CN112198515B - 一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，方法包括以下步骤：构建三层参量阵浅剖发射声波传播路径模型，构建检测参量阵浅剖探测性能的探测水平位置DL方程；构建差频转换新能优化模型，计算低频波辐射功率；计算低频波频率占总辐射波频率的比例；通过调整提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率，进行优化提高；参量接收阵包括接收水听器、泵换能器，其特征在于，于接收水听器和泵换能器之间加入硅橡胶柱，以提高参量阵接收阵的转换效率。本发明提供的参量阵浅剖差频转换性能优化方法通过提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率的且参量接收阵采用硅橡胶柱以提高参量阵接收阵的转换效率。

Description

一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法
技术领域
本发明属于海洋声呐技术领域，具体涉及一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法。
背景技术
当代海洋开发活动与日俱增，海洋资源的探测开发已成为当代国家之间竞争的主要战场，近岸海洋工程建设是国防、经济发展的重要支撑。建设海洋工程以了解海底地层结构、探测地层属性、沉积物结构为基础。浅剖仪应用在测量海底沉积物的频响、地层衰减系数、传播介质阻抗、声速等地层参数；如果采用合适的识别方法，浅剖仪能够成为同时兼具底质识别和海底探测两种功能的地质探测声纳，能够有效地探明海底沉积层厚度、断裂构造、基岩埋深，同时摸清海底的障碍物分布，掌握海域的灾害和地质情况(滑坡、浅层气)；进而为水下管道铺设，以及一些海上工程的建造(例如码头、电站、桥梁、人工岛等工程)提供比较精确和详实的地质资料。
声学参量阵是一种利用非线性声学现象，在声场的远场产生差频信号的发射装置分析参量阵的数学表达式和物理模型，但是参量阵其在应用的方面过程中在差频转换方面存在一些问题：1)参量阵的差频转化效率较低；2)为了实现非线性声学效应，要求原本的声源能级较高，导致换能器的发射功率过大。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种通过构建三层模型声呐方程，检测参量阵浅剖仪探测性能，然后构建差频转换新能优化模型，提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率的参量阵浅剖差频转换性能优化方法及采用硅橡胶柱的参量接收阵。
本发明提供如下技术方案：一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建三层参量阵浅剖仪发射声波传播路径模型，所述三层模型为水层、沉积层和岩石层，沉积层为颗粒物形成的孔隙流体，构建检测参量阵浅剖仪探测性能的、估计地面剖面岩层顶部的回波水平的探测水平位置DL方程：
DL＝SL-(PG+DLW·S+ALW)-TLW·S-ALS-RLS·R-TLS·W+RVS+RG+SPG；
所述SL为声波发射源所在水平位置，所述PG为初始波频率到差频的发生效率，所述DLW·S为所述初始波在水中和沉积层中的扩散损失，所述ALW为所述初始波在水中的吸收损失，我们将换能器与沉积物表面之间的单向波传播视为非线性，将从沉积物表面反射回所述换能器的波传播视为线性，所述TLW·S是所述初始波在水和沉积层边界传输损耗，所述TLS·W是所述回波在在沉积层和水边界传输损耗，所述ALS是所述初始波在沉积物中的吸收损失，所述RLS·R为沉积物和岩石边界处的反射损失，所述RVS是声波回波接收水听器的电压灵敏度，所述RG是所述接收水听器的增益，所述SPG是所述接收水听器的信号处理增益；
S2：构建差频转换新能优化模型，计算低频波辐射频率Wed：
Figure GDA0003071798990000021
所述声波在水中传播的距离为r，在沉积物中传播的距离为d，所述声波在水中的传播速度为cR，所述声波在沉积物中传播速度为cS，所述声波在岩石中传播速度为cW，单位为m/s；水的密度为ρW，沉积物的密度为ρS，岩石的密度为ρR，单位是kg/m3；声波在沉积物中被吸收的衰减系数为αS，单位为dB/m；所述β为沉积物的孔隙率，所述e为附着在所述模型框架上的构件的膨胀率，所述γ为所述发射声波传播路径模型的结构因子；
其中，所述w1和所述w2分别为两个高频的频率，因为两个高频的频率相近，则
Figure GDA0003071798990000022
所述w为总辐射波频率；所述ρf为所述沉积物中的所述孔隙流体的密度，所述ρS＝βρf+(1-β)ρg，所述ρg为所述沉积物中的颗粒物的密度；
S3：计算低频波转换效率，所述低频波转换效率为低频波频率Wed占总辐射波频率W的比例：
Figure GDA0003071798990000031
所述fd为差频频率；
S4：通过调整提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率
Figure GDA0003071798990000032
进行优化提高。
进一步地，在所述声波发射源距离换能器1m、双向距离扩散损失为-6db/DD的条件下，所述DLW·S＝20log2(r+d)，所述ALS＝2αSd。
进一步地，在水面和沉积物中往返造成声波的损失为TLW·S与TLS·W之和：
TLW·S+TLS·W＝-20log2(1+RW·S)(1-RW·S)，其中
Figure GDA0003071798990000033
所述RW·S为在水面和沉积物处的反射系数。
进一步地，所述RLS·R＝-20log(RS·R)，
Figure GDA0003071798990000034
所述RS·R为在沉积物和岩石处的反射系数。
进一步地，所述回波在沉积物中发生透射和反射损失，所述回波沉积物中的透射和反射损失与所述ρS、所述cS和所述αS有关，建立Biot-Stoll模型计算所述ρS、所述cS和所述αS：
Figure GDA0003071798990000035
Figure GDA0003071798990000036
其中，所述附着在所述模型框架上的构件的膨胀率e＝div(u,U)，所述流入或流出附在所述模型框架上的体积单元的流体体积ξ＝βdiv(u-U,U)，所述β为沉积物的孔隙率，所述u为所述参量阵浅剖仪移动后的位置，所述U为孔隙流体的移动后的位置，所述η为孔隙流体的流速；所述div函数为求两个参数数的商和余数；所述H为膨胀率e计算加权参数，所述C为所述流入或流出附在所述模型框架上的体积单元的流体体积ξ的计算加权参数，所述M为流体体积ξ的体积变量计算加权参数，所述m为所述发射声波传播路径模型的结构因子。
进一步地，所述H公式如下：
Figure GDA0003071798990000041
其中，所述Kb为框架体积模量，所述Kg为颗粒的体积模量；
所述C公式如下：
Figure GDA0003071798990000042
所述M公式如下：
Figure GDA0003071798990000043
所述m公式如下：
Figure GDA0003071798990000044
所述D公式如下：
Figure GDA0003071798990000045
所述Kf为孔隙流体的体积模量。
进一步地，所述γ的公式如下：
Figure GDA0003071798990000046
所述g为所述沉积物中的颗粒物的半径。
本发明还提供采用如上所述的参量阵浅剖差频转换性能优化方法的参量接收阵，包括接收水听器、泵换能器，其特征在于，于所述接收水听器和泵换能器之间加入硅橡胶柱，以提高参量阵接收阵的转换效率。
本发明的有益效果为：
1、通过构建三层模型声呐方程，检测参量阵浅剖仪探测性能，然后构建差频转换新能优化模型，计算低频波转换效率，所述低频波转换效率为低频波频率Wed占总辐射波频率W的比例，提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率，进行优化。通过改变介质，使用声速、密度小，非线性系数更大的介质也可以提高转换效率。
2、通过选择非线性参数更大，声速更小的硅橡胶加入泵换能器和接收水听器之间，提高转换效率进行优化，通过改变介质的方式避免单纯通过增加功率来提高转换效率，不会限制等效长度和使差频波束变宽。
3、采用沉积物中的物理参数随沉积物类型的不同而变化，并对DL产生影响。因此，采用Biot-Stoll模型计算物理参数沉积物中的密度ρS、声波传播速度cS和声波在沉积物中被吸收的衰减系数αS，能够有效校正沉积物中的声波的频率计算准确度，不会因为沉积物类型的不同而进行变化，进而对参量阵的探测水平位置DL产生影响，进而避免了最终施加的非线性参数不准确，导致转换效率优化不明显。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的优化方法流程示意图；
图2为本发明提供过的参量阵浅剖仪在水体中的声波传播路径示意图；
图3为本发明提供的沉积物中的带有颗粒物的孔隙流体示意图；
图4位本发明提供的参量接收阵的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参量阵在一个高声压下以稍有不同的一次高频传输两个信号。在高压下，两种信号、相互作用和新频率(和频、差频和谐波)的声传播的非线性特性都有增加；发射频率的差异，称为二次频率；参量阵即是利用两个频率相近的高频声波，使水介质产生非线性效应，形成差频窄波束的基阵。通常以两个靠近的发射换能器为基元，分别发射频率接近的高频正弦声波，当声波振幅足够大，水介质产生非线性效应，声速不再恒定，而是压强的函数。振幅正向增长时，声速升高；振幅负向增长时，声速降低，使正弦波失真为锯齿波，在离发射基阵声轴方向的一定距离形成相互作用区，产生两个高频的和频、差频等组合频率。但二者频率相近，差频波低于声源频率和二者和频频率。传播过程中，高频率的声波迅速衰减，只留下差频波。
参量阵的差频转换效率和不同的介质有关，当发射波频率、总辐射波频率和差频频率三者一定时，一般淡水中的转换效率要高于海水，空气高于淡水。可以通过提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率，进行优化。但是功率不断增加，会出现锯齿波形，介质对声波的吸收大幅增加，因此会限制等效长度，所以通过增加功率提高效率是有一定限制的。但是转换效率与介质的特性有关，通过改变介质，使用声速、密度小，非线性系数更大的介质也可以提高转换效率。
基于上述原理，如图1-2所示，为本发明提供的考虑了传感器与地面剖面岩层顶部之间的波传播路径的一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，包括以下步骤：
S1：构建三层参量阵浅剖仪发射声波传播路径模型，三层模型为水层、沉积层和岩石层，如图3所示，沉积层为颗粒物形成的孔隙流体，构建检测参量阵浅剖仪探测性能的、估计地面剖面岩层顶部的回波水平的探测水平位置DL方程：
DL＝SL-(PG+DLW·S+ALW)-TLW·S-ALS-RLS·R-TLS·W+RVS+RG+SPG；
由于在水中的损失少于在沉积物和岩石中的损失，因此在总方程中忽略了水中的初始波的吸收损失；
SL为声波发射源所在水平位置，PG为初始波频率到差频的发生效率，DLW·S为初始波在水中和沉积层中的扩散损失，ALW为初始波在水中的吸收损失，我们将换能器与沉积物表面之间的单向波传播视为非线性，将从沉积物表面反射回换能器的波传播视为线性，TLW·S是初始波在水和沉积层边界传输损耗，TLS·W是回波在在沉积层和水边界传输损耗，ALS是初始波在沉积物中的吸收损失，RLS·R为沉积物和岩石边界处的反射损失，RVS是声波回波接收水听器的电压灵敏度，RG是接收水听器的增益，SPG是接收水听器的信号处理增益；
S2：构建差频转换新能优化模型，计算低频波辐射频率Wed：
Figure GDA0003071798990000071
声波在水中传播的距离为r，在沉积物中传播的距离为d，声波在水中的传播速度为cR，声波在沉积物中传播速度为cS，声波在岩石中传播速度为cW，单位为m/s；水的密度为ρW，沉积物的密度为ρS，岩石的密度为ρR，单位是kg/m3；声波在沉积物中被吸收的衰减系数为αS，单位为dB/m；β为沉积物的孔隙率，e为附着在模型框架上的构件的膨胀率，γ为发射声波传播路径模型的结构因子；
其中，w1和w2分别为两个高频的频率，因为两个高频的频率相近，则
Figure GDA0003071798990000072
Figure GDA0003071798990000073
w为总辐射波频率；ρf为沉积物中的孔隙流体的密度，ρS＝βρf+(1-β)ρg，ρg为沉积物中的颗粒物的密度；
S3：计算低频波转换效率，低频波转换效率为低频波频率Wed占总辐射波频率W的比例：
Figure GDA0003071798990000081
fd为差频频率；
S4：通过调整提高高频的功率与声压级，降低比值来提高转换效率
Figure GDA0003071798990000082
进行优化提高。
在声波发射源距离换能器1m、双向距离扩散损失为-6db/DD的条件下，DLW·S＝20log2(r+d)，ALS＝2αSd。
在水面和沉积物中往返造成声波的损失为TLW·S与TLS·W之和：
TLW·S+TLS·W＝-20log2(1+RW·S)(1-RW·S)，其中
Figure GDA0003071798990000083
RW·S为在水面和沉积物处的反射系数。
RLS·R＝-20log(RS·R)，
Figure GDA0003071798990000084
RS·R为在沉积物和岩石处的反射系数。
为适应不同的沉积物类型，避免最终施加的非线性参数不准确，导致转换效率优化不明显，需要计算回波在沉积物中发生的透射和反射损失，回波沉积物中的透射和反射损失与ρS、cS和αS有关，通过建立Biot-Stoll模型计算ρS、cS和αS，此模型是考虑了所构建的三层模型会在水体中进行整体的框架移动和在水体中会吸水膨胀的基础上的：
Figure GDA0003071798990000085
Figure GDA0003071798990000086
其中，附着在模型框架上的构件的膨胀率e＝div(u,U)，流入或流出附在模型框架上的体积单元的流体体积ξ＝βdiv(u-U,U)，β为沉积物的孔隙率，u为参量阵浅剖仪移动后的位置，U为孔隙流体的移动后的位置，η为孔隙流体的流速；div函数为求两个参数数的商和余数；H为膨胀率e计算加权参数，C为流入或流出附在模型框架上的体积单元的流体体积ξ的计算加权参数，M为流体体积ξ的体积变量计算加权参数，m为发射声波传播路径模型的结构因子。
其中，H公式如下：
Figure GDA0003071798990000091
其中，Kb为框架体积模量，Kg为颗粒的体积模量；
C公式如下：
Figure GDA0003071798990000092
M公式如下：
Figure GDA0003071798990000093
m公式如下：
Figure GDA0003071798990000094
D公式如下：
Figure GDA0003071798990000095
Kf为孔隙流体的体积模量。
发射声波传播路径模型的结构因子γ的公式如下：
Figure GDA0003071798990000096
g为沉积物中的颗粒物的半径。
通过建立检测参量阵浅剖仪探测性能的、估计地面剖面岩层顶部的回波水平的探测水平位置DL方程和Biot-Stoll模型对PSBP系统的性能进行了评估，并优化了测量系统，特别是在频率设置方面。
如图4所示，为本发明提供的采用上述参量阵浅剖差频转换性能优化方法的参量接收阵，包括接收水听器、泵换能器，其特征在于，于接收水听器和泵换能器之间加入硅橡胶柱，以提高参量阵接收阵的转换效率。进而进一步利用了优化的参量阵浅剖仪的无旁瓣的窄波束，进而减少其他反射器的声虚像和混响，因此适合在发现海底热液沉积的斜坡和不规则地表地区进行探测，能够高指向性的声束，进而提高乐探测目标的定位精度；同时优化有的参量阵浅剖仪满足低频率功耗模式，可以安装于自主式水下机器人上用于探测深海地区的埋藏沉积物，减少自主式水下机器人的工作耗电能量。
由于硅橡胶介质的非线性系数的增大和声速的减小，波束宽度的减小指向性更为尖锐，转换效率得到提高，因此，在由泵换能器、接收水听器组成的参量接收阵中，通过在换能器与接收水听器中加入硅橡胶柱来提高参量阵接收阵的转换效率。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物移动后的其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建三层参量阵浅剖发射声波传播路径模型，三层模型为水层、沉积层和岩石层，沉积层为颗粒物形成的孔隙流体，构建用于检测参量阵浅剖探测性能和估计地面剖面岩层顶部回波水平的探测水平位置方程DL：
DL＝SL-(PG+DLW·S+ALW)-TLW·S-ALS-RLS·R-TLS·W+RVS+RG+SPG；
其中，SL为声波发射源所在水平位置，PG为初始波频率到差频的发生效率，DLW·S为初始波在水中和沉积层中的扩散损失，ALW为所述初始波在水中的吸收损失，TLW·S是所述初始波在水和沉积层边界的传输损耗，TLS·W是所述回波在沉积层和水边界的传输损耗，ALS是所述初始波在沉积物中的吸收损失，RLS·R为沉积物和岩石边界处的反射损失，RVS是声波回波接收水听器的电压灵敏度，RG是所述接收水听器的增益，SPG是所述接收水听器的信号处理增益；其中，将换能器与沉积物表面之间的单向波传播视为非线性，将从沉积物表面反射回所述换能器的波传播视为线性；
S2：构建差频转换性能优化模型，计算低频波辐射频率Wed：
Figure FDA0003071798980000011
其中，声波在水中传播的距离为r，在沉积物中传播的距离为d；声波在水中的传播速度为cR，在沉积物中传播速度为cS，在岩石中传播速度为cW；水的密度为ρW，沉积物的密度为ρS，岩石的密度为ρR；声波在沉积物中被吸收的衰减系数为αS；β为沉积物的孔隙率，e为附着在模型框架上的构件的膨胀率；γ为发射声波传播路径模型的结构因子；ρf为所述沉积物中的所述孔隙流体的密度，ρS＝βρf+(1-β)ρg，ρg为所述沉积物中的颗粒物的密度；其中，w1和w2分别为两个高频的频率，因为两个高频的频率相近，故
Figure FDA0003071798980000012
W为总辐射波频率；
S3：计算低频波转换效率，所述低频波转换效率为所述低频波辐射频率Wed占总辐射波频率W的比例：
Figure FDA0003071798980000021
其中，fd为差频频率；
S4：通过提高高频的功率与声压级，降低比值来提高所述低频波转换效率
Figure FDA0003071798980000022
进行优化提高。
2.根据权利要求1所述的一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，在所述声波发射源距离换能器1m、双向距离扩散损失为-6db/DD的条件下，DLW·S＝20log2(r+d)，ALS＝2αSd。
3.根据权利要求1所述的一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，在水面和沉积物中往返造成声波的损失为TLW·S与TLS·W之和：
TLW·S+TLS·W＝-20log2(1+RW·S)(1-RW·S)，其中
Figure FDA0003071798980000023
RW·S为在水面和沉积物处的反射系数。
4.根据权利要求1所述的一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，RLS·R＝-20log(RS·R)，
Figure FDA0003071798980000024
RS·R为在沉积物和岩石处的反射系数。
5.根据权利要求1所述的一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，回波在沉积物中发生透射和反射的损失，与ρS、cS和αS有关；通过建立Biot-Stoll模型计算ρS、cS和αS：
Figure FDA0003071798980000025
Figure FDA0003071798980000026
其中，附着在所述模型框架上的构件的膨胀率e＝div(u,U)，流入或流出附在所述模型框架上的体积单元的流体体积ξ＝βdiv(u-U,U)，β为沉积物的孔隙率，u为所述参量阵浅剖移动后的位置，U为孔隙流体移动后的位置，η为孔隙流体的流速；div函数为求两个参数的商和余数；H为膨胀率e的计算加权参数，C为所述流入或流出附在所述模型框架上的体积单元的流体体积ξ的计算加权参数，M为流体体积ξ的体积变量计算加权参数，m为所述发射声波传播路径模型的结构因子。
6.根据权利要求5所述的一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，H公式如下：
Figure FDA0003071798980000031
其中，Kb为框架体积模量，Kg为颗粒的体积模量；
C公式如下：
Figure FDA0003071798980000032
M公式如下：
Figure FDA0003071798980000033
m公式如下：
Figure FDA0003071798980000034
m为所述发射声波传播路径模型的结构因子；
D公式如下：
Figure FDA0003071798980000035
Kf为孔隙流体的体积模量。
7.根据权利要求1所述一种参量阵浅剖差频转换性能优化方法，其特征在于，γ的公式如下：
Figure FDA0003071798980000041
g为所述沉积物中的颗粒物的半径。
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