【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及聲學定位領域，更確切地說，它涉及基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置。
技術介紹
1、我國主要海域的水合物資源勘查已經進入試開采和開采階段，在開采過程中可能會出現地質滑坡、水合物氣泡滲漏等問題，現有地化測量設備精度差、效率低、無法辨識指示弱異常，迫切需要研發高精度、高效率的水合物開發環境監測設備，進行有效的水合物開采的環境影響評價。其中，水合物氣泡泄露監測可以對釋放到海洋水體及大氣中的具有溫室效應的甲烷進行定位和預警，具有重要的科學意義和實踐價值。
2、日本在海底天然氣水合物試采區監測技術與裝備方面走在世界的前列，在南海海槽天然氣水合物生產測試期間，對海床變形、儲層穩定性以及甲烷泄漏等進行了重點監測，甲烷泄漏監測系統集成了溫度、鹽度、壓力、溶解氧、流速等監測內容。美國海底天然氣水合物相應的監測研究工作早在2002年就已經開展,美國海底科技國家研究院于2005年在墨西哥灣密西西比峽谷118區塊(mc?118)建立了天然氣水合物海底綜合觀測站，針對墨西哥灣深水區域的天然氣水合物穩定區(hsz)內的碳氫化合物體系狀態進行長期綜合監測。其海床監測系統主要由水平監測線陣、垂直監測線陣、海底邊界層監測線陣、海床探針、氣煙囪監測陣列等組成。中國在海底天然氣水合物試采區環境監測與評價方面起步較晚，尤其在水合物氣泡泄露監測與定位方面相關的報道更為稀少。因此，亟需研發天然氣水合物氣泡泄露定位裝置，有效實現氣泡滲漏的監測與預警，對水合物開采的環境評價提供有力的支撐。
3、在波達方向估計(doa)算法方面，
技術實現思路
1、本專利技術的目的是針對現有技術的不足，提出了基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置。
2、第一方面，提供了一種基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，包括：收發合置換能器陣列、收發信號處理模塊、主控模塊、通信模塊和電源供電管理模塊；
3、其中，所述收發信號處理模塊和所述通信模塊均與所述電源供電管理模塊相連接；所述收發合置換能器陣列與所述主控模塊相連接，并置于機械旋轉支架上，用于接收和轉發所述收發信號處理模塊的信號；所述收發信號處理模塊還與所述通信模塊相連接，所述通信模塊用于向開采母船傳輸泄露位置信息。
4、作為優選，所述收發信號處理模塊通過主動發射聲波信號并接收泄露氣泡流的反射回波信號，利用基于最小二乘的陣列反卷積算法實現氣泡泄露的定位。
5、作為優選，所述收發信號處理模塊包括發射信號處理電路和接收信號處理電路；所述發射信號處理電路由信號發生器、功率放大器和阻抗匹配網絡組成，驅動換能器實現大功率的聲源發射，接收信號處理電路由收發轉換開關、低噪聲前置放大器、可調增益的放大器、a/d轉換和中央處理器組成，實現信號的接收、預處理和定位算法的實施。
6、作為優選，所述收發合置換能器陣列由n個耐高壓的收發合置水聲換能器任意排布組成；所述機械旋轉支架受主控模塊控制，根據預先設定的旋轉速度和時間間隔，在步進電機的帶動下實現360°的旋轉，帶動換能器陣列實現360°的掃描探測。
7、作為優選，所述收發合置換能器陣列中，n個陣元的位置坐標表示為：
8、[xn,yn],n＝1,2,…,n
9、第n個陣元與參考陣元的聲程差為：
10、
11、其中，θ是聲波的方位角，k是波數，k＝2π/λ，λ是波長；
12、令則平面陣列的導向矢量為：
13、
14、其中，pn＝exp{-jk(uxxn+uyyn)}，表示第n個陣元的相位延遲；
15、對于方位的入射波，常規波束形成的加權矢量為
16、平面陣常規波束形成的指向性函數表示為：
17、
18、作為優選，發射信號處理電路產生的發射信號是cw脈沖信號，時間函數表示為：
19、
20、其中，am是信號幅值，fcw是cw信號頻率，t是脈沖信號持續時間，即脈沖寬度，rect(t/t)是矩形窗函數，定義為
21、作為優選，所述最小二乘的陣列反卷積算法中，在常規波束形成輸出功率，平面陣波束模式字典，聲源分布函數之間建立差函數方程作為優化目標函數，通過最小化目標函數實現對聲源分布函數的求解，獲取聲源的分布；優化目標函數表示為：
22、minf＝‖rs-p‖2
23、式中，p是平面陣常規波束形成的輸出功率，r是所有角度的平面陣波束模式形成的波束模式字典矩陣，s是反映聲源方位和強度信息的聲源分布函數。
24、作為優選，求解所述優化目標函數用梯度下降法，在f關于s的負梯度方向上按特定步長反復迭代搜索來求得使目標函數最小的s；迭代過程如下：
25、初始化：設置聲源分布函數的初始值s(0)＝0；
26、計算殘差：r(i)＝rs(i)-p；
27、計算負梯度方向：
28、迭代得到新的聲源分布函數s(i+1)＝max(s(i)+kg(i),0)，其中κ是迭代步長，v(i)＝rg(i)；
29、重復計算與迭代，直至f<ε，ε為根據精度需求設定的無窮小數。
30、第二方面，提供了一種如第一方面任一所述基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置的工作方法，包括：
31、步驟1、收發信號處理模塊的發射信號處理電路驅動換能器實現大功率的聲源發射；
32、步驟2、收發信號處理模塊的接收信號處理電路接收泄露氣泡流的反射回波信號，并進行回波信號的定位；
33、步驟3、收發信號處理模塊的接收信號處理電路將氣泡泄露的位置信息通過通信模塊上傳至開采母船進行預警。
34、本專利技術的有益效果是：
35、1.本專利技術機械旋轉支架可帶動換能器陣列實現360°的掃描探測，擴大探測范圍，大大減少漏檢的概率。
36、2.本專利技術陣列采用收發合置的平面陣，在信號發射方面，相比單個換能器能夠有效提高發射功率，增加探測距離；在信號接收方面，能利用二維反卷積算法實現聲源定位，相比一維的線陣和圓陣，定位更加精準。
37、3.本專利技術基于最小二乘的陣列反卷積算法相比傳統的music和mvdr算法，具有較好的魯棒性，能夠在快拍數較小、陣元位置誤差較大的條件下保持高分辨率的特性。
本文檔來自技高網...【技術保護點】
1.一種基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，包括：收發合置換能器陣列、收發信號處理模塊、主控模塊、通信模塊和電源供電管理模塊；
2.根據權利要求1所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發信號處理模塊通過主動發射聲波信號并接收泄露氣泡流的反射回波信號，利用基于最小二乘的陣列反卷積算法實現氣泡泄露的定位。
3.根據權利要求2所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發信號處理模塊包括發射信號處理電路和接收信號處理電路；所述發射信號處理電路由信號發生器、功率放大器和阻抗匹配網絡組成，驅動換能器實現大功率的聲源發射，接收信號處理電路由收發轉換開關、低噪聲前置放大器、可調增益的放大器、A/D轉換和中央處理器組成，實現信號的接收、預處理和定位算法的實施。
4.根據權利要求1至3之一所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發合置換能器陣列由N個耐高壓的收發合置水聲換能器任意排布組成；所述機械旋轉支架受主控模塊控制，根據預先設定的旋轉速度和時間間隔，
5.根據權利要求4所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發合置換能器陣列中，N個陣元的位置坐標表示為：
6.根據權利要求5所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，發射信號處理電路產生的發射信號是CW脈沖信號，時間函數表示為：
7.根據權利要求6所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述最小二乘的陣列反卷積算法中，在常規波束形成輸出功率，平面陣波束模式字典，聲源分布函數之間建立差函數方程作為優化目標函數，通過最小化目標函數實現對聲源分布函數的求解，獲取聲源的分布；優化目標函數表示為：
8.根據權利要求7所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，求解所述優化目標函數用梯度下降法，在f關于S的負梯度方向上按特定步長反復迭代搜索來求得使目標函數最小的S；迭代過程如下：
9.根據權利要求8所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述電源供電管理模塊根據需求對整個系統實現周期性的休眠和喚醒。
10.一種如權利要求1至9任一所述基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置的工作方法，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，包括：收發合置換能器陣列、收發信號處理模塊、主控模塊、通信模塊和電源供電管理模塊；
2.根據權利要求1所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發信號處理模塊通過主動發射聲波信號并接收泄露氣泡流的反射回波信號，利用基于最小二乘的陣列反卷積算法實現氣泡泄露的定位。
3.根據權利要求2所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發信號處理模塊包括發射信號處理電路和接收信號處理電路；所述發射信號處理電路由信號發生器、功率放大器和阻抗匹配網絡組成，驅動換能器實現大功率的聲源發射，接收信號處理電路由收發轉換開關、低噪聲前置放大器、可調增益的放大器、a/d轉換和中央處理器組成，實現信號的接收、預處理和定位算法的實施。
4.根據權利要求1至3之一所述的基于可旋轉平面陣的海底水合物氣泡泄露定位裝置，其特征在于，所述收發合置換能器陣列由n個耐高壓的收發合置水聲換能器任意排布組成；所述機械旋轉支架受主控模塊控制，根據預先設定的旋轉速度和時間間隔，在步進電機的帶動下實現360°的旋轉，帶動換能器陣列實現360°的掃描探測。
5...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黎為，楊爾特，熊俊堯，朱春孝，
申請(專利權)人：浙大城市學院，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。