深海钴结壳采集微地形探测技术实验研究

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1、深海钴结壳采集微地形探测技术实验研究罗柏文，夏毅敏，王韬。，白宏峰，王克智。(1．湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201；2．中南大学机电工程学院，长沙410083；3．山西潞安集团机电处，山西长治046204)[摘要]通过地表高程信息计算最佳采集深度是解决钴结壳开采贫化问题的关键技术之一。根据钴结壳的赋存环境和开采方法，提出了一种摆动式超声单波束微地形探测方法。为了检验该方法的可行性，成功搭建了实验台，并验证了该实验台的垂直探测精度可达到厘米级；提出了一种改进型数据加窗算法，进一步提高了高程异常值被剔

2、除的准确性；提出了采用线性相关系数法解决支持向量线性与非线性回归的选择问题；提出并证明了高斯径向基参数可根据测线上的坡度、坡长信息来确定。[关键词]钴结壳；超声；微地形；加窗；支持向量[中图分类号]TB559[文献标识码]A[文章编号]1009—1742(2010)09—0078—061前言2摆动式超声单波束探测实验台深海钴结壳富含钴、铂等稀贵金属，是一种重2．1工作原理要的战略矿产资源。它以薄薄的一层覆盖在水深由图1所示，收发一体水声换能器发射一定频500～3000m的平顶海山、海台顶部或坡上，厚度一率的超声

3、波照射到水底面上，其横向波束角为般为2～6cm，并对其下层岩石有很强的粘附性，很(纵向等同)，当碰到底面时产生反射或散射回波。难轻易被剥离J。因此在开采过程中，获取地表回波信号接收电路在超声波发射同时就进人工作状高程信息来计算最佳采集深度是一项关键技术。根态，一并接收发射信号和回波信号。当每次接收完据JohnE．Halkyard的钴结壳开采方案，探测装置一个探测点的回波信号后，由步进电机驱动水声换被安装在海底采矿车的底部，并具备探测精度高、实能器绕摆动中心转动一定角度进行下一次探测。由时性强的特点]。笔者结合钴

4、结壳的特殊赋存环此半个摆动周期探测一条横向测线。在水声换能器境和开采方法，对比研究了机械式微地形探测仪、单工作的同时，行走机构一直沿着导轨前进。数据采波束回声测深仪、多波束条带测深仪、侧扫声纳、测集与处理软件将采集到的发射信号作为参考信号，深侧扫声纳、水下激光测深系统、激光微地貌扫描与回波信号进行振幅相关性分析计算出超声波的渡仪、水下立体摄影和水下电磁波探测系统等一系列越时间以及探测距离，再以摆动中心为坐标原点，并基于声、光、电的水下地形探测方法的优缺点，首次结合摆角和行走速度两参数计算出每个测点的三维提出了摆

5、动式超声单波束探测方法。为了验证坐标值和高程值。该方法的可行性，主要从探测装置研制和数字高程2．2结构组成数据处理两方面展开实验研究。实验台按物理结构分类，可分为超声探测装置、机械传动装置、数据采集装置、行走机构和微地形模[收稿日期]2009—10—14；修回日期2009—11—05[基金项目]国家自然科学基金(5O875265)；中国博士后科学基金(2oo8O4-40992)；湖南省科技支撑计划(2oo9sI(3l59)[作者简介]罗柏文(1975一)，男，湖南茶陵县人，湖南科技大学讲师，博士，主要研究方向为

6、深海机械专用技术及理论、大型矿山设备管理体制及信息系统研究；E—mail：luobow75@126．corn78中国工程科学拟料五大部分，如图2所示。机械传动装置采用圆柱凸轮机构设计，其优点是结构紧凑，占据空间小，无急回特性，安装便利。笔者采用滑块行程为80mli1，摆杆摆角为2。，要求摆杆能够每摆0．5。停顿一次进行设计。结果计算出摆杆的摆动角度最大偏差只有0．01。，可认为摆杆做等角度(O．5。)摆动。超声探测装置主要包括水声换能器和水下超声测量仪两大部分。水声换能器采用压电陶瓷材料，并按工作频率为500k

7、Hz，波束角为3。进行设计。水下超声测量仪包括超声波发射系统、回波接收系统两大部分。超声波发射系统主要包括脉冲信号产图1摆动式超声单波束探测实验台示意图生电路、功率放大电路、换能器阻抗匹配网络；回波Fig．1Sketchmapofsingle—beamswing接收系统主要包括前置放大电路、带通滤波电路、时ultrasoniclaboratorybench间增益控制电路和数据通信接口。其工作原理如图3所示。数据采集装置采用PCI一1714高速采集卡，在工控机工作的数据采集与处理软件是由VC++与MATLAB语言

8、混合编程而成，并以动态链接库的形式将数据采集和数据处理程序集成到一起。它主要包括数据通信和存储、数字滤波以及振幅相关性运算等功能。行走机构采用步进电机驱动，并由图2摆动式超声单波束探测实验台实物图AT89C52单片机控制，实现行走速度可调。构造水Fig．2Physicalmapofsingle—beamswing底微地形的材料有普通河沙、模拟海泥和硬质水泥ultrasoniclabor