СПОСОБ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01S15/10 G01S15/89 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области геофизики и могут быть использованы 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 методы сейсмопрофилирования и эхолокации с использованием акустических сигналов (Евтюков А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П. и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982. - 340 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). (Евтюков А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П. и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, 340 с.).

Известны также способы профилирования донных отложений (авт. свид. СССР №1.193.622; патенты РФ №№2.044.331, 2.087.926, 2.256.069; Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов 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; 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 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ профилирования донных отложений» (патент РФ №2.256.069, G01V 1/38, 2007), который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ не требует громоздких протяженных приемоизлучающих систем, основан на акустическом профилировании донных осадков с использованием сложных фазоманипулированных сигналов, модулированной 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.

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, так как обработка сигналов данного типа за счет свойств когерентности позволяет уверенно выделять отраженный сигнал на фоне продолжающегося излучения зондирующего сигнала.

Выходные характеристики акустического зондирующего сигнала, а именно несущую частоту, можность 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).

В известном способе для определения корреляционной функции используют непрерывное перемножение входных сигналов при различных значениях временной задержки одного из них.

Однако два основных узла таких корреляторов - блок временной задержки и аналоговое множительное устройство для заданной полосы частот, отличаются сложностью, громоздкостью и низкой надежностью. Это снижает точность и надежность устройства, реализующего известный способ, в целом. Кроме того, осуществление более быстродействующей схемы параллельного вычисления нескольких точек корреляционной функции потребовало бы дублирования и без того сложных множительных устройств, блока временной задержки, и значительно усложнило бы корреляционную систему.

Из вышеизложенного очевидна необходимость поиска более простых аппаратных методов вычисления корреляционной функции.

Одним из таких аппаратных методов вычисления корреляционной функции является корреляционная экстремальная система, которая обеспечивает не вычисление всех ординат корреляционной функции, а лишь положение ее максимума на оси абсцисс.

Технической задачей изобретения является повышение точности и надежности профилирования донных отложений путем определения и поддержания максимума корреляционной функции на оси абсцисс.

Поставленная задача решается тем, что способ профилирования донных отложений, включающий излучение импульсного акустического зондирующего фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку, включающую перемножение зондирующего и отраженного сигналов, и выделение низкочастотного напряжения, пропорционального корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что зондирующий сигнал перед перемножением с отраженным сигналом пропускают через блок регулируемой задержки, изменением задержки τ обеспечивают максимум корреляционной функции, поддерживают корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ_з между зондирующим и отраженным сигналами, соответствующую максимальному значению корреляционной функции R(τ), и по ее значению осуществляют графическое построение профиля донных отложений.

Поставленная задача решается тем, что устройство профилирования донных отложений, состоящее из последовательно включенных генератора фазоманипулированных сигналов, первого усилителя, первого кабеля и акустического излучателя, последовательно включенных гидрофона, второго кабеля, второго усилителя, перемножителя и фильтра нижних частот, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено блоком регулируемой задержки, экстремальным регулятором и графическим построителем профиля донных отложений, причем второй вход перемножителя через блок регулируемой задержки соединен со вторым выходом генератора фазоманипулированных сигналов, к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены экстремальный регулятор, блок регулируемой задержки и графический построитель профиля донных отложений.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ профилирования донных отложений, представлена на фиг. 1.

Представленное на фиг. 1 устройство содержит последовательно включенные генератор 1 фазоманипулированных сигналов, первый усилитель 2, кабель 3 и акустический излучатель 4, последовательно включенные приемник (гидрофон) 5, второй кабель 6, второй усилитель 7, перемножитель 9, второй вход которого через блок 8 регулируемой задержки соединен с вторым выходом генератора 1 фазоманипулированных сигналов, фильтр 10 нижних частот, экстремальный регулятор 11, блок 8 регулируемой задержки и графический построитель 13 профиля донных отложений; блок 8 регулируемой задержки, перемножитель 9, фильтр 10 нижних частот и экстремальный регулятор 11 образуют коррелятор 12.

В качестве примера на фиг. 2 представлены результаты профилирования участка шельфовой области Японского моря в районе залива Посьета акустическим сигналом мощностью 50 Вт с центральной несущей частотой излучателя 2125 Гц и с четырьмя периодами на символ. Излучающая система представляла собой 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. Приемная система состояла из свернутой в кольцо диаметром 0,5 метра сейсмокосы, экрана, препятствующего проникновению отраженного от поверхности воды сигнала, и кабельного усилителя. Приемоизлучающий блок был стационарно установлен в 55 метрах от берега на дно на глубине 13 м и сообщался с береговым постом по кабельным линиям.

На фиг. 2 обозначены координаты: х - глубина, у - нормированная корреляционная функция сигнала. Сплошной линии соответствует зондирующий сигнал длиной в 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. Связано это с тем, что в данном месте глубина залегания графитного фундамента составляет 20-30 метров.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

С помощью генератора 1 формируют сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН).

где , ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

ϕ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_к(t)=const при K τ_э<t<(K+1) τ_э и может изменяться скачком при t=K τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, …, N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=N*τ_э);

N=2ⁿ-1,

который после усиления в усилителе 2 поступает на акустический излучатель 4 и излучается им в сторону донных отложений.

Акустический излучатель 4 представляет собой пьезокерамический излучатель кольцевого типа с собственной частотой резонанса 2400 Гц, помещенный в массивный фокусирующий экран с целью формирования узкой диаграммы направленности. При этом генератор 1 ФМН-сигналов и усилитель 2 расположены на береговом посту.

Отраженный от дна и задержанный на время транспортного запаздывания τ_з сигнал

воспринимается приемной системой 5 (гидрофоном), состоящей из свернутой в кольцо диаметром 0,5 метра сейсмокосы, экрана, препятствующего проникновению отраженного от поверхности воды сигнала, кабельного усилителя 7.

Время задержки τ_з отраженного сигнала зависит от глубины h и скорости распространения сигнала в воде С

τ_з=2h/С.

Отраженный сигнал с выхода кабельного усилителя 7 поступает на второй вход перемножителя 9, на первый вход которого со второго выхода генератора 1 ФМН-сигнала через блок 8 регулируемой задержки подается зондирующий сигнал. Полученное на выходе перемножителя 9 напряжение пропускается через фильтр 10 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ). Экстремальный регулятор 11, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 10 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 8 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τ_з (τ=τ_з), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ). Графический построитель 13 профиля донных отложений, связанный со шкалой блока 8 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать глубину h донных отложений

h=С τ_з/2

и получить качественную профилограмму независимо от положения приемоизлучающей системы, которая может находиться на водной поверхности или погружаться в воду на различную глубину.

При типовых технологических и конструктивных решениях, свойственных методу акустического эхолоцирования, и сравнимой разрешающей способности, использование акустического ФМН-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 погружения приемоизлучающей системы.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности и надежности профилирования донных отложений.

Это достигается за счет определения и поддержания максимума корреляционной функции R(τ) на оси абсцисс, используя важное свойство корреляционной функции R(τ) фазоманипулированного акустического сигнала, которая имеет один значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков. Указанное свойство позволяет использовать максимальный принцип и решать экстремальную задачу. Воздействуя на управляющий вход блока регулируемой задержки с помощью экстремального регулятора, можно легко добиться максимального значения корреляционной функции R(τ), при котором обеспечивается τ=τ_з; шкала блока регулируемой задержки может быть проградуирована непосредственно в единицах глубины. В данном случае формируется корреляционная экстремальная система со всеми преимуществами автоматизированного компенсационного метода измерений.

Группа изобретений включает средства профилирования донных отложений. Сущность: устройство профилирования донных отложений содержит генератор (1) фазоманипулированных сигналов, первый (2) и второй (7) усилители, первый (3) и второй (6) кабели, акустический излучатель (4), гидрофон (5), коррелятор (12) и графический построитель (13) профиля донных отложений. Коррелятор (12) включает блок (8) регулируемой задержки, перемножитель (9), фильтр (10) нижних частот и экстремальный регулятор (11). Технический результат: повышение точности профилирования донных отложений 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ профилирования донных отложений, включающий излучение импульсного фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку, включающую перемножение зондирующего и отраженного сигналов и выделение низкочастотного напряжения, пропорционального корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, отличающийся тем, что зондирующий сигнал перед перемножением с отраженным сигналом пропускают через блок регулируемой задержки, изменением задержки τ обеспечивают максимум корреляционной функции, поддерживают корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ_з между зондирующим и отраженным сигналами, соответствующую максимальному значению корреляционной функции R(τ), и по ее значению осуществляют графическое построение профиля донных отложений.

2. Устройство профилирования донных отложений, состоящее из последовательно включенных генератора фазоманипулированных сигналов, первого усилителя, первого кабеля и акустического излучателя, последовательно включенных гидрофона, второго кабеля, второго усилителя, перемножителя и фильтра нижних частот, отличающееся тем, что оно снабжено блоком регулируемой задержки, экстремальным регулятором и графическим построителем профиля донных отложений, причем второй вход перемножителя через блок регулируемой задержки соединен со вторым выходом генератора фазоманипулированных сигналов, к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены экстремальный регулятор, блок регулируемой задержки и графический построитель профиля донных отложений.