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 [1-5]. К геоакустическим характеристикам относят данные о физико-механических характеристиках слоев и границах слоев, т.е. о толщине слоя и его очертаниях. В соответствии с принятой классификацией [6-8] слои разделяются по размерам частиц на состоящие из обломочного материала, на песок, алевриты, глины. При работе акустического профилографа решаются две взаимосвязанные задачи:
- отнесение материала слоя к определенному классу по принятой классификации;
- определение геометрических характеристик однородного по классу слоя, т.е. толщины слоя (иногда называют «мощность слоя») и его очертаний в горизонтальной плоскости, т.е. трехмерной картины, привязанной к географическим координатам.
Известны способы получения данных о геоакустических характеристиках - прямые и косвенные.
Прямой способ реализуется при бурении скважин в выбранном участке морского дна с последующим анализом колонны грунта. Бурение дает возможность определить только физико-механические характеристики, требует специального оборудования и судов, с увеличением глубины моря и глубинности грунта быстро усложняющимися. Диаметр буровой скважины не превышает 20-30 см, что резко уменьшает объем получаемой информации по обследуемой площади участка морского дна. Скважина может быть пробурена в месте с аномальными характеристиками, отличающимися от характеристик других фрагментов обследуемого участка. Бурение не дает возможности «оконтурить» участок, т.е. определить границы слоев. Процесс бурения занимает много времени.
Косвенные способы можно разделить на две категории - аналитические способы и способы дистанционного зондирования, или акустического профилирования.
Аналитический способ [6, 7, 9] заключается в построении аналитической базы данных геоакустических характеристик морского дна (АБД), привязанной к географическим координатам. При составлении аналитической базы учитываются изменения рельефа под влиянием палеогеографических факторов, т.к. формирование рельефа является результатом длительного (по историческим меркам) процесса. При составлении аналитической базы (и карт) используются данные о геоморфологических, геологических и геофизических параметрах дна. Принципиальным условием является анализ и синтез информации и ручная (не компьютерная) обработка данных, т.к. использование пакетов прикладных программ не может выявлять особенности формирования поверхности и глубинных слоев морского дна. При использовании аналитической базы данных имеют место
- хорошее совпадение по физико-механическим (геоакустическим) характеристикам слоев, необходимых при классификации;
- существенные ошибки по толщине слоев (вертикальная координата) и очертаниям занимаемой площади (горизонтальная координата).
i,i+1
Акустическое профилирование, реализуемое акустическим профилографом состоит в излучении акустического сигнала заданной мощности и спектрального состава в сторону морского дна. Сигнал отражается от дна, проникает в слои, вследствие различного импеданса отражается от границ слоев и принимается аппаратурой профилографа. Расстояние Δh между слоями с номерами i и i+1 определяется по формуле
i
n
где c - 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 c и, следовательно, толщина слоя с номером i также является неопределенной. При анализе других, необходимых для классификации характеристик эхосигнала (кроме времени прихода), в том числе при сопоставлении спектральных характеристик излученного и принятого сигналов, аналитически, с помощью обработки по специальным алгоритмам определяют неизвестную величину скорости звука в слое и другие параметры слоев.
Акустические профилографы калибруют путем сопоставления их данных с данными бурения или на специальных полигонах [3]. Недостатки используемых способов калибровки и, как следствие, неопределенность данных о структуре и составе слоев, получаемых дистанционным зондированием с помощью акустических профилографов:
- бурение требует специальных средств, а данные по буровым колонкам локализованы;
- создание полигонов с требуемой придонной структурой слоев представляется проблематичным.
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к предлагаемой полезной модели является акустический профилограф, подробные данные о котором изложены в монографии [2] и который принят за прототип.
Профилограф-прототип состоит из приемно-излучающего тракта и тракта (системы) обработки информации. Приемно-излучающий тракта включает излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных формирователя сигналов заданного спектрального состава, последовательно соединенного с излучающей акустической антенной. Приемный тракт состоит из последовательно соединенных приемной акустической антенны и блока частотно-временной обработки.
Система обработки устройства-прототипа включает блок спектральной обработки и анализа, первый вход которого соединен с выходом блока частотно-временной обработки, а выход - со входом блока формирования выходных данных. К выходу блока формирования выходных данных могут быть подключены периферийные устройства: монитор, магнитофон, другие записывающие устройства, устройство передачи данных во внешнюю среду. Второй вход блока принятия решений соединен с выходом блока эталонов.
Рассмотренный акустический профилограф обеспечивает необходимую точность по геометрическим характеристикам в горизонтальной плоскости и небольшую приборную погрешность при измерении координат в вертикальной плоскости, но обладает существенными недостатками при классификации слоев, что приводит к дополнительным ошибкам при вычислении толщины (мощности) слоев, т.к. скорость звука является одним из классификационных признаков. Недостатки устройства-прототипа связаны с невозможностью оперативной корректировки алгоритмов классификации и числовых характеристик
классификационных признаков при обследовании конкретных участков морского дна.
Задачами предлагаемой полезной модели - акустического профилографа - являются:
- построение профилографа, имеющего оперативную возможность корректировать алгоритмы классификации и числовые характеристики классификационных признаков в банке эталонов;
- корректировка данных аналитической базы данных геоакустических характеристик известных фрагментов морского дна;
- получение данных для формирования аналитической базы данных геоакустических характеристик, для которых не создана аналитическая база данных.
Поставленные задачи решаются следующим образом:
в акустический профилограф, содержащий приемно-излучающий тракт, включающий формирователь сигналов заданного спектрального состава, выход которого соединен с акустической излучающей антенной, и последовательно соединенные акустическую приемную антенну и блок частотно-временной обработки, выход которого соединен со входом блока спектральной обработки и анализа, выход которого соединен с первым входом блока принятия решений, второй вход которого соединен с выходом блока эталонов, а первый выход со входом блока формирования выходных данных, к выходу которого присоединены внешние устройства, введены
новые признаки путем добавления новых элементов и связей в структуру устройства:
блок, содержащий аналитическую базу данных геоакустических характеристик, первый вход которого соединен со вторым выходом блока принятия решений, а его первый выход соединен с третьим входом блока принятия решений,
блок памяти данных геоакустических характеристик, вход которого соединен со вторым выходом блока, содержащего аналитическую базу данных геоакустических характеристик,
блок коррекции алгоритмов классификации, первый выход которого соединен со вторым входом блока, содержащего аналитическую базу данных геоакустических характеристик, его второй выход соединен с входом блока эталонов, а первый вход соединен с третьим выходом блока принятия решений,
и блок оперативной памяти геоакустических характеристик, вход которого соединен с четвертым выходом блока принятия решений, а выход соединен с четвертым входом блока принятия решений.
Техническими результатами использования предлагаемой полезной модели являются:
- существенное повышение достоверности результатов профилирования конкретного участка морского дна, путем выполнения оперативной калибровки акустического профилографа;
- обеспечение возможности одновременно с акустическим профилированием проведения оперативной корректировки аналитической базы геоакустических характеристик участка морского дна в части мощности слоев и их очертаний;
- обеспечение возможности оперативно и с высокой точностью по координатам создания задела данных для формирования аналитической базы геоакустических характеристик участка морского дна.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленной на фигуре структурой акустического профилографа
Заявленный профилограф содержит формирователь 1, излучающую акустическую антенну 2, приемную акустическую антенну 3, блок частотно-временной обработки 4, блок спектральной обработки и анализа 5, блок принятия решений 6, блок эталонов 7, блок формирования выходных данных 8, блок, содержащий аналитическую базу данных геоакустических характеристик в цифровом виде 9, блок памяти данных геоакустических характеристик 10, блок коррекции алгоритмов классификации 11 и блок оперативной памяти геоакустических характеристик 12.
Выход блока 1 последовательно соединен с входом излучающей антенны 2. Выход приемной антенны 3 соединен с входом блока 5. Выход блока 5 соединен с первым входом блока 6. а второй вход - с выходом блока 7. Первый выход блока 6 соединен с входом блока 8, второй выход - с первым входом блока 9, третий выход - с входом блока 11. Первый выход блока 9 соединен с третьим входом блока 6, второй выход - с входом блока 10. Второй вход блока 9 соединен с первым выходом блока 11, а его второй выход - с входом блока 7. Вход блока 12 соединен с четвертым выходом блока 6, выход - с четвертым входом блока 6.
В блоке 1 формируется сигнал заданного спектрального состава; блоки 2 и 3 представляют собой акустические антенны. В блоке 4 производится частотно-временная обработка принятого сигнала, который выделяется на фоне помех. На выходе блока 4 имеется набор эхосигналов от дна и придонных слоев. В блоке 5 выполняется спектральная обработка и анализ каждого из совокупности набора эхосигналов, сигналы сопоставляются между собой по уровню на каждой частоте из заданного диапазона частот. На выходе блока 5 по каждому из набора эхосигналов имеется информация о его уровне в диапазоне частот. В блоке 6 по спектральным характеристикам набора эхосигналов, с помощью алгоритмов классификации выделяется набор классификационных признаков. Выделенный набор классификационных признаков сопоставляется с набором аналогичных признаков блока эталонов 7 и принимается решение об отнесении каждого слоя к классу по принятой классификации; одним из классификационных признаков слоя является скорость звука. 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. Блоки 1-8 аналогичны соответствующим блокам устройства-прототипа.
В блоке 9 содержится аналитическая база данных, из которой могут извлекаться данные и в которой данные могут корректироваться.
В блоке 10 хранятся данные о геоакустических характеристиках обследуемых участков морского дна. Эти данные используются для корректировки, дополнения аналитической базы данных участков морского дна в части геометрических характеристик, а также в качестве задела для создания участка морского дна, по которому отсутствует АБД. Т.о., блок 10 представляет собой долговременную память.
Блок 11 предназначен для выполнения вычислительных процедур, связанных с коррекцией алгоритмов классификации и числовых данных аналитической базы данных.
Блок 12 предназначен для хранения данных о классификационных признаках, получаемых при акустическом профилировании фрагмента участка морского дна с целью последующего их усреднения.
Учитывая назначение, блок 9 выполняет взаимный обмен информацией с блоком 6, передает данные в блок 10 и получает данные из блока 11. Из блока 11 дополнительно корректируется база эталонов (блок 7), причем
данные для организации вычислений и формирования результирующих воздействий поступают из блока 6. В блок 12 из блока 6 поступают текущие данные по классификационным признакам каждой из точек морского дна и накапливаются в нем. После сформирования необходимого массива эти данные передаются в блок 6 для усреднения и дальнейшей передачи усредненных классификационных признаков в блок 11.
В соответствии с поставленными задачами работа заявляемого профилографа осуществляется в двух режимах:
а) в режиме калибровки;
б) в режиме профилирования с учетом результатов калибровки.
Основная цель режима калибровки - уточнение алгоритмов классификации и классификационных признаков по оперативным данным.
Для калибровки выбирается фрагмент морского дна, для которого известна аналитическая база данных геоакустических характеристик (АБД). Акустическое профилирование выполняют в N точках фрагмента с целью дальнейшего осреднения числовых характеристик классификационных признаков. Для каждой из этих N точек известна АБД с привязкой к географическим координатам. Нижеследующие операции выполняются для каждой из N точек.
Формирователем 1 формируется сигнал (зондирующий сигнал), который излучается в водную среду антенной 2. В современных профилографах [2, 3] излучается ЛЧМ-сигнал с гауссовой огибающей, средняя частота которого и полоса определяются назначением профилографа. Сигнал отражается от дна, проникает в донную толщу и, вследствие различного импеданса, отражается от границ слоев. Эхосигнал, содержащий «отклики» от дна и слоев, принимается антенной 3. В блоке 4 полезный сигнал (эхосигнал от дна и слоев) выделяется на фоне помех, так что на вход блока 5 поступает массив эхосигналов, первый из этих сигналов соответствует сигналу, отраженному дном, а последующие соответствуют сигналам, отраженным от границ слоев. Последний по времени отклик - от границ самого глубокого слоя. Эхосигналы разделены во времени, связанном с прохождением звука между границами слоев. В блоке 5 каждый из набора эхосигналов подвергается спектральной обработке, т.к. поглощение звука является частотно-зависимым. Для каждого отклика фиксируется уровень сигнала на отдельных частотах, время прихода. Сформированный набор признаков в частотно-временной области передается в блок принятия решения 6.
В блоке 6 из набора признаков в частотно-временной области формируется набор геоакустических классификационных признаков, в том числе скорость звука, коэффициент поглощения, пористость и др. Формирование набора геоакустических классификационных признаков выполняется с помощью алгоритмов, заложенных в программное обеспечение блока 6. В качестве примера приведем алгоритмы из монографии [2]:
n
дн
j
0
j
i,j
i,j
j
j
где U - уровень принятого сигнала, отраженного от n-ого слоя; U - уровень принятого сигнала, отраженного от дна; h - толщина j -ого слоя (j=0,1,2,...,n), h=H - толщина водного слоя; с- скорость звука в j-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.
i,j
i,j
Величины V, W определяются по формулам:
j
В [3] импеданс слоя Z предлагается определять по формуле:
R
тв
0
R
тв
0
0
0
с
0
с
тв
0
тв
с
-10
2
η
7
2
.
ρ=ρ/ρ - отношение плотностей твердой фазы слоя к жидкой фазе (водной); χ=χ/χ - отношение модулей сжимаемости, для воды χ=4,2·10м/Н [3]; 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)
n
n
Система (2) состоит из n уравнений относительно неизвестных характеристик c и β. Последовательное ее решение дает возможность определить неизвестные величины. Совокупность параметров, определенных из выражений (2-4), позволяет получить «пространство признаков», которое сопоставляется с совокупностью («пространством») признаков-эталонов. В целом эта задача относится к задаче распознавания образов [2]. Набор признаков эталонов для точки морского дна, в которой выполняется исследование, извлекается из АБД, блок 9. В блоке 6 принимается решение об отнесении
материала слоя к определенному классу, совокупность классификационных признаков пересылается в блок 12 вместе с соответствующими сдвигами во времени для каждого из слоев точки морского дна, в которой выполняется профилирование.
После окончания профилирования во всех N точках в блоке 12 имеется информация по каждой точке с классификационными признаками слоев и их координатами. Информация извлекается из блока 12 в блок 6, в одинаковых по классификационным признакам слоях признаки осредняются (например, скорость звука и поглощение). Из блока 6 совокупность откорректированных признаков пересылается в блок 11. В блоке 11 корректируются числовые характеристики классификационных признаков и пересылаются в блок эталонов 7 для корректировки; а также пересылаются в блок 6 данные для корректировки алгоритмов определения классификационных признаков, например, констант, входящих в формулу (4); в блок 9 пересылается информация с целью корректировки координат слоев в АБД, туда же одновременно поступает информация из блока 6. Дополнительно из блока 9 информация пересылается в блок 10 для последующей корректировки АБД, которая выполняется вне заявляемого устройства, и для формирования АБД прилегающих фрагментов морского дна.
Режим калибровки считается законченным. В блоке эталонов 7 имеется набор откорректированных числовых характеристик, в блоке 9 откорректированы данные по координатным характеристикам фрагмента, в блоке 10 сохранены данные для дальнейшего формирования АБД.
Если данные по фрагменту морского дна необходимы для дальнейшего использования, то из блока 6 в блок 8 пересылаются массивы необходимых данных для вычисления толщины слоев по формуле (1), данные для отнесения слоя к определенному классу, географические координаты обследованных точек. В блоке 8 формируются массивы выходных данных для визуализации, пересылки в другие устройства или для других нужд.
В режиме работы профилографа с учетом результатов калибровки выполняется профилирование заданных точек заданного участка морского дна. В каждой из точек выполняется излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала, обработка в блоках 4 и 5. Для отнесения слоя к определенному классу набор измеренных классификационных признаков сравнивается с аналогичным набором признаков, извлекаемых из блока эталонов 7. В блоке 6 принимается решение об отнесении слоев к классам и передаются данные в блок 8 для
формирования массивов выходных данных. Из блока 6 через блок 9 передаются данные в блок 10 для последующего формирования АБД обследуемого участка морского дна.
Конструктивное исполнение приемно-излучающего тракта известно, в случае акустического профилографа изложено в монографии [2]. Вопросы, связанные с построением акустических антенн представлены в книге [10]. Система обработки информации, состоящая из блоков 5-12, конструктивно может выполняться в одном приборе [2, 5] 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 и не показаны на фигуре.
Реализация заявляемого акустического профилографа позволяет
- калибровать акустический профилограф дистанционным методом, без контрольного бурения и при отсутствии специального геофизического полигона;
- уточнять, дополнять и продолжать карты глубинного строения морского дна (аналитическая база данных геоакустических характеристик с привязкой к географическим координатам), т.к. профилограф позволяет выявлять тонкую структуру слоев.
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. Пат. СССР №806333. Способ изучения донных отложений. МПК G 01 V 1/33. Заявл. 04.01.1991, публ. 30.03.2003, бюлл. 7
2. Гидролокационные системы вертикального зондирования / Берник В.Р. и др. Новосибирск: изд. НГУ, 1992 (прототип)
3. Le Blanc L.R., Mayer L, Rufino M., et al. Marine sediment classification using the chirp sonar // JASA, 1992. V.41. N 1. P.57-65
4. 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
5. Atlas Parasound DS-3. Проспект фирмы Atlas Hydrographic (ФРГ), 2004
6. Ионин А.С.Рельеф шельфа Мирового океана. М.: Наука, 1992. С.74-57
7. Павлидис Ю.А., Щербаков Ф.А. Фации шельфа. М.: изд-во РАН, 1995. С.67-34, 113-81
8. Логвиненко Н.В. Морская геология. Л.: Недра, 1980. С.63-47
9. Nikiforov S.L., et.al. Morphogenetic classification of the Arctic coastal zone // Geo-marine Letters, 2005. V.25. P.34-47
10. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л.: Судостроение, 1984, с.12-25