二、系统结构及其工作原理
⒈ 系统结构
新型海底沉积物声学原位测量系统由两部分组成：甲板控制单元和水下测量单元(图1).甲板控制单元的主要功能是提供电源、处理记录声学参数，水下测量单元的主要功能是发射、接收、输送信号。
图1 新型海底沉积物原位测量系统框架图
甲板控制单元位于测量船后甲板操作区，由计算机、GPS定位系统、供电系统和数据传输接口组成，其中，GPS定位系统、供电系统和数据传输接口内置于系统控制主机中.水下测量单元包括数据传输接口、声波发射激励电路、声波波形数据采集电路及声系。其中，声波发射激励电路、声波波形数据采集电路及数据传输电路位于一个不锈钢电路密封管中，声系由声波发射换能器和接收换能器组成。甲板控制单元与水下测量单元由一根铠装电缆连接，铠装电缆具有较强的抗拉、抗压、抗腐蚀强度，能够保证仪器在海水拖行中的正常通讯。
整套系统通过主机控制程序进行控制，采用GPS定位系统测定仪器的大地坐标。数据传输接口主要有两种作用：一是将甲板控制单元对水下测量仪器的控制命令调制后通过电缆传送给水下测量单元;二是将水下测量单元上传数据进行解调，通过USB接口传递给计算机处理、记录。甲板控制单元与水下测量单元建立了双向数字信道，使得声波信号可以在海底完成采集，然后以数字信号形式传输到甲板控制单元中的计算机中，避免了模拟信号的长电缆传输，提高了声学参数的测量精度.甲板控制单元可以发送各种控制命令，实时调整海底数据采集电路的信号增益、数据采集延迟时间、数据采集量等，并在计算机屏幕上实时显示声波波形(图2)。计算机能够记录声波全波列原始测量数据，保存完整，为以后信号处理提供资料。
图2 新型海底沉积物原位测量系统组成图
根据前期海上试验结果以及拖行式测量的需要，重新设计了水下测量单元的仪器结构(图3)。海底测量仪器采用“个”字结构，由在同一平面的三根不锈钢管组成支撑框架，在框架的四个端点分别配有加重铅球和加重圆饼。其中三根钢管的交叉顶点为铠装电缆的受力点，铠装电缆负责甲板控制单元与水下测量单元的通讯连接，并对海底仪器进行收放和拖动。为了适应海底复杂多变的地形，仪器结构采用一发双收共6个声学探头的设计，上下两侧对称，每一侧都包含一个发射探头和两个接收探头，这样的结构保证系统在任何状态下都能够使探头插入海底沉积物中，即使仪器在海底发生翻转的时候也不影响测量，而且上下两侧对称的设计使系统能够同时测量海底海水和海底沉积物的声学参数.电路密封管固定在中间的不锈钢管上。
图3 海底沉积物原位测量系统水下测量单元仪器结构
⒉ 工作原理
测量开始时，利用起重机和电缆绞车将水下测量仪器下放到海底，测量仪器通过自重将声学探头插入海底沉积物中，然后通过甲板控制单元中的计算机对水下测量单元发送指令，声波发射激励电路接收到指令后，控制声波发射换能器T发射声波信号，信号经过海底沉积物的传播和衰减后被同一侧的另外两个声波接收换能器(R1和R2)接收。在测量过程中，声波数据采集电路是测量系统的核心，数据采集控制的逻辑功能是：在单片机发出发射激励命令后，按照设定的延迟时间和采集数据量，依次启动两个通道的模数转换，并控制模数转换顺序写入存储器，数据采集结束时向单片机申请中断。甲板控制单元和水下测量单元的通讯通过四芯铠装电缆实现，下行命令信道与上行数据信道分别占用两个缆芯，信道传输采用曼彻斯特调制方式，为减少信道互相扰动，上行信道与下行信道采用两种不同的速率。数据传输接口将采集电路得到的测量数据调制后上传到计算机，同时，通过控制软件，声波波形在计算机屏幕上实时显示，保证测量过程中的实时观察控制。测量系统主要技术指标如表1所示，系统海上测量试验示意图如图4所示.
图4 系统海上试验及工作原理示意图
如图4B所示，同一侧的三个声学探头成斜三角排列，发射换能器T和接收换能器R1、R2的距离分别为L1、L2。测量开始时，发射换能器T发射一个声波信号，经过一定时间传播后，信号分别到达接收换能器R1和R2，根据声速和声衰减原理，可以得到沉积物声速计算公式： C=(L2-L1)∕(t2-t1) ⑴
其中，C是声速，t1、t2分别是声波信号到达接收换能器R1、R2的时间(初至波时间)。假设声波信号通过海底沉积物到达接收换能器R1时的信号能量为E1，同一个信号经过海底沉积物到达接收换能器R2时的信号能量为E2。
声衰减系数计算公式为： σ=10×(log(E1/E2)/△L)
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