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专利名称：基于单向水声测距的海洋地震拖缆位置测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋地震拖缆位置测量系统，尤其是一种基于单向水声测距的海
洋地震拖缆位置测量系统，属于海洋地震勘探技术领域。
背景技术：
海洋地震勘探系统通常由海洋地震勘探船、地震源、海洋地震拖缆和拖缆控制装置组成。海洋地震勘探船通常为一艘或数艘水面船舶。地震源通常为气枪或阵列气枪。海洋地震拖缆，简称拖缆，通常为一根或数根长约数千米的水下电缆，其内部安装有水听器阵列，用于接收地震反射波。拖缆控制装置用于控制海洋地震拖缆的位置，按照安装位置，其可以划分为缆首导向器、拖缆控制器和缆尾浮标，分别用于对拖缆首部、中部和尾部位置的控制。 在海洋地震勘探过程中，地震源和海洋地震拖缆由海洋地震勘探船拖曳，以3-5节的航速航行。地震源以一定时间间隔发射，产生的地震波通过海水传播至海底地质构造中，在两种地层的分界面上发生反射，地震反射波由安装在拖缆中的水听器阵列接收，形成地震数据。将上述地震数据连同拖缆的位置数据输入海洋地震数据解释系统中，便可以得到目标海域的海底地质构造。 海洋地震拖缆的位置数据由海洋地震拖缆位置测量系统测得。但是，海洋地震拖
缆长约数千米，任何拖缆位置测量系统都不可能对拖缆上各点实施测量，而只能对拖缆上
某些兴趣点实施测量，并使用插值的方法算出海洋地震拖缆各点的位置。 已有技术中，专利号为6839302B2的美国专利公开了一种海洋地震拖缆位置测量
系统。该专利设计了一种水声测距分段。该水声测距分段沿拖缆长度方向，以一定间隔嵌
装在拖缆中，每个水声测距分段内部安装有一个声波发射器和一个声波接收器。在测量过
程中，各水声测距分段中的声波发射器向其它水声测距分段中的声波接收器发射特征声波
信号并记录发射时间，各水声测距分段中的声波接收器接收其它水声测距分段发射的特征
声波信号，识别后分别记录各特征声波信号的接收时间；根据各特征声波信号的发射、接收
时间差和水中声速，可以得出各水声测距分段之间的距离；将上述各水声测距分段之间的
距离进行综合计算，可以得出各水声测距分段之间的相对位置；若已知任意一个或数个水
声测距分段的绝对位置，则可以得出各水声测距分段的绝对位置，并由此算出拖缆各点的
位置。但是，水声测距分段是嵌装在拖缆中的，其内部空间有限，无法安装大功率声波发射
器，导致水声测距作用距离较短；水声测距分段嵌装在拖缆中，安装在其内部的声波发射器
在工作时会干扰临近的水听器阵列。 专利号为03811783. 5的中国专利公开了一种海洋地震拖缆位置测量系统。该专利设计了一种表面装置。该表面装置由海洋地震勘探船拖曳航行，其内部安装有一个GPS接收机和一个声波发射器。该专利还设计了一种声波接收设备。该声波接收设备沿拖缆长度方向，以一定间隔固定安装在拖缆外部，其内部安装有一个声波接收器。在测量过程中，各表面装置接收GPS信号以确定自身的位置，并通过声波信息信号将其自身的位置信息向
3水中发射，各声波接收设备接收表面装置发射的声波信息信号；每个声波接收设备仅需接 收到三个不同的表面装置发射的声波信息信号，通过解码、计算便可以得出其自身的位置， 并由此算出拖缆各点的位置。这种拖缆位置测量系统使用声波信息信号，在提高测量精度 的同时，极大地增加了系统复杂程度，使设备成本急剧升高；安装在拖缆外部的声波接收设 备会导致水流流动噪声，干扰临近的水听器阵列。

发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种基于单向水声测距的海洋地震 拖缆位置测量系统。 本发明是通过下述技术方案实现的。本发明包括海洋地震勘探船船载系统、水面 单元、水下单元、数据电缆和供电电缆。 船载系统安装在海洋地震勘探船上。船载系统由计算机硬件、控制软件和数据处 理软件组成。控制软件用于控制整个拖缆位置测量系统，特别是向各水面单元、水下单元发 送控制指令。数据处理软件用于处理、计算各水面单元、水下单元传输的数据。
数个水面单元分别安装在海洋地震勘探船、各海洋地震拖缆的缆首导向器、缆尾 浮标和由海洋地震勘探船拖曳的浮筒上，并随海洋地震勘探船在水面航行。水面单元包括 水面单元换能器、声波发射器、GPS天线、GPS接收机、水面单元单片机和水面单元供电装 置。水面单元换能器和声波发射器组成声波发射装置，用于向水中发射特征频段测距声波 信号。水面单元空间充裕，可以安装大功率换能器，以增加水声测距作用距离。GPS天线和 GPS接收机组成GPS接收装置，用于接收GPS信号，并计算水面单元的GPS位置数据。水面 单元单片机包括处理器、储存器、A/D转换器、通讯端口、输入输出端口和时钟。水面单元单 片机的通讯端口与由海洋地震勘探船引出的数据电缆相连；水面单元单片机的一个输入输 出端口与声波发射器的输入输出端口相连，声波发射器的输出端口与水面单元换能器的输 入端口相连；水面单元单片机的另一个输入输出端口与GPS接收机的输入输出端口相连， GPS接收机的输入端口与GPS天线的输出端口相连。水面单元单片机用于接收船载系统发 送的指令、传输数据至船载系统；控制声波发射装置开启或关闭，在预定时刻以其独占的频 段发射特征频段测距声波信号，并记录发射时间；控制开始或停止记录GPS位置数据。水 面单元供电装置的输入端与海洋地震勘探船引出的供电电缆相连，以从海洋地震勘探船取 电；水面单元供电装置的输出端与水面单元内部各用电设备相连，以向水面单元内部各用 电设备供电。 数个水下单元分别安装在各海洋地震拖缆的拖缆控制器中，并随海洋地震拖缆在 水下航行。水下单元包括水下单元换能器、声波接收器、前置放大器、带通滤波器、水下单元 单片机、深度传感器和水下单元供电装置。其中，水下单元换能器和声波接收器组成声波接 收装置，用于接收各水面单元发射的特征频段测距声波信号。因为水下单元换能器仅需接 收而无需发射声波信号，故其体积可以大大小于上述水面单元换能器。前置放大器、带通滤 波器用于对接收到的特征频段测距声波信号进行放大、滤波处理。深度传感器用于测量水 下单元的垂直位置数据。水下单元单片机包括处理器、储存器、A/D转换器、通讯端口、输入 端口 、输出端口和时钟。水下单元单片机的通讯端口与海洋地震勘探船弓I出的数据电缆相 连；水下单元单片机的输出端口与声波接收器的输入端口相连，声波接收器的另一个输入端口与水下单元换能器的输出端口相连；水下单元单片机的一个输入端口与带通滤波器的 输出端口相连，带通滤波器的输入端口与前置放大器的输出端口相连，前置放大器的输入 端口与声波接收器的输出端口相连；水下单元单片机的另一个输入端口与深度传感器的输 出端口相连。水下单元单片机用于接收船载系统发送的指令、传输数据至船载系统；控制声 波接收装置开启或关闭；识别经前置放大器、带通滤波器处理后的特征频段测距声波信号， 并记录各特征频段测距声波信号的接收时间；控制开始或停止记录垂直位置数据。水下单 元供电装置的输入端与海洋地震勘探船引出的供电电缆相连，以从海洋地震勘探船取电； 水下单元供电装置的输出端与水下单元内部各用电设备相连，以向水下单元内部各用电设 备供电。 本发明使用任意三个水面单元的位置数据、待测水下单元的垂直位置数据和上述 三个水面单元至待测水下单元的距离，利用公式(1)计算得出待测水下单元的位置数据。
(x-Xi)2+(y-y》2+(z-Zi)2 = r/， i = 1，2，3，4 (1)
式中 (x， y， z)为待测水下单元的坐标；
(A, yi， Zi)为水面单元的坐标；
&为水面单元至待测水下单元的距离。 本发明的一次测量工作过程如下。(1)船载系统中的控制软件通过数据电缆发送 校准时钟指令，各水面单元单片机接收指令，校准时钟；各水下单元单片机接收指令，校准 时钟。(2)船载系统中的控制软件通过数据电缆发送准备测距指令，各水面单元单片机接收 指令，开始以一定时间间隔记录由GPS接收装置算得的GPS位置数据；各水下单元单片机接 收指令，开始以一定时间间隔记录由深度传感器测得的垂直位置数据。(3)船载系统中的控 制软件通过数据电缆发送开始测距指令，各水面单元单片机接收指令，开启声波发射装置， 在预定时刻以其独占的频段向水中发射特征频段测距声波信号；各水下单元单片机接收指 令，开启声波接收装置。(4)各水下单元的声波接收装置相继接收到各水面单元发射的特征 频段测距声波信号，前置放大器、带通滤波器和水下单元单片机对接收到的特征频段测距 声波信号实时处理、识别，并记录各特征频段测距声波信号的接收时间。(5)船载系统中的 控制软件通过数据电缆发送测距结束指令，各水面单元单片机接收指令，停止记录上述GPS 位置数据，并通过数据电缆将上述GPS位置数据、特征频段测距声波信号的发射时间传输 至船载系统中储存；各水下单元单片机接收指令，关闭声波接收装置，停止记录上述垂直位 置数据，并将上述垂直位置数据和各特征频段测距声波信号的接收时间传输至船载系统中 储存。(6)船载系统中的数据处理软件调用上述各水面单元的GPS位置数据、特征频段测距
声波信号的发射时间，各水下单元的垂直位置数据、各特征频段测距声波信号的接收时间，
进行综合处理、计算，便可以得出各水下单元的位置。(7)船载系统中的数据处理软件调用
上述各水下单元的位置，使用插值的方法算出海洋地震拖缆各点的位置。 按照预先设置的测量时间间隔，船载系统中的控制软件控制拖缆位置测量系统按
照上述测量方法进行工作，便可以连续得出各水下单元的位置，从而实现了对海洋地震拖
缆各点位置的连续测量。 本发明的有益效果本发明通过采用单向水声测距，即各水面单元仅安装声波发 射装置、水下单元仅安装声波接收装置，增加了水声测距的作用距离，减少了声波发射器对水听器组的干扰；通过采用特征频段测距声波信号，即各水面单元以其独占的频段发射特 征频段测距声波信号，简化了各水下单元对测距声波信号的识别方法，降低了系统复杂度。


图1是本发明海洋地震拖缆位置测量系统示意图；
图2是本发明水面单元的结构框图；
图3是本发明水下单元的结构框图。 图中，1是海洋地震勘探船，2是缆首导向器，3是地震源，4是拖缆控制器，5是缆 尾浮标，6是海洋地震拖缆，7是浮筒，8是水面单元供电装置，9是水面单元换能器，10是声 波发射器，11是GPS天线，12是GPS接收机，13是水面单元单片机，14是水下单元换能器， 15是声波接收器，16是前置放大器，17是带通滤波器，18是水下单元单片机，19是深度传感 器，20是水下单元供电装置。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。如图1、图2和图3所示，本发 明包括海洋地震勘探船船载系统、水面单元、水下单元、数据电缆和供电电缆。船载系统安 装在海洋地震勘探船l上。船载系统由计算机硬件、控制软件和数据处理软件组成。控制 软件用于控制整个拖缆位置测量系统，特别是向各水面单元、水下单元发送控制指令。数据 处理软件用于处理、计算各水面单元、水下单元传输的数据。 数个水面单元分别安装在海洋地震勘探船1、各海洋地震拖缆6的缆首导向器2、 缆尾浮标5和由海洋地震勘探船拖曳的浮筒7上，并随海洋地震勘探船1在水面航行。水 面单元包括水面单元换能器9、声波发射器10、 GPS天线11、 GPS接收机12、水面单元单片 机13和水面单元供电装置8。水面单元换能器9和声波发射器10组成声波发射装置，用于 向水中发射特征频段测距声波信号。水面单元空间充裕，可以安装大功率换能器，以增加水 声测距作用距离。GPS天线11和GPS接收机12组成GPS接收装置，用于接收GPS信号，并 计算水面单元的GPS位置数据。水面单元单片机13包括处理器、储存器、A/D转换器、通讯 端口、输入输出端口和时钟。水面单元单片机13的通讯端口与由海洋地震勘探船1引出的 数据电缆相连；水面单元单片机13的一个输入输出端口与声波发射器10的输入输出端口 相连，声波发射器10的输出端口与水面单元换能器9的输入端口相连；水面单元单片机13 的另一个输入输出端口与GPS接收机12的输入输出端口相连，GPS接收机12的输入端口 与GPS天线11的输出端口相连。水面单元单片机13用于接收船载系统发送的指令、传输 数据至船载系统；控制声波发射装置开启或关闭，在预定时刻以其独占的频段发射特征频 段测距声波信号，并记录发射时间；控制开始或停止记录GPS位置数据。水面单元供电装置 8的输入端与海洋地震勘探船1引出的供电电缆相连，以从海洋地震勘探船1取电；水面单 元供电装置8的输出端与水面单元内部各用电设备相连，以向水面单元内部各用电设备供 电。 数个水下单元分别安装在各海洋地震拖缆6的拖缆控制器4中，并随海洋地震拖 缆6在水下航行。水下单元包括水下单元换能器14、声波接收器15、前置放大器16、带通 滤波器17、水下单元单片机18、深度传感器19和水下单元供电装置20。其中，水下单元换
6能器14和声波接收器15组成声波接收装置，用于接收各水面单元发射的特征频段测距声 波信号。因为水下单元换能器14仅需接收而无需发射声波信号，故其体积可以大大小于上 述水面单元换能器9。前置放大器16、带通滤波器17用于对接收到的特征频段测距声波信 号进行放大、滤波处理。深度传感器19用于测量水下单元的垂直位置数据。水下单元单片 机18包括处理器、储存器、A/D转换器、通讯端口、输入端口、输出端口和时钟。水下单元单 片机18的通讯端口与海洋地震勘探船1引出的数据电缆相连；水下单元单片机18的输出 端口与声波接收器15的输入端口相连，声波接收器15的另一个输入端口与水下单元换能 器14的输出端口相连；水下单元单片机18的一个输入端口与带通滤波器17的输出端口相 连，带通滤波器17的输入端口与前置放大器16的输出端口相连，前置放大器16的输入端 口与声波接收器15的输出端口相连；水下单元单片机18的另一个输入端口与深度传感器 19的输出端口相连。水下单元单片机18用于接收船载系统发送的指令、传输数据至船载系 统；控制声波接收装置开启或关闭；识别经前置放大器16、带通滤波器17处理后的特征频 段测距声波信号，并记录各特征频段测距声波信号的接收时间；控制开始或停止记录垂直 位置数据。水下单元供电装置20的输入端与海洋地震勘探船1引出的供电电缆相连，以从 海洋地震勘探船1取电；水下单元供电装置20的输出端与水下单元内部各用电设备相连， 以向水下单元内部各用电设备供电。 本发明使用任意三个水面单元的位置数据、待测水下单元的垂直位置数据和上述 三个水面单元至待测水下单元的距离，利用公式(1)计算得出待测水下单元的位置数据。
(x-Xi)2+(y-y》2+(z-Zi)2 = r/， i = 1，2，3，4 (1)
式中 (x， y， z)为待测水下单元的坐标；
(Xi， yi， Zi)为水面单元的坐标；
&为水面单元至待测水下单元的距离。 本发明的一次测量工作过程如下。(1)船载系统中的控制软件通过数据电缆发送 校准时钟指令，各水面单元单片机13接收指令，校准时钟；各水下单元单片机18接收指令， 校准时钟。(2)船载系统中的控制软件通过数据电缆发送准备测距指令，各水面单元单片 机13接收指令，开始以一定时间间隔记录由GPS接收装置算得的GPS位置数据；各水下单 元单片机18接收指令，开始以一定时间间隔记录由深度传感器19测得的垂直位置数据。 (3)船载系统中的控制软件通过数据电缆发送开始测距指令，各水面单元单片机13接收指 令，开启声波发射装置，在预定时刻以其独占的频段向水中发射特征频段测距声波信号；各 水下单元单片机18接收指令，开启声波接收装置。(4)各水下单元的声波接收装置相继接 收到各水面单元发射的特征频段测距声波信号，前置放大器16、带通滤波器17和水下单元 单片机18对接收到的特征频段测距声波信号实时处理、识别，并记录各特征频段测距声波 信号的接收时间。(5)船载系统中的控制软件通过数据电缆发送测距结束指令，各水面单 元单片机13接收指令，停止记录上述GPS位置数据，并通过数据电缆将上述GPS位置数据、 特征频段测距声波信号的发射时间传输至船载系统中储存；各水下单元单片机18接收指 令，关闭声波接收装置，停止记录上述垂直位置数据，并将上述垂直位置数据和各特征频段 测距声波信号的接收时间传输至船载系统中储存。(6)船载系统中的数据处理软件调用上 述各水面单元的GPS位置数据、特征频段测距声波信号的发射时间，各水下单元的垂直位置数据、各特征频段测距声波信号的接收时间，进行综合处理、计算，便可以得出各水下单 元的位置。(7)船载系统中的数据处理软件调用上述各水下单元的位置，使用插值的方法算 出海洋地震拖缆各点的位置。 按照预先设置的测量时间间隔，船载系统中的控制软件控制拖缆位置测量系统按 照上述测量方法进行工作，便可以连续得出各水下单元的位置，从而实现了对海洋地震拖 缆各点位置的连续测量。
权利要求
一种基于单向水声测距的海洋地震拖缆位置测量系统，包括海洋地震勘探船船载系统、水面单元、水下单元、数据电缆和供电电缆其特征在于船载系统安装在海洋地震勘探船(1)上；数个水面单元分别安装在海洋地震勘探船(1)、缆首导向器(2)、缆尾浮标(5)和浮筒(7)上，水面单元包括水面单元换能器(9)、声波发射器(10)、GPS天线(11)、GPS接收机(12)、水面单元单片机(13)和水面单元供电装置(8)，水面单元单片机(13)包括处理器、储存器、A/D转换器、通讯端口、输入输出端口和时钟，水面单元单片机(13)的通讯端口与由海洋地震勘探船(1)引出的数据电缆相连，水面单元单片机(13)的一个输入输出端口与声波发射器(10)的输入输出端口相连，声波发射器(10)的输出端口与水面单元换能器(9)的输入端口相连，水面单元单片机(13)的另一个输入输出端口与GPS接收机(12)的输入输出端口相连，GPS接收机(12)的输入端口与GPS天线(11)的输出端口相连，水面单元供电装置(8)的输入端与海洋地震勘探船(1)引出的供电电缆相连，水面单元供电装置(8)的输出端与水面单元内部各用电设备相连；数个水下单元分别安装在各拖缆控制器(4)中，水下单元包括水下单元换能器(14)、声波接收器(15)、前置放大器(16)、带通滤波器(17)、水下单元单片机(18)、深度传感器(19)和水下单元供电装置(20)，水下单元单片机(18)包括处理器、储存器、A/D转换器、通讯端口、输入端口、输出端口和时钟，水下单元单片机(18)的通讯端口与海洋地震勘探船(1)引出的数据电缆相连，水下单元单片机(18)的输出端口与声波接收器(15)的输入端口相连，声波接收器(15)的另一个输入端口与水下单元换能器(14)的输出端口相连，水下单元单片机(18)的一个输入端口与带通滤波器(17)的输出端口相连，带通滤波器(17)的输入端口与前置放大器(16)的输出端口相连，前置放大器(16)的输入端口与声波接收器(15)的输出端口相连，水下单元单片机(18)的另一个输入端口与深度传感器(19)的输出端口相连，水下单元供电装置(20)的输入端与海洋地震勘探船(1)引出的供电电缆相连，水下单元供电装置(20)的输出端与水下单元内部各用电设备相连。
2. 根据权利要求1所述的基于单向水声测距的海洋地震拖缆位置测量系统，其特征是所述的船载系统包括计算机硬件、控制软件和数据处理软件。
全文摘要
基于单向水声测距的海洋地震拖缆位置测量系统，属于海洋地震勘探技术领域。本发明包括海洋地震勘探船船载系统、水面单元、水下单元、数据电缆和供电电缆。本发明使用任意三个水面单元上的位置数据、待测水下单元上的垂直位置数据和上述三个水面单元至待测水下单元的距离，计算得出待测水下单元的位置数据；使用各水下单元的位置数据，插值计算得出海洋地震拖缆各点的位置。本发明通过使用单向水声测距，即各水面单元仅安装声波发射装置，各水下单元仅安装声波接收装置，增加了水声测距的作用距离，减少了声波发射器对水听器组的干扰；通过采用特征频段测距声波，简化了各水下单元对测距声波信号的识别方法，降低了系统复杂度。
文档编号G01V1/38GK101762823SQ20101030048
公开日2010年6月30日 申请日期2010年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者张小卿, 张维竞, 段磊, 王春杰, 陈峻 申请人:上海交通大学