RU2356069C2 - Method of profiling bed loads - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, measurements.

SUBSTANCE: proposed method is intended for analysing bed loads of offshore areas of the World Ocean and can be used in underwater acoustics for exploration activity, as well as for analysing sound propagation in shallow seawaters. Note that is does not require cumbersome receiving-radiating systems and consists in acoustic profiling bed loads with the help of composite phase-manipulated signals modulated by M-succession. The latter allows a significant increase in sounding depth with high resolution. Note also that, due to absence of shadow area, it provides for high-quality profile records irrespective of the receiving-radiating system depth.

EFFECT: increased depth of profiling bed loads with increased resolution and elimination of reception deadband.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в геологии для изучения структуры донных отложений шельфовых областей мирового океана, подводной акустике для поиска полезных ископаемых, а также для изучения распространения звука в мелком море.The invention relates to the field of geophysics and can be used in geology to study the structure of bottom sediments of the shelf areas of the oceans, underwater acoustics to search for minerals, and also to study the propagation of sound in the shallow sea.

В настоящее время существует достаточно много способов для профилирования донных осадков. К наиболее часто используемым относятся метод сейсмопрофилирования и эхолокации с использованием акустических сигналов (Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, 344 с.).Currently, there are many ways to profile bottom sediments. The most commonly used methods include seismic profiling and echolocation using acoustic signals (Handbook of hydroacoustics. - L .: Sudostroenie, 1982, 344 p.).

Метод сейсмопрофилирования основан на использовании для зондирования импульсного широкополосного сигнала, для получения которого используют в основном пневмопушки или электроискровые источники, а приемные системы состоят из протяженных буксируемых сейсмокос. По результатам обработки отраженных сигналов строятся годографы и, таким образом, восстанавливается структура осадочного чехла и глубина залегания пород фундамента.The seismic profiling method is based on the use of a pulsed broadband signal for sensing, for which air guns or electrospark sources are used, and the receiving systems consist of long towed seismic streamers. Based on the results of processing the reflected signals, hodographs are built and, thus, the structure of the sedimentary cover and the depth of the basement rocks are restored.

Достоинством данного способа определения структуры дна является наибольшая из всех систем глубина сканирования дна (до нескольких километров), а недостатками - недостаточно высокая разрешающая способность, высокие стоимость оборудования и эксплуатационные затраты.The advantage of this method of determining the structure of the bottom is the largest of all systems, the depth of scanning of the bottom (up to several kilometers), and the disadvantages are the insufficiently high resolution, high cost of equipment and operating costs.

В методе эхолокации используют акустические сигналы, различающиеся по типам излучаемого сигнала: с применением дельта-импульса, гармонического и линейно-частотно-модулированного сигнала. Достоинствами данного способа является высокая разрешающая способность порядка 0,5-1 м, простота алгоритмов обработки сигнала, компактность приемоизлучающей системы. К общим недостаткам, свойственным всем этим методам, можно отнести сравнительно малую глубину зондирования донных отложений (десятки - сотни метров). (Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, 344 с.).The echolocation method uses acoustic signals that differ in the type of emitted signal: using a delta pulse, a harmonic and a linear frequency-modulated signal. The advantages of this method are the high resolution of the order of 0.5-1 m, the simplicity of the signal processing algorithms, and the compactness of the receiving-emitting system. The common disadvantages inherent in all these methods include the relatively shallow depth of sounding of bottom sediments (tens to hundreds of meters). (Handbook of hydroacoustics. - L .: Shipbuilding, 1982, 344 p.).

Известен способ определения структуры осадочной толщи в мелком море, включающий волновое зондирование на частотах ниже критической частоты акустических колебаний в водном слое и определение по полученным данным плотности, мощности слоев и скорости продольных волн. Регистрацию колебаний проводят одновременно не менее чем двумя приемниками, установленными на исследуемом участке дна моря на заданном расстоянии, а толщину слоев определяют путем сопоставления расчетных дисперсионных характеристик среды, полученных для различных вариантов структуры осадочной толщи, с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний (патент РФ №2087926, опубл. 20.08.1998). Однако данный способ позволяет определять толщину только верхнего слоя неконсолидированных осадков, применим только для стационарного случая, когда слои равномерные, и неприменим в случае сложного рельефа дна, имеет невысокую разрешающую способность из-за использования низких частот.A known method for determining the structure of sedimentary strata in a shallow sea, including wave sounding at frequencies below the critical frequency of acoustic vibrations in the water layer and determining from the obtained data the density, thickness of the layers and the velocity of the longitudinal waves. The oscillations are recorded simultaneously by at least two receivers installed on the studied section of the sea bottom at a given distance, and the layer thickness is determined by comparing the calculated dispersion characteristics of the medium obtained for different variants of the structure of the sedimentary sequence with the same characteristics determined by the spatial coherence data recorded fluctuations (RF patent No. 2087926, publ. 08.20.1998). However, this method allows you to determine the thickness of only the upper layer of unconsolidated sediments, applicable only for the stationary case, when the layers are uniform, and not applicable in the case of a complex topography of the bottom, has a low resolution due to the use of low frequencies.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ профилирования донных отложений, реализованный в работе Касаткина Б.А., Косарева Г.В., Ларионова Ю.Г. Исследование дна Амурского залива акустическим профилографом высокого разрешения. Сборник трудов XI сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2001, т.2, с.18-22. Известное решение основано на принципе отражения распространяющихся в воде и грунте акустических широкополосных импульсов от всех границ раздела, в том числе, вода-дно, объекты искусственного или естественного происхождения, находящиеся на дне либо в толще дна, а также границы раздела между отдельными слоями морских осадочных пород.Closest to the claimed solution is a method for profiling bottom sediments, implemented in the work of Kasatkin B.A., Kosareva G.V., Larionova Yu.G. Investigation of the bottom of the Amur Bay with a high-resolution acoustic profilograph. Proceedings of the XI session of the Russian Acoustic Society. - M .: GEOS, 2001, v. 2, p. 18-22. The known solution is based on the principle of reflection of acoustic broadband impulses propagating in water and soil from all interfaces, including water-bottom, objects of artificial or natural origin, located at the bottom or in the bottom, as well as the interface between separate layers of marine sedimentary rocks.

Способ включает излучение широкополосных импульсных акустических зондирующих 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 отраженного сигнала от границы раздела слоев, которое через известную зависимость скорости звука от свойств пород интерпретируется в толщину слоя и выводится, например, на экран компьютера в виде тенеграфического изображения.The method includes emitting broadband pulsed acoustic sounding signals in the frequency range 3-8 kHz, receiving the reflected signals, correlating them in real time, and constructing a sediment profile from the delay time of the reflected signal from the layer interface, which, through the well-known dependence of sound speed on properties rocks interpreted in the thickness of the layer and displayed, for example, on a computer screen in the form of a shadow image.

Для реализации данного способа используют акустический профилограф высокого разрешения, состоящий из подводного антенного блока, приемопередающего блока, компьютера и автономного блока питания. Антенный блок установлен на носителе и включает в себя излучающую четырехмодульную антенну на основе пьезокерамических стержневых преобразователей, приемную антенну на основе пьезоцилиндров и соединительную кабельную коробку. Основой приемопередающего блока является сигнальный процессор, который управляет работой акустического профилографа: формирует излучаемый импульс, производит временную автоматическую регулировку усиления принятого сигнала, оцифровывает его и обрабатывает, а также осуществляет информационный обмен с персональным компьютером.To implement this method, a high-resolution acoustic profilograph is used, consisting of an underwater antenna unit, a transceiver unit, a computer, and an autonomous power supply. The antenna unit is mounted on the carrier and includes a radiating four-module antenna based on piezoceramic rod transducers, a receiving antenna based on piezocylinders and a connecting cable box. The basis of the transceiver unit is a signal processor that controls the operation of the acoustic profilograph: it generates a radiated pulse, makes a temporary automatic adjustment of the gain of the received signal, digitizes it and processes it, and also carries out information exchange with a personal computer.

Для отчетливого диагностирования тонких структур морского дна при достаточно большой глубине прозвучивания - до 100 м используют широкополосные импульсные акустические сигналы в диапазоне (3-8) кГц. При незначительной глубине исследуемых акваторий (2-6) м в качестве излучаемого сигнала требуется использование короткого тонального сигнала с частотой 6 кГц и длительностью 0,5 мс. Такой режим излучения акустического зондирующего сигнала позволяет уменьшить мертвую зону приема, но вследствие малой энергетической мощности излучаемого сигнала ухудшает разрешающую способность и уменьшает глубину прозвучивания.For a clear diagnosis of the fine structures of the seabed with a sufficiently large sounding depth - up to 100 m use broadband pulsed acoustic signals in the range (3-8) kHz. With a small depth of the studied water areas (2-6) m, a short tone signal with a frequency of 6 kHz and a duration of 0.5 ms is required as the emitted signal. This mode of emission of the acoustic sounding signal allows to reduce the dead zone of reception, but due to the low energy power of the emitted signal degrades the resolution and reduces the sounding depth.

Задачей изобретения является увеличение глубины профилирования донных отложений при сохранении высокой разрешающей способности и ликвидация мертвой зоны приема.The objective of the invention is to increase the depth of profiling of sediment while maintaining high resolution and the elimination of the dead zone of reception.

Поставленная задача достигается способом профилирования донных отложений, при котором осуществляют излучение импульсного акустического зондирующего сигнала, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, при этом в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал модулированный М-последовательностью.The task is achieved by the method of profiling bottom sediments, in which the radiation of a pulsed acoustic sounding signal is received, the reflected signal is received, its correlation processing and the subsequent graphic construction of the bottom sediment profile are based on the delay time of the reflected signal, while a phase-modulated signal modulated by M is used as a pulsed acoustic sounding signal -sequence.

Фазоманипулированный сигнал модулированный М-последовательностью (y(t)) представляет из себя несущий гармонический сигнал, в котором фаза меняется на 180 град., когда значение модулирующей М-последовательности становится равным единице.The phase-manipulated signal modulated by the M-sequence (y (t)) is a carrier harmonic signal in which the phase changes by 180 degrees when the value of the modulating M-sequence becomes equal to one.

где А - константа, f - несущая частота сигнала, M(t) - модулирующая М-последовательностьwhere A is a constant, f is the carrier frequency of the signal, M (t) is the modulating M-sequence

М-последовательность представляет собой бинарную последовательность импульсов, которая обладает важным свойством - ее автокорреляционная функция, измеренная за конечный интервал времени, представляет собой один узкий треугольник, шириной 2 символа. Длина М-последовательности определяется количеством содержащихся в ней бинарных символовThe M-sequence is a binary sequence of pulses, which has an important property - its autocorrelation function, measured over a finite time interval, is one narrow triangle, 2 characters wide. The length of the M-sequence is determined by the number of binary characters contained in it.

N=2ⁿ-1,N = 2 ⁿ -1,

где n - сложность последовательности.where n is the complexity of the sequence.

Использование для профилирования донных осадков фазоманипулированного акустического зондирующего сигнала модулированного М-последовательностью, позволяетThe use of a phase-manipulated acoustic sounding signal modulated by the M-sequence for profiling bottom sediments allows

- увеличить разрешение профилирования, поскольку оно определяется с точностью до одного символа и определяется количеством периодов несущей частоты на символ;- increase the resolution of profiling, since it is determined with an accuracy of one symbol and is determined by the number of periods of the carrier frequency per symbol;

- в широком диапазоне регулировать глубину зондирования, позволяя получать качественные профили донных осадков на глубинах от 1 до 500 м, поскольку она зависит от мощности излучаемого сигнала и пропорциональна корню из количества символов в применяемой последовательности. Глубина зондирования увеличивается также за счет повышения помехозащищенности зондирующего сигнала, так как позволяет выделять слабые сигналы на фоне существенных помех;- in a wide range to control the sounding depth, allowing to obtain high-quality profiles of bottom sediments at depths from 1 to 500 m, since it depends on the power of the emitted signal and is proportional to the root of the number of characters in the sequence used. The sounding depth is also increased by increasing the noise immunity of the probing signal, as it allows you to highlight weak signals against the background of significant interference;

- исключить мертвую зону, т.к. обработка сигналов данного типа за счет свойств когерентности позволяет уверенно выделять отраженный сигнал на фоне продолжающегося излучения зондирующего сигнала.- exclude the dead zone, because Processing of signals of this type due to the properties of coherence allows you to confidently select the reflected signal against the background of the ongoing radiation of the probe signal.

Известно применение подобных фазоманипулированных сигналов для задач акустической томографии моря [Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е.А., Каменев С.И., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А., Стробыкин Д.С. Акустический мониторинг динамики и структуры вод на шельфе Японского моря. XI школа семинар акад. Л.М.Бреховских «Акустика океана». М.: ГЕОС, 2006. с.149], однако для зондирования донных осадков сигналы данного типа никогда ранее не применялись.It is known the use of such phase-shifted signals for acoustic tomography of the sea [Akulichev VA, Bezotvetnykh VV, Burenin AV, Voitenko EA, Kamenev SI, Morgunov Yu.N., Polovinka Yu. A., Strobykin D.S. Acoustic monitoring of the dynamics and structure of water on the shelf of the Sea of Japan. XI school seminar Acad. L. M. Brekhovskikh “Acoustics of the ocean”. M .: GEOS, 2006. p.149], however, for the sounding of bottom sediments, signals of this type have never been used before.

Способ осуществляют следующим образом: в изучаемую среду излучают акустический зондирующий фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью, принимают отраженные от поверхностей раздела сигналы, проводят их корреляционную обработку с использованием ЭВМ и затем осуществляют построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала с последующей геологической интерпретацией полученных данных.The method is as follows: an acoustic sounding phase-manipulated signal modulated by the M-sequence is emitted into the medium under study, signals reflected from the interface are received, their correlation processing is carried out using a computer, and then the bottom sediment profile is constructed by the delay time of the reflected signal with subsequent geological interpretation of the obtained data.

Выходные характеристики акустического зондирующего сигнала, а именно несущую частоту, мощность излучаемого сигнала, количество периодов несущей частоты на символ, сложность последовательности выбирают в зависимости от поставленной задачи. Увеличение частоты дает улучшение разрешающей способности, но уменьшается глубина за счет увеличивающегося с частотой затухания сигнала. Уменьшение частоты соответственно наоборот. Увеличение сложности сигнала приводит к увеличению глубины зондирования, а увеличение частоты несущего сигнала приводит к увеличению разрешающей способности. (Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е.А., Каменев С.М., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А., Стробыкин Д.С. Акустический мониторинг динамики и структуры вод на шельфе Японского моря. XI школа семинар акад. Л.М.Бреховских «Акустика океана». М.: ГЕОС, 2006. с.149).The output characteristics of the acoustic sounding signal, namely the carrier frequency, the power of the emitted signal, the number of periods of the carrier frequency per symbol, the complexity of the sequence is selected depending on the task. Increasing the frequency gives an improvement in resolution, but the depth decreases due to the signal increasing with the attenuation frequency. The decrease in frequency is vice versa. An increase in signal complexity leads to an increase in the sounding depth, and an increase in the frequency of the carrier signal leads to an increase in resolution. (Akulichev V.A., Bezotvetnykh V.V., Burenin A.V., Voitenko E.A., Kamenev S.M., Morgunov Yu.N., Polovinka Yu.A., Strobykin D.S. Acoustic monitoring Dynamics and structure of waters on the shelf of the Sea of Japan. XI School Seminar by Academician L. M. Brekhovskikh “Acoustics of the Ocean.” M .: GEOS, 2006. p.149).

Заявляемый способ был технически реализован в ходе серии натурных экспериментов в шельфовой области Японского моря в районе залива Посьета.The inventive method was technically implemented in a series of field experiments in the shelf region of the Sea of Japan in the Bay of Posyet.

Для осуществления способа использовали устройство, включающее излучающую и приемную системы. Излучающая система представляла собой пьезокерамический излучатель кольцевого типа с собственной частотой резонанса 2400 Гц, помещенный в массивный фокусирующий экран с целью формирования узкой диаграммы направленности. В состав излучающей системы также входят усилитель и генератор фазоманипулированных сигналов, расположенные на береговом посту. В качестве генератора сигналов использовался персональный компьютер. Приемная система состояла из свернутой в кольцо диаметром 0.5 метра сейсмокосы, экрана, препятствующего проникновению отраженного от поверхности воды сигнала, и кабельного усилителя. Принятый отраженный сигнал поступает с приемной системы на фильтр низкой частоты, затем на 24-разрядное АЦП и после этого попадает на персональный компьютер, где в программном комплексе MatLab 5.3 осуществляется его корреляционная обработка и графическое отображение результатов.To implement the method, a device was used that included a radiating and receiving system. The radiating system was a piezoceramic ring-type radiator with a natural resonance frequency of 2400 Hz, placed in a massive focusing screen in order to form a narrow radiation pattern. The emitting system also includes an amplifier and a generator of phase-shift keyed signals located at the coastal post. A personal computer was used as a signal generator. The receiving system consisted of a seismicosa, rolled into a ring with a diameter of 0.5 meters, a screen preventing the penetration of a signal reflected from the surface of the water, and a cable amplifier. The received reflected signal arrives from the receiving system to a low-pass filter, then to a 24-bit ADC, and after that it gets to a personal computer, where in the MatLab 5.3 software package it is correlated and graphically displayed.

Приемоизлучающий блок был стационарно установлен в 55 метрах от берега на дно на глубине 13 м и сообщался с ЭВМ на береговом посту по кабельным линиям.The receiving-emitting unit was permanently installed 55 meters from the coast to the bottom at a depth of 13 m and communicated with the computer at the coast post via cable lines.

На чертеже в координатах (х) глубина - (у) нормированная корреляционная функция сигнала представлены результаты профилирования акустическим сигналом мощностью 50 Вт с центральной несущей частотой излучателя 2125 Гц и с четырьмя периодами на символ. Сплошной линии соответствует зондирующий сигнал длиной 511 символов, а пунктирной линии - сигнал длиной 63 символа. Первый пик соответствует приходу прямого сигнала с излучающей системы на приемную, а последующие четыре соответствуют отражениям от границы раздела четырех слоев донных осадков. Пики, полученные с глубины более 30 метров, являются корреляционным шумом, так как при применении более длинной М-последовательности они существенно уменьшаются. Связанно это с тем, что в данном месте глубина залегания гранитного фундамента составляет порядка 20-30 метров.In the drawing, in coordinates (x) depth - (y) the normalized correlation function of the signal shows the results of profiling by an acoustic signal with a power of 50 W with a central carrier frequency of the emitter of 2125 Hz and with four periods per symbol. The solid line corresponds to a probing signal with a length of 511 characters, and the dashed line corresponds to a signal with a length of 63 characters. The first peak corresponds to the arrival of a direct signal from the emitting system to the receiving one, and the next four correspond to reflections from the interface of four layers of bottom sediments. Peaks obtained from a depth of more than 30 meters are correlation noise, since when using a longer M-sequence they are significantly reduced. This is due to the fact that in this place the depth of the granite foundation is about 20-30 meters.

Данные, полученные в ходе эксперимента, хорошо согласуется с геологическими данными для этого участка дна.The data obtained during the experiment are in good agreement with geological data for this bottom section.

Таким образом, при типовых технологических и конструктивных решениях, свойственных методу акустического эхолоцирования, и сравнимой разрешающей способности, использование акустического фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, позволяет существенно увеличить глубину зондирования осадочного чехла при одинаковой мощности сигнала. В результате корреляционной обработки детектирование отраженного от границ слоев акустического сигнала происходит при соотношении сигнал/шум существенно меньше единицы. Использование сигналов разной длительности с различным количеством периодов на символ позволяет в широком диапазоне регулировать глубину зондирования и разрешающую способность системы. Также, благодаря когерентности фазоманипулированного акустического сигнала, модулированного М-последовательностью, отсутствует зона тени, что позволяет получать качественные профилограммы независимо от глубины погружения приемоизлучающей системы.Thus, with typical technological and structural solutions inherent in the method of acoustic echolocation and comparable resolution, the use of an acoustic phase-shifted signal modulated by the M-sequence can significantly increase the sounding depth of the sedimentary cover at the same signal power. As a result of correlation processing, the detection of the acoustic signal reflected from the layer boundaries occurs at a signal-to-noise ratio substantially less than unity. The use of signals of different durations with a different number of periods per symbol makes it possible to adjust the sounding depth and the resolution of the system in a wide range. Also, due to the coherence of the phase-manipulated acoustic signal modulated by the M-sequence, there is no shadow zone, which allows one to obtain high-quality profilograms regardless of the immersion depth of the receiving-emitting system.

Claims (1)

Способ профилирования донных отложений, включающий излучение импульсного акустического зондирующего сигнала, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, отличающийся тем, что в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью. A method for profiling bottom sediments, including emitting a pulsed acoustic probe signal, receiving a reflected signal, correlating it, and then graphically plotting the profile of bottom sediments by the delay time of the reflected signal, characterized in that a phase-shifted signal modulated by an M-sequence is used as a pulsed acoustic probe signal .

Images