一種判斷海底地震儀耦合效果的方法，屬于海底地震儀檢測航行艦船地震波信號能力的分析技術。其特征是：利用實驗室實驗和數據分析，確定海底地震儀與海底介質的振動系統耦合系數、振動系統阻尼系數、振動系統固有角頻率和海底地震儀橫切面比值；利用主觀賦權法并結合航行艦船地震波信號特征確定耦合系數、阻尼系數、固有角頻率和橫切面比值的權重系數；基于航行艦船地震波信號特征，確定判定參數中4個判定值的取值，得到判定參數的計算方法；通過分析判定參數的計算結果，最終確定海底地震儀的耦合效果。
【技術實現步驟摘要】
判斷海底地震儀與航行艦船地震波信號耦合效果的方法
本專利技術屬于航行艦船地震波探測領域，涉及到一種判斷海底地震儀與航行艦船地震波信號耦合效果的方法，特別涉及一種利用耦合效果判定參數綜合評估海底地震儀測試航行艦船地震波信號能力的方法。
技術介紹
海底地震儀是測試航行艦船地震波信號的主要設備，傳統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計不合理容易導致所測試的航行艦船地震波信號失真。目前國內針對海底地震儀的耦合效果判斷僅參考耦合理論提出定性評價，缺乏基于判定參數的定量分析，從而導致試驗所測數據嚴重失真，無法有效提取信號中的信息。關于海底地震儀與海底介質的耦合理論已經比較成熟，國內外相關研究人員將海底地震儀假設為一剛體，放在均勻、各相同性的彈性半無限空間里。運動方式具有6個自由度，沿垂直軸與兩個正交水平軸的運動和轉動。對于每一個自由度都建立了特征頻率和阻尼表示的振動模型，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，并且未結合實際的海底地震儀結構以及航行艦船地震波信號的特點，因此未能定量判定耦合效果。
技術實現思路
本專利技術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能力的定量評價問題。本專利技術的技術方案是：海底地震儀與航行艦船地震波信號的耦合效果判定參數由4個因素組成，4個因素分別為振動系統耦合系數、振動系統阻尼系數、振動系統固有角頻率和海底地震儀橫切面比值；振動系統耦合系數由海底地震儀排開水的質量、海底地震儀質量以及與海底地震儀一起運動的水的質量計算得到；振動系統阻尼系數和固有角頻率在實驗室測試得到，釋放系留于海底地震儀上的浮球分別產生垂直向上和水平方向的力，通過分析實測數據計算得到阻尼系數和固有角頻率；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；依據每個因素在航行艦船地震波信號檢測中的關鍵程度分別賦予一定的權重系數，最終計算出評價耦合效果的判定參數。本專利技術的效果和益處是：傳統的判斷耦合效果的方法主要是基于經驗和理論分析，給出海底地震儀設計的參考意見，并不能準確的判定耦合效果；利用計算得到的判定參數，可以定量分析不同海底地震儀對航行艦船地震波信號的檢測能力，從而提出結構設計的改進意見。附圖說明圖1海底地震儀阻尼系數和固有角頻率測試示意圖圖中：1實驗水池；2海水；3定滑輪；4海底介質；5沉耦架；6海底地震儀；7浮球。圖2海底地震儀耦合系數測試示意圖。圖中：1實驗水池；2海底地震儀；3沉耦架；4海水；5海底介質。具體實施方式下面結合技術方案和附圖詳細敘述本專利技術的具體實施方式。第一步：確定阻尼系數和固有角頻率阻尼系數和固有角頻率測試實驗如圖1所示，通過實驗室實驗和測試數據的后處理確定海底地震儀的阻尼系數和固有角頻率。實驗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和海水樣本，海底介質的體積大于實驗水池底部面積與0.5米的乘積，海水介質的體積大于實驗水池底部面積與海底地震儀1.5倍高度的乘積。在實驗水池兩個相互垂直的池壁上各安裝1個定滑輪，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。在實驗水池中鋪上0.5米厚度的海底介質樣本，設置海底地震儀開始采集數據，將海底地震儀放置與海底介質上。海底地震儀距離未安裝定滑輪的兩個池壁都為0.5米，海底地震儀中地震波傳感器的兩個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。在實驗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水平方向為X方向和Y方向，定義地震波傳感器垂直方向為Z方向，按傳感器X、Y和Z方向的順序釋放浮球同時記錄各自釋放的時間。對海底地震儀的測試數據進行幅度譜分析，找到幅度譜峰值Amax所對應的頻率f0，在幅度譜峰值兩側找到幅度對應的頻率f1和f2，此時就可以計算得到海底地震儀的阻尼系數hc和固有角頻率ω0為和ω0＝2πf0。第二步：計算耦合系數和橫切面比值耦合系數測試實驗如圖2所示，耦合系數由結構質量、結構排開水的質量及與海底地震儀一起運動的水的質量計算得到，橫切面比值由海底地震儀的底寬和高度計算得到。將放置與實驗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量為Mo、底寬為Do、高度為Ho，測量海水的密度為ρw，測量實驗水池的長度為L、寬度為D、水深為h0。將海底地震儀放置于實驗水池的中心位置，再次測量實驗水池水深為h1。計算得到結構排開水的質量Mw為ρw·L·D·(h1-h0)，與海底地震儀一起運動的水的質量為0.5·ρw·L·D·(h1-h0)，綜合以上計算結果，可以得到耦合系數C為：橫切面比值Ro為第三步：確定權重系數結合航行艦船地震波信號特征確定耦合系數、阻尼系數、固有角頻率和橫切面比值的權重系數，采用的賦權方法為主觀賦權法。耦合系數表征海底地震儀與航行艦船地震波信號是否能夠一起運動，直接決定海底地震儀與海底介質的耦合效果，權重系數設置為0.3；阻尼系數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定狀態，決定海底地震儀的抗干擾能力，權重系數設置為0.15；固有角頻率表征海底地震儀在哪些頻點最敏感即引起的振動最劇烈，這是在檢測航行艦船地震波信號時最應該引起重視的問題，它往往導致航行艦船地震波信號無法有效檢測，權重系數設置為0.45；橫切面比值表征海底地震儀遇到海水沖擊時的搖擺程度，它可以引起海底地震儀中地震波傳感器三個方向之間的互相耦合，設置權重系數為0.1。第四步：確定判定參數判定參數由耦合系數、阻尼系數、固有角頻率和橫切面比值共同確定，根據權重系數設置，得到判定參數Df的表達式為：Df＝0.3·C′+0.15·h′c+0.45·ω0′+0.1·R′o式中，C′為耦合系數判定值，h′c為阻尼系數判定值，ω0′為固有角頻率判定值，R′o為橫切面比值判定值。C為非負數，耦合系數判定值C′取值為：當0≤C＜0.1時，C′＝1；當0.1≤C＜0.5時，C′＝0.5；當0.5≤C＜5時，C′＝0.1；當5≤C時，C′＝0。hc的最大值為1，阻尼系數判定值h′取值為：當0.5≤hc≤1時，h′c＝1；當0.1≤hc＜0.5時，h′c＝0.2；當hc＜0.1時，h′c＝0。f0為非負數，固有角頻率判定值ω0′取值為：當f0＞100Hz時，ω0′＝1；當10Hz＜f0≤100Hz時，ω0′＝0.5；當5Hz＜f0≤10Hz時，ω0′＝0.2；當0Hz≤f0≤5Hz時，ω0′＝0。Ro為正數，橫切面比值判定值R′o為：當Ro＞5時，R′o＝1；當1＜Ro≤5時，R′o＝0.5；當0.5＜Ro≤1時，R′o＝0.2；當0＜Ro≤0.5時，R′o＝0。如果判定參數中的4個判定值任意一個為0，則設定判定參數為0；如果4個判定值均不為0，則由判定值乘以各自的權重系數，得到判定參數。第五步：判斷耦合效果判定參數介于0和1之間，值越大表示耦合效果越好。判本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種判斷海底地震儀與航行艦船地震波信號耦合效果的方法，其特征是第一步：確定阻尼系數和固有角頻率通過實驗室實驗和測試數據的后處理確定海底地震儀的阻尼系數和固有角頻率；實驗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和海水樣本，海底介質的體積大于實驗水池底部面積與0.5米的乘積，海水介質的體積大于實驗水池底部面積與海底地震儀1.5倍高度的乘積；在實驗水池兩個相互垂直的池壁上各安裝1個定滑輪，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；在實驗水池中鋪上0.5米厚度的海底介質樣本，設置海底地震儀開始采集數據，將海底地震儀放置與海底介質上；海底地震儀距離未安裝定滑輪的兩個池壁都為0.5米，海底地震儀中地震波傳感器的兩個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；在實驗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水平方向為X方向和Y方向，定義地震波傳感器垂直方向為Z方向，按傳感器X、Y和Z方向的順序釋放浮球同時記錄各自釋放的時間；對海底地震儀的測試數據進行幅度譜分析，找到幅度譜峰值Amax所對應的頻率f0，在幅度譜峰值兩側找到幅度對應的頻率f1和f2，此時就可以計算得到海底地震儀的阻尼系數hc和固有角頻率ω0為和ω0＝2πf0；第二步：計算耦合系數和橫切面比值耦合系數由結構質量、結構排開水的質量及與海底地震儀一起運動的水的質量計算得到，橫切面比值由海底地震儀的底寬和高度計算得到；將放置與實驗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量為Mo、底寬為Do、高度為Ho，測量海水的密度為ρw，測量實驗水池的長度為L、寬度為D、水深為h0；將海底地震儀放置于實驗水池的中心位置，再次測量實驗水池水深為h1；計算得到結構排開水的質量Mw為ρw·L·D·(h1?h0)，與海底地震儀一起運動的水的質量M′w為0.5·ρw·L·D·(h1?h0)，得到耦合系數C為：C=Mo-MwMw′=Mo-ρw·L·D·(h1-h0)0.5·ρw·L·D·(h1-h0)=Mo0.5·ρw·L·D·(h1-h0)-2]]>橫切面比值Ro為第三步：確定權重系數結合航行艦船地震波信號特征確定耦合系數、阻尼系數、固有角頻率和橫切面比值的權重系數，采用的賦權方法為主觀賦權法；(1)耦合系數表征海底地震儀與航行艦船地震波信號是否能夠一起運動，直接決定海底地震儀與海底介質的耦合效果，權重系數設置為0.3；(2)阻尼系數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定狀態，決定海底地震儀的抗干擾能力，權重系數設置為0.15；(3)固有角頻率表征海底地震儀在哪些頻點最敏感即引起的振動最劇烈，這是在檢測航行艦船地震波信號時最應該引起重視的問題，它往往導致航行艦船地震波信號無法有效檢測，權重系數設置為0.45；(4)橫切面比值表征海底地震儀遇到海水沖擊時的搖擺程度，它可以引起海底地震儀中地震波傳感器三個方向之間的互相耦合，設置權重系數為0.1；第四步：確定判定參數判定參數由耦合系數、阻尼系數、固有角頻率和橫切面比值共同確定，根據權重系數設置，得到判定參數Df的表達式為：Df＝0.3·C′+0.15·h′c+0.45·ω′0+0.1·R′o式中，C′為耦合系數判定值，h′c為阻尼系數判定值，ω′0為固有角頻率判定值，R′o為橫切面比值判定值；C為非負數，耦合系數判定值C′取值為：當0≤C＜0.1時，C′＝1；當0.1≤C＜0.5時，C′＝0.5；當0.5≤C＜5時，C′＝0.1；當5≤C時，C′＝0；hc的最大值為1，阻尼系數判定值h′取值為：當0.5≤hc≤1時，h′c＝1；當0.1≤hc＜0.5時，h′c＝0.2；當hc＜0.1時，h′c＝0；f0為非負數，固有角頻率判定值ω′0取值為：當f0＞100Hz時，ω′0＝1；當10Hz＜f0≤100Hz時，ω′0＝0.5；當5Hz＜f0≤10Hz時，ω′0＝0.2；當0Hz≤f0≤5Hz時，ω′0＝0；Ro為正數，橫切面比值判定值R′o為：當Ro＞5時，R′o＝1；當1＜Ro≤5時，R′o＝0.5；當0.5＜Ro≤1時，R′o＝0.2；當0＜Ro≤0.5時，R′o＝0；如果判定參數中的4個...
【技術特征摘要】
1.一種判斷海底地震儀與航行艦船地震波信號耦合效果的方法，其特征是：一、確定阻尼系數和固有角頻率：通過實驗室實驗和測試數據的后處理確定海底地震儀的阻尼系數和固有角頻率；實驗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和海水樣本，海底介質的體積大于實驗水池底部面積與0.5米的乘積，海水介質的體積大于實驗水池底部面積與海底地震儀1.5倍高度的乘積；在實驗水池兩個左右相互垂直的池壁上各安裝1個定滑輪，即共安裝2個定滑輪，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；在實驗水池中鋪上0.5米厚度的海底介質樣本，設置海底地震儀開始采集數據，將海底地震儀放置在海底介質上；海底地震儀距離未安裝定滑輪的兩個池壁都為0.5米，海底地震儀中地震波傳感器的兩個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實驗水池池底；在實驗水池中注入海水介質，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水平方向為X方向和Y方向，定義地震波傳感器垂直方向為Z方向，按地震波傳感器X、Y和Z方向的順序釋放浮球同時記錄各自釋放的時間；對海底地震儀的測試數據進行幅度譜分析，找到幅度譜峰值Amax所對應的頻率f0，在幅度譜峰值兩側找到幅度對應的頻率f1和f2，此時就可以計算得到海底地震儀的阻尼系數hc和固有角頻率ω0為和ω0＝2πf0；二、計算耦合系數和橫切面比值：耦合系數由結構質量、結構排開水的質量及與海底地震儀一起運動的水的質量計算得到，橫切面比值由海底地震儀的底寬和高度計算得到；將放置在實驗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量為Mo、底寬為Do、高度為Ho，測量海水的密度為ρw，測量實驗水池的長度為L、寬度為D、水深為h0；將海底地震儀放置于實驗水池的中心位置，再次測量實驗水池水深為h1；計算得到結構排開水的質量Mw為ρw·L·D·(h1-h0)，與海底地震儀一起運動的水的質量M′w為0.5·ρw·L·D·(h1-h0)，得到耦合系數C為：橫切面比值Ro為三、確定權重系數：結合航行艦船地震波信號特征確定耦合系數、阻尼系數、固有角頻率和橫切面比值的權重系數，采用的賦權方法為主觀賦權法；(1)耦合系數表征...
【專利技術屬性】
技術研發人員：崔培，白春志，吳云超，
申請(專利權)人：中國船舶重工集團公司第七六○研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21
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