判斷海底地震儀與航行艦船地震波信號(hào)耦合效果的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航行艦船地震波探測領(lǐng)域，涉及到一種判斷海底地震儀與航行艦船地 震波信號(hào)耦合效果的方法，特別涉及一種利用耦合效果判定參數(shù)綜合評(píng)估海底地震儀測試 航行艦船地震波信號(hào)能力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海底地震儀是測試航行艦船地震波信號(hào)的主要設(shè)備，傳統(tǒng)的測試方式是將海底地 震儀布放于海水與海底的分界面上，然而由于海底地震儀的設(shè)計(jì)不合理容易導(dǎo)致所測試的 航行艦船地震波信號(hào)失真。目前國內(nèi)針對(duì)海底地震儀的耦合效果判斷僅參考耦合理論提出 定性評(píng)價(jià)，缺乏基于判定參數(shù)的定量分析，從而導(dǎo)致試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，無法有效提取 信號(hào)中的信息。
[0003] 關(guān)于海底地震儀與海底介質(zhì)的耦合理論已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外相關(guān)研究人員將海 底地震儀假設(shè)為一剛體，放在均勻、各相同性的彈性半無限空間里。運(yùn)動(dòng)方式具有6個(gè)自由 度，沿垂直軸與兩個(gè)正交水平軸的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于每一個(gè)自由度都建立了特征頻率和阻 尼表示的振動(dòng)模型，而且模型之間還存在相互作用。然而目前所建立的理論模型比較理想 化，并且未結(jié)合實(shí)際的海底地震儀結(jié)構(gòu)以及航行艦船地震波信號(hào)的特點(diǎn)，因此未能定量判 定親合效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種判斷海底地震儀與航行艦船地震波信號(hào)耦合效果的方 法，解決海底地震儀檢測航行艦船地震波信號(hào)能力的定量評(píng)價(jià)問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是：海底地震儀與航行艦船地震波信號(hào)的耦合效果判定參數(shù)由 4個(gè)因素組成，4個(gè)因素分別為振動(dòng)系統(tǒng)耦合系數(shù)、振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)、振動(dòng)系統(tǒng)固有角頻 率和海底地震儀橫切面比值；振動(dòng)系統(tǒng)耦合系數(shù)由海底地震儀排開水的質(zhì)量、海底地震儀 質(zhì)量以及與海底地震儀一起運(yùn)動(dòng)的水的質(zhì)量計(jì)算得到；振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)和固有角頻率在 實(shí)驗(yàn)室測試得到，釋放系留于海底地震儀上的浮球分別產(chǎn)生垂直向上和水平方向的力，通 過分析實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到阻尼系數(shù)和固有角頻率；海底地震儀的橫切面比值是通過測量海 底地震儀的底寬和高度相比得到；依據(jù)每個(gè)因素在航行艦船地震波信號(hào)檢測中的關(guān)鍵程度 分別賦予一定的權(quán)重系數(shù)，最終計(jì)算出評(píng)價(jià)耦合效果的判定參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明的效果和益處是：
[0007] 傳統(tǒng)的判斷耦合效果的方法主要是基于經(jīng)驗(yàn)和理論分析，給出海底地震儀設(shè)計(jì)的 參考意見，并不能準(zhǔn)確的判定耦合效果；利用計(jì)算得到的判定參數(shù)，可以定量分析不同海底 地震儀對(duì)航行艦船地震波信號(hào)的檢測能力，從而提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見。
【附圖說明】
[0008] 圖1海底地震儀阻尼系數(shù)和固有角頻率測試示意圖
[0009] 圖中：1實(shí)驗(yàn)水池；2海水；3定滑輪；4海底介質(zhì)；5沉耦架；6海底地震儀；7浮球。
[0010] 圖2海底地震儀耦合系數(shù)測試示意圖。
[0011] 圖中：1實(shí)驗(yàn)水池；2海底地震儀；3沉耦架；4海水；5海底介質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0013] 第一步：確定阻尼系數(shù)和固有角頻率
[0014] 阻尼系數(shù)和固有角頻率測試實(shí)驗(yàn)如圖1所示，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和測試數(shù)據(jù)的后處 理確定海底地震儀的阻尼系數(shù)和固有角頻率。實(shí)驗(yàn)水池底部面積大于海底地震儀底部面 積的4倍，在海底地震儀將要布放的海域提取海底介質(zhì)和海水樣本，海底介質(zhì)的體積大于 實(shí)驗(yàn)水池底部面積與0. 5米的乘積，海水介質(zhì)的體積大于實(shí)驗(yàn)水池底部面積與海底地震儀 1. 5倍高度的乘積。在實(shí)驗(yàn)水池兩個(gè)相互垂直的池壁上各安裝1個(gè)定滑輪，定滑輪的高度為 海底地震儀高度的1/2與0. 5米之和，定滑輪距離所安裝的池壁0. 5米。在實(shí)驗(yàn)水池中鋪上 〇. 5米厚度的海底介質(zhì)樣本，設(shè)置海底地震儀開始采集數(shù)據(jù)，將海底地震儀放置與海底介質(zhì) 上。海底地震儀距離未安裝定滑輪的兩個(gè)池壁都為0. 5米，海底地震儀中地震波傳感器的 兩個(gè)水平方向分別垂直于安裝定滑輪的池壁。在海底地震儀上系3條牽引繩，其中1條在 海底地震儀正上方，另外2條為水平方向并通過定滑輪引出，2條水平牽引繩平行于水池池 底。在實(shí)驗(yàn)水池中注入海水樣本，水深為海底地震儀高度的1.5倍。在3條牽引繩末端系 浮球，浮球直徑250毫米，浮球完全浸入水中。定義地震波傳感器兩個(gè)水平方向?yàn)閄方向和 Y方向，定義地震波傳感器垂直方向?yàn)閆方向，按傳感器X、Y和Z方向的順序釋放浮球同時(shí) 記錄各自釋放的時(shí)間。對(duì)海底地震儀的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度譜分析，找到幅度譜峰值A(chǔ)niax所 對(duì)應(yīng)的頻率f。，在幅度譜峰值兩側(cè)找到幅度
A_對(duì)應(yīng)的頻率匕和f2，此時(shí)就可以計(jì) 算得到海底地震儀的阻尼系數(shù)h。和固有角頻率CO。為
[0015] 第二步：計(jì)算耦合系數(shù)和橫切面比值
[0016] 耦合系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)如圖2所示，耦合系數(shù)由結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)排開水的質(zhì)量及與海 底地震儀一起運(yùn)動(dòng)的水的質(zhì)量計(jì)算得到，橫切面比值由海底地震儀的底寬和高度計(jì)算得 至IJ。將放置與實(shí)驗(yàn)水池中的海底地震儀提起，完全離開水面。測量海底地震儀的質(zhì)量為 M。、底寬為D。、高度為H。，測量海水的密度為Pw，測量實(shí)驗(yàn)水池的長度為L、寬度為D、水深 為h。。將海底地震儀放置于實(shí)驗(yàn)水池的中心位置，再次測量實(shí)驗(yàn)水池水深為Ill。計(jì)算得 到結(jié)構(gòu)排開水的質(zhì)量1為Pw ?L?D? (hfh。)，與海底地震儀一起運(yùn)動(dòng)的水的質(zhì)量為 0. 5 ?Pw?L?D?Qi1-Iiq)，綜合以上計(jì)算結(jié)果，可以得到親合系數(shù)C為：
[0019] 第三步：確定權(quán)重系數(shù)
[0020] 結(jié)合航行艦船地震波信號(hào)特征確定耦合系數(shù)、阻尼系數(shù)、固有角頻率和橫切面比 值的權(quán)重系數(shù)，采用的賦權(quán)方法為主觀賦權(quán)法。耦合系數(shù)表征海底地震儀與航行艦船地震 波信號(hào)是否能夠一起運(yùn)動(dòng)，直接決定海底地震儀與海底介質(zhì)的耦合效果，權(quán)重系數(shù)設(shè)置為 0. 3 ;阻尼系數(shù)表征海底地震儀接收航行艦船地震波或其它干擾后是否能夠快速回到穩(wěn)定 狀態(tài)，決定海底地震儀的抗干擾能力，權(quán)重系數(shù)設(shè)置為〇. 15 ;固有角頻率表征海底地震儀 在哪些頻點(diǎn)最敏感即引起的振動(dòng)最劇烈，這是在檢測航行艦船地震波信號(hào)時(shí)最應(yīng)該引起重 視的問題，它往往導(dǎo)致航行艦船地震波信號(hào)無法有效檢測，權(quán)重系數(shù)設(shè)置為0. 45 ;橫切面 比值表征海底地震儀遇到海水沖擊時(shí)的搖擺程度，它可以引起海底地震儀中地震波傳感器 三個(gè)方向之間的互相耦合，設(shè)置權(quán)重系數(shù)為〇. 1。
[0021] 第四步：確定判定參數(shù)
[0022] 判定參數(shù)由耦合系數(shù)、阻尼系數(shù)、固有角頻率和橫切面比值共同確定，根據(jù)權(quán)重系 數(shù)設(shè)置，得到判定參數(shù)Df的表達(dá)式為：
[0023] DfU.C，+0.15.h， c+0. 45 ??0r +〇.I?Rro
[0024] 式中，C'為耦合系數(shù)判定值，h'。為阻尼系數(shù)判定值，co。'為固有角頻率判定 值，R'。為橫切面比值判定值。
[0025] C為非負(fù)數(shù)，耦合系數(shù)判定值C'取值為：
[0026] 當(dāng) 0 彡C< 0? 1 時(shí)，C' = 1 ;當(dāng) 0? 1 彡C< 0? 5 時(shí)，C' = 0? 5 ;當(dāng) 0? 5 彡C< 5 時(shí)， C，= 0? 1 ;當(dāng) 5 彡C時(shí)，C，= 0。
[0027] h。的最大值為1，阻尼系數(shù)判定值h'取值為：
[0028] 當(dāng) 0? 5 彡hc< 1 時(shí)，h， c= 1 ;當(dāng) 0? 1 彡hc< 0? 5 時(shí)，h， c= 0? 2 ;當(dāng)hc< 0? 1 時(shí)，h'c = 0 〇
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