ПРИЕМОИЗЛУЧАЮЩАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (ПИК-ГАС) Российский патент 2003 года по МПК G01V1/04 

Изобретение относится к области технической гидроакустики и, в частности, к активным гидроакустическим системам, предназначенным для исследования промыслового шельфа на нефть и газ, определения места установки буровой вышки, для обнаружения подводных объектов и классификации их в реальном масштабе времени, для создания имитирующего акустического поля при калибровке и аттестации среды и шумящих объектов, для мониторинга разрабатываемых месторождений и рыбных запасов океана.

Известны активные гидроакустические системы с линейными, плоскими, цилиндрическими или сферическими антеннами таких фирм США, как "Хониу Элл", "Бендикс", "Рейтон", "Дженерал Электрик" [1, 2], антенны которых содержат прочный корпус, начиненный пьезоэлектрическими преобразователями.

Недостатком этих гидроакустических систем является то, что их антенны на излучение акустической мощности разработаны на пьезокерамических преобразователях, у которых при снижении излучаемой частоты существенно увеличиваются массогабаритные характеристики, стоимость как самих антенн, так и генераторов их электропитания, их подъемно-опускных устройств.

Как правило, это резонансные одночастотные гидроакустические системы.

Известно, что при излучении подобными системами широкополосного сигнала и тем более низкочастотного резко падает электроакустический коэффициент полезного действия.

Во всем мире в гидроакустике в силу физико-механических свойств пьезокерамики разрабатываются одночастотные резонансные (узкополосные) активные гидроакустические системы, на которых невозможно произвести амплитудно-фазовые распределения в широкой полосе частот и тем более в низкочастотной полосе, для эффективного обнаружения подводных объектов.

В сейсморазведке наоборот на вооружение приняты импульсные широкополосные системы, но с неуправляемым акустическим энергетическим спектром излучения:
- пневмопушки;
- вибросейсы;
- устройства, разработанные на твердых и газообразных взрывчатых веществах, и т.д.

Это два крайних технических решения проблемы обеспечения акустическими средствами потребителей.

Но специалистам-теоретикам известно, что для гидроакустики и для сейсморазведки более эффективны когерентные низкочастотные широкополосные (5÷1000 Гц) приемоизлучающие системы с управлением амплитудно-фазовым распределением излучаемым энергетическим спектром.

Целью настоящего изобретения является увеличение глубины просвечивания промыслового шельфа на нефть и газ или дальности обнаружения подводного объекта в реальном масштабе времени и улучшение классификации при одновременном снижении массы, габаритов и стоимости. Поставленная цель достигается за счет создания низкочастотной широкополосной приемоизлучающей когерентной гидроакустической системы.

Преимущества использования когерентных зондирующих сигналов в задачах сейсморазведки и обнаружения подводных целей проследим на следующем доказательстве.

Как известно, основными критериями эффективности разрабатываемых низкочастотных акустических систем для исследования земной поверхности на нефть и газ и обнаружения подводных целей является отношение энергии зондирующего сигнала к энергии существующей помехи [3]
ΔF_н•T_н/ΔF_п•T_п, (1)
где ΔF_н•T_н - энергия зондирующего сигнала;
ΔF_п•Т_п - энергия реально существующей помехи в момент приема сигнала.

И чем это отношение больше, тем эффективнее разработанная система. Поэтому существующие импульсные источники звука (вибросейсы, пневмопушки) разрабатываются на десятки и сотни киловатт мощности. Традиционно в задачах сейсморазведки используются некогерентные импульсные источники зондирующих сигналов (взрывного типа). Поскольку зондирующий сигнал, а значит и отраженный полезный эхосигнал некогерентен во времени, как и помеха, то при согласованной фильтрации одного зондирующего импульса в полосе частот последнего не происходит увеличение отношения сигнал/помеха, так как выигрыш в отношении сигнал/помеха некогерентного накопления равен

а в этом случае (3)
где ΔF_н - эффективная полоса частот зондирующего сигнала;
Т_н - время излучения зондирующего сигнала.

Поэтому для увеличения отношения сигнал/помеха увеличивают не только энергию зондирующего сигнала, но и количество приемных каналов, по которым производится накопление (суммирование) сигналов с целью увеличения отношения сигнал/помеха [4].

В современных системах сейсморазведки количество приемных каналов доводится до нескольких тысяч и даже десятков тысяч, что делает приемную систему весьма громоздкой, дорогой и сложной в работе.

В данном изобретении предлагается для повышения отношения сигнал/помеха на одном зондировании использование когерентных во времени зондирующих сигналов большей длительности, чем сигналы источников взрывного (импульсного) типа.

При использовании когерентных сигналов и свертки эхосигналов с опорным (зондирующим) сигналом выигрыш в отношении сигнал/помеха пропорционален
ΔF_k•T_k. (4)
Таким образом, выигрыш в отношении сигнал/помеха когерентной временной обработки по отношению к некогерентной обработке составит

При одинаковой полосе зондирующих сигналов ΔF_k = ΔF_н и при равной энергии зондирующих сигналов для достижения одинакового выигрыша в отношении сигнал/помеха при когерентной обработке можно в раз уменьшить количество приемных каналов при использовании когерентной пространственной обработки, при этом выигрыш в отношении сигнал/помеха когерентного зондирования и обработки составит

где ΔF_k - эффективная полоса частот когерентного зондирующего сигнала,
T_k - время излучения когерентного зондирующего сигнала,
ΔF_н - эффективная полоса частот некогерентного зондирующего сигнала,
Т_н - время излучения некогерентного зондирующего сигнала.

Из приведенного выше можно сделать вывод, что только применение зондирующих сигналов большой длительности при когерентном излучении и обработке мы получаем выигрыш, а учитывая возможности применения еще частотного и аплитудно-фазового распределения (модулирования) излучаемых сигналов, преимущество широкополосных когерентных систем неоспоримо.

Технически поставленная цель достигается тем, что известная гидроакустическая система, содержащая прочный корпус, пьезокерамические приемные элементы, соединенные с электронным коммутатором и электронным вычислительным комплексом, первичный источник электропитания, кабель-трос и якорь, снабжена, например, низкочастотным широкополосным электромагнитным излучателем, выполненным по заявке 5047896/28 от 27.11.1997 г., бюл. 33, на которую выдан патент Российской Федерации 2097148, соединенным с источником электропитания и электронной системой управления режимом работы, при этом модулирование излучаемого низкочастотного широкополосного гидроакустического сигнала осуществляется по заранее заданному закону, уравнения которого являются базовыми уравнениями в программно-алгоритмическом обеспечении процесса приема и обработки принятого гидроакустического сигнала, например контрольными (базовыми) уравнениями могут быть гидроакустические сигналы, излученные по следующим выражениям:
1) монохроматический (тональный)
S(t)=a•sin[2π•f_i•t], t∈[0,T],
2) линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ)

3) многочастотный (МЧ)
S(t)=a•sin[2πf_i•(t-t_i]; t∈[t_i,t_i+1], i=1÷N,
где а - амплитуда сигнала;
f_i, f_h - начальная и конечная частота из рабочего диапазона;
N - количество частот;
{f_i} - набор частот из рабочего диапазона;
Т - длительность сигнала;
{t_i} - моменты перемены частоты.

t_i=(i-1)T/N.

На фиг.1 изображен внешний вид когерентной приемоизлучающей системы;
на фиг.2 - структурная схема системы;
на фиг.3 - внешний вид донной автономной системы;
на фиг. 4 - внешний вид объемной вертикально-развитой низкочастотной широкополосной когерентной приемоизлучающей гидроакустической системы.

Приемоизлучающая когерентная гидроакустическая система (ПИК-ГАС) состоит из прочного корпуса 1 (фиг.1), в котором размещены низкочастотный широкополосный электромагнитный излучатель 2, выполненный, например, по заявке 5047896/28 от 27.11.1997 г., бюл. 33, на которую выдан патент Российской Федерации 2097148, соединенный с широкополосным усилителем мощности 3 (фиг.2), который в свою очередь соединен с электронной системой управления 4 и автономным источником электропитания 5.

Приемные пьезокерамические элементы размещены в штыревых антеннах 6 и 7, размещенных выше и ниже корпуса 1. Приемные антенны 6 и 7 соединены с электронным коммутатором 8 и электронным вычислительным комплексом 9, который в свою очередь соединен с электронной системой управления 4 и автономным источником электропитания 5. Штыревые элементы каждой антенны 6 и 7 лежат в одной плоскости и взаимоперпендикулярны, и, будучи жестко соединены между собой через корпус 1, преобразуют "Крест Миллса" в объемную двухкоординатную приемную систему с базами А и Б (фиг.1). Такое расположение в системе штыревых антенн 6 и 7 образует легкую объемно-развитую апертуру, что позволяет системе не только принять сигнал в низкочастотном диапазоне, но и эффективно определить пеленг на объект и его классифицировать.

В корпусе 1 размещена приемная антенна 10 для принятия спецкоманд, например сигнал для работы системы в режиме активного эхопеленгования, в режиме пассивного шумопеленгования или, например, сигнал для всплытия системы, и система компенсации гидростатического давления 11. Нижний торец корпуса 1 кабель-тросом 12 соединен с контейнером 13, в котором размещен автономный источник электропитания 5 и якорь 14, а верхний торец корпуса 1 закреплен к положительной плавучести и к радиобую (не показано).

Приемоизлучающая когерентная гидроакустическая система работает следующим образом.

В процессе постановки ПИК-ГАС на глубину система компенсации гидростатического давления 11 выравнивает внутреннее давление воздуха в корпусе 1 с внешним гидростатическим (фиг.1 и 2).

В исходном состоянии в режиме самоконтроля устройство находится в вертикальном положении, растянутое между якорем 14 и положительной плавучестью. Приемная антенна 10 в ждущем режиме получает минимально необходимое электропитание от автономного источника питания 5, через электронный коммутатор 8 и автономную систему управления 4. При таком режиме работы системы через радиобуй или по гидроакустическому каналу связи на приемную антенну 10 подается команда на начало работы по прямому назначению. С приемной антенны 10 электрический сигнал через электронный коммутатор 8 поступает на электронную систему управления 4 режима работы, которая включает автономный источник электропитания 5 на полную мощность. От источника 5 получают электропитание все потребители, в том числе и широкополосный усилитель мощности 3, электронный вычислительный комплекс 9, приемные антенны 6 и 7.

Поступивший гидроакустический сигнал на приемные антенны 10 обрабатывается в электронно-вычислительном комплексе 9 и через систему управления 4 включается программа генерирования акустического сигнала и подается на усилитель 3.

Широкополосный усилитель мощности 3 усиливает эти электрические сигналы и подает их на широкополосный электромагнитный излучатель 2.

В соответствии с заданным программно-алгоритмическим обеспечением, суть которого состоит в том, что в процессе формирования электрических сигналов и излучения акустических сигналов и в процессе приема и обработки опорными являются одни и те же базовые уравнения, в соответствии с которыми электромагнитный излучатель 2 излучает в окружающую среду акустическое поле определенного энергетического спектра и интенсивности.

Излученный гидроакустический сигнал, распространяясь в среде, попадает на другие приемные системы или, получив свое отражение от объекта, возвращается обратно и попадает на приемные пьезокерамические элементы штыревых антенн 6 и 7.

Акустический сигнал, принятый пьезокерамическими элементами штыревых антенн 6 и 7, преобразуется в электрический и поступает через усилитель приема и электронный коммутатор 8 в электронный вычислительный комплекс 9, в котором осуществляется обработка и накопление полученной информации и ее оптимизация по базовым опорным уравнениям заданного алгоритма работы.

Принятое вычислительным комплексом 9 решение через систему управления 4 передается на усилитель мощности 3 и электромагнитный излучатель 2 генерирует в окружающую среду новый гидроакустический сигнал.

Наличие штыревых антенн 6 и 7, преобразующих "Крест Миллса" в объемную двухкоординатную приемную систему, позволяет с меньшими погрешностями определить азимут на объект или границы нефтяных и газовых месторождений в промысловом шельфе.

На основном принципе, а именно разделение функций: излучение осуществлять низкочастотными широкополосными электромагнитными излучателями, а прием - пьезокерамическими элементами, и используя при этом когерентные принципы излучения, приема и обработки гидроакустических сигналов в широкой полосе частот, представляется возможность разработать ряд более эффективных низкочастотных широкополосных приемоизлучающих когерентных гидроакустических систем нового поколения, изображенных на фиг.3 и 4.

Источники информации
1. Гидроакустика за 20 лет. Л.: Судостроение, 1975 г.

2. Л.К.Самойлов. Электронное управление характеристиками направленности антенн. Л.: Судостроение, 1987 г.

3. В.А.Зарайский, А.М.Тюрин. Теория гидролакации. Л., 1975 г.

4. Теоретические основы статической радиотехники. Том 2. /Под ред. Б.Р. Левина. М.: Сов. радио, 1975 г.

Использование: для исследования промыслового шельфа на нефть и газ, определения места установки буровой вышки, для обнаружения подводных объектов и классификации их в реальном масштабе времени, для создания имитирующего акустического поля при калибровке и аттестации среды и шумящих объектов для мониторинга разрабатываемых месторождений и рыбных запасов океана. Сущность: ПИК-ГАС состоит из низкочастотной широкополосной излучающей системы, выполненной не на пьезокерамических преобразователях, и приемной системы, выполненной на пьезокерамических преобразователях. При излучении акустического поля выполняются амплитудно-фазовые распределения в широкой полосе частот по заранее подготовленному закону модуляции излучаемого свипа, при этом уравнения для излучения акустического поля одновременно являются опорными уравнениями в программно-алгоритмическом обеспечении процессов приема и обработки акустических сигналов. Технический результат: увеличение дальности и осуществление классификации в реальном масштабе времени. 4 ил.

Приемоизлучающая когерентная гидроакустическая система "ПИК-ГАС", содержащая прочный корпус, пьезокерамические приемные элементы, приемную антенну, электронный коммутатор, электронную систему управления, электронный вычислительный комплекс, автономный источник электропитания, кабель-трос и якорь, отличающаяся тем, что она снабжена низкочастотным широкополосным электромагнитным излучателем, широкополосным усилителем мощности, штыревыми приемными антеннами, при этом электромагнитный излучатель подключен к выходу широкополосного усилителя мощности и к выходу электронной системы управления, штыревыми приемными антеннами, лежащими в параллельных плоскостях и взаимно перпендикулярно в одной плоскости, преобразуя при этом "Крест Миллса" в двухкоординатную объемную приемную систему с базами "А" и "Б", при этом пьезокерамические элементы, размещенные в штыревых антеннах, подключены к выходу электронного коммутатора, который своим выходом подключен на выход электронной системы управления и на вход электронного вычислительного комплекса, при этом широкополосный усилитель мощности, электронная система управления и электронный вычислительный комплекс подключены к автономному источнику питания, причем излучение гидроакустических сигналов системой обеспечивается как минимум следующих видов: 1) монохроматический (тональный)
S(t) = α•sin[2π•f_i•t]; t∈[0, T]
2) линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ)

3) многочастотный (МЧ)

где а - амплитуда сигнала;
f_i, f_h - начальная и конечная частота из рабочего диапазона;
N - количество частот;
{ f_i} - набор частот из рабочего диапазона;
Т - длительность сигнала;
{ t_i} - моменты перемены частоты t_i= (i-1)T/N.