CN1954234A - 用于牵引水下垂直天线的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法，其用于在偶极天线浸没入水中被牵引时，使该偶极天线的电极保持垂直排列。

Description

用于牵引水下垂直天线的系统和方法

[0001]本申请要求2004年2月13日提交的美国临时专利申请第60/544,564号的权益。

技术领域

[0002]本发明一般涉及地球物理勘查领域，并且特别涉及外海环境中的受控源电磁测量(CSEM)。具体地说，本发明是一种用于牵引电偶极发射天线同时保持该天线处于垂直方向的装置和方法。

背景技术

[0003]电磁测深(包括CSEM实验)，是通过以下方法进行的，即，将一般为低频周期波形的电磁信号发射到地下，并测量电磁响应。授予Srnka的美国专利6,603,313号和由Srnka和Carazzone提交的美国专利公开2003/0050759号(PCT公开WO 03/025803号)公开的方法，用于使用CSEM测量来勘探油气，并叙述公知的勘探。至今，海洋CSEM测量已经采用水平电偶极子(HED)作为电磁场源。美国临时专利申请60/500,787号公开了在使用垂直电偶极子(VED)发射天线方面的特定优点。

[0004]电偶极子源可以依照下文而制作。两条绝缘导线从发电机的两个输出端延伸出，所述发电机能够提供具有所希望的频率和波形的电源。每条绝缘导线的另一端连接到电极，或者可以从该端剥离绝缘部分从而使裸线成为电极。在海洋应用中，通过水、海底、及可能还有水上的空气，来完成电流回路。(VED的一个优点是它在接收器处甚至在浅水中产生的空气波(airwave)贡献可以忽略，从而改进了目标信号。)两个电极保持固定距离分开，在HED的情况中，偶极轴保持处于水平姿态，或者在VED的情况中，保持处于垂直姿态。出于效率考虑，海洋CSEM实验要求源天线被船所牵引。当前的水下CSEM测量使用水平定向的天线来发射电磁波。如图1所示，天线11的一端固定于牵引体12，牵引体12经水下拖缆13下降至所希望的水深。水下牵引体12不仅仅是拖缆的一个锚定点。它提供了一个位置来容纳产生电磁源波所必需的水下电子元件，并且也可以容纳通信系统、定位系统、声速测量装置、测高仪等等。控制所述拖缆的是绞盘(未显示)，其固定于水面船舶14。当前公知的是，怎样将天线设计成水平追随在水下牵引体之后。HED前端的深度受水下牵引体的深度和位置控制，并且通过将天线设计成中性浮力，天线在其整个长度上保持深度不变(相对于牵引体)。实时监控将精确的位置和深度坐标反馈回船，以确保天线的正确深度。这些方法并不对VED有作用，因为自然的流体动力将促使被牵引的物体将其自身定位于流体阻力最小之处。这对于偶极天线是水平的。所产生的电磁场将是发射器(即天线偶极子)的几何形状和地球的电结构的函数。通过将电极15的位置改变到垂直方向而不是水平方向，电磁场随之改变。虽然VED迄今为止没有公知地以这种方式牵引，但显然在它经水而被牵引的情况下，必须找到实用的手段来保持偶极子处于垂直方向。本发明满足了这种要求。

发明内容

[0005]在一个实施例中，本发明是一种系统，其用于使挠性的偶极天线在浸没水中而被牵引时，保持处于基本垂直的方向并保持在基本恒定的深度，该系统包括：天线上的垂直张力源；一端固定于牵引船的拖缆，所述拖缆具有由恒定深度所确定的长度；固定于所述拖缆另一端并固定于所述天线的负浮力牵引体；以及一个平衡力源，其使浸没的天线上的净垂直力接近于零。

[0006]在另一个实施例中，本发明是一种方法，其用于使挠性的偶极天线在浸没水中而被牵引时，保持处于基本垂直的方向并保持在基本恒定的深度，该方法包括：向天线提供垂直张力；将拖缆的一端固定于牵引船并且另一端固定于负浮力牵引体，所述拖缆具有由所述恒定深度决定的长度；将所述天线固定于所述牵引体；并且平衡被浸没天线上的垂直力，直至净力基本为零。

附图说明

[0007]通过参考以下详细说明和附图，本发明和它的优点将得到更好的理解，所述附图中：

[0008]图1图示说明由船经水牵引的水平电偶极子源；

[0009]图2图示说明带双标线的垂直偶极天线。

[0010]图3图示说明被牵引的带双标线的垂直天线上的流体阻力；

[0011]图4图示说明施加于图2的垂直天线的不同程度的垂直张力的效果；

[0012]图5图示说明带三条标线的垂直天线；

[0013]图6图示说明由密度可变的天线所提供的垂直张力；

[0014]图7图示说明水平标线的使用；

[0015]图8图示说明悬吊天线结构；并且

[0016]图9图示说明带推力器的悬吊天线。

[0017]本发明将结合其优选实施例进行描述。然而，以下的详细描述具体针对本发明的一个特定的实施例或者一种特定应用，就此程度而言，这仅仅是说明性的，而不应解释为限制本发明的范围。正相反，它旨在涵盖可包括在本发明的精神和范围(如所附权利要求书所定义的)之中的所有可选择的、改造和等效的方案。

具体实施方式

[0018]本发明是一种方法和系统，其用于在电偶极子源在水下被以水平方向牵引时，保持该电偶极子源处于垂直方向。

双标线

[0019]在本发明的一个实施例中，如图2所示，偶极天线11连接有两条标线。上标线22将天线上端连接到水下牵引体12，并且下标线23将天线下端连接到所述水下牵引体。电极在该图中未示出，但是它们处于天线11的任意一端。天线必须由具有相当结构完整性的材料制成，以保持电极(优选持续)分开。垂直张力44被施加于天线上，以使它在垂直方向保持定向。如图3所示，自然流体动力试图破坏天线，因此要求张力抵消流体力，所述流体力由箭头31标出。通过将电极放于刚性杆的端部上可以防止破坏，但是这不实用，因为所需要的偶极长度一般是在50-200米或更大的数量级上。在本发明的任一实施例中，不管使用双标线与否，天线上的垂直张力是通过多个力源中的任一个或者它们的组合来实现的，这些力源通常位于天线的上和/或下端：

·翼(固定的或可调节的)

·浮力装置(例如，浮箍、浮力罐、或者玻璃浮球)

·附加重物

·推力器

·风筝/降落伞装置

[0020]浮力装置和风筝或降落伞明显仅仅能提供向上张力分量，并且附加重物仅仅提供向下分量。适合潜于水中的推力器和翼则能够被调节或操作，以或者在天线顶部提供向上力分量，或者在天线下端提供向下力分量。在大部分实施例中，推力器主要会被定位于垂直方向，但是在某些实施例中，也可以具有水平力分量。

[0021]天线的形状将随着所施加的张力大小的作用而改变。图4示出了天线轮廓可以怎样随着图2结构上的张力44的增大(张力从轮廓41经轮廓42到轮廓43而增大)而变化。若没有垂直张力源，天线将不会在垂直方向上牵引。本发明要求有垂直张力源，例如以上所述装置中的一种，或者等效物。所有这样的等效物应被认为是本发明的一部分。垂直张力的主要作用是使电极保持在一条基本垂直的直线上，而电极之间保持基本恒定的间距。拖索的长度将限制天线在水中的行进深度。在本发明的优选实施例中，水下牵引体具有负浮力，并且其稳定在由拖索的长度和船的速度所决定的深度。在这样的实施例中，优选的天线将具有基本为零的包括垂直张力的净浮力(“中性浮力”)，即，天线上的垂直力将被平衡成净零值力(net zero force)。在这种优选结构中，标线仅仅提供水平力，并且天线直接在牵引体后牵引，而垂直张力提供所需要的垂直定向。在本发明的许多实施例中，提供垂直张力的力被调节以平衡天线上的垂直力。

额外标线

[0022]在本发明的某些实施例中，一条或多条额外标线被加到系统中，以抵消由水施加到天线上的拉力，并因此形成更为垂直的定向。图5描述带第三标线24的结构；然而，尚可添加附加标线以将天线稳定在所希望的角度。每条添加的标线将帮助降低天线中的自然弯曲。对这种设计来说，附加的选项是在水下牵引体12上安装绞盘(未显示)，其拉进或拉出一条或者多条标线，直到实现最稳定的垂直天线形状。即使在这种结构中，仍然需要垂直张力44来使天线保持直立。

密度可变的天线

[0023]在本发明的一个实施例中，通过设计一种密度可变的天线提供了必要的垂直张力。天线的上部61设成正浮力，中部62是中性浮力，并且下部63是负浮力，如图6所示。随着质量中心降低和浮力中心升至更高，出于本发明的目的而改进了天线的设计。使天线定向于垂直方向的转矩力偶的力矩臂正比于质量中心与浮力中心之间的距离。密度可变的天线可易于使质量中心与浮力中心分开。通过分开转矩力偶的作用点，也改进了实现垂直张力的其它方法。例如，一对翼应该优选地安装于天线的上下端，从而使天线的整个长度被用作力矩臂。

水平标线

[0024]在本发明的其它实施例中，如图7A所示，两条标线被基本水平地放置，而图7B示出了天线和标线的放大图。上标线22从天线11的顶部水平延伸至拖缆13。下标线23从天线的底部同样水平地连接到水下牵引体12。水平标线上的拉力显著小于非水平标线(如图2所示那些标线)上的拉力。附加装置(未显示)可以添加到标线联结点，例如绞盘，其可以拉进或者拉出标线索，以使偶极子易于定向在垂直方向。标线可以调整长度，在一个实施例中，取消下标线而将VED的底端固定于水下牵引体。图7B示出了两条水平标线，但是也可以使用两条以上标线。虽然水平线增加了所希望的稳定性(线越短稳定性越好)，垂直张力源仍然是需要的。针对这种结构，密度可变的天线是优选的垂直张力源。

悬吊天线

[0025]在本发明的一个不同的实施例中，标线被完全排除，而将天线11的一端直接固定于水下牵引体12，而另一端固定有重物81，如图8所示。自由端将向下悬吊，并从固定点来回摆动，摆动函数具有如下参数：固定于自由端的总重量、牵引速度、天线尺寸和重量、天线长度、和系统上的拉力。为减少天线自由端的后仰，可实施多种方案。首先，天线优选是由高密度材料制成的，该材料具有高抗拉强度以对付巨大的张力。这使得较重的质块能够附加到天线的自由端上，而不损害天线的整体性。为了确保电极垂直定向，天线自由端可以添加推力器。推力器的一个实例是鱼雷(没有炸药)，或者任何类似的自行推进式方向可控装置。由推力器91产生的力92可以克服天线11上的流体阻力，以确保上、下电极15垂直排列，如图9所示。在图8和9的实施例中，拖缆13提供作用在天线上的向上垂直张力。

[0026]出于说明目的，以上描述针对的是本发明的特定实施例。然而，显而易见的是，对于本领域技术人员，这里所描述的实施例可能进行很多变化和改造。举例而言，这里所公开的其中许多概念可以或者完全或者部分地被合并。此外，明显可能的是，使水下牵引体的下沉作用与必须定位的场合区分开，而且使其它装置受到储存和保护而与水隔离。所有这样的变化和改造应处于本发明的范围内，如所附权利要求所定义的。

Claims (14)

1.一种系统，用于当挠性偶极天线浸没于水中被牵引时，使其保持在基本垂直的方向并保持在基本恒定的深度，所述系统包括：

(a)在所述天线上的垂直张力源；

(b)一端固定于牵引船的拖缆，所述拖缆具有由所述恒定深度所确定的长度；

(c)固定于所述拖缆的另一端和所述天线的负浮力牵引体；以及

(d)平衡力源，其使得所述被浸没天线上的净垂直力基本为零。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述垂直张力源是向上力源和相抵消的向下力源，所述两种力具有足够大的量值，以将所述天线拉成垂直结构，并且二者量值之差基本等于所述平衡力。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述向上力源是下列力源其中至少之一，其固定于所述天线的一端：

(a)风筝；

(b)降落伞；

(c)推力器；

(d)水翼；

(e)浮力装置；

(f)拖缆；

并且所述向下力源是下列力源其中至少之一，其固定于所述天线的另一端：

(a)重物；

(b)推力器；

(c)水翼。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少两条标线，其被置于所述天线和所述牵引体之间，每条标线一端固定于所述牵引体并且在另一端固定于所述天线上的分开位置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中有两条基本等长的标线，每条固定于所述天线的不同端。

6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括第三标线，其一端固定于所述天线，固定点基本位于所述天线的中点，并且另一端固定于所述牵引体，所述第三标线的长度是由垂直性条件决定的。

7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一条标线，其被置于所述牵引体与所述天线的一端之间，并固定于上述两者中的每一个，以及第二标线，其连接所述天线的另一端和所述拖缆上的一点，所述拖缆上的所述点的确定要使得所述标线基本水平，所述标线所具有的相对长度是由所述天线被牵引时的垂直性条件决定的。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线是密度可变的天线，所述密度的可变性被设计用以提供所述垂直张力和所述平衡力。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述牵引体为诸如通信、定位和测量装置等装置提供位置。

10.一种方法，其用于使挠性偶极天线在浸没水中被牵引时保持在基本垂直方向并保持在基本恒定深度，所述方法包括：

(a)向所述天线提供垂直张力；

(b)将拖缆的一端固定于牵引船，并将另一端固定于负浮力牵引体，所述拖缆具有的长度由所述恒定深度确定；

(c)将所述天线固定于所述牵引体；并且

(d)平衡所述被浸没天线上的垂直力，直至基本为零值净力。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述垂直张力和所述平衡力是由向上力和相抵消的向下力提供的，所述向上和向下力大到足以将所述天线拉至基本垂直位置，并且其差足以基本平衡所述天线上的所述垂直力。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述向上力由以下所述至少一个提供，其固定于所述天线的一端；

(a)风筝；

(b)降落伞；

(c)推力器；

(d)水翼；

(e)浮力装置；

(f)拖缆；

并且所述向下力由以下至少一个提供，其固定于所述天线的另一端：

(a)重物；

(b)推力器；

(c)水翼。

13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将至少两条标线放于所述牵引体和所述天线之间，每条标线一端固定于所述牵引体并且另一端固定于所述天线上的分开位置。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述垂直张力和所述平衡力是通过使用密度可变的天线来提供的。

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