СИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ВОЛН В МОРСКОЙ СРЕДЕ
SYSTEM FOR PARAMETRIC RECEPTION OF HYDROPHYSICAL AND GEOPHYSICAL WAVES IN MARINE ENVIRONMENT

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и может быть использовано в решении задач дальнего параметрического приема волн различной физической природы (акустических, электромагнитных, гидродинамических) в морской среде, формируемых естественными и искусственными источниками водной среды и морского дна (морскими судами и подводными аппаратами, гидродинамическими и сейсмическими процессами, а также углеводородными залежами (УВ) в диапазоне частот десятки-единицы-доли Герца.
Известна система поиска морских месторождений углеводородов, включающая: установленные на дне моря по выбранному профилю (на основе данных сейсморазведки) одна или несколько гидроакустических станций (ГДАС), снабженных трехканальными сейсмодатчиками, которые в течение нескольких часов как до, так и после использования внешнего возбуждения морского дна с помощью дополнительного излучения сейсмических колебаний, а также применения излучений естественного микросейсмического фона Земли - вне контура и внутри контура УВ залежи в инфразвуковом диапазоне (ИЗД) частот. Система включает блоки первичной обработки измеренной и зарегистрированной на носителях микросейсмической информации (уровней и формы спектров формируемых залежью сигналов из окружающего сейсмоакустического шума), что выполняется после подъема на поверхность моря ГДАС, по которым рассчитывают комбинации информативных параметров (площади под кривой взаимного спектра одноименных компонент при записи сейсмического фона после возбуждения среды сейсмическими колебаниями по сравнению с записью до возбуждения). Система включает также операции и блоки вторичной обработки информации и интерпретации полученных результатов с установлением факта наличия УВ залежи на площади разведки и ее типа: нефтяная, газовая и т.д. (см. RU №2045079, 1992 г.).
Недостатком системы является низкая эффективность поиска источников гидрофизических и геофизических волн, обусловленная ограниченными возможностями автономных донных гидроакустических станций, а также техническими трудностями их практического использования в морских условиях. Недостатком также является невозможность его реализации в мобильных поисковых системах обнаружения и измерения характеристик гидрофизических и геофизических волн на протяженных морских акваториях.
Известна также система параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде, включающая размещенные в среде и выполненные с возможностью формирования между ними параметрической антенны излучающий и приемный акустические преобразователи и соединенные с ними соответственно тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов (см. RU №2158029, 1998 г.). Это решение реализует параметрический прием упругих волн в морской воде, в котором рабочая зона (параметрическая антенна) формируется только в ближней зоне приемника. При этом модуляционные возмущения сигналов подсветки используются только для повышения параметра нелинейности среды в рабочей зоне, а изменение этого параметра за счет непосредственного воздействия измеряемых волн источников не используется.
Недостатками этого технического решения, затрудняющими его эффективное использование для обнаружения гидро- и геофизических полей являются низкие чувствительность и помехоустойчивость приема и, как следствие, ограниченная (единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот. Эти недостатки обусловлены низким коэффициентом их нелинейного преобразования в рабочей зоне среды, а также наличием интенсивных помех среды в инфразвуковом и дробном диапазонах частот. При поиске углеводородного месторождения к помехам среды добавляются интенсивные техногенные излучения, формируемые инженерными сооружениями обследуемой акватории. Не реализуется также возможность дальнего параметрического приема геофизических волн, формируемых в морском дне, мобильного поиска их источников. Кроме того, в условиях протяженного гидроакустического канала распространения волн неизбежно формируются интенсивные помехи среды инфразвукового диапазона частот, которые излучаются естественными источниками морской среды, а также развитым судоходством, что также ограничивает надежность поиска на протяженных акваториях.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности обнаружения геофизических и гидрофизических (преимущественно сейсмических) полей и на этой основе обеспечение возможности оперативного поиска залежей углеводородов и приема сейсмических волн, формируемых предвестниками землетрясений на протяженных (десятки-сотни км) акваториях морского шельфа.
Технический результат выражается в обеспечении возможности мобильного поиска и определения признаков гидрофизических и геофизических волн на протяженных акваториях морского шельфа, формируемых морскими объектами, самодвижущимися подводными аппаратами или судами, а также источниками морского дна (углеводородными залежами, предвестниками землетрясений). Кроме того, обеспечивается четкая идентификация источников полученных информационных сигналов, мобильность поиска месторождений углеводородов, а также точность определения их места и пространственной протяженности на акваториях морского шельфа.
Для решения поставленной задачи система параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде, включающая размещенные в среде и выполненные с возможностью формирования между ними параметрической антенны излучающий и приемный акустические преобразователи и соединенные с ними соответственно тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов, отличается тем, что протяженность рабочей зоны системы соответствует половине протяженности обследуемой акватории, для чего излучающий преобразователь размещен в центре обследуемой акватории и содержит низкочастотный и инфранизкочастотный излучатели, первый из которых размещен в водной среде с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, а инфранизкочастотный излучатель размещен на дне с возможностью накачки морского грунта, причем тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки водной среды и грунта сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и инфранизкочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блок согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, при этом приемный преобразователь установлен на судне-носителе, размещенном с возможностью перемещения по периметру акватории, и включает два вертикально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с приемным трактом системы, содержащим последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз параметрически преобразованных просветных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов. Кроме того, система содержит блок спутниковой связи, выполненный с возможностью дистанционного контроля и управления ее работой из центрального поста. Кроме того, система включает в себя средства определения местоположения излучающих и приемных преобразователей.
Сопоставительный анализ заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «протяженность рабочей зоны системы соответствует половине протяженности обследуемой акватории, для чего излучающий преобразователь размещен в центре обследуемой акватории и содержит низкочастотный и инфранизкочастотный излучатели» обеспечивают возможность обхода периметра обследуемой акватории с выявлением профилей (радиусов или направлений движения), перспективных для разведки (поиска залежей углеводородов), что в перспективе обеспечивает возможность реализации всех последующих признаков изобретения и достижения совокупного технического результата, поскольку обеспечивает возможность за счет реализации схемы дальнего параметрического приема информационных волн определения места и признаков идентификации источников их формирования в режиме мобильного поиска на протяженных поисковых участках обследуемой акватории, что в результате минимизирует трудоемкость и продолжительность поисковых работ.
Признак, указывающий на то, что низкочастотный излучающий преобразователь «размещен в водной среде с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя» обеспечивает возможность формирования просветной параметрической антенны, тем самым дальнодействие поисковой системы, охват значительного поискового участка акватории.
Признак «инфранизкочастотный излучатель размещен на дне с возможностью накачки морского грунта» обеспечивает усиление проявления поисковых признаков (или предвестников землетрясений) и формирование инфранизкочастотной донной параметрической антенны, которая, в свою очередь, обеспечивает возможность дальнего параметрического приема геофизических волн морского дна, в т.ч. являющихся результатом проявления месторождений углеводородов, а также предвестников землетрясений.
Признак, указывающий на то, что «тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки водной среды и грунта сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и инфранизкочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блок согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям» обеспечивает формирование двух просветных параметрических антенн в водной среде и осуществление накачки грунта морского дна. Кроме того, они обеспечивают работоспособность названных каналов, т.е. возможность формирования соответствующих сигналов накачки водной среды и морского грунта.
Признак, указывающий на то, что «приемный преобразователь установлен на судне-носителе, размещенном с возможностью перемещения по периметру акватории» обеспечивает возможность перемещения приемного преобразователя по границе акватории с возможностью «сканирования» всей площади одним блоком, предпочтительно размещенным на морском судне, не прибегая к плотному оснащению акватории излучающими устройствами, что, кроме всего прочего, позволяет сканировать поисковый участок обеспечивая одинаковые для каждой линии характеристики излучения.
Признак, указывающий, что приемный преобразователь «включает два вертикально разнесенных приемных блока» обеспечивает формирование двух вертикально разнесенных параметрических антенн, следствием чего является последующий помехоустойчивый прием измеряемых информационных волн (сигналов). Этот признак включает необходимую последовательность измерительных технологий системы мониторинга, обеспечивающих решение ее основных задач. Это решение, помимо всего прочего минимизирует количество плавсредств, задействуемых при обследовании акватории, поскольку позволяет дистанционно возвратить (перебросить) информационный сигнал к месту анализа информации в центральном посту наблюдения и управления. Вертикальное разнесение приемных преобразователей составляет не более десяти длин волн, что обосновано в работах по классической гидроакустике.
Признак, указывающий на то, что каждый приемный блок «соединен с приемным трактом системы, содержащим последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз параметрически преобразованных просветных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов» представляет схемное выполнение тракта обработки параметрически преобразованных волн подсветки среды, который обеспечивает подавление широкополосных помех путем фазовой обработки принимаемых сигналов, выделения информационных признаков в инфранизкочастотном и дробном диапазонах частот методом их узкополосного спектрального анализа с использованием штатных радиотехнических средств.
Дополнительные признаки «радиогидроакустическая система включает в себя средства определения местоположения излучающих и приемных преобразователей» обеспечивают возможность точного позиционирования на акватории параметрических антенн и точную топографическую привязку на плане акватории мест проявлений поисковых признаков месторождений углеводородов, что особенно важно в процессе перемещения плавсредства (с излучающими преобразователями) по акватории и обеспечения мобильности поиска.
Дополнительные признаки «радиогидроакустическая система содержит блок спутниковой связи, выполненный с возможностью дистанционного контроля и управления ее работой из центрального поста» обеспечивают возможность обработки измерительной информации в центральном посту наблюдения, а также дистанционную управляемость системы мониторинга, как поисковой системы.
Измерительные технологии закономерностей концентрации и последующего переизлучения углеводородными (далее УВ) скоплениями микросейсмических волн Земли заключается в использовании метода «прослушивания». Такой метод подобен медицинскому прослушиванию живого организма, в котором аналогичные волны формируются за счет работы сердца. В УВ залежах, как протяженных полостях, такие волны формируются за счет наличия в окружающей земной среде микросейсмических и других аналогичных колебаний. При этом в зависимости от пространственных размеров и плотности залежей происходит близкое к резонансному формирование и переизлучение волн в диапазоне доли-единицы-десятки Герц. В отдельных случаях переизлучение охватывает диапазон частот до 200 Гц. Излучения залежей, как показывает практика, прослушиваются и регистрируются на поверхности земли с использованием специальных ловушек (антенных полусфер), затем измерения дальнейшей обработке и анализу. В этом случае поверхность земли работает как рупор, усиливающий шумовые сигналы. Но, как показывает практика, не все, что эффективно шумит, является нефтяной залежью, в этом случае необходима специальная идентификация принимаемых шумов, сущность которой используется в заявляемом изобретении. Закономерности формирования и практического использования микросейсмических излучений Земли интенсивно исследуются и широко используются в практике поиска УВ залежей в морских условиях (например, см. Биряльцев Е.В., Рыжов В.А., Шабалин Н.Я. // Прием и обработка информации в сложных системах - Казань. Изд. Казанский Университет. 2005. - Вып.22. - C.113-120).
Обнаружение и идентификация геофизических волн, а также их принадлежность к характерным углеводородным залежам или волнам предвестникам землетрясений производится на основе обобщенных спектральных характеристик и их пространственно-временной динамики, которые получают в местах действующих нефтедобывающих скважин или на выявленных подводных месторождениях углеводородов.
Изобретение иллюстрируется чертежами и рисунками. На фиг.1 приведена структурная схема заявленной системы; на фиг.2 дана схема обследования акватории, измерения характеристик полей и определения местоположения и горизонтальной протяженности участков проявления источников геофизических и гидрофизических волн; на фиг.3 показан спектр акустических резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом (частота подсветки среды - 400 Гц, протяженность обследуемой акватории - 30 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны - 200 м); на фиг.4 показан спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом (частота около 390 Гц, протяженность обследуемой акватории - 45 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны - 200 м, спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде; на фиг.5 показан спектр шумоизлучения морского судна (вально-лопастного звукоряда), представляющий результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде - наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна). На фиг.6-8 приведены обобщенные (используемые как эталонные) спектры геофизических волн морского дна, сформированного УВ залежами при различной степени их насыщения газом и нефтью, при этом на фиг.6 показан спектр УВ залежей, который соответствует преимущественно газовым скоплениям; на фиг.7 показан спектр УВ залежей, который соответствует преимущественно газоконденсатным скоплениям; на фиг.8 показан спектр УВ залежей, который соответствует преимущественно залежам с притоком газа; на фиг.9 даны записи сигналов землетрясений (их амплитудно-временные характеристики); на фиг.10 даны записи предвестников землетрясений, в формате 3D.
Теоретическое обоснование закономерностей нелинейной акустики и их реализации в предлагаемой параметрической системе поиска и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн в проводящей морской среде заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды, распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно зарегистрированы.
Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров.
Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые, в свою очередь, изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>β</mi><mrow><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
,
<mrow><msub><mi>β</mi><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>υ</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mo>∂</mo><mi>υ</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>P</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>s</mi></msub></mrow>
где
- коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости; υ - удельный объем.
s
p
t
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β=Gυ/Gβ можно получить следующее выражение для фазовой скорости
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mi>υ</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>∂</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>t</mi></msub></mrow></msqrt><mo>.</mo></mrow>
эм
(t)
зв
эм
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если ли в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C также будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.
В заявляемом изобретении используется закономерность нелинейного взаимодействия низкочастотных просветных волн подсветки и высокочастотных волн накачки среды с измеряемыми информационными различной физической природы. В этом случае имеет место совокупное взаимодействие волн. Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность так называемого «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде (см. Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып.22, 2001, с.82-88):
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>P</mi><mo>*</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>J</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>cos</mi><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>J</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>J</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mn>3</mn><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>…</mo><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable>
*
1
2
n
0
m
1
2
где P(t), P(t) - результирующее (промодулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; ω, ω - круговая частота акустической просветной и электромагнитной объектных волн; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; φ - начальная фаза просветной волны; t - текущее время; J - функции Бесселя n-го порядка; A, А - амплитуды исходной и промодулированных волн; m - коэффициент модуляции. Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω (равной ω+ω), значения частот которых отличаются от 2ω на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением
n
m
2
J(2A/Р)·0,5P.
m
р
Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).
В системе мониторинга гидрофизических и геофизических полей низкочастотные просветные волны накачки водной среды, инфранизкочастотные волны накачки морского грунта, а также измеряемые информационные взаимодействуют и параметрически преобразуются в рабочей зоне приемной системы (см. фиг.1). Совокупность рассмотренных закономерностей и их реализация в системе мониторинга обеспечивает эффективное решение технических задач предлагаемого изобретения.
На чертежах показаны тракт формирования сигналов накачки 1, подводный излучатель 2 просветных сигналов накачки водной среды, подводный излучатель 3 сигналов накачки морского грунта, источник гидрофизических волн 4, приемные блоки 5 и 6, генератор стабилизированной частоты 7, тиристорный инвертор 8, блок согласования 9 его выхода с подводными кабелями, генератор стабилизированной частоты 10, тиристорный инвертор 11, блок согласования 12 его выхода с подводными кабелями, тракт 13 приема, выделения и регистрации информационных волн, двухканальный широкополосный усилитель 14, блок измерения разности фаз 15, преобразователь временного масштаба параметрически преобразованных просветных волн в высокочастотную область 16, узкополосный анализатор спектров 17, рекордер 18 (или иной носитель информации), источник 19 геофизических волн - например УВ залежь, параметрические антенны 20, зона «тройного» нелинейного взаимодействия волн 21, морское дно 22, морская поверхность 23, дополнительное инфранизкочастотное излучение (накачка) 24 морского дна 22, сейсмические волны предвестников землетрясений 25, акватория 26, приемо-излучающий радиоблок 27, блок его согласования 28 с трактом формирования сигналов накачки 1, блок его согласования 29 с приемным 13 трактом, средство управления 30 работой поисковой системы, судно-носитель 31.
Структурная схема радиогидроакустической системы измерения характеристик полей на протяженных морских акваториях показана на фиг.1. Система включает двухканальный тракт формирования низкочастотных сигналов подсветки среды, а также инфранизкочастотных сигналов накачки морского грунта, выходы которого посредством морских кабелей соединены с низкочастотным и инфранизкочастотным преобразователями 2, 3. Система включает также приемный тракт параметрически преобразованных просветных сигналов 13, обеспечивающий усиление, выделение и регистрацию информационных волн, вход которого соединен с приемными преобразователями просветных волн 5 и 6.
Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды и накачки в направлении морского дна 1 представляет двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 9 и 12; тиристорные инверторы 10 и 13; блоки согласования 11, 14 их выходов с подводными кабелями и далее с преобразователями 2 и 3 (см. фиг.1).
Приемный тракт измерительной системы 15 (фиг.1) представляет собой электронную систему, включающую последовательно соединенные приемные преобразователи 5 и 6, двухканальный широкополосный усилитель 14, выходы которого соединены с блоком измерения разности фаз 15. Выход блока 15 связан с преобразователем временного масштаба параметрически преобразованных просветных сигналов в высокочастотную область 16, далее с узкополосным анализатором спектров 17, выход которого соединен с рекордером или иным носителем выделяемых спектров информационных волн 18. Кроме того, на фиг.1 показаны: источник формирования гидрофизических волн 4; приемные параметрические антенны 20; рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн 21, сформированная низкочастотными просветными параметрическими антеннами 20; источники формирования геофизических волн морского дна 19, 25. Тракт 30 (средство управления 30 работой поисковой системы) обеспечивает определение местоположения излучающих и приемных преобразователей, связь с центральным постом и управление работой поисковой системы. Он включает приемо-излучающий радиоблок 27, соединенный с излучающим 1 и приемным 13 трактами через блоки согласования и управления их работой 28 и 29 соответственно.
Заявляемая радиогидроакустическая система работает следующим образом. Процесс приема информационных волн включает перемещение сформированных просветных параметрических антенн по площади обследуемой акватории. При этом судно-носитель 31 (на котором смонтированы приемники 5 и 6) движется с постоянной минимально возможной скоростью или заданными интервалами остановок, а в местах характерного проявления измеряемых информационных волн останавливается и производит измерения в режиме стопа. При обнаружении признаков информационных волн носитель приемных преобразователей перемещают в сторону сближения, а затем на удаление от излучающих преобразователей 2 и 3 (центра акватории) и уточняют места расположения и протяженность источников геофизических волн (углеводородных залежей, а также наличие признаков волн предвестников землетрясений). В обнаруженных местах определяют их координаты. Путем отклонения судна от прямолинейного курса (перемещения по «змейке») определяют ширину залежи УВ. При этом производят наблюдения и измерения пространственно-временных характеристик и динамики измеряемых информационных волн. Далее судно-носитель приемников 5 и 6 возвращают в исходную точку периметра акватории, из которой процесс обнаружения и поиска источников информационных волн продолжается (повторяется) по всему периметру акватории.
Закономерность измерения гидрофизических и геофизических волн просветным параметрическим методом в поисковой радиогидроакустической системе реализуется следующим образом. Воздействие на среду источников информационных волн 4, 19, 25 приводит к изменению ее механистических характеристик (плотности и температуры, которые модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости по трассе распространения. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой низкочастотной просветной волны они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы.
Усиление нелинейного взаимодействия геофизических волн источников дна, а также эффективности дальнего приема и последующей идентификации измеряемых геофизических и гидрофизических волн и определения их местоположения достигается за счет дополнительного облучения морского дна инфранизкочастотными сигналами, обеспечивающего «тройное» нелинейное взаимодействие волн (просветных в направлении трассы, дополнительных в направлении морского грунта и информационных в морской среде).
Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны (протяженного объема) взаимодействия волн, а также дополнительного облучения среды в направлении морского дна. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение волн инфранизкочастотного и дробного диапазонов частот существующими средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации.
Ниже приведены конкретные результаты использования заявленной системы (результаты наблюдений и измерений шумоизлучения УВ залежей), полученные в условиях реальных акваторий, которые могут использоваться как признаки проявления (присутствия) подводных месторождений углеводородов.
Газовая залежь (фиг.6) характеризуется следующими признаками. На спектрограмме наблюдаются сплошные и дискретные шумы с уровнями их превышений над фоном 10% и 45% соответственно. Дискретный ряд представляет собой несимметричный колокол, состоящий из трех двойных и двух (более широких) одиночных составляющих, расположенных в интервале частот около 3,4-4,2 Гц, а его максимума на частоте около 3,8 Гц. Газоконденсатная залежь (фиг.7). В интервале частот около 1,8-4,8 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумоизлучений залежи УВ примерно на 5% превышает фон. При этом в диапазоне частот от 2,0 до 3,4 Гц над сплошным шумом регистрируется «лежащая на спине буква Е», у которой две широкие (по 0,2 Гц) дискретные составляющие, в пределах 25% превышающие сплошной шум и на 30% превышающие фон. Центральная линия, как двойная дискретная составляющая, примерно на 15% превышает сплошной шум и на 20% превышает фон. В диапазоне частот от 3,5 Гц до 5 Гц регистрируются «изрезанный меандр» (серия из трех разрезанных прямоугольников), в которых уровень «меандра» превышают сплошной шум примерно на 15%, и на 20% - фон.
Залежь с притоком газа (фиг.8). В диапазоне частот от 1,0 Гц до 7,0 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумоизлучений залежи УВ примерно на 10-20% превышает фоновый уровень. При этом в диапазоне частот от 2,0 до 5,5 Гц регистрируется равносторонний «треугольник» с вершиной (максимумом спектральной плотности) на частоте около 4,0 Гц, который превышает уровень фона примерно на 40%.
Совокупность положительных результатов общего технического эффекта достигается за счет низкочастотной подсветки (прозвучивания) всего пространства обследуемой акватории и формирования двух горизонтально разнесенных параметрических антенн протяженностью десятки-сотни километров. При этом прием волн горизонтально разнесенными антеннами обеспечивает возможность последующей фазовой обработки сигналов и эффективное подавление некоррелированных помех среды, формируемых различными источниками, включая техногенные излучения в зоне действия поисковой системы. Круговое сканирование протяженной параметрической антенны по периметру обследуемой акватории обеспечивает возможность определения направлений приема информационных волн на акватории, а последующее перемещение излучателей подсветки и накачки (сокращение, а затем увеличение протяженности просветной линии), использование дополнительного направленного облучения морского дна акустическими или электромагнитными волнами накачки обеспечивает определение местонахождения источников информационных волн с повышенной точностью. При этом за счет отклонения движущегося двойного излучающего преобразователя от прямолинейного курса при удалении от приемного блока переменным курсом обеспечивается точное определение места и пространственной протяженности источников информационных, преимущественно геофизических волн.
Таким образом, техническими решениями заявляемой гидроакустической системы дальнего параметрического приема и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов, реализованы практические пути построения и реализации широкомасштабной радиогидроакустической системы комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, источниками водной среды и морского дна. При этом источники гидрофизических полей морской среды включают морские суда, подводные системы и аппараты различного назначения. Источники геофизических полей сейсмического диапазона включают излучения залежей углеводородов, а также волн предвестников землетрясений. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни Герц, а также дополнительной накачки морского грунта инфранизкочастотными сигналами с частотой десятки-единицы Герц.
Обеспечение в заявляемой системе дальнего обнаружения и определения местоположения источников геофизических и гидрофизических волн, а также их пространственной протяженности достигается за счет совместной реализации закономерностей и измерительных технологий просветной гидролокации, а также закономерностей нелинейного взаимодействия волн различной физической природы при их совместном распространении в морской среде, что обосновано теоретически и подтверждено морскими экспериментами, выполненными в морях Дальневосточного региона.