海底底质声学参数测量系统设计

　　海底底质声学参数测量是海底探测的重要内容之一,是研究海洋水声环境及水下通讯、进行海洋基础设施建设和海洋资源开发的不可或缺的重要环节。

　　针对海底底质的声学参数测量问题,国外在20世纪90年代中期研制开发出了海底底质声学性质原位测量系统,这种系统就是把仪器下放到海底,探针插入沉积物中直接测量声速、声衰减系数等参数,具有代表性的主要是美国研制的沉积物声学现场测量系统(ISSAMS)[1,2]以及英国研制的海底沉积物声学物理性质测量仪(SAPPA)[3]。国内目前仍然采用传统的海底沉积物取样分析的方法,由于取样后改变了沉积物所处的原来的环境(压力、温度、含水饱和度等),沉积物的声学性质因此而发生变化,这种方法测量得到的声学参数不能完全反映海底环境下的真实情况;另外,这种间接方法测量海底底质的声学参数的过程非常繁琐复杂,耗费人力物力,花费大量的时间,效率低[4]。因此,自行研制开发一种能够直接测量海底底质声学参数测量仪器是提高海洋环境声学测量技术水平、提升测量效率的必需。

　　1 海底底质声学测量系统总体结构

　　海底底质声学参数测量系统的设计目标是实现海底沉积物的声速和声衰减特性的连续测量。根据这一功能要求,设计海底底质声学参数测量系统总体结构如图1所示。系统包括水上主控子系统及水下测量子系统两部分。

　　水上主控系统包括工控机、GPS定位模块、仪器供电和电缆数据传输接口,其中GPS定位模块、仪器供电和电缆数据传输接口组合于一个外置机箱中,与工控机通过USB总线通讯。主控子系统以工控机为核心,采用GPS定位模块测定仪器的大地坐标,电缆传输接口将水上设备对水下仪器的控制命令调制后通过电缆传送给水下仪器,并对水下仪器上传数据解调,通过USB接口传递给工控机处理、显示、记录。

　　水下测量子系统构成如图2所示,它由声系、声波发射激励电路、声波数据采集、数据传输和电源组成。声系由一个声波发射探头和两个声波接收探头组成。声波发射激励电路控制发射探头激发声波的时间及强度,数据采集电路对来自接收探头的声波信号进行放大、滤波并完成模数转换。数据传输接口接收来自水上的控制命令,并将采集电路得到的测量数据调制后上传。水下测量子系统采用电池供电,通过电压转换模块得到所有电路的低压供电及声波探头的高压供电。

　　2 数据采集电路设计

　　声波数据采集电路是测量系统核心。它由单片机、声波信号模拟处理、模数转换、FIFO存储器及数据采集控制逻辑实现。对应两个接收探头设计了两个接收信号处理通道,其结构完全相同。