兩種淺海水下檢波器定位技術(shù)分析＊

王文爭

(中國石化勝利石油管理局物探公司 山東東營)

兩種淺海水下檢波器定位技術(shù)分析＊

王文爭

(中國石化勝利石油管理局物探公司 山東東營)

文章介紹了實現(xiàn)水下檢波器定位的一種方法,闡述了兩種淺海水下檢波器定位系統(tǒng)的工作原理,并對各部分功能進(jìn)行了說明,對其各自特性進(jìn)行概括。

定位;檢波器;聲納;應(yīng)答器

0 引 言

在淺海石油地震勘探領(lǐng)域,通過對檢波器記錄地震波信息進(jìn)行處理分析獲取海底地質(zhì)構(gòu)造是石油勘探不可缺少的手段。而用來接收海底地震波的檢波器位置由于多種因素影響造成漂移,這種不確定性往往影響地震資料的成像效果,影響到勘探精度。因此對檢波器的定位對提高地震勘探的精度十分重要。本文介紹了兩種用于對海底大量目標(biāo)定位的系統(tǒng),對其原理、系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了闡述。

1 定位原理

定位系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中待估計量(xs, ys,zs)為待定位目標(biāo)空間坐標(biāo),(xi,yi,zi)為測量點的空間坐標(biāo),通過測量聲波從目標(biāo)至各定位點的傳播時間實現(xiàn)對目標(biāo)空間坐標(biāo)的估計。

圖1 定位系統(tǒng)示意圖

實時定位模塊采用經(jīng)典的長基線[1]定位公式如下:

已知:Ri為測定的時延距離,(xi,yi,zi)為換能器坐標(biāo),由DGPS提供;

未知:(xs,ys,zs)為待測信標(biāo)的空間坐標(biāo)。

如果能夠得到4組球面方程,我們利用球面交匯原理即可求解應(yīng)答器的確定坐標(biāo)值。求解:AX=B,其中:

只要A的逆矩陣存在,即可求得一組唯一解:X= A-1B。

若目標(biāo)深度zs先驗已知,求解可簡化,只要三個陣元接收到信號即可。

實際情況是我們得到的測量點的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過求解信標(biāo)坐標(biāo)所需測量點數(shù)目,冗余測量的目的有兩個:一是防止單次測量失效,二是提高測量精度。

2 實現(xiàn)目標(biāo)定位的兩種系統(tǒng)

根據(jù)上述定位原理,即要實現(xiàn)對目標(biāo)的定位,需要在空間不同點測量目標(biāo)到測量點的距離,利用球面交匯原理實現(xiàn)定位,本文介紹了兩種定位系統(tǒng),一種是應(yīng)答方式,一種是聲納方式。

2.1 應(yīng)答方式定位系統(tǒng)

應(yīng)答方式定位系統(tǒng)是通過對與檢波器綁定的應(yīng)答器的定位實現(xiàn)對檢波器的定位,定位對象不直接是檢波器。

該系統(tǒng)由主控計算機(jī)、艦載綜合分機(jī)、艦載換能器和海底合作目標(biāo)構(gòu)成,外圍設(shè)備包括:差分GPS、電羅經(jīng)和姿態(tài)傳感器等,系統(tǒng)工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖

系統(tǒng)干端和換能器安裝在定位船,定位船作為動態(tài)的基元低速行進(jìn),行進(jìn)中分時向海底發(fā)射不同喚醒信號,在對應(yīng)的時窗內(nèi)接收被喚醒的海底編碼合作目標(biāo)的應(yīng)答信號,通過對被編碼的合作目標(biāo)的檢測、識別,實現(xiàn)大量海底目標(biāo)的識別測距?；獡Q能器的瞬時位置由差分GPS提供,單個信標(biāo)被測定四個距離后,位置被確定。

定位船對海底信標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航測距,把移動的物理基元合成“虛擬”的增大數(shù)倍甚至數(shù)十倍聲學(xué)基陣[2],以提高聲學(xué)基陣的測量孔徑,通過多次測距實現(xiàn)基陣基元的數(shù)量冗余和合理的定位結(jié)構(gòu),采用長基線定位算法,實現(xiàn)高精度定位。

系統(tǒng)采用了長基線定位精度高優(yōu)點,主控軟件采用VC++編寫,結(jié)合數(shù)據(jù)庫和繪圖技術(shù)實現(xiàn)大量海底信標(biāo)的實時定位、圖形顯示、管理和監(jiān)控。

船載部分主要包括:發(fā)射/接收換能器、導(dǎo)流翼、水聽器前置放大器、電纜、綜合分機(jī)、筆記本等6個部分。船載部分構(gòu)成框圖如圖3所示。

綜合分機(jī)包括電源模塊、采集模塊、功率放大模塊,實現(xiàn)機(jī)箱內(nèi)各模塊的電源管理、水聽器上傳信號的數(shù)字化、筆記本生成詢問信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換、詢問信號的功率放大。

主控軟件由一臺筆記本完成,包括喚醒信號生成模塊、信號采集模塊、信號檢測解碼模塊、GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、實時定位和繪圖模塊、定位數(shù)據(jù)后處理模塊6部分構(gòu)成。

圖3 船載部分構(gòu)成框圖

2.2 聲納方式定位系統(tǒng)

聲納方式定位系統(tǒng)與應(yīng)答器方式定位系統(tǒng)不同,直接對檢波器定位,通過對檢波器接收的聲納信號的分析實現(xiàn)定位。

聲納方式定位系統(tǒng)不需要采用應(yīng)答方式,主要區(qū)別是實現(xiàn)時間測量位置,應(yīng)答方式在測量點,而聲納方式在目標(biāo)點。

系統(tǒng)主要由低頻聲納、地震采集系統(tǒng)、GPS、定位軟件等幾部分組成。其工作原理圖如圖4所示。

圖4 聲納方式定位系統(tǒng)原理圖

1)地震儀向低頻聲納發(fā)出定位控制指令,并讀取低頻聲納的GPS位置坐標(biāo);2)低頻聲納接到地震儀發(fā)來的定位指令后,發(fā)出聲納脈沖;3)壓電檢波器(水聽器)接收到聲納脈沖,其接收信號通過采集站發(fā)送到地震儀;4)地震儀使用初至波分析軟件,解算判斷相應(yīng)水聽器的位置并與設(shè)計位置進(jìn)行對比。初至波分析軟件主要功能是對聲納信號進(jìn)行檢測,得到聲納信號傳播時間,從而計算聲納發(fā)射信號點與目標(biāo)點的距離。

3 兩種系統(tǒng)對比分析及結(jié)論

1)應(yīng)答方式定位系統(tǒng)采用高頻詢問信號,定位精度高,但傳播衰減大,作用距離近,作業(yè)效率低,需要配備相應(yīng)的應(yīng)答器設(shè)備;這種方式對地震采集而言,具有很好的實時性,能夠在現(xiàn)場隨時完成定位工作。

2)聲納方式定位系統(tǒng)采用頻率較低的信號,傳播衰減小,作用距離遠(yuǎn),但信號容易受海洋傳播環(huán)境影響而畸變,導(dǎo)致信號達(dá)到時刻測量誤差偏大,定位精度低;而且,定位工作需要借助后期資料處理階段,利用初至波處理軟件進(jìn)行處理完成定位。

3)兩種定位技術(shù)既有優(yōu)勢、又有缺點,結(jié)合優(yōu)勢、取長補(bǔ)短,研究新型檢波器定位技術(shù)是淺海地震采集的發(fā)展要求。

4)淺海檢波器定位是淺海采集的關(guān)鍵技術(shù)之一,實時、高效、便捷地實現(xiàn)施工全過程的定位工作,是定位技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。

[1] 吳學(xué)兵,劉志田,寧 靖,等.海洋石油勘探檢波器二次定位新方法研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006,30(5)

[2] 寧津生,劉經(jīng)南,陳俊勇,等.現(xiàn)代大地測量理論與技術(shù)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2006

[3] 李啟虎.聲納信號處理引論[M].北京:海洋出版社, 2000

Wang Wenzheng.The analysis on two kinds of hydrophone positioning technique.PI,2010,24(4):13～14,16

The paper first introduces one method to realize hydrophone positioning.Then two kinds of systems of hydrophone positioning principle are explained.The function of every part is described in detail.At last the paper gives a conclusion based on the contrast of them.

positioning;hydrophone;sonar;tronsponder

P631.4+36

B

1004-9134(2010)04-0013-02

本課題系國家十一五863目標(biāo)探索類課題,編號:2006AA09Z309

王文爭,男,1969年生,高級工程師,中國地質(zhì)大學(xué)在讀博士,現(xiàn)在勝利物探公司從事技術(shù)和科研管理工作。郵編:257086

2010-03-18 編輯:梁保江)

·開發(fā)設(shè)計·