CN113093283A - 一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，包括与载体船舶通过拖曳电缆连接的电火花震源装置、设置在载体船舶底部的检波器以及与检波器连接的模拟信号预处理电路和数字化电路，其中，电火花震源装置用于向指定方向发生声波信号，检波器用于接收声波信号经过底界层、地层分界面反射的反射波通过模拟信号预处理电路信号处理，并经过数字化电路转换为数字信号后，通过反射波的时间差计算出淤泥层的厚度。采用电火花震源装置，震源频率高、能量高、穿透深度大，能够满足淤泥探测的技术需求，采用检波器接收信号并经过模拟信号预处理电路和数字化电路处理，无需复杂计算，测量效率高、分辨率高。

Description

一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统

技术领域

本发明涉及地球物理探测技术领域，特别是涉及一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统。

背景技术

由于在河道、水库、水坝等基础设施运行过程中，必可避免的由于其中的水源含有的泥沙等杂物，可能会形成淤泥，使得水底在不断抬高，一方面使得河道等水力设施的基本效能被不断削弱，另一方面也可能对周边造成安全应还。因而水库、河道、港口等有着巨大的清淤需求，精确探测清淤工作量，为相关主管部门提供运维支撑，显得尤为重要。

近年来，随着中国经济的蓬勃发展，水体的综合开发治理越来越多，特别是环保治理，对水体淤泥探测提出了更高的要求。而目前国内外对于水下沉淀物结构和属性探测最为常见有效的方法有人工潜水探摸和钻探取样、泥浆密度仪探测、双频测深仪探测、Silas淤泥探测、侧扫声纳系统、浅地层剖面仪、多波束测量系统等等。

从探测效果上看，以上探测方法各有特点和优势。例如在港口、水库淤泥探测方面，浅地层剖面、侧扫声呐和多波束使用较多，但浅地层剖面也面临声波脉冲长度过长，一般水深小于3.75m区域无法使用。同时，由于脉冲过长，面临无法精确计算清淤量的难题。双频测深仪探测进行淤泥层测量，脉冲短，可以适用于浅水区，但由于主频高、能量小，穿透深度无法保障。

因此，要满足淤泥探测的技术需求，急需一种新技术方法。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，可应用于绝大多数水域，探测效率高、准确度度高。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，包括与载体船舶通过拖曳电缆连接的电火花震源装置、设置在所述载体船舶底部的检波器以及与所述检波器连接的模拟信号预处理电路和数字化电路，其中，所述电火花震源装置用于向指定方向发生声波信号，所述检波器用于接收所述声波信号经过底界层、地层分界面反射的反射波后通过所述模拟信号预处理电路信号处理，并经过数字化电路转换为数字信号后，通过所述反射波的时间差计算出淤泥层的厚度。

其中，所述检波器为感应检波器压电检波器或激光检波器。

其中，所述模拟信号预处理电路包括前置放大器、模拟滤波模块，所述前置放大器的输入阻抗与所述检波器的输出阻抗相匹配，通过将所述检波器输出的所述反射波进行放大后通过所述模拟滤波模块去除所述反射波中的噪声和干扰。

其中，所述模拟滤波模块包括依次连接的高通滤波器、陷波滤波器和低通滤波器，所述高通滤波器与所述前置放大器连接，所述低通滤波器与所述数字化电路连接。

其中，所述数字化电路包括主放大器、模数转换器，所述主放大器与所述模拟滤波模块连接，用于对所述模拟滤波模块滤波处理后的所述反射波进行放大后，通过所述模数转换器将所述反射波转换为数字化反射波信号。

其中，还包括与所述电火花震源装置、所述检波器连接的导航定位装置，用于对所述电火花震源装置、所述检波器进行位置确定和移动方向导航。

其中，所述导航定位装置包括北斗导航模块、GPS导航模块中的至少一种。

其中，所述电火花震源装置包括电容柜、控制柜和放电电极。为满足淤泥探测集成化需求，将电容柜和控制柜进行集成并小型化。同时降低震源能量并提高频率，这需要减少电极数量。

其中，所述电容柜和所述控制柜一体化结构。

其中，还包括与所述数字化电路的输出端连接的显示器

本发明实施例所提供的基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，采用电火花震源装置，震源频率高、能量高、穿透深度大，能够满足淤泥探测的技术需求，使得能够进行探测的水域范围更广。采用检波器接收信号并经过模拟信号预处理电路和数字化电路处理，使得可以直接获得需要的计算结果，无需后续进行复杂计算，测量效率高。由于震源频率高，使得检波器接收到的反射信号波长短、频率高，采用了得到提高，提高了检测的分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统的一种具体实施方式的结构示意图。

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。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统的一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体实施方式中，所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，包括与载体船舶通过拖曳电缆连接的电火花震源装置10、设置在所述载体船舶底部的检波器20以及与所述检波器20连接的模拟信号预处理电路30和数字化电路40，其中，所述电火花震源装置10用于向指定方向发生声波信号，所述检波器20用于接收所述声波信号经过底界层、地层分界面反射的第一反射波和第二反射波后通过所述模拟信号预处理电路30信号处理，并经过数字化电路40转换为数字信号后，通过所述第一反射波和所述第二反射波的时间差计算出淤泥层的厚度。

采用电火花震源装置10，震源频率高、能量高、穿透深度大，能够满足淤泥探测的技术需求，使得能够进行探测的水域范围更广。采用检波器20接收信号并经过模拟信号预处理电路30和数字化电路40处理，使得可以直接获得需要的计算结果，无需后续进行复杂计算，测量效率高。由于震源频率高，使得检波器20接收到的反射信号波长短、频率高，采用了得到提高，提高了检测的分辨率。

本发明中，由于采用地震探测的方式进行河道的淤泥层厚度的测量，因而震源是地震勘探系统的重要组成部分，它决定了激发的地震波质量，从而影响采集到地震数据的信噪比和分辨率，因此对激发地震波的震源有一定要求。

针对淤泥探测，震源的要求如下：

首先，震源激发的地震子波必须具有足够的能量，能够从震源出发，穿透水体，传播到地下各层反射界面上，再反射回地面某接收点。期间引起传播介质震动会消耗大量能量，如果震源不具备足够的能量，地面接收系统将接收不到反射回来的地震波。淤泥探测工作环境复杂，水深变化大，淤泥薄厚不一，要满足不同情况下淤泥探测需求，震源必须具有足够的能量，才能满足探测深度需求。

其次，震源激发的地震波应具有显著的频谱特性和较高的分辨能力。淤泥位于底质的表层，实际厚度变化较大，要清晰辨别出淤泥的上下界面甚至内部分层，要求震源具有极高的分辨率。根据Ricker子波原理，以时间反射序列为函数的复合反射波，临界分辨层厚度为：

要满足浅水区域淤泥探测要求，分辨率要求为0.1m，声波传播速度为1500m/s，理想情况下，要求震源频率至少为3.4kHz。满足分辨率要求下，还要求震源脉冲足够短以适应浅水测量需求。

第三，在震源各参数不变的情况下，要有良好的重复性，即多次重复激发，地震记录的频谱和能量变化在可控范围之内。

根据设备技术要求分析，要满足淤泥探测的技术要求，采用电火花震源作为淤泥探测的震源系统，并进行相应的能量、频率改进。

电火花震源装置10是利用高压电极在水中的放电效应，使其间的水介质形成通路，电极间放电产生的热能使水气化，对水产生巨大的冲击力，激发出地震信号，震源发射短脉冲、高能量、高频的声波信号，这样能够提高测量精度。

本发明中对于检波器20的结构、数量等参数不做限定，所述检波器20可以为感应检波器20压电检波器20或激光检波器20中的一种，也可以为其它类型的检波器20，一般单个高精度数字检波器20即可满足淤泥探测分辨率需求。

本发明中模拟信号预处理电路30的作用在于将检波器20获得的声波信号转换为模拟信号之后进行处理，根据常识可知，其中必然会有一些杂波，而且信号强度可能达不到数字电路处理的要求，因此需要进行信号加强，本发明对于模拟信号预处理电路30的电路结构不做限定。在一个实施例中，所述模拟信号预处理电路30包括前置放大器、模拟滤波模块，所述前置放大器的输入阻抗与所述检波器20的输出阻抗相匹配，通过将所述检波器20输出的所述地震波信号进行放大后通过所述模拟滤波模块去除所述地震波信号中的噪声和干扰。

上述实施例中，通过设置前置放大器将获得的初始的模拟信号进行放大，然后通过模拟滤波模块进行滤波处理，将地震波信号中的噪声和干扰去除，一方面能够降低后续设备中对信号的处理量，另一方面，也能提高最终获取数据的准确度。

本发明对于模拟滤波模块的结构不做限定。

在一个实施例中，所述模拟滤波模块包括依次连接的高通滤波器、陷波滤波器和低通滤波器，所述高通滤波器与所述前置放大器连接，所述低通滤波器与所述数字化电路40连接。

通过将前置放大器放大后的信号依次通过高通滤波器、陷波滤波器和低通滤波器进行滤波处理，能够完美的将其中的杂波和干扰信号去除，剩下的几乎全部是需要的反射波信号，使得后续的数字化转换以及计算过程都会得到简化，而且计算速度和准确度会得到提升。

本发明中通过高通滤波器、陷波滤波器和低通滤波器进行滤波处理，使得剩余的反射波信号中绝大多数为与电火花震源装置10发射的声波信号频率相同，保证反射波与发射的声波信号对应，提高测量准确度。

本发明中对于高通滤波器、陷波滤波器和低通滤波器的型号、数量等不做限定。

本发明中在完成信号筛选之后，要进行数字化处理，这样方便进行计算以及数据处理，本发明对于数字化电路40结构不做限定，在一个实施例中，所述数字化电路40包括主放大器、模数转换器，所述主放大器与所述模拟滤波模块连接，用于对所述模拟滤波模块滤波处理后的所述反射波进行放大后，通过所述模数转换器将所述反射波转换为数字化反射波信号。

通过先对滤波后的信号进行进一步的放大，然后进行数字转换，能够根据需要将进行数字转化前的数据信号放大到预定范围，这样使得计算出的数据也在指定范围，不会因为信号本身强度过弱，使得转换比例较大造成精确度低的情况，提高了获得的数值的精确度。

需要指出的是，本发明对于主放大器的放大倍数不做限定，而且在主放大器的放大中可以设置多级放大电路实现预期的放大倍数，本发明对此不作限定。

在本发明中前置放大器与主放大器可以如上述的分别设置在模拟信号预处理电路30、数字化电路40中，也可以将前置放大器与主放大器全部集中在模拟信号预处理电路30中，而在数字化电路40中只需要进行模数转换以及相应的运算即可，本领域技术人员可以根据需要选择合适配置方式。

由于本发明中的系统的作用在于进行淤泥探测，但是在实际运行使用中，虽然能够检测到预定位置的淤泥层的厚度，但是对于整个河道来说，只要一个位置测量不准确，就可能在后续的船舶航行中发生事故，因而需要对每一个位置进行精确定位，在一个实施例中，所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统还包括与所述电火花震源装置10、所述检波器20连接的导航定位装置，用于对所述电火花震源装置10、所述检波器20进行位置确定和移动方向导航。

通过将导航定位装置，对电火花震源装置10进行地震波发射、淤泥探测的同时，对自身方位进行精确定位，这样可以描绘出水底的淤泥地形图，使得后续的清淤过程中，只需要再次进行水底地形图绘制，既可以判断淤泥层的清淤效果，提高了工作效率，也能够保证后续的船舶的航行安全性。

本发明中对于导航定位装置本身以及其安装位置不做限定。

所述导航定位装置包括北斗导航模块、GPS导航模块中的至少一种，或者其它类型的导航模块。

本发明中导航定位装置作为核心组件，对于其结构不做限定，在一个实施例中，所述电火花震源装置10包括电容柜、控制柜和放电电极。

更进一步，所述电容柜和所述控制柜一体化结构。

为满足淤泥探测集成化需求，将电容柜和控制柜进行集成并小型化。同时降低震源能量并提高频率，这需要减少电极数量。

由于在本发明中需要进行淤泥的厚度的探测，为了方便作业，在一个实施例中，所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统还包括与所述数字化电路40的输出端连接的显示器。

通过显示器，可以进行结果甚至计算过程的显示，提高了使用的方便性。工作人员可以通过显示器获得计算过程中的计算数据，也可以获取检波器20接收到的初始的反射波，通过人工判断是否可用，这样能够提高计算效率，降低计算量，提高计算的可靠性。

一个实施例中：

建立观测系统建立：

淤泥探测的作业环境复杂，无法采用传统的反射地震勘探的观测系统。为满足苛刻的作业环境需求，重新建立满足淤泥探测的观测系统。

淤泥探测系统组成及作业方式，震源装置采用电缆拖曳，反射信号接收检波器安装于船舶侧舷。震源控制系统、接收采集单元及导航装置安装于船舶载体之上，震源装置与检波器之间的距离为偏移距H。震源装置发射短脉冲、高能量、高频的声波信号，经过底界面(淤泥上界面)反射，检波器接收反射信号；震源装置的声波穿透底界面(淤泥上界面)，经底界面之下的地层分界面(淤泥下界面)反射，经过检波器接收，通过两次反射的时间差T，计算出淤泥厚度h。

淤泥探测要满足浅水区域作业需求，接收检波器容易受到水流的影响，因此采用固定安装在船舶载体之下。

电火花震源装置根据水深情况，来决定拖曳偏移距H的大小，水深较浅时，增大偏移距H来增加声波反射时间，从而增加震源声波直达波与反射波之间的时间差，从而区分震源直达波和底界面反射波。

淤泥探测作业时，船舶载体安装检波器拖曳着相对位置稳定的震源装置，以固定速度沿预先设定的测线前行，按照测线上设计的炮点放炮(两个相邻炮点的位置称作炮间距)。

如果船速恒定，则可以选择等时放炮，或者直接根据等距离来进行放炮。数据采集、记录系统、人工震源系统通过触发器连接，由GPS导航控制系统控制，进行同步触发和接收。接收数据经过后处理获得淤泥厚度h。

综上所述，本发明实施例提供的基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，采用电火花震源装置，震源频率高、能量高、穿透深度大，能够满足淤泥探测的技术需求，使得能够进行探测的水域范围更广。采用检波器接收信号并经过模拟信号预处理电路和数字化电路处理，使得可以直接获得需要的计算结果，无需后续进行复杂计算，测量效率高。由于震源频率高，使得检波器接收到的反射信号波长短、频率高，采用了得到提高，提高了检测的分辨率。

以上对本发明所提供的基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，包括与载体船舶通过拖曳电缆连接的电火花震源装置、设置在所述载体船舶底部的检波器以及与所述检波器连接的模拟信号预处理电路和数字化电路，其中，所述电火花震源装置用于向指定方向发生声波信号，所述检波器用于接收所述声波信号经过底界层、地层分界面反射的反射波后通过所述模拟信号预处理电路信号处理，并经过数字化电路转换为数字信号后，通过所述反射波的时间差计算出淤泥层的厚度。

2.如权利要求1所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述检波器为感应检波器压电检波器或激光检波器。

3.如权利要求2所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述模拟信号预处理电路包括前置放大器、模拟滤波模块，所述前置放大器的输入阻抗与所述检波器的输出阻抗相匹配，通过将所述检波器输出的所述反射波进行放大后通过所述模拟滤波模块去除所述反射波中的噪声和干扰。

4.如权利要求3所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述模拟滤波模块包括依次连接的高通滤波器、陷波滤波器和低通滤波器，所述高通滤波器与所述前置放大器连接，所述低通滤波器与所述数字化电路连接。

5.如权利要求4所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述数字化电路包括主放大器、模数转换器，所述主放大器与所述模拟滤波模块连接，用于对所述模拟滤波模块滤波处理后的所述反射波进行放大后，通过所述模数转换器将所述反射波转换为数字化反射波信号。

6.如权利要求5所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，还包括与所述电火花震源装置、所述检波器连接的导航定位装置，用于对所述电火花震源装置、所述检波器进行位置确定和移动方向导航。

7.如权利要求6所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述导航定位装置包括北斗导航模块、GPS导航模块中的至少一种。

8.如权利要求7所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述电火花震源装置包括电容柜、控制柜和放电电极。

9.如权利要求8所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，所述电容柜和所述控制柜一体化结构。

10.如权利要求9所述基于等离子体震源探测淤泥厚度的系统，其特征在于，还包括与所述数字化电路的输出端连接的显示器。

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