УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ НА АКВАТОРИЯХ Российский патент 1996 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к акустическому приборостроению и предназначено для сейсмоакустической разведки на акваториях.

Известны и широко применяются устройства для сейсмоакустической разведки на акваториях, содержащие буксируемые антенны, в которых в качестве акустических датчиков используют ненаправленные приемники звукового давления [1]
Недостатком этого устройства является низкая помехозащищенность от вторичного сигнала, переотраженного поверхностью воды, и акустических помех судна-буксировщика.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, акустические датчики буксируемой антенны которого содержат каналы звукового давления, колебательной скорости и сумматор. Сложение сигналов каналов звукового давления и колебательной скорости в сумматоре позволяет сформировать кардиоидную характеристику направленности, ориентированную минимумом в сторону поверхности воды, чем достигается подавление сигнала переотраженного поверхностью вода-воздух [2]
Недостаток прототипа заключается низкой помехозащищенности.

Для устранения указанного недостатка предложено устройство для сейсмоакустической разведки на акваториях, технический результат которого выражается в повышении помехозащищенности в нижней части звукового и инфразвуковом диапазонах частот.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для сейсмоакустической разведки на акваториях, включающем буксируемую антенну, содержащую каналы звукового давления и колебательной скорости, выходы каналов звукового давления и колебательной скорости подключены к входам блока перемножения, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства через однополупериодный пиковый детектор.

Кроме того, к выходу блока перемножения подключен второй однополупериодный пиковый детектор, имеющий полярность, обратную первому, выход которого соединен через инвертор с одним из входов сумматора, к второму входу которого подсоединен через линию задержки выход первого однополупериодного пикового детектора, причем выход сумматора соединен с регистрирующим устройством, а время задержки линии задержки равно отношению удвоенного заглубления буксируемой антенны от поверхности воды к скорости звука в воде.

Кроме того, выходы каналов звукового давления и колебательной скорости подключены к одинаковым блокам полосовых фильтров, соответствующие выходы которых соединены попарно с входами блоков перемножения, выходы которых через однополупериодные пиковые детекторы подсоединены к отдельным входам многоканального регистрирующего устройства.

Предлагаемое устройство позволяет одновременно подавить вторичный сигнал, переотраженный поверхностью воды, и акустические помехи судна-буксировщика, а также гидродинамические помехи, что в результате приводит к значительному росту помехозащищенности и, соответственно, улучшению качества получаемой геофизической информации.

То, что мультипликативная обработка сигналов, поступающих с каналов звукового давления и колебательной скорости, повышает помехозащищенность за счет одновременного подавления сигнала, переотраженного поверхностью воды, акустических помех буксировщика и помех обтекания, не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Таким образом, техническое решение соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Изобретение поясняется фиг.1-5.

На фиг. 1-3 показаны канал 1 звукового давления, канал 2 колебательной скорости, блок 3 перемножения, однополупериодные пиковые детекторы 4 и 6, "+" обозначение полярности однополупериодного пикового детектора, регистрирующее устройство 5, инвертор 7, линия 8 задержки, сумматор 9, блок 10 полосовых фильтров, многоканальное регистрирующее устройство 11.

На фиг.4,5 приняты следующие обозначения:
С₁ прямой сигнал;
С₂ сигнал переотраженный поверхностью воды;
ПА помехи акустические;
ПГ помехи гидродинамические;
А диаграмма направленности датчиков аналогов;
П диаграмма направленности датчиков прототипа;
И диаграмма направленности датчиков изобретения;
"+", "-" знаки полярности диаграммы направленности;
U электрическое напряжение на выходе блока перемножения;
τ- время задержки между сигналами С1 и С2.

Предлагаемое устройство содержит (фиг.1) канал 1 звукового давления и канал 2 колебательной скорости, каждый из которых содержит соответствующие датчики звукового давления и колебательной скорости (градиента давления) и усилители. В канал 2 колебательной скорости в зависимости от типа датчика может по аналогии с прототипом включаться интегратор. Выходы каналов 1 и 2 звукового давления и колебательной скорости подключены к входу блока 3 перемножения, выход которого подключен к входу однополупериодного пикового детектора 4, имеющего прямую полярность. Выход детектора 4 соединен с входом регистрирующего устройства 5.

Устройство (фиг.2) содержит каналы 1 и 2 звукового давления и колебательной скорости, подключенные к входам блока 3 перемножения. К выходу блока 3 перемножения подсоединены два однополупериодных пиковых детектора 4 и 6. Первый однополупериодный пиковый детектор 4 в прямой полярности, а второй однополупериодный пиковый детектор 6 в обратной. Выход детектора 4 соединен через линию 8 задержки с одним из выходов сумматора 9. Выход блока 6 соединен через инвертор 7 с другим входом сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к регистрирующему устройству 5.

Устройство (фиг.3) содержит каналы 1 и 2 звукового давления и колебательной скорости, каждый из которых подключен к одинаковым блокам 10 полосовых фильтров. Соответствующие (одинаковые по частоте) выходы полосовых фильтров попарно подключены к блокам 3 перемножения, число которых равно количеству частотных полос, выделяемых при фильтрации. К выходу каждого блока 3 перемножения подключен отдельный однополупериодный пиковый детектор 4. Выходы всех однополупериодных пиковых детекторов 4 подключены каждый к отдельному входу многоканального регистрирующего устройства 11.

Предлагаемое устройство для сейсмоакустической разведки на акваториях функционирует следующим образом.

Судно-буксировщик (фиг.4) буксирует излучатель и гибкую буксируемую антенну. Акустический сигнал излучается излучателем, отражается от донных структур и поступает (С1) на акустические датчики (А, П, И) буксируемой антенны. Затем полезный сигнал вновь переотражается поверхностью воды и также поступает (С2) на акустические датчики (А, П, И) буксируемой антенны, искажая сигнал С1. Одновременно акустические датчики (А, П, И) буксируемой антенны, подвергаются воздействию акустических помех (ПА), источником которых является буксировщик. Кроме того, на акустические датчики (А, П, И) воздействуют гидродинамические помехи (ПГ) структурные вибрации и турбулентные пульсации давления. Таким образом, на выходе канала 1 звукового давления (фиг.1) предлагаемого устройства имеет место сигнал вида
Р_С1+Р_С2 e ^iωτ +Р_ПГ+Р_ПА, (1) где Р_С1 звуковое давление сигнала С1;
Р_С2 звуковое давление сигнала С2;
Р_ПГ звуковое давление гидродинамических помех;
Р_ПА звуковое давление акустических помех,
τ= 2kr, где k волновое число;
r заглубление антенны от поверхности воды.

На, выходе канала 2 колебательной скорости наблюдается сигнал вида
V_C1-V_C2 e ^iωτ + V_ПГ+V_ПА, (2) где С1 колебательная скорость в звуковой волне сигнала С1;
С2 колебательная скорость в звуковой волне сигнала С2;
V_ПГ колебательная скорость гидродинамической помехи;
V_ПА колебательная скорость в звуковой волне акустической помехи.

Знак минус перед вторым слагаемым, принимаемым со стороны поверхности воды, имеет место вследствие противофазности лепестков дипольной диаграммы направленности акустического датчика И (фиг.4). Кроме того, вследствие наличия минимума диаграммы направленности акустического датчика И в направлении судна буксировщика помеха акустическая (ПА, фиг.4) существенно подавляется, т.е. в выражении (2)
v_ПА_→ 0
С учетом некоррелированности сигналов и помех на выходе блока 3 перемножения (фиг.1) наблюдается в этом случае сигнал вида
-e^2iωτ+ (3) где "-" означает осреднение во времени по длительности прямого сигнала С1, вносимое блоком 3 перемножения.

Как показано В.С.Петровским (Нестационарные задачи гидроакустики, Л. Судостроение, 1988, с. 10-11), давление и колебательная скорость псевдозвука (гидродинамической помехи) не коррелированы, следовательно, в выражении (3)
0
На выходе однополупериодного детектора 4, имеющего прямую полярность, остается только импульс положительной полярности.

Таким образом, сигнал на регистрирующем устройстве 5 имеет вид
= (4)
Для сравнения сигналы для аналога и прототипа имеют соответственно следующий вид
+
(5)
+
(6)
Следовательно, в предлагаемом устройстве (фиг.1) сигнал С1 очищается от искажений и помех, что эквивалентно росту помехозащищенности.

Сигнал С2 (фиг.5) в предлагаемом устройстве (фиг.2) может быть использован для увеличения уровня полезного сигнала С1. Действительно, после блока 3 перемножения (см. соотношение (3)) сигналы С1 и С2 могут быть легко разделены по полярности (фиг.5). Очевидно, что при небольших заглублениях буксируемой антенны, обычно используемых на практике, ( ≈10 м) сигнал С2 отличается от сигнала С1 в основном сдвигом фазы ω τ 2kr, где ω- циклическая частота; τ время набега сигнала С2; k волновое число; r заглубление антенны от поверхности воды.

Таким образом, если задержать сигнал С1 на время τ то сигналы С1 и С2 складываются синфазно, тем самым увеличивая уровень полезного сигнала почти вдвое, что эквивалентно повышению помехозащищенности. В устройстве (фиг.2) сигнал С1 с однополупериодного пикового детектора 4 прямой полярности поступает на линию 8 задержки. В то же время сигнал С2 с однополупериодного пикового детектора 6 обратной полярности подается на инвертор 7. В сумматоре 9 происходит синфазное сложение сигналов С1 и С2, сумма регистрируется регистрирующим устройством 5.

При работе с широкополосными зондирующими сигналами дополнительное повышение помехозащищенности и информативности достигается за счет спектрального анализа. В предлагаемом устройстве спектральный анализ выполняется как показано на фиг. 3. Сигналы с каналов 1 и 2 звукового давления и колебательной скорости поступают на идентичные блоки 10 полосовых фильтров. Одинаковые по частотным полосам выходы блоков 10 полосовых фильтров соединяются попарно с блоками 3 перемножения, где происходит вычисление составляющей P_C1V_C1 для каждой частотной полосы. Составляющая P_C2V_C2 обрезается однополупериодными пиковыми детекторами 4 прямой полярности. Сигнал С1 по каждой из частотных полос регистрируется многоканальным регистрирующим устройством 11.

Использование: в акустическом приборостроении для сейсмической разведки на акваториях. Сущность изобретения: устройство содержит каналы 1 и 2 звукового давления и колебательной скорости. Каналы подключены к входу блока 3 перемножения. К выходу блока 3 перемножения подключен однополупериодный пиковый детектор 4 прямой полярности, соединенный с регистрирующим устройством 5. При работе устройства обеспечивается подавление вторичного сигнала, переотраженного поверхностью воды за счет разной полярности с прямым сигналом. Уровень гидродинамических помех снижается за счет взаимнокорреляционной обработки сигналов с каналов 1 и 2 давления и колебательной скорости в блоке 3 перемножения. Кроме того, с целью использования вторичного сигнала, переотраженного поверхностью воды, в устройство введен однополупериодный пиковый детектор 6 обратной полярности. Детектор 6 выделяет вторичный сигнал и подает его на вход сумматора 9 через инвертор 7. Задержка времени линией 8 равна отношению удвоенного заглубления буксируемой антенны от поверхности воды к скорости звука в воде. При подключении выхода линии 8 задержки к входу сумматора 9 достигается синфазное сложение прямого и вторичного сигналов. Это увеличивает уровень полезного сигнала приблизительно в два раза без изменения уровня помех. Кроме того, для проведения спектрального анализа при работе с широкополосными зондирующими сигналами сигналы с каналов 1 и 2 звукового давления и колебательной скорости поступают на идентичные блоки 10 полосовых фильтров. Вторичные сигналы, переотраженные поверхностью воды, обрезаются однополупериодными пиковыми детекторами прямой полярности. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для сейсмоакустической разведки на акваториях, включающее буксируемую антенну, содержащую каналы звукового давления и колебательной скорости, отличающееся тем, что выходы каналов звукового давления и колебательной скорости подключены к входам блока перемножения, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства через однополупериодный пиковый детектор. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к выходу блока перемножения подключен второй однополупериодный пиковый детектор, имеющий полярность, обратую первому, выход которого соединен через инвертор с одним из входов сумматора, к второму входу которого подключен через линию задержки выход первого однополупериодного пикевого детектора, причем выход сумматора соединен с регистрирующим устройством, а время задержки линии задержки равно отношению удвоенного заглубления буксируемой антенны от поверхности воды и скорости звука в воде. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выходы каналов звукового давления и колебательной скорости подключены к одинаковым блокам полосовых фильтров, соответствующие выходы которых соединены попарно с входами блоков перемножения, выходы которых через однополупроводниковые пиковые детекторы подсоединены к отдельным входам многоканального регистрирующего устройства.