本發(fā)明涉及海洋技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種深海聲波采集裝置與方法。
背景技術(shù)：
海洋面積占地球面積70％以上，海洋變化深刻影響著地球，影響著人類生存環(huán)境。而海水深度在3000米以上的深海大洋占海洋總面積約89％，海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物等活動是深海研究的重要方面，這些活動會產(chǎn)生不同特性的聲波信號，通過記錄分析研究這些聲波信號，是認(rèn)識地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征以及利用深海資源的重要手段。目前人類對于深海的認(rèn)識還是十分有限，特別是對深海海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動等的了解也十分有限。
現(xiàn)有的深海探測方法主要采用單一目標(biāo)的探測技術(shù)，多為走航水體測量、近海底調(diào)查等，主要應(yīng)用聲學(xué)測繪、光學(xué)成像、傳感器特征測量等方式，以及專門針對地震監(jiān)測的OBS等技術(shù)。對于海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動等無法進(jìn)行綜合監(jiān)測，難以同步記錄多種頻率的聲音信號，不利于開展相關(guān)性分析。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有海底活動監(jiān)測技術(shù)上存在的缺陷，提供一種深海聲波采集裝置與方法，針對海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動產(chǎn)生的聲波的特點(diǎn)，采用低頻、中頻和高頻三個(gè)頻段全向水聽器和信號處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海底各種振動聲波記錄。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種深海聲波采集裝置，該裝置包括耐壓水密艙、換能器安裝架、海底基座和聲學(xué)釋放器；所述耐壓水密艙和換能器安裝架均固定在海底基座上，所述聲學(xué)釋放器通過錨鏈固定鏈接海底基座，聲學(xué)釋放器的釋放端通過錨鏈固定重塊；所述耐壓水密艙內(nèi)封裝高精度時(shí)鐘源、電池及其管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲單元、控制器、數(shù)字信號處理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、低頻信號預(yù)處理單元、中頻信號預(yù)處理單元、高頻信號預(yù)處理單元，所述數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)字信號處理單元和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元均與控制器連接，所述耐壓水密艙表面設(shè)置第一水密座、第二水密座和第三水密座；所述換能器安裝架上安裝低頻全向水聽器、中頻全向水聽器和高頻全向水聽器；所述低頻全向水聽器通過水密纜連接第一水密座，第一水密座的另一端連接低頻信號預(yù)處理單元，所述中頻全向水聽器通過水密纜連接第二水密座，第二水密座的另一端連接中頻信號預(yù)處理單元，所述高頻全向水聽器通過水密纜連接第三水密座，第三水密座的另一端連接高頻信號預(yù)處理單元；所述低頻信號預(yù)處理單元、中頻信號預(yù)處理單元、高頻信號預(yù)處理單元分別連接模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的低頻、中頻、高頻接口；所述高精度時(shí)鐘源為控制器、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)字信號處理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元提供高精度時(shí)鐘信號，電池及其管理系統(tǒng)為整個(gè)裝置供電。
進(jìn)一步地，該裝置還包括浮力裝置，所述浮力裝置為與海底基座連接的浮球或固定在海底基座上的浮力板。
進(jìn)一步地，所述低頻全向水聽器的頻率為5Hz～200Hz，所述中頻全向水聽器的頻率為1kHz～100kHz，所述高頻全向水聽器的頻率為500kHz～10MHz。
進(jìn)一步地，所述耐壓水密艙、換能器安裝架、海底基座和聲學(xué)釋放器均采用耐海水腐蝕并具有防生物附著涂層的材料。
進(jìn)一步地，水聽器包括兩個(gè)部分，一部分與海底耦合，另一部分在水體中，同步采集海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動的聲波信號，有利于分析各種地質(zhì)活動與生物活動之間的相關(guān)性。
一種深海聲波采集方法，具體為：在下水前開啟工作，利用重物投放入預(yù)定海底位置，開始采集海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動等聲波信號，經(jīng)過一段時(shí)間工作后，利用聲學(xué)釋放器與重物脫鉤，回收裝置。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明可適用于深海各種頻段聲波的記錄，適用于同步采集通過水體和海底兩種介質(zhì)傳播的聲波信號，可記錄海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動產(chǎn)生的聲波響應(yīng)，在海洋調(diào)查與研究中具有廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明裝置完成作業(yè)任務(wù)后，可以順利回收，加載新的重塊后，可以重復(fù)投放使用。本發(fā)明裝置具有可拆卸性，可以在作業(yè)完成了拆卸，有利于設(shè)備的運(yùn)輸與維護(hù)。
附圖說明
圖1是深海聲波采集裝置組成框圖；
圖中：1、高精度時(shí)鐘源；2、電池及其管理系統(tǒng)；3、數(shù)據(jù)存儲單元；4、控制器；5、數(shù)字信號處理單元；6、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元；7、低頻信號預(yù)處理單元；8、中頻信號預(yù)處理單元；9、高頻信號預(yù)處理單元；10、第一水密座；11、第二水密座；12、第三水密座；13、耐壓水密艙；14、低頻全向水聽器；15、中頻全向水聽器；16、高頻全向水聽器；17、換能器安裝架；18、海底基座；19、聲學(xué)釋放器。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
如圖1所示，本發(fā)明提供一種深海聲波采集裝置，包括：耐壓水密艙13、換能器安裝架17、海底基座18和聲學(xué)釋放器19；所述耐壓水密艙13和換能器安裝架17均固定在海底基座18上，所述聲學(xué)釋放器19通過錨鏈固定鏈接海底基座18，海底基座18與海底耦合良好，完成深海聲波采集裝置工作后回收；聲學(xué)釋放器19的釋放端通過錨鏈固定重塊；所述耐壓水密艙13內(nèi)封裝高精度時(shí)鐘源1、電池及其管理系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)存儲單元3、控制器4、數(shù)字信號處理單元5、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元6、低頻信號預(yù)處理單元7、中頻信號預(yù)處理單元8、高頻信號預(yù)處理單元9，所述數(shù)據(jù)存儲單元3、數(shù)字信號處理單元5和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元6均與控制器4連接，控制器4將數(shù)字信號首先送給數(shù)字信號處理單元5進(jìn)行處理，然后將數(shù)字信號處理單元5處理后的信號存儲在數(shù)據(jù)存儲單元3中；所述耐壓水密艙13表面設(shè)置第一水密座10、第二水密座11和第三水密座12；所述換能器安裝架17上安裝低頻全向水聽器14、中頻全向水聽器15和高頻全向水聽器16，換能器支架17其自重使得與海底良好耦合，并且水聽器保持在水體中；所述低頻全向水聽器14通過水密纜連接第一水密座10，第一水密座10的另一端連接低頻信號預(yù)處理單元7，所述中頻全向水聽器15通過水密纜連接第二水密座11，第二水密座11的另一端連接中頻信號預(yù)處理單元8，所述高頻全向水聽器16通過水密纜連接第三水密座12，第三水密座12的另一端連接高頻信號預(yù)處理單元9；所述低頻信號預(yù)處理單元7、中頻信號預(yù)處理單元8、高頻信號預(yù)處理單元9分別連接模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元6的低頻、中頻、高頻接口；所述高精度時(shí)鐘源1為控制器4、數(shù)據(jù)存儲單元3、數(shù)字信號處理單元5、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元6提供高精度時(shí)鐘信號，電池及其管理系統(tǒng)2為整個(gè)裝置供電。
進(jìn)一步地，該裝置還包括浮力裝置，所述浮力裝置為與海底基座18連接的浮球或固定在海底基座18上的浮力板。
進(jìn)一步地，所述低頻全向水聽器14的頻率為5Hz～200Hz，所述中頻全向水聽器15的頻率為1kHz～100kHz，所述高頻全向水聽器16的頻率為500kHz～10MHz。
進(jìn)一步地，所述耐壓水密艙13、換能器安裝架17、海底基座18和聲學(xué)釋放器19均采用耐海水腐蝕并具有防生物附著涂層的材料。
進(jìn)一步地，水聽器包括兩個(gè)部分，一部分與海底耦合，另一部分在水體中，同步采集海底地質(zhì)活動、水體活動以及生物活動的聲波信號，有利于分析各種地質(zhì)活動與生物活動之間的相關(guān)性。
本發(fā)明提供的深海聲波采集裝置可以長時(shí)間全天候監(jiān)聽周圍多個(gè)頻段的海底聲音，可以偵聽、記錄存儲海底地震、地質(zhì)活動和人類活動等產(chǎn)生的幾乎所有聲音。
本發(fā)明還提供一種深海聲波采集方法，具體為：在下水前開啟工作，利用重物投放入預(yù)定海底位置，開始采集海底活動、水體活動以及生物活動等聲波信號，經(jīng)過一段時(shí)間工作后，利用聲學(xué)釋放器與重物脫鉤，回收裝置。
實(shí)施例1
本實(shí)施例的深海聲波采集裝置包括耐壓水密艙13、換能器安裝架17和聲學(xué)釋放器19，所述換能器安裝架17通過不銹鋼抱箍固定安裝三組不同頻段響應(yīng)的水聽器：低頻全向水聽器14、中頻全向水聽器15和高頻全向水聽器17。三組水聽器分別通過8芯的第一水密座10、第二水密座11和第三水密座12連接水密纜將信號接入耐壓水密艙13內(nèi)電子系統(tǒng)進(jìn)行處理。
耐壓水密艙13內(nèi)部通過積木式鋁架安裝聲學(xué)電信號處理、存儲電路板和電池及其管理系統(tǒng)2，聲學(xué)電信號處理主要包括4通道5Hz～200Hz低頻信號預(yù)處理電路板卡、4通道1kHz～100kHz中頻信號預(yù)處理電路板卡和4通道500kHz～10MHz高頻信號預(yù)處理電路板卡，預(yù)處理后的多組聲學(xué)電信號再經(jīng)多通道高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元6轉(zhuǎn)換成多通道數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過帶屏蔽數(shù)字信號纜連接到嵌入式ARM11控制器板卡，嵌入式ARM11控制器板卡再將信號分組同步傳送給數(shù)字信號處理DSP板卡，同時(shí)將DSP數(shù)字濾波、去噪處理后的聲波采集數(shù)字信號按照WAV格式通過DMA通道存儲到高速數(shù)字存儲器FLASH3中。
在聲波采集信號數(shù)字化、DSP處理和存儲過程中由高精度時(shí)鐘源1的獨(dú)立時(shí)鐘信號提供系統(tǒng)同步。100AH容量的聚合物鋰離子電池包和固定安裝的電池管理系統(tǒng)組成了電池及其管理系統(tǒng)2，對系統(tǒng)供電電纜為正極(紅色)、負(fù)極(黑色)3mm2高溫鍍銀導(dǎo)線，長30mm。充電電纜為為正極(紅色)、負(fù)極(黑色)2mm2高溫鍍銀導(dǎo)線，長50mm。
換能器安裝架17和耐壓水密艙13通過不銹鋼金屬框固定安裝在一起，不銹鋼金屬框上安裝有多塊方形浮力材，不銹鋼金屬框通過錨鏈固定鏈接聲學(xué)釋放器19，聲學(xué)釋放器19的釋放勾通過錨鏈固定水泥重塊。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的深海聲波采集方法，包括下列步驟：
步驟1：裝置連接與調(diào)試
1.1檢查裝置各個(gè)部件是否牢固、無破損；
1.2連接耐壓水密艙、換能器支架、聲學(xué)釋放器、重塊；
步驟2：裝置投放
2.1在船后甲板找出平坦擺放區(qū)域，將裝置順序擺放；
2.2在到達(dá)預(yù)定投放位置之前，開啟裝置，待船拖航至預(yù)定位置時(shí)，快速投放重塊，使得裝置自由落體到預(yù)定作業(yè)位置；
步驟3：裝置作業(yè)
裝置投放入水后，即開始作業(yè)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲于FLASH中；
步驟4：裝置回收
在經(jīng)過一段時(shí)間作業(yè)后，通過甲板控制單元發(fā)送命令給聲學(xué)釋放器，聲學(xué)釋放器與重塊脫鉤后，裝置依靠自身浮力上浮至海面后回收。
本發(fā)明的深海聲波采集裝置可以通過水面船只定點(diǎn)向海底拋入式布放，也可以走航式拋載，回收可以通過在船甲板向水下發(fā)射聲學(xué)釋放器釋放命令，讓水下釋放器脫鉤水泥重塊，通過安裝浮力材的不銹鋼框架將深海聲波采集裝置帶浮到海面，實(shí)現(xiàn)深海聲波采集裝置回收并取回存儲的海底聲波采集，實(shí)現(xiàn)對海底活動聲波采集監(jiān)控。