一种海底冷泉水体回声反射探测系统和方法与流程

本发明涉及海洋技术领域，特别涉及一种海底冷泉水体回声反射探测系统和方法。

背景技术：

海底冷泉是指来自海底沉积地层的气体以喷涌或渗漏的方式逸出海底的一种海洋地质现象。海底冷泉的发育和分布一般与天然气水合物的分解或与海床下天然气及石油沿地质薄弱带的上升密切相关，海底冷泉已成为指示现代海底发育或尚存天然气水合物最有效的标志之一。天然气水合物在自然界有广泛的分布，尤其是在广阔的海底，储量惊人。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气和石油储量的两倍，具有广阔的开发前景。天然气水合物是一种分布广，储量大，能量密度高的新型高效优质能源，清洁无污染。因此，本发明针对海底浅层气逸出气泡的特点，实现快速确定冷泉富集海域，进而促进天然气水合物的勘探，经济效益显著。

目前，国内的海洋气泡检测技术多采用水下摄像机等常规深潜器探测的检测手段，具有应用范围小，作业效率低等问题；采用声纳探测方法，具有方便，快捷，作业效率高等特点。

目前，探测冷泉的专用设备还在研发阶段，现有的设备只能探测到一些特有的气泡，如Geopulse系列、Chirp系列的浅地层剖面仪，只能探测到中等、大的浅层气逸出气泡和部分偶尔出现的大气泡。另外，测深仪主要是测量深度，只能探测到较小的浅层气逸出气泡。此外，常规旁侧声纳探测主要是图像方面的功能，单道地震、多道地震主要用来测量地震，且单道地震不会探测到常见的浅层气逸出气泡，只能探测到偶尔出现的大气泡，探测范围较小；多道地震只能探测到大气泡，其远大于浅层气逸出气泡，易破碎。常规旁侧声纳探测到的气泡远小于常见的浅层气逸出气泡，不适于探测浅层气逸出气泡。

因此，国内自主研发的浅层气逸出气泡探测仪器已经迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有方法探测冷泉速度慢和范围小的问题，本发明提供了一种海底冷泉水体回声反射探测系统和方法。

本发明提供了一种海底冷泉水体回声反射探测系统，所述的海底冷泉水体回声反射探测系统包括：含有多个换能器组成的换能器基阵，电缆，收发合置开关，发射机，接收机，信号处理机，回声处理服务器和供电模块。所述的换能器基阵放置于水下，并且通过所述的电缆连接位于水上的所述的收发合置开关的一侧，在水上，所述的收发合置开关另一侧连接所述的发射机和所述的接收机，所述的发射机和所述的接收机分别连接所述的信号处理机，所述的信号处理机连接所述的回声处理服务器，所述的供电模块为整个系统提供电源。

所述的含有多个换能器的换能器基阵为水下系统，水上系统包括：所述的收发合置开关，所述的发射机，所述的接收机，所述的信号处理机，所述的回声处理服务器和所述的供电模块。

所述的换能器基阵，包括换能器元件，支撑框架，安装接口，衬板，匹配层和密封件。所述的衬板覆盖在所述的支撑框架上，所述的衬板上包含有呈等间距排列的孔，所述的换能器元件呈等间距放入所述的衬板的孔中，所述的匹配层置于所述的换能器元件的正上方，增加工作带宽，确保所述的换能器基阵发射宽带信号；所述的密封件紧密连接在所述的支撑框架的下方，形成水密封，且连接所述的电缆的端口。所述的安装接口为备用接口，起到固定的作用。所述的换能器基阵的工作范围为2-4000m。所述的换能器基阵将接收或发射的信号进行电信号与声信号之间的转换，即在发射时，将所述的发射机输出的宽带多频点电信号转换成声信号；在接收时，将接收到的宽带多频点声学回波信号转换成微弱的电信号发送给所述的接收机。

所述的电缆，采用水密电缆。

所述的发射机包括匹配网络和功率放大器，所述的匹配网络用来实现功率放大器与换能器基阵之间的阻抗匹配，进而提高电信号与声信号之间的转换效率，所述的功率放大器用来放大发射信号的功率。因此，所述的工作频率范围选为10-20kHz。

所述的接收机包括前级放大器，滤波器，含增益控制的后级放大器和数据采集器，所述的前级放大器将电信号进行前级放大，所述的滤波器对前级放大后的电信号进行滤波，所述的后级放大器对滤波后的电信号进行后级放大，所述的数据采集器用来将经后级放大器放大的电信号转换成数字化的电信号。

所述的回声处理服务器上连接人机接口，显示设备和GPS设备，

所述的供电模块包括电源和电源控制单元，电源和电源控制单元连接。

本发明同时提供了一种海底冷泉水体回声反射探测的方法，其包括如下步骤：

1)所述的供电模块开始工作，所述的回声处理服务器通过人机接口接收人为和远程的探测操作或指令，进而所述的信号处理机生成宽带多频点的发射 信号，该发射信号经所述的发射机放大后传输给所述的收发合置开关，该信号通过所述的电缆到达所述的换能器基阵，所述的换能器基阵将该发射信号由电信号转换为声信号发射出去。

2)随后，所述的换能器基阵接收该声信号的声学回波信号，并将其转换成微弱的电信号，通过所述的电缆和所述的收发合置开关将电信号传输到所述的接收机，所述的接收机将微弱的电信号接收，该电信号在所述的接收机中经过滤波和放大。

3)随后，传输到所述的信号处理机，所述的信号处理机接收来自所述的接收机的电信号，并且对该电信号进行信号处理，控制系统工作过程及工作状态。

4)所述的回声处理服务器接收来自所述的信号处理机的电信号，将其转换为逸出气泡的图像，随后在所述的显示设备上，采用声纳图像显示技术，显示探测结果，再根据逸出气泡的特性来判别所述的电信号对应的声信号是否为冷泉。

本发明的优点在于：采用了多个换能器组合成换能器基阵的方式，简化了换能器的加工工艺；采用了船底，船舷或拖拽的方式，简单方便，有利的加快了探测海底冷泉的探测速度，同时也使得探测范围增大了，通过采用宽带多频点的声学探测技术，可探测出不同尺寸的逸出气泡。

附图说明

图1是海底冷泉水体回声反射探测系统的整体结构示意图

1、换能器基阵 2、电缆

3、收发合置开关 4、发射机

5、接收机 6、信号处理机

7、回声处理服务器 8、供电模块

图2是海底冷泉水体回声反射探测系统的水上和水下的系统框图

1、换能器基阵 2、电缆

3、收发合置开关 4、发射机

5、接收机 6、信号处理机

7、回声处理服务器 8、供电模块

9、显示设备 10、GPS设备

11、人机接口 81、电源

82、电源控制单元

图3是海底冷泉水体回声反射探测系统接收机和发射机的原理框图

41、匹配网络 42、功率放大器

51、前级放大器 52、滤波器

53、含增益控制的后级放大器 54、数据采集器

图4是海底冷泉水体回声反射探测系统的换能器基阵结构示意图

12、换能器元件 13、安装接口

14、衬板 15、匹配层

16、密封件 17、支撑框架

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，所述的海底冷泉水体回声反射探测系统包括：含有多个换能器组成的换能器基阵1，电缆2，收发合置开关3，发射机4，接收机5，信号处理机6，回声处理服务器7和供电模块8。所述的换能器基阵1放置于水下，并且通过所述的电缆2连接在位于水上的所述的收发合置开关3的一侧，在水上，所述的收发合置开关3另一侧连接所述的发射机4和所述的接收机5，所述的发射机4和所述的接收机5分别连接所述的信号处理机6，所述的信号处理机6连接所述的回声处理服务器7，所述的供电模块8为整个系统提供电源。

如图2所示，所述的含有多个换能器的换能器基阵1为水下系统，水上系统包括：所述的收发合置开关3，所述的发射机4，所述的接收机5，所述的信号处理机6，所述的回声处理服务器7和所述的供电模块8。

如图4所示，所述的换能器基阵1，包括换能器元件12，支撑框架17，安装接口13，衬板14，匹配层15和密封件16。所述的衬板14覆盖在所述的支撑框架上，所述的衬板14上包含有呈等间距排列的孔，所述的换能器元件12呈等间距放入所述的衬板14的孔中，所述的匹配层15置于所述的换能器元件12的正上方，增加工作带宽，确保所述的换能器基阵1可以发射宽带信号；所述的密封件16紧密连接在所述的支撑框架17的下方，形成水密封，且连接所述的电缆2的端口。所述的安装接口为备用接口，起到固定的作用。所述的换能器基阵1的工作范围为2-4000m。所述的换能器基阵1将接收或发射的信号进行电信号与声信号之间的转换，即在发射时，将所述的发射机4输出宽带多频点的电信号转换成声信号；在接收时，将接收到宽带多频点的声学回波信号转换成微弱的电信号发送给所述的接收机5。

所述的电缆2，采用水密电缆。

如图3所示，所述的发射机4包括匹配网络41和功率放大器42，所述的匹配网络用来实现功率放大器与换能器基阵之间的阻抗匹配，进而提高电信号与声信号之间的转换效率，所述的功率放大器用来放大发射信号的功率。根据宽带多频点的声学探测技术，所述的换能器基阵会发出多个工作频率，而气泡的尺寸和深度又影响了气泡的共振频率，因此，当所述的系统的工作频率与气泡的共振频率相同时，气泡的声学目标最大、强度最强，气泡最容易被探测到，才会探测到多尺寸的气泡。由于高频声信号在海水中的吸收比较大，因此，所述的工作频率范围选为10-20kHz。

如图3所示，所述的接收机5包括前级放大器51，滤波器52，含增益控制的后级放大器53和数据采集器54，所述的前级放大器51将电信号进行前级放大，所述的滤波器52对前级放大后的电信号进行滤波，所述的后级放大器53对滤波后的电信号进行后级放大，所述的数据采集器54用来将经后级放大器放大的电信号转换成数字化的电信号。

所述的回声处理服务器7上连接人机接口，显示设备和GPS设备。

所述的供电模块8包括电源和电源控制单元，电源和电源控制单元连接。

如图2所示，所述的供电模块8开始工作，所述的回声处理服务器7通过人机接口11接收人为和远程的探测操作或指令，进而所述的信号处理机生成宽带多频点的发射信号，该发射信号经所述的发射机4放大后传输给所述的收发合置开关3，该信号通过所述的电缆2到达所述的换能器基阵1，所述的换能器基阵1将该发射信号由电信号转换为声信号发射出去。随后，所述的换能器基阵1接收该声信号的声学回波信号，并将其转换成微弱的电信号，通过所述的电缆2和所述的收发合置开关3将电信号传输到所述的接收机5，所述的接收机5将微弱的电信号接收，该电信号在所述的接收机5中经过滤波和放大。随后，传输到所述的信号处理机6，所述的信号处理机6接收来自所述的接收机的电信号，并且对该电信号进行信号处理，控制系统工作过程及工作状态。所述的回声处理服务器7接收来自所述的信号处理机的电信号，根据声波强度的高低形成灰度像素并提取位置、形状、高度、强度等特征参数，结合水体回声反射图像处理技术处理特征参数，将该电信号转换为逸出气泡的图像，随后在所述的显示设备上，采用声纳图像显示技术，显示探测结果，再根据逸出气泡的特性来判别所述的电信号对应的声信号是否为冷泉，如果判断该声信号为冷泉信号，则通过GPS设备10来记录位置信息，通过显示设备9来显示图像并且保存图像。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。