一种超声波水下微地形探测试验装置及其方法

摘要

本发明公开了一种超声波水下微地形探测试验装置及其方法。应用于水下微地形探测及重构试验研究。本发明的装置主要由模拟颠簸装置部分和探测装置部分组成，能在模拟复杂海底颠簸工况的同时，对水下微地形进行精确探测。本发明的方法是通过单片机系统控制颠簸装置部分进入颠簸状态，然后由单片机系统控制探测用步进电机依次旋转一个角度，通过圆柱凸轮等结构将步进电机的转动转化为探头的等角度摆动，探头发出探测信号并收集回波信号，在探测的同时，角位移传感器对颠簸角度数据进行采集，从而完成微地形的探测采样工作，最后将采集的全部数据传送至工控机，进行探测点位置修正和微地形重构，实现微地形探测的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于机电一体化的新型超声波水下微地形探测试 验装置和方法，尤其是针对短距离、高精度超声波微地形探测系统中 的模拟海洋复杂工况并修正探测点位置的探测装置和方法，属于水下 声纳探测技术领域。

背景技术

大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，随着科技的发展以及陆上资源 的日益枯竭，人类正在以前所未有的速度向海洋资源开发进军，海洋 矿产资源的开发已成为国内外研究的热点，而矿产资源开发的第一步 就是探测矿区的地形地貌，为矿产的最优化开采提供重要的理论和现 实依据。

微地形探测主要应用于深海矿产资源开发过程中。进行微地形探 测的主要功能和目的是为深海采矿车或者是在该地面上作业的其他 设备精确地探测出前方矿石预采区域地貌的原始高程数据，并且水下 微地形探测装置一般都安装在采矿车或者其他设备的前端，离地面的 高度低。当前进行水下微地形探测的方式主要有两种，一种是机械接 触式的微地形探测方式，另一种是非接触式的微地形探测方式。在机 械接触式探测方式中，由于探针始终与地表接触易于被海水腐蚀，并 且在复杂的工况下有探针易变形、探测精度不高等缺点，因而接触式 的探测难以广泛应用；非接触式的微地形探测方式主要包括光电探测 和超声波探测两种方式，而超声波微地形探测系统在非接触式的微地 形探测中占有极其重要的地位。

目前，由于海底作业环境的特殊性、当前技术的限制，直接应用 于水下微地形探测系统的装置还很少，各种探测方法都还有待于深入 研究和论证。国家海洋局第一研究所设计了一套实验室用水下超声测 量仪，该测量仪将换能器探头固定在测量车上，测量车装在测量桥臂 上，利用测量车的往复运动来为系统提供探测点，但是该装置只能在 低速状态下运行，对于速度要求较高，且实时性强的实用系统并不适 用，并且该装置会激起较多的水花，干扰声波信号的接收，对系统精 确度的提高不利，最重要的是该装置未考虑海底地形的颠簸状况，不 能模拟海底的探测工况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实时性好、可控性强，能 使换能器作等角度摆动、且能模拟仿真海底的颠簸工况并对探测点的 位置进行修正的超声波水下微地形探测试验装置及其方法。

本发明提供的超声波水下微地形探测试验装置，由模拟颠簸装置 和摆动探测装置两部分组成，所述的模拟颠簸装置的结构是：颠簸用 步进电动机固定于固定支架上，所述的固定支架整体安装于移动小车 上，所述的颠簸用步进电动机的输出轴端装有圆盘，连杆联接在所述 的圆盘上，所述的连杆另一端联接于滑块上，所述的滑块滑动安装在 所述的固定支架的固定滑槽内，外接圆构件铰接在所述的固定支架 上，支承轴安装在所述的外接圆构件上且所述的支承轴的轴线与所述 的外接圆构件和所述的固定支架的联接轴线垂直，传动轴一端联接在 所述的滑块中心，另一端与所述的支承轴相联且所述的传动轴与所述 的支承轴的联结点不与所述的支承轴的中点重合，探测器支架上端连 接在所述的支承轴上且所述的探测器支架与所述的支承轴的联结点 不与所述的支承轴的中点重合且与所述的传动轴和支承轴的联接点 关于所述的支承轴的中点对称，在所述的支承轴的一端安装有第一角 位移传感器，所述的外接圆构件与所述的固定支架的联接点上安装有 第二角位移传感器；所述的摆动探测装置的结构是：圆柱凸轮通过轴 承座安装在探测器底板上，探测用步进电动机安装在所述的探测器底 板且与所述的圆柱凸轮传动联接，圆柱滚子置于所述的探测器底板上 的滑槽中且插入到所述的圆柱凸轮的滑沟内，所述的圆柱滚子与摆杆 上端铰接，所述的摆杆下端与所述的探测器底板铰接，收发一体式超 声波换能器安装在所述的摆杆下端，所述的轴承座上安装有与控制系 统电连接且与所述的圆柱凸轮上的挡片相对应的光电开关，所述的探 测器底板与所述的探测器支架相联。

超声波水下微地形探测试验装置的试验方法，(1)由单片机控制 系统控制颠簸用步进电动机按所要求的速度连续旋转，带动探测装置 部分进入模拟海底颠簸工作状态；(2)控制探测用步进电动机带动圆 柱凸轮连续转动，当转动到圆柱凸轮上的挡片第一次与光电开关发射 器对应时停止，并停留50ms，此时整个探测系统进入探测第一个探测 点的准备状态；(3)单片机控制系统控制收发一体式超声波换能器发 出探测信号，进行微地形探测，并收集回波信号，在发出探测信号的 同时采集第一角位移传感器和第二角位移传感器的角度信号，并将收 集到的回波信号和角位移信号通过数据采集卡传至工控机；(4)由单 片机控制系统控制探测用步进电动机依次转过一定角度，并停留相应 的时间，每次转动完毕后，对该探测点进行微地形探测，并采集此时 第一角位移传感器和第二角位移传感器的角度信号；(5)探测完一片 预定的区域以后，将所有探测点上采集到的地形原始高程数据和角位 移数据导入到工控机中，进行探测点位置修正计算和微地形重构。

利用所述的圆柱凸轮将所述的探测用步进电动机输出轴上的旋 转运动转换为所述的摆杆上的收发一体式超声波换能器的等角度摆 动，而且所述的探测用步进电动机始终向一个方向旋转带动所述的收 发一体式超声波换能器做往复的运动，所述的收发一体式超声波换 能器每次均匀摆动的角度为1°，所述的收发一体式超声波换能器的 摆角幅度为20°，即以竖直线为中心±10°。

所述的收发一体式超声波换能器摆动到一个位置后，停留50ms， 当摆动到最左和最右边时，停留100+Xms，其中Xms用于移动小车的运 动，可根据情况确定。

采用上述技术方案的超声波水下微地形探测试验装置及其方法， 圆盘、连杆和滑块三者构成曲柄滑块机构，将步进电动机的转动转化 为水平往复运动；传动轴带动外接圆构件绕外接圆构件与固定支架的 联接点运动。其中两个角位移传感器分别安装在支承轴的一端和外接 圆构件与固定支架的联接点上，用于测量模拟颠簸装置的偏转角度， 并结合颠簸装置的相关零件尺寸，修正探测点所在的实际位置；探测 器支架上端焊接在支承轴上，下端与探测器的底板通过焊接相联，它 在传动轴的带动下，可以在支承轴的平行和垂直方向上摆动，由于探 测器支架与支承轴的联结点不与支承轴中点重合，且与传动轴和支承 轴的联接点关于支承轴的中点对称，因而，会产生一个在竖直方向上 的上下移动，从而模拟了海底作业时上下左右颠簸的实际工况。收发 一体式超声波换能器安装在摆杆下端，换能器绕铰接点随着摆杆运 动，光电开关的发射器装在轴承座上，光电开关的挡片固定在圆柱凸 轮上，发射器和挡片相对应时，超声波换能器刚好运动到装置的最右 边；探测装置部分采用圆柱凸轮将探测用步进电动机输出轴上的旋转 运动转换为摆杆的摆动，探测用步进电动机做间歇性的旋转运动带动 收发一体式超声波换能器绕固定中心做等角度的摆动，每次摆动的角 度为1°，而且探测用步进电动机始终向一个方向旋转带动收发一体 式超声波换能器做往复运动，通过圆柱凸轮等结构的设计，摆角幅度 为20°，即以竖直线为中心±10°；圆柱凸轮转动半圈测21个点， 即探头全幅度摆动一次测21个点，因而探头的摆动圆弧分为20段， 圆柱凸轮按40段进行设计。

本发明的优点在于：所述的试验装置能逼真地模拟海底采矿的复 杂颠簸工况并修正探测点的位置，与其他形式的探测试验装置相比， 大大简化了装置的结构，具有结构简单、试验逼真的优点；所述的试 验装置避免了探头的往复运动对探测的实时性的限制，也降低了探头 运动所激起水花对超声波换能器接收信号的影响；所述的试验探测装 置实现了探头的等角度的摆动，简化了探测点原始高程数据换算的复 杂程度。

附图说明

图1为本发明的新型超声波水下微地形探测试验装置的结构示意 图。

具体实施方式

本发明下面将结合说明书附图与具体实施方式作进一步说明

如图1所示，一种超声波水下微地形探测试验装置，由模拟颠簸 装置和摆动探测装置两部分组成，模拟颠簸装置的结构是：颠簸用步 进电动机1通过第一电机座4固定于固定支架5上，固定支架5整体 安装于移动小车6上，颠簸用步进电动机1的输出轴端装有圆盘2， 连杆3通过销钉联接在圆盘2上，连杆3另一端联接于滑块27上， 滑块27滑动安装在固定支架5的固定滑槽28内，外接圆构件7铰接 在固定支架5上，支承轴25安装在外接圆构件7上且支承轴25的轴 线与外接圆构件7和固定支架5的联接轴线垂直，传动轴26一端联 接在滑块27中心，另一端与支承轴25相联且传动轴26与支承轴25 的联结点不与支承轴25的中点重合，探测器支架8上端连接在支承 轴25上且探测器支架8与支承轴25的联结点不与支承轴25的中点 重合且与传动轴26和支承轴25的联接点关于支承轴25的中点对称， 在支承轴25的一端安装有第一角位移传感器23，外接圆构件7与固 定支架5的联接点上安装有第二角位移传感器24；摆动探测装置的结 构是：圆柱凸轮9通过第一轴承座10和第二轴承座21安装在探测器 底板16上，第一轴承座10设有第一轴承端盖11，第二轴承座21设 有第二轴承端盖20，探测用步进电动机18通过第二电机座17安装在 探测器底板16且通过套筒联轴器19与圆柱凸轮9传动联接，圆柱滚 子12置于探测器底板16上的滑槽15中且插入到圆柱凸轮9的滑沟 内，圆柱滚子12与摆杆14上端铰接，摆杆14下端与探测器底板16 铰接，收发一体式超声波换能器13安装在摆杆14下端，与控制系统 电连接的光电开关22的发射器装在第二轴承座21上，光电开关22 的挡片固定在圆柱凸轮9上，探测器底板16与探测器支架8相联。

超声波水下微地形探测试验装置的试验方法，(1)由单片机控制 系统控制颠簸用步进电动机1按所要求的速度连续旋转，带动探测装 置部分进入模拟海底颠簸工作状态；(2)控制探测用步进电动机18 带动圆柱凸轮9连续转动，当转动到圆柱凸轮9上的挡片第一次与光 电开关22发射器对应时停止，并停留50ms，此时整个探测系统进入 探测第一个探测点的准备状态；(3)单片机控制系统控制收发一体式 超声波换能器13发出探测信号，进行微地形探测，并收集回波信号， 在发出探测信号的同时采集第一角位移传感器23和第二角位移传感 器24的角度信号，并将收集到的回波信号和角位移信号通过数据采 集卡传至工控机；(4)由单片机控制系统控制探测用步进电动机18 依次转过一定角度，并停留相应的时间，每次转动完毕后，对该探测 点进行微地形探测，并采集此时第一角位移传感器23和第二角位移 传感器24的角度信号；(5)探测完一片预定的区域以后，将所有探 测点上采集到的地形原始高程数据和角位移数据导入到工控机中，进 行探测点位置修正计算和微地形重构。

利用所述的圆柱凸轮9将所述的探测用步进电动机18输出轴上 的旋转运动转换为所述的摆杆14上的收发一体式超声波换能器13的 等角度摆动，而且所述的探测用步进电动机18始终向一个方向旋转 带动所述的收发一体式超声波换能器13做往复的运动，所述的收发 一体式超声波换能器13每次均匀摆动的角度为1°，所述的收发一体 式超声波换能器13的摆角幅度为20°，即以竖直线为中心±10°。

所述的收发一体式超声波换能器13摆动到一个位置后，停留 50ms，当摆动到最左和最右边时，停留100+Xms，其中Xms用于移动小 车的运动，可根据情况确定。

整个试验方法和装置是通过以下具体方式实施的：

(1)颠簸用步进电动机1通过电机座4安装于固定支架5上，固 定支架5整体安装于移动小车6上，颠簸用步进电动机1在单片机控 制系统的控制下连续旋转，带动圆盘2、连杆3和滑块27做曲柄滑块 机构运动，从而传动轴26随滑块27一起运动，使支承轴25带动外 接圆构件7绕外接圆构件7和固定支架5的联接点做旋转运动，支承 轴25可以在外接圆构件7的孔中随传动轴26转动，探测器支架8焊 接在支承轴25上，且焊接点不在中点上，与传动轴26和支承轴25 的联接点关于支承轴25的中点对称，探测装置部分的探测器底板16 与探测器支架8通过焊接相联，因而探测装置部分会随探测器支架8 一起做上下左右颠簸运动，此时，整个试验装置进入模拟海底复杂颠 簸工作状态。

(2)模拟颠簸装置部分开始工作后，单片控制系统控制探测用步 进电动机18连续旋转，并通过套筒联轴器19将运动传递给圆柱凸轮 9的主轴，带动圆柱凸轮9旋转，圆柱凸轮9通过圆柱滚子12带动摆 杆14运动，摆杆14下端装有收发一体式超声波换能器13，收发一体 式超声波换能器13会随摆杆14绕摆杆14与探测器底板16上的铰接 点摆动，当第二轴承座21上的光电开关22的发射器与安装于圆柱凸 轮9上的挡片对应时，探测用步进电动机18停止旋转，此时，收发 一体式超声波换能器13将运动到最右端，进入探测第一个点的准备 状态。

(3)此时，单片机控制系统控制收发一体式超声波换能器13发 出脉冲探测信号，探测信号触地后返回，并被收发一体式超声波换能 器13接收，收发一体式超声波换能器13接收到的回波信号经放大电 路放大、带通滤波器滤波后进入数据采集卡，与工控机进行通信，在 发出探测信号的同时，单片机控制系统控制数据采集卡采集此时第一 角位移传感器23和第二角位移传感器24的角度信号，并将其传给工 控机后，系统已经完成了一个探测点的探测。

(4)探测用步进电机18在单片机控制系统的控制下，依次转动 9°，收发一体式超声波换能器13会随摆杆14做每次为1°的等角度 摆动，每次转动完毕后停留50ms，探测当时位置的探测点，当收发一 体式超声波换能器13摆动到达最左或最右边的极限位置时，即探测 用步进电动机18每转过180°时，停留100+Xms，前50ms用于探测 本周期中的最后一个点，中间Xms用于探测小车的前移，后50ms用 于进行下一个周期第一个采集点的探测，在这段时间中，总共进行两 次数据采集点的探测。当探测完一片预定的区域以后，将所有探测点 的地形原始高程数据和角位移数据导入到工控机中，进行探测点位置 修正计算和微地形重构。

本发明在实验室中已成功应用于水下微地形探测系统，达到厘米 级的测量精度，能重构识别出各种海底的模拟地形，满足深海微地形 原始高程数据探测的需要。