Способ идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов

 

Изобретение относится к геоакустическим методам разведки и может быть использовано для дистанционной J идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов . Цель изобретения - увеличение точности идентификации состава донных осадков. Способ заключается в излучении и приеме отраженных от морских осадков акустических сигналов, при этом излучаются два сигнала с частотами fi и 2 fi. С каждым циклом излучения осуществляется сдвиг частоты на величины A f и 2 A f. По отраженным сигналам измеряются частотные характеристики фазового инварианта, а также интегральные характеристики модуля и фазового инварианта коэффициента отражения, по которым идентифицируется грунт.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 $1/38

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4835732/22 (22) 19.03.90 (46) 30.07.92. Бюл. М 28 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) Н.Н.Горохов, В.Л.Ефименко, В,П,Кавокин и Д.К.Сергеев, (56) Патент ФРГ hh 2006152, кл, G 01 S 9/66, 1977.

Куперман У. и др. Акустика дна океана,М.: Мир, 1984, с. 161 — 173, (54) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ МОРСКИХ ОСАДКОВ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ

ОТРАЖЕ Н Н ЫХ АКУСТИЧ Е СКИХ СИ ГНАЛОВ (57) Изобретение относится к геоакустическим методам разведки и может быть использовано для дистанционной

Изобретение относится к геоакустическим методам разведки, а именно к дистанционной идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов, и может быть использовано для сбора информации малогабаритными подводными аппаратами (МПА).

Известен способ идентификации осадков — способ определения фазового угла акустического импеданса пород, основанный на определении фазового угла акустического импеданса пород путем излучения сийхронных импульсов акустических колебаний в диапазоне частот до 16000 Гц и на частоте, в пять и более раз большей, npvieMe сигналов, измерении времени прихода и определении по их величине фазового угла,»5U 1751706 А1 идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов, Цель изобретения — увеличение точности идентификации состава донных осадков. Способ заключается в излучении и приеме отраженных от морских осадков акустических сигналов, при этом излучаются два сигнала с частотами fl и 2 fl. g каждым циклом излучения осуществляетсЯ сдвиг частоты на величины b f и 2 b f. По отраженным сигналам измеряются частотные характеристики фазового инварианта, а также интегральные характеристики модуля и фазового инварианта коэффициента отражения, по которым идентифицируется грунт. д ддВ акустического импеданса пород по форму- Qq ле 1

О 2ЛЛс О

М

- Тнч где At — разность адемен пдихода импуль- р сов двух частот;

Тнч — период колебаний низкой частоты.

Каждому фазовому углу О соответствует акустический импеданс, связанный с физическими характеристиками первой и второй сред.

Недостатками указанного способа являются невозможность определения характеристик слоев, волновая толщина которых

1751706 мала, вследствие возникающих переотражений. а также неоднозначность в определении акустического импеданса сред.

Известен также способ определения акустических характеристик грунта, осно- 5 ванный на излучении сигнала, приеме эхосигнала от дна, измерении критического угла падения В р, определении минимального значения коэффициента отражения R>, расстояния между резонансами и ширины 10 волновых резонансов при некотором угле падения, а также положения и ширины "угловых" резонансов при заданной частоте, позволяющий в заданном конкретном слу чае определить все параметры, описываю- 15 щие отражающую среду (т,е, с, р> скорости и плотности коренных пород, с2,,о2 — скорости и плотности осадков и d— толщину слоя осадков), Недостатком известного способа явля- 20 ется то, что для определения ширины "угловых" резонансов при заданной частоте необходимо иметь зависимость коэффициента отражения Rm от угла падения О.,цля экспериментального определения этой ха- 25 рактеристики требуется, чтобы излучатель и приемник были разнесены, неподвижны, расположены строго определенно относительно дна. Кроме того, приемник должен представлять собой линейную антенну из 30 нескольких гидроакустических преобразователей значительной длины. Использование этого способа на малогабаритных необитаемых, подводных аппаратах (НПА) невозможно, Целью изобретения является увеличение точности идентификации состава донных осадков, Поставленная цель достигается тем, что с каждым циклом излучения осуществляют сдвиг частот на Л f и 2 Л f, измеряют частотные характеристики фазового инварианта и модуля коэффициента отражения, находят интегральные характеристики модуля коэффициента отражения и фазового инварианта, по их значениям определяют состав дОнных Осадков, Отличие предлагаемого способа от известных заключается в использовании для идентификации грунта не только амплитуд: но-частотных характеристик, но также фазочастотных и интегральных характеристик модуля и фазового инварианта коэффициента отражения.

Использование предлагаемого способа индентификации грунтов позволяет создать более точную гидроакустическую аппаратуру для этих целей, размещаемую на необитаемых подводных аппаратах. Использование МПА повышает эффективность проведения гидрофизических исследований.

-На фиг.1 приведена лучевая картина распространения акустических волн в слое осадков; на фиг,2 — амплитудно-частотная характеристика модуля коэффициента отражения; на фиг.3 — интегральная характеристика модуля коэффициента отражения: на фиг.4 — частотная характеристика фазового. инварианта коэффициента отражения; на фиг.5 — интегральная характеристика фазового инварианта коэффициента отражения, на фиг,6 — структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

При использовании носителя с совмещенным излучателем и приемником возможно получение только частотной характеристики коэффициента отражения от дна при условии его вертикального зондирования. На фиг,1 представлена лучевая картина формирования отраженного сигнала при вертйкальном зондировании отражающего осадочного слоя, В геоакустической модели используются следующие характеристикй рв и ce — плотность и скорость звука в воде; рс и cc — плотность и скорость звука в слое, ро и co — плотность и скорость звука в основании. В соответствии с данной моделью модуль коэффициента отражения определяется выражением

00 со

{ Х R, slnan) + { g R, slna„+Rl) в=! п =1 где Rn = T> Т2 R2 йз: а, =пв

h сс

n — количество переотражений в слое, Т>, Т2 — коэффициенты прохождения из воды в осадочный слой и обратно;

В1Я2,йз — коэффициенты отражения от границы вода — слой, слой — вода, и слой— основание соответственно; а ° -а.*.

1=

Ps Св +Pc Сс

R2 =

JOc C cCs, рс Сс +pe Св

Вз=

Рс Сс +Po Co а — частоты акустических колебаний, h — толщина слоя.

Простое измерение модуля коэффициента отражения вследствие того, что дно представляет собой слоистую структуру (осадочный слой и более твердое основа1751706 ние), идентифицировать грунт не позволяет; величина модуля коэффициента отражения зависит от толщины слоя. Для получения информации об импедансе слоя р с необходимо воспользоваться интегральной характеристикой т

F fp c)c= J fR1 дв, о где Т вЂ” интервал осцилляций, имеет размерность частоты и равен величине, обратной времени прохождения акустической волны сквозь осадочный слой (Т = св/h).

На фиг.2 приведены частотные характеристики модуля коэффициента отражения на одном периоде осцилляций для трех типов осадков: глинистый ил (р с = 2,4 10), песчаный илр с = 3,1 10 ), мел-известняк (p с = 4,9 10 ). Особенностью данных характеристик является уменьшение F (pc) .с увеличением импеданса слоя, Дальнейшие расчеты показали, что интегральная характеристика модуля коэффициента отражения не может однозначно соответствовать величине импеданса слоя. Зависимость F p с), представленная на фиг,3 имеет характер параболы: при (рс) < 4,3 10 убывает, а при (p c)c > 4.3 10 возрастает. Такая неоднозначность делает затруднительной оценку импеданса слоя, а следовательно, его распознавание. Устранение неоднозначности осуществляется использованием интегральной характеристики фазового инварианта коэффициента отражения, Ввиду слоистости осадков простым измерением фазового инварианта устранить неоднозначность, возникающую при определении интегральной характеристики модуля коэф.фициента отражения, невозможно, Реализация резонансно-фазового модуля основана на использовании бигармонического сигнала со связанными по фазе гармоническими составляющими, значения которых относятся как 1;2, Основное преимущество фазовых методов — возможность получения характеристики объекта локации независимо от дистанции до приемно-излучающей системы. Это достигается следующим образом. Пусть

S1 = А1соз (cu (t — 2 г/св + p1)

S2 = Арсоэ (2 c0 (t — 2 Г/св) + p2) где 31, Sz — аналитические выражения гармонических составляющих сигналов;

А1, Аг — амплитуды сигналов на частоте ви2в;

r — дистанция до обьекта;

c> — скорость звука в воде; у1 и p2 — фаэовые сдвиги при отражении от объекта на частотах и и 2 ш

Переходя к квадратурным компонентам сигналов S< и Я2 и выделяя аргументы гармонических функций, получаем:

5 ф1 = N(t — 2r/св)+101; ф = 2 m(t — 2г/св) + 1о2.

Линейная комбинация фазовых аргу10 ментов гармонических составляющих имеет вид

Ф=2ф -ф-2ф1 - а.

15 Ее называют приведенной разностью фаз или фазовым инвариантом. Ф не зависит от дистанций до объекта (отражающей границы) и является информацией последнего. На фиг.4 приведена зависи20 мость sin (Ф (в)) на одном периоде осцилляций, Интегральная характеристИка фазового инварианта (фиг.5) т/г

25 .. F (pc)e ) з п(Ф (N)) dN. о является нечетной функцией относительно критйческого импеданса (p с)о = 4,3 10 "и, 30 следовательно, устраняет неодйозмачность интегральной характерйстики модуля коэффициента отражения F (р с)о, Таким образом, совокупность интег.ральных характеристик модуля и фазового

35 инварианта коэффициента отражения позволяет однозначно ойределить (р с)о, т.е. идентифицировать грунт.

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из блока 1.формиро-.

40 вания сигналов, двухканального усилителя 2 мощности, коммутатора 3, приемно-излучающего устройства 4, блока 5 фильтрации и усиления, блока 6 фазовой обработки, детектора 7 огибающей и блока 8 принятия

45 решения, Блок 1 формирования сигйалов.служит для формирования двух сигналов стандарт- ной посылки с жестко связанными по фазе частотами заполнения f> и 2f>, причем с каждым циклом излучения осуществляется сдвиг частот заполнения f1 и 2f> на величину Л f и 2 А f соответственно.

Двухканальный усилйтель 2 мощности служит для усиления сигналов до требуемых

55 значений и состоит из двух обычных усилителей мощности, широко применяемых в гидроакустических системах.

Коммутатор 3 служит для подключения

ПИУ 4 либо к выходам усилителя мощности

1751706

8 нения изменяются на Л1 и 2 Ь|. Происходят операции, аналогичные описанным. В результате получают фазовый инвариант коэффициента отражения и модуль коэффициента отражения на частоте f> + Л f u частоте 211 + 2 Л f и запоминают, Опять изменяют частоты заполнения и т,д. В итоге получают частотные характеристики фазового инварианта и модуля коэффициента от0 ражения, В блоке принятия решения определяются их интегральные характеристики и по величине интегральных характеристик идентифицируется грунт.

Предлагаемый способ идентификации

5 морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов имеет следующие преимущества.

Измерительная система излучатель— . приемник является совмещенной, имеющей

0 небольшие габариты, Определение характеристик отражен-. .ных сигналов возможно осуществлять с любых, в том числе движущихся, объектов, Точность идентификации морских осад5 ков по двум усредненным характеристикам отраженных сигналов выше, чем при использовании известных способов, в режиме излучения, либо к входам блока 5 фильтрации и усиления в режиме приема, Приемно-излучающее устройство 4 представляет собой гидроакустическую антенну мозаичного типа, состоящую из эле- 5 ментов с резонансной частотой f> и из элементов с резонансной частотой 2f1, Блок

5 фильтрации и усиления служит для выделения из принятого эхосигнала сигналов с частотами f> и 2f> и последующего их усиления.

Блок 6 фазовой обработки служит для определения фазового инварианта коэффициента отражения Ф.

Детектор 7 огибающей широко извест- 1 ное в технике устройство, состоящее из линейного детектора и фильтра низкой частоты, выделяет огибающую отраженного эхосигнала.

Блок 8 принятия решения служит для 2 определения интегральных характеристик коэффициента отражения и фазового инварианта и по полученным значениям идентификаций типа грунта, В качестве блока принятия решения целесообразно исноль- 2 зовать персональную вычислительную машину, либо микропроцессор, Устройство работает следующим образом, Блок 1 формирования сигналов формирует посылки с частотами заполнения f< и

2f, далее происходит усиление двухканальным усилителем 2 мощности. Через коммутатор 3 сигналы поступают на ПИУ 4, при этом происходит излучение сигнала. Отраженный сигнал от дна поступает на ПИУ, преобразуется в электрический сигнал, фильтруется и усиливается в блоке 5 фильтрации и усиления, затем поступает на вход блока 6 фазовой обработки и вход детектора

7 огибающей. В блоке фазовой обработки пройзводитcя определение фазового инварианта коэффициента отражения Ф. По амплитуде сигнала на выходе детектора огибающей можно судить о величине модуля коэффициента отражения. Полученные сигналы поступают в блок 8 принятия решения и запоминаются. Далее частоты заполФормула изобретения

30 Способ идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов, включающий излучение сигналов на частотах f> и 2f>, прием эхосигналов и определение модуля коэффици35 ента отражения и фазового инварианта

Ф = 2 р1 — pz, где р и р — фазовые сдвиги при отражении от грунта на частотах f> и 211, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности идентификации соста40 ва донных осадков, с каждым циклом измерения осуществляют сдвиг частот на Л f u

2 Л f, измеряют частотные характеристики фазового инварианта, а также интегральные характеристики модуля и фазового инва45 рианта коэффициента отражения, по их значениям осуществляют идентификацию морских осадков.

1751706

Р

Фиг.I

/

w)

Фнг2

Фиг.З

1751706

1751706

Составитель А. Зарубин

Техред М.Моргентал Корректор С. Черни

Редактор А. Лежнина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2690 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/S