海底探测技术 第4章 声波探测设备的基本构成和分类

A
BC
多道水听器的具体结构
1、前导段（与观测船作柔性连 接）
2、弹性段 3、工作段（单道水听器） 4、空白段 5、深度指示器（水压传感器） 6、电缆深度控制器（水鸟） 7、尾标与雷达反射器 8、组合电缆绞车
雷达反射器
4、单道和多道探测区别
▪ 一个位置只有一个探测数据——制约信号处理 ▪ 一个位置有多个探测数据——可进行叠加等信号处理
设备干扰噪声
周围环境的其他发声装置我们称之为
干 摩扰 擦源 等。 产如 生船的舶声、波海。电浪噪、声设备与海水
2、震源产生声波的原理
化学反应
体积膨胀
物理变化
敲击
机械位移造成 物体碰撞产生 声波
人工敲击 频率高能量小
自动装置敲击
频率低能量大
爆炸 水的气化
频率水较中低放能电量 较激大光照射
压缩气 体释放
波的漫射
传播时间长的信号相对较弱
声波传播由于波前扩散、吸收、反射和漫射能量衰减，相同声阻抗界 面的回波，远处的肯定小于近处的。如何解决？
能量补偿（TVG）
近处放大倍数小，远处放大倍数大
TVG
返回信号弱的解决
信号接受
水听器
打印或显示 记录仪
目的是将水听器接受的 信号统一放大若干倍 接受信号弱无法打印或显示
声参量阵定义及工作原理
声参量阵(Parametric Array)是利用声
波在介质中传播的非线性效应，使用换能器( 阵)沿同一方向传播两个高频初始波，获得差 频、和频等声波的声发射装置。
当换能器发射声波在介质中传播时，在换能 器的发射方向会产生一系列二次频率，如f1， f2，(f1+f2)，(f1-f2)，2f1，2f2的声波信号。
问题5 Key或Trigger触发时间间
隔有何意义
沿测线炮点位置
1km
调查船调查航行速度不变
声波发射后接收到反射波的时间
灰度是 反射波强度
A（振幅）
T 0
记录系统与接收缆 距离较远
5）连接段
4）前置放大器 数模转换
目的是将上传信号统一 放大若干倍
光电转换
3、多道水听器的组成
接受部分，只有一个水听器的称为单
道是接由受，排有列多安个装的在称一为条多电道接缆受中。 的多个独立的水听器阵组成。
水听器
道间距
工作段
主机
海面
信号缆 震源
做成一条电缆？ 空白段
海底
（2） 发射能量
A t
发射能量与振幅和振动时间相关
（3） 脉冲长度
t1
A t
接受到的波相互叠加，分 辨不清楚
波的干涉
（3） 脉冲长度
A
震震源动t1 一持次续发时射间，
t
脉冲接长受度到越的波小相分互辨叠率加后， 越高但发射可分能辨量清就楚越 小，探测距离就越小。
波的干涉
单频
震源发射的声波频率范围极小近于单一频率，如3.5kHz；
如何克服分辨率差？
A、每次脉冲都是随机振动频率组合,是唯一的
B、每次脉冲的随机振动频率组合都暂存于计算机内存中作为样本
C、接受到的反射波信号根据内存中的样本进行比对滤波等处理，分离开 叠加的信号，从而将反射界面探测出来。
Chirp技术还是牺牲了分辨率的！
5、震源的组合 两个以上单一发声装置组合构成一个复合震源
4个发声装置的震源阵
东方红2船， 安装的是16个 震源阵可进行 全海深探测！
EM122万米多波束发射角为1度，工作频率12kHz，其发射阵长度接近8m。
（2）提高发射声波的定向性
单一发 声装置
声学发射定向性的实现
如果要想使其只有1 °， 震源阵的长度需要波长
的60倍。
形 成 局 部 强 振 幅 区
能否解决？
优点
体积小工作方便 频率高分辨率高
缺点
产生的声能较小探测地 层的深度——穿透小(一 般30m以浅）
优点
体积小、分辨率高
缺点
能量小、穿透小
换能器组合——增大发射能量 降低发射频率——差频技术（参量阵）
(2)、电磁脉冲震源
敲击
人工敲击
▪ 原理
电磁效应，具体是脉冲电流通过处自于动磁装置场敲击中
因f1、f2的频率非常接近，所以差频(f1-f2)的频 率很低，达到了压电换能器产生低频的目的。
6、常用震源的种类介绍
敲击
(1)、压电换能器
人工敲击
▪ 原理——根据某些矿物晶体（锆钛酸铝、陶瓷
、石英等）具有压电效应
自动装置敲击
晶体
机械位移
电压
声波
▪ 特点
体积小——携带方便 能量小——几十焦耳 频率高——2kHz以上 便于组合
T（传播时 间）
连续激发探测
0
A（振幅）
记录规则：接收一直在接收，每 激发一炮记录仪计时重新归零
炮点数（距 离）
T（传播时 间）
连续激发探测
0
A（振幅）
炮点数（距 离）
T（传播时间）
记录内容 0时间
T1
T2
沿测线炮点的位置
在每一炮点上声波自发射至接收 到反射波的时间
反射波的强度（灰度表示）
该测线声学探 测记录剖面
增加放大装置GAIN再一次将信号 统一放大若干倍
问题3 回波信号其他声源的干扰波太多 如何处理？
特点
船舶噪声
频率范围大
其他声源 的干扰波
水体噪声
滤波的方法去除
其他噪声
水听器接受的定向性决定
信号强度较小
减小GAIN和设 置门限的方法 压制
滤波装置
返回信号弱的解决
TVG
电缆造成的信号衰减
信号接受 设 置 门 限
称为震源组合，该复合震源称为震源阵。一般情 况下组成震源阵的单一震源均为同类震源。
震源组合的目的
增大发射能量 提高发射声波的定向性 使发射的声波频率组合更丰富
消除多次冲击 产生新的频率（差频技术）
（1）增大发射能量
每一个发声装置产生的最大能量是固定的，如 果要提高发声能量就需要将多个发声装置组合 到一起，以提高发声能量。
解决方法之一 多个大小不同的气体膨胀发声装置组成震 源阵，小震源可将大震源产生的“小气泡” 震碎从而消除重复冲击。
解决方法之二 使用其他的压缩气体。
（5）差频技术——参量阵震源
▪ 属于压电换能器组合而形成的换能器阵
• 目的：产生单一压电换能器不能生成的低 频波。
• 换能器阵组成：两个发射频率相近的压电 换能器，例如100kHz、102kHz。
1000m
沉积环境探测
资源探测
海面 海底
二、检波器
1、定义 将介质的质点振动（位移、加速度的变化） 转化成电信号，输出的系统。 ——主体为振动传感器
在水中使用的检波器常被称为水听器
检波器
2、水听器（检波器）组成
1）主体由多个压电元件串连或串并结合连接
? 。
压 电
晶体
机械位移（声波）
元
件
的
工
作
电压
双频 多频 宽频
CHIRP信号
震源发射的声波是由两个近于单一频率声波信号组成的， 如3.5kHz、12kHz；
震源发射的声波是由3个以上单频声波信号组成的，如 3.5kHz、12kHz 、133kHz ；
震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如 300Hz～10kHz ，且每次发射频率范围，各频率声波占有 比例都一样。
频率低压能缩量气较体 大水～中大释放
3、震源的主要构成
电子单元（能量供应装置） 联接缆 发声装置（发射换能器）
海面
4、震源的主要描述参数
（1） 发射频率
波的干涉
分辨率
波的吸收 波的漫射
探测距离
频率相关
根据发射声波的频率组合范围划分
单频 双频 多频 宽频
CHIRP信号
震源发射的声波频率范围极小近于单一频率，如3.5kHz；
震源发射的声波是由两个近于单一频率声波信号组成的， 如3.5kHz、12kHz；
震源发射的声波是由3个以上单频声波信号组成的，如 3.5kHz、12kHz 、33kHz ；
震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如 300Hz～10kHz ，且每次发射频率范围，各频率声波占有 比例都一样。
震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如 3kHz～14kHz ，且每次发射频率范围，各频率声波占有比 例都是随机的，理论上每次所发射的声波信号都不相同样。
电极周围水体在极短时间里分解成气体，产生
脉冲振动。
化学反应
气体膨胀
水中爆炸 物理变化
水的气化
压缩气 体释放
▪ 特点
体积小 能量相对较大－可达几万焦耳 声波频率范围大——几十Hz－几十千Hz 便于组合 电极需经常更换
探测深度ห้องสมุดไป่ตู้达千米
(4)、气枪震源
▪ 原理
压缩空气（或其它气体）在水中瞬间释放 ，形成气泡，产生振动。
24道，对海底同一个点就有24个声波返回信号
特别注意：在设备工作时，无论
震源、记录仪是否工作水听器一 直不间断地将接受到的信号传输
给记录系统
强度
三、记录系统
1、定义 记录回波强度和时间 的设备
时 间
2、记录内容
0 水听器 震源
单一一次激发探测
A（振幅）
在记录纸上（模拟记录或硬拷贝） 和显示器上表现为灰度
的线圈时，将使作为线圈负荷的金属板产生相 对位移，从而引起周围介质产生振荡而成为震 源。
例如：电铃
电 磁 脉 冲
▪ 特点
体积相对较小 能量小——最大几百焦耳 产生的声波频率范围大——几百Hz－几千Hz 不易组合
穿透深度不足百米
（3）、电火花震源
▪ 原理
高压放电，即利用高压电在水中放电，导致
沿测线炮点位置
声波发射后接收到反射波的时间
时间而非距离或深度
灰度是 反射波强度
问题1 记录仪接收信号太弱
电缆造成的信号衰减
信号接受
水听器
打印或显示 记录仪
接受信号弱无法打印或显示
增加放大装置GAIN再一次将信号 统一放大若干倍
问题2 远端信号较弱
返回的探测信号较弱且传 播时间越长信号就越弱
波前扩散能量损失 介质吸收
海底探测技术
海底声学探测技术
第一章 绪论 第二章 定位导航技术 第三章 声波探测的基本原理 第四章 声学海底探测设备的组成及分类
第四章 声学探测设备的 基本构成和分类
第一节 海底声学探测设备的 基本构成
▪ 介质的性质——V
物质组成
探
孔隙度等
测
▪ 介质的厚度——h
分布
目 的
厚度
定义：探知海底介质结构和性质的声学设备
“月明星稀”的效果，就好象只有一个窄波束了
——实现了发射的定向性
21
（3）使发射的声波频率组合更丰富
震源能量大，产生的声波 频率低，如果还需要发射的 声波含有较高的声波频率， 则需要在震源阵中增加高频 震源。
（4）消除多次冲击
气体膨胀
在水中
声波
化学反应 物理变化
爆炸 水的气化
压缩气 体释放
问题是“大气泡”破碎在产生声波的同时，破裂成多个 “小气泡”，小气泡破碎又产生声波，从而造成重复冲击， 至少增大了震源的脉冲长度。
震源发射的声波是由一定频率范围的声波信号组成，如 3kHz～14kHz ，且每次发射频率范围，各频率声波占有比 例都是随机的，理论上每次有发射的声波信号都不相同样。
Chirp技术，作用之一就是通过发射较长的脉冲提 高发射能量，而尽可能少的牺牲分辨率的技术
Chirp技术
振动脉冲长度大
发射能量大
探测距离远
▪ 特点
化学反应
体积大
能量大 ——由压缩气体的体积决定
气 频体率膨低胀——几十Hz－几百Hz
可多枪组合
物理变化
水的气化
压缩气 体释放
(5)、其它震源
▪ 蒸汽枪震源 ▪ 水枪震源 ▪ 组合枪震源 ▪ 炸药 ▪等
我们为什么需要这么多种震源？
环境
地学的任务？
资源
地震探测
100m 工程环境探测
原
理
信噪比
单从水听器而言，压电元件 的个数决定了接受的信噪比 。
有效信号振幅 噪音振幅
S n N
压电元件数量
why
有效信号
压电原件
振幅 叠加的信号
时间
why
振幅
信号不能叠加
有效信号
t 时间
定向排列的相互连接的压 电元件组成的水听器具有 接受的定向性。
压电原件
这对我们海上调查 有何启示？
t
t 噪声源
实际应用
噪音
船舶噪音
真信号 叠 加 后
噪音
真信号
问题
压电元件越多，信噪比一定升高吗？
课下作业
邮件发送，截止时间 5月中旬
2）压电元件封装于防水管中
3）管中充满介电液体——油缆
传递机械波， 不导电， 粘度系数低， 调节水听器总体密度（与水体等密度）。
发展方向：胶体缆，固态缆
信号线损
反射波较弱
方法
海底声学探测设 备的基本构成
条件
t ( x)1
1 V1
4h2 x12
t(x)2
1 V1
4h2 x22
有声波
知道声波传播的 时间和回波强度
发声装置
震源
接受装置 （接受反射波）
检波器
记录装置
记录仪
一、震源
1、定义：能释放出声能的装置
概念非常大 爆炸、敲击、机器产生的振动等都是震源
发出环探测境所背需景的噪声声波信号的装置我们 称之为震源船舶噪声
打印或显示
记录仪
水听器
目的是将水听器接受的 信号统一放大若干倍 接受信号弱无法打印或显示
增加放大装置GAIN再一次将信号 统一放大若干倍
问题4 如何知道声波自发射到信号返回 的时间
实质是：震源发射和记录仪计时是如何同
步问题
要求有统一的“发令”装置
Key或Trigger（触发）
一般在震源或记录仪 上都设有Key或trigger 装置，工作时一般让 记录仪“发令”