入所述的襯板14的孔中，所述的匹配層15置于所述的換能器元件12的正上方，增加工作帶寬，確保所述的換能器基陣1可以發(fā)射寬帶信號；所述的密封件16緊密連接在所述的支撐框架17的下方，形成水密封，且連接所述的電纜2的端口。所述的安裝接口為備用接口，起到固定的作用。所述的換能器基陣1的工作范圍為2-4000m。所述的換能器基陣1將接收或發(fā)射的信號進行電信號與聲信號之間的轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射時，將所述的發(fā)射機4輸出寬帶多頻點的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號；在接收時，將接收到寬帶多頻點的聲學回波信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號發(fā)送給所述的接收機5。

所述的電纜2，采用水密電纜。

如圖3所示，所述的發(fā)射機4包括匹配網(wǎng)絡41和功率放大器42，所述的匹配網(wǎng)絡用來實現(xiàn)功率放大器與換能器基陣之間的阻抗匹配，進而提高電信號與聲信號之間的轉(zhuǎn)換效率，所述的功率放大器用來放大發(fā)射信號的功率。根據(jù)寬帶多頻點的聲學探測技術，所述的換能器基陣會發(fā)出多個工作頻率，而氣泡的尺寸和深度又影響了氣泡的共振頻率，因此，當所述的系統(tǒng)的工作頻率與氣泡的共振頻率相同時，氣泡的聲學目標最大、強度最強，氣泡最容易被探測到，才會探測到多尺寸的氣泡。由于高頻聲信號在海水中的吸收比較大，因此，所述的工作頻率范圍選為10-20kHz。

如圖3所示，所述的接收機5包括前級放大器51，濾波器52，含增益控制的后級放大器53和數(shù)據(jù)采集器54，所述的前級放大器51將電信號進行前級放大，所述的濾波器52對前級放大后的電信號進行濾波，所述的后級放大器53對濾波后的電信號進行后級放大，所述的數(shù)據(jù)采集器54用來將經(jīng)后級放大器放大的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的電信號。

所述的回聲處理服務器7上連接人機接口，顯示設備和GPS設備。

所述的供電模塊8包括電源和電源控制單元，電源和電源控制單元連接。

如圖2所示，所述的供電模塊8開始工作，所述的回聲處理服務器7通過人機接口11接收人為和遠程的探測操作或指令，進而所述的信號處理機生成寬帶多頻點的發(fā)射信號，該發(fā)射信號經(jīng)所述的發(fā)射機4放大后傳輸給所述的收發(fā)合置開關3，該信號通過所述的電纜2到達所述的換能器基陣1，所述的換能器基陣1將該發(fā)射信號由電信號轉(zhuǎn)換為聲信號發(fā)射出去。隨后，所述的換能器基陣1接收該聲信號的聲學回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，通過所述的電纜2和所述的收發(fā)合置開關3將電信號傳輸?shù)剿龅慕邮諜C5，所述的接收機5將微弱的電信號接收，該電信號在所述的接收機5中經(jīng)過濾波和放大。隨后，傳輸?shù)剿龅男盘柼幚頇C6，所述的信號處理機6接收來自所述的接收機的電信號，并且對該電信號進行信號處理，控制系統(tǒng)工作過程及工作狀態(tài)。所述的回聲處理服務器7接收來自所述的信號處理機的電信號，根據(jù)聲波強度的高低形成灰度像素并提取位置、形狀、高度、強度等特征參數(shù)，結(jié)合水體回聲反射圖像處理技術處理特征參數(shù)，將該電信號轉(zhuǎn)換為逸出氣泡的圖像，隨后在所述的顯示設備上，采用聲納圖像顯示技術，顯示探測結(jié)果，再根據(jù)逸出氣泡的特性來判別所述的電信號對應的聲信號是否為冷泉，如果判斷該聲信號為冷泉信號，則通過GPS設備10來記錄位置信息，通過顯示設備9來顯示圖像并且保存圖像。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。