大洋富鈷結(jié)殼的超聲測(cè)厚

，，

(1.青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，青島 266100；2.國(guó)家深海基地管理中心，青島 266200)

深海富鈷結(jié)殼是繼大洋多金屬結(jié)核之后發(fā)現(xiàn)的另一種重要的礦產(chǎn)資源。富鈷結(jié)殼是生長(zhǎng)在水深為400～4 000 m的平頂海山、海臺(tái)頂部或坡上的殼狀物[1],其中富含鈷、鎳、鋅、鉛、鈰、鉑等金屬，其厚度范圍為2～8 cm[2]，是多金屬結(jié)核中鈷含量的4倍。

目前,日本東京大學(xué)搭配BOSS-A型ROV(水下機(jī)器人)研究了一款測(cè)量富鈷結(jié)殼厚度的裝置，實(shí)現(xiàn)了ROV水下工作時(shí)對(duì)富鈷結(jié)殼的原位探測(cè)。國(guó)內(nèi)何清華[3]等對(duì)使用聲波檢測(cè)富鈷結(jié)殼厚度進(jìn)行過(guò)初步探討，但受限于國(guó)內(nèi)載人潛水器技術(shù)的發(fā)展，一直未能得到實(shí)現(xiàn)。筆者針對(duì)“蛟龍”載人潛水器水下作業(yè)時(shí)需對(duì)富鈷結(jié)殼厚度實(shí)時(shí)測(cè)量的問(wèn)題，對(duì)搭載載人潛水器的測(cè)厚系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 超聲測(cè)厚原理與富鈷結(jié)殼特性分析

聲波在傳播過(guò)程中，會(huì)在傳播介質(zhì)的聲阻抗發(fā)生改變時(shí)，即在兩種不同介質(zhì)的邊緣處產(chǎn)生反射現(xiàn)象。因此，假設(shè)已知某種被測(cè)物體的聲波速度，只要被測(cè)物體與底部介質(zhì)之間存在不同的聲阻抗，就有可能通過(guò)測(cè)量從被測(cè)物體表面至被測(cè)物體底部的渡越時(shí)間來(lái)計(jì)算出該被測(cè)物體的厚度，也就是文中采用的測(cè)厚方法。

富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)環(huán)境十分復(fù)雜，基巖種類(lèi)在不同的海山區(qū)會(huì)有不同的類(lèi)別；同時(shí)由于受到長(zhǎng)期的腐蝕，即使是同類(lèi)別的基巖，其聲阻抗也會(huì)存在差異。當(dāng)富鈷結(jié)殼與其下伏基巖的聲阻抗相差很小時(shí)，聲波的反射波會(huì)變得非常微弱以至于無(wú)法通過(guò)技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，從而導(dǎo)致使用渡越時(shí)間無(wú)法得到富鈷結(jié)殼的厚度信息。

事實(shí)上，富鈷結(jié)殼的聲阻抗大約為5.64×106kg·m-2·s-1[4]，這意味著富鈷結(jié)殼下伏基巖的聲阻抗小于5.64×106kg·m-2·s-1時(shí)，聲波將不會(huì)在邊緣處發(fā)生反射。新鮮的玄武巖、磷灰?guī)r以及某類(lèi)型的角礫巖等都與富鈷結(jié)殼存在較大的聲阻抗對(duì)比，因此使得測(cè)厚工作成為可能。但即使在上述情況下，實(shí)際測(cè)量時(shí)仍然有許多困難，因此筆者設(shè)計(jì)出了針對(duì)富鈷結(jié)殼特點(diǎn)的測(cè)厚算法。

目前，海底聲波的檢測(cè)中，大多采用低頻聲波信號(hào)，通過(guò)分析聲波信號(hào)來(lái)反演地質(zhì)結(jié)構(gòu)。但如果使用低頻聲波信號(hào)，則沒(méi)有足夠的分辨率去分析只有幾厘米厚的海底表層。而對(duì)于富鈷結(jié)殼來(lái)說(shuō)，其表面粗糙度情況將更為復(fù)雜。在這種情況下，表面的高能量聲波反射將會(huì)掩蓋來(lái)自富鈷結(jié)殼與下伏基巖交界面處反射的聲波，使其無(wú)法解調(diào)，因此低頻信號(hào)不具有必要的空間與時(shí)間分辨率來(lái)解決富鈷結(jié)殼的厚度測(cè)量問(wèn)題。綜上所述，研究采用2.25 MHz的高頻換能器來(lái)解決上述問(wèn)題。

2 測(cè)厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用收發(fā)一體的超聲波探頭，測(cè)厚系統(tǒng)由兩部分組成，分別為超聲波發(fā)射接收部分與ARM(Advanced RISC Machine)處理器部分。

該系統(tǒng)擬采用ARM芯片處理器，主要由最小系統(tǒng)模塊、LCD(液晶顯示器)模塊、鍵盤(pán)模塊、RS485通信模塊等組成，其中RS485用于實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與載人潛水器控制系統(tǒng)間的通信，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 測(cè)厚系統(tǒng)組成示意

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

上述總體設(shè)計(jì)中，由ARM芯片發(fā)射PWM(脈沖寬度調(diào)制)方波信號(hào)進(jìn)入發(fā)射電路，通過(guò)發(fā)射電路中的功率放大功能，產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)超聲波探頭的激勵(lì)電壓，激勵(lì)超聲波換能器發(fā)射聲波。ARM芯片發(fā)射PWM方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大后，再經(jīng)過(guò)一定匝數(shù)比的變壓器升壓，從而獲得足夠的功率以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，變壓器主要用于升高脈沖電壓，并且使輸出阻抗與超聲波換能器的阻抗相匹配。超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)示意如圖2所示(T1為變壓器元件；PNP為二極管；GND為電線接地端)。

圖2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)示意

2.2 接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路組成示意如圖3所示。由于換能器接收到的原始信號(hào)強(qiáng)度太小且不穩(wěn)定，為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，必須要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理。該模塊主要包括信號(hào)放大電路、濾波電路、AD(數(shù)字模擬)采集電路等部分。

圖3 超聲波接收電路組成示意

當(dāng)超聲波換能器接收到返回的聲波信號(hào)后，先經(jīng)過(guò)放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大；同時(shí)原始信號(hào)中的噪聲信號(hào)也必然會(huì)被放大，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，使用電感和電容，并選擇合適的參數(shù)組成LC(諧振電路)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

將處理好的信號(hào)用高速AD芯片進(jìn)行采集，完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于探頭的頻率為2.25 MHz，因此采樣頻率需要大于4.5 MHz。

3 檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)

由于富鈷結(jié)殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單地通過(guò)計(jì)算第一次接收回波信號(hào)的方法并不能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出富鈷結(jié)殼的真實(shí)厚度。因此，設(shè)計(jì)了一種峰值檢測(cè)算法來(lái)自動(dòng)測(cè)量富鈷結(jié)殼的厚度。峰值檢測(cè)算法框圖如圖4所示(SNR為信噪比)。

圖4 峰值檢測(cè)算法框圖

假設(shè)已接收到的反射信號(hào)為G(t)，G(t)為某次激勵(lì)換能器后在固定周期內(nèi)產(chǎn)生反射回波的一組離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。首先G(t)信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，得到在探頭頻率范圍內(nèi)的信號(hào)Gf(t)，將信號(hào)通過(guò)Hilbert(希爾伯特)變換得到其包絡(luò)信號(hào)H[Gf(t)]。

對(duì)該Hilbert信號(hào)的信噪比進(jìn)行檢測(cè)，以判斷是否能夠作為峰值檢測(cè)的信號(hào)。

(1)

式中：qS/N是一個(gè)小于1的常量。

若滿(mǎn)足式(1)，則信號(hào)進(jìn)入頂部峰值判斷的窗口函數(shù)中，窗口函數(shù)通過(guò)閾值檢測(cè)的方法得到峰值，且閾值大小會(huì)根據(jù)信號(hào)的最大幅值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；若不滿(mǎn)足式(1)則返回等待下一時(shí)刻的信號(hào)。其中被測(cè)物頂部與底部的閾值大小分別通過(guò)式(2)，(3)來(lái)確定。

?top=qtopmaxH[Gf(t)]

(2)

?bot=qbotmaxH[Gf(t)]

(3)

式中：qtop和qbot為值小于1的常量;?top為頂部閾值;?bot為底部閾值。

在確定閾值后利用式(4)，(5)，對(duì)頂部峰值位置進(jìn)行檢測(cè)。

maxH[Gf(ti,…,ti+n)]>?top

(4)

H[Gf(ti)]>H[Gf(ti+1)]+δ

(5)

式中：n為檢測(cè)窗口函數(shù)的寬度；δ為相對(duì)于其臨近峰值的最小高度的閾值。

如果滿(mǎn)足式(4)，(5)，滿(mǎn)足條件的峰值將會(huì)被標(biāo)記為被測(cè)物頂部表面的反射峰值，其時(shí)間被標(biāo)記為ttop及ti=tbot。若不滿(mǎn)足，檢測(cè)窗口將移動(dòng)半個(gè)寬度，即令ti=ti+n/2(i=0，1,…)，并重復(fù)驗(yàn)證式(4)與式(5)。

在確定ttop后，算法下一步將根據(jù)式(6)對(duì)被測(cè)物底部進(jìn)行檢測(cè)。

maxH[Gf(ttop+tmin…+ttop+tmax)]>?bot

(6)

式中：tmin與tmax分別為可測(cè)富鈷結(jié)殼的最小厚度與最大厚度的渡越時(shí)間。

若上述條件滿(mǎn)足，其時(shí)間被標(biāo)記為tbot及tbot=ttop+Δt(tmin≤Δt≤tmax)，就可以通過(guò)測(cè)量超聲波在富鈷結(jié)殼介質(zhì)內(nèi)的渡越時(shí)間來(lái)估算出其厚度。時(shí)間間隔為Δt,富鈷結(jié)殼的P波速度為cP,可根據(jù)式(7)推算出厚度。

(7)

式中：d為富鈷結(jié)殼的厚度;cP設(shè)定為一個(gè)恒定的聲速。

使用該峰值檢測(cè)算法能夠?qū)敳糠逯蹬c底部峰值進(jìn)行有效識(shí)別，提高了檢測(cè)精度。由于對(duì)富鈷結(jié)殼測(cè)厚的目的是開(kāi)發(fā)一套礦量估算系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)某海區(qū)下富鈷結(jié)殼進(jìn)行持續(xù)的厚度測(cè)量，以便估算該海區(qū)的結(jié)殼礦量，故需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)處理。而上述峰值檢測(cè)算法能夠?qū)崟r(shí)完成大量數(shù)據(jù)的處理。另外，使用以上檢測(cè)算法有利于節(jié)約成本。

4 試驗(yàn)過(guò)程

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

圖5 測(cè)試中使用的富鈷結(jié)殼樣品外觀

選擇4塊結(jié)構(gòu)層次明顯的富鈷結(jié)殼進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試中使用的富鈷結(jié)殼樣品外觀如圖5所示，試驗(yàn)樣品尺寸及結(jié)構(gòu)特征如表1所示，試驗(yàn)原理示意如圖6所示，試驗(yàn)裝置外觀如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)原理示意

圖7 試驗(yàn)裝置外觀

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法應(yīng)用于試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)上，圖8為4塊富鈷結(jié)殼樣品的反射波形與包絡(luò)分析，圖中標(biāo)記了通過(guò)算法找到的被測(cè)物的頂部信號(hào)與底部信號(hào)，可通過(guò)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔計(jì)算得到厚度。

表1 試驗(yàn)樣品尺寸及結(jié)構(gòu)特征

試驗(yàn)中cP設(shè)定為2 750 m/s，通過(guò)圖8中的算法處理后得到時(shí)間，再計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的厚度，其測(cè)量值與實(shí)際厚度如表2所示。

表2 4種樣品的測(cè)厚結(jié)果

圖8 4塊富鈷結(jié)殼樣品的反射波形與包絡(luò)分析

根據(jù)得到的測(cè)量結(jié)果可知，測(cè)量值與真實(shí)值之間存在誤差，分析認(rèn)為這主要是由于對(duì)真實(shí)值標(biāo)定時(shí)的測(cè)量誤差導(dǎo)致。事實(shí)上，在計(jì)算過(guò)程中考慮到外界壓力等因素的變化還應(yīng)當(dāng)對(duì)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，但試驗(yàn)中暫不對(duì)壓力進(jìn)行討論。結(jié)果表明，利用該檢測(cè)算法能夠有效地對(duì)厚度進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)誤差在毫米級(jí)，對(duì)于海底環(huán)境的測(cè)量，誤差在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)載人潛水器的超聲測(cè)厚系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了富鈷結(jié)殼的特性，并對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種用于富鈷結(jié)殼測(cè)厚的峰值檢測(cè)算法，并將試驗(yàn)中從數(shù)字示波器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，對(duì)厚度檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)樣品厚度進(jìn)行了對(duì)比，厚度檢測(cè)結(jié)果的精度較高。