一种深海沉积物声学参数的自动提取方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种深海沉积物声学参数的自动提取方法及系统，该系统包括远程控制终端，卫星通讯装置，水声通讯装置，声学信号采集单元，声学信号收发装置。远程控制终端包括计算机和控制软件；声学信号采集单元包括主控单元、高压电路板、信号发生放大电路板；主控单元包括存储控制模块和数据处理模块；声学信号收发装置包括发射换能器和接收换能器；本发明专利技术中的数据处理模块自动提取沉积物中的声波速度和声衰减系数；水声通讯装置将声波速度和声衰减系数传输到卫星通讯装置；卫星通讯装置将声波速度和声衰减系数传输到远程控制终端。本发明专利技术解决了深海沉积物声学测量中大量数据传输存在的难题，不仅提升了工作效率，还提高了数据的准确性。

A method and system for automatic extraction of acoustic parameters of deep-sea sediments

The invention discloses an automatic extraction method and system for deep-sea sediment acoustic parameters, which includes remote control terminal, satellite communication device, underwater acoustic communication device, acoustic signal acquisition unit, acoustic signal transceiver device. The remote control terminal includes computer and control software; acoustic signal acquisition unit comprises a main control unit, high voltage circuit board, signal amplification circuit board; the main control unit comprises a storage control module and data processing module; acoustic signal receiving device comprises a transmitting transducer and receiving transducer; automatic extraction of acoustic velocity and acoustic attenuation coefficient in sediment data processing module of the invention; underwater acoustic communication device of acoustic velocity and attenuation coefficient of transmission to the satellite communication device; satellite communication device of acoustic velocity and attenuation coefficient of transmission to the remote control terminal. The invention solves the problem of large data transmission in deep sea sediment acoustic measurement, not only improves the work efficiency, but also improves the accuracy of the data.

【技术实现步骤摘要】
一种深海沉积物声学参数的自动提取方法及系统
本专利技术涉及一种深海沉积物声学参数的自动提取方法及系统，属于海底沉积声学

技术介绍
了解海底沉积物的声学物理性质(主要包括声波速度和声衰减系数)对海底矿产资源开发、海洋工程建设、军事海洋学及海洋地质学等领域具有极其重要的意义。测量海底沉积物声学物理性质的主要方法包括两种，一是采用传统的海底取样方法，并在船上实验室利用超声波设备进行甲板测试，然后把实验室测量结果修正到现场测量值。这种方法有诸多缺点，首先，深海取样过程费时、费力，并受海况和底质条件的影响大，不易获得完整、连续的沉积物样品，其次，样品失去了原有的温度、压力等环境条件，不可避免地降低测量精度。另一种是近年来新兴的声学原位测量手段，该方法的工作原理是将声学测量传感器插入海底沉积物中，通过采集仪直接获取透过沉积物的声学信号，提取信号初至时间并计算声波速度和声衰减系数，避免了传统测量方法中存在的缺点。目前，已有的声学原位测量设备采用两种方式控制数据的采集和存储。一种是采集仪置于船体甲板，测量传感器置于海底沉积物中，通过传输电缆实现实时通讯，这类仪器不适合于深海声学测量，因水深越大需要的电缆越长，从而造成信号传输衰减和电缆安全隐患；另一种是采集仪和换能器均置于海底，通过采集仪内置的程序自动存储记录声学信号，然后采用设备回收到甲板后人工提取数据进行处理。上述两类方法因需要采用电缆连接，或者需要反复提升仪器设备，存在费时、费力、投资高，还容易扰动沉积物等一系列缺点，只适用于短期检测，因而，这两类设备均无法实现长期原位监测的目的。采用无线水声通讯方式可解决上述难题，但由于声学测量数据量大，并受水声通讯带宽的限制，无法短时间内完成数据传输，直接影响监测进程。此外，在计算声学物理性质时，因拾取初至时间易受人为误判因素的影响，导致测量精度降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，而提供一种深海沉积物声学参数的自动提取方法及系统，采用无缆连接方式，解决了深海沉积物声学测量中大量数据传输存在的难题，提高了数据的准确性，也提升了工作效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种深海沉积物声学参数的自动提取方法，包括以下步骤：(1)启动远程控制终端的计算机，通过远程控制终端计算机内的控制软件设定采集参数，所述的参数包括采样长度、采样频率、发射电压、滤波参数、通道参数、采集时间间隔；(2)通过远程控制终端计算机内的控制软件向卫星通讯装置发送采集参数；(3)通过卫星通讯装置向水声通讯装置发送采集参数；(4)通过水声通讯装置向声学采集单元中主控单元的存储控制模块发送采集参数从而启动主控单元，主控单元中的存储控制模块启动高压电路板产生30kHz频率的高压脉冲信号，信号发生放大电路板放大高压脉冲信号后，向声学信号收发装置的声学发射换能器发送高压脉冲信号，驱动发射换能器产生声波振动；(5)发射换能器产生的声波振动向海底沉积物中传播，接收换能器接收透过沉积物的振动信号且将振动信号以电信号的方式发送到主控单元的存储控制模块，并保存原始数据；(6)存储控制模块接收到数据后，调用主控单元中的数据处理模块，自动提取两换能器之间沉积物的声波速度和/或声衰减系数，且将提取的声波速度和声衰减系数发送到水声通讯装置；(7)通过水声通讯装置将提取的声波速度和声衰减系数发送到海面的卫星通讯装置；(8)卫星通讯装置将提取的声波速度和声衰减系数发送到室内远程控制终端计算机内的控制软件，然后将处理结果绘制成图形。上述技术方案中，步骤(6)中，在主控单元的存储控制模块接收到数据后，调用主控单元中的数据处理模块，其中：声波速度自动提取模块自动计算初至时差和声波速度；初至时差计算方法采用两个接收换能器信号的互相关算法，计算公式为：式中，x(t)、y(t)为两换能器接收到的声波信号，Rxy(τ)为相关系数，τ为两信号的时差(单位：s)；声波速度的计算公式为：v＝L/τ式中，v为声波速度(单位：m/s)，L为两换能器间的距离(单位：m)。上述技术方案中，步骤(6)中，在主控单元的存储控制模块接收数据后，调用主控单元中的数据处理模块，其中：声衰减系数自动提取模块自动计算出功率谱和声衰减系数；功率谱的算法采用离散数据的傅氏变换，采用的公式为：式中，x(n)为声学信号的N个观测数据序列，直接计算x(n)的离散傅立叶变换，得x(k)，然后再取其幅值的平方，并除以N，作为序列x(n)功率谱；根据两个换能器接收到的声波信号计算出来的功率谱A1(k)和A2(k)数据序列，由声衰减系数计算模块自动搜索最大能量值A1max和A2max，再采用公式α＝-20lg(A1max/A2max)/H，计算出声衰减系数。本专利技术还提供一种用于深海沉积物声学参数自动提取的声学原位测量系统，包括依次连接的远程控制终端、卫星通讯装置、水声通讯装置、声学信号采集单元、声学信号收发装置：所述的远程控制终端位于室内，包括计算机和控制软件，与卫星通讯装置通过无线卫星通信方式相连接，向卫星通讯装置发送采集参数，或接收从卫星通讯装置发送的声波速度和声衰减系数；所述的卫星通讯装置位于海面浮标内，与远程控制终端通过无线卫星通信方式相连接，卫星通讯装置接收远程控制终端发送的采集参数，或将接收到声波速度和声衰减系数发送到远程控制终端；所述的水声通讯装置位于海底的压力舱内，与卫星通讯装置通过水声通信方式相连接，水声通讯装置接收卫星通讯装置发送的采集参数，或将接收到声波速度和声衰减系数发送到卫星通讯装置；所述的声学信号采集单元位于海底的压力舱内，声学信号采集单元通过水密电缆与水声通讯装置连接；包括主控单元、高压电路板、及信号发生放大电路板；所述的主控单元包括存储控制模块和数据处理模块；主控单元具有控制采集参数、自动计算声波速度和声衰减系数以及存储功能，高压电路板用于产生高压脉冲信号，信号发生放大电路板用于放大高压脉冲信号；存储控制模块用于接收远程控制终端中控制软件发送的采集参数和/或保存由接收换能器发送回来的声波原始数据；所述的声学信号收发装置插入海底沉积物中，声学信号收发装置通过水密电缆与压力舱内声学信号采集单元中的存储控制模块相连接；包括发射换能器和接收换能器，分别用于向海底沉积物中发射振动信号和接收透过沉积物的声学信号。上述技术方案中，所述的数据处理模块，包括声波速度自动提取模块和声衰减系数自动提取模块，两个模块彼此独立运行；其中：声波速度自动提取模块用于计算所述两换能器之间沉积物中的声波速度，声衰减系数自动提取模块用于计算所述两换能器之间沉积物中的声衰减系数；进一步的，所述的声波速度自动提取模块，包括初至时差自动计算模块和声波速度自动计算模块，两模块之间为串联关系，计算过程中先计算初至时差，再计算声波速度；声衰减系数自动提取模块，包括功率谱自动计算模块和声衰减系数自动计算模块，两模块之间为串联关系，计算过程中先计算功率谱，再计算声衰减系数。上述技术方案中，所述的声学信号收发装置，包括发射换能器和接收换能器，声学信号采集单元向发射换能器发送高压脉冲信号从而驱动发射换能器产生声波振动，发射换能器产生声波振动从而向海底沉积物中发射高频脉冲振动信号，海底沉积物接收到高频脉冲振动信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海沉积物声学参数的自动提取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)启动远程控制终端(1)的计算机，通过远程控制终端计算机内的控制软件设定采集参数，所述的参数包括采样长度、采样频率、发射电压、滤波参数、通道参数、采集时间间隔；(2)通过远程控制终端计算机内的控制软件向卫星通讯装置(2)发送采集参数；(3)通过卫星通讯装置向水声通讯装置(3)发送采集参数；(4)通过水声通讯装置向声学采集单元(4)中主控单元(41)的存储控制模块(411)发送采集参数从而启动主控单元，主控单元中的存储控制模块启动高压电路板(42)产生30kHz频率的高压脉冲信号，信号发生放大电路板(43)放大高压脉冲信号后，向声学信号收发装置(5)的声学发射换能器(51)发送高压脉冲信号，驱动声学发射换能器产生声波振动；(5)发射换能器产生的声波振动向海底沉积物中传播，接收换能器(52)接收透过沉积物的振动信号且将振动信号以电信号的方式发送到主控单元中的存储控制模块，并保存原始数据；(6)存储控制模块接收到数据后，调用主控单元的数据处理模块(412)，自动提取两换能器之间沉积物的声波速度和/或声衰减系数，且将提取的声波速度和声衰减系数发送到水声通讯装置；(7)通过水声通讯装置将提取的声波速度和声衰减系数发送到海面的卫星通讯装置；(8)卫星通讯装置将提取的声波速度和声衰减系数发送到室内远程控制终端计算机内的控制软件，然后将处理结果绘制成图形。...

【技术特征摘要】
1.一种深海沉积物声学参数的自动提取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)启动远程控制终端(1)的计算机，通过远程控制终端计算机内的控制软件设定采集参数，所述的参数包括采样长度、采样频率、发射电压、滤波参数、通道参数、采集时间间隔；(2)通过远程控制终端计算机内的控制软件向卫星通讯装置(2)发送采集参数；(3)通过卫星通讯装置向水声通讯装置(3)发送采集参数；(4)通过水声通讯装置向声学采集单元(4)中主控单元(41)的存储控制模块(411)发送采集参数从而启动主控单元，主控单元中的存储控制模块启动高压电路板(42)产生30kHz频率的高压脉冲信号，信号发生放大电路板(43)放大高压脉冲信号后，向声学信号收发装置(5)的声学发射换能器(51)发送高压脉冲信号，驱动声学发射换能器产生声波振动；(5)发射换能器产生的声波振动向海底沉积物中传播，接收换能器(52)接收透过沉积物的振动信号且将振动信号以电信号的方式发送到主控单元中的存储控制模块，并保存原始数据；(6)存储控制模块接收到数据后，调用主控单元的数据处理模块(412)，自动提取两换能器之间沉积物的声波速度和/或声衰减系数，且将提取的声波速度和声衰减系数发送到水声通讯装置；(7)通过水声通讯装置将提取的声波速度和声衰减系数发送到海面的卫星通讯装置；(8)卫星通讯装置将提取的声波速度和声衰减系数发送到室内远程控制终端计算机内的控制软件，然后将处理结果绘制成图形。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，在主控单元的存储控制模块接收到数据后，调用主控单元中的数据处理模块，其中：声波速度自动提取模块(4121)自动计算初至时差和声波速度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，在主控单元的存储控制模块接收数据后，调用主控单元中的数据处理模块，其中：声衰减系数自动提取模块(4122)自动计算出功率谱和声衰减系数。4.一种用于深海沉积物声学参数自动提取的声学原位测量系统，包括依次连接的远程控制终端(1)、卫星通讯装置(2)、水声通讯装置(3)、声学信号采集单元(4)、声学信号收发装置(5)，其特征在于：所述的远程控制终端(1)位于室内，包括计算机和控制软件，与卫星通讯装置通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆生，郭秀军，贾永刚，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37