СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗВУКОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
METHOD FOR FINDING DIRECTION OF GEOACOUSTIC RADIATION IN AUDIO FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к области способов акустической пеленгации и может быть использовано в геоакустике, геофизике, неразрушающем контроле прочности объектов, гидроакустике. Цель изобретения - обнаружение и определение направления прихода импульсных сигналов геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот, оценка частоты их следования по направлениям.
Известен «Способ сейсмической разведки» (SU, авт. свид. №1000962, МПК G01V 1/00, 1983 г.). Способ основан на регистрации сейсмического поля сейсмоприемниками, установленными в пунктах наблюдения и образующими площадную расстановку с заданным шагом расстановки в зависимости от длины волны регистрируемых сейсмических волн, обработку полученных сейсмоприемниками сигналов, по которой судят об эмиссионных свойствах среды и о наличии в исследуемой области среды неоднородностей и их конфигурации. Ограничением данного способа является возможность работы только в инфразвуковом диапазоне частот.
n
n
Известен «Способ определения пеленга на источник излучения и устройство для его осуществления» (RU, патент №2158430, МПК G01S 3/80, 2000 г.). Данный способ позволяет пеленговать акустические источники в звуковом диапазоне частот. Способ включает генерацию и излучение источником акустического сигнала, прием сигнала приемником, состоящим, по меньшей мере, из восьми гидрофонов, образующих ориентированную в горизонтальной плоскости круговую измерительную базу, выделение квадратурных составляющих комплексной огибающей принятых акустических сигналов и измерение их фазы. Сигналы, принятые гидрофонами базы, предварительно фазируют на N направлений, проходящих через центр базы и каждый из N гидрофонов. Определяют направление, соответствующее максимуму сигнала, и гидрофон, лежащий на этом направлении. Пеленг на источник в локальной системе координат, связанный с круговой базой, определяют по формуле с учетом угловых координат φ гидрофонов, числа гидрофонов, кумулятивной фазы ϑ на n-м гидрофоне относительно фазы на первом гидрофоне, за который принимают гидрофон, лежащий на направлении максимума сигнала. Недостатком способа является необходимость использования большого количества гидрофонов, расположенных определенным образом. Это приводит к сложности реализации способа и достаточно низкой точности пеленгации, которая зависит от числа используемых гидрофонов.
<mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>{</mo><msub><mi>V</mi><mi>x</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><msub><mi>V</mi><mi>y</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><msub><mi>V</mi><mi>z</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>}</mo></mrow>
Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ определения пеленга на шумящий объект» (RU, патент №2444747, МПК G01S 3/80, 2010 г.). Данный способ заключается в приеме акустического сигнала комбинированным приемником, состоящим из векторного приемника и гидрофона. Принятый сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию посредством преобразования Гильберта или Фурье с последующим преобразованием сигнала в аналитическую форму. Далее осуществляется вычисление отношения мнимой части сигнала к реальной и оценка по этому отношению разности фаз между акустическим давлением P(t) и ортогональными компонентами колебательной скорости
. При обнаружении скачка разности фаз на 180° определяют пеленг на шумящий объект. Способ позволяет пеленговать акустический сигнал в диапазонах частот от 5 Гц до 800 Гц при низкочастотном приемнике и от 500 Гц до 11 кГц при среднечастотном приемнике. Данный способ предназначен для пеленгации гидроакустических сигналов и не учитывает особенности сигналов акустической эмиссии, являющихся по своей природе импульсными.
x
y
z
Предлагаемый способ лишен данного недостатка. В качестве приемника акустического сигнала в звуковом диапазоне частот используется комбинированный приемник, установленный у дна водоема. Применение приемников такого типа позволяет, по сравнению с обычными геофонами, расширить частотный диапазон анализируемых сигналов от 5 Гц до 10-20 кГц, а использование их в закрытых внутренних водоемах - исключить влияние мешающих шумов океана (прибой, судоходство и др. источники). Средой формирования геоакустической эмиссии в данном случае являются приповерхностные осадочные породы, которые характеризуются малой прочностью и высокой пластичностью. Комбинированный приемник позволяет одновременно измерять акустическое давление P(t) и три взаимно ортогональных компоненты градиента акустического давления ∇P(t), ∇P(t), ∇P(t), являющихся проекциями вектора градиента давления на соответствующие координатные оси. При обработке этих четырех сигналов находятся векторы колебательной скорости, смещения и плотности мощности акустического излучения. В случае импульсных сигналов, при существенном превышении амплитуды над уровнем шумов, что соответствует случаю исследования геоакустической эмиссии в водоемах, для определения направления прихода акустической волны удобно воспользоваться методом сравнения амплитуд в ортогональных компонентах, приведенным в работе (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 480 с.).
Сущность способа поясняется на рис.1. Как видно из рис.1, точки сигнала группируются в области, ограниченной эллипсом. Направление прихода волны соответствует положению главной оси эллипса. Неоднозначность направления устраняется применением встроенного канала давления.
С учетом условий распространения сигналов в среде и динамического диапазона приемного тракта в способе выделяются только неискаженные импульсы геоакустической эмиссии в определенном интервале амплитуд dA. Для исследования направленности геоакустического излучения используются интегральная Ω(t) и дифференциальная D(ω,t) акустическая активность. Первая из этих величин представляет собой зависящую от времени частоту следования импульсов в интервале амплитуд dA, а вторая - распределение частоты следования этих импульсов по направлениям dω в нижней полусфере. Интеграл по углу отклонения от нормали к земной поверхности дает азимутальное распределение частоты следования импульсов D(α,t) по направлениям dα. Нормированные распределения импульсов d(ω,t)=D(ω,t)/Ω(t) и d(α,t)=D(α,t)/Ω(t) будут, соответственно, объемной и азимутальной диаграммами направленности излучения. Исследование акустической активности по направлениям позволяет оценивать наличие в исследуемой области среды неоднородностей и их азимутальную конфигурацию.
Алгоритм способа включает в себя следующую последовательность операций. Принятый сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию с частотой дискретизации 96 кГц по каждому каналу. Далее рассматривается форма огибающей сигнала и определяется его вступление. По максимальным значениям огибающей находится амплитуда и выделяются импульсы в определенном интервале амплитуд dA. Далее определяется направление прихода волны для каждого импульса и оценивается азимутальное распределение частоты следования импульсов D(α,t).