АКУСТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОГРАФ

Полезная модель относится к области исследования шельфа Мирового океана, в частности, изучения и картирования слоев придонных отложений.
Известны акустические профилографы, предназначенные для получения данных о геоакустических характеристиках морского дна [1-4] К геоакустическим характеристикам относят данные о физико-механических характеристиках слоев и границах слоев, т.е. о толщине слоя и его очертаниях. При работе акустического профилографа решаются две взаимосвязанные задачи: отнесение материала слоя к определенному классу по принятой классификации [5] и определение геометрических размеров слоя.
Акустический профилограф работает следующим образом: в сторону морского дна излучают акустический сигнал заданной мощности и спектрального состава; сигнал отражается от дна, проникает в слои, вследствие различного импеданса отражается от границ слоев и принимается аппаратурой профилографа.
i,i+1
Расстояние Δh между слоями с номерами i и i+1 определяется по формуле
i
n
где с - скорость звука в i-ом слое; t - измеренное время от начала излучения до прихода эхосигнала от n-ого слоя (n=i или n=i+1).
i
Акустические профилографы позволяют обследовать большие участки дна за сравнительно короткое время при высокой точности оконтуривания (горизонтальная координата). При определении толщины слоя Δh неизвестной является скорость звука с и, следовательно, толщина слоя с номером i также является неопределенной. Неизвестную величину скорости звука в слое определяют аналитически, с помощью обработки по специальным алгоритмам [1-3] или считают, что скорость звука в слое равна скорости звука в воде, 1500 м/с [4].
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к предлагаемой полезной модели является акустический профилограф, подробные данные о котором изложены в монографии [1] и который принят за прототип.
Профилограф-прототип состоит из приемно-излучающего тракта и тракта (системы) обработки информации. Приемно-излучающий тракт включает излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генераторного устройства (ГУ), через переключатель прием/передача (ППП) последовательно соединенного с акустической антенной, которая является обратимой. Приемный тракт состоит из
последовательно соединенных акустической антенны и блока частотно-временной обработки, так же соединенных через ППП.
Система обработки устройства-прототипа построена для анализа амплитуд приходящих эхосигналов от слоев. Система обработки включает согласованную фильтрацию, разделение эхосигналов по времени прихода, блок спектральной обработки и анализа, и блок анализа поглощения сигналов в слоях, а также блок амплитудного анализа и блок определения характеристик дна, в котором вычисляется расстояние до дна, т.е. глубина места судна-носителя акустического профилографа. Данные поступают в блок принятия решений, где по принятым алгоритмам [1-3] вычисляют скорость звука в слоях и другие параметры слоев. Совокупность этих данных сопоставляют с соответствующей совокупностью признаков, извлекаемых из априорно созданной базы признаков в блоке эталонов. При сопоставлении вырабатывается решение об отнесении слоя к определенному классу, при этом одним из классификационных признаков является скорость звука, полученная при вычислении по заданным алгоритмам и сравниваемая со скоростью звука из блока эталонов. Далее формируют массив выходных данных для визуализации, документирования, передачи на другие объекты.
i
Рассмотренный акустический профилограф (прототип) обеспечивает необходимую точность по геометрическим характеристикам в горизонтальной плоскости и небольшую приборную погрешность при измерении координат в вертикальной плоскости, но обладает существенным недостатком: скорость звука определяется не путем прямого измерения, а косвенно, по априорным данным. В частности, в [1] предлагается определять скорость звука с в i-ом слое из системы уравнений:
i
дн
i
0
i
i,j
i,j
j
j
где U - уровень принятого сигнала, отраженного от i-ого слоя; U - уровень принятого сигнала, отраженного от дна; h - толщина i-ого слоя (i=0, 1, 2, ..., n), h=H - толщина водного слоя; с - скорость звука в i-ом слое; V - коэффициент отражения на границе слоев с номерами i и j; W - коэффициент прохождения из слоя i в слой j; β - коэффициент поглощения в слое j; ρ - плотность j-ого слоя.
j
В [2] импеданс слоя Z предлагается определять по формуле:
R
тв
0
ρ=ρ/ρ - отношение плотностей твердой фазы слоя к жидкой фазе (водной);
R
тв
0
0
0
c
0
с
тв
0
тв
с
-10
2
η
7
2
χ=χ/χ - отношение модулей сжимаемости, для воды принимается χ=4,2·10м/H [2]; μ - модуль упругости, μ=μ(ρ-1), η≈1, μ=5·10 Н/м, ρ - суммарная плотность слоя; П - пористость, определяется как отношение П=(ρ-ρ)/(ρ-ρ).
Из формул (2)-(4), которые являются типовыми при определении скорости звука в слоях морского грунта [1-3], видно, что необходимо знание модулей упругости, плотностей, пористости, которые задаются по усредненным экспериментальным данным и могут значительно отличаться для конкретных участков морского дна, в которых выполняют акустическое профилирование.
Следовательно, все ошибки, связанные с недостоверностью определения скорости по принятым алгоритмам, переходят в ошибки определения толщины слоя, как следует из формулы (1).
Задачей предлагаемой полезной модели - акустического профилографа - является построение профилографа, имеющего возможность определения скорости звука в слоях морского грунта путем измерения характеристик принятого от слоя эхосигнала, а именно - путем измерения фазы.
Поставленная задача решается следующим образом:
в акустический профилограф, содержащий приемно-излучающую акустическую антенну, соединенную через переключатель прием/передача с первым выходом генераторного устройства и первым входом блока частотно-временной обработки, причем второй выход генераторного устройства соединен со вторым входом блока частотно-временной обработки, а его первый выход соединен с блоком разделения по времени эхосигналов, при этом первый выход блока разделения по времени эхосигналов соединен с входом блока амплитудного анализа, его первый выход соединен с входом блока определения характеристик дна, а второй выход с первым входом блока принятия решений, выход блока определения характеристик дна соединен со вторым входом блока принятия решений, а второй выход блока разделения по времени эхосигналов соединен с третьим входом блока принятия решений, четвертый вход блока принятия решений соединен с выходом блока эталонов, второй выход блока частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки спектрального анализа и анализа поглощения соединены с пятым входом блока принятия решений, а выход блока принятия решений соединен с входом блока подготовки данных фрагмента дна, к выходу которого присоединены внешние
устройства, введены новые признаки путем добавления новых элементов и связей в структуру устройства:
последовательно соединенные блок выделения фазы,
блок вычисления разности фаз и
блок вычисления скорости звука в грунте,
при этом вход блока выделения фазы соединен с третьим выходом блока частотно-временной обработки, а выход блока вычисления скорости звука в грунте соединен с шестым входом блока принятия решений.
Техническими результатами использования предлагаемой полезной модели являются:
- существенное повышение достоверности определения скорости звука путем измерения величин, относящихся к конкретному слою морского грунта и непосредственно связанных со скоростью звука;
- повышение достоверности классификации слоев морского грунта при отнесении слоя к определенному классу.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленной на фигуре структурной схемой акустического профилографа.
Заявляемый профилограф содержит приемно-излучающую акустическую антенну 1, переключатель прием/передача 2, генераторное устройство 3, блок 4 частотно-временной обработки, блок 5 разделения по времени эхосигналов, блок 6 амплитудного анализа, блок 7 определения характеристик дна, блок 8 принятия решений, блок 9 эталонов, блок 10 спектрального анализа, блок 11 анализа поглощения, блок 12 подготовки данных фрагмента дна, блок 13 выделения фазы, блок 14 вычисления разности фаз и блок 15 вычисления скорости звука в грунте. В структуре опущены блоки управления и контроля, электропитания, связи с внешними устройствами (датчики абсолютного времени, скорости судна, GPS и др. системы), что является известным [1,6] и не составляет специфику структуры заявляемого акустического профилографа.
Первый выход генераторного устройства 3 через переключатель прием/передача 2 соединен с входом приемно-излучающей антенны 1. Выход антенны 1 через переключатель прием/передача 2 соединен с первым входом блока частотно-временной обработки 4, а второй вход блока 4 соединен со вторым выходом генераторного устройства 3. Первый выход блока 4 соединен с блоком разделения по времени эхосигналов, второй выход блока 4 - с последовательно соединенными блоками спектрального анализа 10 и анализа поглощения 11, выход которого соединен с
четвертым входом блока принятия решений 8, а третий выход блока 4 - с последовательно соединенными блоками выделения фазы 13, вычисления разности фаз 14 и вычисления скорости звука 15, выход которого соединен с шестым входом блока 8. Первый выход блока разделения по времени эхосигналов 5 соединен с блоком амплитудного анализа 6, а второй выход блока 5 - с третьим входом блока принятия решений 8. Первый выход блока амплитудного анализа 6 соединен с первым входом принятия решений 8, второй выход блока 6 - со входом блока определения характеристик дна 7, выход которого соединен со вторым входом блока 8. Пятый вход блока 8 соединен с выходом блока 9 эталонов, а выход блока 8 - с входом блока подготовки данных фрагмента дна 12, к выходу которого подсоединены периферийные устройства документирования, визуализации и др.
В генераторном устройстве (ГУ) 3 формируется сигнал заданного спектрального состава; переключатель 2 при излучении сигнала соединяет ГУ 3 с антенной 1, а при приеме эхосигнала соединяет антенну с блоком 4 частотно-временной обработки (ЧВО).
В блоке ЧВО 4 производится частотно-временная обработка принятого сигнала, который выделяется на фоне помех. На выходе блока 4 имеется набор эхосигналов от дна моря и глубинных слоев морского грунта. Набор эхосигналов представляет собой массив комплексных чисел (или матриц). После блока ЧВО происходит разветвление данных: амплитудно-спектральный анализ выполняется в блоках 6-7 и 10-11, фазовый анализ - в блоках 13-15.
В блоке 5 эхосигналы от дна и слоев морского грунта разделяются по времени прихода, в блоке 6 выполняется сопоставление по амплитуде с целью определения поглощения в каждом слое (по средней частоте). Поскольку скорость звука в воде известна, в блоке 7 определяется глубина места носителя. В блоках 10-11 выполняется дополнительный анализ отдельных компонент широкополосного сигнала, для получения дополнительной информации о поглощении.
Блок 13 выделяет фазы сигналов из комплексного массива, передаваемого из блока ЧВО, в блоке 14 формируется массив разностей фаз, соответствующих последовательному приходу во времени эхосигналов от дна, ближней и дальней границ i-го слоя грунта.
В блоке 15 определяется скорость звука в каждом слое морского дна. Скорость звука в i-ом слое определяется из формулы
I-1
i
ср
i
i
i-1
0
где φ - фаза сигнала, отраженного от ближней границы i-ого слоя (дальней границы i-1-ого слоя); φ - фаза эхосигнала, отраженного от дальней границы i-ого слоя; f - средняя частота сигнала; с, с - скорости звука в i-ом слое и воде, соответственно; z, z - глубины ближней и дальней границ i-ого слоя, соответственно, отсчитываемые от глубины места носителя профилографа (z=0).
i
После обработки с выхода блока 15 передается массив скоростей с (i∈[0, n]) звука от каждого из n слоев, причем слой с номером i=0 - это слой воды.
i
В блоке 8 выполняется анализ данных, полученных из блоков 6 (по амплитудам), блока 11 (по спектральным характеристикам). По этим данным при решении системы уравнений типа (2) и с учетом полученных из блока 15 значений скорости звука в слоях определяются коэффициенты поглощения (β), которые являются, совместно со значениями скорости звука с, классификационными признаками. Совокупность измеренных и рассчитанных признаков сопоставляется с признаками, находящимися в блоке эталонов 9 и принимается решение об отнесения материала слоя к классу по принятой классификации [5, 7].
В блоке 8 вычисляется толщина каждого слоя в соответствии с формулой (1), формируются массивы данных для представления на экране монитора (передачи на внешние устройства), выполняются другие операции с массивами.
Заявляемое устройство - акустический профилограф - работает следующим образом.
Судно-носитель с акустическим профилографом выходит в заданный район моря. Фиксируются географические координаты начала работы. В импульсном режиме выполняется акустическое зондирование выбранного фрагмента морского дна, при этом судно-носитель выполняет галсы по акватории.
С помощью ГУ 3 и антенны 1 излучается акустический импульс заданного спектрального состава. Импульсный сигнал отражается от дна и глубинных слоев морского грунта и принимается антенной 1. Далее преобразованный в электрический сигнал обрабатывается в блоках 4-11 и 13-15. На выходе блока 8 после обработки имеется массив, содержащий данные о глубине места (под килем носителя), толщине слоев (мощности слоев) морского грунта, о классе каждого слоя в соответствии с принятой классификацией. Эти данные соответствует одной точке с известными географическими координатами, передаются в блок 12 и запоминаются. Продолжая
движение по акватории, получают аналогичные данные по следующим точкам выбранного фрагмента морского дна и передают в блок 12. В зависимости от задач, решаемых профилографом, в блоке 12 формируется картина, отображающая профиль (разрез) участка морского дна, или набирается массив для последующего документирования (запоминания на электронном или ином носителе), передачи на внешние устройства.
Конструктивное исполнение приемно-излучающего тракта известно, в случае акустического профилографа изложено в монографии [1]. Вопросы, связанные с построением акустической антенны, представлены в книгах [6, 8], а генераторного устройства - в статье [9]. Блок 4 ЧВО выполняется на аппаратно-программных средствах [1, 6, 10]. Системы обработки информации, состоящие из блоков 5-15, конструктивно могут выполняться в одном приборе [1, 4] на средствах вычислительной техники. Присоединение монитора, устройств документации и других периферийных устройств - по стандартным протоколам связи. В информацию об обследуемом участке морского дна вводятся также данные от внешних (судовых) устройств типа GPS, измерителя скорости носителя и др., эти связи являются общепринятыми для судовой аппаратуры [6, 10].
Реализация заявляемого акустического профилографа позволяет
- вычислять скорость звука в слоях морского дна без использования априорных данных о модулях упругости, пористости и других геоакустических характеристиках, путем прямых измерений характеристик эхосигналов;
- выполнять более достоверную классификацию слоев грунта, базирующуюся на результатах непосредственных измерений обследуемых точек морского дна.
Заявленный акустический профилограф может быть использован при исследовании шельфа Мирового океана, в исследованиях по палеогеографии морского дна, при географических, геологических и геофизических исследованиях, поиске полезных ископаемых на шельфе, поиске заиленных объектов, при строительстве морских стационарных сооружений, при решении задач распространения акустических волн в шельфовой зоне.
Источники информации
1. Гидролокационные системы вертикального зондирования / Берник В.Р. и др. Новосибирск: изд. НГУ, 1992 (прототип)
2. LeBlanc L.R., Mayer L., Rufino M., et al. Marine sediment classification using the chirp sonar // JASA, 1992. V.41. N 1. P.57-65
3. Топорская Л.П. и др. Цифровая обработка сигналов эхолота при дистанционном прогнозировании донных осадков на шельфе // Геофизические методы изучения шельфа и континентального склона. Л., 1990. С.37-44
4. Atlas Parasound DS-3. Проспект фирмы Atlas Hydrographic (ФРГ), 2004
5. Ионин А.С. Рельеф шельфа Мирового океана. М.: Наука, 1992. С.74-57
6. Тикунов А.И. Рыбопоисковые приборы и комплексы. Л.: Судостроение, 1989. С.63-95
7. Nikiforov S.L., et.al. Morphogenetic classification of the Arctic coastal zone // Geo-marine Letters, 2005. V.25. P.34-47
8. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л.: Судостроение, 1984. С.12-25
9. Александров В., Островский Д., Сиверс М. Генераторные устройства для гидроакустических антенн // Электроника: Наука. Технология. Бизнес. 2002, №1. С.40-45
10. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988. С.382-424