参量阵浅地层剖面的处理方法及在识别浅层天然气水合物中的应用

近年来,参量阵浅地层剖面以其简便的野外采集方式、高分辨率的浅部地层成像能力,迅速发展为海底浅层天然气水合物探测的有效方法。为了更好地获取东海浅层天然气水合物赋存区的地质信息,针对参量阵浅地层剖面数据开展了精细化处理。首先将异常振幅压制和空间振幅均衡等方法有机结合,解决了数据中的各种噪音和能量不均衡等问题,然后利用Hilbert变换提高地层分辨率,最后利用信号增强技术进一步提高同相轴连续性,获得了波组特征更清晰的地震剖面。处理后的参量阵浅地层剖面具有信噪比较高、连续性好、地层结构清晰等特点,可以更好地揭示空白带、气烟囱、亮点和火焰状异常等地震反射特征,为识别浅层天然气水合物赋存区地质信息奠定基础。对精细处理后的数据进一步开展曲率属性、瞬时振幅属性、相干属性等地震属性分析,结果显示,与浅层天然气水合物渗漏相关的声学异常能够被清晰地识别出来。此项研究一方面验证了参量阵浅地层剖面数据处理方法的可行性,另一方面也探索了属性分析技术在海底浅层天然气水合物识别方面的应用。

幅度加权相控参量阵波束合成方法研究

在基于均匀幅度加权模型完成波束偏转时,参量阵差频波存在波瓣展宽以及生成高强度旁瓣与栅瓣的问题。首先通过理论仿真及实验测试,对该加权模式下的差频波波束合成结果以及旁瓣与栅瓣的抑制情况进行了分析;然后提出了基于道尔-切比雪夫幅度加权模型的相控参量阵波束赋形方法,通过仿真分析与实验测试,发现道尔-切比雪夫幅度加权模型比均匀幅度加权模型具有更好的旁瓣抑制能力。采用该方式生成的差频波波束宽度在不同偏转角下均有明显减小;主瓣与栅瓣强度差值增加,栅瓣得到有效抑制。该方法的提出对于提高相控参量阵波束质量具有积极意义。

宽带水声参量阵指向性设计与实验验证

利用宽带水声参量阵可产生高指向性宽带低频声束,推导了宽带水声参量阵生成低频声束的自解调理论模型,对其换能器指向性进行了分析与设计,并研制出了宽带水声参量阵样机。测试结果表明:该样机产成的2 kHz声束的-3 dB指向性锐角约为2.6°,具有很好的指向性,且旁瓣抑制效果好,能够产生无旁瓣的高指向性低频声束。这为解决浅海水声通信的多途干扰、远程水声保密通信等问题提供了一条新思路。

利用参量阵扬声器进行有源噪声控制的研究

在有源噪声控制系统中,由于传统扬声器具有全指向性,在控制点处获得降噪效果的同时,在声场其他区域噪声会增大。参量阵扬声器是具有强指向性的新型声频声源,可以作为有源噪声控制系统中的次级声源,以实现特定方向或区域的降噪,同时减少对声场其他区域的影响。对参量阵扬声器和传统扬声器作为次级声源的有源噪声控制系统进行了仿真实验,结果显示参量阵扬声器在控制点处取得降噪效果的同时,对声场其他区域影响更小。并且在全消声室对参量阵扬声器作为次级声源进行了初步实验,在位于参量阵扬声器轴向的控制点处获得了35 dB的声衰减。

三列不同相位原波形成的参量阵声场研究

参量阵能生成低频、高指向性声束,在海底地层剖面测量、掩埋目标探测与识别、水下通信等水声工程领域有着广泛的应用。理论研究表明,当三列原波相互作用时,能形成具有两个差频分量的参量阵辐射系统,但尚未有文献对受原波相位影响的多频参量阵声场进行系统分析。基于此,本文综合计算精度和效率的需求,借鉴算子分离思想,利用时频域相结合的方法求解KZK方程,实现对三列不同相位原波相互作用形成的参量阵声场的描述。计算结果表明:参量阵差频信号的声压幅值随着原波相位的改变而改变,并且原波相位均为零时,两个差频分量的声压幅值最大。最后进行了试验研究,实验结果与仿真结果吻合较好。

相控参量阵波束合成设计

针对矩形和圆环形换能器阵列,完成了宽带参量阵信号的波束合成仿真与结果比较分析。仿真结果表明,同等阵元个数N=9、相似阵列边界半径rm=49mm条件下,矩形阵列差频波波束主瓣-3dB指向角约为6.3°(圆环阵列约为7.4°),旁瓣几乎被完全抑制(圆环阵列约为主瓣峰值的10%),矩形阵列更利于提高主瓣指向性和抑制旁瓣幅度。针对矩形阵列,该文仿真分析了采用阵元信号延时方法实现参量阵信号波束偏转时的各波束特征,仿真结果显示,偏转后波束存在主瓣峰值点幅值削弱、主瓣峰值点未对准预定方向、主瓣宽度增大等问题。分析表明,以上问题可通过增加阵元数目及增大阵列尺寸进行修正。

关于参量阵声源阵长的讨论

针对目前常用的有效阵长来估算参量阵阵长所得的结果与实际测量得到结果有较大误差的情况,提出了通过KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程的数值计算来得到差频声场的声源级,再由声源级来判断参量阵的形成情况,从而计算得到阵长。针对扩散限制阵的情况进行了仿真,并对计算得到的阵长通过水池实验测量结果验证了数值计算方法的正确性。分析了有效阵长计算结果与实验测量结果间误差太大,但是KZK方程数值计算的结果与测量结果一致的原因。最后对同一换能器在不同发射电压下的参量阵阵长的变化做了对比分析。

矩形孔径参量阵相控非线性声场建模与实验研究

为了解决一阶抛物近似KZK方程无法直接对相控非线性声场进行建模的问题,依据原频声场准直特性构建等效参量阵原频自然指向性声场模型,建立其与原频相控声场的等效关系,将相控非线性声场的建模问题转换为等效参量阵声源条件的求解问题,同时提出算子分裂时域有限差分数值计算方法,实现了基于KZK抛物方程的矩形孔径参量阵相控非线性声场数值计算。以SES2000标准型参量声呐辐射相控非线性声场为研究对象,开展了计算机仿真和水池对比实验研究,研究结果验证了构建声场模型及其数值计算方法的有效性。

面向不同解释目的的参量阵浅剖处理

为了更好地利用浅剖资料进行浅剖解释工作,利用参量阵浅剖仪CW模式发射的短时连续波采集的浅地层剖面资料,经过资料特征分析,进行了预处理(包括数据拼接、延迟校正、球面扩散补偿、道间振幅均衡和大值干扰压制处理)。在预处理的基础上,首先提取资料的瞬时振幅(波形包络)并对其进行带通滤波,资料的低频成分突出,同相轴连续,分辨率适中,该处理结果适合用于构造解释。而后,对波形包络资料进行提频处理,在保留低频成分的同时突出高频成分,分辨率高,但在构造较陡部位同相轴连续性较差,该处理结果适合用于薄层砂体刻画。

参量阵扬声器在管道噪声控制中的研究

为了解决管道有源噪声控制中声反馈造成的系统复杂度和计算量的增加,文中引入参量阵扬声器作为次级声源,利用其强指向性减小控制系统的声反馈。为了验证该方法可行性,本文分别在直管和L管中,对600 Hz单频噪声和频率范围为500 Hz^1000 Hz的窄带噪声进行了管道有源噪声控制,同时测量了参量阵扬声器的管内声场和降噪范围。结果表明,参量阵扬声器声反馈小,在没有声反馈补偿的条件下对单频噪声的降噪效果基本达到了声反馈补偿条件下普通扬声器的降噪效果,对窄带噪声的降噪效果稍差。此外,通过测量管道声场和降噪量,确定了参量阵扬声器的降噪区域为误差传感器下游整个管道,降噪面积为管道整个截面。这说明参量阵扬声器作为次级声源降低了系统的复杂度和算法的计算量,并取得了较好的降噪效果。

参量阵浅剖及电火花震源浅剖互补性分析

参量阵浅剖和电火花震源浅剖均具有分辨率高的特性,通过对比探测原理以及分析实测剖面,发现电火花震源浅剖和参量阵浅剖频带范围互不干扰,电火花震源浅剖的鬼波效应造成海底以下10m范围内地层判读困难,而参量阵浅剖则在10m以浅地层内具有极高的分辨率,基于二者良好的互补性,提出在海洋区域地质调查中同步应用参量阵浅剖和电火花震源浅剖两种技术手段的设想,进而提高区域地质调查精度,丰富区域地质调查成果。

参量阵及其在水声工程中的应用进展

参量阵技术因其可以在小的基阵尺寸下获得低频窄波束,且波束无旁瓣,并容易获得较大的信号带宽,从上个世纪60年代起获得了广泛的关注和深入的研究,并且在水声工程和超声成像领域获得了比较广泛的应用。文章介绍了参量阵产生次级声场的基本原理、参量阵声场的特点以及相关的物理和数学模型,回顾了参量阵技术在水声工程中的主要应用历史,特别指出了其最成功的应用是高分辨率海底底层剖面仪,因为这个应用最大限度地回避了参量阵技术面临的两个主要问题:转换效率低因而差频声源级不高,以及实现多波束困难因而探测效率较低,并从物理和工程角度深入探讨了这两个问题,提出了进一步研究的重点和对未来应用的展望。

基于Volterra滤波器的参量阵扬声器互调失真补偿研究

针对单边带调制方法预处理的参量阵扬声器系统在复杂信号输入情况下存在明显互调失真的问题,引入Volterra滤波器模型和简化的一维Volterra滤波器模拟了其互调失真。设计了相应的逆滤波器,并对其抑制系统互调失真的性能进行了实验对比。结果表明,所设计的逆滤波器都能有效降低系统的互调失真,而后者具有较低的计算复杂度。

声学参量阵再现差频波声场响应特性与控制

基于再现差频波声场响应非线性的特点,系统研究了调幅方式、声信号预处理等方面对再现差频波声场响应和功率消耗的影响,分析得到了波形、带宽、调幅系数、频率对失真度之间的关系.提出对单频声信号采用单边带调幅,对多频声信号采用拟合包络形状的方法.通过对3种控制处理方式在发射实时采集信号情况下的能耗和频谱方面的计算和对比,论证了单边带调幅和拟合方法,优化和改善了声学参量阵再现差频波声场的带宽要求和损耗.

基于参量阵正交频分复用编码的水声通信

针对水声通信高数据速率与可靠性统一的需求,提出了一种新的参量阵通信技术。将参量阵的非线性效应及自解调特性与OFDM编码相结合,在平均深度为20m的浅海进行了图像传输实验,采用正交相移键控(QPSK)的OFDM方式,当带宽为6kHz时通信速率为3.224kbit/s,误码率为0.0068,当带宽为9kHz时通信速率为4.835kbit/s,误码率为0.0059,验证了所提方案的可行性和有效性。

基于声学参量阵的次声波定向仿真技术研究

针对次声波生成及定向技术展开研究。采用DDS技术通过电声转换实现了不同频率次声波的生成;应用声学参量阵,以两路超声波通过叠加,实现以超声波载波调制生成次生波。该方法可有效抑制旁瓣,使次声波主要集中在主轴方向,解决了次声波的定向传播问题,并通过仿真实验验证了该方法的可行性。

参量阵声纳的新应用分析

介绍了近几年国外参量阵技术在浅海探测声纳、吊放声纳、鱼雷自导声纳、浅海水声通讯等方面的应用进展情况。针对频率为30kHz的线性小目标探测声纳,对原频90kHz、差频30kHz的非线性参量阵进行了性能估算,结果表明,参量阵声纳在高混响背景下探测小目标的性能优于线性声纳。文章还分析了参量阵声纳的新应用所面临的一些技术难点,给出了一种相对简单的宽带参量阵的实现方法。

探测深海富钴结壳厚度的参量阵声呐系统关键技术研究

针对常规设备纵向分辨率较低(约为几十厘米)、无法准确探测富钴结壳厚度(约1~25 cm)的问题,提出了一种探测富钴结壳厚度的参量阵声呐系统。系统采用多脉冲叠加技术抑制噪声,提高信噪比;采用双频时延估计技术,提高了结壳厚度的探测精度。首先利用原频回波确定水-结壳界面回波到达时刻,然后通过检测差频回波包络的峰值,确定结壳-基岩界面的回波到达时刻,由结壳上下界面的回波到达时刻差值计算厚度。该系统对厚度为15 cm的富钴结壳进行了测量,与岩心取样的结果相比,测量结果较为准确。该系统对后续相关探测设备的研制具有一定的参考意义。

参量阵扬声器在管道噪声控制中的可行性研究

参量阵扬声器具有强指向性,因此在管道有源噪声控制中,如果参量阵扬声器可以作为次级声源,那么将会可以减小声反馈,简化噪声控制的算法。为了获知参量阵扬声器的管道噪声控制可行性,对其在管道内的声场进行了仿真和实验。结果表明,参量阵扬声器具有与普通扬声器相同的传播特性,可以用于管道有源噪声控制,并且相比普通扬声器具有更小的声反馈。

参量阵声源波束宽度影响因素分析

波束宽度是衡量参量阵声呐性能的重要技术指标之一,在设计时应该对其正确掌握,以保证整机性能.文章以圆形活塞换能器形成的参量阵声场为例,利用维斯特维尔特(Westervelt)理论和Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程分别计算了参量阵声场波束宽度,通过试验验证了KZK数值计算用于分析波束宽度的准确性及对远近场的适应性,并指出利用Westervelt理论计算参量阵声源波束宽度的不足。然后通过仿真,分别分析了频率、吸收系数、阵长与参量阵波束宽度间的关系,并从物理意义上解释了阵长对参量阵声场波束宽度的影响。