УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛ, НАХОДЯЩИХСЯ НА ДНЕ ВОДОЕМОВ

Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам для обнаружения и определения геометрических параметров различных объектов, например, находящихся на дне океанов, морей и других водоемов и может использоваться, в том числе, для оценки запасов полезных ископаемых на дне водоемов и определения их формы.
Известны гидроакустические устройства - гидролокаторы бокового обзора, которые успешно используются для обнаружения объектов на дне водоемов и определения их параметров. Они состоят из обтекаемого буксируемого модуля, на котором установлена акустическая антенна с веерной направленностью, и бортового устройства регистрации сигнала (например, гидролокатор бокового обзора МКС-В, ИО РАН им. Ширшова, ()). Основными недостатками гидролокаторов бокового обзора является то, что эти устройства могут работать только при малой скорости их буксировки, и то, что глубина их погружения зависит от скорости движения судна. Буксировка на длинном кабеле затрудняет определение точных координат объектов и вносит опасность потери дорогостоящего устройства.
Этих недостатков лишены эхолоты и гидролокаторы, установленные на борту судна. Известны многолучевые эхолоты, например, модели фирмы Kongsberg (CD0023COE5?OpenDocument), позволяющие создать условную трехмерную картину дна. Основными недостатками многолучевых эхолотов являются их малая эффективность при обнаружении объектов на дне водоемов и высокая стоимость.
Известны эхолоты, основанные на параметрическом принципе излучения, которые используют для оценки объема объектов на дне водоемов. Например, параметрический эхолот - акустический профилограф SeaKing SBP () предназначен для поиска различных объектов на дне и в толще донного грунта. Такой эхолот состоит из генератора высокой частоты, генератора низкой частоты, модулятора, генератора электрических импульсов, антенны, усилителя, системы регистрации и обработки данных. Принцип работы параметрического эхолота основан на генерации низкочастотного акустического сигнала при распространении в воде модулированного высокочастотного акустического сигнала или двух высокочастотных сигналов. В этом случае удается достичь генерации узконаправленного широкополосного низкочастотного излучения с применением относительно небольших и дешевых высокочастотных излучающих антенн. Использование низкочастотного и одновременно узконаправленного излучения позволяет проводить подробные исследования различных объектов, в том числе и на дне водоемов. Основным недостатком известных устройств является их крайне низкий коэффициент преобразования. Кроме того, при излучении узконаправленного сигнала, в случае качки судна, для осуществления высококачественных наблюдений с поверхности моря антенну необходимо устанавливать на стабилизированной платформе или использовать систему электронной стабилизации, что приводит к удорожанию всего комплекса.
Известен высокочастотный (10-30 кГц) эхолот для исследования объектов на дне водоемов (Ультразвук / под ред. И.П.Голямина. 1979. М.: Советская энциклопедия. 400 с.), состоящий из генератора импульсов, излучателя, приемной антенны, усилителя, блока звукового контроля и регистратора. Мощный ультразвуковой импульс от генератора поступает на направленный излучатель и излучается в воду. Отраженный сигнал принимается антенной (магнитострикционные преобразователи или пьезокерамические преобразователи), усиливается и подается на блок слухового контроля и регистратор - самописец, записывающий принятый, усиленный и продетектированный сигнал на движущуюся бумажную ленту электротермическим или электрохимическим способом. При такой регистрации все источники рассеянного в обратном направлении к эхолоту сигнала отображаются на эхоленте в оттенках серого, при этом наиболее сильным сигналам соответствует черный цвет, а отсутствию сигнала или очень слабому сигналу - белый. Дно обычно является очень сильным рассеивателем акустических волн и прописывается на эхоленте в виде непрерывной линии. Сигналы от объектов, находящихся на дне водоемов, обычно более слабые и при правильно выбранных параметрах регистрируются в оттенках серого. Основным недостатком известного устройства является то, что выделение сигнала от объектов, находящихся на дне водоемов, и сигнала от дна, осуществляются визуально оператором. Во многих случаях это затруднительно или даже невозможно сделать, поскольку граница между объектами и поверхностью дна на эхоленте не выделяется.
Известны эхолоты, в которых выделение сигнала обратного рассеяния от поверхности дна водоемов, происходит автоматически и которые применяются, в частности, для обнаружения косяков рыб вблизи поверхности дна. (Тикунов А.И. Рыбопоисковые приборы и комплексы / Учебник. 1989. Л.: Судостроение. 288 с.). Эхолот состоит из генератора электрических импульсов, вырабатывающего импульсы с заданными длительностью, частотами заполнения и повторения. Электрические импульсы поступают на вход электроакустического преобразователя и в виде акустических сигналов излучаются в воду в направлении дна. Сигналы обратного рассеяния, рассеянные от различных неоднородностей водной толщи и дна, преобразуются электроакустическим преобразователем в электрические сигналы, которые после усиления усилителем поступают на селектор и в блок памяти и воспроизведения. В блоке памяти и воспроизведения в любой момент времени хранится информация о сигнале обратного рассеяния, предшествующего данному моменту времени, с водного слоя, толщина которого определяется задаваемой оператором исследуемой придонной толщиной L. Выход селектора соединен с входами блока памяти и воспроизведения и системой регистрации и обработки данных. В момент прихода сигнала от дна селектор вырабатывает управляющий сигнал, который подается в блок памяти и воспроизведения и в систему регистрации и обработки данных. С приходом управляющего сигнала на блок памяти и воспроизведения с его выхода записанная информация, соответствующая сигналу обратного рассеяния с исследуемого придонного слоя толщины L, поступает в систему регистрации и обработки данных. Выделение придонного слоя необходимо, поскольку именно в этом слое находятся объекты, расположенные на дне водоемов.
Основным недостатком известного устройства является то, что наличие объектов на дне водоемов определяется оператором визуально по появлению изображений объектов в виде характерного сигнала в придонном слое на экране компьютера, кроме того, известное устройство не позволяет определять объем объектов, находящихся на дне водоемов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для определения объема объектов, находящихся на дне водоемов (патент РФ №75480), состоящее из последовательно соединенных генератора импульсов, электроакустического преобразователя, усилителя, селектора и системы регистрации и обработки данных, и содержащим блок памяти и воспроизведения, входы которого соединены с выходами блоков усилителя и селектора, а выход с системой регистрации и обработки данных, при этом устройство дополнительно содержит интегратор интенсивности, вход которого соединен с выходом блока памяти и воспроизведения, а выход с входом системы регистрации и обработки данных. Известное устройство работает следующим образом. Генератор электрических импульсов вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя, преобразующего их в звуковую волну, и посылает ее в воду в направлении дна. Звуковая волна отражается от различных неоднородностей в водной толще и дна и возвращается к электроакустическому преобразователю, который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя. Усилитель усиливает этот сигнал и посылает его на селектор и блок памяти и воспроизведения. В блоке памяти и воспроизведения в любой момент времени хранится информация о сигнале обратного рассеяния, предшествующего данному моменту времени, с водного слоя, толщина которого определяется задаваемой оператором исследуемой придонной толщиной L. В момент прихода сигнала от дна селектор вырабатывает управляющий сигнал, который подается в блок памяти и воспроизведения и в систему регистрации и обработки данных. С приходом управляющего сигнала хранящаяся в блоке памяти и воспроизведения информация поступает одновременно в систему регистрации и обработки данных и на интегратор интенсивности, выход которого соединен с входом системы регистрации и обработки данных. Интегратор интенсивности производит операцию возведения в квадрат поступающего сигнала и осуществляет его интегрирование, что соответствует энергии обратного рассеяния в исследуемом придонном слое толщиной L. В системе регистрации и обработки данных, помимо отображения в виде эхограммы исследуемого придонного слоя толщины L, выводится непрерывная информация об энергии сигнала обратного рассеяния в исследуемом придонном слое толщиной L, которая пропорциональна объему объектов, находящихся на дне водоемов. К недостаткам известного устройства следует отнести то, что устройство, позволяя определять объем тел, находящихся на морском дне, например баритовых построек, не дает визуальной информации об их геометрических параметрах, например, о форме, высоте и горизонтальных размерах, что уменьшает функциональные возможности устройства.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет предоставления визуальной информации о геометрических параметрах тел, находящихся на дне водоемов.
Поставленная задача решается устройством для определения параметров тел, находящихся на дне водоемов, состоящим из последовательно соединенных генератора импульсов, электроакустического преобразователя, усилителя, селектора и системы регистрации и обработки данных, и содержащим блок памяти и воспроизведения, входы которого соединены с выходами блоков усилителя и селектора, а выход с системой регистрации и обработки данных, интегратор интенсивности, вход которого соединен с выходом блока памяти и воспроизведения, а выход с входом системы регистрации и обработки данных, при этом устройство дополнительно содержит пороговое устройство, вход которых соединены с выходом блока памяти и воспроизведения, а выход с входом системы регистрации и обработки данных.
Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.
Устройство состоит из генератора импульсов (1), электроакустического преобразователя (2), усилителя (3), селектора (4), блока памяти и воспроизведения (5), системы регистрации и обработки данных (6), интегратора интенсивности (7) и порогового устройства (8).
Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор электрических импульсов (1) вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя (2), например, пьезокерамического или магнитострикционного, преобразующего их в звуковую волну, и посылает ее в воду в направлении дна. Звуковая волна отражается от различных неоднородностей в водной толще и дна и возвращается к электроакустическому преобразователю (2), который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя (3). Усилитель усиливает этот сигнал и посылает его на селектор (4) и блок памяти и воспроизведения (5). В блоке памяти и воспроизведения (5) в любой момент времени хранится информация о сигнале обратного рассеяния, предшествующего данному моменту времени, с водного слоя, толщина которого определяется задаваемой оператором исследуемой придонной толщиной L. В момент прихода сигнала от дна селектор (4) вырабатывает управляющий сигнал, который подается в блок памяти и воспроизведения (5) и в систему регистрации и обработки данных (6). С приходом управляющего сигнала хранящаяся в блоке памяти и воспроизведения (5) информация поступает одновременно в систему регистрации и обработки данных (6), а также на интегратор интенсивности (7) и пороговое устройство (8), выходы которых соединены с входом системы регистрации и обработки данных (6). Интегратор интенсивности (7) производит операцию возведения в квадрат поступающего сигнала и осуществляет его интегрирование, что соответствует энергии обратного рассеяния в исследуемом придонном слое толщиной L. Пороговое устройство (8) пропускает сигнал, амплитуда которого превышает величину установленного порога U. В системе регистрации и обработки данных (6), помимо отображения в виде эхограммы исследуемого придонного слоя толщины L, выводится непрерывная информация об энергии сигнала обратного рассеяния в исследуемом придонном слое толщиной L, которая пропорциональна объему объектов, находящихся на дне водоемов, а также условное отображение этих объектов. Условное отображение объектов строится путем нанесения зависимости амплитуды сигнала, прошедшего через пороговое устройство, от глубины, и дополнением этой зависимости ее зеркальным отображением.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно генератор импульсов (1), электроакустический преобразователь (2), усилитель (3), селектор (4) являются стандартными, и их характеристики определяются поставленной задачей измерения и требуемой точностью.
Интегратор интенсивности (7) и пороговое устройство (8) выполняют на стандартных микросхемах, транзисторах или с использованием обычного микропроцессора.
Систему регистрации и обработки (6) данных выполняют, например, с использованием персонального компьютера или на базе обычного микропроцессора.
0
0
½
Принцип действия заявляемого устройства основан на теоретически определенной авторами закономерности, что профиль интенсивности сигнала от придонного слоя описывает распределение поверхностей объектов, находящихся на дне водоемов, по высотам над дном: на каждом горизонте интенсивность сигнала обратного рассеяния от объектов пропорциональна площади их сечения. Эта закономерность выполняется при условии, что разрешение эхолота по дальности l много меньше высоты исследуемых объектов h, а полуширина диаграммы направленности эхолота φ удовлетворяет условию: 1>tgφ>(2h/H), где H - расстояние от электроакустического преобразователя до поверхности дна, которое при зондировании с поверхности моря совпадает с глубиной дна (Саломатин А.С., Юсупов В.И., Ли Б.Я. Дистанционные акустические исследования водной толщи и дна океана: аппаратура и методика / Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. Кн.4: Физические методы исследования. С.87-110). Следовательно, приведенный радиус (радиус окружности, площадь которого равна площади сечения объектов) сечения объектов, находящихся на дне водоемов, пропорционален амплитуде сигнала обратного рассеяния от них.
Устройство для определения параметров тел наиболее эффективно использовать в случаях, когда, во-первых, сигнал обратного рассеяния от объектов, расположенных на поверхности дна, существенно ниже сигнала обратного рассеяния от дна и, во-вторых, когда по форме эти объекты являются телами вращения с вертикальной осью. Во втором случае приведенный радиус на определенном расстоянии над дном будет соответствовать реальному радиусу объекта и построенное в системе регистрации и обработки (6) условное отображение такого объекта будет в точности соответствовать его вертикальному сечению.
Для проведения натурных исследований заявляемое устройство предварительно калибруют для определения коэффициента пропорциональности между амплитудой сигнала с выхода порогового устройства и радиусом реального объекта на морском дне. Этот коэффициент заводят в систему регистрации и обработки. В результате проведенной калибровки устройство в любой момент времени выдает информацию об условном отображении объектов, находящихся на дне. В случае, когда физические свойства исследуемых объектов на дне водоемов хорошо известны, калибровку можно заменить расчетом.
Натурные испытания заявляемого устройства были проведены в рейсах НИС "Академик М.А.Лаврентьев" во впадине Дерюгина в Охотском море. На выбранном участке дна на глубинах около полутора километров находится участок проявления баритовой минерализации (Астахова Н.В., Липкина М.И., Мельниченко Ю.И. Гидротермальная баритовая минерализация во впадине Дерюгина Охотского моря // Докл. АН СССР. 1987. Т.295. С.212-215). Как показали визуальные наблюдения, а также наблюдения гидролокатором бокового обзора и анализ поднятых драгой образцов, поверхность дна в областях распространения баритовой минерализации покрыта колоннообразными структурами, состоящими в основном из нерастворимых солей бария, - баритовыми постройками с высотой до 20 метров и диаметром до нескольких метров, которые расположены на расстоянии 20-100 м. друг от друга (Обжиров А.И., Деркачев А.Н., Баранов В.Б., Алоизи Дж. и др. Аномалии метана и сопряженные с ними бариты во впадине Дерюгина Охотского моря // Подводные технологии. 2006. №2. С.4-16. Cruise Report: КОМЕХ. RV "Akademik М.А. Lavrentiev" Cruise 29, Leg 1. GEOMAR Report 110. 2003. 190 p.). Поэтому толщина L исследуемого придонного слоя была выбрана равной 20 м.
Устройство для определения параметров баритовых построек на дне водоемов включало генератор электрических импульсов, который вырабатывал сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, вмонтированный в дно судна на глубине 4,5 м. ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Система регистрации и обработки данных выполнена на базе компьютера Silvio с процессором AMD Athlon и звуковой картой Creative Labs. В блоке памяти и воспроизведения запоминалась поступающая информация с исследуемого придонного слоя толщиной 20 м.
Калибровка устройства была выполнена на одном из участков баритовой минерализации. Был определен коэффициент пропорциональности между амплитудой сигнала с выхода порогового устройства в вольтах и радиусом баритовых построек на дне в метрах. По амплитуде сигнала над дном в областях без расположенных на дне объектов была определена величина порога U, устанавливаемого в пороговом устройстве.
В качестве примера на фиг.2 представлено условное отображение баритовой постройки, зарегистрированной с помощью заявляемого устройства. Видно, что горизонтальные размеры колоннообразной баритовой постройки высотой около 13 м с удалением от дна монотонно уменьшаются от 12 м до 3.8 м на высоте 5 м и 0.6 м на высоте 10 м.
Таким образом, заявляемое устройство предоставляет визуальную информацию о геометрических параметрах объектов, находящихся на дне водоемов, что существенно расширяет функциональные возможности устройства.