一种基于海底沉积物的声速测量系统.pdf

本发明涉及一种基于海底沉积物的声速测量系统，其主要技术特点是：包括底座、垂直支架、手摇柄、精密滚珠丝杠、线性滑块、接收换能器支架、接收换能器、发射换能器支架、发射换能器、测距传感器和测量仪表，测量仪表包括信号处理模块、DA模块、光耦隔离模块、功放模块、放大滤波模块、AD模块和数显装置，该信号处理模块通过DA模块、光耦隔离模块、功放模块与发射换能器相连接，该信号处理模块通过AD模块、放大滤波模块与接收换能器相连接。本发明在保证距离测量精度的前提下减小了样品长度，具有设计合理、结构紧凑、测量精度高且使用方便等特点。

权利要求书1.  一种基于海底沉积物的声速测量系统，其特征在于：包括底座、垂直支 架、手摇柄、精密滚珠丝杠、线性滑块、接收换能器支架、接收换能器、发射 换能器支架、发射换能器、测距传感器和测量仪表，垂直支架和发射换能器支 架安装在底座上，发射换能器安装在发射换能器支架上，精密滚珠丝杠安装在 垂直支架上，手摇柄安装在精密滚珠丝杠的顶端，该手摇柄与测距传感器相连 接并驱动测距传感器围绕精密滚珠丝杠旋转，线性滑块可上下滑动安装在精密 滚珠丝杠上，接收换能器支架水平安装在线性滑块的外侧，所述的接收换能器 安装在接收换能器支架的底部，在接收换能器与发射换能器之间安装有沉积物 样品管，该沉积物样品管的底部嵌装在发射换能器支架内；所述的测量仪表包 括信号处理模块、DA模块、光耦隔离模块、功放模块、放大滤波模块、AD模块 和数显装置，该信号处理模块通过DA模块、光耦隔离模块、功放模块与发射换 能器相连接，该信号处理模块通过AD模块、放大滤波模块与接收换能器相连接， 该信号处理模块还与测距传感器及数显装置相连接。 2.  根据权利要求1所述的一种基于海底沉积物的声速测量系统，其特征在 于：在发射换能器支架的底部侧壁上安装有一排水龙头。 3.  根据权利要求1或2所述的一种基于海底沉积物的声速测量系统，其特 征在于：所述的发射换能器采用窄波束的发射换能器。 4.  根据权利要求1或2所述的一种基于海底沉积物的声速测量系统，其特 征在于：所述的测距传感器采用的是光电编码器。 5.  根据权利要求1或2所述的一种基于海底沉积物的声速测量系统，其特 征在于：所述沉积物样品管直径为73mm，沉积物样品管长度为50～200mm，接 收换能器与发射换能器平面相对夹角不大于0.1度。

说明书一种基于海底沉积物的声速测量系统
技术领域
本发明属于声速测量技术领域，尤其是一种基于海底沉积物的声速测量系 统。
背景技术
目前，主要有以下两种测量装置用于海底沉积物声速测量：一种是国家海 洋局一所在海底沉积物声学特性研究中利用WSD-3数字声波仪构建了声速测量 装置，另一种是广东工业大学机电工程学院和中科院南海海洋研究所共同开发 了一种基于声波探针的海底沉积物声速测量装置。下面对上述两种声速测量装 置分别进行说明：
以WSD-3数字声波仪构建的声速测量装置，采用的是脉冲前沿检测的时延 估计方法。其发射换能器频率分别为25kHz,50kHz、100kHz、150kHz、200kHz、 250kHz六种，声学特性测试所用样品的长度用游标卡尺测量，精度为0.1mm。 重力式取样管获得的样品直径104mm，长度介于500～3000mm之间，平均长度 1093mm。该测量装置的优点是：样品长度大，对长度测量装置精度要求低，结 构简单；该测量装置的缺点是：换能器小，工作频率低，样品长度过大，测量 结果为各层沉积物声速的综合结果，影响测量。
基于声波探针的海底沉积物声速测量装置所采用的发射换能器频率40kHz， 样品长度300mm。该测量装置的缺点是：声波探针灵敏度低，对样品有额外的扰 动；频率低，介质内声场复杂。
综上所述，现有的海底沉积物声速测量装置主要存在以下问题：(1)采用 了平面发射换能器，但是没有考虑到声波频率、发射束宽和样品尺寸之间的关 系；发射束宽相对于样品尺寸普遍过大，声波在样品边界形成反射，导致接收 波形杂乱无章。(2)时延估计采用检测首波到达时间的方法，一方面，受系统 带宽、相移的影响，首波容易被漏检，从而造成时延测量的误差；另一方面， 首波的检测主要依靠人的观测，难以实现自动检测。(3)由于目前国内异形换 能器的制造工艺依然不是非常成熟，异形换能器的价格和性能仍无法满足实用 的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、结构紧凑、 测量精度高且使用方便的基于海底沉积物的声速测量系统。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于海底沉积物的声速测量系统，包括底座、垂直支架、手摇柄、精 密滚珠丝杠、线性滑块、接收换能器支架、接收换能器、发射换能器支架、发 射换能器、测距传感器和测量仪表，垂直支架和发射换能器支架安装在底座上， 发射换能器安装在发射换能器支架上，精密滚珠丝杠安装在垂直支架上，手摇 柄安装在精密滚珠丝杠的顶端，该手摇柄与测距传感器相连接并驱动测距传感 器围绕精密滚珠丝杠旋转，线性滑块可上下滑动安装在精密滚珠丝杠上，接收 换能器支架水平安装在线性滑块的外侧，所述的接收换能器安装在接收换能器 支架的底部，在接收换能器与发射换能器之间安装有沉积物样品管，该沉积物 样品管的底部嵌装在发射换能器支架内；所述的测量仪表包括信号处理模块、 DA模块、光耦隔离模块、功放模块、放大滤波模块、AD模块和数显装置，该信 号处理模块通过DA模块、光耦隔离模块、功放模块与发射换能器相连接，该信 号处理模块通过AD模块、放大滤波模块与接收换能器相连接，该信号处理模块 还与测距传感器及数显装置相连接。
而且，在发射换能器支架的底部侧壁上安装有一排水龙头。
而且，所述的发射换能器采用窄波束的发射换能器。
而且，所述的测距传感器采用的是光电编码器。
而且，所述沉积物样品管直径为73mm，沉积物样品管长度为50～200mm， 接收换能器与发射换能器平面相对夹角不大于0.1度。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明将沉积物样品管垂直设置接收换能器和发射换能器之间，采用测 距传感器测量发射换能器和接收换能器之间的准确距离并通过信号处理模块进 行声速计算，在保证距离测量精度的前提下减小了样品长度。
2、本发明采用窄波束的发射换能器，采用较低的工作频率，减小介质吸收 损失，保证接收信号质量，减小介质分层对声速测量的影响。
3、本发明采用双频CW脉冲信号时延测量方法，具有较高的时延测量精度， 并能实现自动检测功能。
4、本发明在进行测量时，不会破坏沉积物样品管中的样品。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是测量仪表的电路方框图；
图3是本发明的脉冲对结构示意图；
图1中，1-手摇柄，2-精密滚珠丝杠，3-线性滑块，4-接收换能器支架， 5-接收换能器，6-沉积物样品管，7-发射换能器支架，8-排水龙头，9-发射换 能器，10-底座，11-垂直支架，12-测距传感器，13-测量仪表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种基于海底沉积物的声速测量系统，如图1所示，包括底座10、垂直支 架11、手摇柄1、精密滚珠丝杠2、线性滑块3、接收换能器支架4、接收换能 器5、发射换能器支架7、发射换能器9、测距传感器12和测量仪表13。所述 的垂直支架和发射换能器支架安装在底座上，所述的发射换能器安装在发射换 能器支架上，所述精密滚珠丝杠安装在垂直支架上，所述的手摇柄安装在精密 滚珠丝杠的顶端，该手摇柄与测距传感器相连接并驱动测距传感器围绕精密滚 珠丝杠旋转，所述的线性滑块可上下滑动安装在精密滚珠丝杠上，所述的接收 换能器支架水平安装在线性滑块的外侧，所述的接收换能器安装在接收换能器 支架的底部，在接收换能器与发射换能器之间安装有沉积物样品管6，该沉积物 样品管的底部嵌装在发射换能器支架内，在发射换能器支架的底部侧壁上安装 有一排水龙头8，水龙头用来排出样品管流出的水。所述的测量仪表分别与接收 换能器、发射换能器以及测距传感器相连接。
在本实施例中，测距传感器采用的是光电编码器，在测量时，通过手摇柄 将测距传感器旋转至线性滑块的上方，该光电传感器可以精确测量线性滑块移 动位移，从而测定发射换能器和接收换能器之间的准确距离。接收换能器支架 随线性滑块上下滑动，根据沉积物样品管的长度，调节接收换能器和发射换能 器之间的距离。发射换能器采用窄波束的发射换能器，能够减小介质分层对声 速测量的影响。
在本实施例中，所述的沉积物样品管直径为73mm，沉积物样品管长度为50～ 200mm，接收换能器与发射换能器平面相对夹角不大于0.1度。所述的精密滚珠 丝杠导程5mm，精密滚珠丝杠定位精度0.02mm，距离测量误差小于0.05mm。
如图2所示，所述的测量仪表包括信号处理模块、DA模块、光耦隔离模块、 功放模块、放大滤波模块、AD模块，该信号处理模块通过DA模块、光耦隔离模 块、功放模块与发射换能器相连接，该信号处理模块通过AD模块、放大滤波模 块与接收换能器相连接，该信号处理模块还与测距传感器及数显装置相连接。 本测量仪表以信号处理模块为核心，信号处理模块将预设的数字信号脉冲发送 给DA模块，同时控制AD模块开始采集信号；DA模块将数字信号转换成模拟信 号，经光耦隔离模块传递给功放模块，功放模块将弱电压信号放大为高电压高 电流的信号推动发射换器发出声信号脉冲；接收换能器将声信号脉冲转换为微 弱电信号经过放大滤波模块进行放大并滤掉带外噪声，后通过AD模块转换为数 字信号得到发射换能器和接收换能器之间的准确距离。信号处理模块在测量到 距离后，再双频CW脉冲的时延测量方法计算得到发射到接收的时延值(收发波 形的时间差)，最后通过声速、距离和时间的关系，计算得到沉积物声速。
本声速测量系统的具体测量方法如下：
首先，将沉积物样品管放置在发射换能器支架上，通过手摇柄使精密滚珠 丝杠带动线性滑块做垂直移动，使接收换能器和沉积物样品管顶部接触，信号 处理模块根据测距传感器测得的计数值计算得到发射换能器和接收换能器之间 的实际距离。
在本步骤中，信号处理模块将测距传感器测得的计数值乘以设定倍率即可 得到发射换能器和接收换能器之间的实际距离。
然后，信号处理模块通过双频CW脉冲的时延测量方法计算出接收换能器和 发射换能器的波形时延真值。
测量仪表中的信号处理模块采用双频CW脉冲的时延测量方法进行声速的计 算，该时延测量方法可以消除前沿检测带来的周期模糊，同时达到相当高的时 延测量精度。具体方法如下：
发射换能器发射双频CW脉冲信号，双频CW脉冲由前后两个不同频率f1和f2的CW脉冲组成，如图3所示。其中f1＝(N+a)f，f2＝Nf，f的选取应保证相 位不模糊，N+a与N为互质数。CW1脉冲长度τ0是已知的，CW2比CW1延后τ0， τ为信号发射到接收的时延真值。
检测CW1的前沿后，时延τ0作为CW2的前沿，τd、为CW1的前沿的时间 和相位，为CW2前沿时刻的相位。则：

其中k1，k2＝0，1，２…，遍历k1，k2使：

在估计精度范围内成立。k1，k2的取值由前沿检测的质量决定，一般不会很大。 于是：

最后，通过声速＝距离/时间关系，计算得到海底沉积物的声速。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此 本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根 据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。