[发明专利]一种探测河底表层泥沙物性的方法

摘要

本发明属于声学和地球物理领域，具体涉及一种探测河底表层泥沙物性的方法。该方法通过提取浅地层剖面声波数据，分析浅地层剖面数据，计算衰减系数α，根据孔隙率‑反射系数曲线查找孔隙率，计算渗透率κ，计算泥沙波速c；计算渗透率‑衰减系数曲线，根据步衰减系数α，查询渗透率；经过多次迭代计算，当孔隙率β_n和前次迭代值β_n‑1差异较小时停止迭代；计算泥沙密度ρ，计算反射系数R(f)；输出渗透率κ，泥沙波速c，反射系数R(f)，衰减系数α，泥沙密度ρ。该方法可获取多种泥沙物性参数，丰富淤积泥沙信息，仅利用浅底层剖面仪即可获取水底泥沙物性参数，节约人力物力，提高工作效率，该方法可获取较为精确的泥沙参数信息，为河流动力学等研究提供数据支撑。

主权项

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＝βρf+(1‑β)ρs    (2)τx＝K0τz    (13)τy＝K0τz     (14)τz＝(1‑β)(ρs‑ρf)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，δb＝0.1，δs＝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)Hs(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，Hs(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tr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tr与频移Δf的关系曲线得到弛豫时间tr，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＝‑log2dmm，dmm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。