Способ идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов Советский патент 1992 года по МПК G01S1/38 

Изобретение относится к геоакустическим методам разведки, а именно к дистанционной идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов, и может быть использовано для сбора информации малогабаритными подводными аппаратами (МПА).

Известен способ идентификации осадков - способ определения фазового угла акустического импеданса пород, основанный на определении фазового угла акустического импеданса пород путем излучения синхронных импульсов акустических колебаний в диапазоне частот до 16000 Гц и на частоте, в пять и более раз большей, приеме сигналов, измерении времени Прихода и определении по их величине фазового угла

акустического импеданса пород по формуле

ъ 2яАх

Тнч

где At - разность времен прихода импульсов двух частот;

Тнч - период колебаний низкой частоты.

Каждому фазовому углу 0 соответствует акустический импеданс, связанный с физическими характеристиками первой и второй сред.

Недостатками указанного способа являются невозможность определения характеристик слоев, волновая толщина которых

а 3

о

мала, вследствие возникающих переотражений, а также неоднозначность в определении акустического импеданса сред.

Известен также способ определения акустических характеристик грунта, осно- ванный на излучении сигнала, приеме эхо- сигнала от дна, измерении критического угла падения , определении минимального значения коэффициента отражения Rm, расстояния между резонансами и ширины волновых резонансов при некотором угле падения, а также положения и ширины угловых резонансов при заданной частоте, позволяющий в заданном конкретном случае определить все параметры, описываю- щие отражающую среду (т.е. ci, p СКОРОСТИ И ПЛОТНОСТИ КОреННЫХ ПОРОД, С2,

pi - скорости и плотности осадков и d - толщину слоя осадков).

Недостатком известного способа явля- ется то, что для определения ширины угловых резонансов при заданной частоте необходимо иметь зависимость коэффициента отражения Rm от угла падения 0. Для экспериментального определения этой ха- рактеристики требуется, чтобы излучатель и приемник были разнесены, неподвижны, расположены строго определенно относительно дна. Кроме того, приемник должен представлять собой линейную антенну из нескольких гидроакустических преобразователей значительной длины. Использование этого способа на малогабаритных необитаемых,подводных аппаратах (НПА) невозможно.

Целью изобретения является увеличение точности идентификации состава донных осадков.

Поставленная цель достигается тем, что с каждым циклом излучения осуществляют сдвиг частот на Af и 2 Af, измеряют частотные характеристики фазового инварианта и модуля коэффициента отражения, находят интегральные характеристики модуля коэффициента отражения и фазового инвариан- та, по их значениям определяют состав донных осадков.

Отличие предлагаемого способа от известных заключается в использовании для идентификации грунта не только амплитуд- но-частотных характеристик, но также фазо- частотных и интегральных характеристик модуля и фазового инварианта коэффициента отражения.

Использование предлагаемого способа индентификации грунтов позволяет создать более точную гидроакустическую аппаратуру для этих целей, размещаемую на необитаемых подводных аппаратах. Использование МПА повышает эффективность проведения гидрофизических исследований.

На фиг.1 приведена лучевая картина распространения акустических волн в слое осадков; на фиг,2 - амплитудно-частотная характеристика модуля коэффициента отражения; на фиг.З - интегральная характеристика модуля коэффициента отражения; на фиг.4 - частотная характеристика фазового, инварианта коэффициента отражения; на фиг.5 - интегральная характеристика фазового инварианта коэффициента отражения; на фиг,6 - структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

При использовании носителя с совмещенным излучателем и приемником возможно получение только частотной характеристики коэффициента отражения от дна при условии его вертикального зондирован. На фиг.1 представлена лучевая картина формирования отраженного сигнала при вер гйкальном зондировании отражающего осадочного слоя, В геоакустической модели используются следующие характеристики:/ и CB плотность и скорость звука в воде;/DC и Сс - плотность м скорость звука в слое; ро и со - плотность и скорость звука в основании. В соответствии с данной моделью модуль коэффициента отражения определяется выражением

I R I

г

( 2 RnSlnan)2+( f Rnslnorn + R,V

чп 1

wRn TrT2-R2n 1-R3n;

On П(У -Cc

n - количество переотражений в слое;

Ti, T2 - коэффициенты прохождения из воды в осадочный слой и обратно;

Ri,R2,Rs - коэффициенты отражения от границы вода - слой, слой - вода, и слой - основание соответственно;

Ri

РВ Св -уОс Сс . РВ Св +рс СС

р PC СС -/За СВ , /ЭсСс+рвСв

R PC Сс -ро С0 PC Сс + РО Со

(У-частоты акустических колебаний,

h - толщина слоя.

Простое измерение модуля коэффициента отражения вследствие того, что дно представляет собой слоистую структуру (осадочный слой и более твердое основание), идентифицировать грунт не позволяет, величина модуля коэффициента отражения зависит от толщины слоя. Для получения информации об импедансе слоя/)с необходимо воспользоваться интегральной характеристикой

Ftp c)c /IRI dw,

о

где Т - интервал осцилляции, имеет размерность частоты и равен величине, обратной времени прохождения акустической волны сквозь осадочный слой (Т cc/h).

На фиг.2 приведены частотные характеристики модуля коэффициента отражения на одном периоде осцилляции для трех типов осадков; глинистый ил (р с 2,4-1(г), песчаный ил р с 3,1 -106), мел-известняк (р с 4,9-10 ). Особенностью данных характеристик является уменьшение )c с увеличением импеданса слоя. Дальнейшие расчеты показали, что интегральная ха- рактеристика модуля коэффициента отражения не может однозначно соответствовать величине импеданса слоя. Зависимость F (р с)с, представленная на фиг.З имеет характер параболы: при (р с)с 4,3-106 убывает, а при (р с)с 4,3 106 возрастает. Такая неоднозначность делает затруднительной оценку импеданса слоя, а следовательно, его распознавание. Устранение неоднозначности осуществляется использованием интегральной характеристики фазового инварианта коэффициента отражения. Ввиду слоистости осадков простым измерением фазового инварианта устранить неоднозначность, возникающую при определении интегральной характеристики модуля коэффициента отражения, невозможно Реализация резонансно-фазового модуля основана неиспользовании бигармониче- ского сигнала со связанными по фазе гармоническими составляющими, значения которых относятся как 1,2. Основное преимущество фазовых методов - возможность получения характеристики объекта локации независимо от дистанции до приемно-излу- чающей системы. Это достигается следующим образом. Пусть

51 Aicos o(t - 2 r/св + (р

52 A2COS 2 a) (t - 2 r/Св) + рг

где Si, 82 - аналитические выражения гармонических составляющих сигналов;

AI, Ад - амплитуды сигналов на частоте ш и 2 ш;

г - дистанция до объекта;

св - скорость звука в воде,

р м (pi - фазовые сдвиги при отражении от объекта на частотах ш и 2 (о.

Переходя к квадратурным компонентам сигналов Si и За и выделяя аргументы гармонических функций, получаем:

Vi uJ(t-2r/cB) + $2 2ft(t-2r/cB) + (pi.

Линейная комбинация фазовых аргу- ментов гармонических составляющих имеет

вид

2р1 -(pi.

Ее называют приведенной разностью фаз или фазовым инвариантом. Ф не зависит от дистанции до объекта (отражающей границы) и является информацией последнего. На фиг.4 приведена зависимость sin Ф (со) на одном периоде осцилляции. Интегральная характеристика фазового инварианта (фиг,5)

Т/2

F (р с)с / sln Ф (о;) ckw

о

является нечетной функцией относительно критического импеданса {р с)с 4,3-10 и,

следовательно, устраняет неоднозначность интегральной характеристики модуля коэффициента отражения F(oc)c,

Таким образом, совокупность интегральных характеристик модуля и фазового

инварианта коэффициента отражения позволяет однозначно определить {р с)с, т.е. идентифицировать грунт.

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из блока 1 формирования сигналов, двухканального усилителя 2 мощности, коммутатора 3, приемно-излуча- ющего устройства 4, блока 5 фильтрации и усиления, блока 6 фазовой обработки, детектора 7 огибающей и блока 8 принятия

решения.

Блок 1 формирования сигналов служит для формирования двух сигналов стандартной посылки с жестко связанными по фазе частотами заполнения f t и 2f 1, причем с каждым циклом излучения осуществляется сдвиг частот заполнения ft и 2f 1 на величину Af и 2 А f соответственно.

Двухканальный усилитель 2 мощности служит для усиления сигналов до требуемых

значений и состоит из двух обычных усилителей мощности, широко применяемых в гидроакустических системах.

Коммутатор 3 служит для подключения ПИУ 4 либо к выходам усилителя мощности

в режиме излучения, либо к входам блока 5 фильтрации и усиления в режиме приема.

Приемно-излучающее устройство 4 представляет собой гидроакустическую антенну мозаичного типа, состоящую из элементов с резонансной частотой fi и из элементов с резонансной частотой 2f i. Блок 5 фильтрации и усиления служит для выделения из принятого эхосигнала сигналов с частотами f 1 и 2fi и последующего их усиления.

Блок 6 фазовой обработки служит для определения фазового инварианта коэффициента отражения Ф.

Детектор 7 огибающей широко известное в технике устройство, состоящее из линейного детектора и фильтра низкой частоты, выделяет огибающую отраженного эхосигнала.

Блок 8 принятия решения служит для определения интегральных характеристик коэффициента отражения и фазового инварианта и по полученным значениям идентификации типа грунта. В качестве блока принятия решения целесообразно использовать персональную вычислительную машину, либо микропроцессор.

Устройство работает следующим образом.

Блок 1 формирования сигналов формирует посылки с частотами заполнения fi и 2fi, далее происходит усиление двухканаль- ным усилителем 2 мощности. Через коммутатор 3 сигналы поступают на ПИУ 4, при этом происходит излучение сигнала. Отраженный сигнал от дна поступает на ПИУ, преобразуется в электрический сигнал, фильтруется и усиливается в блоке 5 фильтрации и усиления, затем поступает на вход блока 6 фазовой обработки и вход детектора 7 огибающей. В блоке фазовой обработки производится определение фазового инварианта коэффициента отражения Ф. По амплитуде сигнала на выходе детектора огибающей можно судить о величине модуля коэффициента отражения. Полученные сигналы поступают в блок 8 принятия решения и запоминаются. Далее частоты заполнения изменяются на Af и 2 Af. Происходят операции, аналогичные описанным. В результате получают фазовый инвариант коэффициента отражения и модуль коэффициента отражения на частоте fi + Af и частоте 2fi + 2 Д f и запоминают, Опять изменяют частоты заполнения и т.д. В итоге получают частотные характеристики фазового инварианта и модуля коэффициента отражения. В блоке принятия решения определяются их интегральные характеристики и по величине интегральных характеристик идентифицируется грунт.

Предлагаемый способ идентификации

морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов имеет следующие преимущества.

Измерительная система излучатель - приемник является совмещенной, имеющей

небольшие габариты.

Определение характеристик отраженных сигналов возможно осуществлять с любых, в том числе движущихся, объектов. Точность идентификации морских осадков по двум усредненным характеристикам отраженных сигналов выше, чем при использовании известных способов.

Формула изобретения

Способ идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов, включающий излучение сигналов на частотах f 1 и 2f i, прием эхосиг- налов и Определение модуля коэффициента отражения и фазового инварианта

Ф 2 р - (pi, где р и р2 - фазовые сдвиги

. при отражении от грунта на частотах fi и2т1,

отличающийся тем, что, с целью

увеличения точности идентификации состава донных осадков, с каждым циклом измерения осуществляют сдвиг частот на Af и 2 A f, измеряют частотные характеристики фазового инварианта, а также интегральные характеристики модуля и фазового инварианта коэффициента отражения, по их значениям осуществляют идентификацию морских осадков.

Фиг. I

25

tf4

Изобретение относится к геоакустическим методам разведки и может быть использовано для дистанционной J идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов. Цель изобретения - увеличение точности идентификации состава донных осадков. Способ заключается в излучении и приеме отраженных от морских осадков акустических сигналов, при этом излучаются два сигнала с частотами fi и 2 fi. С каждым циклом излучения осуществляется сдвиг частоты на величины A f и 2 A f. По отраженным сигналам измеряются частотные характеристики фазового инварианта, а также интегральные характеристики модуля и фазового инварианта коэффициента отражения, по которым идентифицируется грунт.

Фиг. 2

V

&

fiC-Ю

-6

Фиг.З

Фиг Л

Фйг.5

рс to

.-

Фиг. 6