中国海洋大学课件海底探测技术第四章优质PPT.pptx

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,震源发射的声波是由两个近于单一频率声波信号组成的，如3.5kHz、12kHz；

震源发射的声波是由3个以上单频声波信号组成的，如3.5kHz、12kHz、133kHz；

震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如300Hz10kHz，且每次发射频率范围，各频率声波占有比例都一样。

震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如3kHz14kHz，且每次发射频率范围，各频率声波占有比例都是随机的，理论上每次有发射的声波信号都不相同样。

（2）发射能量,A,t,发射能量与振幅和振动时间相关,（3）脉冲长度,A,t,震源,接受,A,t,t,A,t,t1,t1,A,t,探测不清楚,？

震源的脉冲长度,脉冲长度越小分辨率越高但发射能量就越小，探测距离就越小。

单频,双频,多频,宽频,CHIRP信号,震源发射的声波频率范围极小近于单一频率，如3.5kHz；

Chirp技术，作用之一就是通过发射较长的脉冲提高发射能量，而尽可能少的牺牲分辨率的技术,Chirp技术,振动脉冲长度大,发射能量大,如何克服分辨率差？

A、每次脉冲都是随机振动频率组合,是唯一的,B、每次脉冲的随机振动频率组合都暂存于计算机内存中作为样本,C、接受到的反射波信号根据内存中的样本进行比对滤波等处理，分离开叠加的信号，从而将反射界面探测出来。

探测距离远,Chirp技术还是牺牲了分辨率的！

5、震源的组合,两个以上单一发声装置组合构成一个复合震源称为震源组合，该复合震源称为震源阵。

一般情况下组成震源阵的单一震源均为同类震源。

震源组合的目的,增大发射能量,提高发射声波的定向性,使发射的声波频率组合更丰富,消除多次冲击,

（1）增大发射能量,每一个发声装置产生的最大能量是固定的，如果要提高发声能量就需要将多个发声装置组合到一起，以提高发声能量。

4个发声装置的震源阵,东方红2船，安装的是16个震源阵可进行全海深探测！

（2）提高发射声波的定向性,单一发声装置,19,声学发射定向性的实现,形成局部强振幅区,“月明星稀”的效果，就好象只有一个窄波束了实现了发射的定向性,如果要想使其只有1，震源阵的长度需要波长的60倍。

（3）使发射的声波频率组合更丰富,震源能量大，产生的声波频率低，如果还需要发射的声波含有较高的声波频率，则需要在震源阵中增加高频震源。

（4）消除多次冲击,气体膨胀,化学反应,物理变化,爆炸,水的气化,压缩气体释放,在水中,声波,问题是“大气泡”破碎在产生声波的同时，破裂成多个“小气泡”，小气泡破碎又产生声波，从而造成重复冲击，至少增大了震源的脉冲长度。

解决方法之一,多个大小不同的气体膨胀发声装置组成震源阵，小震源可将大震源产生的“小气泡”震碎从而消除重复冲击。

解决方法之二,使用其他的压缩气体。

6、常用震源的种类介绍,

（1）、压电换能器原理根据某些矿物晶体（锆钛酸铝、陶瓷、石英等）具有压电效应,晶体,电压,机械位移,声波,敲击,人工敲击,自动装置敲击,特点体积小携带方便能量小几十焦耳频率高2kHz以上便于组合,优点,体积小工作方便频率高分辨率高,缺点,产生的声能较小探测地层的深度穿透小（一般30m以浅）,能否解决？

压电换能器震源的新技术,优点,体积小、分辨率高,缺点,能量小、穿透小,换能器组合增大发射能量,降低发射频率差频技术（参量阵）,参量阵震源,属于压电换能器组合而形成的换能器阵,目的：

产生单一压电换能器不能生成的低频波。

换能器阵组成：

两个发射频率相近的压电换能器，例如100kHz、102kHz。

声参量阵定义及工作原理,声参量阵（ParametricArray）是利用声波在介质中传播的非线性效应，使用换能器（阵）沿同一方向传播两个高频初始波，获得差频、和频等声波的声发射装置。

当换能器发射声波在介质中传播时，在换能器的发射方向会产生一系列二次频率，如f1，f2，（f1+f2），（f1-f2），2f1，2f2的声波信号。

因f1、f2的频率非常接近，所以差频（f1-f2）的频率很低，达到了压电换能器产生低频的目的。

（2）、电磁脉冲震源,原理电磁效应，具体是脉冲电流通过处于磁场中的线圈时，将使作为线圈负荷的金属板产生相对位移，从而引起周围介质产生振荡而成为震源。

例如：

电铃,敲击,人工敲击,自动装置敲击,电磁脉冲,特点体积相对较小能量小最大几百焦耳产生的声波频率范围大几百Hz几千Hz不易组合,穿透深度不足百米,（3）、电火花震源,原理高压放电，即利用高压电在水中放电，导致电极周围水体在极短时间里分解成气体，产生脉冲振动。

水中爆炸,气体膨胀,化学反应,物理变化,水的气化,压缩气体释放,特点体积小能量相对较大可达几万焦耳声波频率范围大几十Hz几十千Hz便于组合,探测深度可达千米,（4）、气枪震源,原理压缩空气（或其它气体）在水中瞬间释放，形成气泡，产生振动。

特点体积大能量大由压缩气体的体积决定频率低零点几Hz几十Hz可多枪组合,气体膨胀,化学反应,物理变化,水的气化,压缩气体释放,（5）、其它震源,蒸汽枪震源水枪震源组合枪震源炸药等,我们为什么需要这么多种震源？

地学的任务？

资源,环境,二、检波器（水听器）,1、定义将介质的质点振动（位移、加速度的变化）转化成电信号，输出的系统。

振动传感器,检波器,2、水听器（检波器）组成,一般由多个压电元件串连或串并结合连接组成。

晶体,电压,机械位移（声波）,?

压电元件的工作原理,信噪比,单从水听器而言，压电元件的个数决定了接受的信噪比。

有效信号振幅,噪音振幅,压电元件数量,why,震源,压电原件,振幅,时间,叠加的信号,why,噪声源,压电原件,振幅,时间,t,t,t,信号不能叠加,定向排列的相互连接的压电元件组成的水听器具有接受的定向性。

实际应用,船舶噪音,噪音,真信号,叠加后,噪音,真信号,3、多道水听器的组成,是由排列安装在一条电缆中的多个独立的水听器组成。

主机,水听器,信号缆,接受部分，只有一个水听器的称为单道接受，有多个的称为多道接受。

海面,海底,震源,A,B,C,做成一条电缆？

多道水听器的具体结构,1、前导段与观测船作柔性连接2、弹性段3、工作段（单道水听器）4、空白段（道间距）5、深度指示器（水压传感器）6、电缆深度控制器（海鸟）7、尾标与雷达发射器8、组合电缆绞车,4、单道和多道探测区别,一个位置只有一个探测数据制约信号处理一个位置有多个探测数据可进行叠加等信号处理,三、记录系统,1、定义记录回波强度和时间的设备,强度,时间,2、记录内容,A（振幅）,T（传播时间）,0,单一一次激发探测,在记录纸上（模拟记录或硬拷贝）和显示器上表现为灰度,炮点数（距离）,T（传播时间）,0,多次激发探测,A（振幅）,问题1回波信号太弱怎么办？

波前扩散能量损失,介质吸收,波的漫射,返回的探测信号较弱且传播时间越长信号就越弱,解决方法,返回信号弱的解决,水听器,信号接受,打印或显示,记录仪,电缆造成的信号衰减,前置放大器,目的是将水听器接受的信号统一放大若干倍,接受信号弱无法打印或显示,增加放大装置GAIN再一次将信号统一放大若干倍,声波传播由于波前扩散、吸收、反射和漫射能量衰减，相同声阻抗界面的回波，远处的肯定小于近处的。

如何解决？

能量补偿（TVG）,近处放大倍数小，远处放大倍数大,传播时间长的信号相对较弱,返回信号弱的解决,水听器,信号接受,打印或显示,记录仪,电缆造成的信号衰减,前置放大器,目的是将水听器接受的信号统一放大若干倍,接受信号弱无法打印或显示,增加放大装置GAIN再一次将信号统一放大若干倍,TVG,问题2回波信号其他声源的干扰波太多如何处理？

其他声源的干扰波,船舶噪声,水体噪声,其他噪声,特点,频率范围大,信号强度较小,水听器接受的定向性决定,滤波的方法去除,减小GAIN和设置门限的方法压制,返回信号弱的解决,水听器,信号接受,打印或显示,记录仪,电缆造成的信号衰减,前置放大器,目的是将水听器接受的信号统一放大若干倍,接受信号弱无法打印或显示,增加放大装置GAIN再一次将信号统一放大若干倍,TVG,滤波装置,设置门限,问题3如何知道声波自发射到信号返回的时间,实质是：

震源发射和记录仪计时是如何同步问题,要求有统一的“发令”装置,Key或Trigger（触发）,一般在震源或记录仪上都设有Key或trigger装置，工作时一般让记录仪“发令”,问题4Key或Trigger触发时间间隔有何意义,炮点数（距离）,T（传播时间）,0,A（振幅）,T,触发间隔,由于浅层探测时发射间隔较短，每秒钟可发射多次声波，因而又常成为激发率（触发率），即每秒钟触发的次数（或发射的炮点数）。

T,接受声波返回信号的时间,（T介质声速）/2,记录仪正常记录，所能记录到的最远距离处的回波信号,距离（T介质声速）/2,炮点1,炮点2,探测量程,Key或Trigger触发时间间隔（触发率）决定记录最远距离量程,特别注意记录量程是距离的概念，同样的Key或Trigger触发时间间隔（触发率），量程的大小是由介质的声速决定的！

举例,水深200m的海底,水深2000m的海底,水体声速为1500m/s,记录到海底所需时间（20002）/1500=2.7s,因而触发间隔最小为2.7s，激发率最大为1/2.7=每秒激发0.37次,记录到海底所需时间（2002）/1500=0.27s,因而触发间隔最小为0.27s，激发率最大为1/0.27=每秒激发3.7次,在介质声速不变的前提下，激发率决定记录量程,综述,记录仪,打印或显示部分,信号处理部分,2、滤波,1、前置放大调节,3、门限设置,4、GAIN,5、TVG,6、激发率,7、触发选择,1、灰度,2、亮度,3、反差等,记录仪的种类,3、记录的种类,开始阶段,走纸记录仪,模拟记录,湿式电化学记录,