一种水下可控震源发生装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及海洋资源探测技术，尤其涉及一种水下可控震源发生装置及方法。

背景技术

随着陆地石油、煤炭及矿物质原料的开采和枯竭，海底资源勘探愈发重要。为了探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测，以及为灾害预报提供重要依据，需要利用可控震源产生振动，利用振动传感器接收返回的振动数据，通过数据分析，得到地下结构成像。

目前常用的人工震源包括如下几种：炸药震源、电火花震源、落锤、可控震源车、气枪震源以及天然地震等，其中，天然地震和气枪震源是海洋石油勘探、天然气水合物勘探的主要震源。

天然地震不可控，难以进行精确有效的观测；传统炸药震源存在操作危险的问题；传统的气枪震源由于其能量较小，而且只能在海表面激发，传播距离有限，并且，若需要在水下数十米处产生震源进行点火激发必须要携带一根激发点火的电缆，成本非常高，且存在使用不便和影响生态环境的问题。

发明内容

本发明提供一种水下可控震源发生装置及方法，以实现在水下产生可控的模拟震源，同时达到降低成本、简化操作的效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种水下可控震源发生装置，包括：船载设备和水下换能设备；

所述船载设备和所述水下换能设备通过连接电缆相连，船载设备用于通过所述连接电缆给所述水下换能设备提供电脉冲信号；

所述水下换能设备包括线圈磁芯、第一螺旋线圈、薄膜磁芯、换能薄膜和外壳；

所述第一螺旋线圈缠绕在所述线圈磁芯外部，所述第一螺旋线圈用于接收所述电脉冲信号，所述线圈磁芯用于根据所述电脉冲信号产生强磁场；

所述薄膜磁芯设置于所述换能薄膜位于所述外壳内部的一侧，所述换能薄膜四周与所述外壳底面连接形成密封；所述薄膜磁芯与所述线圈磁芯产生相互排斥的磁力，所述换能薄膜用于根据所述磁力作用规律运动产生模拟震源。

可选的，所述船载设备包括控制模块、电源管理模块、电脉冲信号模块、功率放大模块和阻抗匹配模块；

所述电源管理模块与所述控制模块连接，用于对所述船载设备供电；

所述电脉冲信号模块与所述控制模块和所述功率放大模块连接，用于根据所述控制模块的指令产生电脉冲信号并传输至所述功率放大模块；

所述功率放大模块与所述控制模块、所述电脉冲信号模块和所述阻抗匹配模块连接，用于接收所述电脉冲信号并根据所述控制模块的指令放大至预设频率，并传输至所述阻抗匹配模块；

所述阻抗匹配模块用于根据所述控制模块的指令将放大后的电脉冲信号优化并通过所述连接电缆输出至所述水下换能设备。

可选的，所述连接电缆还用于固定所述水下换能设备在预设位置。

可选的，所述线圈磁芯与所述薄膜磁芯的对应端为相同磁极。

可选的，所述薄膜磁芯外部缠绕第二螺旋线圈，用于接收所述电脉冲信号，增强所述薄膜磁芯的磁场。

可选的，所述水下换能设备至少为一个。

第二方面，本发明实施例还提供了一种水下可控震源发生方法，方法应用于如第一方面任一项所述的水下可控震源发生装置，所述装置包括：船载设备和水下换能设备，包括：

第一螺旋线圈接收电脉冲信号；

线圈磁芯产生强磁场；

薄膜磁芯与所述线圈磁芯产生相互排斥的磁力；

推动换能薄膜规律运动产生模拟震源。

可选的，在所述第一螺旋线圈接收电脉冲信号之前，还包括：

电脉冲信号模块根据控制模块的指令产生电脉冲信号，并传输至功率放大模块；

所述功率放大模块接收所述电脉冲信号并根据所述控制模块的指令放大至预设频率，并传输至阻抗匹配模块；

所述阻抗匹配模块用于根据所述控制模块的指令将放大后的电脉冲信号优化并通过连接电缆输出至所述水下换能设备。

可选的，所述线圈磁芯产生强磁场，包括：

所述线圈磁芯产生交变强磁场。

可选的，所述推动换能薄膜规律运动产生模拟震源，包括：

所述换能薄膜在水压作用下向外壳内部挤压；

所述换能薄膜在磁力作用下向外壳外部运动，产生模拟震源。

本发明实施例通过电磁换能结构即利用船载设备产生的电能在水下换能设备中产生磁力，换能薄膜在磁力的推动下规律运动产生模拟震源，解决当前水下气枪震源能量较小不适用于海底探测，水下可控模拟震源产生所需要的成本过高，操作不便等问题，以及当前水下炸药震源存在操作危险的问题；实现能够产生可控的模拟震源，同时达到降低成本、简化操作的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种水下可控震源发生装置的结构示意图；

图2A为本发明实施例二提供的一种水下可控震源发生装置的结构示意图；

图2B为本发明实施例二提供的另一种水下可控震源发生装置的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种水下可控震源发生方法的流程示意图；

图4为本发明实施例三提供的另一种水下可控震源发生方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种水下可控震源发生装置的结构示意图，如图1所示，一种水下可控震源发生装置，包括：船载设备10和水下换能设备20；

船载设备10和水下换能设备20通过连接电缆30相连，船载设备10用于通过连接电缆30给水下换能设备20提供电脉冲信号。

船载设备10设置于探测船上，船载设备10作为动力设备；水下换能设备20设置于水下，水下换能设备20作为输出设备；船载设备10能够根据探测人员的操作产生不同的电脉冲信号，并通过连接电缆30传输至水下换能设备20。

水下换能设备20包括线圈磁芯21、第一螺旋线圈22、薄膜磁芯23、换能薄膜24和外壳25。

第一螺旋线圈22缠绕在线圈磁芯21外部，第一螺旋线圈22用于接收电脉冲信号，线圈磁芯21用于根据电脉冲信号产生强磁场。

第一螺旋线圈22沿同一方向规律绕制在线圈磁芯21外部，在第一螺旋线圈22接收到电脉冲信号即通电后，第一螺旋线圈22和线圈磁芯21形成电磁铁，线圈磁芯21根据电脉冲信号产生相应的强磁场。

薄膜磁芯23设置于换能薄膜24位于外壳25内部的一侧，换能薄膜24四周与外壳25底面连接形成密封；薄膜磁芯23与线圈磁芯21产生相互排斥的磁力，换能薄膜24用于根据磁力作用规律运动产生模拟震源。

换能薄膜24一侧与水接触，一侧位于外壳25内部，薄膜磁芯23设置于换能薄膜24上位于外壳25内部的一侧；换能薄膜24四周与外壳25底面连接形成密封，防止水渗入外壳25内部；薄膜磁芯23与线圈磁芯21对应设置，第一螺旋线圈22通电，线圈磁芯21产生强磁场，薄膜磁芯23在磁场力的作用下向远离线圈磁芯21的方向运动；第一螺旋线圈22断电时，线圈磁芯21的磁场消失，换能薄膜24在水压的作用下向外壳25内部凹陷，即向靠近线圈磁芯21的方向运动。第一螺旋线圈22通脉冲电源，线圈磁芯21产生交替变化的强磁场，薄膜磁芯23在磁场力的作用下向往返运动，产生模拟震源。

本发明实施例通过电磁换能结构即利用船载设备产生的电能在水下换能设备中产生磁力，换能薄膜在磁力的推动下规律运动产生模拟震源，解决当前水下气枪震源能量较小不适用于海底探测，水下可控模拟震源产生所需要的成本过高，操作不便等问题，以及当前水下炸药震源存在操作危险的问题；实现能够产生可控的模拟震源，同时达到降低成本、简化操作的效果。

实施例二

图2A为本发明实施例二提供的一种水下可控震源发生装置的结构示意图，图2B为本发明实施例二提供的另一种水下可控震源发生装置的结构示意图。

如图2A所示，可选的，船载设备10包括控制模块11、电源管理模块12、电脉冲信号模块13、功率放大模块14和阻抗匹配模块15；

电源管理模块12与控制模块11连接，用于对船载设备10供电。

电源管理模块12块作为电源设备，按照控制模块11的指令对船载设备10供电。

电脉冲信号模块13与控制模块11和功率放大模块14连接，用于根据控制模块11的指令产生电脉冲信号并传输至功率放大模块14。

探测人员通过控制模块11调节产生的电脉冲信号的波形、幅度、宽度和频率，从而调节换能薄膜24的运动，即调节产生的模拟震源。产生的电脉冲信号功率较小，需要经过放大才能作为震源信号。

功率放大模块14与控制模块11、电脉冲信号模块13和阻抗匹配模块15连接，用于接收电脉冲信号并根据控制模块11的指令放大至预设频率，并传输至阻抗匹配模块15。

功率放大模块14将电脉冲信号模块13产生的微弱电脉冲信号放大至预设功率，使得电脉冲信号具有足够高的频率。

阻抗匹配模块15用于根据控制模块11的指令将放大后的电脉冲信号优化并通过连接电缆30输出至水下换能设备20。

阻抗匹配模块15将放大后的电脉冲信号进行处理，实现输出功率的最优化。

可选的，连接电缆30还用于固定水下换能设备20在预设位置。

连接电缆30为带钢索的复合电缆，不仅用于传输电脉冲信号至水下换能设备20，还用于拖住水下换能设备20，将其固定于探测船的预设范围，示例性的，水下换能设备20位于探测船船尾的10米至20米处，位于水下1米至2米深度。

如图2B所示，可选的，线圈磁芯21与薄膜磁芯23的对应端为相同磁极。

示例性的，线圈磁芯21与薄膜磁芯23相互接近的对应端均为S极；在第一螺旋线圈22通电后，线圈磁芯21产生强磁场，薄膜磁芯23因为与线圈磁芯21的对应端为相同磁极会受到强大的排斥力，从而带动换能薄膜24运动。

可选的，水下换能设备20至少为一个。

水下换能设备20可以设置多个，相应的，船载设备10中设置多个功率放大模块14和阻抗匹配模块15分别输出电脉冲信号至不同的水下换能设备20，可以增加产生的模拟震源的能量，达到更好的测试效果。

如图2B所示，可选的，薄膜磁芯23外部缠绕第二螺旋线圈26，用于接收电脉冲信号，增强薄膜磁芯23的磁场。

在薄膜磁芯23外部缠绕第二螺旋线圈26，第二螺旋线圈26的绕线方向与第一螺旋线圈22的绕线方向相反；第二螺旋线圈26通过连接电缆30接收电脉冲信号，由于第二螺旋线圈26与第一螺旋线圈22绕线方向相反，所以电流方向相反，第二螺旋线圈26与第一螺旋线圈22产生的磁场方向相反，即第二螺旋线圈26产生的磁场与薄膜磁芯23的磁场相同，增强了薄膜磁芯23的磁场，使得在磁场力排斥下产生的推力会更大，模拟震源激发的能量也会更大。

可选的，水下换能设备20包括圆柱形、方形、椭圆形中的一种。

水下换能设备20的形状不做限定，本实例中优选为方形。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种水下可控震源发生方法的流程示意图，图4为本发明实施例三提供的另一种水下可控震源发生方法的流程示意图。本实施例可适用于进行海底探测时，产生可控模拟震源的情况，该方法可以由一种水下可控震源发生装置来执行，具体包括如下步骤：

步骤310、第一螺旋线圈接收电脉冲信号。

船载设备作为动力设备，能够根据探测人员的操作产生不同的电脉冲信号，第一螺旋线圈通过连接电缆接收船载设备产生的脉冲信息。

步骤320、线圈磁芯产生强磁场。

第一螺旋线圈沿同一方向规律绕制在线圈磁芯外部，在第一螺旋线圈接收到电脉冲信号即通电后，第一螺旋线圈和线圈磁芯形成电磁铁，线圈磁芯根据电脉冲信号产生相应的强磁场。

步骤330、薄膜磁芯与线圈磁芯产生相互排斥的磁力。

薄膜磁芯与线圈磁芯对应设置，第一螺旋线圈通电，线圈磁芯产生强磁场，由于薄膜磁芯与线圈磁芯为相同磁极，因此产生相互排斥的磁力。

步骤340、推动换能薄膜规律运动产生模拟震源。

第一螺旋线圈通电，线圈磁芯产生强磁场，薄膜磁芯在磁场力的作用下向远离线圈磁芯的方向运动；第一螺旋线圈断电时，线圈磁芯的磁场消失，换能薄膜在水压的作用下向外壳内部凹陷，即向靠近线圈磁芯的方向运动。

第一螺旋线圈通脉冲电源，线圈磁芯产生交替变化的强磁场，薄膜磁芯在磁场力的作用下向往返运动，产生模拟震源。

本发明实施例通过电磁换能结构即利用船载设备产生的电能在水下换能设备中产生磁力，换能薄膜在磁力的推动下规律运动产生模拟震源，解决当前水下气枪震源能量较小不适用于海底探测，水下可控模拟震源产生所需要的成本过高，操作不便等问题，以及当前水下炸药震源存在操作危险的问题；实现能够产生可控的模拟震源，同时达到降低成本、简化操作的效果。

在上述技术方案的基础上，如图4所示，可选的，在第一螺旋线圈接收电脉冲信号之前，还包括步骤410-430，具体内容如下：

步骤410、电脉冲信号模块根据控制模块的指令产生电脉冲信号，并传输至功率放大模块。

探测人员通过控制模块调节产生的电脉冲信号的波形、幅度、宽度和频率，从而调节换能薄膜的运动，即调节产生的模拟震源。产生的电脉冲信号功率较小，需要经过放大才能作为震源信号。

步骤420、功率放大模块接收电脉冲信号并根据控制模块的指令放大至预设频率，并传输至阻抗匹配模块。

功率放大模块将电脉冲信号模块产生的微弱电脉冲信号放大至预设功率，使得电脉冲信号具有足够高的频率。

步骤430、阻抗匹配模块用于根据控制模块的指令将放大后的电脉冲信号优化并通过连接电缆输出至水下换能设备。

阻抗匹配模块将放大后的电脉冲信号进行处理，实现输出功率的最优化。

步骤440、第一螺旋线圈接收电脉冲信号。

步骤450、线圈磁芯产生强磁场。

步骤460、薄膜磁芯与线圈磁芯产生相互排斥的磁力。

步骤470、推动换能薄膜规律运动产生模拟震源。

可选的，线圈磁芯产生强磁场包括线圈磁芯产生交变磁场。

第一螺旋线圈通电，线圈磁芯产生强磁场；第一螺旋线圈断电时，线圈磁芯的磁场消失；第一螺旋线圈通脉冲电源，线圈磁芯产生交替变化的强磁场。

可选的，步骤470推动换能薄膜规律运动产生模拟震源具体包括如下步骤：

步骤471、换能薄膜在水压作用下向外壳内部挤压。

第一螺旋线圈断电时，线圈磁芯的磁场消失，换能薄膜上的薄膜磁芯与线圈磁芯排斥力较小；由于水下压力大于外壳内部的气体压力，所以换能薄膜在水压作用下向外壳内部挤压。

步骤472、换能薄膜在磁力作用下向外壳外部运动，产生模拟震源。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。