CN113534260B - 一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法。该系统包括母船控制台、空气枪声源、水下声源拖体、水平声信号接收阵列和垂直声信号接收阵列。本发明通过低频换能器和高频换能器高低组合安装形成近海底的水下声源拖体，并联合海面空气枪声源组成了立体式宽频声源。使用水平声信号接收阵列、垂直声信号接收阵列以及位于水下声源拖体上的自容式水听器阵接收宽频声信号。相比常规声学采集方法，本系统实现了高穿透性、高分辨率子波激发和多角度、多方向声信号接收，更有利于海底复杂构造成像，并且具有勘探效率上的优势。
Description
技术领域
本发明涉及海洋地震探测领域，具体是一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法。
背景技术
当前，世界各国高度重视深海战略资源，纷纷在国际海底区域设立勘探合同区，我国也每年组织航次在合同区开展硫化物等深海矿产资源的勘探，并逐渐由一般阶段发展到精细勘探阶段。
针对深海海底地质结构和矿产资源的调查和勘探中，亟需获得海底构造和矿产资源矿床的精细结构。当前广泛使用的声学探测方法是通过激发一定频带的声波到海底，并通过水听器阵列/电缆接收海底地层的反射回波，通过分析处理回波信号达到对海底地层结构成像的目的。然而，当前常用的多道地震探测方式中，一般使用空气枪在海面激发3～150Hz的声波信号，并使用声学电缆在海面接收海底反射信号；这种海面探测方式容易受到船舶、海浪等噪声影响，信号频率较低、第一菲涅尔带半径较大，纵向和横向分辨率都很难满足深海资源勘探对精细地质结构的实际需求。
近年来，欧美各国发展的DTAGS、SYSIF等深海拖曳式探测系统实现了深海声信号激发和接收的目标，有利于提高探测分辨率，在沉积层较多的天然气水合物区域获得了一定的试验性应用。但它们频带较窄、频率较高(数百～数千Hz)造成地层的穿透性不足，在深海硫化物等基岩出露较多的区域很难开展探测应用，采用基于单道或短缆的声信号接收模式也无法获取大偏移距信息，影响实际探测效果。
由此可知，当前已有海面和深海拖曳式探测系统在分辨率、信噪比和穿透深度上往往存在一定的问题，或者很难获得最优，在海底精细构造成像和海底矿产资源精准勘探等实际应用中受到很大的限制。开发宽频带和多偏移距接收近底深海声学探测系统可以有效提高信号的分辨率和信噪比，对海底精细探测而言意义重大。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，由母船控制台、空气枪声源、水下声源拖体、水平声信号接收阵列和垂直声信号接收阵列组成。
所述母船控制台包括导航模块、控制模块和定位模块，导航模块和母船差分GPS相连，提供测线作业导航，控制模块通过光电复合缆与水下拖体相连，控制水下声源激发和信号采集，定位模块通过船载超短基线(USBL)提供水下声源拖体和垂直声信号接收阵列(位于水下)上的水下定位信息。空气枪声源在海面激发低频声信号；水下声源拖体在水下激发高频声信号，由低频换能器、高频换能器和声学信标组成，还搭载了均匀分布于水下声源拖体底部的自容式水听器阵，自容式水听器阵用于接收近场子波信号和零偏移距反射信号。水平声信号接收阵连接于水下声源拖体后面，由安装于水下声源拖体上的控制仓和拖在后面的水平声接收阵和尾部阻流拉平装置组成；垂直声信号接收阵列由浮球组、垂直声接收阵、声学信标和重锚组成。
优选的，所述的空气枪声源使用立体组合枪阵代替单杆空气枪，可以一定程度上解决陷波效应问题，有效频带宽度可达3～150Hz。
优选的，所述的水下声源拖体包括低频换能器声源和高频换能器声源，频带响应可以达到100Hz～1000Hz。低频换能器声源和高频换能器声源安装高度具有Δh的差异，控制两个换能器具有Δt＝Δh/v(v为水中声速)的延迟时间，用于实现高低频信号的同相叠加。距离海底最近可达100～200m。
优选的，所述的空气枪声源和水下声源拖体组成立体式宽频声源同步激发，获得一种宽频带声信号的同时，还提高了以往单独激发探测的效率。
优选的，所述的水平声信号接收阵在海水中为零浮力，通过配重可以在水下保持正常水平拖曳状态工作。水平声信号接收阵距离水下声源拖体拖曳点的距离可调，可以根据作业任务接收多种偏移距的数据。声信号接收阵上安装姿态仪和深度计提供阵列水下姿态和深度信息，尾部安装阻流拉平装置用于拉直阵列。
优选的，所述的垂直声信号接收阵列采用锚系式工作方案，降低系统作业的复杂度。采用锚系式作业方案，并在头部、中间和尾部安装3组姿态仪提供阵列水下姿态信息，安装CTD用于获取水体垂直速度剖面。距离海底最小距离可达50m，保障安全性和系统性能。
优选的，实际作业中可以使用多条垂直声信号接收阵列，通过多角度、多方向接收约束海底目标照明，提高探测效果。
另一方面，本发明提供一种宽频带近海底深海地质结构声学探测方法，包括以下步骤：
步骤1：作业准备
搜集作业工区高精度地形资料，确定水下拖曳声源距离海底的高度不小于水平声信号接收阵列长度的1.25倍以上，避免水平接收阵列的触底；做好水平声信号接收阵列的配重，使之在对应深度海水中为(或接近)零浮力；
步骤2：系统布放
按照垂直声信号接收阵列、水平声信号接收阵列、水下声源拖体、空气枪声源的顺序完成系统的布放；其中，垂直声信号接收阵列布放后，姿态仪自动记录垂直声信号接收阵列的姿态信息，CTD记录水体参数信息；通过释放光电复合缆下放水下声源拖体到预定深度，同时保持一定的拖曳速度完成布放声信号接收阵列的布放；
系统布放中，通过母船控制台的定位模块监控水下声源拖体和垂直声信号接收阵列的位置，通过母船控制平台控制模块的深度计信息监控水平声信号接收阵列的深度状态；
步骤3：测线作业和数据采集
完成系统布放后，在母船控制台的导航模块的指导和控制下，按照一定的速度稳定拖曳水下声源拖体和空气枪声源，并沿着预定测线开始声信号激发作业；作业过程中，通过水平声信号接收阵列尾部的阻流拉平装置和一定的拖曳速度确保水平声信号接收阵列水平拖曳，并通过母船控制台控制模块的压力传感器信息进行实时监控；作业过程中，水平声信号接收阵列、垂直声信号接收阵列和声源拖体上的自容式水听器阵可以实时接收来自声源和海底反射的信息，并进行数据存储；
步骤4：系统回收
首先关闭母船控制台的定位模块，按照空气枪声源、水下声源拖体、水平声信号接收阵列和垂直声信号接收阵列的顺序完成系统的回收。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中，由高、低频换能器组成的水下声源拖体和空气枪声源具有不同的工作频带，通过组建立体式宽频声源发射宽频带声信号，具备高分辨率和高穿透性，从而保证接收阵列可以获取不同尺度和深度海底地层的反射信息，对于实现海底地质结构的高分辨率探测具有重要价值。
(2)声源由位于海面的空气枪和水下近海底拖曳声源组成，可以从海面和近海底的位置激发不同的角度发射声信号。水平声信号接收阵列可以拖曳式水平接收，垂直声信号接收阵列可以设置多条、固定于目标体上方接收。因此，本系统可以对海底构造进行多角度、多方向照明，更有利于海底复杂构造成像。
(3)拖曳声源拖体上安装了自容式水听器阵列，可以接收零偏移距海底反射信号，信号采集具有多偏移距特性，有利于提高探测目标成像的效果。
(4)本发明通过声源组合激发和阵列组合接收，解决了以往高分辨率勘探需要不同声源独立、多次作业效率低的问题，更适合快速勘探。
附图说明
图1是本发明一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统结构示意图；
图2是水下声源高、低频子波和混合子波对比变化图。其中左图为子波实际振幅对比图，右图为归一化子波振幅对比图
图3是海面与水下声源组合激发、垂直与水平声信号接收观测的反射点范围示意图；
图4是本发明的水平声信号接收阵列记录数据的展示图；
图5是本发明的垂直声信号接收阵列记录数据的展示图。
图6是本发明的水平声信号接收阵列记录数据的f-k谱展示图；
图7是本发明的垂直声信号接收阵列记录数据的f-k谱展示图。
图中：1母船控制台(其中，11导航模块，12控制模块，13定位模块)，2空气枪声源，3水下声源拖体(其中，31低频声源换能器，32高频声源换能器，33声学信标，34自容式水听器阵)，4水平声信号接收阵列(其中，41声信号接收阵列控制仓，42水平声接收阵，43尾部阻流拉平装置)，5垂直声信号接收阵列(其中，51浮球组，52垂直声接收阵，53温盐深仪(CTD)，54声学信标，55重锚)，6光电复合缆。
具体实施方式
下面结合附图对本说明做进一步的说明。
如图1所示，宽频带近海底深海地质结构声学探测系统由母船控制台1、空气枪声源2、水下声源拖体3、水平声信号接收阵列4和垂直声信号接收阵列5组成。所述母船控制台1包括导航模块11、控制模块12和定位模块13，导航模块11和母船差分GPS相连，提供测线作业导航，控制模块12通过光电复合缆6与水下声源拖体3相连，控制系统声源激发和采集，定位模块13通过船载超短基线(USBL)提供水下声源拖体3和垂直声信号接收阵列5的水下定位信息。空气枪声源2在海面激发低频声信号(3Hz～150Hz)；水下声源拖体3在水下激发高频声信号(100Hz～1000Hz)，由低频换能器31、高频换能器32和声学信标33组成，还搭载了均匀分布于水下声源拖体底部的自容式水听器阵34，自容式水听器阵34用于接收近场子波信号和零偏移距反射信号。水平声信号接收阵4连接于水下声源拖体3后面，由安装于水下声源拖体3上的控制仓41和拖在后面的水平声接收阵42和尾部阻流拉平装置43组成；垂直声信号接收阵列5由浮球组51、垂直声接收阵52、声学信标53和重锚54组成。
在一个具体实施例中，所述空气枪声源2和水下声源拖体3组成了立体式宽频声源，用于激发宽频带声信号，频带响应可以达到3Hz～1000Hz。其中，空气枪声源使用多杆气枪组成的立体空气枪阵，压制陷波效应，有效频带宽度可达3～150Hz。水下声源拖体3搭载了低频换能器31和高频换能器32，频带响应可以达到100Hz～1000Hz，低频换能器31和高频换能器32安装高度具有Δh的差异，控制两个换能器具有Δt＝Δh/v(v为水中声速)的延迟时间，用于实现高低频信号的同相叠加。如图2所示，高、低频换能器通过组合激发和同向叠加，不仅增强了子波能量(左图)，而且子波旁瓣更小、能量更集中(右图)，从而更利于海底地质构造的大深度穿透和高分辨率探测。水下声源拖体3工作高度距离海底最近可达100～200m，通过声学信标33和船载超短基线配合获取位置信息。海面空气枪声源2和水下声源拖体使用一套导航系统控制激发，获得一种宽频带声信号的同时，还提高了以往单独激发探测的效率。
所述水平声信号接收阵列4、垂直声信号接收阵列5以及安装于水下拖体的水听器阵列34都是系统的声信号接收设备，用于实现宽频声信号的多角度、多方向接收。水平声信号接收阵42在海水中为零浮力，通过配重可以在水下保持正常水平拖曳工作。且其距离水下声源拖体拖曳点距离可调，可以根据作业任务接收多种偏移距的数据。水平声信号接收阵42头部、中间和尾部安装3组姿态仪和深度计，提供阵列水下姿态和深度信息，并连接尾部阻流拉平装置43拉直阵列。垂直声信号接收阵列5采用锚系式工作方案，降低了系统作业的复杂度，并在头部、中间和尾部安装3组姿态仪和深度计，提供阵列水下姿态和深度信息；通过声学信标52实现超短基线定位和回收阵列的释放功能，阵列布放和回收过程中通过CTD获取水体垂直速度剖面。垂直声信号接收阵列5距离海底最小距离可达50m，在保证安全性的同时尽量近距离接收海底声反射信息。
利用本发明系统的宽频带近海底深海地质结构声学探测方法，包括以下步骤：
步骤1：作业准备
搜集作业工区高精度地形资料，确定水下声源拖体3距离海底的高度不小于水平声信号接收阵列4长度的1.25倍以上，避免阵列触底。做好水平声信号接收阵列4的配重，使之在对应深度海水中为(或接近)零浮力。
步骤2：系统布放
如图1所示，按照垂直声信号接收阵列5、水平声信号接收阵列4、水下声源拖体3、空气枪声源2的顺序完成系统水下部分的布放。其中，垂直声信号接收阵列5布放后，姿态仪自动记录垂直声信号接收阵列5的姿态信息，阵列布放和回收过程中通过CTD获取水体参数，进而计算垂直速度剖面；通过释放光电复合缆6下放水下声源拖体3到预定深度，同时保持一定的拖曳速度完成水平声信号接收阵列4的布放
系统布放中，通过母船控制台1的定位模块13监控水下声源拖体3和垂直声信号接收阵列5的位置，由于定位使用超短基线的工作频带(12KHz)和本发明系统的工作频带(3～1000Hz)差别较大，因此并不影响数据的质量通过超短基线定位系统监控水下声源拖体和垂直声信号接收阵列的位置。通过母船控制平台1的控制模块12显示的深度计信息监控水平声信号接收阵列的深度状态。
步骤3：测线作业和数据采集
如图1所示，完成系统布放后，在母船控制台1的导航模块11的指导和控制下，按照一定的速度稳定拖曳水下声源拖体3和空气枪声源2，并沿着预定测线开始声信号激发作业。作业过程中，通过水平声信号接收阵列4尾部的阻流拉平装置43和一定的拖曳速度确保其阵列42水平拖曳，并通过母船控制台1控制模块12的压力传感器信息进行实时监控。作业过程中，水平声信号接收阵列4、垂直声信号接收阵列5和自容式水听器阵34记录声信号并进行数据存储。
如图3所示，系统进行测线作业时，通过位于海面的空气枪声源2和水下声源拖体3从不同深度、不同角度激发的声波，被水平声信号接收阵列4、垂直声信号接收阵列5和自容式水听器阵34从不同位置和不同角度接收，明显扩大了探测范围和海底地层的照明角度，适合复杂构造高分辨率探测。
图4和图5分别展示了水平声信号接收阵列4和垂直声信号接收阵列5接收到的来自低频海面空气枪声源2和高频水下声源3组合激发的声信号，图6和图7分别展示了两条阵列记录数据的f-k谱。可以看出水平声信号接收阵列4和垂直声信号接收阵列5包含了来自不同位置声源激发的不同频带的信号，有效拓宽了信号记录的频带宽度，这种宽频带记录可以更有效地用于海底精细探测。
步骤4：系统回收
首先关闭母船控制台1的定位模块13。按照空气枪声源2、水下声源拖体3、水平声信号接收阵列4和垂直声信号接收阵列5的顺序完成系统的回收。
本发明的宽频带近海底深海地质结构声学探测系统中，由高、低频换能器组成的水下声源拖体近海底声源和空气枪声源具有不同的工作频带，通过组建立体式宽频声源发射宽频带声信号，具备高分辨率和高穿透性，从而保证接收阵列可以获取不同尺度和深度海底地层的反射信息，对于实现海底地质结构的高分辨率探测具有重要价值。本系统的声源由位于海面的空气枪和水下近海底拖曳声源组成，可以从海面和近海底的位置激发不同的角度发射声信号。水平声信号接收阵列可以拖曳式水平接收，垂直声信号接收阵列可以设置多条、固定于目标体上方接收。因此，本系统可以对海底构造进行多角度、多方向照明，更有利于海底复杂构造成像。本发明通过声源组合激发和阵列组合接收，解决了以往高分辨率勘探需要不同声源独立、多次作业效率低的问题，更适合快速勘探。
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 (8)
1.一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于由母船控制台(1)、空气枪声源(2)、水下声源拖体(3)、水平声信号接收阵列(4)和垂直声信号接收阵列(5)组成；
所述母船控制台(1)包括导航模块(11)、控制模块(12)和定位模块(13)，导航模块(11)和母船差分GPS相连，提供测线作业导航，控制模块(12)通过光电复合缆(6)与水下声源拖体(3)相连，控制水下声源激发和信号采集，定位模块(13)通过船载超短基线提供水下声源拖体(3)和垂直声信号接收阵列(5)上的水下定位信息；空气枪声源(2)在海面激发低频声信号；水下声源拖体(3)在水下激发高频声信号，由低频换能器(31)、高频换能器(32)和声学信标(33)组成，还搭载了均匀分布于水下声源拖体底部的自容式水听器阵(34)，所述自容式水听器阵(34)用于接收近场子波信号和零偏移距反射信号；水平声信号接收阵列(4)连接于水下声源拖体(3)后面，由安装于水下声源拖体上的控制仓(41)、拖在后面的水平声接收阵(42)和尾部阻流拉平装置(43)组成；垂直声信号接收阵列(5)由浮球组(51)、垂直声接收阵(52)、CTD(53)、声学信标(54)和重锚(55)组成。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于，所述的空气枪声源(2)使用立体组合枪阵代替单杆空气枪，有效频带宽度为3～150Hz。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于，所述的水下声源拖体(3)的频带响应达到100Hz～1000Hz，其内的低频换能器声源(31)和高频换能器声源(32)安装高度具有Δh的差异，控制两个换能器具有Δt＝Δh/v的延迟时间，用于实现高低频信号的同相叠加，其中，v为水中声速。
4.根据权利要求1所述的一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于，所述的空气枪声源(2)和水下声源拖体(3)组成立体式宽频声源。
5.根据权利要求1所述的一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于，所述的水平声信号接收阵(4)在海水中为零浮力，通过配重在水下保持正常水平拖曳工作状态；水平声信号接收阵(4)距离水下声源拖体拖曳点的距离可调，水平声接收阵(42)上安装姿态仪和深度计提供阵列水下姿态和深度信息，尾部安装阻流拉平装置(43)用于拉直阵列。
6.根据权利要求1所述的一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于，所述的垂直声信号接收阵列(5)采用锚系式工作方案，降低系统作业的复杂度；在垂直声信号接收阵列(5)的头部、中间和尾部安装3组姿态仪提供阵列水下姿态信息，安装CTD用于获取水体垂直速度剖面。
7.根据权利要求1所述的一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统，其特征在于，所述垂直声信号接收阵列(5)有多条，多条垂直声信号接收阵列通过多角度、多方向布置以提高探测效果。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述系统的宽频带近海底深海地质结构声学探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：作业准备
搜集作业工区高精度地形资料，确定水下声源拖体(3)距离海底的高度不小于水平声信号接收阵列(4)长度的1.25倍以上，避免阵列触底；做好水平声信号接收阵列(4)的配重，使之在对应深度海水中为零浮力或接近零浮力；
步骤2：系统布放
按照垂直声信号接收阵列(5)、水平声信号接收阵列(4)、水下声源拖体(3)、空气枪声源(2)的顺序完成系统水下部分的布放，其中，垂直声信号接收阵列(5)布放后，其上的姿态仪自动记录垂直声信号接收阵列的姿态信息，CTD记录水体参数信息；通过释放光电复合缆(6)下放水下声源拖体(3)到预定深度，同时保持一定的拖曳速度完成水平声信号接收阵列(4)的布放；
系统布放中，通过母船控制台(1)的定位模块(13)监控水下声源拖体(3)和垂直声信号接收阵列(5)的位置，通过母船控制平台(1)控制模块(12)的深度计信息监控水平声信号接收阵列(4)的深度状态；
步骤3：测线作业和数据采集
完成系统布放后，在母船控制台(1)导航模块(11)的指导和控制下，按照一定的速度稳定拖曳水下声源拖体(3)和空气枪声源(2)，并沿着预定测线开始声信号激发作业；作业过程中，通过水平声信号接收阵列(4)的尾部阻流拉平装置(43)和一定的拖曳速度确保水平声信号接收阵列水平拖曳，并通过母船控制台(1)控制模块(12)的压力传感器信息进行实时监控；作业过程中，水平声信号接收阵列(4)、垂直声信号接收阵列(5)和声源拖体上的自容式水听器阵(34)实时接收来自声源和海底反射的信息，并进行数据存储；
步骤4：系统回收
首先关闭母船控制台(1)的定位模块(13)，按照空气枪声源(2)、水下声源拖体(3)、水平声信号接收阵列(4)和垂直声信号接收阵列(5)的顺序完成系统的回收。
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