高低频海底底质参数测量仪及海底底质参数测量方法与流程

本发明属于海底底质声学特性研究技术领域，尤其涉及一种高低频海底底质参数测量仪及海底底质参数测量方法。

背景技术：

在人类已经掌握的各种探测海洋的手段中，声学方法仍然是一个最有效地探测手段。海底作为声波在海水中传播的下边界，对声场的影响巨大，因此，了解和获取海底底质的声学特性是解决水下声传播问题的关键因素。

当前多采用遥感的方法获得海底的地形地貌和海底底质参数，但是遥感技术获得的数据是历史数据，没有实时测量的数据有意义和说服力。当前对海底底质参数的实时测量一般是采用海底取样，并在实验室进行测量，然后把实验室测量结果修正到现场测量值的方法。其中海底取样的样本长度一般不超过30cm，且一般采用重力取样获取，并尽可能地减小取样扰动所带来的误差。这种实时测量的方法存在很多缺点，例如，不能得到海底的连续资料，只能获取离散点的数据；样本容易受到海水的冲刷而失去原貌，同时也失去了原有的压力、温度等环境条件；该方法费时费力，且受制于海况条件，当海底底质很硬时(如花岗岩和玄武岩底质)不容易获取样本。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

技术实现要素：

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种高低频海底底质参数测量仪及海底底质参数测量方法，以实现采集数据的连续性，提高测量的准确性。

本发明所采用的技术方案为：

高低频海底底质参数测量仪，包括测量仪本体和上位机，所述测量仪本体的顶端设置有释放绑定机构，测量仪本体的底端设置有压力开关、水声声速测量模块、反射板、高频收发一体换能器以及低频收发一体换能器，水声声速测量模块用于发射和接收声波，反射板用于反射发自水声声速测量模块的声波，高频收发一体换能器用于发射高频声波并接收反射自海底不同层底质的高频声波，低频收发一体换能器用于发射低频声波并接收反射自海底不同层底质的低频声波；测量仪本体内设置有处理器电路板模块、导线及速度传感器，处理器电路板模块内设置有数据存储单元，压力开关、水声声速测量模块、高频收发一体换能器、低频收发一体换能器以及速度传感器分别通过导线与处理器电路板模块相连，数据存储单元通过有线线缆或无线通信与上位机完成数据传输，上位机内存储有多种地声模型。

所述高低频海底底质参数测量仪为回收式高低频海底底质参数测量仪，该回收式高低频海底底质参数测量仪包括船舶及设置在船舶上的排缆装置，所述释放绑定机构通过缆绳与排缆装置相连。

所述高低频海底底质参数测量仪为抛弃式高低频海底底质参数测量仪，该抛弃式高低频海底底质参数测量仪包括浮体，浮体与释放绑定机构相连，所述浮体内设置有数据存储模块，数据存储模块与处理器电路板模块通信连接，且数据存储模块通过有线线缆与上位机完成数据传输。

所述测量仪本体内还设置有电池模块，所述处理器电路板模块与电池模块相连。

所述测量仪本体的底端还设置有多块裙板。

所述释放绑定机构包括依次相连的释放器、电机及水声换能器，电机分别与释放器、水声换能器相连，水声换能器与处理器电路板模块相连，电机控制释放器动作。

所述测量仪本体的顶端还设置有外部接线口，外部接线口通过导线与处理器电路板模块相连，测量仪本体通过外部接线口传输完成与上位机之间的命令或者数据的传输。

所述测量仪本体内还设置有蓝牙模块，蓝牙模块通过导线与所述处理器电路板模块相连，测量仪本体通过蓝牙模块无线通讯传输完成与上位机之间的命令或者数据的传输。

所述上位机中的地声模型包括Hamilton粘弹模型，Biot-stoll模型，Buckingham VGS模型和Chotiros-Isakson BICSQS模型。

本发明还公开了一种利用上述高低频海底底质参数测量仪对海底底质参数进行测量的方法，该方法包括：

通过历史数据或者实验数据建立一个海洋底质声传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表，用以后续确定海洋各层底质参数，该历史数据或实验数据可以通过上位机中已有的地声模型或使用者根据实际测量海域的情况自编辑自定义的地声模型或公式来对海底底质参数进行分析处理得到；

将测量仪本体放入待测量海域，压力开关在水下外部静压力的作用下打开，当速度传感器检测到的测量仪本体的下沉速度为零时，测量仪本体开始测量并记录数据；

采用时间飞跃技术测量水声声速C_w，即利用水声声速测量模块和反射板的配合测量水声声速C_w，计算公式为：

其中，L_水测指的是从水声声速测量模块到反射板之间的距离，t_水测指的是从水声声速测量模块发送声波开始到第一次接收到反射板反射回来声波的时间；

高、低频收发一体换能器与第一层底质的上界面之间的距离L_0水的计算：因高、低频收发一体换能器与第一层底质的上界面之间的距离小，所以该段距离内的传播损失忽略不计，L_0水的计算公式为：

L_0水＝(C_w×t_0水)/2

其中，C_w为上述已测得的声速，t_0水为高频收发一体换能器或低频收发一体换能器从发出声波到第一次接收到由第一层底质上界面发射回来的声波的时间；

第一层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、遇到第一层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y₁db，则第一层底质中的传播损失TL₁＝(X-Y₁)/2，计算出传播损失TL₁后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第一层底质的参数，并得到第一层底质的底质声速cpr_1底；

第一层底质层厚的计算：第一层底质上界面和下界面之间的距离为L_1底，即第一层底质层厚为L_1底，测量中高、低频收发一体换能器到第一层底质下界面的距离为L_0水+L_1底，则有：

其中，t_1底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面，到遇到第一层底质下界面反射回高、低频收发一体换能器的时间；

第二层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、下界面，继续穿过第二层上界面，遇到第二层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y₂db，则第二层底质中的传播损失计算出第二层中传播损失TL₂后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第二层底质的成分，并得到第二层底质的底质声速cpr_2底；

第二层底质层厚的计算：第二层底质上界面和下界面之间的距离为L_2底，即第二层底质层厚为L_2底，测量中高、低频收发一体换能器到第二层底质下界面的距离为L_0水+L_1底+L_2底，则有：

其中，t_2底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面，遇到第二层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间；

如此依次计算，直至确定出第N层底质的成分及层厚：

第N层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、下界面、第二层底质上界面、下界面……直至穿过第N层上界面，遇到第N层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y_ndb，则第N层底质中的传播损失计算出传播损失TL_n后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第N层底质的成分，并得到第N层底质的底质声速cpr_n底；

第N层底质层厚的计算：第N层底质上界面和下界面之间的距离为L_n底，即第N层底质的层厚为L_n底，测量中高、低频收发一体换能器到第N层底质下界面的距离为L_0水+L_1底+L_2底+…+L_n底，则有：

其中，t_n-1底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面……第N-1层底质上界面，遇到第N-1层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间；t_n底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面……第N层底质上界面，遇到第N层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、利用本发明可以实时测量被测海域的海底底质各参数，克服了传统的遥感测量和采集海底底质标本方法的缺点和不足，能够得到海底的连续资料，获取连续的数据，可靠性高。

2、本发明中的测量仪本体既可以根据测得的数据实时计算出海底底质的基本参数，也可以将采集到的数据导入上位机中进行数据的分析和处理，得到细致的分析处理结果和更加形象的可视化图像结果。

3、本发明使用方式灵活多变，既可以采用回收式也可以采用抛弃式，可以满足不同应用的各种需求。

4、本发明采用两种通讯功能，以满足不同的需求。在回收式使用方式时，既可以通过有缆连接，也可以通过蓝牙连接上位机和测量仪本体进行数据和命令的传输；在抛弃式使用方式时，测量仪本体可以通过有缆连接测量仪本体和浮体进行数据传输。本发明的通讯功能完全满足各种条件下的使用需求。

5、本发明中的上位机功能强大，可以根据测量得到的数据利用已有的地声模型进行数据的分析与处理，也可以根据实际情况自编辑的地声模型或公式进行数据的分析处理，最后输出人机界面交互性更好地可视化结果。

附图说明

图1为本发明中测量仪本体的结构简图。

图2为本发明中回收式高低频海底底质参数测量仪(除去上位机)的结构简图。

图3为本发明中抛弃式高低频海底底质参数测量仪(除去上位机)的结构简图。

图4为根据实验数据得到的某一传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表。

图5为本发明中高低频海底底质参数测量方法的原理图。

其中，

1、测量仪本体 2、外部接线口 3、导线 4、释放绑定机构 5、电机 6、水声换能器 7、处理器电路板模块 8、电池模块 9、水声声速测量模块 10、反射板 11、蓝牙通讯模块 12、压力开关 13、高频收发一体换能器 14、低频收发一体换能器 15、裙板 16、排缆装置 17、缆绳 18、定滑轮 19、轮盘 20、固定支架 21、浮体 22、数据存储模块

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，高低频海底底质参数测量仪，包括测量仪本体1和上位机，所述测量仪本体1的顶端设置有释放绑定机构4。所述释放绑定机构4包括依次相连的释放器、电机5及水声换能器6，电机5分别与释放器、水声换能器6相连，水声换能器6与下述处理器电路板模块7相连，电机5控制释放器动作。

所述测量仪本体1的底端设置有压力开关12、水声声速测量模块9、反射板10、高频收发一体换能器13以及低频收发一体换能器14，水声声速测量模块9用于发射和接收声波，反射板10用于反射发自水声声速测量模块9的声波，高频收发一体换能器13用于发射高频声波并接收反射自底质的高频声波，低频收发一体环能器14用于发射低频声波并接收反射自底质的低频声波。

所述高频收发一体换能器13与低频收发一体换能器14在空间位置上处于同一高度位置处，即两者距离海底各层底质的垂直距离相等。

所述测量仪本体1内设置有处理器电路板模块7、导线3及速度传感器，处理器电路板模块7内设置有数据存储单元，压力开关12、水声声速测量模块9、高频收发一体换能器13、低频收发一体换能器14以及速度传感器分别通过导线3与处理器电路板模块7相连，数据存储单元通过有线线缆或无线通信与上位机完成数据传输。

所述测量仪本体1内还设置有电池模块8，所述处理器电路板模块7与电池模块8相连。

所述测量仪本体1的顶端还设置有外部接线口2，外部接线口2通过导线3与处理器电路板模块7相连，测量仪本体1通过外部接线口2传输完成与上位机之间的命令或者数据的传输。

此外，所述测量仪本体1内还设置有蓝牙模块11，蓝牙模块11通过导线3与所述处理器电路板模块7相连，测量仪本体1通过蓝牙模块11传输完成与上位机之间的命令或者数据的传输。

所述测量仪本体1的底端还设置有多块裙板15，用以保证整个测量仪本体1的重心向下。

所述上位机内存储有地声模型库。所述上位机中的地声模型库包括Hamilton粘弹模型，Biot-stoll模型，Buckingham VGS模型和Chotiros-Isakson BICSQS模型。当然，使用者也可根据实际需求自己编写模型，根据测量值代入模型进行相关计算。

在海底的地壳上面，覆盖着一层或者多层非凝团态的沉积层，海水和海底沉积层界面存在着一个海底界面，根据已有的历史数据表明，一般情况下，浅海大陆架属于高声速海底(底质声速>海水声速)，深海沉积层属于低声速海底(底质声速<海水声速)。

本发明利用声传播在测量过程中的传播衰减和通过实验或者历史数据确定的声传播衰减和底质成分对应表格，来计算分析海底底质参数(底质成分组成和底质层厚)，并可将数据导入上位机中利用已有的成熟的地声模型或者使用者可以根据实际测量海域的情况自编辑自定义地声模型或公式来对海底底质及分层情况进行进一步细化分析处理，并显示可视化的结果。其中，高频收发一体换能器13连同测量仪中除去低频收发一体换能器14以外的各部件一起，主要对海底底质中沉积物的最上层的几米进行精确测量(高频衰减严重，主要测量海底底质分层的上层)。低频收发一体换能器14连同测量仪除去高频收发一体换能器13以外的各部件一起，对海底底质进行大致测量(低频衰减慢，测量深度比高频深)。

如图2所示，图2示出了本发明的其中一个实施例，该实施例中的高低频海底底质参数测量仪为回收式高低频海底底质参数测量仪，该回收式高低频海底底质参数测量仪包括船舶及设置在船舶上的排缆装置16，所述释放绑定机构4通过缆绳17与排缆装置16相连。

所述排缆装置16包括缆绳17、定滑轮18、轮盘19及用于将轮盘19固定在船舶上的固定支架20，固定支架20将整个排缆装置16固定在船舶上。释放绑定机构4与缆绳17相连，缆绳17依次经多个定滑轮18的改向绕至轮盘19，通过轮盘19进行缆绳17的收放，轮盘19通过收放缆绳17控制测量仪本体的测量深度。

使用时，将测量仪本体1通过排缆装置16连接到船舶上，将测量仪本体1释放到靠近海底的水下，压力开关12在水下承受一定压力后，压力开关12打开，测量仪本体1开始进行测量，测量仪本体1随船舶移动，测量船舶运动轨迹下方的海底底质参数并记录数据。测量结束后，通过排缆装置16将测量仪本体1收回，将测量仪本体1通过有线电缆或无线蓝牙传输数据，将数据导入上位机中使用或者进行下一步处理。

如图3所示，图3示出了本发明的另外一个实施例，该实施例中的高低频海底底质参数测量仪为抛弃式高低频海底底质参数测量仪，该抛弃式高低频海底底质参数测量仪包括浮体21，浮体21与释放绑定机构4相连，所述浮体21内设置有数据存储模块22，数据存储模块22与处理器电路板模块7通信连接，且数据存储模块22通过有线线缆与上位机完成数据传输。

所述抛弃式高低频海底底质参数测量仪主要在海况条件恶劣，无法完成测量仪本体1的回收作业时使用，测量仪本体1可以配合浮体21进行抛弃式作业。

使用时，将带有数据存储模块22的浮体21通过释放绑定机构4连接到测量仪本体1上，并通过有线电缆连接浮体21和测量仪本体1的外部接线口2进行数据通信。应用过程中，可以直接将带有浮体21的测量仪本体1投入到需要测量的海洋区域中，测量仪本体1下沉，压力开关12在外部静压力的作用下打开，当速度传感器检测到测量仪本体1的下沉速度为零时，可以确定测量仪本体1触底，测量仪本体1开始测量并将记录完成的数据通过有线线缆传输到浮体21的数据存储模块22中，传输完成后触发释放绑定机构4释放浮体21，浮体21在浮力的作用下上升，并和测量仪本体1上的外部接线口2脱离，浮体21上升到海面以后，使用者可以通过浮体21上醒目的颜色(如红色容易在海上被发现)或者在浮体21上设置可闪烁的警示灯来对浮体21进行及时的打捞。浮体21打捞完成后可以通过有线线缆连接上位机，将采集到的数据导入上位机中使用或者进行下一步的分析处理。

本发明还公开了一种利用上述高低频海底底质参数测量仪对海底底质参数进行测量的方法，如图5所示，下面以三层底质为例对该方法进行详细说明。

通过历史数据或者实验数据建立一个如图4所示的，海洋领域传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表，用以后续确定海洋各底质成分，该历史数据或实验数据可以通过上位机中已有的地声模型或使用者根据实际测量海域的情况自编辑自定义的地声模型或公式来对海底底质成分进行分析处理得到。当然，上述对应表中还有传播损失TL与相应的底质成分的密度比rho(rho>0)，挤压衰减cpi是(米/秒，cpi<0)，剪切声音速度csr(米/秒，csr>0，一般<0.6)，剪切衰减csi(米/秒，csi<0)之间的对应关系，从而在后续确定各层底质成分之后，查表可得各层底质的相应参数。

将测量仪本体1放入待测量海域，压力开关12在水下外部静压力的作用下打开，当速度传感器检测到的测量仪本体1的下沉速度为零时，测量仪本体1开始测量并记录数据。

采用时间飞跃技术测量水声声速C_w，即利用水声声速测量模块9和反射板10的配合测量声速C_w，计算公式为：

其中，L_水测指的是从水声声速测量模块9到反射板10之间的距离，t_水测指的是从水声声速测量模块9发送声波开始到第一次接收到反射板10反射回来声波的时间。

高、低频收发一体换能器与第一层底质的上界面之间的距离L_0水的计算：因高、低频收发一体换能器与第一层底质的上界面之间的距离并不是很大，所以该段距离内的传播损失忽略不计，L_0水的计算公式为：

L_0水＝(C_w×t_0水)/2

其中，C_w为上述已测得的声速，t_0水为高频收发一体换能器13或低频收发一体换能器14从发出声波到第一次接收到由第一层底质上界面发射回来的声波的时间。

第一层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、遇到第一层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y₁db，则第一层底质中的传播损失TL₁＝(X-Y₁)/2，计算出传播损失TL₁后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第一层底质的成分，并得到第一层底质的底质声速cpr_1底。

假设计算得到的传播损失TL₁为-0.006C_w+阈值≤TL₁≤-0.006C_w-阈值，根据图4中的表格可以确定第一层底质成分为泥，对应的底质声速cpr_1底为0.99C_w。

上述的底质成分确定的原理为：根据声呐方程SL-2TL+TS-NL+DI＝DT，其中，SL为声源级(由高、低频收发一体换能器发射，因此其强度已知)，TS-目标强度(忽略)，NL-噪声级(忽略)，DI-接收指向性(忽略)，DT指高、低频收发一体换能器第N次收到直达波的检测值。因此上述声呐方程可简化为：SL-2TL＝DT，从而得到

第一层底质层厚的计算：第一层底质上界面和下界面之间的距离为L_1底，即第一层底质的层厚为L_1底，测量中高、低频收发一体换能器到第一层底质下界面的距离为L_0水+L_1底，则有：

其中，t_1底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面，到遇到第一层底质下界面反射回高、低频收发一体换能器的时间。

第二层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、下界面，继续穿过第二层上界面，遇到第二层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y₂db，则第二层底质中的传播损失计算出第二层中传播损失TL₂后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第二层底质的成分，并得到第二层底质的底质声速cpr_2底。

假设计算得到的传播损失TL₂为-0.075C_w+阈值≤TL₂≤-0.075C_w-阈值，根据图4中的表格可以确定第二层底质成分为沙，对应的第二层底质声速cpr_2底为1.2C_w。

第二层底质层厚的计算：第二层底质上界面和下界面之间的距离为L_2底，即第二层底质层厚为L_2底，测量中高、低频收发一体换能器到第二层底质下界面的距离为L_0水+L_1底+L_2底，则有：

其中，t_2底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面，遇到第二层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间。

第三层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、下界面，第二层底质上界面、下界面，继续穿过第三层底质上界面，遇到第三层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y₃db，则第三层底质中的传播损失计算出第三层中传播损失TL₃后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第三层底质的成分，并得到第三层底质的底质声速cpr_3底。

假设计算得到的传播损失TL₃为-0.007C_w+阈值≤TL₂≤-0.007C_w-阈值，根据图4中的表格可以确定第三层底质成分为石灰岩，对应的第三层底质声速cpr_3底为2.7C_w。

第三层底质层厚的计算：第三层底质上界面和下界面之间的距离为L_3底，即第三层底质层厚为L_3底，测量中高、低频收发一体换能器到第三层底质下界面的距离为L_0水+L_1底+L_2底+L_3底，则有：

其中，t_3底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面、第二次底质下界面、第三层底质上界面，遇到第三层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间。

上述过程仅对三层底质的成分确定及层厚进行了例举，当然，本发明并不仅仅局限于三层底质的计算，还可以是四层、五层、六层……N层。

第N层底质成分的确定：从高、低频收发一体换能器发出的声源级强度为Xdb，声波从发出到穿过第一层底质上表面、下界面、第二层底质上界面、下界面……直至穿过第N层上界面，遇到第N层底质下表面以后原路径返回高、低频收发一体换能器，接收到的强度为Y_ndb，则第N层底质中的传播损失计算出传播损失TL_n后，根据上述传播损失TL、底质成分以及底质声速cpr的对应表确定第N层底质的成分，并得到第N层底质的底质声速cpr_n底。

第N层底质层厚的计算：第N层底质上界面和下界面之间的距离为L_n底，即第N层底质层厚为L_n底，测量中高、低频收发一体换能器到第N层底质下界面的距离为L_0水+L_1底+L_2底+…+L_n底，则有：

其中，t_n-1底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面……第N-1层底质上界面，遇到第N-1层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间；t_n底为高、低频收发一体换能器收到的从发出声波，到声波透过第一层底质上界面、第一层底质下界面、第二层底质上界面……第N层底质上界面，遇到第N层底质下界面原路径反射回高、低频收发一体换能器的时间。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。