СПОСОБ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD OF PROFILING BOTTOM DEPOSITS

Изобретение относится к области геофизики и гидроакустики и может быть использовано для изучения структуры донных отложений в шельфовой зоне мирового океана, а также для изучения особенностей распространения звука в придонном слое мелкого моря.
Известен способ профилирования донных отложений, реализованный в работе Касаткина Б.А., Косарева Г.В., Ларионова Ю.Г. Исследование дна Амурского залива профилографом высокого разрешения. Сборник трудов Российского акустического общества. М., ГЕОС, 2001, т.2, с.18-22. Известное решение основано на принципе отражения распространяющихся в воде и грунте широкополосных акустических импульсов от всех границ раздела, таких как граница раздела вода - морское дно, а также границы раздела между отдельными слоями морских осадочных пород.
Способ включает излучение широкополосных импульсных акустических сигналов в диапазоне частот 3-8 кГц, прием отраженных сигналов, их корреляционную обработку в режиме реального времени и построение профиля донных осадков по времени задержки отраженных сигналов от границ раздела слоев. Использование широкополосных импульсных акустических сигналов позволяет реализовать в данном способе достаточно высокую разрешающую способность метода профилирования. Недостатком данного способа является сравнительно малая глубина профилирования.
Известен способ профилирования донных отложений, в котором для увеличения глубины профилирования при сохранении высокой разрешающей способности в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью (Патент РФ №2356069, МПК G01V 1/38, 2007 г.). Данный способ является наиболее близким к заявляемому решению и принят за прототип.
Этот способ профилирования донных отложений включает установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель и его буксировку над дном, излучение фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с акустической копией излученного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. В этом способе для увеличения глубины профилирования используют фазоманипулированный сигнал с достаточно большой базой, обладающий достаточной энергией, а разрешающая способность данного способа в вертикальном направлении сохраняется высокой за счет высокого отношения сигнал / шум на входе приемного тракта, что также обеспечивается выбором фазоманипулированного сигнала с достаточно большой базой.
Недостатком данного способа профилирования является низкая разрешающая способность в продольном направлении, т.е. в направлении буксировки антенны профилографа. Это объясняется тем, что антенна профилографа на рабочих частотах профилирования обладает слабой направленностью в вертикальной плоскости, вследствие чего точечный объект профилирования изображается на профилограмме в виде характерной параболы, что затрудняет правильную идентификацию объектов профилирования. Для увеличения разрешающей способности в продольном направлении либо увеличивают апертуру антенны профилографа, что существенно увеличивает и массогабаритные характеристики профилографа, либо используют методику синтезирования апертуры. Такая методика применительно к задаче профилирования приведена, например, в работе: А.И.Захаров, В.И.Каевицер, В.М.Разманов, В.Н.Раскатов, Применение методов синтезирования апертуры в низкочастотных эхолотах-профилографах. Труды VIII международной конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. СПб, Наука, 2006, с.143-147. Однако алгоритмы синтезирования апертуры, описанные в этой работе, не учитывают различия в скорости распространения звука в воде и донных отложениях и связанного с этим преломления звуковых лучей на границе раздела вода - морское дно, а потому являются весьма приближенными. Как следствие, они являются достаточно эффективными только при малой величине синтезируемой апертуры и в случае, когда донные отложения являются неконсолидированным осадком, скорость звука в котором близка к скорости звука в воде.
Задачей изобретения является увеличение разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении при сохранении достаточно большой глубины профилирования и высокой разрешающей способности в вертикальном направлении.
p
0
qp
q
0
MAX
1
2
qpn
q
pn
p
pn
q
(K)
(K)
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>2</mn><mi>h</mi></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>2</mn><mi>H</mi></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow></mfrac></mrow>
Поставленная задача решается способом профилирования донных отложений, включающим установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель и его буксировку над дном, при этом излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, причем в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К-элементная приемная антенна, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. Для компенсации пространственных искажений, связанных со слабой направленностью антенны профилографа, а следовательно для увеличения разрешающей способности в продольном направлении, прием отраженного сигнала производят К-элементной приемной антенной, ориентированной вдоль носителя антенны профилографа, а усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К-канальным приемным трактом. После усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К-элементной приемной антенны, для каждой посылки импульсного сигнала, излученного в момент времени t=t+pT, Т - период следования импульсов излучения профилографа, р=1, 2, 3…, из массива обработанных данных формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала S , в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала t∈(t, t), q=l,2, Q, где
,
,
, (с, с - предварительно определенные эффективные скорости звука в воде и в донных отложениях соответственно, h - высота антенны профилографа над дном,
, Δf - полоса частот акустического фазоманипулированного сигнала, H - предполагаемая глубина профилирования морского дна). Из Q элементов - строк формируют матрицу из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала S , соответствующих временам прихода t и временам излучения t=t±nT, q∈(1,Q); n∈(0,N). Для каждого момента времени излучения t и времени прихода t вычисляют временные задержки
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>q</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>q</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>q</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>h</mi></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>z</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>h</mi></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>c</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>sin</mi><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>χ</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mi>q</mi></msub><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>χ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>c</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>χ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>c</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>χ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>c</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mi>q</mi></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>χ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>χ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>¯</mo></mover><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>¯</mo></mover><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>¯</mo></mover><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>U</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mi>q</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mrow><mn>21</mn></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>q</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
,
,
,
,
,
,
,
<mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mn>21</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
.
q
q
pn
qn
(U - предварительно определенная скорость носителя антенны профилографа, z- глубина отражающего слоя). Для каждого момента времени прихода принятых сигналов t и времени излучения t синфазно суммируют 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину Δt по формуле
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>q</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>q</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>q</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                                                      (1)</mtext></mrow></mstyle></mrow>
q
p
повторяют операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных р>N+1, q≤Q для каждого элемента приемной антенны, для каждого момента времени прихода принятых сигналов t и времени излучения t синфазно суммируют К сигналов, принятых К-элементной приемной антенной, сдвинутых по временной шкале на величину kТ, по формуле
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>q</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>K</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>q</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow><mo>〉</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>q</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>k</mi><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mtext>                                                                              (2)</mtext></mrow>
причем период следования импульсов излучения Т, длина отдельного элемента К-элементной приемной антенны L и скорость носителя антенны профилографа U - связаны соотношением L=TU.
0
n
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана лучевая трактовка преломления лучей на границе раздела вода - морское дно: а) схема формирования синтезированной апертуры, б) z=h, r=nUT, на фиг.2 - профилограммы морского дна, полученные без обработки: а) с использованием предложенного способа профилирования донных отложений б).
0
n
В результате обработки всего массива данных пространственные искажения, связанные со слабой направленностью антенны профилографа и движением носителя профилографа, компенсируются, что равносильно увеличению направленности антенны профилографа в вертикальной плоскости и улучшению его разрешающей способности в продольном направлении. При такой структуре приемной антенны профилографа и предложенных алгоритмах обработки сигналов разрешающая способность профилографа в продольном направлении будет равна длине одного элемента антенны L, а эффективная синтезированная апертура равна (2N+1)KL. Геометрия формирования синтезированной апертуры поясняется фиг.1, на котором показана лучевая трактовка преломления лучей на границе раздела вода - морское дно: а) схема формирования синтезированной апертуры, б) z=h, r=nUT. На фиг.2а хорошо видны характерные пространственные искажения изображения локализованных в морских отложениях объектов в виде пересекающихся параболических структур. Эти искажения эффективно устраняются, как это видно на фиг.2б, при использовании предложенного способа профилирования и алгоритмов синтезирования апертуры.
Способ профилирования донных отложений реализуется следующим образом.
При профилировании осадочного слоя морского дна предварительно измеряются или вычисляются эффективные значения скорости звука в воде и осадочном слое морского дна, которые входят в качестве параметров в алгоритмы обработки сигналов. Излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга. В качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К-элементная приемная антенна. Процесс профилирования включает в себя установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель, движение носителя антенны профилографа над дном со скоростью U, которая находится в определенном соотношении с длиной отдельного элемента антенны L и периодом следования импульсов излучения Т, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала К-элементной приемной антенной, ориентированной вдоль носителя антенны профилографа. Усиление и корреляционную обработку принятых сигналов К-канальным приемным трактом. Для увеличения разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении производят обработку всего массива данных, полученных на выходе К-канального приемного тракта методом синтезирования апертуры с учетом преломления лучей на границе раздела вода - морское дно по формуле (1) для каждого элемента К-элементной приемной антенны и синфазное сложение сигналов, принятых отдельными элементами К-элементной приемной антенны, по формуле (2) с последующим графическим построением профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. При такой структуре приемной антенны профилографа, приемного тракта профилографа и предложенных алгоритмах обработки сигналов разрешающая способность профилографа в продольном направлении будет равна длине одного элемента антенны L, а эффективная синтезированная апертура равна (2N+1)KL.
Таким образом, предложенный способ отличается от известных новизной решения поставленной задачи и позволяет существенно увеличить разрешающую способность в продольном направлении при профилировании донных отложений.