海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102393261 A (43)申请公布日 2012.03.28 C N 1 0 2 3 9 3 2 6 1 A *CN102393261A* (21)申请号 201110228449.X (22)申请日 2011.08.10 G01K 11/24(2006.01) G04F 10/00(2006.01) (71)申请人浙江大学舟山海洋研究中心 地址 316218 浙江省舟山市新城千岛路171 号建设大厦A座8楼 (72)发明人蔡勇 樊炜 金涛 付现桥 叶敏 (74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人杜军 (54) 发明名称 海底热液口高精度。

2、声波飞渡时间测量系统 (57) 摘要 本发明公开了一种海底热液口高精度声波飞 渡时间测量系统。本发明包括水声换能器阵列平 面、声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据 采集系统。水声换能器阵列平面是由若干个水声 换能器组成。声波信号发生模块主要是通过信号 发生器发射设定的声波信号作为声源信号。声源 自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块 和驱动模块组成。数据采集系统包括串口通信单 元、数据采集与存储单元和数据处理单元。本发明 可以克服传统测量的缺点，在高温、腐蚀、多悬浮 颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热 通量测量的准确度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产。

3、权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 CN 102393269 A 1/1页 2 1.海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统，包括水声换能器阵列平面、声波信号发 生模块、声源自动切换电路和数据采集系统，其特征在于： 所述的水声换能器阵列平面由若干个水声换能器组成，将若干个水声换能器安装在一 个正方形平面支架上，并且均匀分布在正方形平面支架的每条边上；支架中每条边上的水 声换能器与支架中另外三条边上的水声换能器两两之间可以形成若干条声波传播路径； 所述的声波信号发生模块是通过信号发生器发射设定的声波信号作为声源信号； 所述的声源自动切换电路主要由单片机控制单。

4、元、译码模块和驱动模块组成；所述的 单片机控制单元负责与上位机的通信和译码电路的控制，通过译码电路的高低电平输出调 节驱动模块，使对应的水声换能器工作于接收或发射状态； 所述的数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元；数据 采集系统作为上位机，通过串口通信单元控制声源自动切换电路，与单片机控制单元中的 单片机通讯，发送各类切换指令；数据采集与存储单元将接受水声换能器接收的声波信号 采集回来，并经前置通道带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下；数据处理单 元是将声源信号与采集回来的声波信号进行时间延迟估计运算，并进行插值处理，得到每 一条声波传播路径上的高精度声波飞。

5、渡时间测量值； 所述的信号发生器和各个水声换能器分别通过水密同轴电缆连接到声源自动切换电 路上； 所述的声波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统均封装于水密耐压舱 里，通过水密接插件与外界联系，并由锂电池组供电。 权 利 要 求 书CN 102393261 A CN 102393269 A 1/4页 3 海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统 技术领域 0001 本发明属于海洋装备技术领域，涉及一种海底热液口高精度声波飞渡时间测量系 统，可应用于海底热液口温度场声学测量。 背景技术 0002 现代海底热液活动的发现是当今海洋科学最重要发现之一，对海底热液的研究处 于当今科学研究的前沿。海。

6、底热液活动不仅产生了丰富的矿产资源和独特的生物基因资 源，同时是全球热通量和化学元素循环的重要影响因素。现代海底热液活动的调查研究，是 当代海洋科学、地质学、地球化学、矿床学及海洋生物学等多学科共同面临的重大使命，已 成为国际上重大前沿热点研究领域之一。热液成矿作用、极端环境下的生命现象、大洋热和 化学元素平衡以及海底热液喷流对全球气候的影响等问题，已成为本世纪科学研究的热点 之一。 0003 热液循环系统反应带内海水和岩石在高温下互相作用，从而改变它们的化学物理 性质，这种改变的海水称为热液流体。海底热液活动对海洋化学环境、大洋环流及全球气候 有着重要影响。此外，海底热液涌出的富含硫化物、金。

7、属元素和挥发分的流体，滋养着独特 的微观和宏观生物群落，包括各类细菌和无脊椎动物。在海底热液系统内有多种特殊生态 系统，构建了丰富多彩的生命世界，这些生物无论是从形态还是生活习性上都与正常环境 下的生物不同。它们不依靠光合作用，从H 2 S、CO 2 等吸取能量。这些生物的生存与热液口温 度分别环境密切相关。不同的温度区域生存着不同的物种。准确可靠的热液口温度场观测 数据有助于生物学家对海底热液生物系统的研究。 0004 基于声波理论的非接触式热液温度场测量方法，能够在高温、腐蚀、多颗粒的海底 热液环境下连续实时测量，不仅能为研究海底热液提供有力帮助，而且对水下声学测温技 术有一定参考价值。海。

8、底热液口声学测温的基本原理是：首先测量每条声波路径上声波的 传播时间（即声波飞渡时间），进而得到这些路径上声波传播的平均速度。再利用温度与声 速的关系，得出这些有效传播路径的平均温度值，通过特定的重建算法即可拟合出整个热 液口待测平面的温度场。上述声学测温最关键的技术是高精度声波飞渡时间测量，因此开 发一套应用于海底热液口温度场声学测量的高精度声波飞渡时间测量系统意义重大。目 前，国内尚未有一种能够实现海底热液口高精度声波飞渡时间测量的系统面市。 发明内容 0005 本发明的目的在于克服传统的海底热液口温度场测量的缺点，提供了一种运行稳 定可靠、测量准确快速的非侵入式、非接触式的海底热液口高精。

9、度声波飞渡时间测量系统， 可以提高热液口温度场测量的准确度，为我国热液口热通量测量提供较先进的方法和装 备。 0006 本发明解决技术问题所采取的具体方案是： 本发明所述的海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统包括水声换能器阵列平面、声 说 明 书CN 102393261 A CN 102393269 A 2/4页 4 波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统。 0007 所述的水声换能器阵列平面是由若干个水声换能器（其数量能被4整除）组成的， 将若干个水声换能器安装在一个正方形平面支架上，并且均匀分布在正方形平面支架的每 条边上。支架中每条边上的水声换能器与支架中另外三条边上的水声换能器。

10、两两之间可以 形成若干条声波传播路径。 0008 所述的声波信号发生模块主要是通过信号发生器发射设定的声波信号作为声源 信号。 0009 所述的声源自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块和驱动模块组成。在 海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，每个水声换能器都要作为发送声波信号的水声换 能器，同时其它水声换能器作为接受声波信号的水声换能器，声源自动切换电路的主要功 能就是为了实现声源信号与水声换能器间的有序稳定的自动切换。该电路的工作原理是： 以单片机为核心，负责与上位机的通信和译码电路的控制。某一时刻，译码电路中有1位低 电平输出，驱动对应的继电器通电闭合，声源信号与对应的水声换能器相接，。

11、使该水声换能 器作为发射声波信号的水声换能器工作；译码电路中的其余输出高电平，与之连接的水声 换能器作为接受水声换能器使用。 0010 所述的数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元。 数据采集系统作为上位机，通过串口通信单元控制声源自动切换电路，与单片机通讯，发送 各类切换指令。切换完成后，单片机也通过串口通信单元反馈给数据采集系统一个响应信 号，告之任务完成。数据采集与存储单元将接受水声换能器接收的声波信号采集回来，并经 前置通道带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下。数据处理单元是将声源信号 与采集回来的声波信号进行时间延迟估计运算，并进行插值处理，得到每一。

12、条声波传播路 径上的高精度声波飞渡时间测量值。 0011 所述的信号发生器和各个水声换能器分别通过水密同轴电缆连接到声源自动切 换电路上。 0012 在进行海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，所述的声波信号发生模块、声源 自动切换电路和数据采集系统，都封装于水密耐压舱里，通过水密接插件与外界联系，并由 锂电池组供电。 0013 本发明可应用于非接触式的热液口温度场声学原位测量，可以克服传统测量的缺 点，在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确 度。为科学家研究洋壳散热量、建立大洋环流模型、研究热液对临近海域海洋物理特性影响 提供帮助。 附图说明 0014 图。

13、1为高精度声波飞渡时间测量系统示意图； 图2为声源自动切换电路模块设计原理图； 图3为单片机模块原理图； 图4为声源自动切换电路中译码与驱动模块原理图。 具体实施方式 说 明 书CN 102393261 A CN 102393269 A 3/4页 5 0015 以下结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。 0016 如图1所示，高精度声波飞渡时间测量系统主要由水声换能器阵列平面、信号发 生器、声源自动切换电路模块和数据采集系统组成。水声换能器阵列平面是个正方形平面， 在正方形平面的每条边上均匀分布着数量相等的水声换能器，且每条边上的水声换能器与 另外三条边上的水声换能器两两之间可以形成若干。

14、条声波传播路径。信号发生器用于发射 特定的声波信号作为声源信号。声源自动切换电路模块用于实现声源信号与水声换能器间 的有序稳定的自动切换。数据采集系统将接受水声换能器接收的声波信号采集回来，并经 前置通道带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下，经时间延迟估计运算和插值 处理，得到每一条声波传播路径上的高精度声波飞渡时间测量值。 0017 如图2、图3和图4所示，声源自动切换电路模块设计时，包含的主要模块有：CPU 控制单元、译码模块、驱动模块和继电器执行端口。数据采集系统作为上位机控制声源自动 切换电路，它通过RS-232串口与控制单元（单片机）通讯，发送各类工作指令。控制单元（单 片。

15、机）则按指令进行操作，通过译码、驱动，通过继电器将驱动信号连接到发送水声换能器。 AT89C2051单片机P1口中的P10至P14五位数据线，与译码电路SN74154相连，控制16个 继电器的开关。 0018 本发明的具体实施例如下： 本发明所述的海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统包括水声换能器阵列平面、声 波信号发生模块、声源自动切换电路和数据采集系统。 0019 水声换能器阵列平面是由16个水声换能器组成的，将这16个水声换能器安装在 一个正方形平面（1.5m15.m）支架上，并且均匀分布在正方形平面支架的每条边上。支架 中每条边上的水声换能器与支架中另外三条边上的水声换能器两两之间可以。

16、形成96条声 波传播路径。 0020 声波信号发生模块主要由信号发生器发射声波信号，此声波信号为扫频信号，其 扫频范围为18kHz23kHz，声压级为69dB。 0021 声源自动切换电路主要由单片机控制单元、译码模块和驱动模块组成。在海底热 液口高精度声波飞渡时间测量时，每个水声换能器都要作为发送声波信号的水声换能器， 同时其它15水声换能器作为接受声波信号的水声换能器，声源自动切换电路的主要功能 就是为了实现声源信号与水声换能器间的有序稳定的自动切换。该电路的工作原理是：以 AT89C2051单片机为核心，负责与上位机的通信和译码电路SN74154的控制。某一时刻，译 码电路SN74154。

17、中有1位低电平输出，驱动对应的继电器通电闭合，声源信号与对应的水声 换能器相接，使该水声换能器作为发射声波信号的水声换能器工作；译码电路中的其余输 出高电平，与之连接的水声换能器作为接受水声换能器使用。具体实现方式是：如图3所 示，选择AT89C2051单片机P1口中的P10至P14五位数据线，与译码电路SN74154相连，控 制16个继电器的开关。P1口是一个8位双向I/O口。当P1口用作输出时，其内部缓冲器 可吸收20mA电流，能够直接驱动译码电路SN74154。单片机AT89C2051和译码电路SN74154 都为TTL电平，信号间无需电平转换而可直接相接。P14连接两块译码电路SN74。

18、154的片 选信号，当P14为低电平时，第一块译码电路(图4中IC2)被选中工作，由P10至P13口 输出的四位数据位经4-16译码后，16位输出中会有一位变为低电平，其余15位为高电平。 当P14为高电平时，信号经达林顿管驱动并反相，满足第二块译码电路(图4中IC5)的片 说 明 书CN 102393261 A CN 102393269 A 4/4页 6 选条件，IC5开始工作，根据P10至P13口输出的四位数据译码，输出1位低电平和15位高 电平。这1位低电平经驱动后，对应的继电器通电闭合，使声源信号与对应的水声换能器相 接，该水声换能器作为发射声波信号的水声换能器。译码电路SN74154。

19、的最大输出电流仅 为16mA而无法驱动继电器，设计时选用ULN2803A作为驱动芯片，可获得最大500mA的输出 电流，能够驱动机械式继电器。 0022 数据采集系统包括串口通信单元、数据采集与存储单元和数据处理单元。数据采 集系统采用NI数据采集系统，作为上位机，通过RS-232串口通信单元控制声源自动切换电 路，与AT89C2051单片机通讯，发送各类切换指令。切换完成后，AT89C2051单片机也通过 RS-232串口通信单元反馈给数据采集系统一个响应信号，告之任务完成。数据采集与存储 单元将接受水声换能器接收的声波信号用PXI-6133同步数据采集卡采集回来，考虑到稳 定性及数据量，采。

20、集卡的采样频率设定为1MS/s，当16路数据采集通道同步采集数据时，最 大数据流量为32Mbytes，可通过NI数据采集系统的PCI总线进行数据传输，并经前置通道 带通滤波、数模转换后，存储在硬盘指定的文件夹下。数据处理单元是将声源信号与采集回 来的声波信号进行时间延迟估计运算，并进行插值处理，得到每一条声波传播路径上的高 精度声波飞渡时间测量值。 0023 信号发生器和各个水声换能器分别通过水密同轴电缆连接到声源自动切换电路 上。 0024 在进行海底热液口高精度声波飞渡时间测量时，所述的声波信号发生模块、声源 自动切换电路和数据采集系统，都封装于水密耐压舱里，通过水密接插件与外界联系，并由 锂电池组供电。 说 明 书CN 102393261 A CN 102393269 A 1/3页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102393261 A CN 102393269 A 2/3页 8 图3 说 明 书 附 图CN 102393261 A CN 102393269 A 3/3页 9 图4 说 明 书 附 图CN 102393261 A 。