[发明专利]一种探测河底表层泥沙物性的方法

权利要求书

1.一种探测河底表层泥沙物性的方法，其特征在于：所涉及的公式及参数如下：

k为波数，为角频率，f为频率，c为孔隙介质波速，ρ_f和ρ_s分别为孔隙流体密度和泥沙颗粒密度，且为已知常数，ρ是泥沙体密度，η表示孔隙水粘度，κ是渗透率，K_r是泥沙颗粒的体积模量，μ是泥沙框架的剪切模量，K_b和K_f分别表示泥沙骨架模量和孔隙流体的体积模量，F为孔隙流体随频率增加而产生的偏差，水的波速c_ω＝1500kg/m³，K_r＝3.2×10¹⁰Pa，K_f＝2.395×10⁹Pa，η＝0.001Kg/m*s；

ρ＝βρ_f+(1-β)ρ_s (2)

τ_x＝K₀τ_z (13)

τ_y＝K₀τ_z (14)

τ_z＝(1-β)(ρ_s-ρ_f)gz (15)

δ的取值范围为0.1～0.3，K₀＝0.5，g为重力加速度，z为水-泥沙交界面以下的深度，δ_b＝0.1，δ_s＝0.1；

F_(ε)由(16)-(19)式决定：

衰减系数由(20)-(24)式决定：

a＝C²-HM (20)

衰减系数＝Im{k₁}Im表示虚部 (24)

反射系数R(β,κ,f)由(25)式确定：

其中，B₁＝ρ_fω²，B₂＝Hk₁²-Ck₁²G₁，B₃＝Hk₂²-Ck₂²G₂，C₂＝Mk₁²G₁-Ck₁²，C₃＝Mk₂²G₂-Ck₂²；

2.1从浅地层剖面数据中提取反射系数R(f)的计算方法如下：发射和接收信号，从浅地层剖面仪接收信号中提取河水-表层泥沙交界面的反射系数，发射信号S(f)＝E(f)H_s(f)，接收信号谱可以表示为：

r₁为换能器到水底的距离，E(f)为源信号的频谱，H_s(f)为声呐系统的传输函数，E^*(f)为E(f)的复共轭函数，R(f)为声波反射系数；利用声呐接收的二次波信号计算声波反射系数R(f)，二次波经过压缩后的谱可表示为：

r₂为换能器距离水底的距离与水深之和，水底的反射信号经过空气-水界面反射，然后由水底反射被换能器接收，接收信号为二次波，反射系数为负数，通过式(28)得到声波反射系数R(f)：

2.2弛豫时间t_r与反射信号频移Δf关系曲线的建立方法

信号瞬时频率的计算方法：

s(t)为信号，为Hilbert变换，E(t)为函数包络，φ(t)为相位，φ(t)＝-jlog_e[z(t)/E(t)]，s(t)的瞬时频率为

浅地层剖面仪发射的信号为线性调频信号S(f)，由信号瞬时频率的计算方法计算S(f)的瞬时频率f₁，

泥沙的传输函数:

其中f为频率，x为声波在泥沙中的传播距离，V为声波在泥沙中的传播速度，只考虑声波在传播过程中的频移效应，反射信号表示为B'(f)＝S(f)H_a(f)，取x＝1m，由信号瞬时频率的计算方法，数值计算得到B'(f)的瞬时频率f₂，Δf＝f₁-f₂；得到t_r与频移Δf的关系曲线；

2.3计算声波在泥沙中的衰减系数α的方法：

根据2.2，从A'(f)中提取河水-表层泥沙反射信号瞬时频率f₁和表层泥沙-底部泥沙交界面反射信号的瞬时频率f₂，Δf＝f₁-f₂，由t_r与频移Δf的关系曲线得到弛豫时间t_r，

声波在泥沙中的衰减系数α＝k'f² (31)

2.4根据孔隙率-反射系数曲线查找孔隙率的方法：

中值粒径φ的单位为phi，φ＝-log₂d_mm，d_mm为泥沙颗粒的粒径，孔隙率β与中值粒径φ的经验公式

β＝0.208+0.0943φ-0.00334φ² (32)

渗透率κ与孔隙率β的经验公式，即Kozeny-Carman公式

d为泥沙中值粒径，K是经验常数估计，颗粒为圆管状时，K＝2；当颗粒为球状时，K＝5，

由式(25)和式(33)，得到中值粒径d、孔隙率β、频率f与反射系数的关系曲线模板。

2.一种探测河底表层泥沙物性的方法，其步骤如下:

(1)提取浅地层剖面声波数据，由从浅地层剖面数据中提取反射系数R(f)的计算方法如下：发射和接收信号，从浅地层剖面仪接收信号中提取河水-表层泥沙交界面的反射系数，发射信号S(f)＝E(f)H_s(f)，接收信号谱可以表示为：

r₁为换能器到水底的距离，E(f)为源信号的频谱，H_s(f)为声呐系统的传输函数，E^*(f)为E(f)的复共轭函数，R(f)为反射系数；利用声呐接收的二次波信号计算反射系数R(f)，二次波经过压缩后的谱可表示为：

r₂为换能器距离水底的距离与水深之和，水底的反射信号经过空气-水界面反射，然后由水底反射被换能器接收，接收信号为二次波，反射系数为负数，通过式(28)得到声波反射系数R(f)：

计算声波反射系数R(f)；

(2)分析浅地层剖面数据，计算频移Δf，查到弛豫时间t_r

信号瞬时频率的计算方法：

s(t)为信号，为Hilbert变换，E(t)为函数包络，φ(t)为相位，φ(t)＝-jlog_e[z(t)/E(t)]，s(t)的瞬时频率为

浅地层剖面仪发射的信号为线性调频信号S(f)，由信号瞬时频率的计算方法计算S(f)的瞬时频率f₁，

泥沙的传输函数:

其中f为频率，x为声波在泥沙中的传播距离，V为声波在泥沙中的传播速度，只考虑声波在传播过程中的频移效应，反射信号表示为B'(f)＝S(f)H_a(f)，取x＝1m，由信号瞬时频率的计算方法，数值计算得到B'(f)的瞬时频率f₂，Δf＝f₁-f₂；得到t_r与频移Δf的关系曲线，计算频移Δf，查到弛豫时间t_r；

(3)f取调频信号中心频率，计算衰减系数α

从A'(f)中提取河水-表层泥沙反射信号瞬时频率f₁和表层泥沙-底部泥沙交界面反射信号的瞬时频率f₂，Δf＝f₁-f₂，由t_r与频移Δf的关系曲线得到弛豫时间t_r，

α＝k'f² (31)；

(4)根据孔隙率-反射系数曲线查找孔隙率的方法：

中值粒径φ的单位为phi，φ＝-log₂d_mm，d_mm为泥沙颗粒的粒径，孔隙率β与中值粒径φ的经验公式

β＝0.208+0.0943φ-0.00334φ² (32)

渗透率κ与孔隙率β的经验公式，即Kozeny-Carman公式

d为泥沙中值粒径，K是经验常数估计，颗粒为圆管状时，K＝2；当颗粒为球状时，K＝5，

由式(25)得到中值粒径d、孔隙率β、频率f与反射系数的关系曲线模板；

(5)由式(1)计算孔隙介质波速c；

(6)计算渗透率-衰减系数曲线，根据步骤(3)的衰减系数α，查询渗透率；

(7)重复步骤(4)-(6)，经过多次迭代计算，当孔隙率β_n和前次迭代值β_n-1差异较小时，|β_n-1-β_n|β_n＜3％，停止迭代；

(8)由式(2)ρ＝βρ_f+(1-β)ρ_s计算泥沙体密度ρ，由式(25)计算反射系数R(f)；

(9)输出渗透率κ，孔隙介质波速c，衰减系数α，泥沙体密度ρ，

由公式(25)计算的反射系数R(f)。