CN103941291A - 用来在水下环境中产生压力波的系统 - Google Patents

Abstract

用来产生压力波以便在水面下的水下环境中进行深水地震勘探的系统，该系统适于用来调查地壳下物体，为了寻找碳氢化合物和/或矿物的勘探目的。系统包括一个或更多个自主水下运载工具，这些运载工具集群地独立地和协调地组织，每个容纳一个或更多个自主声学海洋源，这些声学海洋源具有自推进冲击活塞。这种系统由支持水面基站的系统服务，水面基站用于再补充、恢复动作、检查单个运载工具和群的状态、及维护。系统能够使用常规和非常规自填充声学海洋地震源。系统能够再现从水面操作的常规源的效果。这里提出的、非常规类型的地震海洋源，能够释放高强度压力波，该压力波由两个冲击活塞的系统而产生，该系统当操作时不消耗空气，因为它不将空气或另一种气体分散到水中，并且在其运行期间不产生装置的质量变化，并且允许调节发射声波的振幅和持续时间、和发射频谱的特性。

Description

用来在水下环境中产生压力波的系统

本发明是国际申请日为2010年5月14日、国际申请号为PCT/EP2010/003048、中国国家申请号为201080029192.9、发明名称为“用来在水下环境中产生压力波的系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用来产生压力波以便进行在水下环境中操作的深水地震勘探的系统，该系统包括具有冲击活塞的自主声学海洋源。具体地说，它涉及一种装配在自主水下运载工具上的系统，这些自主水下运载工具当编队航行并且按适当同步而发射源时，再造常规气枪阵列的相长干涉的特定效果，允许在海洋环境中借助于自动运行实现地震勘探，尤其是在极地区域或难以到达的区域中，其中，例如，水面冰层的存在和/或波涛汹涌的海洋妨碍船舶的正常航行。

常规地震海洋源(气枪阵列)通过在高压下空气的瞬间释放产生压力波，这些压力波能够在水中传播，并因此能够在地壳中传播。这些压力波的特征在于可达240dB的振幅。

背景技术

从运载工具的观点看，用于在海洋中的地震勘探的当前技术基于水面船舶的使用，这些水面船舶既夹带地震源又夹带接收器系统，这些接收器系统适于用来捕获由在海床下面的地质组成反射的声学信号；大功率声源通常被供给以由船上压缩机供给的压缩空气。

如果海面结冰，并且/或者有坏天气，则不能使用这些系统。

如果结冰则基于振动或冲击源，如果没有冰则基于在拖船上的系统，直接从海面产生声波的系统，具有多种操作问题，并且在任何情况下都具有对于使用的强烈限制，这些限制与冰的厚度或海浪运动的强度相关联，这些限制必须保证操作的安全性。

此外，已知技术的设备必须从基地运输得很远，产生相当大的利用成本。

当前使用的压缩气体声源的另外缺点包括在如下事实中：它们的空气要求是这样的，如果这不直接从大气中取得，则它们的实现变得极复杂和笨重，如果它们安装在不与大气相接触的自主运载工具上的话。

发明内容

这些和其它问题由本发明借助于一种用来产生压力波的系统解决，该系统包括一个或更多个自主水下运载工具，这些自主水下运载工具集群地组织，以便自动地实现在海洋环境中的深水地震勘探，特别是用在极地区域中，在该处，水面冰层的存在和/或不利的气象条件妨碍正常航行，或者海洋船只难以接近。这根据本发明的第一方面借助于一种系统实现，该系统具有权利要求1和可能权利要求2至4的至少一项的特征。

本发明的第二方面包括一种用来在海洋环境中产生压力波的装置，该装置与权利要求5并且可能与权利要求6至8的至少一项相符。

本发明的另外方面涉及一种按照权利要求10至12的至少一项用来产生压力波的方法。

本发明的系统借助于自推进和自主导向声学海洋源的使用，替换船舶的携带源的常规运输系统，主要目的在于，解决在这样的区域中产生的问题，在这些区域中，例如由于冰的存在和/或波涛汹涌的海洋，常规运载工具不能接近海面。

这种系统在其一般结构中，包括一个或更多个自主水下运载工具、和与这些相关的水面基站系统，这些自主水下运载工具集群地组织，每一个容纳声学地震海洋源，并且具有与常规系统的源(气枪阵列)相似的整体作用，(即，各个地震源的几何组织根据预定方案致动，以便增大进入的能量，使由于气泡结合通过相长干涉的谐振影响最小)。

水面基站是用于再补给、回收作用、检查单独运载工具和群的良好状态、及维护的支持基站。

本发明的重要部分包括声学类型的革新地震海洋源，这些革新地震海洋源特别适于安装在船上，这些海洋船只-它们不具有压缩气体的可得到外部供给源，能够释放高强度压力波，该高强度压力波由两个冲击活塞的系统产生，该系统为了其运行不消耗空气，并且没有污染，因为它不将空气或任何其它气体释放到水中，该系统在其运行期间不产生装置的质量变化，并因此不改变其漂浮性能，该系统允许调节发出的声波的振幅和持续时间，并因此允许调节发射频谱的特性。

具体实施方式

本发明的系统的总体结构

每个声学地震源设计成小尺寸自主水下运载工具的组成部分，该小尺寸自主水下运载工具又形成一群运载工具的一部分，其作用与常规阵列的作用等效，这些运载工具的单个单元按外部视图在图1中示出，该单个单元的航行无需在船上的舵手或船员，因为其航行由自主导航系统和/或远程控制系统控制。运载工具包括两个部分，动力单元A装有一个或更多个螺旋桨B(只有一个在图1中示出)和构造控制表面C，该动力单元A借助于刚性、弹性、或松弛接头H连接到声源D上，该声源D从扩散器F发出压力波，其具有构造控制表面E。这种构造的一种具体情形在图2中示出，在该处，源D由动力单元A拉动，并且接头H被缩减为一根或多根缆索的系统G。单独的自主运载工具根据几何航行方案(群)按排列的不同数量而使用，这些几何航行方案取决于地震获取参数，这些地震获取参数每次基于勘探作业的要求而确定。在图3中给出了一个例子。

所述类型的运载工具在一种深度处完全浸没地按队形航行，这些运载工具根据周围环境条件，可与在冰层本身中人为产生的开口相对应地，在冰层下面或降低在其下面，或者它们可在波浪运动的干涉区下面操作，或者它们可从支持运载工具发射，该队形的配置既取决于在船上实施的控制策略，又取决于为操作源所要求的几何组织和方案，该深度足以避免结冰表面结构和/或波浪运动的干涉，并且同时适于保证地震勘探的成功结果。这些运载工具运送声源，这些声源基于地理和技术获取参数同步地致动，这些地理和技术获取参数根据预先建立的程序对于勘探作业被处理。在航行期间，运载工具借助于具有声学和/或电磁支持的远程通信系统和/或经电缆，交换与相关声源的位置、速度、构造、致动状态有关的数据，以供给对于船队的自动导航和地震源的致动和同步必需的信息，并且它们也将与运行和控制属性有关的数据传输到水面基站。运载工具可与水面基站机械地脱开，或者如有必要并且在特定情况下，船队的一个或更多个运载工具在航行期间借助于脐带式管缆IR保持连接到它上，该脐带式管缆IR包括远程通信和数据传输电缆、和用来将技术流体输送到运载工具的管线。在船队的两个运载工具之间和这些之一对于站的最一般连接的代表在图4中给出，图4表示电磁发射天线M、用于声传送的夹带的发射器/接收器L、经缆管I的可能连接(其用于电或光信号)、及可能的脐带式管缆IR。

水下运载工具群因此沿为了区域的地理调查研究的预建立轨迹，运送声学地震海洋源的组合，该区域的范围取决于群的运载工具的自主能力。在数据获取阶段的结束处，运载工具与在图5中所示的可移动基站相对应地，在冰层和/或波浪运动的干涉层下面升高，该可移动基站预先通过在结冰表面V上形成孔而被装备、安装，该孔容纳包括圆筒形管Q的基站，在该圆筒形管Q中，有用于运载工具的检查空腔P，该检查空腔P，如有必要，为了维修操作或为了运载工具的替换也允许运载工具的抽取。如果没有冰，则基站是完全漂浮的，并且借助于对于海底的锚定系统保持就位。基站装有：发电组X，具有连结的压缩机和泵，用于机载电池的再充电、和基站的可能加压罐(例如Y和W)和运载工具的再填充；数据记忆和处理系统R，从机载数据获取系统下载；无线电基站S，具有天线T，用于与可能远程基站的空中通信，所述基站在陆地上；罐Y和W，用于技术流体，例如气体、润滑液体及冷却流体，用来允许运载工具的动力单元和声源的机械元件的正确运行。承担电气、机械及处理服务的全部缆索、管道及导管都联接在单根总管U中，该单根总管U的端部自动地钩到服务总成(service union)上，该服务总成在运载工具的表面上。

一系列操作因而在水面基站处实现，如：电能、气体及技术流体的供给、用于从航行运载工具获取的数据的卸载的连接、在运载工具上全部装置和设备的效率状态的控制操作、整个运载工具通过空腔P的可能回收。

基站也装有水中远程通信系统，该水中远程通信系统通过天线M基于电磁支持，并且/或者通过浸在水中的声学发射器/接收器N是声学的，来自/并且向着航行运载工具。

一旦在水面基站处的操作已经完成，运载工具就继续它们在深水中的航行，并且按照新轨迹，调查新区域。同时，水面基站被移走，并且由在水面上的操作人员向水下运载工具的新停泊点运送，并且安装在那里，以便在新调查结束时提供船队必需的物资。依次重复操作，直到已经勘察了所关注的整个区域。

地震源

本发明的地震源，是为上文描述的运载工具的船上安装专门开发的紧凑源，并且是要包括在所提出系统的结构中的可行的源D。

这个源包括缸体，在该缸体中，两个活塞滑动：第一活塞以高速度推向第二活塞，该第一活塞叫做冲击活塞，由高压气体驱动，该高压气体由下文描述的适当加压系统供给，该第二活塞叫做泵活塞，位于离第一活塞的适当距离处(所述距离是可调整的)，该第二活塞在与由冲击活塞冲击的表面相对的表面上，与海洋环境的水连通；冲击活塞对于泵活塞的撞击产生后者的高加速度，该泵活塞按这种方式，已经开始其在圆筒形管外面的水的泵送运行，释放高强度压力干涉，跟随有压力波，该压力波由泵活塞在其运行的剩余阶段期间再次产生，在该剩余阶段中，高压气体作用在冲击活塞上，该冲击活塞又推动泵活塞。

撞击过程允许在冲击器本身的自由运行期间由气体的膨胀产生的动能积累在冲击活塞中，这些动能的一部分在撞击中在非常短的时间内释放到泵活塞，该泵活塞已经开始其泵送运行。这允许在水中释放非常高的压力波峰，甚至比冲击活塞的供给压力高得多，扩展了装置的声学激励频带。

泵活塞沿缸体的初始位置的调节定性地允许分配不同的压力波。如果冲击活塞在撞击之前具有短自由行程，即泵活塞定位得靠近冲击活塞，则由装置产生的压力波具有较长持续时间、和较低波幅的初始压力波峰；在这种情况下，由气体的膨胀释放的能量集中在较低频带上。如果冲击活塞在撞击之前具有较长自由行程，即泵活塞定位在离冲击活塞一段距离处，那么产生的压力波具有较短持续时间、和较高初始压力波峰，并且气体膨胀能量集中在相对较高频带上。冲击活塞因此具有双重功能：通过将压力波的波幅放大到相对于气体的供给压力甚至更高的值，调节压力波的最大强度，该气体作用在活塞上；和通过改变压力波的声发射频谱，调节来自管的压力波的发射的持续时间。

冲击活塞的供给压力由预压缩气体罐供给，该预压缩气体罐始终保持在装置内，并且不释放到水中，该预压缩气体罐放置成通过专用阀与圆筒形管连通，两个活塞在该圆筒形管中滑动；在罐中包含的气体在冲击活塞的隔离运行期间、和在冲击活塞和泵活塞的耦合运行期间膨胀，并且在以后阶段利用高强(high-prevalence)泵被重新压缩，该高强泵由电动机致动，该电动机由专用电池组供电。源因此是完全自主的，它不要求外部压缩空气源，因为它始终用相同的空气质量实现膨胀，并且用于压力释放的能量由电池组间接地供给，该电池组向泵供电，在各活塞之间的撞击过程允许压力波的释放，这些压力波的波幅也比在进给罐中保持的压力大得多。

在本专利中描述的地震源特别适于加载在小尺寸自主水下运载工具上，这些小尺寸自主水下运载工具可在浸没中航行。当前采用的地震源-事实上它们称作气枪，直接在水中通过膨胀压缩气体产生压力波，该压缩气体由在船上的适当压缩机供给，这些地震源具有如下限制：它们要求连续的空气供给-压缩机，并且产生声波的气泡分散在水中，结果是气体的大量消耗。这些特性使得气枪系统装载在小尺寸水下航行器上不是最佳的，因为它们不能利用连续空气供给，该连续空气供给用压缩机处理，并且也因为预压缩气体的罐存储，因为重量原因和与显著气体消耗相关的妨碍，在这些运载工具上是不实用的；此外，在气枪的运行期间，存储罐的重量减小，从根本上改变运载工具的漂浮状态，并因此需要使用补偿罐。

在本专利申请中，地震源始终使用相同的气体质量，因为它不将膨胀气体释放到水中，而是每次适当地重新压缩它，通过专用活塞将水和空气(或其它气体)分离-该专用活塞用来产生压力波(在其正向运动中)和重新压缩气体(在其反向运动中)，使用第二冲击活塞，从而由于泵活塞的存在而不降低装置的声分配性能，提高声波产生的快速性、和产生的最大压力级，该最大压力级甚至比像在气枪中那样通过与水直接接触地膨胀空气而得到的压力级还要高。

为了清楚起见，通过首先描述声发射管的功能方案，并且然后在以后段落中，描述空气和水的压力供给系统-空气和水进给到发射管，最后描述用于活塞的致动的电磁系统，而呈现本发明。

所包括的标题描述了在本发明的说明书中和在图中出现的各种元件。

声发射管

在这个段落中呈现的方案描述装置的一个可行实施例，并且特别是描述了推力和声发射管单独的运行，该推力和声发射管按照8个阶段操作，在每个运行阶段中介入的液压和气动压力供给系统在以后段落中描述。

为了更清楚起见，在每个阶段中致动的管子和阀用较粗轮廓线标记。所包括的标题包括了装置的各种元件的描述，其中，为了说明目的，压力值和长度指示在括号中。

系统基本上包括圆筒形管8、和两个活塞1和2，这两个活塞1和2在圆筒形管8中滑动，分别叫做冲击活塞和泵活塞。冲击活塞1由加压气体沿缸体8的部分9(推进管)向泵活塞2推进，该泵活塞2与海洋环境的水相接触。在两个活塞之间的撞击产生非常强的压力波，该压力波沿缸体8的部分10(发射管)传播，以便然后通过扩散器11释放到海洋环境中，该扩散器11通过在管10与海洋环境之间的阻抗适应，改进装置的声学效率。撞击跟随有泵活塞2的运行，该泵活塞2由冲击活塞推动，泵活塞2的运行产生压力波。当活塞2到达行程端部时，系统将活塞带回它们的原始位置，以允许新的声发射。

本发明的系统的功能细节在下文中提供。

阶段1(图6)：全部阀被初始关闭；将阀4打开，该阀4与例如200bar的高压气体管线(见下面)连通：将活塞1的左边部分带到高压力，另一方面，右边部分与推进管9连通，该推进管9初始处于低压力，例如0.1bar，并且通过推进腔室9产生的冲击活塞1的加速度。活塞2在缸体8中由可解除插入(disinsertable)止挡件53保持就位，该可解除插入止挡件53防止它向冲击活塞1后退，活塞2经受压力差，该压力差存在于海洋环境-例如2bar(在管10中的初始压力)与在管9中施加的较低压力-例如0.1bar之间。止挡件53在阀4的打开时除去(见图7)，使泵活塞自由。后者经受在环境9和10之间的压差(例如1.9bar)，在与活塞1撞击之前相对于活塞1的自由行程沿非常小的长度后退，该活塞1另一方面，在大得多的压差(约200bar)的作用下运动。

可以提供与53相似的多于一个止挡件，这些止挡件沿圆筒形管8定位，能够调节泵活塞的位置，并因此调节活塞1的自由行程和泵活塞2的泵送行程，因而也调节压力发射和其范围。它们的插入和解除插入的控制对于它们的全部能是同时的。

阶段2(图7)：结束冲击器1在推进管9中的推进行程，使冲击器1撞击在泵活塞2上，并且开始冲击器1和活塞2的联合运行，该冲击器1和活塞2一体地运动。通过发射管10和扩散器11向海洋环境12发射高压脉冲波峰。

阶段3(图8)：活塞1和2由在推进腔室9中产生的高压推动，引起水沿发射腔室10的泵送运行，这些水通过扩散器11排出，并被引入到海洋环境12中。水的剧烈泵送产生压力波，直到活塞1和2抵靠止挡件16停止，这些止挡件16与发射管成一体。借助于这个阶段，终止压力波释放功能。以后阶段是用来定位活塞1和2、和推进罐22的重新填充的那些阶段，这些阶段在如下段落中描述。

阶段4(图9)：关闭阀4，打开阀7以使高压气体(例如205bar)进入截止器(cut-off)3的气动推进腔室17，将阀13和15打开以使水流出，使截止器3运行以与截止器的座18相接合，该座18位于发射腔室的端部处。

因此关闭发射管10，防止与扩散器11连通，并因此防止与海洋环境连通。

阶段5(图10)：关闭阀13和15；打开阀4以使空气流出，打开阀6以使高压水(例如205bar)进入到发射腔室中，并且重新定位活塞1：活塞1和2一体地沿发射腔室10滑动，直到它们到达活塞1的行程端部止挡件20。

阶段6(图11)：关闭阀6和4；打开阀14以使高压水进入到截止器3的液压推进腔室19中，并且重新定位同一截止器3，使阀7打开直到空气完全流出，并且然后关闭阀7和14。

阶段7(图12)：打开阀5以使低压空气进入，活塞1在行程端部处不动，活塞2在发射管中低速运动，使推进管排空并且将冲击器2重新定位，直到它超越在发射管内止挡件53的位置。插入止挡件53，如图13中那样。如果在沿圆筒形管的不同距离处有与53相似的几个止挡件，则校准阀5的打开时间，从而使活塞2能够到达所需的相对停止位置。

阶段8(图13)：将阀5转换到真空罐37上(见如下段落的方案)，以使空气从推进管9排空，并且恢复初始状态(见阶段1)。在管9和10之间的压差使活塞2后退，直到它到达止挡件53的阻挡。

用来致动和重新定位截止器3的系统的可能变形包括：在腔室10的关闭阶段中，液压地致动截止器3；通过阀7将高压水(代替在前述方案中的高压空气)发送到液压推进腔室17中(并且不再是气动的)，所述阀现在包括两路转换(一路用于高压水的进入，另一路用于水到海洋环境中的流出)；及将保持弹簧21的系统(金属的或气体)容纳在腔室19中(不再是液压的)。在这种情况下，消除阀15和阀14二者以及它们的相关回路。

以上描述的阶段4和6可在阶段4bis和6bis中按如下修改。

阶段4-bis(图14)：关闭阀4，打开在进入到截止器3的液压推进腔室17中的高压水进入路径上的阀7，打开阀13以使水流出，使截止器3运行，直到与截止器的座18相接合并且压缩保持弹簧21，该座18位于发射腔室的端部处，这些保持弹簧21容纳在腔室19中。关闭阀7，以便保持截止器3与座18相接合。

因此，发射管10被关闭，防止与扩散器11连通，并因此防止与海洋环境连通。

阶段6-bis(图15)：关闭阀6和4，转换阀7使排出出口进入海洋环境中，截止器3在保持弹簧21的作用下移动，排空液压腔室17，返回到行程端部位置，并且重新打开发射管10。

另外的变形涉及在活塞1和2之间的撞击过程。在前述方案中，冲击器1是简单的活塞，该活塞在撞击之后，与泵活塞2一起继续其膨胀行程，该膨胀行程由高压气体推动。可行的变形提供一种冲击活塞，该冲击活塞在撞击之后，不与泵活塞一起继续其运行，而是允许加压气体，通过由撞击致动的专用阀的打开或通路跨接部，直接到达泵活塞2，只强迫后者在泵送行程中。

类似冲击活塞的可行实施例在图16中描述。冲击活塞包括如下两件：

-冲击器壳体阀44，具有撞击壳体48、杆49及截头锥形阀50的头部；

-外壳活塞45(它在缸体8中运行)，具有气体的通路跨接部46、用于杆49的座47、及用于截头锥形头部50的座51。

作为整体形成冲击活塞1的装配系统，在图17中示出，在推进构造中并且在与泵活塞2的撞击之前。壳体阀44容纳在活塞45内，并且这个相对于活塞45的表面的较大表面-该表面暴露于来自图中左边的高压气体，产生阀的关闭力，该阀借助于强迫进入座51中的头部50将跨接部46关闭。当撞击壳体48冲击泵活塞2时，壳体阀44经历急剧减速，从而活塞45相对于壳体44滑动，允许跨接部46打开，使气体流出也进入缸体8的部分到活塞45的右边，如在图18中所示的那样。随着件44和45不再关于这些保持压差，它们结束它们与活塞2分离的运行，而在阀4的供给压力与在发射管中的压力-该压力初始等于海洋环境的压力，之间存在的压差现在保持在活塞2上，该活塞2已经由撞击加速。在发射管外的水的泵送阶段因此在这种情况下仅发生在泵活塞2的部分上。除与下面描述的阶段3相关的差别之外，全部剩余阶段保持相同。

因而构思了关于活塞1的运行的某些细节：在阶段5期间，活塞2与撞击壳体48相对应地推动活塞1，从而在活塞1的运动中，为了到达行程端部止挡件20，在壳体44与外壳活塞45之间的相对位置是在图18中所示的位置。最后，图19表示一旦已经到达止挡件20时系统的构造，该止挡件20位于缸体8中。按这种方式，当在阶段1中时，通过阀4引入的高压气体通过孔52输送到缸体8，强迫壳体阀44相对于活塞45滑动，截头锥形头部51变得接合在座52中，因而关闭跨接部46。活塞然后在图17中所示的构造中，开始其通过管9的推进行程。

空气和水压力供给设备

下文描述的功能方案涉及水和空气压力供给系统的可行实施例、以及始终采用相同空气质量的设备的使用，该水和空气压力供给系统用于根据上文描述的方案的地震源的运行。方案涉及形成有截止器的发射管，该截止器具有在图14和15中所表示的弹簧开口。

加压装置基本上包括：第一罐22，包含在例如200bar下的加压气体，用来推进冲击活塞和泵活塞；第二罐23，叫做蓄能器，包含在稍高压力下，例如205bar，的水和气体，借助于在罐23中的水位调节保持在所需压力下，该水位调节由高强水泵送组24控制。在罐23中的气体起如下作用：重新填充罐22；通过在缸体8中活塞1的运动而重新压缩气体；使它返回到其与止挡件20相对应的原始座；因而在包含在22中的气体已经膨胀以推进活塞1和2之后，恢复在22中的原始压力级(例如200bar)。

这种运行原理例如通过在图20中呈现的加压设备而得到。为了更清楚起见，参考发射管的前述工作阶段，说明运行的细节。

在阶段1中，罐22已经在准备通过阀4供给压力的高压(例如200bar)下。当打开阀4时，气体膨胀允许冲击活塞1的推进，并且在罐22中的压力降低到最小值，当两个活塞在上文描述的阶段2和3之后到达它们的行程端部时，达到该最小值。

阶段4是管10借助于截止器3的关闭阶段。打开阀7，因而打开在液压推进腔室17与高压水蓄能器23之间的连通，产生截止器的运动。在由截止器到达的行程端部处，阀7关闭，因而将截止器阻塞在其关闭位置中。

阶段5是推进和泵送罐22的重新填充阶段，并且也是活塞1的重新定位阶段。阀6的打开将在发射管10与蓄能器23之间的连通打开：活塞1和2，在罐22-它在其最小压力下(与其中包含的气体的最大体积相对应)、与蓄能器23的最大压力(与其中包含的气体的最小体积相对应)之间存在的压差下，一体地运动。将系统校准，从而在罐23中的压力始终大于在罐22中的压力。在这种压差下，活塞在管8中后退，气体通过敞开的阀4，流到罐22中，因而将其压力升高到它在阶段1中具有的初始值，当活塞1到达在止挡件20上的行程端部处时，达到该初始值。高压水通过阀6临时流出罐23，因而将在蓄能器23中的压力降低到最小值，当活塞1到达行程端部时，达到该最小值。

罐22因此准备供给新压力脉冲。另一方面，罐23在比它在阶段1中初始具有的压力低的压力下，并且具有也较低的水位。在蓄能器23中压力和水位的恢复通过致动高强泵的组24而实现，该高强泵的组24通过海水进口25从海洋环境中吸入水，并且在阀6关闭的情况下，强迫它进入罐23中，直到基于由传感器29测量的压力级，已经恢复水和压力的初始级，该传感器29驱动在泵马达回路上的继电器。

这随后是阶段6-bis：在阀4和6关闭的情况下，打开最初关闭的阀7，并且通过转换器，将腔室17置于与外部环境连通，在液压推进腔室17中包含的水在保持弹簧21的作用下流出，并且将截止器带到打开位置。

接着是阶段7：打开阀5，并且将气体罐38置于与推进腔室9连通。在腔室9与管10之间的压力差允许活塞沿缸体滑动到所需位置。将初始压差适当地校准。当活塞2已经到达最终位置时，同一活塞的阻塞通过止挡件53的插入而干预。

接着是阶段8：阀5转换，将低压罐37置于与推进腔室连通，降低后者的压力，及降低空气的密度，以减小在活塞之间的撞击阶段中的气垫效应。

作为这个较后阶段的结果，在罐37中的压力增大，并且罐38的压力减小。传感器42揭示在罐37中的压力，并且在可校准的阈值以上，它驱动继电器41，该继电器41启动马达39，该马达39致动压缩机36，该压缩机36通过从罐37吸入气体，并且将它发送到罐38，通过将它在罐37中降低并且将它在罐38中升高，而重新建立初始压力值。

最后，在为了新压力脉冲的供给而重新致动装置之前，系统通过压力传感器31确认在罐22中的压力是否是建立的压力，并且如果作为泄漏的结果，它由于少量气体损失而较低，则打开干燥器33的阀，这允许气体从罐23到罐22的通过，这因而供给恢复空气质量，也致动泵组24的启动，以便重新建立在蓄能器23中的压力值，该蓄能器23在停止时在水面基站处用气体适当地重新填充。干燥器33消除残余水，这些残余水在推进膨胀期间，可导致在阀4内形成冰。

活塞的电磁致动系统

通过电磁力可致动冲击器和泵活塞，对于冲击活塞1的推进单独使用这种方法，或者这种方法与以上描述的气动和液压致动系统相结合。

在原理上，缸体8如图21所示，在这种情况下装有与其一体的螺线管，该螺线管在推进管9内产生磁场，该磁场具有磁力线54，也具有径向分量，该螺线管包括感应线圈55。冲击活塞1又装有衔铁螺线管56，该衔铁螺线管56具有始终与推进管9的轴线重合的轴线。两个螺线管可属于相分离的电路，或者它们可串联地连接。由电池59产生的、通过控制系统63调制的高安培电流，注入到螺线管55中，产生磁场的变化，该磁场变化在衔铁螺线管56中感应出电流，该衔铁螺线管56因而通过与磁力线54相互作用，在衔铁56上产生排斥洛伦茨力，该排斥洛伦茨力具有适于用来将活塞1沿推进管9加速的轴向分量。当螺线管串联连接时，在螺线管56中的电流可借助于滑动触点收集，该螺线管56产生洛伦茨力。

电磁推进系统也可通过感应轨道57产生，如在图22中所示的那样，该感应轨道57包括两个或更多个相邻导体57，这些导体57叫做轨道，通过传导衔铁58连接，该传导衔铁58与冲击活塞1装配成一体，并且借助于电气触点与轨道57相接触，这些电气触点通过轴承的滚珠或滚柱60产生，冲击活塞1在该轴承上运行。两个导体轨道57在端部处馈电，这些端部位于同一侧上具有相反极性，从而由电池64产生的电流注入到轨道中，并且通过衔铁58引导到平行轨道，该衔铁58通过导体滚珠60使电路闭合。在轨道中循环的电流诱发磁场，该磁场具有近似圆形磁力线，这些磁力线位于与轨道57的轴线正交的平面上，因而在衔铁58上产生洛伦茨力，该衔铁58与轨道57串联电气连接，并且与冲击活塞1机械地成一体，因而沿推进管9将该冲击活塞1加速。也在这种情况下，有感应线圈55，如在图22中所示的那样，然而，该感应线圈55相对于前述情形具有小得多的匝数，因为它不用于泵活塞2的推进阶段，而只是用在其沿推进管9的重新定位阶段中，如下文描述的那样。

冲击活塞1也可通过混合系统推进，该混合系统具有与螺线管绕组系统相结合的轨道和衔铁，从而在同一装置中，有线圈55、以及螺线管56、轨道57，该线圈55具有高匝数，该轨道57具有衔铁58。

在冲击活塞1的电磁致动的情况下，由于它不必保证加压空气密封，所述这借助于滚柱或滚珠轴承60在推进管中运行，该滚柱或滚珠轴承60具有非常低的摩擦力，有利于装置的机械效率，并且活塞1本身可完全开孔，并且具有比缸体8小的直径，因而允许空气穿过和绕过活塞1的通过，避免了由于在冲击活塞与泵活塞之间的气垫的存在，与活塞2的撞击的衰减效应，并且也允许冲击活塞1在其行程中不与止挡件53干涉。在某些结构实施例中，这不仅允许取消空气和水加压系统，而且也允许取消在推进腔室9中的空气抽吸系统，有利于使装置的结构简单化和重量减轻。

泵活塞2在借助于导体轨道运行的情况下并且也在感应线圈55的情况下，也都装有感应线圈61，该感应线圈61设有比冲击活塞1的匝数低得多的匝数，并且也可以装有控制开关，该控制开关可以闭合，仅在泵送行程的端部处，允许电流从55在感应线圈61上的循环，以在活塞2的重新定位必需的时间内产生洛伦茨力，在此之后，受控制的开关重新断开感应线圈61的电路，使它不起作用。线圈61的作用事实上不是用于活塞2在泵送运动中的推进，而是简单地在沿推进管9的重新定位阶段中，产生活塞2的唯一后退运动必需的、小得多的力。

活塞1和2在它们已经到达泵送行程端部之后的重新定位，通过在线圈55和/或轨道57中的电流的反向而发生，该线圈55和/或轨道57由控制器63和/或62驱动，因而产生洛伦茨力的反向，其推动活塞1和2，以在止挡件20的方向上沿缸体8重新上升。适当定尺寸的活塞1，通过而不与止挡件53干涉，因为活塞1的截面比缸体8的截面小，而活塞2由这些止挡件阻塞。系统因此准备好新的声发射。

电磁致动系统相对于液压气动致动可具有进一步简化，该简化包括截止器3和相关致动电路的消除。

最后，图23表示例如用于冲击活塞的混合推进系统，该混合推进系统具有气动致动和电磁致动两者，该气动致动通过高压气体的作用而工作，该高压气体通过阀4发送，该电磁致动借助于线圈55和56而工作。在这种情况下，冲击活塞是气密活塞，如可在图23中看到的那样。活塞的重新定位系统在这种情况下仅仅(甚至不是必需的)电磁地发生，排除通过阀5和相关加压系统操作的阶段7。与这种混合系统有关的加压设备在图24中示出，该加压设备的运行与在图20中描述的运行相同，然而，所示的混合系统缺少罐22，并且也没有腔室10的截止系统。

运载工具的结构的详细描述

以上描述的系统、和具体地单个运载工具，及其所载的设备、声学地震海洋源及用于其致动的装置，在例如图25中示出，图25表示运载工具的动力单元A的纵向示意横截面，在该动力单元A中，也有在图24中描述的设备的部分。可区分出五个腔室：位于前头部中的腔室，包含导向和控制系统65；腔室67，包含根据图例的描述的继电器电池和动力控制器；腔室68，它容纳机器室，并且具体地，容纳泵24和压缩机36以及相关马达、电动机77，该电动机77用来致动推进和操纵螺旋桨74，该推进和操纵螺旋桨74借助于减速器72和传动轴73驱动，螺旋桨74的管B与支撑翼片80成一体，该支撑翼片80通过执行器75转动，以允许推进系统的推进定向，并且提高运载工具的操纵能力；腔室69，它容纳加压罐，这些加压罐根据以上描述和图例的术语，用于到声发射管的加压气体和水供给；阀腔室70，在其中装配技术流体的控制阀，这些技术流体根据以上描述供给到发射管，和图例的术语，全部末端管都离开所述腔室，这些末端管被引导到单元D，并且具体地说，是末端管T4、T5、T6、T7及T13，腔室70也容纳伺服马达71、和到海洋中的排水阀78，该伺服马达71用来致动舵C，该舵C绕轴线79转动，该排水阀78连接到阀7和13的转换装置上。

图26表明运载工具的单元D、和接头H的纵向横截面，该单元D与上文描述的单元A相联，该接头H包括连接法兰81、夹带缆索84、介入在这些之间的抗冲击阻尼器85、在缆索84与法兰81之间的连接部83、及柔性波纹壳体82。压力导管T4、T5、T6、T7及T13的末端及电气末端Te55是可见的。另一方面，运载工具的部分D，容纳根据以上描述的声学地震海洋源，并且具体地容纳发射管，在该发射管中，冲击活塞的推进力部分地是气动类型的，并且部分地是借助于螺线管的电磁类型的，并且活塞的重新定位装置是根据以上描述的液压类型的。最后，舵E绕轴线87转动，该舵E由伺服马达86致动。

图27表示在航行构造中的运载工具的横截面，以上描述的单元A和D由接头H连接。

图28表示运载工具的动力单元A，该动力单元A载有与以上具体描述的地震源不同的地震源。在这种情况下，在运载工具的单元D中容纳的地震源假定释放到水中，技术流体、例如空气和/或水，由容纳在腔室69中的各种罐供给，为了说明目的，表示两个罐，第一罐94和最后罐95，这些罐的分配由相应阀97和98控制，仅示出了两个阀，第一阀和最后阀，这些阀容纳在腔室70中。在地震源操作期间技术流体到水中的释放减轻了运载工具，并因此改变了运载工具在航行期间的漂浮状态。罐90通过借助于泵89的作用而加载的重量而补偿构造，这些泵89由马达26致动，这些泵89通过海水吸口25将水从海洋环境泵送到罐90中，因而改变所载的水量92、和运载工具的漂浮状态，该运载工具保持在中间漂浮状态下。罐90装有划分隔板91，这些划分隔板91用来限制液体在罐中的浮动(液面晃动)，这些浮动会干扰运载工具的可驱动性和稳定性。罐90包含加压气体93，以允许水通过受控阀96从罐90排空，这允许水排放到海洋中，所述操作在停止时在水面基站处，借助于技术流体在罐中的重新加载而同时实现，这些罐容纳在腔室69中。

系统的一般结构的图例：

A    动力单元

B    螺旋桨

C    构造控制表面

D    地震源

E    构造控制表面

F    源扩散器

G    拖缆系统

H    刚性、弹性或松弛的接头

I    数据传输电缆

IR   用于与水面基站连接的脐带式管缆

L    用于机载声学信号的发射器/接收器

M    用于机载无线电发射的天线

N    服务基站的发射器/接收器

O    用于服务基站的无线电发射的天线

P    检查空腔

Q    基站的管状结构

R    数据记忆和处理系统

S    服务基站从/向陆地基站的发射器/接收器

T    发射器S的天线

U    总管缆

V    冰层

W、Y 用于技术流体的罐

X    发电组

Z    数据传输电缆

地震源图例

1   冲击活塞(例如，10cm直径)

2   泵活塞

3   截止器

4   高压空气进入阀(例如，200bar)

5   低压空气进入阀(例如，2bar)，用来重新定位活塞2，在真空罐上可转换，用来从推进腔室(例如，0.1bar)抽吸空气

6   高压水进入阀(例如，205bar)

7   高压空气进入阀(例如，200bar)

8   圆筒形管(例如，总体长度2m)

9   冲击器的推进管

10  发射管

11  扩散器

12  海洋环境(基准压力，例如2bar)

13  在截止器3的插入期间从发射管10的水流出阀(在航行水平处排放在海洋环境中)，对于高压水进入是可转换的

14  高压水进入阀，进入到截止器3的液压推进腔室19中(例如，200bar)

15  从截止器3的液压推进腔室19的水流出阀(在航行压力下排放到海洋环境中)

16  泵活塞2在发射管10中的行程端部止挡件

17  截止器3的气动推进腔室

18  截止器3在发射管10中的座

19  截止器3的液压推进腔室

20  冲击活塞1在推进管9中的行程端部止挡件

21  截止器的保持弹簧(4-bis、6-bis阶段)

22  推进气体和泵送罐(例如，200bar)

23  高压水蓄能器罐(例如，205bar)

24  高强泵送组

25  海水吸入水泵

26  用来致动泵送组24的大功率电动机

27  马达26的供电电池

28  马达26的致动继电器

29  压力传感器

30  继电器控制信号线

31  压力传感器

32  继电器控制信号线

33  气体干燥器，在罐22中装有气体重新集成阀

34  阀干燥器33的控制信号线

35  继电器控制信号线

36  小功率体积计量压缩机

37  用来从推进管9排空空气的低压罐

38  用来从发射管10排空水的超压罐

39  用于压缩机36的致动的小功率电动机

40  马达39的馈电电池

41  用于马达39的致动的继电器

42  压力传感器

43  继电器41的控制信号线

44  壳体阀

45  壳体44的外壳活塞

46  气体通路跨接部

47  杆49的外壳缸体

48  冲击器壳体

49  阀杆

50  阀的截头锥形头部

51  头部50的座

52  压缩气体加成跨接部

53  泵活塞2的可解除插入止挡件

54  由线圈55产生的磁力线

55   与缸体8(并且与推进管9)成一体的感应线圈

56   与冲击器1成一体的感应螺线管

57   感应轨道

58   与冲击活塞1成一体的传导衔铁

59   线圈55的供电电池

60   轴承的滚珠/滚柱

61   与泵活塞成一体的感应线圈

62   轨道57的电流控制器

63   线圈55的电流控制器

64   轨道57的供电电池

65   导向和控制单元

66   用于电池重新充电、技术流体、数据下载的服务总成

67   电池腔室、继电器、动力控制器

68   机器室

69   空气/水加压罐腔室

70   阀腔室

71   用于舵致动的电气/液压伺服马达

72   舵

73   传动轴

74   推进/操纵螺旋桨

75   用来转动方位螺旋桨B的电气/液压伺服马达

76   用于到螺旋桨马达77和船上电子设备的电力供给的电池

77   推进/操纵螺旋桨74的致动马达

78   从阀7和13的排出海水

79   舵轴线

80   螺旋桨B的支撑翼片

81   接头H的连接法兰

82   防水弹性波纹壳体

83   拖缆接头

84   拖缆

85   抗冲击阻尼器

86   用于舵E的致动的电气/液压伺服马达

87   舵轴线E

88   螺旋桨77的馈电电池

89   补偿罐的水泵

90   补偿罐

91   防液面晃动划分隔板

92   补偿水

93   加压空气

94   罐标号1-电池的第一个-用于技术流体到源D的供给

95   罐标号N-电池的最后一个-用于技术流体到源D的供给

96   来自补偿罐的水排出阀

97   阀标号1，用于技术流体到源D的供给

98   阀标号N，用于技术流体到源D的供给

Claims (10)

1.一种用来产生压力波以便在海洋环境中进行深水地震勘探的装置，包括缸体，该缸体限定轴线，并且在该缸体中设有冲击活塞和泵活塞，每个活塞相对于所述轴线具有两个相对侧，这两个相对侧中的一个叫做撞击侧，各活塞沿与所述轴线相平行的方向滑动、并且适于对着彼此冲击，所述冲击与相对的各所述撞击侧相应，其中，所述泵活塞在与所述撞击侧相对的侧上与海洋环境的水相接触，

其中，所述冲击活塞在与所述泵活塞撞击之前的行程长度能被调节，以便改变所述装置的声发射特性。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，设有气体的压力产生装置，该气体的压力产生装置适于抵靠所述泵活塞推进所述冲击活塞。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，气体的压力产生装置包括预压缩气体罐，该预压缩气体罐始终保持在所述装置中，并且不释放到水中，该预压缩气体罐通过专用阀与缸体联通，所述冲击活塞和泵活塞在所述缸体中滑动。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，设有产生装置，该产生装置构造为用以产生洛伦茨电磁力，该产生装置通过由与所述缸体成一体的电路和与所述活塞成一体的电路产生的磁场，用来将所述冲击活塞向所述泵活塞推进。

5.一种用来产生压力波以便在水下环境中进行深水地震勘探的系统，该系统包括能够在水下和水面上航行的一个自主水下运载工具或集群地组织的多个自主水下运载工具，每个自主水下运载工具机载地包含或夹带一个或更多个地震源，所述地震源由根据权利要求1至4中的至少一项所述的装置产生。

6.根据上一权利要求所述的系统，其中，所述运载工具装有自动航行系统、机载数据获取系统、信息的相互交换装置，这些信息与所述源的位置、速度、构造、航行数据以及声发射的同步有关，其中，数据流和控制信号经电缆和/或在声学支持设备上和/或在电磁支持设备上传输。

7.根据前述权利要求5至6之一所述的系统，包括一个或更多个水面基站，这些水面基站用来向所述运载工具供给技术服务，能够安装在冰上，如果没有冰层，则也能够漂浮在水面上，并且在所述水下运载工具的浸没期间在水面本身上运动，所述水面基站包括用于所述运载工具的停泊处，用于电能、气体及技术流体的供给，为了在航行期间在所述水下运载工具上的装置和设备的效率的状态的控制操作以及远程通信系统的控制操作，所述运载工具能够与所述水面基站机械地脱开，或者如有必要并且在特定情况下，借助于脐带式管缆保持连接到它上，该脐带式管缆适于携带通信电缆和/或用于技术流体的管线。

8.一种用来产生压力波以便在海洋环境中进行深水地震勘探的方法，借助于根据权利要求1至4至少一项所述的装置执行，包括如下步骤：

a)通过气体的压力作用，抵靠所述泵活塞推进所述冲击活塞；

b)所述泵活塞借助于与第一活塞冲击那侧相对的侧，将压力波传递到所述海洋环境的水；

c)所述冲击活塞继续其与所述泵活塞成一体的行程。

9.根据上一权利要求所述的方法，其中，在经历跟随所述活塞的行程的膨胀之后，所述气体借助于如下方式被重新压缩：

a)在蓄能器罐中积累的压力能量，该蓄能器罐包含气体和液体，并且其中，能量借助于泵的系统被供给，所述泵注入液体，压缩其中包含的气体；

b)冲击活塞和泵活塞二者的后退运动，该后退运动在与相对于与发射罐的气体的膨胀阶段相关的方向相反的方向上、沿所述缸体发生，所述泵活塞的运动通过液体的压力作用而产生，所述液体包含在所述蓄能器罐中，在所述蓄能器罐中，借助于所述泵的作用，相对于在所述发射罐中力的值，将压力保持在较高值下。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，作用在所述冲击活塞上的气体的压力作用由预压缩气体罐提供，该预压缩气体罐始终保持在所述装置中，并且不释放到水中，该预压缩气体罐通过专用阀与缸体联通，所述冲击活塞和泵活塞在所述缸体中滑动；在罐中包含的气体在冲击活塞的隔离运行期间、和在冲击活塞和泵活塞的耦合运行期间膨胀，并且在以后阶段利用高强泵被重新压缩，该高强泵由电动机致动，该电动机由专用电池组供电。