海洋油气资源尤其是天然气水合物的勘探和开发有望成为21世纪缓解能源危机重要途径,因此需要大力发展海洋高分辨率地震勘探技术和装备,为油气和天然气水合物等资源的勘探和开发利用提供技术支持。电火花震源作为一种可控、装置简单和快速重复激发等优点被应用于海洋高分辨率地震勘探。然而,由于传统电火花震源基于水中脉冲电弧放电,但电压等级高、电极寿命短和信号重复性较差,因此一种基于水中脉冲电晕放电的等离子体震源逐步得到应用和发展,相比于电弧放电,拥有电压等级较低、电极寿命长和信号重复性好等优点。然而,对于等离子体震源的电声特性系统研究相对较少,本文依托30 J等离子体震源模块,系统地对电特性、气泡动力学和声特性进行了分析,同时为了满足深海高分辨率地震勘探需要,对深水条件下(高水静压力)下等离子体震源的电声特性进行了研究,提出了深拖发射阵的具体优化路线,主要研究内容和结论如下:1.相等放电能量下,充电电压越高可以获得更高的负载功率峰值,充电电容越大可以获得更大的功率脉宽。电极直径对负载电特性影响很小,当电极数目、电极间距、水体电导率和温度越大,负载功率峰值越大,脉宽越小,而负载能量变化很小。实验结果表明预放电时间为几μs和预放电能量为数百mJ,因此可以忽略不计。当放电能量为5 J～30 J时,等离子体放电的温度为9987 K～11920 K,二次放电的强度和持续时间远小于等离子体放电,同时发现二次放电的初始时间早于气泡破碎时刻,实测25 J和30 J下二次放电的温度分别为6673 K和6728 K。2.对于单气泡动力学,研究表明气泡周期和最大半径成线性关系,符合Rayleigh模型趋势,同时根据Rayleigh模型和假设气泡能量效率不受静压力的影响,建立了简单的预测不同静压力下气泡周期的模型,可以预测不同深度下声信号基频;对于多气泡动力学,研究发现不同间距和相位差下有四种典型的气泡动力学结果:融合、相向射流、反向射流和弹射现象。3.脉冲电晕放电产生的声信号有多个声脉冲,包括直达波和多个气泡脉冲,声信号基频为数百Hz左右。结合不同参数下的电特性,发现单电极和多电极放电条件下直达波脉宽和负载功率脉宽成幂函数关系;对于单电极放电,直达波峰值和负载功率或能量注入速率成幂函数关系,对于多电极放电,不同电极数目和间距下也成幂函数关系。对于单电极放电,气泡脉冲峰值与气泡能量成幂函数关系,但当水体温度高于20℃时,二次放电更加强烈导致气泡脉冲峰值下降。4.通过耐高水静压实验平台,研究了不同水深下电声特性,结果表明水静压力对电特性影响很小,而直达波峰值和源级随着水深的增大快速下降,当单脉冲能量超过20 J时水静压力导致的源级损失小于传播损失,不同深度下声信号的峰值频率都在20 kHz左右,模拟结果表明当水深达到2000m时,30J能量下声信号基频达到30kHz左右,表明直接深拖并不可行,需要进一步优化。5.提出了两种优化方案,一是多路延时输出,二是耐压透声发射阵。在常压和高压下验证了通过多路延时输出实现声脉冲的调幅调频,结果表明符合线性叠加原理,且延时时间越长,直达波峰值越小,脉宽越大;研究发现一种新的微孔电极结构可以大幅提高声脉冲峰值,自行设计了 22孔同轴透声发射阵并研究了电声特性,发现电导率为40mS/cm左右是直达波峰值最大,选取碳纤维作为耐压透声材料,1m长的碳纤维筒壁厚为10mm时可以在20MPa下工作,且10 kHz以下的声信号通过碳纤维筒壁几乎不产生损失。