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 №2356069, МПК G01V 1/38, 2007 г.). Данный способ является наиболее близким к заявляемому решению и принят за прототип.

Этот способ профилирования донных отложений включает установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель 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 массогабаритные 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. СПб, 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.

Задачей изобретения является увеличение разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении при сохранении достаточно большой глубины профилирования и высокой разрешающей способности в вертикальном направлении.

Поставленная задача решается способом профилирования донных отложений, включающим установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель и его буксировку над дном, при этом 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, 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, прием отраженного сигнала производят К-элементной приемной антенной, ориентированной вдоль носителя антенны профилографа, 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 формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала S^(K) _qp, в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала t_q∈(t₀, t_MAX), q=l,2, Q, где $$Q=\raisebox{1ex}{$\left(t_{MAX}-t_0\right)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\Delta t$}\right.$$ , $$t_0=\raisebox{1ex}{$2h$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_1$}\right.$$ , $$t_{MAX}=t_0+\raisebox{1ex}{$2H$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$c_2$}\right.$$ , (с₁, с₂ - предварительно определенные эффективные скорости 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, H - предполагаемая глубина профилирования морского дна). Из Q элементов - строк формируют матрицу из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала S^(K) _qpn, 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

$$\Delta t_{qn}=t_0\left[\frac{1-\cos {\theta }_1}{\cos {\theta }_1}+\frac{1-\cos {\theta }_2}{\cos {\theta }_2}\frac{t_q-t_0}{t_0}\right]$$ ,

$$t_q=\frac{2h}{c_1}+\frac{2z_q}{c_2}$$ , $$t_0=\frac{2h}{c_1}$$ , $$\cos {\theta }_1=\sqrt{1-{\sin }^2{\theta }_1}$$ , $$\cos {\theta }_2=\sqrt{1-c_{21}^2{\sin }^2{\theta }_1}$$ , $$\sin {\theta }_1={\chi }_0\left[1-{\overline{z}}_q\frac{{\left(1-{\chi }_0^2\right)}^{3/2}\left(c_{12}^2-{\chi }_0^2\right)}{{\left(c_{12}^2-{\chi }_0^2\right)}^{3/2}+c_{12}^2{\overline{z}}_q{\left(1-{\chi }_0^2\right)}^{3/2}}\right]$$ , $${\chi }_0=\frac{{\overline{r}}_n}{\sqrt{1+{\overline{r}}_n^2}}$$ , $${\overline{r}}_n=\frac{nUT}{c_1{t}_0}$$ , $${\overline{z}}_q=c_{21}\frac{t_q-t_0}{t_0}$$ ,

$$c_{12}=\frac{c_1}{c_2}$$ , $$c_{21}=\frac{c_2}{c_1}$$ .

(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 суммируют 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину Δt_qn по формуле

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

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 kТ, по формуле

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

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

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана лучевая трактовка преломления лучей на границе раздела вода - морское дно: а) схема формирования синтезированной апертуры, б) z₀=h, r_n=nUT, на фиг.2 - профилограммы морского дна, полученные без обработки: а) с использованием предложенного способа профилирования донных отложений б).

В результате обработки всего массива данных пространственные искажения, связанные со слабой направленностью антенны профилографа и движением носителя профилографа, компенсируются, что равносильно увеличению направленности антенны профилографа в вертикальной плоскости и улучшению его разрешающей способности в продольном направлении. При такой структуре приемной антенны 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. Геометрия формирования синтезированной апертуры поясняется фиг.1, на котором показана лучевая трактовка преломления лучей на границе раздела вода - морское дно: а) схема формирования синтезированной апертуры, б) z₀=h, r_n=nUT. На фиг.2а хорошо видны характерные пространственные искажения изображения локализованных в морских отложениях объектов в виде пересекающихся параболических структур. Эти искажения эффективно устраняются, как это видно на фиг.2б, при использовании предложенного способа профилирования и алгоритмов синтезирования апертуры.

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 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 в продольном направлении при профилировании донных отложений.

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 S^(к) _qp, 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. 3 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 t_p=t₀+pT, Т - период следования импульсов излучения профилографа, р=1, 2, 3…, из массива обработанных данных формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала S^(k) _qp, в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала t_q∈(t₀, t_MAX), q=l,2, Q, где , , , (с₁,с₂ - предварительно определенные эффективная скорость звука в воде и в донных отложениях соответственно, h - высота антенны профилографа над дном, , Δf - полоса частот акустического фазоманипулированного сигнала, H - предполагаемая глубина профилирования морского дна), из Q элементов - строк формируют матрицу из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала S^(k) _qpn, 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
,
, , , , , , , ,
, .
(U - предварительно определенная скорость носителя антенны профилографа, Zq - глубина отражающего слоя), синфазно суммируют 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину Δt_qn по формуле
,
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

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