СПОСОБ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в геологии для изучения структуры донных отложений шельфовых областей мирового океана, подводной акустике для поиска полезных ископаемых, а также для изучения распространения звука в мелком море.

В настоящее время существует достаточно много способов для профилирования донных осадков. К наиболее часто используемым относятся метод сейсмопрофилирования и эхолокации с использованием акустических сигналов (Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, 344 с.).

Метод сейсмопрофилирования основан на использовании для зондирования импульсного широкополосного сигнала, для получения которого используют в основном пневмопушки или электроискровые источники, а приемные системы состоят из протяженных буксируемых сейсмокос. По результатам обработки отраженных сигналов строятся годографы и, таким образом, восстанавливается структура осадочного чехла и глубина залегания пород фундамента.

Достоинством данного способа определения структуры дна является наибольшая из всех систем глубина сканирования дна (до нескольких километров), а недостатками - недостаточно высокая разрешающая способность, высокие стоимость оборудования и эксплуатационные затраты.

В методе эхолокации используют акустические сигналы, различающиеся по типам излучаемого сигнала: с применением дельта-импульса, гармонического и линейно-частотно-модулированного сигнала. Достоинствами данного способа является высокая разрешающая способность порядка 0,5-1 м, простота алгоритмов обработки сигнала, компактность приемоизлучающей системы. К общим недостаткам, свойственным всем этим методам, можно отнести сравнительно малую глубину зондирования донных отложений (десятки - сотни метров). (Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, 344 с.).

Известен способ определения структуры осадочной толщи в мелком море, включающий волновое зондирование на частотах ниже критической частоты акустических колебаний в водном слое и определение по полученным данным плотности, мощности слоев и скорости продольных волн. Регистрацию колебаний проводят одновременно не менее чем двумя приемниками, установленными на исследуемом участке дна моря на заданном расстоянии, а толщину слоев определяют путем сопоставления расчетных дисперсионных характеристик среды, полученных для различных вариантов структуры осадочной толщи, с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний (патент РФ №2087926, опубл. 20.08.1998). Однако данный способ позволяет определять толщину только верхнего слоя неконсолидированных осадков, применим только для стационарного случая, когда слои равномерные, и неприменим в случае сложного рельефа дна, имеет невысокую разрешающую способность из-за использования низких частот.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ профилирования донных отложений, реализованный в работе Касаткина Б.А., Косарева Г.В., Ларионова Ю.Г. Исследование дна Амурского залива акустическим профилографом высокого разрешения. Сборник трудов XI сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2001, т.2, с.18-22. Известное решение основано на принципе отражения распространяющихся в воде и грунте акустических широкополосных импульсов от всех границ раздела, в том числе, вода-дно, объекты искусственного или естественного происхождения, находящиеся на дне либо в толще дна, а также границы раздела между отдельными слоями морских осадочных пород.

Способ включает излучение широкополосных импульсных акустических зондирующих сигналов в диапазоне частот 3-8 кГц, прием отраженных сигналов, их корреляционную обработку в режиме реального времени и построение профиля донных осадков по времени задержки отраженного сигнала от границы раздела слоев, которое через известную зависимость скорости звука от свойств пород интерпретируется в толщину слоя и выводится, например, на экран компьютера в виде тенеграфического изображения.

Для реализации данного способа используют акустический профилограф высокого разрешения, состоящий из подводного антенного блока, приемопередающего блока, компьютера и автономного блока питания. Антенный блок установлен на носителе и включает в себя излучающую четырехмодульную антенну на основе пьезокерамических стержневых преобразователей, приемную антенну на основе пьезоцилиндров и соединительную кабельную коробку. Основой приемопередающего блока является сигнальный процессор, который управляет работой акустического профилографа: формирует излучаемый импульс, производит временную автоматическую регулировку усиления принятого сигнала, оцифровывает его и обрабатывает, а также осуществляет информационный обмен с персональным компьютером.

Для отчетливого диагностирования тонких структур морского дна при достаточно большой глубине прозвучивания - до 100 м используют широкополосные импульсные акустические сигналы в диапазоне (3-8) кГц. При незначительной глубине исследуемых акваторий (2-6) м в качестве излучаемого сигнала требуется использование короткого тонального сигнала с частотой 6 кГц и длительностью 0,5 мс. Такой режим излучения акустического зондирующего сигнала позволяет уменьшить мертвую зону приема, но вследствие малой энергетической мощности излучаемого сигнала ухудшает разрешающую способность и уменьшает глубину прозвучивания.

Задачей изобретения является увеличение глубины профилирования донных отложений при сохранении высокой разрешающей способности и ликвидация мертвой зоны приема.

Поставленная задача достигается способом профилирования донных отложений, при котором осуществляют излучение импульсного акустического зондирующего сигнала, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, при этом в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал модулированный М-последовательностью.

Фазоманипулированный сигнал модулированный М-последовательностью (y(t)) представляет из себя несущий гармонический сигнал, в котором фаза меняется на 180 град., когда значение модулирующей М-последовательности становится равным единице.

где А - константа, f - несущая частота сигнала, M(t) - модулирующая М-последовательность

М-последовательность представляет собой бинарную последовательность импульсов, которая обладает важным свойством - ее автокорреляционная функция, измеренная за конечный интервал времени, представляет собой один узкий треугольник, шириной 2 символа. Длина М-последовательности определяется количеством содержащихся в ней бинарных символов

N=2ⁿ-1,

где n - сложность последовательности.

Использование для профилирования донных осадков фазоманипулированного акустического зондирующего сигнала модулированного М-последовательностью, позволяет

- увеличить разрешение профилирования, поскольку оно определяется с точностью до одного символа и определяется количеством периодов несущей частоты на символ;

- в широком диапазоне регулировать глубину зондирования, позволяя получать качественные профили донных осадков на глубинах от 1 до 500 м, поскольку она зависит от мощности излучаемого сигнала и пропорциональна корню из количества символов в применяемой последовательности. Глубина зондирования увеличивается также за счет повышения помехозащищенности зондирующего сигнала, так как позволяет выделять слабые сигналы на фоне существенных помех;

- исключить мертвую зону, т.к. обработка сигналов данного типа за счет свойств когерентности позволяет уверенно выделять отраженный сигнал на фоне продолжающегося излучения зондирующего сигнала.

Известно применение подобных фазоманипулированных сигналов для задач акустической томографии моря [Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е.А., Каменев С.И., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А., Стробыкин Д.С. Акустический мониторинг динамики и структуры вод на шельфе Японского моря. XI школа семинар акад. Л.М.Бреховских «Акустика океана». М.: ГЕОС, 2006. с.149], однако для зондирования донных осадков сигналы данного типа никогда ранее не применялись.

Способ осуществляют следующим образом: в изучаемую среду излучают акустический зондирующий фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью, принимают отраженные от поверхностей раздела сигналы, проводят их корреляционную обработку с использованием ЭВМ и затем осуществляют построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала с последующей геологической интерпретацией полученных данных.

Выходные характеристики акустического зондирующего сигнала, а именно несущую частоту, мощность излучаемого сигнала, количество периодов несущей частоты на символ, сложность последовательности выбирают в зависимости от поставленной задачи. Увеличение частоты дает улучшение разрешающей способности, но уменьшается глубина за счет увеличивающегося с частотой затухания сигнала. Уменьшение частоты соответственно наоборот. Увеличение сложности сигнала приводит к увеличению глубины зондирования, а увеличение частоты несущего сигнала приводит к увеличению разрешающей способности. (Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е.А., Каменев С.М., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А., Стробыкин Д.С. Акустический мониторинг динамики и структуры вод на шельфе Японского моря. XI школа семинар акад. Л.М.Бреховских «Акустика океана». М.: ГЕОС, 2006. с.149).

Заявляемый способ был технически реализован в ходе серии натурных экспериментов в шельфовой области Японского моря в районе залива Посьета.

Для осуществления способа использовали устройство, включающее излучающую и приемную системы. Излучающая система представляла собой пьезокерамический излучатель кольцевого типа с собственной частотой резонанса 2400 Гц, помещенный в массивный фокусирующий экран с целью формирования узкой диаграммы направленности. В состав излучающей системы также входят усилитель и генератор фазоманипулированных сигналов, расположенные на береговом посту. В качестве генератора сигналов использовался персональный компьютер. Приемная система состояла из свернутой в кольцо диаметром 0.5 метра сейсмокосы, экрана, препятствующего проникновению отраженного от поверхности воды сигнала, и кабельного усилителя. Принятый отраженный сигнал поступает с приемной системы на фильтр низкой частоты, затем на 24-разрядное АЦП и после этого попадает на персональный компьютер, где в программном комплексе MatLab 5.3 осуществляется его корреляционная обработка и графическое отображение результатов.

Приемоизлучающий блок был стационарно установлен в 55 метрах от берега на дно на глубине 13 м и сообщался с ЭВМ на береговом посту по кабельным линиям.

На чертеже в координатах (х) глубина - (у) нормированная корреляционная функция сигнала представлены результаты профилирования акустическим сигналом мощностью 50 Вт с центральной несущей частотой излучателя 2125 Гц и с четырьмя периодами на символ. Сплошной линии соответствует зондирующий сигнал длиной 511 символов, а пунктирной линии - сигнал длиной 63 символа. Первый пик соответствует приходу прямого сигнала с излучающей системы на приемную, а последующие четыре соответствуют отражениям от границы раздела четырех слоев донных осадков. Пики, полученные с глубины более 30 метров, являются корреляционным шумом, так как при применении более длинной М-последовательности они существенно уменьшаются. Связанно это с тем, что в данном месте глубина залегания гранитного фундамента составляет порядка 20-30 метров.

Данные, полученные в ходе эксперимента, хорошо согласуется с геологическими данными для этого участка дна.

Таким образом, при типовых технологических и конструктивных решениях, свойственных методу акустического эхолоцирования, и сравнимой разрешающей способности, использование акустического фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, позволяет существенно увеличить глубину зондирования осадочного чехла при одинаковой мощности сигнала. В результате корреляционной обработки детектирование отраженного от границ слоев акустического сигнала происходит при соотношении сигнал/шум существенно меньше единицы. Использование сигналов разной длительности с различным количеством периодов на символ позволяет в широком диапазоне регулировать глубину зондирования и разрешающую способность системы. Также, благодаря когерентности фазоманипулированного акустического сигнала, модулированного М-последовательностью, отсутствует зона тени, что позволяет получать качественные профилограммы независимо от глубины погружения приемоизлучающей системы.

Способ предназначен для изучения структуры донных отложений шельфовых областей мирового океана, для применения в подводной акустике с целью поиска полезных ископаемых, а также для изучения распространения звука в мелком море. Техническим результатом изобретения является увеличение глубины профилирования донных отложений при сохранении высокой разрешающей способности и ликвидация мертвой зоны приема. Способ не требует громоздких протяженных приемоизлучающих систем, основан на акустическом профилировании донных осадков с использованием сложных фазоманипулированных сигналов, модулированных М-последовательностью, что позволяет существенно увеличить глубину зондирования при сохранении высокой разрешающей способности, а за счет отсутствия зоны тени получить качественные профилограммы независимо от глубины погружения приемоизлучающей системы. 1 ил.

Способ профилирования донных отложений, включающий излучение импульсного акустического зондирующего сигнала, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, отличающийся тем, что в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью.