[发明专利]海底天然气水合物气泡泄露监测装置

权利要求书

1.一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统等，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量。

2.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述的水声换能器阵列是3*3的方形阵列。

3.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述的换能器收发电路由发射端电路和接收端电路组成，发射端电路由第一D/A转换器、功率放大器和阻抗匹配电路组成，数据存储控制系统输出设定的频率、脉冲宽度的脉冲信号，经过第一D/A转换器转换成模拟信号，接着经过功率放大器将信号放大，然后通过阻抗匹配电路输出给水声换能器阵列，接收端电路包括T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器，水声换能器阵列将由气泡反射产生的回波信号传递给接收端电路，经T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器后传输到数据存储控制系统中。

4.根据权利要求3所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述的数据存储控制系统主要由主控模块和存储模块构成，主控模块控制发射端电路输出不同频率的信号，存储模块用来存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差。

5.根据权利要求3所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述接收端电路还包括第二D/A转换器，数据存储控制系统给定设定的增益值，通过第二D/A转换器调节接收端电路中可变增益放大器的增益。

6.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述通过反演算法得到不同粒径的气泡浓度具体如下：

(1)气泡反射波声强I_bs和入射波声强I_P、气泡反射系数S_bs、发射信号和回波信号时间差t、测量系统常数存在如下关系：

其中，c为声速，r＝ct/2表示气泡距离声源的距离，τ为发射脉冲信号的宽度；根据上述关系，利用数据存储系统存储的数据，反演出气泡反射系数S_bs；

(2)声反射系数主要由共振气泡的数量决定，声反射系数S_bs与共振气泡的半径a_R、共振气泡的数量n(a_R)以及衰减常数δ_R之间的关系如下：

通过扫频信号测得不同频率下反射信号强度，进而根据(1)得到不同频率下的气泡反射系数S_bs，最终得到不同粒径的气泡的数量n(a_R)，也就得到了泄露气泡的体积通量