气枪震源兼具绿色环保、重复性好、经济适用等优良特性,是海洋勘探中最主要的人工震源形式。同时,气枪气泡产生的压力载荷也可能会对周围的开采设备、工作船、探测船等海洋结构物造成破坏。要实现海洋勘探的目的,并完成对海洋结构物冲击环境的分析,就需要得到气枪震源的压力子波,了解其震源特性。从气枪震源的压力子波中可以得到其脉冲能量,频谱特性,信噪比等重要参数,是海洋地震资料及结构物受力分析等必不可少的关键信息。而气枪震源通常以气枪阵列的形式进行工作,不同的气枪阵列组合具有不同的震源特性和压力子波。要完成不同环境及工作目标下的海洋勘探,就需要对气枪阵列进行优化组合,提高阵列性能。因此,如何确定气枪震源的压力子波和如何提高气枪震源的性能成为气枪领域内的两大重要课题。目前常见的获取气枪震源子波的方式有实地测量、分析提取和数值模拟三种,实地测量受环境因素影响大,且需要耗费巨大的人力、物力、财力;分析提取对资料信息和数学算法的依赖性强,所获子波的真实性受到质疑;数值模拟以计算机为平台,通过建立气枪震源数值模型获得其压力子波,是最经常采用的气枪震源研究方法。本文以经典的理想子波模型为基础,引入热力学开口系统对模型中的绝热状态方程进行修改,建立了考虑气体物质转移和气泡传热等热力学因素的改进气枪模型,实现了对气枪气泡全过程的数值模拟。同时,本文在前人相干枪和气枪阵列模型中,引入相干因子来计及各枪之间的相互影响,模拟获得了更为精准的多枪远场压力子波,并给出了相干因子的取值建议。另外,本文采用粒子群优化算法建立了气枪阵列体积参数的智能优化模型,通过对多种简单阵列和某真实阵列的优化计算,获得了较为理想的优化结果。并提出了贴近工程实际的气枪阵列“换枪”优化技术,实现了在不改变阵列中单枪和相干枪规格的情况下较大幅度地提高其气泡比的目的。最后,本文采用自制的简易气枪开口边界模型,对简化出的“环形开口”和“四排气口”两种气枪的激发过程进行了实验研究,初步探讨了开口形式和枪径对于气泡形态的影响,为气枪的研究和设计提供了一些参考。