CN105223610B - 判断海底地震仪与航行舰船地震波信号耦合效果的方法 - Google Patents

Abstract

一种判断海底地震仪耦合效果的方法，属于海底地震仪检测航行舰船地震波信号能力的分析技术。其特征是：利用实验室实验和数据分析，确定海底地震仪与海底介质的振动系统耦合系数、振动系统阻尼系数、振动系统固有角频率和海底地震仪横切面比值；利用主观赋权法并结合航行舰船地震波信号特征确定耦合系数、阻尼系数、固有角频率和横切面比值的权重系数；基于航行舰船地震波信号特征，确定判定参数中4个判定值的取值，得到判定参数的计算方法；通过分析判定参数的计算结果，最终确定海底地震仪的耦合效果。

Description

判断海底地震仪与航行舰船地震波信号耦合效果的方法

技术领域

本发明属于航行舰船地震波探测领域，涉及到一种判断海底地震仪与航行舰船地震波信号耦合效果的方法，特别涉及一种利用耦合效果判定参数综合评估海底地震仪测试航行舰船地震波信号能力的方法。

背景技术

海底地震仪是测试航行舰船地震波信号的主要设备，传统的测试方式是将海底地震仪布放于海水与海底的分界面上，然而由于海底地震仪的设计不合理容易导致所测试的航行舰船地震波信号失真。目前国内针对海底地震仪的耦合效果判断仅参考耦合理论提出定性评价，缺乏基于判定参数的定量分析，从而导致试验所测数据严重失真，无法有效提取信号中的信息。

关于海底地震仪与海底介质的耦合理论已经比较成熟，国内外相关研究人员将海底地震仪假设为一刚体，放在均匀、各相同性的弹性半无限空间里。运动方式具有6个自由度，沿垂直轴与两个正交水平轴的运动和转动。对于每一个自由度都建立了特征频率和阻尼表示的振动模型，而且模型之间还存在相互作用。然而目前所建立的理论模型比较理想化，并且未结合实际的海底地震仪结构以及航行舰船地震波信号的特点，因此未能定量判定耦合效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种判断海底地震仪与航行舰船地震波信号耦合效果的方法，解决海底地震仪检测航行舰船地震波信号能力的定量评价问题。

本发明的技术方案是：海底地震仪与航行舰船地震波信号的耦合效果判定参数由4个因素组成，4个因素分别为振动系统耦合系数、振动系统阻尼系数、振动系统固有角频率和海底地震仪横切面比值；振动系统耦合系数由海底地震仪排开水的质量、海底地震仪质量以及与海底地震仪一起运动的水的质量计算得到；振动系统阻尼系数和固有角频率在实验室测试得到，释放系留于海底地震仪上的浮球分别产生垂直向上和水平方向的力，通过分析实测数据计算得到阻尼系数和固有角频率；海底地震仪的横切面比值是通过测量海底地震仪的底宽和高度相比得到；依据每个因素在航行舰船地震波信号检测中的关键程度分别赋予一定的权重系数，最终计算出评价耦合效果的判定参数。

本发明的效果和益处是：

传统的判断耦合效果的方法主要是基于经验和理论分析，给出海底地震仪设计的参考意见，并不能准确的判定耦合效果；利用计算得到的判定参数，可以定量分析不同海底地震仪对航行舰船地震波信号的检测能力，从而提出结构设计的改进意见。

附图说明

图1海底地震仪阻尼系数和固有角频率测试示意图

图中：1实验水池；2海水；3定滑轮；4海底介质；5沉耦架；6海底地震仪；7浮球。

图2海底地震仪耦合系数测试示意图。

图中：1实验水池；2海底地震仪；3沉耦架；4海水；5海底介质。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

第一步：确定阻尼系数和固有角频率

阻尼系数和固有角频率测试实验如图1所示，通过实验室实验和测试数据的后处理确定海底地震仪的阻尼系数和固有角频率。实验水池底部面积大于海底地震仪底部面积的4倍，在海底地震仪将要布放的海域提取海底介质和海水样本，海底介质的体积大于实验水池底部面积与0.5米的乘积，海水介质的体积大于实验水池底部面积与海底地震仪1.5倍高度的乘积。在实验水池两个相互垂直的池壁上各安装1个定滑轮，定滑轮的高度为海底地震仪高度的1/2与0.5米之和，定滑轮距离所安装的池壁0.5米。在实验水池中铺上0.5米厚度的海底介质样本，设置海底地震仪开始采集数据，将海底地震仪放置与海底介质上。海底地震仪距离未安装定滑轮的两个池壁都为0.5米，海底地震仪中地震波传感器的两个水平方向分别垂直于安装定滑轮的池壁。在海底地震仪上系3条牵引绳，其中1条在海底地震仪正上方，另外2条为水平方向并通过定滑轮引出，2条水平牵引绳平行于水池池底。在实验水池中注入海水样本，水深为海底地震仪高度的1.5倍。在3条牵引绳末端系浮球，浮球直径250毫米，浮球完全浸入水中。定义地震波传感器两个水平方向为X方向和Y方向，定义地震波传感器垂直方向为Z方向，按传感器X、Y和Z方向的顺序释放浮球同时记录各自释放的时间。对海底地震仪的测试数据进行幅度谱分析，找到幅度谱峰值A_max所对应的频率f₀，在幅度谱峰值两侧找到幅度对应的频率f₁和f₂，此时就可以计算得到海底地震仪的阻尼系数h_c和固有角频率ω₀为和ω₀＝2πf₀。

第二步：计算耦合系数和横切面比值

耦合系数测试实验如图2所示，耦合系数由结构质量、结构排开水的质量及与海底地震仪一起运动的水的质量计算得到，横切面比值由海底地震仪的底宽和高度计算得到。将放置与实验水池中的海底地震仪提起，完全离开水面。测量海底地震仪的质量为M_o、底宽为D_o、高度为H_o，测量海水的密度为ρ_w，测量实验水池的长度为L、宽度为D、水深为h₀。将海底地震仪放置于实验水池的中心位置，再次测量实验水池水深为h₁。计算得到结构排开水的质量M_w为ρ_w·L·D·(h₁-h₀)，与海底地震仪一起运动的水的质量为0.5·ρ_w·L·D·(h₁-h₀)，综合以上计算结果，可以得到耦合系数C为：

横切面比值R_o为

第三步：确定权重系数

结合航行舰船地震波信号特征确定耦合系数、阻尼系数、固有角频率和横切面比值的权重系数，采用的赋权方法为主观赋权法。耦合系数表征海底地震仪与航行舰船地震波信号是否能够一起运动，直接决定海底地震仪与海底介质的耦合效果，权重系数设置为0.3；阻尼系数表征海底地震仪接收航行舰船地震波或其它干扰后是否能够快速回到稳定状态，决定海底地震仪的抗干扰能力，权重系数设置为0.15；固有角频率表征海底地震仪在哪些频点最敏感即引起的振动最剧烈，这是在检测航行舰船地震波信号时最应该引起重视的问题，它往往导致航行舰船地震波信号无法有效检测，权重系数设置为0.45；横切面比值表征海底地震仪遇到海水冲击时的摇摆程度，它可以引起海底地震仪中地震波传感器三个方向之间的互相耦合，设置权重系数为0.1。

第四步：确定判定参数

判定参数由耦合系数、阻尼系数、固有角频率和横切面比值共同确定，根据权重系数设置，得到判定参数D_f的表达式为：

D_f＝0.3·C′+0.15·h′_c+0.45·ω₀′+0.1·R′_o

式中，C′为耦合系数判定值，h′_c为阻尼系数判定值，ω₀′为固有角频率判定值，R′_o为横切面比值判定值。

C为非负数，耦合系数判定值C′取值为：

当0≤C＜0.1时，C′＝1；当0.1≤C＜0.5时，C′＝0.5；当0.5≤C＜5时，C′＝0.1；当5≤C时，C′＝0。

h_c的最大值为1，阻尼系数判定值h′取值为：

当0.5≤h_c≤1时，h′_c＝1；当0.1≤h_c＜0.5时，h′_c＝0.2；当h_c＜0.1时，h′_c＝0。

f₀为非负数，固有角频率判定值ω₀′取值为：

当f₀＞100Hz时，ω₀′＝1；当10Hz＜f₀≤100Hz时，ω₀′＝0.5；当5Hz＜f₀≤10Hz时，ω₀′＝0.2；当0Hz≤f₀≤5Hz时，ω₀′＝0。

R_o为正数，横切面比值判定值R′_o为：

当R_o＞5时，R′_o＝1；当1＜R_o≤5时，R′_o＝0.5；当0.5＜R_o≤1时，R′_o＝0.2；当0＜R_o≤0.5时，R′_o＝0。

如果判定参数中的4个判定值任意一个为0，则设定判定参数为0；如果4个判定值均不为0，则由判定值乘以各自的权重系数，得到判定参数。

第五步：判断耦合效果

判定参数介于0和1之间，值越大表示耦合效果越好。判定参数最小值为0表示所设计的海底地震仪耦合效果很差，不能用于信号检测。判定参数最大值为1表示所设计的海底地震仪耦合效果很好，可以检测真实信号。判定参数大于或等于0.6表示海底地震仪可以使用，但信号存在一定程度的失真；判定参数小于0.6表示海底地震仪不可使用，需要改进。

Claims (1)

1.一种判断海底地震仪与航行舰船地震波信号耦合效果的方法，其特征是：

一、确定阻尼系数和固有角频率：

通过实验室实验和测试数据的后处理确定海底地震仪的阻尼系数和固有角频率；实验水池底部面积大于海底地震仪底部面积的4倍，在海底地震仪将要布放的海域提取海底介质和海水样本，海底介质的体积大于实验水池底部面积与0.5米的乘积，海水介质的体积大于实验水池底部面积与海底地震仪1.5倍高度的乘积；在实验水池两个左右相互垂直的池壁上各安装1个定滑轮，即共安装2个定滑轮，定滑轮的高度为海底地震仪高度的1/2与0.5米之和，定滑轮距离所安装的池壁0.5米；在实验水池中铺上0.5米厚度的海底介质样本，设置海底地震仪开始采集数据，将海底地震仪放置在海底介质上；海底地震仪距离未安装定滑轮的两个池壁都为0.5米，海底地震仪中地震波传感器的两个水平方向分别垂直于安装定滑轮的池壁；在海底地震仪上系3条牵引绳，其中1条在海底地震仪正上方，另外2条为水平方向并通过定滑轮引出，2条水平牵引绳平行于实验水池池底；在实验水池中注入海水介质，水深为海底地震仪高度的1.5倍；在3条牵引绳末端系浮球，浮球直径250毫米，浮球完全浸入水中；定义地震波传感器两个水平方向为X方向和Y方向，定义地震波传感器垂直方向为Z方向，按地震波传感器X、Y和Z方向的顺序释放浮球同时记录各自释放的时间；对海底地震仪的测试数据进行幅度谱分析，找到幅度谱峰值A_max所对应的频率f₀，在幅度谱峰值两侧找到幅度对应的频率f₁和f₂，此时就可以计算得到海底地震仪的阻尼系数h_c和固有角频率ω₀为和ω₀＝2πf₀；

二、计算耦合系数和横切面比值：

耦合系数由结构质量、结构排开水的质量及与海底地震仪一起运动的水的质量计算得到，横切面比值由海底地震仪的底宽和高度计算得到；将放置在实验水池中的海底地震仪提起，完全离开水面；测量海底地震仪的质量为M_o、底宽为D_o、高度为H_o，测量海水的密度为ρ_w，测量实验水池的长度为L、宽度为D、水深为h₀；将海底地震仪放置于实验水池的中心位置，再次测量实验水池水深为h₁；计算得到结构排开水的质量M_w为ρ_w·L·D·(h₁-h₀)，与海底地震仪一起运动的水的质量M′_w为0.5·ρ_w·L·D·(h₁-h₀)，得到耦合系数C为：

横切面比值R_o为

三、确定权重系数：

结合航行舰船地震波信号特征确定耦合系数、阻尼系数、固有角频率和横切面比值的权重系数，采用的赋权方法为主观赋权法；

(1)耦合系数表征海底地震仪与航行舰船地震波信号是否能够一起运动，直接决定海底地震仪与海底介质的耦合效果，权重系数设置为0.3；

(2)阻尼系数表征海底地震仪接收航行舰船地震波信号或其它干扰后是否能够快速回到稳定状态，决定海底地震仪的抗干扰能力，权重系数设置为0.15；

(3)固有角频率表征海底地震仪在哪些频点最敏感，即引起的振动最剧烈，这是在检测航行舰船地震波信号时最应该引起重视的问题，它往往导致航行舰船地震波信号无法有效检测，权重系数设置为0.45；

(4)横切面比值表征海底地震仪遇到海水冲击时的摇摆程度，它可以引起海底地震仪中地震波传感器三个方向之间的互相耦合，设置权重系数为0.1；

四、确定判定参数：

判定参数由耦合系数、阻尼系数、固有角频率和横切面比值共同确定，根据权重系数设置，得到判定参数D_f的表达式为：

D_f＝0.3·C′+0.15·h′_c+0.45·ω′₀+0.1·R′_o

式中，C′为耦合系数判定值，h′_c为阻尼系数判定值，ω′₀为固有角频率判定值，R′_o为横切面比值判定值；

耦合系数C为非负数，耦合系数判定值C′取值为：

当0≤C＜0.1时，C′＝1；当0.1≤C＜0.5时，C′＝0.5；当0.5≤C＜5时，C′＝0.1；当5≤C时，C′＝0；

阻尼系数h_c的最大值为1，阻尼系数判定值h′取值为：

当0.5≤h_c≤1时，h′_c＝1；当0.1≤h_c＜0.5时，h′_c＝0.2；当h_c＜0.1时，h′_c＝0；

固有角频率f₀为非负数，固有角频率判定值ω′₀取值为：

当f₀＞100Hz时，ω′₀＝1；当10Hz＜f₀≤100Hz时，ω′₀＝0.5；当5Hz＜f₀≤10Hz时，ω′₀＝0.2；当0Hz≤f₀≤5Hz时，ω′₀＝0；

横切面比值R_o为正数，横切面比值判定值R′_o为：

当R_o＞5时，R′_o＝1；当1＜R_o≤5时，R′_o＝0.5；当0.5＜R_o≤1时，R′_o＝0.2；当0＜R_o≤0.5时，R′_o＝0；

如果判定参数中的4个判定值任意一个为0，则设定判定参数为0；如果4个判定值均不为0，则由判定值乘以各自的权重系数，得到判定参数；

五、判断耦合效果：

(1)判定参数介于0和1之间，值越大表示耦合效果越好；

(2)判定参数最小值为0表示所设计的海底地震仪耦合效果很差；

(3)判定参数最大值为1表示所设计的海底地震仪耦合效果很好；

(4)判定参数大于或等于0.6表示海底地震仪可以使用，但信号存在一定程度的失真；

(5)判定参数小于0.6表示海底地震仪不可使用，需要改进。