【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地球物理探测，尤其涉及一种基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法。
技术介绍
1、近年来，随着经济的发展，对于矿产资源的需求不断加大，在陆地矿产资源日益枯竭的当下寻矿方向必然逐渐转向深海。海底矿产资源中，富钴结壳是继多金属结核之后另一种备受各国关注的重要深海资源，在富钴结壳的海上调查工作中，结壳厚度是最重要最基本的参数之一。
2、海底矿石厚度一般指海底矿石的真厚度，即海底矿石的两个平行顶、底界面之间的垂直距离。目前对于深海矿石探测最为常见有效的方法有钻探取样以及浅地层剖面仪等。其中钻探取样是最直接最可靠的测量方法，但该方法作为一种“点作业”手段，只能获取少数站位的测量结果，且取样难度大、耗时长、成本高。受限于空间采样点数量，使用钻探采样方法对大范围结壳资源量的评估时会有较大误差。目前解决这个问题的方案大多选择使用基于声参量阵技术的浅地层剖面仪，声参量阵技术可以同时利用差频和和频声场，保证了对结壳厚度的高精度探测，但是声参量阵技术的能量转换效率较低，声信号带宽有限，测量结果容易收到外界噪声的干扰。
3、现有技术公开一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统。但该系统需要船载平台，仅适用于浅水淤泥厚度测量，同时由于震源频率的限制，分辨率仅能达到0.1m。因此，要满足地层厚度测量的技术需求，急需一种新技术方法。
4、中国专利技术专利一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，(公开号cn113093283a，公开日2021.07.09)，此方案所采用声源为电火花声源，与本方案激光击穿声
5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6、(1)钻探取样：需要返回室内处理，无法原位测量。
7、(2)浅地层剖面仪：处于系统带宽范围内的外界声源信号可串入造成干扰信号图像。船只摆动造成图像效果不佳。厚度分辨率仅达0.1m。
8、(3)虽然现有技术均可以对海底矿石厚度进行一定程度的测量，但厚度信息的获取受限于搭载平台。也没有采用水下激光诱导等离子的声波信号(激光声信号)进行探测，使得探测海底矿石厚度精度较低。
技术实现思路
1、为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，具体涉及一种基于激光诱导等离子体声源的多平台海底矿石厚度测量方法。
2、所述技术方案如下：基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，包括：
3、s1，利用采集等离子体声波的实验装置进行水下目标厚度反射声信号的采集；
4、s2，对取得的n个声信号进行预处理；
5、s3，提取上下表面反射波并计算厚度。
6、在步骤s1中，所述采集等离子体声波的实验装置包括能量衰减器、激光扩束镜、弯月透镜、双胶合透镜、镜筒；
7、所述能量衰减器将能量调整后的激光传输至激光扩束镜；
8、弯月透镜与双胶合透镜组合为聚焦透镜，所述聚焦透镜放置在镜筒中组合为聚焦透镜组；
9、激光扩束镜将激光扩束后发射至聚焦透镜组。
10、在步骤s1中，利用采集等离子体声波的实验装置进行水下目标厚度反射声信号的采集，包括：
11、采集等离子体声波的实验装置的激光扩束镜将激光扩束后发射至聚焦透镜组后，聚焦后的激光发射至待测样品；激光聚焦位置处于待测样品上方2～10cm；利用水听器对待测样品上下表面反射声波信号进行采集，并发送示波器。
12、在步骤s2中，对取得的n个声信号进行预处理，包括：
13、(1)提取等离子体膨胀声信号pn幅值a0与到达时间t0；n代表测量位置处取得的声信号总数；
14、(2)计算幅值标准偏差astd、到达时间标准偏差tstd、幅值平均值amean、到达时间平均值tmean；
15、(3)计算幅值偏离程度ae、到达时间偏离程度te；
16、(4)剔除偏离程度大于2倍标准差的值，具体为：ae>2×astd，te>2×tstd，得到剔除异常值后m个声信号pm；
17、(5)平均声信号pm得到平均值pa；
18、(6)对平均值pa进行带通滤波，剔除低频段噪声得到特征声信号pb。
19、进一步，所述提取等离子体膨胀声信号pn幅值a0与到达时间t0，包括：使用matlab函数max寻找最大值，表达式为：[a0，t0]＝max(pn)。
20、进一步，计算幅值平均值amean的表达式为：
21、amean＝sum(ai)/n
22、在进行厚度测量时在同一位置处采集若干次声信号，n代表测量位置处取得的声信号总数；ai为第i个声信号的幅值，其中，i为从1到n的整数。
23、进一步，计算幅值标准偏差astd的表达式为：
24、astd＝sqrt(sum((ai-amean)^2)/n)
25、其中，i为从1到n的正整数；
26、计算幅值偏离程度ae、到达时间偏离程度te的表达式为：
27、ae＝|a0-amean|
28、te＝|t0-tmean|。
29、在步骤s3中，提取上下表面反射波并计算厚度，包括：
30、对得到的特征声信号pb进行特征识别，提取上下反射声信号峰值到达时间t1、t2；待测样品厚度为：
31、d＝c×|t1-t2|/2
32、其中，c为样品中声速。
33、进一步，所述特征声信号pb进行特征识别，包括：
34、获取脉宽低于阈值的脉冲信号，该阈值为2us；
35、获取峰值高于阈值的脉冲信号，阈值取决于幅值a0，根据不同介质声波反射透射公式计算上表面反射波阈值为：
36、0.5×|(z2-z1)/(z1+z2)|×a0
37、下表面反射波阈值为：
38、0.5×|(4×z1×z2×(z1-z2)/(z1+z2)^3)|a0
39、其中，z1、z2为水与目标介质阻抗，z＝ρv，ρ为介质密度，v为介质中声速。
40、进一步，该方法应用于无缆水下机器人auv上，实现深海环境下的海底矿石厚度测量。
41、结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术采用水下激光诱导等离子的声波信号(激光声信号)进行探测，既可以较高分辨率(1mm)获得海底矿石厚度，又不受限于搭载平台，可实现深海原位探测。
42、对于现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的是针对海底矿石厚度的测量，提出了一种海底矿石深度测量的新技术方法。将一束脉冲激光聚焦于液体中可以产生等离子体，这一物理过程会产生等本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述采集等离子体声波的实验装置包括能量衰减器(1)、激光扩束镜(2)、弯月透镜(3)、双胶合透镜(4)、镜筒(5)；
3.根据权利要求2所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤S1中，利用采集等离子体声波的实验装置进行水下目标厚度反射声信号的采集，包括：
4.根据权利要求1所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤S2中，对取得的n个声信号进行预处理，包括：
5.根据权利要求4所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，所述提取等离子体膨胀声信号Pn幅值A0与到达时间T0，包括：使用matlab函数max寻找最大值，表达式为：[A0，T0]＝max(Pn)。
6.根据权利要求4所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，计算幅值平均值Ame
7.根据权利要求6所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，计算幅值标准偏差Astd的表达式为：
8.根据权利要求1所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤S3中，提取上下表面反射波并计算厚度，包括：
9.根据权利要求8所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，所述特征声信号Pb进行特征识别，包括：
10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，该方法应用于无缆水下机器人AUV上，实现深海环境下的海底矿石厚度测量。
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述采集等离子体声波的实验装置包括能量衰减器(1)、激光扩束镜(2)、弯月透镜(3)、双胶合透镜(4)、镜筒(5)；
3.根据权利要求2所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤s1中，利用采集等离子体声波的实验装置进行水下目标厚度反射声信号的采集，包括：
4.根据权利要求1所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，在步骤s2中，对取得的n个声信号进行预处理，包括：
5.根据权利要求4所述的基于激光诱导等离子体声源探测海底矿石厚度的方法，其特征在于，所述提取等离子体膨胀声信号pn幅值a0与到达时间t0，包括：使用mat...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋文华，刘清溪，田野，叶旺全，商祥年，刘震，崔鸿鹏，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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