CN111308474B - 拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法，属于海底勘探领域。系统包括母船控制台和拖体，所述的母船控制台通过光电复合缆与拖体连接，光电复合缆长度可调，采用近底拖曳的方式将换能器声源和用于记录反射/散射回波的水听器放置于近海底处，水听器均匀布设于拖体底部四周，用于采集回波信号；换能器声源采用高频和低频相组合的声源系统，低频换能器声源放置于高频换能器上方，不同频率声源组合可以保证获取宽频带信号，实现高分辨率和高穿透深度双重目标，可以进一步应用于海底底质识别以及底质更深一层裂隙的同步探测。

Description

拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法
技术领域
本发明属于海洋勘探领域，具体涉及一种拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法。
背景技术
船载多波束测深、浅地层剖面仪和侧扫声呐是目前探测海底浅表层信息的主要工具，这些方法的工作原理较为相似，都是通过换能器探头发射声源信号，然后通过处理记录到的反射或散射回波对底质进行识别。这些方法的主要区别在于换能器发射声波的频率和强度存在差异，一般高频用于探测中浅水深或侧扫图像信息，低频用于探测深海水深或浅层剖面信息，高频能够提高分辨率，低频则可以提高声波作用距离和穿透深度。对于深海区域，海水层的存在，使得声波能量因波前扩散衰减严重，降低了海底表层信息探测精度，现有声学探测系统难以激发同时包含低频和高频能量的声源信号。
因此开发一种同时激发低频和高频声源信号的声学探测系统，并兼具回波信号的采集功能，就能得到同时包含低频和高频能量的反射信息。同时包含低频和高频能量的反射信息能够有效提高回波信号的信噪比和分辨率，高分辨率的回波信号在探测目标的识别上就能够拥有更高的识别率，还能够进一步实现海底底质识别以及底质更深一层裂隙的同步探测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有现有声学探测系统难以激发同时包含低频和高频能量的声源信号，无法实现海底表层信息的高精度探测的不足，提供一种拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法，能够同时激发低频和高频声源信号，实现高分辨率和高穿透深度双重目标，并兼具回波信号的采集功能，采集得到包含低频和高频能量的反射信息，能够提高回波信号的信噪比和分辨率，进一步提高海底表层信息的探测精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一个目的在于提供一种拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统，包括母船控制台和拖体，所述的母船控制台通过光电复合缆与拖体连接，光电复合缆长度可调；所述的拖体上安装有位于拖体垂直中心轴线上的低频换能器声源和高频换能器声源、以及均匀布设于拖体底部四周的水听器，所述的低频换能器声源位于高频换能器声源的正上方。
优选的，所述的高频换能器声源的激发时间延迟于低频换能器声源的激发时间，延迟时间Δt＝Δh/c，其中Δh为低频换能器声源与高频换能器声源的深度差， c为水中声速。
优选的，所述的低频换能器声源和高频换能器声源的信号强度满足： Ah/dh＝Al/dl，其中Ah、dh分别表示高频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离，Al、dl分别表示低频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离。
优选的，所述的水听器距离海底最近可达5-10m。
本发明的另一目的在于提出一种基于上述的拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统的探测方法，步骤如下：
1)通过母船控制台调节光电复合缆的长度，使拖体位于近海底区域；
2)调整低频换能器声源和高频换能器声源信号沿垂直方向的相位同步化：通过母船控制台控制低频换能器声源和高频换能器声源的激发时间，使高频换能器声源相较于低频换能器声源的激发延迟时间Δt＝Δh/c，其中Δh为低频换能器声源和高频换能器声源的深度差，c为水中声速；
3)调整低频换能器声源和高频换能器声源的回波强度一致：通过母船控制台控制低频换能器声源和高频换能器声源的信号强度满足Ah/dh＝Al/dl，其中 Ah、dh分别表示高频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离，Al、dl分别表示低频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离；
4)根据步骤2)得到的激发延迟时间和步骤3)得到的信号强度顺序激发低频换能器声源和高频换能器声源，两种声源子波在勘探目标区域所在的反射层位反射后向上传播，由拖体底部的水听器采集声源回波信号，得到同时包含低频和高频能量的反射信息。
本发明具备的有益效果是：
1)本发明采用高频和低频相组合的声源系统，可以同时发射带宽不同的声源信号，保证获取到宽频带信号，能够获得更加丰富的海底表层信息，应用范围更广，如高频声源能够实现海底浅层底质的高分辨率探测，低频声源能够穿透底质，获取海底以下裂隙结构，实现了高分辨率和高穿透深度双重目标，能够用于进一步分析海底浅层底质及裂隙结构；
2)本发明中高频和低频声源采用不同深度组合模式，可以通过母船控制台调整不同换能器的激发时间和信号强度，能够保证经波前扩散衰减后子波主频幅值相同，不同声源回波信号经后续平滑叠加后不会出现频谱能量突变，能够有效提高回波信号的信噪比，进一步提高海底表层信息的探测精度；
3)相比较于不同频率声源组合的水平布设，不同深度组合模式则可以保证两种不同频率声源的引入信号呈现对称的方向性，提高处理的精度；
4)本发明的拖曳式探测系统成本低、结构简单，探测方法操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例中的拖曳式深海近底底质分类与裂隙探测系统结构示意图；
图2为不同主频换能器子波信号(a)及波前扩散后频谱(b)对比图；
图3为不同主频换能器声源子波合成结果时间域(a)及频率域(b)结果图；
图4为低频探地雷达激发结果；
图5为低-高频探地雷达组合激发结果；
图中：1母船控制台、2光电复合缆、3拖体、4低频换能器声源、5高频换能器声源、6水听器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统，包括母船控制台1 和拖体2，所述的母船控制台1通过光电复合缆2与拖体3连接，光电复合缆2 长度可调；所述的拖体3上安装有位于拖体垂直中心轴线上的低频换能器声源4 和高频换能器声源5、以及均匀布设于拖体底部四周的水听器6，所述的低频换能器声源4位于高频换能器声源5的正上方。所述的水听器距离海底最近可达 5-10m。
在本发明的一个具体实施中，高频声源主要用于实现海底浅层底质的高分辨率探测，低频声源则主要用于穿透底质，获取海底以下裂隙结构。高频和低频声源可以采用不同深度的组合模式，不同频率声源组合可以保证获取宽频带信号，实现分辨率和穿透深度双重目标。由于低频子波波场受障碍物影响要小于高频子波，因此该系统中低频换能器声源放置于高频换能器上方，比较于水平布设，不同深度组合模式则可以保证两种不同频率声源的引入信号呈现对称的方向性，提高处理的精度。
如图1所示的拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统的探测方法步骤如下：
1)通过母船控制台调节光电复合缆的长度，采用近底拖曳的方式将换能器声源和用于记录反射/散射回波的水听器放置于近海底处。
2)调整低频换能器声源和高频换能器声源信号沿垂直方向的相位同步化，具体操作为：通过母船控制台控制低频换能器声源和高频换能器声源的激发时间，使高频换能器声源相较于低频换能器声源的激发延迟时间Δt＝Δh/c，其中Δh为低频换能器声源和高频换能器声源的深度差，c为水中声速。
3)调整低频换能器声源和高频换能器声源的回波强度一致，以实现不同频率声源信号的平滑叠加，避免出现频谱能量突变，具体操作为：通过母船控制台控制低频换能器声源和高频换能器声源的信号强度满足：Ah/dh＝Al/dl，其中Ah、 dh分别表示高频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离，Al、dl分别表示低频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离，从而保证经波前扩散衰减后子波主频幅值相同。声源子波传播距离指声源子波由声源激发到被水听器接收的距离。
4)根据步骤2)得到的激发延迟时间和步骤3)得到的信号强度顺序激发低频换能器声源和高频换能器声源，两种声源子波在勘探目标区域所在的反射层位反射后向上传播，由拖体底部的多水听器采集声源回波信号，得到同时包含低频和高频能量的反射信息。同时包含低频和高频能量的反射信息能够有效提高回波信号的信噪比和识别精度。
在本发明的一个具体实施中，调整两换能器深度差为0.5m，水听器距离水底10m，高频换能器距离水底11m，图2展示了两个不同主频的Ormsby子波时频域对比结果，可以看出高频子波主波更窄，因此分辨率更高，但低频子波旁瓣更小。两种声源子波按照组合激发之后得到的子波如图3所示，得益于频带拓宽，其波形旁瓣变小，且能量集中，从而能够满足高分辨率及大穿透深度勘探目的，通过本发明的采集到的回波信号同时包含低频和高频能量的反射信息，适合于进一步的深海底质识别以及裂隙探测的同步开展。图4-5展示了本发明在陆地上的一个应用实例，对于地下一目标体进行探测。在同一地点先后激发不同主频(50MHz和100MHz)的探地雷达，由于激发和接收点相同，因此反射路径是一致的，直接将两套数据相加即可实现不同频率探地雷达信号的同步叠加。通过对比可以看出，低频和高频探地雷达信号的叠加结果(图5)要比单频探地雷达信号结果(图4)信噪比高，分辨率也得到了有效提升，能够更加有效识别探测目标(图中虚线所示为目标层位)。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统，其特征在于包括母船控制台(1)和拖体(2)，所述的母船控制台(1)通过光电复合缆(2)与拖体(3)连接，光电复合缆(2)长度可调；所述的拖体(3)上安装有位于拖体垂直中心轴线上的低频换能器声源(4)和高频换能器声源(5)、以及均匀布设于拖体底部四周的水听器(6)，所述的低频换能器声源(4)位于高频换能器声源(5)的正上方；
所述的高频换能器声源的激发时间延迟于低频换能器声源的激发时间，延迟时间Δt＝Δh/c，其中Δh为低频换能器声源与高频换能器声源的深度差，c为水中声速。
2.根据权利要求1所述的拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统，其特征在于，所述的低频换能器声源和高频换能器声源的信号强度满足：Ah/dh＝Al/dl，其中Ah、dh分别表示高频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离，Al、dl分别表示低频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离。
3.根据权利要求1所述的拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统，其特征在于，所述的水听器距离海底最近可达5-10m。
4.一种基于权利要求1所述的拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统的探测方法，其特征在于步骤如下：
1)通过母船控制台调节光电复合缆的长度，使拖体位于近海底区域；
2)调整低频换能器声源和高频换能器声源信号沿垂直方向的相位同步化：通过母船控制台控制低频换能器声源和高频换能器声源的激发时间，使高频换能器声源相较于低频换能器声源的激发延迟时间Δt＝Δh/c，其中Δh为低频换能器声源和高频换能器声源的深度差，c为水中声速；
3)调整低频换能器声源和高频换能器声源的回波强度一致：通过母船控制台控制低频换能器声源和高频换能器声源的信号强度满足Ah/dh＝Al/dl，其中Ah、dh分别表示高频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离，Al、dl分别表示低频换能器声源的信号强度和声源子波传播距离；
4)根据步骤2)得到的激发延迟时间和步骤3)得到的信号强度顺序激发低频换能器声源和高频换能器声源，两种声源子波在勘探目标区域所在的反射层位反射后向上传播，由拖体底部的水听器采集声源回波信号，得到同时包含低频和高频能量的反射信息。
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