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[浅地层剖面仪] Teledyne ATLAS PARASOUND参量阵浅剖特点介绍

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发表于 2015-8-17 15:31:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Rain 于 2015-8-17 15:36 编辑

  • 概要
  Teledyne ATLASPARASOUND利用参量阵效应,通过发射两个高频原始信号生成一个低频二级信号。参量二级信号结合了原始声源信号的高空间分辨率和低频信号极佳的声学表现力,以分别达到最大的测量精度和最大的穿透力及量程。
  该系统提供如下关键特征:
  • 特殊沉积物穿透性能(>200 m)
  • 参量阵二级频率范围(0.5 kHz ~6.0 kHz)
  • 深度量程(10 m~ >11,000 m)
  • 出色的沉积物层分辨率(<15 cm)
  • 先进的水体分析
  • 全面操作的灵活性:Barker编码脉冲,线性调频,用户定义脉冲形状,附加多波束功能和不同的多脉冲算法。
  • 入射角控制(IAC)自动进行入射角补偿,在斜坡上也可以维持垂直入射,改善在斜坡上的浅剖性能
  • 数据采集、处理和可视化软件PARASTORE,输出格式为SEG-Y
  集如上功能于一体,Teledyne ATLAS PARASOUND成为市场上船底安装地层剖面仪的标杆设备。
  本文将详细说明PARASOUND优于其他浅地层剖面仪的独特的技术优势。
      
    图 1:RVSONNE 在预警海况下,船底安装PARASOUND P70仍然运作
2.声学原理比较
  传统的回声探测器产生脉冲调制谐波信号,通过矩形或圆形声学换能器阵列传入水体。所选换能器的谐波和所谓的载频以及线性尺寸决定了物理孔径,从而决定了系统的角分辨率。
  深海沉积物调查通常需要4~8°的开角以得到足够的分辨率和更小的底部结构。由于沉积物极高的吸声率,对于更深的底部缝隙,只有较低的频率范围(0.5kHZ~6.0kHZ)才能被有效利用。可惜传统回声探测器的设计难以实现低频率和高角分辨率的结合,如频率为3.5kHz,物理孔径为4°的传统沉积物剖面仪将不可避免地需要一个7.0m×7.0m的阵列,该尺寸有很大的结构难题。
  PARASOUND浅地层剖面仪摒弃了传统剖面仪的缺点,采用了完全不同的工作原理:
  海水中声音的参量阵或非线性传播效应
  The parametric ornon-linear propagation effect of sound inseawater
   
  图:ATLAS PARASOUND浅地层剖面仪

  参量阵浅地层剖面仪通过相同的换能器阵列同时传输两个独立的脉冲调制谐波信号。为了产生和利用参量阵效应,这些信号要有极高的振幅才能产生。在这样的信号水平下(通常接近空泡效应——大功率声场下由于巨大的作用力,水分子进行物理破碎),海水不仅作为初始信号的传播介质,还产生了其他不同频率的新信号成分。在该情况下,海水成为一个额外的发射器/换能器。用通俗的话来解释,其效果可能与失真的扬声器振铃效应极为相似。
  目前,参量阵效应在多个方面拥有比传统设计更优越的性能,如:
  • 大幅度降低换能器尺寸需求,同时实现高角分辨率
  • 取消了波束图中常规的换能器旁瓣,提供了显著、优质和无失真的沉积物记录。
  • 甚至在深海环境中,不必进行危险的深拖操作,也可以实现高分辨率沉积物记录。

      
  图:PARASOUND换能器大小vs. 传统的(无参量阵的)浅地层剖面仪

  为了在沉积物调查中有效利用该效应,经特殊考虑,根据以下因素选中这两个原始频率作为Teledyne AtlasParasound的频率:
  • 不同的环境条件下,为沉积物分析提供最佳频率
  • 利用一个或两个原始频率以作他用。
    作为原始信号,PARASOUND使用一个可调频率在18.0 kHZ~33kHZ范围的信号和一个可调频率在18.5 kHZ~39kHZ的信号。第一个原始信号同时被使用引发参量阵效应,另一个作为传统的窄波束深海测深仪运作,从而提供最大范围可达11000m的高分辨率海底剖面。


  图:ATLAS PARASOUND的极窄集中波束可以分辨出更小规模的海底结构。甚至在更陡峭的斜坡上,仍有足够的声学能量穿透海床。
        
   图:常规浅剖使用较短的声学脉冲以改善垂直分辨率。然而,参量阵浅剖通过更窄的波束通过优化垂直误差,可以更显著地提升垂直分辨率。

  有了Teledyne ATLASPARASOUND,参量阵方法的效果可以很容易地通过激活和关闭第二个原始传输频率来证明。关闭之后,系统只作为传统的测深仪运作。
      
    图:ATLAS PARASOUND记录,在2005年9月,由德国研究船MARIA S在水深27m情况下获得,使用的是传统的浅地层剖面仪模式(C-SBP)。

     
     
   图:18 kHZ 的原始频率和3.5 kHZ的二级频率的不同底部穿透性能。

3. 技术参数比较
  Teledyne ATLAS PARASOUND P70,其他船底安装参量阵地层剖面仪KongsbergTopas以及Edgetech一个传统系统的技术参数比较,请见如下表格:

 




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