CN114089411B - 一种改进的气枪阵列声波传输建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的气枪阵列声波传输建模方法，考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，将改进的声传输模型与精确的范德瓦尔斯气枪子波模型在频率域中结合并进行傅里叶逆变换，对所有气枪进行声压叠加以实现气枪阵列声压传输建模，利用零‑峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号。本发明不仅考虑了气枪阵列模型方向性的影响，还考虑了海洋环境影响因素对声传输的影响以及不同气枪容量和不同位置气枪脉冲的相移差对气枪阵列声传输方向性的影响，构建了准确的气枪阵列声传输模型，对研究不同接收深度、传输距离以及不同方位角接收的气枪阵列声压、量化评价以及对海洋生物的潜在影响具有重要意义。

Description

一种改进的气枪阵列声波传输建模方法

技术领域

本发明属于气枪阵列声波传输模型研究领域，具体涉及一种考虑海洋环境因素和气枪阵列方向性的气枪阵列声波传输建模方法。

背景技术

海洋陆架油气、鱼类资源丰富，气枪阵列具有能量强、重复性高等优势，是海洋资源地震勘探中最广泛使用的震源。气枪震源通常是由几个至几十个气枪组成的水平或立体阵列，旨在形成主要向下传输的宽频带气枪子波用于海底构造的高分辨率成像，相当一部分能量以偏离垂直角度传输到周围环境中，这部分能量会对海洋鱼类、哺乳动物等产生不利影响。

单个气枪是无方向性的点震源，而由多个气枪组成的气枪阵列具有较强的方向性，声场在垂直和水平方向上发生变化，气枪阵列声传输建模具有挑战性。气枪阵列声学模型的构建不考虑阵列的水平声传输，阵列方向性是由多个气枪激发产生气泡相互作用、不同的气枪容量以及不同位置气枪脉冲的相移差异引起的，当考虑阵列水平声传输时，除了考虑海洋环境影响因素(海水、海底介质属性、海水声速剖面)对声传输的影响，还需要考虑不同气枪容量以及不同位置气枪脉冲的相移差对声传输方向性的影响，这在已有模型中被忽略，会造成不同方向声传输模拟误差。

因此构建准确的气枪阵列声传输模型对研究不同接收深度、传输距离以及不同方位角接收的气枪阵列声压、量化评价以及对海洋生物的潜在影响具有重要意义。

发明内容

本发明为解决现有模型中未考虑不同气枪容量以及不同位置气枪脉冲的相移差对声传输方向性影响的缺陷，提出一种改进的气枪阵列声波传输建模方法，结合范德瓦尔斯气枪阵列子波模型和改进的声传输模型，综合考虑了气枪阵列声学模型中方向性的因素、海洋环境因素、气枪阵列对声传输方向性的影响，对不同接收深度、传输距离以及不同方位角接收的气枪阵列声压进行模拟并定量评价。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种改进的气枪阵列声波传输建模方法，包括如下步骤：

步骤A、构建精确的范德瓦尔斯气枪阵列子波模型：

步骤A1、设计气枪阵列，气枪阵列参数包括每个气枪的位置坐标、容量、工作压力以及气枪阵列的沉放深度；

步骤A2、设置采样间隔，基于范德瓦尔斯气枪子波模型模拟单枪1m处的近场子波信号；

步骤A3、基于傅里叶变换移位定理在频率域模拟气枪在不同方位角传输方向的频谱：

步骤B、构建声传输模型：

步骤B1、合理近似地声参数，地声参数包括海水层和海底不同地层的厚度、纵波速度、横波速度、密度、纵波衰减系数、横波衰减系数；

步骤B2、构建模拟海域的短程地声模型和长程地声模型；

步骤B3、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对声传输方向性的影响，改进与传输距离无关的声传输模型和与传输距离有关的声传输模型；

步骤C、结合气枪模型和声传输模型：

步骤C1、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，将改进的声传输模型与气枪模型在频率域中结合并进行傅里叶逆变换，计算得到气枪阵列声波在不同传输距离、方位以及不同接收深度的声压波形；

步骤C2、对所有气枪进行声压叠加以实现气枪阵列声压传输建模，利用零-峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号，实现建模分析。

进一步的，所述步骤A2中，采用以下方式实现：

对近场子波进行模拟时，考虑不同气枪产生气泡之间的相互作用，以改变每个气泡的压力场，进而改变阵列方向性，通过在每个气枪子波信号中添加一个与时间相关的干扰项来实现，因此，第k个气枪产生气泡的有效静水压力为：

其中，P_∞是静水压，

是所有其他气枪产生气泡的压力作用之和，ΔP_i'k(t)这是由于气泡i'引起的气泡k处静水压力的扰动，气泡压力场的变化会影响焓，即：

其中，P_kb是不考虑气泡相互作用时第k个气泡压力，ρ是海水密度，设置采样间隔，利用精确的范德瓦尔斯气枪子波模型，模拟第k个气枪1m处接收的近场子波信号：

其中，R_kb是气泡半径，u是气泡速度。

进一步的，所述步骤A3中，在频率域中考虑气枪阵列的方向性因素模拟每个气枪不同传输方位角的频谱，具体如下：

对于沿不同方位角传输的气枪子波信号，时间延迟τ_k是方位角θ的函数：

τ_k＝(x_k cosθ+y_k sinθ)/c

其中，(x_k,y_k)是第k个气枪的坐标位置，c是声波在海水中的速度；

时间延迟τ对应于2πfτ的相位延迟，利用傅里叶变换移位定理在频域中执行该计算，得到频率域中，第k个气枪在方位角θ传输方向的频谱：

其中，F_k(ω)是第k个气枪近场子波p_k(t)的傅里叶变换。

进一步的，所述步骤B2中，构建模拟海域短程和长程地声模型的方式如下：

(1)声传输范围小于2km，利用与传输距离无关的声传输模型，以精确处理任意复杂的层状海床，并只沿单个方位角θ建模声传输损耗TL(r,z,ω)，其中r是水平传输距离，z是接收深度，ω是频率；

(2)声传输范围大于2km，利用与传输距离相关的声传输模型模拟，声传输与传输方向有关，沿不同方位角θ建模声传输损耗TL(r,z,θ,ω)，其中r是水平传输距离，z是接收深度，θ是方位角，ω是频率。

进一步的，所述步骤B3中，对于多个不同位置和容量气枪组成的气枪阵列进行声传输建模，除了考虑影响方向性的水深变化因素，还考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，第k个气枪在不同声传输范围中的声传输都转换为和传输方位角有关的函数：

其中V_k是第k个气枪的容量。

进一步的，所述步骤C1具体实现方式如下：

对于气枪远场传输信号，考虑气枪模型与声传输模型的耦合，通过傅里叶逆变换计算得到接收位置(r,z,θ)处的第k个气枪的声压信号：

其中r是接收水平距离，z是接收深度，θ是方位角，ω是频率，F_k(ω,θ)是频带宽度为2ω_max的第k个气枪子波在方位角θ的频谱，TL_k(r,z,θ,ω)是由不同声传输模型模拟获得的第k个气枪在频率ω时的频率响应；

用离散和替换积分，根据标准抽样定理，频率的离散化引入时间的周期性，假设在长度为T的时间窗口中从t_min开始搜索，时间和频率分别离散为：

t_j＝t_min+jΔt,j＝0,1...(N-1)，ω_l＝lΔω,l＝-(N/2-1)...-1,0,1...(N/2-1)

结果得到所有周期响应的时移总和；

对于接收位置(r,z)处，接收到的气枪阵列声传输声压为所有M个不同位置、容量气枪传输声压的叠加，即：

进一步的，所述步骤C2利用零-峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号，得到：

其中，p_ref是水下声学标准参考压力，E_ref是相应的参考声暴露级，t_a和t_b定义了信号的时间范围。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案设计气枪阵列方案，利用精确的范德瓦尔斯气枪子波模型，考虑多气泡相互作用，模拟每个气枪近场1m处的子波；频率域中考虑气枪阵列的方向性因素模拟每个气枪不同传输方位角的频谱；合理近似短程和长程的地声模型参数，构建模拟海域短程和长程地声模型，分别利用适合不同海洋环境的声传输模型建模气枪短程和长程的声传输；

不仅考虑了气枪阵列激发时产生的多气泡相互作用和气枪阵列中不同位置气枪脉冲相移对阵列方向性的影响，还考虑了海洋环境影响因素(海水、海底介质属性、海水声速剖面)对声传输的影响以及不同气枪容量和不同位置气枪脉冲的相移差对气枪阵列声传输方向性的影响，构建了准确的气枪阵列声传输模型，对研究不同接收深度、传输距离以及不同方位角接收的气枪阵列声压、量化评价以及对海洋生物的潜在影响具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例所述气枪阵列声波传输建模方法流程示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，一种考虑海洋环境因素和气枪阵列方向性的气枪阵列声波传输建模方法，包括如下步骤：

步骤A、构建精确的范德瓦尔斯气枪阵列子波模型：

步骤A1、设计气枪阵列，气枪阵列参数包括每个气枪的位置坐标、容量、工作压力以及气枪阵列的沉放深度；

步骤A2、设置采样间隔，基于范德瓦尔斯气枪子波模型模拟单枪1m处的近场子波信号；

步骤A3、基于傅里叶变换移位定理在频率域模拟气枪在不同方位角传输方向的频谱：

步骤B、构建声传输模型：

步骤B1、合理近似地声参数，地声参数包括海水层和海底不同地层的厚度、纵波速度、横波速度、密度、纵波衰减系数、横波衰减系数；

步骤B2、构建模拟海域的短程地声模型和长程地声模型；

步骤B3、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对声传输方向性的影响，改进与传输距离无关的声传输模型和与传输距离有关的声传输模型；

步骤C、结合气枪模型和声传输模型：

步骤C1、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，将改进的声传输模型与气枪模型在频率域中结合并进行傅里叶逆变换，计算得到气枪阵列声波在不同传输距离、方位以及不同接收深度的声压波形；

步骤C2、对所有气枪进行声压叠加以实现气枪阵列声压传输建模，利用零-峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号，实现建模分析。

具体的，对上述步骤进行详细说明：

步骤A2、设置采样间隔，基于范德瓦尔斯气枪子波模型模拟单枪1m处的近场子波信号：

对近场子波进行模拟时，还应考虑不同气枪产生气泡之间的相互作用，这会改变每个气泡的压力场，进而改变阵列方向性，通过在每个气枪子波信号中添加一个与时间相关的干扰项来实现，因此，第k个气枪产生气泡的有效静水压力为：

其中，P_∞是静水压，

是所有其他气枪产生气泡的压力作用之和，ΔP_i'k(t)这是由于气泡i'引起的气泡k处静水压力的扰动，气泡压力场的变化会影响焓，即：

其中，P_kb是不考虑气泡相互作用时第k个气泡压力，ρ是海水密度，设置采样间隔，利用精确的范德瓦尔斯气枪子波模型，模拟第k个气枪1m处接收的近场子波信号：

其中，R_kb是气泡半径，u是气泡速度。

步骤A3、傅里叶变换移位定理在频率域模拟气枪在不同方位角传输方向的频谱：

对于沿不同方位角传输的气枪子波信号，时间延迟τ_k是方位角θ的函数：

τ_k＝(x_k cosθ+y_k sinθ)/c

其中，(x_k,y_k)是第k个气枪的坐标位置，c是声波在海水中的速度；

时间延迟τ对应于2πfτ的相位延迟，利用傅里叶变换移位定理在频域中执行该计算，因此频率域中，第k个气枪在方位角θ传输方向的频谱：

其中，F_k(ω)是第k个气枪近场子波p_k(t)的傅里叶变换。

步骤B2、构建模拟海域的短程地声模型和长程地声模型；

声传输范围小于2km，认为水深变化通常很小，利用与传输距离无关的基于波数积分最接近数学精确解的声传输模型，可以精确处理任意复杂的层状海床，但不能处理水深随距离的变化的情况，因此只沿单个方位角θ建模声传输损耗TL(r,z,ω)，其中r是水平传输距离，z是接收深度，ω是频率。

声传输范围大于2km，认为水深变化通常较大，利用与传输距离相关的声传输模型模拟。声传输与传输方向有关，需要沿不同方位角θ建模声传输损耗TL(r,z,θ,ω)，其中r是水平传输距离，z是接收深度，θ是方位角，ω是频率。

步骤B3、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对声传输方向性的影响，改进与传输距离无关的声传输模型和与传输距离有关的声传输模型；

对于多个不同位置和容量气枪组成的气枪阵列进行声传输建模，除了考虑影响方向性的水深变化因素，还需要考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，第k个气枪在不同声传输范围中的声传输都转换为和传输方位角有关的函数：

其中V_k是第k个气枪的容量。

步骤C1、结合气枪模型和声传输模型，使用傅里叶逆变换，计算得到气枪阵列声波在不同传输距离、方位以及不同接收深度的声压波形；

对于气枪远场传输信号，要考虑气枪模型与声传输模型的耦合，通过傅里叶逆变换计算得到接收位置(r,z,θ)处的第k个气枪的声压信号：

其中r是接收水平距离，z是接收深度，θ是方位角，ω是频率，F_k(ω,θ)是频带宽度为2ω_max的第k个气枪子波在方位角θ的频谱，TL_k(r,z,θ,ω)是由不同声传输模型模拟获得的第k个气枪在频率ω时的频率响应。

用离散和替换积分，根据标准抽样定理，频率的离散化会引入时间的周期性，假设在长度为T的时间窗口中从t_min开始搜索，时间和频率分别离散为：

t_j＝t_min+jΔt,j＝0,1...(N-1)，ω_l＝lΔω,l＝-(N/2-1)...-1,0,1...(N/2-1)

结果得到所有周期响应的时移总和；

对于接收位置(r,z)处，接收到的气枪阵列声传输声压为所有M个不同位置、容量气枪传输声压的叠加，即：

步骤C2、利用零-峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号，实现建模分析：

其中，p_ref是水下声学标准参考压力，E_ref是相应的参考声暴露级，t_a和t_b定义了信号的时间范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种改进的气枪阵列声波传输建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、构建范德瓦尔斯气枪阵列子波模型：

步骤A1、设计气枪阵列，气枪阵列参数包括每个气枪的位置坐标、容量、工作压力以及气枪阵列的沉放深度；

步骤A2、设置采样间隔，基于范德瓦尔斯气枪子波模型模拟单枪1m处的近场子波信号；

步骤A3、基于傅里叶变换移位定理在频率域模拟气枪在不同方位角传输方向的频谱：

步骤B、构建声传输模型：

步骤B1、合理近似地声参数，地声参数包括海水层和海底不同地层的厚度、纵波速度、横波速度、密度、纵波衰减系数、横波衰减系数；

步骤B2、构建模拟海域的短程地声模型和长程地声模型；

步骤B3、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对声传输方向性的影响，改进与传输距离无关的声传输模型和与传输距离有关的声传输模型；对于多个不同位置和容量气枪组成的气枪阵列进行声传输建模，除了考虑影响方向性的水深变化因素，还考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，第k个气枪在不同声传输范围中的声传输都转换为和传输方位角有关的函数：

其中V_k是第k个气枪的容量；

步骤C、结合范德瓦尔斯气枪子波模型和声传输模型：

步骤C1、考虑不同位置的气枪脉冲相移和不同容量气枪对传输方向性的影响，将改进的声传输模型与气枪模型在频率域中结合并进行傅里叶逆变换，计算得到气枪阵列声波在不同传输距离、方位以及不同接收深度的声压波形；

对于气枪远场传输信号，考虑气枪模型与声传输模型的耦合，通过傅里叶逆变换计算得到接收位置(r,z,θ)处的第k个气枪的声压信号：

其中r是接收水平距离，z是接收深度，θ是方位角，ω是频率，F_k(ω,θ)是频带宽度为2ω_max的第k个气枪子波在方位角θ的频谱，TL_k(r,z,θ,ω)是由不同声传输模型模拟获得的第k个气枪在频率ω时的频率响应；

用离散和替换积分，根据标准抽样定理，频率的离散化引入时间的周期性，假设在长度为T的时间窗口中从t_min开始搜索，时间和频率分别离散为：

t_j＝t_min+jΔt,j＝0,1...(N-1)，ω_l＝lΔω,l＝-(N/2-1)...-1,0,1...(N/2-1)

结果得到所有周期响应的时移总和；

对于接收位置(r,z)处，接收到的气枪阵列声传输声压为所有M个不同位置、容量气枪传输声压的叠加，即：

步骤C2、对所有气枪进行声压叠加以实现气枪阵列声压传输建模，利用零-峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号，实现建模分析：

利用零-峰值声压级和声暴露级定量评价气枪阵列有限持续时间和时变振幅声压信号，得到：

其中，p_ref是水下声学标准参考压力，E_ref是相应的参考声暴露级，t_a和t_b定义了信号的时间范围。

2.根据权利要求1所述的改进的气枪阵列声波传输建模方法，其特征在于，所述步骤A2中，采用以下方式实现：

对近场子波进行模拟时，考虑不同气枪产生气泡之间的相互作用，以改变每个气泡的压力场，进而改变阵列方向性，通过在每个气枪子波信号中添加一个与时间相关的干扰项来实现，因此，第k个气枪产生气泡的有效静水压力为：

其中，P_∞是静水压，

是所有其他气枪产生气泡的压力作用之和，ΔP_i'k(t)这是由于气泡i'引起的气泡k处静水压力的扰动，气泡压力场的变化会影响焓，即：

其中，P_kb是不考虑气泡相互作用时第k个气泡压力，ρ是海水密度，设置采样间隔，利用精确的范德瓦尔斯气枪子波模型，模拟第k个气枪1m处接收的近场子波信号：

其中，R_kb是气泡半径，u是气泡速度。

3.根据权利要求1所述的改进的气枪阵列声波传输建模方法，其特征在于，所述步骤A3中，在频率域中考虑气枪阵列的方向性因素模拟每个气枪不同传输方位角的频谱，具体如下：

对于沿不同方位角传输的气枪子波信号，时间延迟τ_k是方位角θ的函数：

τ_k＝(x_kcosθ+y_ksinθ)/c

其中，(x_k,y_k)是第k个气枪的坐标位置，c是声波在海水中的速度；

时间延迟τ对应于2πfτ的相位延迟，利用傅里叶变换移位定理在频域中执行该计算，得到频率域中，第k个气枪在方位角θ传输方向的频谱：

其中，F_k(ω)是第k个气枪近场子波p_k(t)的傅里叶变换。

4.根据权利要求1所述的改进的气枪阵列声波传输建模方法，其特征在于，所述步骤B2中，构建模拟海域短程和长程地声模型的方式如下：

(1)声传输范围小于2km，利用与传输距离无关的声传输模型，以精确处理任意复杂的层状海床，并只沿单个方位角θ建模声传输损耗TL(r,z,ω)，其中r是水平传输距离，z是接收深度，ω是频率；

(2)声传输范围大于2km，利用与传输距离相关的声传输模型模拟，声传输与传输方向有关，沿不同方位角θ建模声传输损耗TL(r,z,θ,ω)，其中r是水平传输距离，z是接收深度，θ是方位角，ω是频率。

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