СПОСОБ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD FOR PROFILING OF 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.). Известный способ профилирования донных отложений включает установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемое устройство 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.
Данный способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению.
ф
0
12
12
1
2
1
2
Недостаток этого способа профилирования заключается в том, что увеличение энергии излученного сигнала не всегда сопровождается увеличением глубины профилирования. Это связано с тем, что звуковое поле на оси симметрии антенны профилографа имеет резко неоднородную структуру. Сначала уровень звукового давления в осадочном слое морского дна монотонно убывает с увеличением глубины профилирования, затем резко возрастает вблизи фокального пятна, которое примерно соответствует зеркальному горизонту, а затем достаточно быстро убывает, формируя мертвую зону, где профилирование невозможно даже при увеличении энергии излученного импульса. Эффект фокусирования звукового давления на оси симметрии излучающей антенны профилографа поясняется чертежами. На фиг.1 приведена структура звукового поля в мелком море и поясняется формирование в донном полупространстве обратной волны отдачи в поле точечного источника, которая своим акустическим фронтом фокусируется на оси симметрии в окрестности горизонта z=zc, (c=c/c, c, c - скорость звука в воде и в осадочном слое морского дна соответственно). На фиг.2 приведена вертикальная структура звукового поля на оси симметрии в полупространстве при различных значениях частотного параметра, которая поясняет структуру звукового поля на оси симметрии в полупространстве, полученную расчетным путем в рамках модели волновода Пекериса (Л.М.Бреховских, Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 502 с.).
В основу изобретения поставлена задача разработать такой способ профилирования донных отложений, который позволяет увеличить глубину профилирования донных отложений при сохранении высокой разрешающей способности.
Поставленная задача решается тем, что в способе профилирования донных отложений, заключающемся в установке приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемое устройство и его буксировке над дном, излучении импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, приеме отраженного сигнала, его корреляционной обработке с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала и последующем графическом построении профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, антенну профилографа буксируют так, чтобы ее высота h над дном и предполагаемая глубина профилирования Н были связаны соотношением:
12
h=H/c,
12
1
2
1
2
где c=c/c, c, c - скорость звука в воде и в осадочном слое морского дна соответственно, а полная ширина характеристики направленности антенны профилографа в вертикальной плоскости на уровне 3 дБ равнялась двойному критическому углу:
0,7
кр
кр
12
θ=2θ, θ=arcsin(c).
При таком выборе горизонта буксировки антенны профилографа звуковое давление в осадочном слое морского дна имеет локальный максимум в районе предполагаемой максимальной глубины профилирования, что создает локальную подсветку этого горизонта. За пределами этого горизонта локальной подсветки уровень звукового давления монотонно и довольно быстро спадает, исключая возможность профилирования более глубоких слоев осадочных пород. Выбор характеристики направленности антенны профилографа с достаточно широким сектором излучения, включающим критический угол, усиливает эффект фокусировки поля на оси симметрии в донном полупространстве.
Совокупность существенных признаков заявленного способа профилирования донных отложений имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков способа стало возможным решить поставленную техническую задачу.
На основании изложенного можно заключить, что заявленный способ профилирования донных отложений является новым, обладает изобретательским уровнем и пригоден для промышленного применения.
Сущность заявленного способа профилирования донных отложений поясняется чертежом, где на фиг.3 представлены профилограммы морского дна, полученные при одних и тех же параметрах зондирующего импульса излучения: (а) - профилограмма морского дна, полученная при высоте антенны профилографа над дном 15 м; (б) - профилограмма морского дна, полученная при высоте антенны профилографа над дном 30 м.
Эффект увеличения глубины профилирования при увеличении высоты антенны профилографа над дном подтверждается экспериментально.
При увеличении высоты антенны над дном фиг.3 (б) потери на распространение увеличиваются в сравнении со случаем, изображенным на фиг.3 (а), на 25-30 дБ, но глубина профилирования уверенно увеличивается, а разрешающая способность улучшается.
Заявляемый способ профилирования донных отложений реализуется следующим образом.
Предварительно оцениваются требуемая мощность излучения и параметры импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, обеспечивающие так называемую энергетическую дальность действия, под которой в рассматриваемом случае понимается максимальная глубина профилирования. Затем устанавливают приемоизлучающую антенну профилографа на буксируемое устройство и буксируют его над дном, генерируют и излучают импульсный акустический фазоманипулированный сигнал, модулируемый М-последовательностью, принимают отраженный сигнал, после чего выполняют его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала. При этом буксируют антенну профилографа так, чтобы ее высота h над дном и предполагаемая глубина профилирования Н были связаны соотношением:
12
h=H/c,
12
1
2
1
2
где c=c/c, c, c - скорость звука в воде и в осадочном слое морского дна соответственно, а полная ширина характеристики направленности антенны профилографа в вертикальной плоскости на уровне 3 дБ равнялась двойному критическому углу:
0,7
кр
кр
12
θ=2θ, θ=arcsin(c).
Затем осуществляют последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала.
Таким образом, предложенный способ профилирования донных отложений отличается от известных новизной решения поставленной задачи и позволяет увеличить глубину профилирования донных отложений при сохранении высокой разрешающей способности.