Способ приема сейсмоакустической и гидроакустической волн у дна водоема и устройство для его осуществления
METHOD OF RECEIVING SEISMIC-ACOUSTIC AND HYDROACOUSTIC WAVES AT THE BOTTOM OF A WATER RESERVOIR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к гидроакустике и геофизике и может быть использовано для обнаружения источника звука или получения информации о структуре и характеристиках морского дна (грунта) путем анализа акустических волн, распространяющихся в океане (геоакустическая инверсия).
При обнаружении источников низкочастотных звуков в море и других акваториях часть низкочастотного излучения источника передается гидроакустической плоской волной, бегущей в водной среде, а часть может передаваться за счет различных механизмов в осадочный слой дна и возбуждать в нем донные сейсмоакустических волны (в виде нормальных волн, бегущих в осадочном слое, и/или вытекающих в воду, например, волн Стоунли) [Bevans D.A., Buckingham M.J. Estimating the sound speed of a shallow-water marine sediment from the head wave excited by a low-flying helicopter // J. Acoust. Soc. Am. 2017. 142 (4), P. 2273-2287. doi: 10.1121/1.5007953]. Обе составляющие волны - гидроакустическая и сейсмоакустическая - могут распространяться достаточно далеко и обнаруживаться различными приемными устройствами. Однако накладываясь друг на друга они искажают излученный сигнал, что препятствует обнаружению источника или получению информации о структуре и характеристиках морского дна.
Актуальной задачей является разделение сейсмоакустической и гидроакустической составляющих волны, позволяющее повысить качество обнаружения источника или оценки параметров дна водоема.
Прием совокупности сесмоакустической и гидроакустической волн обычно производится как углубленными в осадочный слой приемниками вибраций (приемниками колебательного смещения, колебательной скорости или колебательного ускорения) [Shi J., Dosso S.E., Sun D., Qingyu L. Geoacoustic inversion of the acoustic-pressure vertical phase gradient from a single vector sensor // J. Acoust. Soc. Am. 2019. 146 (5), P. 3159-3173. doi: 10.1121/1.5131235], так и расположенными в воде у дна приемниками звукового давления - гидрофонами [Gervaise С., Kinda B.G., Bonnel J., Stephan Y., Vallez S. Passive geoacoustic inversion with a single hydrophone using broadband ship noise // J. Acoust. Soc. Am. 2012. 131 P. 1999-2010]).
Известны способ и устройство, в которых волны принимают приемниками вибраций (колебательной скорости) и звукового давления, размещенными над и под поверхностью дна водоема и рассчитывают передаточные функции между датчиками, размещенными над и под поверхностью дна водоема (Crocker S.E., Miller J.H., Potty G.R., Osier J.C., Hines P.С.Nonlinear inversion of acoustic scalar and vector field transfer function // IEEE J. Oceanic Eng. 2012. 37. P. 589-607).
Однако данные описанные способы и реализующие их устройства не позволяют разделить сейсмоакустическую и гидроакустическую составляющие волны.
Наиболее близким к заявляемому относится устройство для приема совокупности сейсмоакустической и гидроакустической волны, представляющий собой смешанный приемник с единым жестким корпусом, включающим в себя одновременно приемник вибраций (геофон) и приемник звукового давления (гидрофон), при этом в качестве приемника вибраций используется датчик ускорения с инерционной массой, вокруг которого коаксиально расположен приемник звукового давления. С приемником вибраций жестко связан приемный сейсмический штырь. В зависимости от условий эксплуатации прием совокупности сейсмоакустической и гидроакустической составляющих волны выполняют или приемником вибраций (геофоном) или ненаправленным приемником звукового давления (гидрофоном) в зависимости от условий эксплуатации, однако отклики датчиков совместно не обрабатывают с целью выделения сейсмоакустической и гидроакустической составляющих волны (п. FR №2543692).
Таким образом, с помощью известного геогидрофона возможно работать с одним и тем же прибором, как в качестве приемника звукового давления, так и в качестве приемника вибраций в зависимости от условий его эксплуатации, то есть так же, как и в приведенных выше аналогах, без какого-либо совместного включения выходов датчиков, то есть без возможности разделения сейсмоакустической и гидроакустической составляющих волны.
Проблема требующая решения - разделение сейсмоакустической и гидроакустической составляющих совокупной волны.
Для ее решения предлагается способ приема совокупности сейсмоакустической и гидроакустической составляющих волны у сложенного осадочными породами грунта дна водоема, включающий направленный прием совокупной волны одновременно соосно расположенным внутри единого жесткого корпуса 3-х компонентным приемником вибраций и расположенным на его поверхности 3-х компонентным приемником градиента давления силового типа,, снабженным приемником звукового давления, совместную обработку откликов соосных компонент 3-х компонентных приемников градиента давления и приемника вибраций с выделением гидроакустической составляющей путем вычисления разности откликов компонент приемника градиента давления и откликов соосных компонент приемника вибраций с предварительной настройкой коэффициента усиления каналов приемника вибраций на максимум подавления модельных вибраций, при этом приемник вибраций размещен в центре масс корпуса, расположенного в грунте, а приемник градиента давления с приемником звукового давления - на поверхности корпуса в воде над грунтом.
При необходимости в дальнейшем можно разделить выделенную гидроакустическую волну на, преимущественно, плоскую и неоднородную составляющие, применив интенсиметрическую мультипликативную обработку откликов. Для этого осуществляют операцию усиления разности откликов соосных компонент приемников градиента давления и вибраций с предварительно определенным коэффициентом усиления и вычисляют взаимный спектр полученной разности откликов по каждой компоненте с откликом приемника звукового давления, а из вычисленного взаимного спектра выделяют вещественную часть, характеризующую плоскую гидроакустическую волну от удаленного источника, и мнимую часть, характеризующую неоднородную гидроакустическую волну.
Проблема также решается устройством приема совокупности сейсмоакустической и гидроакустической волн у дна водоема, сложенного осадочными породами грунта, состоящим из единого жесткого корпуса, со средней плотностью близкой к плотности грунта, в центре масс которого размещен 3-х компонентный приемник вибраций, а на поверхности соосно компонентам приемника вибраций установлен 3-х компонентный приемник градиента давления силового типа, дополнительно снабженный приемником звукового давления, установленным с обеспечением единого фазового центра с компонентами приемника градиента давления, при этом электрические выходы соосных компонент приемника градиента давления и приемника вибраций соединены через усилители с блоками вычитания, а выходы блоков вычитания через усилители совместно с выходами приемника звукового давления присоединены к блоку обработки данных.
Технический результат совместного использования заявляемых решений -выделение гидроакустической составляющей из совокупности сейсмоакустической и гидроакустической волны, воздействующей на приемное устройство, что позволяет в дальнейшем при необходимости использовать полученный результат для последующего выделения из гидроакустической волны преимущественно плоской (бегущей от удаленного источника звука) и неоднородной составляющей, что в дальнейшем совместно с сейсмоакустической составляющей принимаемого совокупного сигнала может быть использовано, в том числе, и для обнаружения/пеленгования удаленного источника звука или получения информации о структуре и характеристиках дна водоема (геоакустическая инверсия) известными методами
wa
wa
sa
wS
wS
На Фиг. представлена конфигурация заявляемого устройства и его размещение на дне акватории, где 1 - донные осадочные породы грунта дна акватории, 2 - жесткий корпус, 3-3-х компонентный приемник вибраций, 4-3-х компонентный приемник градиента давления (ПГД) силового типа с встроенным каналом приемника звуквого давления; p, v - звуковое давление и колебательная скорость в плоской гидроакустической волне, распространяющеся в водной среде; a - три компоненты ускорения, вызываемые сейсмоакустической волной, распространяющейся в грунте; p, v - звуковое давление и колебательная скорость неоднородной гидроакустической волны, переизлучаемой сейсмоакустической волной из грунта в воду, в частности, например, волна Стоунли.
Работоспособность способа и устройства подтверждается теоретической моделью его функционирования.
В предположении, что корпус 2 существенно меньше длины волны и практически полностью находится в грунте, на него действуют лишь сейсмоакустические волны (как продольные, так и поперечные), но не действует плоская гидроакустическая волна, бегущая от удаленного источника. В данной системе (Фиг) мы имеем следующие отклики датчиков.
Электрический отклик 3-х компонентного приемника вибраций 3 в виде акселерометра по ускорению может быть записан в виде:
acsa
acsa
sa
acsa
U=νa, где ν - чувствительность акселерометра по ускорению, и
sa
х
у
z
a - ускорение, вектора с компонентами (а, а, a), x,y,z - Декартовы координаты.
В случае гармонических сигналов этот электрический отклик акселерометра может быть преобразован к форме
где i - мнимая единица, ω - круговая частота сигнала.
acsax
x
acsay
y
acsaz
z
При распространении в осадочных породах продольной сейсмоакустической составляющей волны по значению отношений полученных компонент (νa, νa, νa) может быть известным образом получена информация о направлении ее прихода, т.е. направлении на источник сигнала. Однако, при распространеии в осадочных породах поперечной сейсмоакустической волны вся информация о направлении ее прихода теряется.
С другой стороны, электрический отклик 3-х компонентного ПГД силового типа 4 складывается из нескольких составляющих
pgsa
pgsv
где ν - чувствительность ПГД по ускорению, ν - чувствительность ПГД по колебательной скорости,
sa
a/iω вектор, который соответствует колебательной скорости в сейсмоакустической волне,
wa
v вектор, который соответствует колебательной скорости в плоской гидроакустической волне,
wS
v - вектор, который соответствует колебательной скорости неоднородной гидроакустической волны, вытекающей из грунта в воду.
pgsv
acsv
Конструируя разность откликов U - U, получаем:
pgsa
acsa
acsa
В случае выполнения равенства ν=ν (по каждой из 3-х компонент обоих приемников, что достигается предварительной настройкой коэффициента усиления акселерометра ν на максимум подавления модельных вибраций при подвешивании устройства на вибростоле над водой в каждом из направлений компонент приемников градиента давления и вибрации, например, как предложено в п. РФ №2624791, член в круглых скобках (3) обнуляется, и само выражение (3) редуцируется к виду
Таким образом, полученная разность (4) описывает отклик только на гидроакустическую составляющую совокупной волны, падающей на устройство.
В то же время, известно, что в гидроакустической составляющей имеются две волны - плоская (первое слагаемое) и неоднородная, вытекающая из дна (второе слагаемое). При этом канал звукового давления, совмещенный с ПГД, будучи нечувствителен к вибрациям, регистрирует отклик скалярных величин:
wa
wa
wS
wS
Для разделения плоской гидроакустической волны, описываемой параметрами p, v и неоднородную вытекающую гидроакустическую волну, описываемую параметрами p, v применим интенсиметрическую мультипликативную обработку откликов. Известно, что выделение вещественной части взаимного спектра (потока мощности) через быстрое преобразование Фурье (FFT) позволяет подавить неоднородные гидроакустические волны (Korenbaum VI, Tagiltsev АА. Flow noise of an underwater vector sensor embedded in a flexible towed array // J. Acoust. Soc. Am. 2012. 131(5):3755-3762. DOI: 10.1121/1.3693647) и вычислить спектры пространственных компонент вектора активной части потока мощности (интенсивности) плоской гидроакустической волны. Таким образом, получим
Соответственно, наоборот, вычисление мнимой части взаимного спектра позволяет выделить спектры пространственных компонент реактивной части потока мощности:
Таким образом, с помощью выражения (1) может быть зарегистрирована преимущественно сейсмоакустическая составляющая совокупной волны, с помощью выражениий (3, 4) - преимущественно гидроакустическая составляющая совокупной волны, с помощью выражения (6) - преимущественно плоская гидроакустическая волна, а с помощью выражения (7) - преимущественно неоднородная гидроакустическая волна.
Таким образом, могут быть разделены все гидроакустические и сейсмоакустические составляющие принимаемого совокупного сигнала. А это может быть использовано для обнаружения/пеленгования удаленного источника звука или получения информации о структуре и характеристиках дна водоема (геоакустическая инверсия) известными методами.
По уже выделенной из гидроакустической составляющей - плоской звуковой волне (6) - в каждом из направлений компонент приемника градиента давления по соотношению амплитуд откликов в этих компонентах, используя дополнительно канал приемника звукового давления для устранения неоднозначности пеленгования, можно определить направление на источник сигнала известным векторно-фазовым методом. Таким образом, осуществив операцию вычисления вещественной части взаимного спектра по направлениям каждой из соосных компонент приемников градиента давления и вибраций определяют пеленг на источник гидроакустической волны по отношению амплитуд компонент вещественной части взаимного спектра.
Аналогично, для повышения помехоустойчивости приема гидроакустической части сигнала от удаленного источника или сканирования по пространству в поисках источника сигнала, по уже выделанной разности откликов, характеризующей составляющие гидроакустического сигнала, могут формироваться однонаправленные диаграммы направленности типа кардиоидной или произведения косинусоиды на кардиоиду, например, как в п. РФ 2687301. Для этого осуществляют операцию усиления разности откликов с предварительно определенным коэффициентом усиления разности, и совместно с откликом приемника звукового давления формируют однонаправленные диаграммы направленности типа кардиоидной или произведения косинусоиды на кардиоиду в направлении каждой из компонент приемников градиента давления и вибраций.
Можно также для повышения эффективности обнаружения удаленного источника сигнала попытаться суммировать сфазированно все выделенные составляющие волны с регулируемой задержкой во времени. При этом задержки во времени можно определять по одному из известных критериев оптимального обнаружения сигнала на фоне помех.
Для задач геоакустической инверсии может оказаться полезной информация о неоднородной вытекающей гидроакустической волне, получаемой в соответствии с выражением (7). По соотношению амплитуд сигналов в каналах x,y,z компонент можно получить информацию о вертикальном угле вытекания этой волны из дна, который определяет сейсмоакустические свойства осадочного слоя грунта.
При сейсмоакустическом зондировании дна с наклонных направлений близких к вертикальному, как правило, имеет место три акустических волны: гидроакустические падающая, отраженная и сейсмоакустическая прошедшая. Прошедшая сейсмоакустическая волна вызывает колебания корпуса устройства, поэтому для выделения падающей и отраженной волн неоходимо использовать разности откликов компонент приемников градиента давления и приемника вибраций. Только для выделения падающей волны следует из указанной разности откликов вертикальных компонент ПГД и приемника вибраций, а также отклика канала звукового давления, сформировать кардиоидную характеристику направленности ориентированную максимумом вверх, а нулем - вниз. Таким образом, отраженная гидроакустическая волна в значительной степени подавляется.
Тогда как для выделения отраженной от дна гидроакустической волны необходимо сформировать противоположным образом ориентированную кардиоидную характеристику направленности из тех же откликов. В этом случае, напротив, падающая гидроакустическая волна подавляется.
Прошедшая же в дно сейсмоакустическая волна, если она продольная, определяется по отклику вертикальной компоненты приемника вибраций, а, если поперечная, то по откликам горизонтальных компонент приемника вибраций. При обеспечении соответствующих коэффициентов усиления, выравнивающих чувствительности датчиков, теперь можно точно определить коэффициенты отражения и прохождения зондирующей волны. Причем в данном случае зондирование может производится не только импульсным, но и непрерывным, в том числе шумовым, сигналом.
Заявляемое изобретение проиллюстрируем следующим примером.
В корпусе 2, (выполненном, например, из морского бетона), имеющем среднюю плотность, соответствующую плотности грунта 1 донных осадочных пород, устанавливают в центре масс в качестве приемника вибраций трехкомпонентный акселерометр 3, а сверху на оси симметрии соосный компонентам акселерометра трехкомпонентный ПГД силового типа с каналом звукового давления, например, в виде крестообразного устройства 4, описанного в патенте РФ №2679931. При этом корпус 2 устанавливают днищем в осадочные породы грунта 1 с углублением, но так, чтобы ПГД оставался в водной среде (Фиг).
pgsa
acsa
acsa
Для приема сейсмоакустических волн, распространяющихся в осадочных породах дна используют компоненты акселерометра 3, тогда как для приема гидроакустических волн, распространяющихся в водной среде используют разность откликов компонент ПГД 4 и акселерометра 3, формируемую в блоке вычитания (выполненном, например, на операционном усилителе, расположенном в блоке обработки, согласно выражениям (3, 4), предварительно отрегулировав равенство их чувствительностей по виброускорению ν=ν по каждой из 3-х компонент обоих датчиков. Это достигается, например, предварительной настройкой коэффициента усиления акселерометра ν на максимум подавления модельных вибраций при подвешивании устройства на вибрирующем вибростоле над водой с ориентацией в каждом из направлений компонент приемников градиента давления и вибрации (например, п. РФ №2624791. Данное включение обеспечивает компенсацию откликов компонент ПГД на колебания единого жесткого корпуса, вызванные сейсмоакустической волной.
При этом для отделения плоской гидроакустической волны от вытекающей части неоднородной волны, например, волны Стоунли, вычисляют вещественную часть взаимного спектра (поток мощности) по разности откликов компонент ПГД и компонент акселерометра (после интегрирования) и канала звукового давления согласно выражению (6).
Напротив, для выделения неоднородной части гидроакустической волны, в частности вытекающей, например, волны Стоунли, вычисляют мнимую часть взаимного спектра по разности откликов компонент ПГД и компонент акселерометра (после интегрирования) и канала звукового давления, согласно выражению (7).
Вычисления взаимного спектра осуществляются в блоке обработки с помощью программы, например, SpectraPLUS (Pioneer Hill Software), находящемся либо рядом с устройством, либо на поверхности воды в специальном буе, либо на берегу. Вещественная и мнимая часть взаимного спектра вычисляется, например, с помощью переноса рассчитанных в пакете SpectraPLUS (Pioneer Hill Software) модуля и фазы в виде столбцов в любую электронную таблицу, например, Excel (Microsoft), путем умножения модуля на косинус или синус фазы соответственно.
Таким образом, предложенное решение позволяет решить поставленную проблему разделения гидроакустической и сейсмоакустической составляющих из совокупной волны, воздействующей на приемное устройство, и значительно расширить функциональные возможности заявляемого решения, позволив затем решать множество задач, стоящих перед гидроакустикой и геофизикой, в том числе может быть использовано для обнаружения удаленного источника звука или получения информации о структуре и характеристиках морского дна