（机械电子工程专业论文）单波束多探头超声波微地形探测系统研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着陆地矿产资源的日趋枯竭和人类对海洋认识的日益深化，大洋富钻结壳 资源已经成为世界瞩目的2 l 世纪具有商业开发前景的战略资源。中国大洋矿产 资源研究开发协会制定了国际海底区域研究开发“十五”计划和国际海底 区域研究开发“十五”立项指南，将“钴结壳资源评价与研究”( d y l 0 5 0 1 ) 和 “钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”( d y l 0 5 0 3 0 2 ) 确立为开发研究的重 点项目。 本文正是以国家关于国际海底区域开发的“十五”重点攻关项目“钴结壳 采集模型机关键技术及装备研究”( d y l 0 5 0 3 0 2 ) 为课题背景，利用单波束回声 探测技术研制了多探头超声波微地形探测系统。该超声波微地形探测系统将所探 测到的高程数字实现可视化并将之传送至采掘机控制单元。采掘机根据超声波地 形探测器探测到下阶段所需要开采的地形，计算最优切削深度，并自动调整螺旋 滚筒轴心的浮动高度，以满足下一阶段与截割平面平行破碎的需要。 本论文的主要研究内容是； 1 、研制了下位机微地形高程数据采集系统。包括单片机数字处理系统、超 声波发射电路设计；超声波接收电路设计；温度检测电路以及系统抗干 扰电路设计。 2 、开发了基于v b 的上位机通讯应用程序。该应用程序可以实现数据的数字 滤波处理；上位机和下位机之间的数据通信；数据的动态显示、存储、 打印以及串行口设置等功能。 3 、分析超声波测距引起误差的原因，对引起测量误差的因素进行修正处理， 提高系统的测量精度。 4 、对分体式超声波探头系统的测量精度进行实验研究。检验超声波澳憷i 系 统的测量精度以及不同探测面对系统测量精度的影响。 5 、对超声波探头的微地形探测精度进行了实验研究，通过实际微地形探测 和重构试验验证微地形探测系统的的探测精度。 论文进行了具有理论意义和工程实践价值的创新性研究探索，为探测深海钴 结壳微地形打下了良好的理论基础，并为将来实际钴结壳矿产资源开发设计中要 建立的仿真模型提供了技术原型。 关键词：富钴结壳，微地形探测，超声波，切削深度，数据采集 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t hl a n dm i n e r a lr e s o u r c e su s e du pb yh u m a nb e i n g sa n dw e u n d e r s t o o dt h eo c e a nm o r ea n dm o r e ，o c e a n i cc o b a l tc r u s tr e s o u r c eh a s b e e nac o m m e r c i a lf o r e g r o u n ds t r a t e g i c a l l yr e s o u r c ei n21c e n t u r yw h i c h w a sf o c u s e dt h ei n t e r n a t i o n a la t t e n t i o n u p o n t h e o c e a nm i n e r a l r e s o u r c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta s s o c i a t i o no fc h i n at o o k c o b a l t r e s o u r c e se s t i m a t ea n dr e s e a r c h ”( d y l0 5 01 ) a n d “c o b a l tc o l l e c t i o n m o d e lk e yt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tr e s e a r c h ”( d y l0 5 0 3 - 0 2 ) a st h e e m p h a s e si t e mi nt h e ( t e n t hf i v ey e a r sn a t i o n a ld e v e l o p m e n tp r o g r a m ” o fi n t e r n a t i o n a ls e a b e da r e ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ) ) a n d ( ( t e n t h f i v ey e a r sn a t i o n a ld e v e l o p m e n tp r o g r a m e n c h i r i d i o no fi n t e r n a t i o n a l s e a b e da r e ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sj u s tb a s e do nt h eb a c k g r o u n do g 、h er e s e a r c ho f c o b a l tc r u s t g a t h e d n g m o d e lm a c h i n e s p i v o t a lt e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t ( d y l 0 5 0 3 0 2 ) w h i c hi st h ee m p h a s i z e d “f i f t e e n t h p l a no f e x p l o i t i n gt h ei n t e r n a t i o n a ls e a b e df i e l d b yu s i n gt h es i n g l eu l t r a s o n i c e c h od e t e c t i o nt e c h n o l o g y , w er e s e a r c ha n dd e v e l o p eo n es e tu l t r a s o n i c t i n y t e r r a i nd e t e c t i o n s y s t e m w i t hm u l t i u l t r a s o n i cs e n s o r s t h i s u l t r a s o n i ct i n yt e r r a i nd e t e c t i o ns y s t e mc a nd i s p l a yt h eh e i g h td a t aa n d o u t p u tt h e s ed a t ai n t ot h ec o n t r o lu n i to ft h ee x p l o i t i n gm a c h i n e t h e e x p l o i t i n gm a c h i n ec a nm a k eu s eo f t h et e r r a i nc h a r a c t e r i s t i cc o l l e c t e db y m a c h i c a lt i n yt e r r a i nd e t e c t o ra n dc a l c u l a t et h eb e s tc u t t i n gh e i g h t ，t h e n a u t o m a t i c a l l yc o n t r o lt h ec e n t e rf l o a t i n gh e i g h to fs p i r a lc u t t i n gm a c h i n e b ys a t i s f y i n gt h en e x ts t a g ec r u s t i n gn e e dp a r a l l e l i n gt h ec u r i n gp l a n e t h em a i nc o n t e n t so f t h e p a p e ra r e ： 1 r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h et i n yt e r r a i nh e i g h td a t ac o l l e c t i o n s y s t e mb a s e do nl o w e rp o s i t i o np r o c e s s o r i n c l u d i n gs i n g l ec h i pp r o c e s s o r d i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，u l t r a s o n i c t r a n s m i s s i o nc i r c u i t d e s i g n ， u l t r a s o n i cr e c e i v i n gc i r c u i td e s i g n ；t h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gc i r c u i ta s w e l la ss y s t e m a t i c a la n t i - j a m m i n gc i r c u i td e s i g n 2 r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ec o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o no fu p p e r p o s i t i o nc o m p u t e rb a s e do nt h ev bl a n g u a g e t h i sa p p l i c a t i o nc a nr e a l i z e 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t a lf i l t e rp r o c e s s i n g ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e r p o s i t i o nc o m p u t e r a n dt h el o w e r p o s i t i o np r o c e s s o r a n dt h ed a t a d i s p l a y i n g 、s a v i n g 、p r i n t i n g 、s e r i a lp o r ts e t t i n ge t c 3 a n a l y z et h em e a s u r e m e n te r r o n e o u sr e a s o nc a u s e db yt h e u l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n td e v i c ea n dm a k et h er e v i s i o nt ot h e m e a s u r i n ge r r o rf a c t o rt oe n h a n c et h em e a s u r i n ga c c u r a c yo f t h es y s t e m 4 c o n d u c tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h e s y s t e mw h i c hh a st w ou l t r a s o n i cs e n s o r so rt h ei n t e g r a t i o nu l t r a s o n i c s e n s o r e x a m i n et h em e a s u r i n ga c c u r a c yo fu l t r a s o n i cr a n g i n gs y s t e ma s w e l la st h em e a s u r i n ga c c u r a c yi n f l u e n c ec a u s e db yd i f f e r e n ts u r f a c e 5 d ot h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h et i n yt e r r a i ns u r v e y i n gp r e c i s i o n o ft h es y s t e mw h i c hh a su l t r a s o n i cs e n s o r s ，t h r o u g ha c t u a lt i n yt e r r a i n d e t e c t i o na n de a r t h s h a p ec o n s t r u c t i o ne x p e r i m e n t t oc o n f i r mt h e s u r v e y i n gp r e c i s i o no ft i n yt e r r a i nd e t e c t i o ns y s t e m a l lo ft h ec o n t e n t si nt h ed i s s e r t a t i o nr e p r e s e n ts t r o n gi n n o v a t i o n ， t h e o r e t i cv a l u ea n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o n f o u n d st h et h e o r e t i cb a s ef o rr e m o v i n gc o b a l t r i c hc r u s t sa n dp r o v i d e sa t e c h n i c a la n t i t y p ef o rt h ed e s i g no ft h es i m u l a t i o nm o d e ls h o u l d b e b u i l d e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c o b a l t - r i c hc r u s t s ，t i n yt e r r a i nd e t e c t i o n ，u l t r a s o n i c ， c u t t i n gd 印t 1 1 ，d a t ac o l l e c t i o n l i i 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 海洋是人类拥有的巨大的资源宝库。除了海洋的生物资源、丰富的海底石油 和天然气、海洋潮汛能、波浪能、海洋热能以及盐度差能等“1 ，就锰钴结核的 储量来说，据不完全估计，整个大洋底估计就达3 万亿吨，仅太平洋就有1 7 万亿吨，其中含有镍1 6 4 亿吨，铜8 8 亿吨，钴5 8 亿吨，锰4 0 0 0 亿吨，这些金 属可供全世界使用几百年以上1 。钴结壳含量目前尚没有完全调查清楚，但据 已调查的结果来看，太平洋、大西洋和印度洋中都分布有大量的钴结壳矿藏。其 中，仅太平洋西部火山构造隆起带上，钴结壳的贮量即达到数亿吨，夏威夷群岛 约翰斯顿环礁专属经济区内有3 亿吨以上，麦哲伦海山数亿吨，中太平洋海 山、马绍尔群岛，南太平洋法属波利尼西亚群岛、莱思群岛、库克岛等群岛的钴 结壳贮量也非常巨大n 一。 为维护我国海洋权益，稳步推进我国国际海底资源开发事业，在“九五”研 究成果的基础上，中国大洋矿产资源研究开发协会在其制定的国际海底区域研 究开发“十五”计划和国际海底区域研究开发“十五”立项指南中均将“钴 结壳资源评价与研究”( d y l 0 5 0 1 ) 和“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究” ( d y l 0 5 一0 3 _ 0 2 ) 确立为开发研究的重点项目。并由中南大学、长沙矿山研究院 和长沙矿冶研究院三家共同承担“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究” ( d y l 0 5 - 0 3 - 0 2 ) 研究工作“”其中基于微地形重构技术的深海富钴结壳微地形 探测系统的研究是该课题的一部分工作。 1 2 钴结壳地形表面特征及其开采方法 1 2 1 海底富钴结壳的表面地形特征 ， 钴结壳变差的海底地形起伏差异很大，平坦处起伏大于5 c m 而小于1 0c m ： 复杂处起伏为0 5m 至数米之间，其间经常出现台阶与峭壁，落差为0 5 m 至数 米之间。有时出现沟槽，其间布满沉积物及大块卵石。海山山坡上部较陡，下部 较缓。结壳表面呈平整状，葡萄状等。 图卜1 为太平洋水下平顶海山上的富钴结壳外貌特征图片。 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 图卜1 太平洋水下平顶海山上的富钴结壳外貌特征 表面地形与矿产分布有一定的关系，钴结壳矿床的表面地形按矿床赋存特征 可以分为以下6 类： 1 、熔岩流带型：基底层为火山喷出的低粘度熔岩流，表面粗糙，上下起伏 5 0c m 左右，兼有垂直落差1 0c m 以上的洼槽，其间富含大小卵石，小粒沙石， 往往也有成片的结壳薄层。这种地形往往连绵数千米。 2 、复合带型：这类地形在海山上所占的比例较大，其面积广阔，地形平坦， 起伏( 大于5 c m 而小于1 0c m ) 结壳层与薄层沉淀物相间，其间还有结核( 大于 2 c m 而小于3c m ) ，复有薄层结壳的卵石( 大于5 c m 而小于l oa m ) 与结壳碎片。 3 、卵石带型：这类地形具有薄结壳的卵石很多，尺寸也大( 大于1 5 c m 而小 于2 5 c m ) 。结核及沉积物较少。地形起伏较大。这类地形所占比例较少。 4 、沉积物带型：多见于海山平坦山顶和海山山麓。大多为钙质软泥，也有 硅钙质软泥、硅质软泥。在水深大于8 0 0 m 而小于2 4 0 0m 处的潜在可采区少见。 5 、结核带型：多见于海山平坦山顶、山顶洼地、山谷、山麓、近水平的山 坡( 大于0 。而小于7 。) 上，分布在沉积物上。 6 、大片结壳层型：大面积( 可达数十平方千米) 附着在坡度大于7 。而小于 1 5 。以上的海山山坡上，微地形起伏大于5 c m 而小于1 0c n l ，基底层为玄武岩、 变质玄武岩、玻璃质碎屑岩、火山碎屑岩等。这一类矿区是目i ； f 公认有开采价值 的地带。 日本学者y a m a z a k i 等删把钴结壳矿床地形按表面特征分为以下几种类型： ( 1 ) 阶梯形矿区( 图1 - 2 ) ，大多数裸露的结壳都有一个、二个或更多的台 2 中南大学颂十学位论文第一章绪论 阶，形成陡坡。结壳厚度及分布的面积和每一个台阶的坡度有关。在最低的台阶 和最高的台阶之间的高度差达l o i n 甚至更高。在最低的台阶和最高的台阶之间 仅有少数几个中间台阶。 ( 2 ) 瘤状形矿区( 图1 - 3 ) ，结壳表面由密密丛生的结核连在一起而成。有 时它看起来像一条由结核组成的地毯。其覆盖率可以达到5 0 以上。调查表明， 这些结核不仅是各自连在一起，而且紧紧贴附在基岩上。它们一般生长在平坦的 结壳的表面上。其高度差一般大于l o c m 而小于3 0 c m ，相对单个的结核要大。 图l 屯阶梯形矿区图图卜3 瘤状形矿区 ( 3 ) 卵石形矿区，在结壳表面有一些大的圆形的或接近圆形的卵石状突起。 这些卵石状物外面有一层结壳层，看起来如大的结核。其大小在高度上般大于 l o c m ( 4 ) 线状形矿区( 图l - 4 ) ，这些结壳表面从图形上看就像一系列朝一个方 向绘制的直线，或像一条条的水槽状。其中填满了沉积物。这些地面特征一般是 在海山坡度平缓的地方。其地表高度差相当大，从相片上看大约有8 0 c m 左右。 结壳沿线分布，形成一个线条状表面。 图l - 4 线状形矿区 总之，对于深海富钴结壳特定大区域内的地形形状虽有一定的规律，但针 3 中南大学硕 学位论文 第一章绪论 对具体的微地形还是呈现出一定的复杂性，而微地形的形状特征是我们进行开采 研究或实际作业时必须要掌握的。 1 2 2 深海富钴结壳的开采方法 海洋是一个连续的水体，它的环境条件和陆地截然不同；海洋永不停息的运 动着，海面以下每增加l o m 水深就要增加个大气压，海水中缺乏供人呼吸的养 气，海水有很强的腐蚀性。海洋里有很多种资源，总量很大而相对浓度很小，种 类很多而目前能开发利用的很少。经济价值高，但开发投资很大。因此，深海采 矿相对于陆地采矿有很多新的特点“1 ”1 。 钴结核分布于水深1 5 0 0 - 4 0 0 0 m 的海山之上，钴结壳开采系统原理图如图卜5 所示，由采矿船、海底采矿车和水力输送系统组成。这种采矿系统的特点是输送 管道由一根5 0 0 0 m 左右的硬管和3 0 0 m 的软管组成，多台输送泵安装在硬管上对 矿石混合流体接力输送。 图卜5 硬管采矿系统原理图 1 、水面采矿船：包括进行海底采矿所必需的设备、仪器、动力装置、定位系 统、导航系统、临时矿仓以及医疗、保险、提供工作人员住宿等的设施。 2 、输送系统或扬矿系统：输送系统或扬矿系统包括硬管、软管和缓冲仓等部 分。它将海底采集系统获得的矿产资源从几千米深的海底高效地运送到海面上的 运输船。软管的长度要满足采矿机围绕缓冲器自由行驶的距离，还要考虑软管中 充满矿浆流时所产生的刚性和反作用力，使软管在海水中保持某种形态，可以对 采矿机造成最小的反作用力；设置缓冲仓的好处可以使扬矿管流工况稳定在最佳 状态，可以省电并减小管径：在矿石丰度低，即使加快采矿机速度仍不能供给正 常扬矿量时，缓冲仓可补足所需给矿量。 3 、水下采矿车：采矿车要能在覆有粘上、软泥的钻结壳层、玻璃质碎屑岩 4 中南大学硕十学位论文第一章绪论 或玄武岩上行走，并且能越过如：沟槽、崖壁、大块等障碍物。水下采矿车拟采 用带有螺旋滚筒的采掘头的自行式采矿车。 螺旋滚筒采掘头的工作原理示意图如图l 一6 所示。 图1 6 螺旋滚筒工作原理不意图 螺旋滚筒采矿头安装在水下采矿车前部的下方处，螺旋滚筒的轴线两端与两 根滚筒大臂相连接，两根滚筒大臂的上下运动由其各自的进给油缸来控制。进给 油缸用来控制控制螺旋滚筒采矿头的轴心高度位置。 螺旋滚筒采矿头在破碎钴结壳时，采用阶段式、平行于截割平面( 地表面) 的、直线运动的方式。在两个阶段之间，根据海底微地形地貌的起伏状况，采矿 机自动调节进给油缸的进给量，以控制螺旋滚筒采矿头切削高度，使其达到下一 阶段最佳的破碎高度。进给油缸控制螺旋滚筒的采矿高度，使其产生上下运动来 调整高度。同时，采矿车以速度- 继续向前运动，螺旋滚筒采矿头绕自身轴心 匀速转动。螺旋滚筒切削过程如下图1 - 7 所示： 浮动秸藏刳镇潦线 阶段2 图卜7 螺旋滚筒分阶段切削示意图 其中a b 段、c d 段、e f 段是螺旋滚筒截割时的截割平面。螺旋滚筒浮动截 割的运动是指b c 段和d e 段的运动。 为此，针对水下螺旋滚筒采矿头破碎钴结壳的特点，必须设计出能实时、有 5 中南大学碗十学位论文 第一章绪论 效反映海底地形地貌的探测器，并将其安装于采矿车采掘头的| i 部。地形地貌探 测器将探测到的每一段距离为l ，宽度为w 的面积范围内的地形地貌高程数据传 送控制系统。当采掘头平行于截割平面开采完局部一段钴结壳后，采掘机根据其 车体前部的地形地貌探测器探测到下阶段所需要开采的地形，自动调整螺旋滚筒 轴心的高度，以满足下一阶段与截割平面平行破碎的需要。在自动调整螺旋滚筒 轴心的高度时，螺旋滚筒采矿头除了绕自身轴心旋转外，同时还随同采掘机一起 以一定的采矿速度圪前进。 中南大学设备工程研究所承担了螺旋滚筒式采矿系统的部分设计工作。本文 正是基于回声探测理论设计了一套多探头超声波富钻结壳微地形探测系统，用它 来测量海底区域的微地形表面高程数据，通过数字化微地形模型重构( d e m ) ，使 采掘机械按照地形特征去控制采矿头的切削高度，以达到矿物采集精确控制的目 的，这也是本文追求的目标。 1 3 国内外地形探测技术发展现状 为了提高富钴结壳的开采率，必须提供合理方便的富钴结壳微地貌( 所谓微 地形是以厘米( c m ) 为精度级别的地形图) 及厚度探测方法和测量系统。目前用于 地形测量、并能构成地形数字模型( d e m ) 的方法主要有：机械式微地形探测、 单波束回声探测、多波束回声探测、测深侧扫声纳技术、水下立体摄影等。下面 分别对其技术特点进行分析和比较，以便选择一种更适合于深海富钴结壳开采的 微地形探测系统。 ( 1 ) 机械式微地形探测 机械式微地形探测系统具有测量精度高、安装简单、使用方便等特点，是目 前常用的微地形测深仪器。典型的产品有国内中南大学研制的机械式微地形高程 数字探测系统。在钴结壳采集虚拟样机实验台的实验中，能较准确测量出钴结壳 模拟材料的高程数据，并能描绘出较逼真的微地貌地形特征。测量精度达到厘米 级。 机械式微地形探测系统的缺点是测量效率低，采集速度慢；使用寿命低，在 工况恶劣的环境下容易出故障，并且元件昂贵、维修费用高，尤其不适用于深海 作业。机械式微地形探测系统长期在水中作业时，角位移传感器的探针容易受到 海水的腐蚀，从而造成测量精度达不到要求。 ( 2 ) 单波束回声探测技术 单波束测深仪的测深过程是采用换能器垂直向下发射短脉冲声波，当这个脉 冲声波遇到海底时发生反射，反射回波返回声纳，并被换能器接收乜1 删。其水深 值由声波在海底间的双程传播时间和水介质的平均声速确定： 6 中南大学硕十学位论文第一章绪论 d = ! c j 2 式中，d 为换能器与海底之间的距离； 程传播时间。 ( 1 - 1 ) c 是水体的平均声速；t 是声速的双 单波束测深的特点是波束垂直向下发射，接收反射回波，因此声波传播中没 有折射现象，或者折射现象可以忽略不计( 因入射角近于零) ，反射波能量占回 波能量的的全部或绝大部分，其回波信号检测方法只需使用振幅检测法即可。由 于单波束测深过程中采取单点连续的测量方法，因此其测深数据分布特点是沿航 迹数据十分密集，而在测线间没有数据。利用多个单波束换能器在船尾垂直船轴 按一定阵列排列，可以实现多个波束的发射和接收嘲，从而实现水深测量的全覆 盖。全覆盖的最小水深d r a i n 存在如下关系： d r a i n = 一1s 培( 刍 (12)22 其中：s 是相邻换能器之间的距离；口是波束角。下图l - 8 为单波束测深仪 的工作原理示意图。 图1 _ 8 单波束测深仪工作原理示意图 多个单波束换能器的测深公式与单波束测深仪类似，即： 吐= j 1c = 蜘 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 式中，z 、t 和分别为第i 个波束( 换能器) 的水深，双程反射时间和距换能 器中心的水平位置。 单波束回声精密测深仪，结构简单、价格便宜，安装、使用方便，实用于小 面积、高精度的地形地貌探测中，是目前常用的测深仪器乜1 “。 ( 3 ) 多波束回声探测技术 7 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 多波束条带测深系统的发射基阵和接收基阵采用相互垂直的。t ”形结构。 发射基阵平行于船体的首尾线安装。而接收基阵垂直于船体的首尾线安装。发射 信号和接收信号分剐在某一方向上形成较小的方向角。而在垂直的另一方向上形 成较大方向角其目的是使测量系统对船体的运动姿态要求降低到最低程度 口l 侧 o 多波束声呐条带测深系统的基本工作原理如图1 - 9 所示：在垂直于母船航向 的方向上，通过多波束形成技术在若干个预成波束角方向上形成若干个波束，然 后分别测量出与每个波束对应点的深度。若干个测量周期组合起来形成一条以母 船航迹为中心线的带状水深图，因此称作为条带。 图l - 9 多波束条带测深系统的工作原理不慈图 作为条带测深仪最重要的一项指标就是扫海宽度w 。从图卜9 以看出：w 取 决于最边缘波束对应的实际水深h 和最边缘波束所张成的角度0 。 矿=2h-tg(2)(1-5) 多波束探测系统的优势主要集中在一次扫描面积大，范围广，测深点多、测 量效率高、全覆盖等优点，对大比例尺的测绘尤为适用。但是多波束测深系统结 构复杂，而且多波束测深是一种后处理技术，它测量误差大，数据传输与处理时 怕l 长，结构复杂，对海底小范围、高精度微地形探测与重构不适用。 ( 4 ) 测深侧扫声纳技术 侧扫声纳通过其换能器阵分别向两侧发射水平波束角很窄( 小于2 5 a ) 而垂 直面内波束角较宽的扇面形声束，并接收其海底回声来获得海底的声学图象。它 直观地反映了海底地貌形态、沉积物类型及结构、海底沉物等方面的信息。测深 侧扫声纳从常规侧扫声纳发展而来，集测深与海底面声学成像于身。该系统利 用2 - 3 个平行于发射阵布置的接收阵( 相互间存在一定间隔) 来测得海底回声的 到达角度，并根据此角度和回声传播时间来获得声纳扫描条带内的水深值，同时 8 中南犬学硕士学位论文 第一章绪论 不影响声纳的高分辨率海底成象。 从目前技术水平看，总体上说测深侧扫声纳的测深精度尚不及相应的多波束 测深系统，但是测深侧扫声纳的海底面成像能力优于目前有成像功能的多波束测 深系统。测深侧扫声纳一次扫描面积大，探测效率高，但其结构复杂，价格昂贵， 测量误差大、精度低，不适用于海底小范围、高精度微地形探测场合一1 。 ( 5 ) 海底水下立体摄影技术 海底水下立体摄影系统性能稳定，图像清晰，操作简便，实用性强；抗冲击， 坚固性、可靠性好。其典型产品有中国地科院矿产资源研究所研制的深海彩色数 字摄影系统。 海底水下立体摄影系统的缺点是只适合于透光性较好的浅水区域。当采矿车 在洋底作业时会剧烈地搅动沉积物，从而引起周围水域海水浑浊，由于水中悬浮 颗粒对光的后向散射效应，即使是蓝绿激光在水中衰减也很大，很难满足深水探 测距离的要求，它主要用于浅海区域啪1 而大洋富钴结壳是一种多金属矿石， 主要生长在水深5 0 ( 0 4 0 0 0 m 的深海海底山坡硬质基岩上。因此，海底水下立体摄 影技术不适用于深海富钴结壳地貌探测场合 综上所述，就探测精度来说，单波束回声探测技术和多波束回声探测技术的 探测精度最高。与多波束探测系统相比，单波束探测系统具有结构简单、成本低 廉，制作方便等优点。因此，本文采用了单波束回声探测技术并基于此研制了一 套高精度短距离超声波微地形探测系统。 1 4 课题研究基础 “十五”期间，针对“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究” ( d y l 0 5 0 3 - 0 2 ) 项目，刘勇博士n 1 1 等人建立了钴结壳采集模型机的螺旋滚筒切 削头的优化模型，并设计和建立了螺旋滚筒模拟实验台，对螺旋滚筒切削的优化 模型进行了理论论证和实验验证；同时，邱长军博士等人对从大洋考察船在我 国开辟区所取得的钴结壳和基岩样品，进行了物理力学性能参数测试，以此为依 据，按一定的理论作指导，得到了能相似模拟钴结壳和基岩的人造材料，并用此 材料进行池试和开展螺旋滚筒切削头机理研究及采集设备研究，为模型机的设计 积累了大量的资料和为反演原型机的设计参数提供了相关比尺。为确保采集头在 凹凸不平的海山上有效采集钴结壳，要对微地形高程数据进行采集，根据地形重 构的相关理论和方法。实现微地形重构及其可视化。以此为依据，作为本人的课 题。单波束多探头超声波微地形探测系统的研究”，这也是“钴结壳采集模 型机关键技术及装备研究”( 0 y 1 0 5 一0 3 0 2 ) 项目的部分工作。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 课题研究的主要内容 针对单波束多探头超声波微地形探测系统，本文进行了如下内容的研究： ( 1 ) 对超声波测距及其系统进行调研，查阅资料。掌握超声波测距原理及其测 距系统的设计方法和思路。 ( 2 ) 根据掌握的资料，设计超声波测距系统的硬件电路，研制一种高精度的短 距离多探头超声波测距系统。 ( 3 ) 开发了基于、r b 的串行通信应用程序。该应用程序具有数据采集和串行通信 的功能。可以接收和处理由下位机传来的高程数据，同时也可以实现数据的动态 显示、保存、打印以及串口设置等功能。 ( 4 ) 分析超声波测距引起误差的原因，对引起测量误差的因素进行修正处理， 提高系统的测量精度。 ( 5 ) 对分体式超声波探头系统的测量精度进行实验研究。检验超声波测距系统 的测量精度以及不同探测面对系统测量精度的影响。 ( 6 ) 对超声波探头的微地形探测精度进行了实验研究，通过实际微地形探测和 重构试验验证微地形探测系统的的探测精度。 1 8 本章小节 ( 1 ) 在介绍了深海钴结壳的地形表面特征的基础上，论述了钴结壳螺旋滚筒破 碎采集方法。指出实现钴结壳螺旋滚筒破碎采集方法的关键是：通过对海 底微地形的监测，重构出微地形，在掌握微地形特征的基础上，控制螺旋 滚筒的浮动高度，使其以最佳的切削深度破碎和采集钴结壳，点明了本文 研究的目的和意义。 ( 2 ) 对比研究了地形测量、地形数字重构的方法，指出了本课题采用单波速回 声探测技术的技术背景。 l o 中南大学硕士学位论文 第二章短距离超声波测距系统研究 2 1 引言 第二章短距离超声波测距系统研究 根据深海钴结壳采矿方法及其特点，微地貌探测仪距离海底地面的高度不会超过 两米，同时要求精确地探测出采掘头前方钴结壳区域的地貌起伏状况，因此要求探测 系统的探测精度至少达到厘米级。 根据短距离测距精度要求高的特点，在对大量超声波电路调研的基础上”，本 文研究并制作了一套高精度短距离超声波测距系统，为了提高超声波测距的精度，本 文在超声波发射探头组件设计、前置放大电路、精密滤波电路以及整形电路设计方面 做了一些尝试和创新，并通过实验验证了这些方法有效地提高了超声波检测的精度， 使得系统的测量精度达到厘米级要求。 2 2 超声波测距系统结构组成 超声波测距系统由发射电路、回波接收电路、电平转换电路、上位机系统、下位 机、温度检测电路、硬件看门狗电路等部分组成。其中超声波发射电路由单片机、功 率放大电路、多路选择开关和超声波发射传感器组成；回波接收电路由超声波接收传 感器、多路选择开关、前置放大电路、二次放大电路、带通滤波电路、末级放大电路 和比较电路组成。超声波测距系统结构组成如图2 _ 1 所示。 i 童静i 波倍感器 =多 一麟黻啦 d s i b b 加l ii t , 1 8 1 3 1 , 1 路 t li店ii- i 超声竣倍感鲁仁 择 一单片机a t 8 9 c 5 2 ir 上 开 s 位 i 趋声波信感嚣 = = 关 c 1 x i 机 2 2 系 3 3 统 u 国最国国取圈疆 取 电 2 2 趁声搜信感器 = =0 5 2 匿 大 波犬路 各部分作用如下： 图2 - 1 超声波测距系统结构组成 中南大学硕十学付论文 第一二章短距离超声波测距系统研究 1 ) 超声波发射装置：由单片机产生一定频率的方波脉冲信号，将其经过功放电路放 大后加至超声波发射传感器，激励超声波发射传感器产生一定频率的超声波。 超声波发射装置主要由单片机、功率放大电路和超卢波发射传感器组成。 2 ) 超声波接收装置：将超声波回波信号转换为脉冲电压信号，并将微弱的脉冲电压 信号放大、滤波，最终转变为可以使单片机内部定时器计数器计数的电平脉冲信 号，并完成渡越时间的脉冲计时。 超声波接收装置由前置放大电路、二次放大电路、带通滤波电路( 包括低噪 声、高宽带巴特沃斯型低通滤波电路和高q 值、窄宽带的二阶带通滤波电路) 、末 级放大电路和比较电路。 3 ) 系统校正电路：实时测量周围环境的温度，补偿传播速度的变化对传播距离的影 响；提高单片机系统的稳定性和抗干扰能力，防止程序“跑飞”或者进入死循环。 系统校正电路由温度检测电路、硬件看门狗电路等组成。 4 ) 上位机系统：上位机系统用来对下位机传送的数据进行数字滤波以及数据的显示、 保存、打印等功能。 2 3 超声波发射装置研究 超声波发射装置将一定频率的电压脉冲信号放大，使信号峰峰值电压达到1 5 0 v 左右。同时，将发射回路中的电流进行预放大。将功放后的脉冲信号加至发射探头， 使之产生一定频率的超声波。 2 3 1 超声波脉冲信号的产生 一定频率的脉冲方波信号可以由硬件电路产生，也可以由单片机通过软件编程产 生。由于使用软件编程产生脉冲信号比较简单，可以充分利用单片机的硬件资源，同 时也可以省去复杂的硬件电路设计。因此，本发射装置采用单片机软件编程的方法产 生脉冲信号。 单片机a t 8 9 c 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 型的8 位微处理器，它带有8 k 字节的可编程闪存e p r o m 。同时具有3 个1 6 位的内部定时器计数器，是目前普遍 应用的主流产品。因此，采用a t 8 9 c 5 2 编制程序产生脉冲信号。 通过编写程序产生固定的超声波脉冲，通过功率放大处理后经电感线圈驱动发送 超声波传感器激励振荡。实验结果表明：激励脉冲宽度对换能器发射功率影响极大， 换能器取得最大发射功率所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。 因此，超声波发射脉冲的占空比尽可能接近5 0 。在本实验中，用1 2 u s 的持续 时间产生正脉冲，1 3 u s 的持续时间产生负脉冲，占空比为4 8 。 1 2 ! 堕盔兰夔主堂笪堡奎 兰三童丝堕曼塑兰垫型堕至丝坚塑 其程序流程图如下图2 - 2 所示： 图2 - 2 超声波脉冲信号编程流程图 p 1 o 为输出超声波脉冲的引脚。通过指令c p k 经一定时间来改变p i 0 引脚的电 位获得脉冲。下图2 - 3 为利用单片机编制程序产生的中心频率为4 0 k h z 的矩形脉冲， 占空比为4 8 。 ：i：。| 图2 - 3 频率为4 0 1 ( 1 e 的矩形波脉冲 门一一 。 _ ；翟_ 。，：u 中南大学硕七学位论文第一二章短距离超卢波测距系统研究 2 3 ，2 超声波功率放大电路设计 为了提高超声波回波信号的声强，必须提高超声波发射电路的电功率。提高电功率 可以从两方面着手。一是提高电路的电流，；二是提高负载两端的电压。下面分别从 两方面做简单介绍。 ( 1 ) 电流放大 电流放大电路如下图2 - 4 所示。三极管采用n p n 型8 0 5 0 d ，为了防止电路中由于 电流过大造成的元件发热，集电极电阻采用功率为1 2w 、阻值为1 0 0q 的上拉电阻。 基极电阻为4 7 0q ，集电极电压为+ 1 2 v 。该电流放大电路正常工作时能保证三极管工 作在放大区，且长时白j 工作性能稳定。 图2 - 4 电流放大电路 ( 2 ) 脉冲变压器的设计 在超声波放大电路中，脉冲变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出 阻抗与负载阻抗匹配。脉冲变压器是超声波功率放大电路的关键元件，因此对脉冲变 压器进行合理的设计是很关键的工作。 1 工作频率的确定 脉冲变压器的工作频率取决于被驱动的超声换能器的工作频率。若换能器的工作 频率z 选为4 0 k h z ，因此有： l1 t = 二= 二一= 2 5 p s ，= 4 0 1 0 。 其中，t 为脉冲变压器的工作周期。 2 最大导通时间的确定 最大导通时间t o n 一按下式计算： 一= t x d 嘣 1 4 ( 2 - 1 ) 中南大学硕士学位论文 第二章短距离超声波测距系统研究 对于正向激励变换器，d 选为0 4 - 0 4 5 较适宜。d o 是设计电路时的一个重要参 数，它对主开关元件、输出变压器和变换器效率等都有很大的影响。在此，选d 雎= o 4 ， 则有 。= t x d m = 2 5 x 0 4 = 1 0 9 s 3 变压器变比n 的确定 所用换能器的额定功率只为2 0 w ，则变压器的功率负荷应为音，7 为变压器的效 率，取r = o 8 ) 。则有： 号= 寿- 2 嘣= 焉( - 2 嘣 2 ) 号2 者- 2 2 2 轰。2 u 2 q 屯 式中，冠为压电换能器谐振电路的等效阻抗，贬4 0 0 q 将最小输入电压k 。= p k = 1 2 v 和p ，傩= l v 代入上式，就可以近似估算变压器的 变比n ： ： ! ( p 名一2 p 淼)厝：o s 陬船砣一 s ， 在此取n = 2 2 。因此，变压器次级的最小输出电压就可以达到：x n 22 6 4 v 4 变压器初、次级绕组匝数的计算 变压器初级绕组的匝数n l 与最大工作磁通密度吃( g a u s s ) 之间的关系为 ：竖女兰玉1 0 ( 2 4 ) 。 吃x s 其中，s 为磁芯的有效截面积。 磁芯型号选为e i ( e ) 一2 2 ，它的有效截面积s = 4 2 m ，最大工作磁通密度吃可由 该材料的b _ 珏特性曲线查出，取巩= 2 0 0 0g a u s s 。将有关参数代入式 l ：v i m _ ：x t _ o n m t 1 0 4 ，求得1 吃s ；v i ux t o n 一1 0 4 ：! ! ! ! 旦l o 。1 4 3 1 b 。x s 2 0 0 0 x 4 2 取l = 1 4 ，则有变压器的变比n 可求出变压器次级绕组的匝数，即2 = n x i = 2 2 x 1 4 = 3 0 8 ( 匝) 由于脉冲变压器是超声波功放电路中最重要的器件，所以在制作变压器时，要反 复调试，以达到最佳的阻抗匹配 中南大学硕士学位论文第二章短距离超声波测距系统研究 在脉冲变压器的输出级，还有一个r l c 调谐补偿电路，它可以起到一定的阻抗匹 配作用，能够抵消换能器中的电抗分量提高超声换能器的机电转换效率。图2 5 是超 声波功率放大电路原理图；图2 6 功放后的电压输出波形。 微处理器发出的方波信号经多路开关输入，经共射极放大电路电流放大后，加至 变压器初级线圈。三极管和变压器t r 接成单端激励方式，由变压器完成升压和阻抗 匹配工作。由于变压器初