一種基于聲吶電磁協(xié)同探測(cè)技術(shù)的海洋沉潛油檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋環(huán)境檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是涉及一種運(yùn)用聲吶與電磁結(jié)合探 測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋沉潛油檢測(cè)的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通過(guò)海上運(yùn)輸?shù)脑土考眲≡黾?，相?yīng)的油輪事故 造成原油泄漏事件頻頻發(fā)生，并且岸邊儲(chǔ)油罐、海上輸油管道和油井溢油事件也時(shí)有發(fā)生。 當(dāng)溢油經(jīng)過(guò)風(fēng)化和海水運(yùn)動(dòng)等多重作用，部分溢油發(fā)生沉潛，形成沉潛油。沉潛油有沉降到 海底的沉底油，也有懸浮在海水中的懸浮油。由于沉潛油難以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化速度非常緩慢，對(duì) 海洋生態(tài)環(huán)境造成長(zhǎng)期影響，而且沉潛油會(huì)隨著水溫、水流等條件的變化反復(fù)上浮，形成對(duì) 岸線的多次污染，極大的影響海洋水產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)的正常作業(yè)，嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
[0003] 目前國(guó)際上對(duì)于沉潛油的探測(cè)主要有：現(xiàn)場(chǎng)采樣、光學(xué)探測(cè)、聲納探測(cè)、激光熒光、 熒光偏振等方法。其中，現(xiàn)場(chǎng)采樣、物理和化學(xué)采樣可獲取溢油信息，誤判率低，但是受限于 海況，且對(duì)沉潛油的采樣也有一定局限性；水下光學(xué)探測(cè)方法的誤判率低，但其在海水中觀 測(cè)范圍??；激光熒光和熒光偏振可獲取溢油信息，但對(duì)于沉潛油的檢測(cè)技術(shù)還不是很成熟， 也易于受到海水渾濁度的影響。綜上，現(xiàn)有針對(duì)沉潛油的探測(cè)技術(shù)，還不能滿足海洋大范圍 精確探測(cè)，并且現(xiàn)有的一些方法耗費(fèi)人力物力嚴(yán)重。所以探索一種可實(shí)現(xiàn)大范圍且低成本 的探測(cè)技術(shù)就顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種基于聲吶電磁協(xié)同探測(cè)技 術(shù)的海洋沉潛油檢測(cè)系統(tǒng)，其能夠較為準(zhǔn)確地探測(cè)海洋中的沉潛油，而且具有探測(cè)范圍廣， 成本低等特點(diǎn)；同時(shí)其可為海洋沉潛油清理、加強(qiáng)海洋污染監(jiān)測(cè)執(zhí)法力度，提供了強(qiáng)有力的 信息支持和可靠保障。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0006] 一種基于聲吶電磁協(xié)同探測(cè)技術(shù)的海洋沉潛油檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：
[0007] 包括聲吶電磁波發(fā)射單元、聲吶電磁波接收單元、信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)分析單元、 控制單元以及顯示單元；
[0008] 其中，所述聲吶電磁波發(fā)射單元連接所述控制單元，其用于向待探測(cè)區(qū)域發(fā)射聲 吶信號(hào)以及電磁波信號(hào)；
[0009] 所述聲吶電磁波接收單元連接所述信號(hào)采集單元；其用于接收待探測(cè)區(qū)域返回的 聲吶信號(hào)以及電磁波信號(hào)；
[0010] 所述信號(hào)采集單元連接數(shù)據(jù)分析單元，其用于對(duì)接收到的聲吶信號(hào)和電磁波信號(hào) 進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理；
[0011] 所述數(shù)據(jù)分析單元連接所述控制單元，所述數(shù)據(jù)分析單元用于實(shí)時(shí)將經(jīng)預(yù)處理后 的聲吶信號(hào)和電磁波信號(hào)進(jìn)行分析處理獲得對(duì)應(yīng)的沉潛油探測(cè)信息后，與預(yù)設(shè)的沉潛油探 測(cè)信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)判斷當(dāng)前待探測(cè)區(qū)域是否存在沉潛油；其中，該數(shù)據(jù)分析單元 包含有用于沉潛油探測(cè)信息分析處理的聲學(xué)和電磁學(xué)協(xié)同探測(cè)的耦合關(guān)系模型，并基于所 述耦合關(guān)系模型建立沉潛油探測(cè)信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0012] 所述控制單元連接所述顯示單元，為整個(gè)裝置的控制中心，在所述數(shù)據(jù)分析單元 獲得沉潛油探測(cè)信息后，將該沉潛油探測(cè)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至所述顯示單元進(jìn)行顯示，以便于 所述顯示單元形成對(duì)應(yīng)的沉潛油的地理分布情況信息。
[0013] 進(jìn)一步的，所述的聲吶電磁波發(fā)射單元包括聲吶發(fā)射裝置以及電磁波發(fā)射裝置； 所述聲吶發(fā)射裝置采用側(cè)掃聲吶發(fā)射或多波束聲吶發(fā)射，所述電磁波發(fā)射裝置為微波發(fā)射 裝置。
[0014] 進(jìn)一步的，數(shù)據(jù)分析單元用于將接收到的聲吶和電磁波信息進(jìn)行處理分析，根據(jù) 沉潛油和海水的聲衰減、聲阻抗、電導(dǎo)率等參數(shù)信息的不同，從中分析獲得沉潛油探測(cè)信 息；該數(shù)據(jù)分析單元設(shè)計(jì)原理：由于海水的電導(dǎo)率較大，對(duì)電磁波有屏蔽作用，并且電磁波 的頻率越高衰減的越快，所以單純采用的微波波段的電磁波在海水中的探測(cè)距離有限。而 聲波在海水中的傳播距離較遠(yuǎn)，探測(cè)范圍廣，但是聲吶探測(cè)難以區(qū)分水下沉潛油與水下植 物的反射聲波信息，對(duì)于軟的、平滑的、凹陷的海底回波信號(hào)較弱，探測(cè)精度不高。所以本系 統(tǒng)設(shè)計(jì)建立聲吶電磁協(xié)同探測(cè)模型，首先使用聲吶探測(cè)對(duì)大范圍的區(qū)域進(jìn)行沉潛油探測(cè)， 發(fā)現(xiàn)沉潛油存在的大致區(qū)域后，將載有聲吶電磁探測(cè)裝置的船舶靠近該區(qū)域，達(dá)到電磁波 可探測(cè)的距離后，進(jìn)行電磁波探測(cè)，進(jìn)一步探測(cè)沉潛油的存在。
[0015] 具體的，所述數(shù)據(jù)分析單元包括預(yù)裝有聲學(xué)和電磁學(xué)協(xié)同探測(cè)的耦合關(guān)系模型， 將經(jīng)預(yù)處理后的聲吶信號(hào)和電磁波信號(hào)按照所述耦合關(guān)系模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取并獲得對(duì)應(yīng) 的沉潛油探測(cè)信息的數(shù)據(jù)提取模塊以及與所述數(shù)據(jù)提取模塊連接，接收數(shù)據(jù)提取模塊獲得 的沉潛油探測(cè)信息后與內(nèi)部預(yù)設(shè)的沉潛油探測(cè)信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較分析，判斷當(dāng)前待 探測(cè)區(qū)域是否存在沉潛油的比較分析模塊。
[0016] 優(yōu)選的，所述聲學(xué)和電磁學(xué)協(xié)同探測(cè)的耦合關(guān)系模型包括聲吶探測(cè)模型以及電磁 探測(cè)模型：
[0017] 所述的聲吶探測(cè)模型包括：
[0018] ⑴、當(dāng)聲波在密度為P的介質(zhì)以速度C傳播時(shí)，由聲阻抗的定義，可得基礎(chǔ)模型公 式一：
[0019] Z=Cp
[0020] ⑵、當(dāng)聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)反射或損失的能量在很大程度上是由兩 種介質(zhì)的聲阻抗來(lái)決定的，因此假設(shè)船載聲吶向海底發(fā)射聲波，并由一種介質(zhì)垂直入射另 一種介質(zhì)，得到公式二聲波反射系數(shù)R模型：
[0021]
[0022] 公式二中，Z。為海水的聲阻抗（CwJ，Zi為沉潛油的聲阻抗（CiPJ，A為聲波振 幅，即分別為聲吶發(fā)射裝置發(fā)射以及聲波振幅和聲吶接收裝置接收的聲波振幅；
[0023] (3)、公式三垂直入射平面波的海底反射損失BL模型：
[0024] BL = -201g [ (C:PrC0P0) / (C:P!+C0P0)]
[0025] 公式三中，QP^為海水的聲阻抗，C iPi為沉潛油的聲阻抗。
[0026] ⑷、鑒于聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生衰減，在不同介質(zhì)中聲波衰減的強(qiáng)度不同，因 此，得公式四，聲波在介質(zhì)中傳播的衰減系數(shù)a _模型：
[0027] a聲= 201g (A反射/A入射）/2L
[0028] 公式四中：、A&M分別為聲吶發(fā)射裝置發(fā)射的聲波振幅和聲吶接收裝置接收的 聲波振幅，L為探測(cè)的距離。
[0029] 所述電磁波探測(cè)模型包括：
[0030] 根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)的理論，可得到電磁波衰減常數(shù)aiS、相移常數(shù)0#與電磁波傳播常 數(shù)關(guān)系模型：
[0031] 丫 = a 磁 +J_ 卩磁
[0032] Y是復(fù)數(shù)，由實(shí)部電磁波衰減常數(shù)a a和虛部相移常數(shù)組成，j表示虛部。
[0033] 進(jìn)一步得到電磁波傳播常數(shù)與e '、e ' '的關(guān)系：
[0034]
[0035] 式中A為自由空間波長(zhǎng)，A。為波導(dǎo)截止波長(zhǎng)，e '表示材料的儲(chǔ)能 的本領(lǐng)，e ' '表示材料耗能的本領(lǐng)。
[0036] 得到電磁波通過(guò)電介質(zhì)的附加衰減量模型和附加相移量模型分別為公式七、公式 八：
[0037]
[0038] 同時(shí)，本發(fā)明還要提供一種基于所述系統(tǒng)的沉潛油檢測(cè)方法，其包括如下步驟：
[0039] 步驟1 :建立沉潛油探測(cè)信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)：利用所述海洋沉潛油檢測(cè)系統(tǒng)在不存 在沉潛油的海域進(jìn)行探測(cè)，數(shù)據(jù)分析單元接收到聲吶信號(hào)和電磁波信號(hào)后按照所述聲學(xué)和 電磁學(xué)協(xié)同探測(cè)的耦合關(guān)系模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取并建立沉潛油探測(cè)信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0040] 步驟2 :在待檢測(cè)區(qū)域，利用聲吶電磁波發(fā)射單元向待檢測(cè)區(qū)域發(fā)射聲波和電磁 波信號(hào)，并利用聲吶電磁波接收單元接收返回的聲波和電磁波信號(hào)；通過(guò)所述信號(hào)采集單 元進(jìn)行預(yù)處理后傳遞至數(shù)據(jù)分析單元；
[0041] 步驟3 :數(shù)據(jù)分析單元實(shí)時(shí)將經(jīng)預(yù)處理后的聲吶信號(hào)和電磁波信號(hào)進(jìn)行分析處理 獲得對(duì)應(yīng)的沉潛油探測(cè)信息后，與預(yù)設(shè)的沉潛油探測(cè)信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)判斷當(dāng)前待 探測(cè)區(qū)域是否存在沉潛油，并將該沉潛油探測(cè)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至所述顯示單元進(jìn)行顯示。
[0042] 所述的聲吶電磁波發(fā)射單元包括聲吶發(fā)射裝置以及電磁波發(fā)射裝置；所述聲吶發(fā) 射裝置采用側(cè)掃聲吶發(fā)射或多波束聲吶發(fā)射，所述電磁波發(fā)射裝置為微波發(fā)射裝置。
[0043] 所述數(shù)據(jù)分析單元包括預(yù)裝有聲學(xué)