СПОСОБ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к области геофизики и гидроакустики и может быть использовано для изучения структуры донных отложений в шельфовой зоне мирового океана, а также для изучения особенностей распространения звука в придонном слое мелкого моря.

Известен способ профилирования донных отложений, реализованный в работе Касаткина Б.А., Косарева Г.В., Ларионова Ю.Г. Исследование дна Амурского залива профилографом высокого разрешения. Сборник трудов Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2001, т.2, с.18-22. Известное решение основано на принципе отражения распространяющихся в воде и грунте широкополосных акустических импульсов от всех границ раздела, таких как граница раздела вода - морское дно, а также границы раздела между отдельными слоями морских осадочных пород.

Способ включает излучение широкополосных импульсных акустических 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 отраженных сигналов от границ раздела слоев. Использование широкополосных импульсных акустических сигналов позволяет реализовать в данном способе достаточно высокую разрешающую способность метода профилирования. Недостатком данного способа является сравнительно малая глубина профилирования.

Известен способ профилирования донных отложений, в котором для увеличения глубины профилирования при сохранении высокой разрешающей способности в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью (Патент РФ №23560696, МПК G01V 1/38, 2007 г.,). Данный способ является наиболее близким к заявляемому решению.

Этот способ профилирования донных отложений включает установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемом носителе и его буксировку над дном, излучение фазоманипулированного сигнала модулированного М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с акустической копией излученного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. В этом способе для увеличения глубины профилирования используют фазоманипулированный сигнал с достаточно большой базой, обладающий достаточной энергией, а разрешающая способность данного способа в вертикальном направлении сохраняется высокой за счет высокого отношения сигнал/шум на входе приемного тракта, что также обеспечивается выбором фазоманипулированного сигнала с достаточно большой базой.

Недостатком данного способа профилирования является низкая разрешающая способность в продольном направлении, т.е. в направлении буксировки антенны профилографа. Это объясняется тем, что антенна профилографа на рабочих частотах профилирования обладает слабой направленностью в вертикальной плоскости, вследствие чего точечный объект профилирования изображается на профилограмме в виде характерной параболы, что затрудняет правильную идентификацию объектов профилирования. Для увеличения разрешающей способности в продольном направлении либо увеличивают апертуру антенны профилографа, что существенно увеличивает и массо-габаритные характеристики профилографа, либо используют методику синтезирования апертуры. Такая методика применительно к задаче профилирования приведена, например, в работе А.И.Захаров, В.И.Каевицер, В.М.Разманов, В.Н.Раскатов, Применение методов синтезирования апертуры в низкочастотных эхолотах-профилографах. Труды VIII международной конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. С.Петербург, Наука, 2006, с.143-147. Однако алгоритмы синтезирования апертуры, описанные в этой работе, не учитывают различия в скорости распространения звука в воде и донных отложениях и связанного с этим преломления звуковых лучей на границе раздела вода - морское дно, а потому являются весьма приближенными. Как следствие, они являются достаточно эффективными только при малой величине синтезируемой апертуры и в случае, когда донные отложения являются неконсолидированным осадком, скорость звука в котором близка к скорости звука в воде.

Другой недостаток описанного способа заключается в том, что в области углов падения, меньших критического, а профилограф работает именно в этом диапазоне углов падения, имеет место обратная волна отдачи и связанное с ней двойное лучепреломление. Это явление также искажает изображение реальных объектов профилирования на профилограмме и ухудшает разрешающую способность по глубине залегания рассеивающих объектов.

Задачей изобретения является увеличение разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении методом синтезирования апертуры с учетом преломления лучей на границе раздела вода - морское дно и увеличение разрешающей способности в вертикальном направлении методом компенсации эффекта двойного лучепреломления, который возникает всегда при углах падения, меньших критического.

Поставленная задача решается способом профилирования донных отложений, включающим установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемом носителе и его буксировку над дном, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. Для компенсации пространственных искажений, связанных со слабой направленностью антенны профилографа, а следовательно, для увеличения разрешающей способности в продольном направлении и по глубине залегания рассеивающих объектов, излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, причем в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна, а усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К - канальным приемным трактом. После усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К - элементной приемной антенны, для каждой посылки импульсного сигнала, излученного в момент времени t_p=t₀+pT, Т - период следования импульсов излучения профилографа, р=1, 2, 3…, из массива обработанных данных формируются Q значений комплексной, амплитуды принятого сигнала $$S_{qp}^{(к)}$$ , соответствующих Q элементам пространственного разрешения в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала t_q∈(t₀, t_MAX), q=1, 2, Q, где $$Q=\raisebox{1ex}{$(t_{MAX}-t_0)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta t$}\right.$$ , $$t_0=\raisebox{1ex}{$2h$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_1$}\right.$$ , $$t_{MAX}=t_0+\raisebox{1ex}{$2H$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_2$}\right.$$ (c₁, c₂ - предварительно определенные эффективная скорость звука в воде и в донных отложениях соответственно, h - высота антенны профилографа над дном, $$\Delta t=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta f$}\right.$$ , Δf - полоса частот акустического фазоманипулированного сигнала, Н - предполагаемая глубина профилирования морского дна). Из Q элементов - строк формируется матрица из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала $$S_{qpn}^{(к)}$$ соответствующих Q элементам пространственного разрешения по временам прихода t_q и временам излучения t_pn=t_p±nT q∈(1, Q); n∈(0, N). Для каждого момента времени излучения t_pn и времени прихода t_q вычисляются временные задержки

$$\Delta t_{qn}=\Delta t_{qn}^{(1)}+\Delta t_{qn}^{(2)}$$

$$\Delta t_{qn}^{(1)}=t_0[\frac{1-\cos {\theta }_{11}}{\cos {\theta }_{11}}+\frac{1-\cos {\theta }_{21}}{\cos {\theta }_{21}}-\frac{t_q-t_0}{t_0}]$$ ,

$$t_q=\frac{2h}{c_1}+\frac{2z_q}{c_2}$$ , $$t_0=\frac{2h}{c_1}$$ , $$\cos {\theta }_{11}=\sqrt{1-{\sin }^2{\theta }_{11}}$$ , $$\cos {\theta }_{21}=\sqrt{1-c_{21}^2{\sin }^2{\theta }_{11}}$$ ,

$$\sin {\theta }_{11}={\chi }_0[1-{\overline{z}}_q\frac{{(1-{\chi }_0^2)}^{3/2}(c_{12}^2-{\chi }_0^2)}{{(c_{12}^2-{\chi }_0^2)}^{3/2}+c_{12}^2{\overline{z}}_q{(1-{\chi }_0^2)}^{3/2}}]$$ , $${\chi }_0=\frac{{\overline{r}}_n}{\sqrt{1+{\overline{r}}_{{}_n}^2}}$$ , $${\overline{r}}_n=\frac{nUT}{c_1{t}_0}$$ , $${\overline{z}}_q=c_{21}\frac{t_q-t_0}{t_0}$$

$$\Delta t_{qn}^{(2)}=t_0[\frac{\cos {\theta }_{11}-\cos {\theta }_{12}}{\cos {\theta }_{11}\cos {\theta }_{12}}+c_{12}^2\frac{\cos {\theta }_{21}-\cos {\theta }_{22}}{\cos {\theta }_{11}\cos {\theta }_{12}}\frac{\sin \left({\theta }_{12}-{\theta }_{11}\right)}{\cos {\theta }_{11}{\cos }_{22}+\cos {\theta }_{12}\cos {\theta }_{21}}]$$

$$\cos {\theta }_{22}=\sqrt{1-c_{21}^2{\sin }^2{\theta }_{12}}$$ ; $$c_{21}=\raisebox{1ex}{$c_2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_1$}\right.$$ , $$c_{21}=\raisebox{1ex}{$c_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_2$}\right.$$ ,

$$\sin {\theta }_{12}=[1-\frac{{\overline{z}}_q^2}{c_{12}}\frac{f_1(c_{12},{\overline{r}}_n)}{1+{\overline{z}}_q^2{f}_2\left(c_{12},{\overline{r}}_n\right)}]\sqrt{\frac{c_{12}^2-{\overline{z}}_q^2}{1-{\overline{z}}_q^2}}$$ ,

$$f_1(c_{12},{\overline{r}}_n)=\frac{c_{12}^2(1-c_{12}^2)}{2c_{12}(c_{12}-{\overline{r}}_n\sqrt{1-c_{12}^2})},$$

$$f_2(c_{12},{\overline{r}}_n)=f_1\left(c_{12},{\overline{r}}_n\right)[\frac{3-7c_{12}^2}{2c_{12}(1-c_{12}^2)}-2\frac{\sqrt{1-c_{12}^2}+{\overline{r}}_n{c}_{12}^2}{c_{12}\sqrt{1-c_{12}^2-{\overline{r}}_n\left(1-c_{12}^2\right)}}]$$ ,

(U - предварительно определенная скорость носителя антенны профилографа, Z_q - глубина отражающего слоя). Для каждого момента времени прихода принятых сигналов t_q и времени излучения t_pn синфазно суммируются 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину

$$\langle S_{qp}^{(k)}\rangle =\frac{1}{2N+1}{\displaystyle \sum _{n=0}^N{S}_{qpn}^{(k)}(t_p+\Delta t_{qn})}\left(1\right)$$

повторяются операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных р>N+1, q≤Q для каждого элемента приемной антенны. Для каждого момента времени прихода принятых сигналов t_q и времени излучения t_p синфазно суммируются К сигналов, принятых К - элементной приемной антенной, сдвинутых по временной шкале на величину кТ

$$\langle S_{qp}\rangle =\frac{1}{K}{\displaystyle \sum _{k=1}^K\langle S_{qp}^{(k)}\rangle (t_{qp}+kT)}\left(2\right)$$

причем период следования импульсов излучения Т, длина отдельного элемента К - элементной приемной антенны L и скорость носителя антенны профилографа U связаны соотношением L=TU.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана лучевая трактовка двойного преломления лучей на границе раздела вода - морское дно z₀=h, r_n=nUT, на фиг.2 - схема формирования синтезированной апертуры.

В результате такой обработки всего массива данных пространственные искажения, связанные со слабой направленностью антенны профилографа, а также с двойным лучепреломлением, компенсируются, что равносильно увеличению направленности антенны профилографа в вертикальной плоскости и улучшению его разрешающей способности в продольном направлении и по глубине залегания рассеивающих объектов.

Способ профилирования донных отложений реализуется следующим образом.

При профилировании осадочного слоя морского дна предварительно измеряются или вычисляются эффективные значения скорости звука в воде и осадочном слое морского дна, которые входят в качестве параметров в алгоритмы обработки сигналов. Излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга. В качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна. Процесс профилирования включает в себя установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель, движение носителя антенны профилографа над дном со скоростью U, которая находится в определенном соотношении с длиной отдельного элемента антенны L и периодом следования импульсов излучения Т, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала К - элементной приемной антенной, ориентированной вдоль носителя антенны профилографа, усиление и корреляционную обработку принятых сигналов К - канальным приемным трактом.

Для увеличения разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении производят обработку всего массива данных, полученных на выходе К - канального приемного тракта, методом синтезирования апертуры с учетом преломления лучей на границе раздела вода - морское дно и эффектов двойного лучепреломления по формуле (1) для каждого элемента К - элементной приемной антенны и синфазное сложение сигналов, принятых отдельными элементами К - элементной приемной антенны, по формуле (2) с последующим графическим построением профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала.

При такой структуре приемной антенны профилографа, приемного тракта профилографа и предложенных алгоритмах обработки сигналов разрешающая способность профилографа в продольном направлении будет равна длине одного элемента антенны L, а эффективная синтезированная апертура равна (2N+1)KL.

Таким образом, предложенный способ отличается от известных новизной решения поставленной задачи и позволяет существенно увеличить разрешающую способность метода профилирования как в продольном направлении, так и в вертикальном направлении.

Изобретение относится к области геофизики и гидроакустики и может быть использовано для изучения структуры донных отложений в шельфовой зоне мирового океана, а также для изучения особенностей распространения звука в придонном слое мелкого моря. Сущность: способ профилирования донных отложений включает установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель, при этом излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, а в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна. Буксируют носитель над дном, производят излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала, при этом усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К - канальным приемным трактом. После усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К - элементной приемной антенны, формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала , из Q элементов - строк формируют матрицу, для каждого момента времени излучения t_pn и времени прихода t_q вычисляют временные задержки. Повторяют операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных для каждого элемента приемной антенны, для каждого момента времени прихода принятых сигналов t_q и времени излучения t_p, синфазно суммируют К сигналов, принятых К - элементной приемной антенной. Затем выполняют графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. Технический результат - увеличение разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении при сохранении достаточно большой глубины профилирования и высокой разрешающей способности в вертикальном направлении. 2 ил.

Способ профилирования донных отложений, включающий установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель и его буксировку над дном, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, отличающийся тем, что излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, причем в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна, а усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К - канальным приемным трактом; после усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К - элементной приемной антенны, для каждой посылки импульсного сигнала, излученного в момент времени t₀=t₀+pT, Т - период следования импульсов излучения профилографа, р=1, 2, 3…, из массива обработанных данных формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала $$S_{qp}^{(к)}$$ , в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала t_q∈(t₀, t_MAX), q=1, 2, Q, где $$Q=\raisebox{1ex}{$(t_{MAX}-t_0)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta t$}\right.$$ , $$t_0=\raisebox{1ex}{$2h$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_1$}\right.$$ , $$t_{MAX}=t_0+\raisebox{1ex}{$2H$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_2$}\right.$$ , (c₁, c₂ - предварительно определенные эффективная скорость звука в воде и в донных отложениях соответственно, h - высота антенны профилографа над дном, $$\Delta t=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta f$}\right.$$ , Δf - полоса частот акустического фазоманипулированного сигнала, Н - предполагаемая глубина профилирования морского дна), из Q элементов - строк формируют матрицу из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала $$S_{qpn}^{(к)}$$ , соответствующих временам прихода t_q и временам излучения t_pn=t_p±nT q∈(1, Q); n∈(0, N), для каждого момента времени излучения t_pn и времени прихода t_q вычисляют временные задержки
$$\Delta t_{qn}=\Delta t_{qn}^{(1)}+\Delta t_{qn}^{(2)}$$
$$\Delta t_{qn}^{(1)}=t_0[\frac{1-\cos {\theta }_{11}}{\cos {\theta }_{11}}+\frac{1-\cos {\theta }_{21}}{\cos {\theta }_{21}}\frac{t_q-t_0}{t_0}]$$ ,
$$t_q=\frac{2h}{c_1}+\frac{2z_q}{c_2}$$ , $$t_0=\frac{2h}{c_1}$$ , $$\cos {\theta }_{11}=\sqrt{1-{\sin }^2{\theta }_{11}}$$ , $$\cos {\theta }_{21}=\sqrt{1-c_{21}^2{\sin }^2{\theta }_{11}}$$ ,
$$\sin {\theta }_{11}={\chi }_0[1-{\overline{z}}_q\frac{{(1-{\chi }_0^2)}^{3/2}(c_{12}^2-{\chi }_0^2)}{{(c_{12}^2-{\chi }_0^2)}^{3/2}+c_{12}^2{\overline{z}}_q{(1-{\chi }_0^2)}^{3/2}}]$$ , $${\chi }_0=\frac{{\overline{r}}_n}{\sqrt{1+{\overline{r}}_{{}_n}^2}}$$ , $${\overline{r}}_n=\frac{nUT}{c_1{t}_0}$$ , $${\overline{z}}_q=c_{21}\frac{t_q-t_0}{t_0}$$
$$\Delta t_{qn}^{(2)}=t_0[\frac{\cos {\theta }_{11}-\cos {\theta }_{12}}{\cos {\theta }_{11}\cos {\theta }_{12}}+c_{12}^2\frac{\cos {\theta }_{21}-\cos {\theta }_{22}}{\cos {\theta }_{11}\cos {\theta }_{12}}\frac{\sin \left({\theta }_{12}-{\theta }_{11}\right)}{\cos {\theta }_{11}{\cos }_{22}+\cos {\theta }_{12}\cos {\theta }_{21}}]$$ ,
$$\cos {\theta }_{22}=\sqrt{1-c_{21}^2{\sin }^2{\theta }_{12}}$$ ; $$c_{21}=\raisebox{1ex}{$c_2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_1$}\right.$$ , $$c_{21}=\raisebox{1ex}{$c_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_2$}\right.$$ ,
$$\sin {\theta }_{12}=[1-\frac{{\overline{z}}_q^2}{c_{12}}\frac{f_1(c_{12},{\overline{r}}_n)}{1+{\overline{z}}_q^2{f}_2\left(c_{12},{\overline{r}}_n\right)}]\sqrt{\frac{c_{12}^2-{\overline{z}}_q^2}{1-{\overline{z}}_q^2}}$$ ,
$$f_1(c_{12},{\overline{r}}_n)=\frac{c_{12}^2(1-c_{12}^2)}{2c_{12}{(c_{12}-{\overline{r}}_n\sqrt{1-c_{12}^2})}^2},$$
$$f_2(c_{12},{\overline{r}}_n)=f_1\left(c_{12},{\overline{r}}_n\right)[\frac{3-7c_{12}^2}{2c_{12}(1-c_{12}^2)}-2\frac{\sqrt{1-c_{12}^2}+{\overline{r}}_n{c}_{12}}{c_{12}\sqrt{1-c_{12}^2-{\overline{r}}_n\left(1-c_{12}^2\right)}}]$$ ,
(U - предварительно определенная скорость носителя антенны профилографа, z_q - глубина отражающего слоя), синфазно суммируют 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину Δt_qn по формуле
$$\langle S_{qp}^{(k)}\rangle =\frac{1}{2N+1}{\displaystyle \sum _{n=0}^N{S}_{qpn}^{(k)}(t_p+\Delta t_{qn})}$$
повторяют операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных р>N+1, q≤Q для каждого элемента приемной антенны, для каждого момента времени прихода принятых сигналов t_q и времени излучения t_p синфазно суммируют К сигналов, принятых К - элементной приемной антенной, сдвинутых по временной шкале на величину кТ, по формуле
$$\langle S_{qp}\rangle =\frac{1}{K}{\displaystyle \sum _{k=1}^K\langle S_{qp}^{(k)}\rangle (t_{qp}+kT)}$$
причем период следования импульсов излучения Т, длина отдельного элемента К - элементной приемной антенны L и скорость носителя антенны профилографа U связаны соотношением L=TU.