CN111123350A - 一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统 - Google Patents

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张连成
闫克平
管显涛
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Abstract

本发明公开了一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，包括控制单元、充电单元、储能单元和发射单元；其中，所述的控制单元分别与充电单元和储能单元电连接，用于控制充电单元的充电电压以及储能单元的放电；所述的充电单元用于将交流电转换成高压高频脉冲，给储能单元快速充电；所述的储能单元用于根据控制单元的触发信号进行电能释放和存储；所述的发射单元与储能单元电连接，用于将电能通过水中等离子体放电转换成声能。本发明的震源系统，可用于天然气水合物三维立体探测，可以为海洋水合物高精度探测提供直接的技术和装备保障。

Description

一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统
技术领域
本发明属于海洋地震勘探领域，尤其是一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统。
背景技术
海洋资源是国家海洋权益的重要组成部分，深海石油和天然气水合物等资源的争夺成为国际能源焦点，世界各国都在极力扩张深海领地。在东海和南海，我国与周边邻国的领土纷争也越演越烈，排除历史和政治因素，引起这些领土纠纷最主要的根源在于东海和南海都蕴藏着丰富的海底油气和水合物资源。
基于高精度地球物理探测技术寻找水合物富集靶区、精细刻画水合物矿体的分布和丰度、准确确定水合物的储量，将成为我国海洋天然气水合物详查和试开采工作的重要环节。同时，能够获得比现有数据分辨率更高地层剖面图，继而可以更精确得了解海底地质滑坡、断层活动，为海洋工程提供地质环境评价。
公开号为CN208921871U的中国专利文献公开了一种变频式海洋高压空气枪震源，包括气枪控制器、储气室、固定杆、套筒、初始限位机构和封盖等组件，且在固定杆上设置可调节的限位块。在激发过程中，通过限位块和套筒限位端之间限位，控制储气室出气孔的长度，通过调节开口长度，即可调节出气速度，实现对激发子波频率的控制。
公开号为CN204462407U的中国专利文献公开了一种移动式气枪震源系统，由气枪控制系统、高压系统和气枪组成；所述的气枪控制系统通过控制线与气枪连接，控制气枪活塞动作，高压系统通过高压气管和管汇与气枪连接。
上述震源系统具有安装和使用方便有点，但是不适用于海洋水合物的高精度探测。
发明内容
本发明提供了一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，可用于天然气水合物三维立体探测，可以为海洋水合物高精度探测提供直接的技术和装备保障。
一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，包括控制单元、充电单元、储能单元和发射单元；
其中，所述的控制单元分别与充电单元和储能单元电连接，用于控制充电单元的充电电压以及储能单元的放电；所述的充电单元用于将交流电转换成高压高频脉冲，给储能单元快速充电；所述的储能单元用于根据控制单元的触发信号进行电能释放和存储；所述的发射单元与储能单元电连接，用于将电能通过水中等离子体放电转换成声能。
利用本发明的震源系统，能够获得比现有数据分辨率更高地层剖面图，继而可以更精确得了解海底地质滑坡、断层活动，为海洋工程提供地质环境评价。
本发明中，所述的超大能量指的是震源激发能量超过50kJ，也是目前全球工程应用的电火花震源最高能量。
所述的控制单元包括：
单片机控制电路，用于通过单片机写入控制程序，控制充电单元的充电电压和储能单元的半导体开关；
可视化界面，用于人机交互，设定系统工作参数。
进一步地，所述的控制单元为1套，通过光纤连接上位机，在上位机中实现远程操控，同时通过BNC线接入外接触发信号，控制系统工作频率。还用于控制双子阵的发射次序，在工作过程中可以不停机转换发射次序。
所述的充电单元包括：
三相整流滤波电路，用于对接入的交流电进行整流；
IGBT逆变电路，将所述三相整流滤波电路后的直流逆变成高频交流，频率在10-20kHz；
谐振充电电路，包括原边谐振电感、谐振电容、高频变压器和副边整流桥，用于输出高压高频脉冲给储能单元充电。
进一步地，所述的充电单元为1套，当前一次发射序列完成，并检测到第二组储能电容电压为0V后，根据程序设定时间，开启下一次充电过程。
所述的储能单元包括：
储能电容，依据电场储能原理，由所述控制模块设定充电能量，进而设定对应的充电电压，进行储能。
全固态半导体开关，接收所述控制模块的触发信号，进行导通操作，释放电容储能。
进一步地，所述的储能单元为2套，通过隔离开关，由所述的充电单元完成快速同步充电，由所述的控制单元发送触发指令完成发射。
所述的发射单元包括：
多电极发射阵，用于实现水下等离子体放电，产生强烈脉冲声辐射；
高压脉冲电缆，用于连接所述的多电极发射阵和所述的储能单元，起到传输脉冲能量的作用；
双联电缆绞车，用于收纳所述的高压脉冲电缆，同时在释放所述的多电极发射阵时起到姿态调整的作用。
进一步地，所述的发射单元为2套，多电极发射阵为双子阵；所述的控制单元可以控制发射单元的发射次序，时间间隔等。
所述的多电极发射阵为单极性或双极性放电，包括2套线电极发射阵、固定不锈钢架和浮球。
所述的控制单元、充电单元、储能单元和发射单元都集成在标准集装箱内，便于设备运行、运输和保证电气安全性等。
本发明超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，基于电声转换原理，设定交替发射模式，在海水中激发强烈的脉冲声辐射，寻找水合物富集靶区、精细刻画水合物矿体的分布和丰度、准确确定水合物的储量，将成为我国海洋天然气水合物详查和试开采工作的重要环节。同时，能够获得比现有数据分辨率更高地层剖面图，继而可以更精确得了解海底地质滑坡、断层活动，为海洋工程提供地质环境评价。
附图说明
图1为本发明实施例超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统的安装示意图；
图2为本发明实施例超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统的模块化结构示意图。
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和图2所示，本发明超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，包括控制单元1、充电单元2、储能单元3和发射单元4。
其中，控制单元1用于设定和控制发射能量、发射频率和发射次序等参数，包括：可视化界面11和单片机控制电路12。
充电单元2用于将交流电转换成高压高频脉冲，给储能单元快速充电，包括三相整流滤波电路21、IGBT逆变电路22和谐振充电电路23。
储能单元3用于储存电能，根据触发信号进行电能释放和存储，包括：两个储能电容31和两个对应的全固态半导体开关32。
发射单元4用于将电能通过水中等离子体放电转换成声能，包括：两个多电极发射阵41、两个高压脉冲电缆42和两个双联电缆绞车43。
具体的，可视化界面11用于人机交互，可以设定系统工作参数；单片机控制电路12，用于运行通过单片机写入控制程序，主要控制充电单元的充电电压和储能单元的半导体开关。
具体的，三相整流滤波电路21用于对接入的交流电进行整流；IGBT逆变电路22将三相整流滤波电路21后的直流逆变成高频交流，频率在10-20kHz；谐振充电电路23，包括原边谐振电感、谐振电容、高频变压器和副边整流桥，用于输出高压高频脉冲给储能单元充电。
具体的，储能电容31，依据电场储能原理，由控制单元1设定充电能量，进而设定对应的充电电压，进行储能；全固态半导体开关32，接收所述控制单元的触发信号，进行导通操作，释放电容储能。
具体的，多电极发射阵41，用于实现水下等离子体放电，产生强烈脉冲声辐射；高压脉冲电缆42，用于连接多电极发射阵41和储能单元3，起到传输脉冲能量的作用；双联电缆绞车43，用于收纳高压脉冲电缆，同时在释放多电极发射阵41时起到姿态调整的作用。
进一步地，控制单元1为1套，可以通过光纤连接上位机，在上位机中可以实现远程操控，同时可以通过BNC线接入外接触发信号，控制系统工作频率，控制发射次序，在工作过程中可以不停机转换发射次序。
充电单元2为1套，当前一次发射序列完成后，检测到第二组储能电容电压为0V后，根据程序设定时间，开启下一次充电过程。
储能单元3为2套，通过隔离开关，由所述的充电单元2完成快速同步充电，由控制单元1发送触发指令完成发射。
发射单4为2套，所述的控制单元2可以控制发射单元4的发射次序，时间间隔等。
多电极发射阵41可以为单极性或双极性放电，包括2套线电极发射阵、固定不锈钢架和浮球组成，结构上为双子阵。电缆绞车可以采用双联电动绞车。
控制单元1、充电单元2、储能单元3和发射单元4都集成在标准集装箱(如图图1所示)内，便于设备运行、运输和保证电气安全性等。
本发明的工作过程如下：
参见图1，打开集装箱操作段安全门，接通船载380V三相电源，开启集装箱内空调，控制集装箱内温度和湿度。同时，打开集装箱发射单元4收纳段安全门，将多电极发射阵41和不锈钢架(图中未给出)装配固定，组成双子阵。然后，通过遥控装置，开启双联电缆绞车43，缓慢释放高压脉冲电缆42，过程中包括双子阵甲板段释放、入水段释放和水下释放三个过程。最终通过微调双联电缆绞车43，调整好双子阵水下姿态。接着，开启位于控制单元1里的设备主开关，通过可视化界面11，设定发射能量、发射次序和发射间隔等参数。也可以通过光纤接口外接上位机进行远程控制(图中未给出)，通过BNC信号线接船载综合导航系统(图中未给出)接收外部触发信号。操作完成后，如果内部触发，按自动操作按钮，系统自动工作；如果外部触发，按自动操作按钮，系统由外部触发信号控制工作。
进一步地，当控制单元1收到触发信号后，首先给IGBT逆变电路22发送触发指令，按照设定能量给储能单元3的储能电容31进行快速充电，然后控制单元1给全固态半导体开关32分别发送触发指令，全固态半导体开关32根据设定发射次序依次导通，电能通过高压脉冲电缆42输送到水下的多电极发射阵41，完成电声转换，辐射声脉冲。当控制单元1接收到后释放能量的储能电容电压为0V的反馈后，自动开启新一轮充电过程，如果有触发指令，重复放电过程并一直到停机位置。如果没有后续触发指令，则在按停止键时控制单元1自动向全固态半导体开关32发送触发指令，而此时控制单元1不再给充电单元2发送指令，储能电容能量完全释放，完成关机。
本发明的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，基于电声转换原理，设定交替发射模式，在海水中激发强烈的脉冲声辐射，应用于寻找水合物富集靶区、精细刻画水合物矿体的分布和丰度、准确确定水合物的储量，将成为我国海洋天然气水合物详查和试开采工作的重要环节。
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 (10)

1.一种超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，包括控制单元、充电单元、储能单元和发射单元；
其中，所述的控制单元分别与充电单元和储能单元电连接，用于控制充电单元的充电电压以及储能单元的放电；所述的充电单元用于将交流电转换成高压高频脉冲，给储能单元快速充电；所述的储能单元用于根据控制单元的触发信号进行电能释放和存储；所述的发射单元与储能单元电连接，用于将电能通过水中等离子体放电转换成声能。
2.根据权利要求1所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的控制单元包括：
单片机控制电路，用于通过单片机写入控制程序，控制充电单元的充电电压和储能单元的半导体开关；
可视化界面，用于人机交互，设定系统工作参数。
3.根据权利要求2所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的控制单元为1套，通过光纤连接上位机，在上位机中实现远程操控，同时通过BNC线接入外接触发信号，控制系统工作频率。
4.根据权利要求1所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的充电单元包括：
三相整流滤波电路，用于对接入的交流电进行整流；
IGBT逆变电路，将所述三相整流滤波电路后的直流逆变成高频交流，频率在10-20kHz；
谐振充电电路，包括原边谐振电感、谐振电容、高频变压器和副边整流桥，用于输出高压高频脉冲给储能单元充电。
5.根据权利要求4所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的充电单元为1套，当前一次发射序列完成，并检测到第二组储能电容电压为0V后，根据程序设定时间，开启下一次充电过程。
6.根据权利要求5所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的储能单元为2套，通过隔离开关，由所述的充电单元完成快速同步充电。
7.根据权利要求1所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的发射单元包括：
多电极发射阵，用于实现水下等离子体放电，产生强烈脉冲声辐射；
高压脉冲电缆，用于连接所述的多电极发射阵和所述的储能单元，起到传输脉冲能量的作用；
双联电缆绞车，用于收纳所述的高压脉冲电缆，同时在释放所述的多电极发射阵时起到姿态调整的作用。
8.根据权利要求7所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的发射单元为2套，多电极发射阵为双子阵。
9.根据权利要求8所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的多电极发射阵为单极性或双极性放电，包括2套线电极发射阵、固定不锈钢架和浮球。
10.根据权利要求1所述的超大能量双子阵脉冲等离子体震源系统，其特征在于，所述的控制单元、充电单元、储能单元和发射单元都集成在标准集装箱内。
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