CN111123349B - 一种编码调制输出等离子体震源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种编码调制输出等离子体震源，包括编码调制输出脉冲电源以及通过多芯脉冲传输线与所述编码调制输出脉冲电源连接的多路隔离输出发射阵；所述的编码调制输出脉冲电源包含N组隔离输出主回路；所述的多路隔离输出发射阵包含N路隔离发射单元，每路隔离发射单元为多电极发射结构；每组隔离输出主回路通过所述多芯脉冲传输线中的传导线与对应的一路隔离发射单元电连接。利用本发明，即可以用于远距离目标探测又可以实现远距离水下密码通讯。

Description

一种编码调制输出等离子体震源
技术领域
本发明属于海洋水声通讯领域或探测技术领域，尤其是涉及一种编码调制输出等离子体震源。
背景技术
从军事领域来讲，水下目标探测是极其重要的技术。目前，以侧扫声呐和多波速系统为主的水下探测设备发展迅速。同时，水下通讯也是海洋军事领域中的关键技术，是一种水下收发信息的技术。由于电磁波在水中尤其是海水中传播距离很短，一般不超过100m，因此，水声是目前实现有效长距离水下通讯的主要方法。一般原理是通过电发送机将文字等信息转换成电信号，并由编码器进行数字化处理后，通过换能器将电信号转化成声信号。
无论是用于水中目标探测还是密码通讯，都需要通过换能器将其他形式的能量(如化学能、机械能和电能等)转化为特定的声信号。近年来，基于水中脉冲等离子体放电技术，开发了新型电火花震源，即等离子体震源(也可称为脉冲声呐)，采用了大功率的半导体开关和多电极发射阵，成功克服了电极寿命短和声脉冲振荡的问题，具有高源级、窄脉冲、宽频带以及优异稳定性和重复性等优点，水中放电的基本过程是：当电脉冲注入后，会在电极尖端形成局部高场强，并加热附近水体形成气泡，进而在气泡内开始击穿，随后电能剧烈注入，气泡剧烈膨胀推动周围水体产生脉冲声波，当然，对于单电极放电，气泡破碎时还会产生很强的气泡脉冲。该技术已经成功运用于海洋高分辨率地震勘探。
目前，已开发的等离子体震源产生的子波都为单脉冲形式，即一次激发只能产生一个低主频和宽频带的脉冲子波，通过调节激发能量，可以一定程度上调节声源级和主频。通过对控制系统改造和主回路系统进行隔离设计，在时域上顺序激发各自回路，并根据线性声学原理，可以实现对单炮子波调频调幅，从电声转换角度来讲，首先将储存的电能分割成一定数量的等分，并按顺序按等间隔时间进行释放，这样产生的子波也进行线性叠加，达到调幅调频的目的。这种延时模式下，仍然是单脉冲输出，延时时间不大于每路脉冲子波的半波脉宽(FWHM)，对于水中目标探测来讲，可以根据目标大小和距离选取合适的频段。
对于水中密码通讯来讲，每一炮激发需要承载一些编码信息，考虑到水体作为水声传播媒介，本身具有一定的复杂性，因此仅需要对时间进行编码，即包含时域信息，这要求多路放电时，能够实现各子回路的时间间隔灵活调节，不再是等间隔。在单脉冲发射范围内，可以通过多路的编码调制发射，基于声脉冲线性叠加原理，可以实现单脉冲的调幅调频。如果进一步拓宽每一路时间间隔，并通过伪随机编码进行调制，可以将大能量的单脉冲分解为多个小能量的脉冲信号，可实现多脉冲编码发射，类似与编码冲击震源。
目前，用于水下目标探测或密码通讯的换能器一般都是压电换能器或共振腔震源等，输出的声波都为连续波形，同时激发能量和声源级相对较低。
发明内容
本发明提供了一种编码调制输出等离子体震源，既可实现远距离目标探测又可以实现远距离水下密码通讯。
一种编码调制输出等离子体震源，包括编码调制输出脉冲电源以及通过多芯脉冲传输线与所述编码调制输出脉冲电源连接的多路隔离输出发射阵；
所述的编码调制输出脉冲电源包含N组隔离输出主回路；所述的多路隔离输出发射阵包含N路隔离发射单元，每路隔离发射单元为多电极发射结构；每组隔离输出主回路通过所述多芯脉冲传输线中的传导线与对应的一路隔离发射单元电连接。
本发明采用编码调制下的水中等离子体放电，既可以产生可调幅调频的单脉冲子波从而应用于水中目标探测，又可以产生不同幅值和不同时间序列的多脉冲子波序列，用于水下密码通讯。同时，以现有技术，可以完成大能量甚至超大能量等离子体放电，基于地震勘探原理，可以将产生的脉冲声波协同海底地表反射，实现远距离传输。
每组隔离输出主回路采用电容储能模式，基于水中等离子体放电技术。
每组隔离输出主回路的输出极性包括正极性、负极性或双极性；对应每路隔离发射单元的发射极性也包括正极性、负极性或双极性。
每组隔离输出主回路的输出能量相等。
每组隔离输出主回路的输出充电电压不高于10kV。
所述的编码调制输出脉冲电源以第1路输出为时间基准，对N-1个隔离输出间隔进行编码，包含N-1个编码位。
所述的多芯脉冲传输线包含2N个传导线和1个外包裹屏蔽层，每组隔离输出主回路和对应的一路隔离发射单元连接2根传导线。
每路隔离发射单元中，每根电极发射能量不超过10J。
本发明工作过程如下：将编码调制输出脉冲电源、多芯脉冲传输线和多路隔离输出发射阵连接好检查无误后，将多路隔离输出发射阵沉放到海水中。连接供电系统，启动编码调制输出脉冲电源，通过编码调制输出脉冲电源的控制电脑，同时根据应用需求，设定激发能量和编码程序，启动激发命令，电能通过多芯脉冲传输线输送到水下多路隔离输出发射阵，经过瞬时电声转换过程，完成声波激发。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
目前水下目标探测或密码通讯的换能器一般都是压电换能器或共振腔震源等，输出的声波都为连续波形，激发能量和声源级相对较低。而等离子体震源可以输出近似理论上的δ函数(地震子波)，同时激发能量和声源级可以通过系统放大获得显著提高，这在理论和技术上都能实现更好的编码输出，进而实现远距离“探”“通”一体。
附图说明
图1为本发明一种编码调制输出等离子体震源的结构示意图；
图2为本发明实施例中编码为234时电声测试结果。
图中：1-编码调制输出脉冲电源；2-控制单元；3-主回路单元；4-多芯脉冲传输线；5-多路隔离输出发射阵；6-多电极隔离发射阵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种编码调制输出等离子体震源，包括编码调制输出脉冲电源1、多芯脉冲传输线4和多路隔离输出发射阵5。
其中，编码调制输出脉冲电源1由控制单元2和主回路单元3组成；进一步地，控制单元2包括电源启停、运行参数设定和编码程序输入等功能，主回路单元3包括N组隔离输出主回路。
多路隔离输出发射阵5包含N路隔离发射单元，每路隔离发射单元为采用多电极隔离发射阵6，发射极性包括正极性、负极性或双极性。
具体工作过程如下：
首先将编码调制输出脉冲电源1、多芯脉冲传输线4和多路隔离输出发射阵5连接好检查无误后，将多路隔离输出发射阵5沉放到海水中。然后连接供电系统，启动编码调制输出脉冲电源1，通过编码调制输出脉冲电源的控制单元2，同时根据应用需求，设定激发能量和编码程序，设定单次触发或连续触发模式，如果设定连续触发模式，触发间隔以每一次发射最后一路为起点，以下一次发射的第一路为终点，设定完成后，启动激发命令。电能通过多芯脉冲传输线4输送到水下多路隔离输出发射阵5，经过瞬时电声转换过程，完成编码声波激发。
本实施例中，采用一个10路编码调制输出脉冲电源，每路放电能量为10J，每路充点电容为1μF，电容充电电压约为-4.5kV，采用负极性放电，每组隔离输出发射阵为单电极结构。本实施例中，对多种编码调制输出进行了测量，对单次触发的时间间隔进行编码调制。规则如下：以50ms为一个单位，以数字1-9为编码元。例如：输入编码序列为234，则以第一路放电为基准，第二路经过100ms后激发，第三路在第二路后150ms时刻激发，第四路在第三路后200ms时刻激发。同时，通过高速相机、电学测量和声学诊断确认了编码的准确性。
图2给出了编码为234时电声测试结果。从电流波形和声脉冲波形可以看出，编码设定和编码输出完全一致，从高速相机记录结果来看，放电激发时间也符合编码设定要求。结果表明，本发明在理论和技术上都是可行的，即可以用于远距离目标探测又可以实现远距离水下密码通讯。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种编码调制输出等离子体震源，其特征在于，包括编码调制输出脉冲电源以及通过多芯脉冲传输线与所述编码调制输出脉冲电源连接的多路隔离输出发射阵；
所述的编码调制输出脉冲电源包含N组隔离输出主回路；所述的多路隔离输出发射阵包含N路隔离发射单元，每路隔离发射单元为多电极发射结构；每路隔离发射单元中，每根电极发射能量不超过10J；每组隔离输出主回路通过所述多芯脉冲传输线中的传导线与对应的一路隔离发射单元电连接；
每组隔离输出主回路的输出能量相等，输出极性包括正极性、负极性或双极性，对应每路隔离发射单元的发射极性也包括正极性、负极性或双极性；
所述的编码调制输出脉冲电源以第1路输出为时间基准，对N-1个隔离输出间隔进行编码，包含N-1个编码位；
所述的多芯脉冲传输线包含2N个传导线和1个外包裹屏蔽层，每组隔离输出主回路和对应的一路隔离发射单元连接2根传导线。
2.根据权利要求1所述的编码调制输出等离子体震源，其特征在于，每组隔离输出主回路采用电容储能模式，基于水中等离子体放电技术。
3.根据权利要求1所述的编码调制输出等离子体震源，其特征在于，每组隔离输出主回路的输出充电电压不高于10kV。
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