RU2813634C1 - Method for detecting sound-scattering layers in seas and oceans - Google Patents

Abstract

FIELD: acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to remote methods for detecting sound-scattering layers in seas and oceans based on strip survey data of the bottom topography with an interferometric side-scan sonar and can be used in studies of the acoustic characteristics of the water column of the world's oceans during geophysical surveys. A method for detecting sound-scattering layers in seas and oceans involves probing acoustic scatterers in the water column with a broadband acoustic pulse signal, receiving signals reflected from the sound-scattering layers to the antennas of an interferometric side-scan sonar. Next, the time distribution of the phase difference in the antennas of the interferometric side-scan sonar is compared with the time distribution model of the phase difference for different depths, based on the maximum correlation function of the time distribution of the phase difference in the antennas of the interferometric side-scan sonar and the time distribution model of the phase difference, the moments of appearance of sound-scattering layers are determined and their depth is calculated.

EFFECT: increasing the area of the studied air defense systems, which makes it possible to reduce the measurement time and energy consumption.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к дистанционным способам обнаружения звукорассеивающих слоев (ЗРС) в морях и океанах по данным полосовой съемки рельефа дна интерферометрическим гидролокатором бокового обзора (ИГБО) и может быть использовано в исследованиях акустических характеристик водной толщи мирового океана при геофизических изысканиях.The invention relates to remote methods for detecting sound scattering layers (SSL) in seas and oceans based on strip survey data of the bottom topography with an interferometric side-scan sonar (SISS) and can be used in studies of the acoustic characteristics of the water column of the world ocean during geophysical surveys.

Существует способ обнаружения ЗРС с помощью прибора, погружаемого в воду на тросе. Мозговой В.А. «Изменчивость характеристик океанических звукорассеивающих слоев» // «Акустический Журнал», 1987, Т. 33, №6, С. 1101-1104. Антенны излучателя и приемника, закрепленные на одной платформе, погружаются в воду на тросе. Излучатель излучает импульсный тональный сигнал на различных частота. По принятому приемником сигналу вычисляется коэффициент обратного рассеяния и мощность ЗРС. Способ позволяет исследовать не только амплитудные, но и спектральные характеристики ЗРС. Недостатком способа является невозможность проведения измерений при движении судна и большие затраты времени при измерениях в одной точке.There is a way to detect air defense systems using a device immersed in water on a cable. Mozgovoy V.A. “Variability of the characteristics of oceanic sound-scattering layers” // “Acoustic Journal”, 1987, T. 33, No. 6, pp. 1101-1104. The emitter and receiver antennas, mounted on the same platform, are immersed in water on a cable. The emitter emits a pulsed tone at different frequencies. Based on the signal received by the receiver, the backscatter coefficient and the power of the air defense system are calculated. The method allows you to study not only the amplitude, but also the spectral characteristics of the air defense system. The disadvantage of this method is the impossibility of taking measurements while the vessel is moving and the large amount of time spent taking measurements at one point.

Существует прибор акустический доплеровский профилометр течений (ADCP), измеряющий одновременно как профили скорости течений, так и профили интенсивности эхосигнала отраженного от неоднородностей морской среды. Морозов А. Н. и др. «Звукорассеивающие слои Черного моря по данным ADCP - наблюдений» // «Акустический журнал», 2017, Т. 63, №5, С. 513-522. Прибор излучает широкополосный импульсный акустический сигнал и принимает отраженный от неоднородностей морской среды сигнал на несколько антенн направленных в разные стороны. По принятому приемником сигналу вычисляется коэффициент обратного рассеяния и мощность ЗРС в различных направлениях. Число антенн от 3 до 8. Такой прибор может погружаться на тросе, устанавливаться на борт судна и на дно моря. Достоинством прибора является то, что его можно использовать при движении судна и используется несколько приемников, что позволяет исследовать ЗРС в разных точках. Недостатком прибора является узкий захват площади исследуемого ЗРС за один период цикла излучение - прием.There is an acoustic Doppler current profiler (ADCP) device that simultaneously measures both current velocity profiles and echo signal intensity profiles reflected from inhomogeneities in the marine environment. Morozov A. N. et al. “Sound-scattering layers of the Black Sea according to ADCP observations” // “Acoustic Journal”, 2017, T. 63, No. 5, pp. 513-522. The device emits a broadband pulsed acoustic signal and receives the signal reflected from the inhomogeneities of the marine environment to several antennas directed in different directions. Based on the signal received by the receiver, the backscatter coefficient and the power of the air defense system in various directions are calculated. The number of antennas is from 3 to 8. Such a device can be submerged on a cable, installed on board a ship and on the bottom of the sea. The advantage of the device is that it can be used while the ship is moving and several receivers are used, which allows you to study air defense systems at different points. The disadvantage of the device is the narrow coverage of the area of the studied air defense system during one period of the radiation-reception cycle.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в существенном увеличении площади исследуемых ЗРС, что позволяет уменьшить время проведения измерения и энергопотребление.The technical result that can be obtained by implementing the invention is a significant increase in the area of the studied air defense systems, which makes it possible to reduce the measurement time and energy consumption.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения звукорассеивающих слоев в морях и океанах, включающем зондирование широкополосным акустическим импульсным сигналом акустических рассеивателей в тоще воды, прием отраженных от звукорассеивающих слоев сигналов осуществляют на антенны интерферометрического гидролокатора бокового обзора, сравнивают распределение по времени разности фаз в антеннах интерферометрического гидролокатора бокового обзора с моделью распределения по времени разности фаз для различных глубин, по максимуму корреляционной функции распределения по времени разности фаз в антеннах интерферометрического гидролокатора бокового обзора и модели распределения по времени разности фаз, определяют моменты времени появления звукорассеивающих слоев и вычисляют их глубину.The technical result is achieved by the fact that in the method of detecting sound-scattering layers in the seas and oceans, including probing acoustic scatterers in the water column with a broadband acoustic pulse signal, signals reflected from the sound-scattering layers are received at the antennas of an interferometric side-scan sonar, and the time distribution of the phase difference in the antennas is compared interferometric side-scan sonar with a time distribution model of the phase difference for different depths, based on the maximum correlation function of the time distribution of the phase difference in the antennas of the interferometric side-scan sonar and the time distribution model of the phase difference, the moments in time of the appearance of sound-scattering layers are determined and their depth is calculated.

В предлагаемом способе обнаружения ЗРС в воде производится зондирование широкополосным акустическим сигналом, например импульсным сигналом с линейной частотной модуляцией, акустических рассеивателей в вертикальном столбе воды и прием отраженных от ЗРС сигналов на антенны ИГБО (две антенны). При этом антенны ИГБО установлены на движущееся судно.In the proposed method for detecting air defense systems in water, acoustic scatterers in a vertical column of water are probed with a broadband acoustic signal, for example a pulse signal with linear frequency modulation, and the signals reflected from the air defense systems are received at IGBO antennas (two antennas). In this case, the IGBO antennas are installed on a moving vessel.

Интерферометрическую разность фаз сигналов принятых антеннами ИГБО, рассеянных плоской горизонтальной отражающей поверхности для данных, соответствующих одному циклу излучения и приема сигнала, можно записать в следующем виде:The interferometric phase difference of signals received by IGBO antennas, scattered by a flat horizontal reflecting surface for data corresponding to one cycle of signal emission and reception, can be written in the following form:

где:Where:

Здесь H_n -расстояние до слоя n, c - скорость звука, t - время прихода эхосигнала, d - расстояние между приемными антеннами интерферометра, λ - длина волны.Here H _n is the distance to layer n, c is the speed of sound, t is the time of arrival of the echo signal, d is the distance between the receiving antennas of the interferometer, λ is the wavelength.

На фиг. 1, в качестве примера, приведены графики интерферометрической разности фаз, рассчитанные в зависимости от времени прихода эхосигналов от рассеивающих элементов горизонтальной поверхности при вертикальной ориентации базы интерферометра (модель). Графики построены для двух звукорассеивающих слоев на глубинах H₁=20 м (верхний) и Н₂=100 м (нижний).In fig. 1, as an example, shows graphs of the interferometric phase difference, calculated depending on the time of arrival of echo signals from scattering elements of a horizontal surface with a vertical orientation of the interferometer base (model). The graphs are plotted for two sound-scattering layers at depths H ₁ =20 m (upper) and H ₂ =100 m (lower).

Если рассматривать интерферометрическую фазу ϕ(t), как сигнал, зависящий от глубины Н, как от параметра, то корреляционная функция (КФ) сигнала ϕ_n(t) при определенном H_n и моделей ϕ(t), по всем глубинам может быть записана в следующем виде:If we consider the interferometric phase ϕ(t) as a signal that depends on the depth H as a parameter, then the correlation function (CF) of the signal ϕ _n (t) for a certain H _n and models ϕ(t) for all depths can be written in the following form:

где Т- время приема отраженного сигнала ИГБО.where T is the time of reception of the reflected IGBO signal.

Для заданного значения H_n нормированная КФ является функцией, зависящей только от глубины H:For a given value of H _n, the normalized CF is a function that depends only on the depth H:

На фиг. 2 представлен модуль этой функции при наличии двух звукорассеивающих слоев на глубинах 20 м и 100 м соответственно.In fig. Figure 2 shows the module of this function in the presence of two sound-scattering layers at depths of 20 m and 100 m, respectively.

Вычисляя КФ модели с разностью фаз принятого ИГБО сигнала с выбранным шагом по глубине, можно обнаружить ЗРС с высокой точностью. Положение по глубине обнаруженного ЗРС определяется максимумом КФ.By calculating the CF model with the phase difference of the received IGBO signal with a selected depth step, it is possible to detect air defense systems with high accuracy. The depth position of the detected air defense system is determined by the maximum CF.

Способ обнаружения звукорассеивающих слоев в морях и океанах осуществляется следующим образом. На движущемся судне установлен ИГБО по две антенны с каждого борта (одна приемопередающая и одна приемная). Приемопередающая антенна излучает широкополосный акустический сигнал. Сигнал отраженный от ЗРС принимается на приемную и приемопередающую антенну и вычисляется разность фаз отраженного от ЗРС сигналов. Вычисляются модели разности фаз для различных глубин (фиг. 1). Для всех вычисленных моделей вычисляется КФ с разностью фаз принятого сигнала ИГБО. При наличии ЗРС на определенной глубине появятся максимумы КФ (фиг. 2). Та модель разности фаз для которой есть максимум определяет глубину залегания ЗРС. Точность измерения глубины залегания ЗРС зависит от мощности отражения сигнала от ЗРС и шага по глубине с которым вычисляются модели разности фаз сигналов отраженных от слоев.The method for detecting sound-scattering layers in seas and oceans is carried out as follows. On a moving vessel, an IGBO is installed with two antennas on each side (one transmitting and receiving). The transceiver antenna emits a broadband acoustic signal. The signal reflected from the air defense system is received at the receiving and transceiving antenna and the phase difference of the signals reflected from the air defense system is calculated. Phase difference models are calculated for various depths (Fig. 1). For all calculated models, the CF with the phase difference of the received IGBO signal is calculated. In the presence of air defense systems, CF maxima will appear at a certain depth (Fig. 2). The model of the phase difference for which there is a maximum determines the depth of the ZRS. The accuracy of measuring the depth of the SAM depends on the power of signal reflection from the SAM and the depth step with which the phase difference models of the signals reflected from the layers are calculated.

В предложенном способе обнаружения ЗРС в воде используется площадной метод исследования водной толщи в отличии от метода прототипа, где используется линейный способ, что уменьшает время проведения исследований и энергопотребление реализации данного изобретения.The proposed method for detecting air defense systems in water uses an area method for studying the water column, in contrast to the prototype method, which uses a linear method, which reduces the research time and energy consumption of the implementation of this invention.

Claims (1)

Способ обнаружения звукорассеивающих слоев в морях и океанах, заключающийся в зондировании широкополосным акустическим импульсным сигналом акустических рассеивателей в тоще воды, отличающийся тем, что прием отраженных от звукорассеивающих слоев сигналов осуществляют на антенны интерферометрического гидролокатора бокового обзора, сравнивают распределение по времени разности фаз в антеннах интерферометрического гидролокатора бокового обзора с моделью распределения по времени разности фаз для различных глубин, по максимуму корреляционной функции распределения по времени разности фаз в антеннах интерферометрического гидролокатора бокового обзора и модели распределения по времени разности фаз, определяют моменты времени появления звукорассеивающих слоев и вычисляют их глубину.A method for detecting sound-scattering layers in the seas and oceans, which consists in probing acoustic scatterers in the water column with a broadband acoustic pulse signal, characterized in that the signals reflected from the sound-scattering layers are received at the antennas of an interferometric side-scan sonar; the time distribution of the phase difference in the antennas of the interferometric sonar is compared side-scan with a model of the time distribution of the phase difference for different depths, based on the maximum of the correlation function of the time distribution of the phase difference in the antennas of the side-scan interferometric sonar and the model of the time distribution of the phase difference, the moments in time of the appearance of sound-scattering layers are determined and their depth is calculated.