一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，包括计算机、发射电路模块和接收电路模块，发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块；发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器和发射换能器；接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块；发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接；接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。利用本实用新型专利技术，成本低、效率高、便于维护，且具有较高的准确度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置


[0001]本技术涉及水下天然气水合物开采环境监测领域，尤其是涉及一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置。

技术介绍

[0002]近年来，人类对海洋的关注度日益提升，海洋勘探及海洋资源的开发主题逐渐转化为以海洋气、油等为主的矿产资源的勘探、采集及开发。为了进一步提高对海洋资源的开发利用效率，海洋探测及开发方向的高新技术需求变得越来越强烈。
[0003]利用声学观测海洋环境、勘探矿产资源是海洋、地质等领域与水声
的交叉点，有着极大的经济社会效益和科研意义，受到了全世界的广泛关注和重视。
[0004]天然气水合物分解产生甲烷，具有巨大的资源开发前景。海底上方出现的大量气泡幕从而形成冷泉区是海底天然气水合物储存的重要标志，这是海洋环境中非常广泛的自然现象。每年通过这种海底天然气渗漏释放到海洋水体和大气中的甲烷质量非常惊人，具有极高的研究价值。全球天然气水合物储存分布十分广泛，而在我国南海海域海底天然气渗漏活动非常频繁。因此研究海洋天然气的声学高效探测和精确定位，对我国的海洋资源勘探、海底观测网络应用，以及海洋相关科学等领域的研究具有重要意义。
[0005]目前研究气泡分布的方法主要有光学方法和声学方法。光学检测方法包括摄影术、全息术和散射技术等，光学方法主要是用高速照相机进行探测。光学测量装置成本高，维护起来复杂。且光学测量方法对背景环境光照条件有很高的要求，破碎波产生的气泡通常会聚集在一定范围内，尤其是在气泡数量相当多的情况下，影像重叠现象将使得测量结果误差增大。声学研究气泡分布多使用被动方法，测量的是“动态”气泡，通过测量破碎波产生的气泡向外辐射的声压信号，分析得到气泡半径分布及对应的气泡数量多少。被动方法的缺点在于，若气泡产生的信号太弱而背景噪声太强，则检测不到信号，或者得到错误的气泡分布结果。
[0006]综上，现有的水下天然气水合物泄露气泡群探测方法，存在成本高效率低不便于维护，准确度和实用性不足，局限在理论研究和仿真阶段的问题。与光学方法相比，声学方法测量简单，测量范围广，适用性强，且成本较低。设计一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置及方法，采用声学主动测量方法定位气泡群位置，研究海底天然气水合物气泡泄露定位对于我国的海洋资源勘探具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本技术提供一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，以解决水下天然气水合物泄露气泡群探测使用光学方法成本高效率低不便于维护，而目前的声学方法准确度和实用性不足的问题。
[0008]一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，包括计算机、发射电路模块和接收电路模块，所述的发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块；
[0009]所述的发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器和发射换能器；
[0010]所述的接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块；
[0011]所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接；所述的接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，所述的发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。
[0012]DA转换模块将数字量转换为模拟的电压量，功率放大器将信号进行可调益放大后传输给发射换能器；前端信号处理电路用于将水听器接收的信号进行降噪处理，AD转换模块将模拟的电压量转换为数字量。接收数据处理模块用于分析处理转换后的数字信号，得到气泡的位置。
[0013]进一步地，所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块均包括数字信号处理模块和现场可编程逻辑门电路模块。所述的数字信号处理模块采用DSP；所述的现场可编程逻辑门电路模块采用FPGA。
[0014]优选地，所述的接收水听器阵列是由六个半径为7.5cm的全向水听器组成的小型圆形阵列。
[0015]进一步地，所述的电源供电模块、发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块均密封在水密舱内部；
[0016]所述的接收水听器阵列和发射换能器固定在水密舱外表面，接收水听器阵列和发射换能器分别通过水密接口与水密舱内的前端信号处理电路和功率放大器连接。
[0017]进一步地，所述的水密舱下部设有配重块，所述的水密舱和配重块之间设有温盐探仪CTD，用于采集深海的温度和盐度的变化。
[0018]利用上述基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置进行定位的方法，包括以下步骤：
[0019](1)发射换能器作为声源发射全向声波，声波照射到气泡羽流与水介质的分界面发生反射，回波信号包含目标的方位角信息，接收水听器阵列接收气泡群回波信号；
[0020](2)对接收的气泡群回波信号进行预处理，叠加一段时间内接收到的预处理信号，得到时不变的稳定背景信号；
[0021]接收到的预处理信号和归一化的稳定背景信号作比较，得到时变的气泡回波信号；
[0022](3)对时变的气泡回波信号采用反卷积波束形成算法进行求解，得到气泡群定位结果。
[0023]步骤(1)中，发射换能器发射的全向声波是脉冲信号，内部填充10kHz、50ms正弦波，使用chirp信号作为脉冲包头，用于区分回波信号中混叠在一起的相邻脉冲回波。
[0024]步骤(2)中，所述的预处理包括：对接收到的气泡群回波信号进行插值滤波，得到最佳采样值。
[0025]步骤(3)的具体过程为：
[0026](3
‑
1)将接收水听器阵列看成一个信道，水听器输出信号公式为：
[0027]r(y)＝s(x)*h(y
‑
x)+n
[0028]其中，s(x)表示信道的输入信号，等同于接收信号r(y)表示输出信号，等同于阵列输出信号B(θ)；h(y
‑
x)表示冲激响应，等同于阵列波速模式Bp；n表示噪声。
[0029](3
‑
2)提取接收信号中携带目标位置信息的回波部分，进行常规波束形成，并代入已知的阵列波束模式利用R
‑
L迭代算法对CBF的输出波束功率进行反卷积运算，通过运算结果分析目标功率谱的角分布情况，再根据输出功率角分布估计目标方向；具体为：
[0030]建立一个半径为a的均匀圆阵，阵列几何中心为原点建立坐标轴，阵列平面位于X
‑
Y平面，这里只考虑声源与圆阵位于同一水平面的情况；
[0031]该圆阵的N个阵元均匀地分布在圆周上，将阵元按顺序编号的得到每个阵元的坐标为：
[0032][0033]其中，相邻阵元的角度间隔为2π/N，阵元间距d＝2asin(π/N)；
[0034]为了估计目标方位，预期波束指向将阵元间的相位延迟表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，包括计算机、发射电路模块和接收电路模块，所述的发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块；所述的发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器和发射换能器；所述的接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块；所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接；所述的接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，所述的发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。2.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块均包括数字信号处理模块和现场可编程逻辑门电路模块。3.根据权利要求2所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯明月，黄善和，阮东瑞，王英强，周晗昀，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：