Способ идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХРЕСПУБЛИК(я)5 О 01 Я 1/38 ко а кустиле ОТнч ен прихода и где Ь - разность врсов двух частот;Тнч - период ко пуль- асто- ствус финий низкой ты.Квжд ет акусти зически второй срНедо ются нев ристик с омуф чески ми ха ед. статка озмож лоев,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ. МОРСКИХ ОСАДКОВ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМОТРАЖЕ 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, основан-, ный 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, приеме сигналов, измерении времени прихода и определении по их величине фазового угла(о.Ы 2 ип 1 75 1 706 А 1 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 т 1 и 2 т 1.каждым циклом излучения осуществляетсЯ сдвиг частоты на величины Ь и 2 Ь. По отраженным сигналам измеряются частотные характеристики фазового инварианта, а также интегральные характеристики модуля и фазового инварианта коэффициента отражения, по которым идентифицируется грунт. педанса пород по форму- (у) зовому углу О соответ импеданс, связанный актеристиками перв ми указанного способа явля- ность определения характеволновая толщина которыхмала, вследствие возникающих переотражений, а также неоднозначность в определении акустического импеданса сред.Известен также способ определенияакустических характеристик грунта, основанный на излучении сигнала, приеме эхосигнала от дна, измерении критическогоугла падения Вр, определении минимального значения коэффициента отражения Йп,расстояния между резонансами и ширины 10волновых резонансов при некотором углепадения, а также положения и ширины "угловых" резонансов при заданной частоте,позволяющий в заданном конкретном слу чае определить все параметры, описывающие отражающую среду (т,е, сь рскорости и плотности коренных пород, с 2,,б 2 - скорости и плотности осадков и б -толщину слоя осадков),Недостатком известного способа является то, что для определения ширины "угловых" резонансов при заданной частотенеобходимо иметь зависимость коэффициента отражения Ва от угла падения О.,цляэкспериментального определения этой характеристики требуется, чтобы излучатель иприемник были разнесены, неподвижны,расположены строго определенно относительно дна. Кроме того, приемник долженпредставлять собой линейную антенну из 30нескольких 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, чтос каждым циклом излучения осуществляют сдвиг частот на Ьи 2 Ь , измеряют частотные характеристики Фазового инварианта имодуля коэффициента отражения, находят интегральные характеристики модуля коэффициента отражения и фазового инвариантэ, 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.З - 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,б - 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 р и с - плотность и скорость звука в воде; рс и сс - плотность и скорость звука в слое, ро и со - плотность и скорость звука в основании. В соответствии с данной моделью модуль коэффициента отражения определяется выражением00 со 1 й =", й,зпа,) +,Я й,зпа, +й)и= п =1 где Яп = Т 1 Т 2 В 2 Йз а=пвсс и - количество переотражений в слое, Т 1, Т 2 - коэффициенты прохождения из воды в осадочный слой и обратно;В 1 Я 2,йз - коэффициенты отражения от границы вода - слой, слой - вода, и слой - основание соответственно; , .ь.ь:.аьрв св + рс сс Й 2= ЯСс ЪСв, рс сс + рв св Йз=Рс сс + ро со и- частоты акустических колебаний, й - толщина слоя. Простое измерение модуля коэффициента отражения вследствие того, что дно представляет собой слоистую структуру осадочный слой и более твердое основание), идентифицировать грунт не позволяет, величина модуля коэффициента отражения зависит от толщины слоя. Для получения информации об импедансе слоя р с необходимо воспользоваться интегральной характеристикойтГ э с)с =1 В дв,огде Т - интервал осцилляций, имеет размерность частоты и равен величине, обратной времени прохождения акустической волны сквозь осадочный слой (Т = сс/Ь).На фиг,2 приведены частотные характеристики модуля коэффициента отражения на одном периоде осцилляций для трех типов осадков: глинистый ил (о с = 2,4 106), песчаный илр с = 3,1 10), мел-известняк (р с = 4,9 10 ). Особенностью данных характеристик является уменьшение Г(рс)с .с увеличением импеданса слоя, Дальнейшие расчеты показали, что интегральная характеристика модуля коэффициента отражения не может однозначно соответствовать величине импеданса слоя. Зависимость Г р с)с, представленная на фиг,3 имеет характер параболы: при рс)с 4,3.10 убывает, а при (р с)с4,3 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-излу- чающей системы. Это достигается следующим образом. Пусть31 = А 1 соз (в (т - 2 г/св + Р 1)32 = А 2 соз ( 2 в (т - 2 г/св) + 02) где 31, Я 2 - аналитические выражения гармонических составляющих сигналов;А 1, А 2 - амплитуды сигналов на частоте ви 2 в;г - дистанция до обьекта;св - скорость звука в воде;ф 1 и щ - фаэовые сдвиги при отражении от объекта на частотах в и 2 ш Переходя к квадратурным компонентам сигналов 31 и Я 2 и выделяя аргументы гармонических функций, получаем:5 ф 1 = в (1 - 2 г/св) + 01;ф = 2 в(т - 2 г/св) + 102.Линейная комбинация фазовых аргу 10 ментов гармонических составляющйх имеет видФ = 2 ф 1 - ф " 2 р 1 - а.15 Ее называют приведенной разностьюфаз или фазовым инвариантом. Ф.не зависит от дистанций до объекта (отражающей границы) и является информацией последнего. На фиг,4 приведена зависи мость зп Ф (в на одном периоде осцилляций, Интегральная характеристИка фазового инварианта (фиг.5)т/г25 . Р(рс)с,) зп Ф (в) бвоявляется нечетной функцией относительнокритйческого импеданса (о с)о = 4,310 и,30 следовательно, устраняет неодйозюачностьинтегральной характерйстики модуля коэффициента отражения Р (р с)о,Таким образом, совокупность интег.- ральных характеристик модуля и фазового35 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 2мощности, коммутатора 3, приемно-излучающего устройства 4, блока 5 фильтрации иусиления, блока 6 фазовой обработки, детектора 7 огибающей и блока 8 принятия45 решения,Блок 1 формирования сигйалов служитдля формирования двухсигналов стандарт-ной посылки с жестко связанными по фазечастотами заполнения б 1 и 2 б, причем с каждым циклом излучения осуществляетсясдвиг частот заполнения 11 и 211 на величину Л 1 и 2 А 1 соответственно.Двухканальный усилйтель 2 мощностислужит для усиления сигналов до требуемых55 значений и состоит из двух обычных усилителей мощности, широко применяемых вгидроакустических системах.Коммутатор 3 служит для подключенияПИУ 4 либо к выходам усилителя мощности1751706 8нения изменяются на Л 1 и 2 Ь. Происходятоперации, аналогичные описанным. В результате получают фазовый инварианткоэффициента отражения и модуль коэффициента отражения на частоте 11+ Л 1 ичастоте 211 + 2 Л т и запоминают, Опятьизменяют частоты заполнения и т,д. В итогеполучают частотные характеристики фазового инварианта и модуля коэффициента от 0 ражения, В блоке принятия решенияопределяются их интегральные характеристики и по величине интегральных характеристик идентифицируется грунт.Предлагаемый способ идентификации5 морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов имеет следующие преимущества.Измерительная система излучатель -приемник является совмещенной, имеющей0 небольшие габариты,Определение характеристик отражен.ных сигналов возможно осуществлять с любых, в том числе движущихся, объектов,Точность идентификации морских осад 5 ков по двум усредненным характеристикамотраженных сигналов выше, чем при использовании известных способов,в режиме излучения, либо к входам блока 5фильтрации и усиления в режиме приема,Приемно-излучающее устройство 4представляет собой гидроакустическую антенну мозаичного типа, состоящую из элементов с резонансной частотой т 1 и изэлементов с резонансной частотой 211, Блок5 фильтрации и усиления служит для выделения из принятого эхосигнала сигналов счастотами б и 211 и последующего их усиления.Блок 6 фазовой обработки служит дляопределения фазового инварианта коэффициента отражения Ф.Детектор 7 огибающей широко известное в технике устройство, состоящее излинейного детектора и фильтра низкой частоты, выделяет огибающую отраженногоэхоси гнала,Блок 8 принятия решения служит для 2определения интегральных характеристиккоэффициента отражения и фазового инварианта и по полученным значениям идентификаций типа грунта, В качестве блокапринятия решения целесообразно испольэовать персональную вычислительную машину, либо микрОпроцессор,Устройство работает следующим образом,Блок 1 формирования сигналов формирует посылки с частотами заполнения Г 1 и26, далее происходит усиление двухканальным усилителем 2 мощности. Через комму- .татор 3 сигналы поступают на ПИУ 4, приэтом 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 входблока 6 фззовой обработки и вход детектора7 огибающей. В блоке фазовой обработкипройзводится определение фазового инварианта коэффициента отражения Ф. По амплитуде сигнала на выходе детектораогибающей можно судить о величине моду-ля коэффициента отражения. Полученныесигналы поступают в блок 8 принятия решения и запоминаются. Далее частоты заполФормула изобретения30 Способ идентификации морских осадков по характеристикам отраженных акустических сигналов, включающий излучениесигналов на частотах т 1 и 211, прием эхосигналов и определение модуля коэффици 35 ента отражения и фазового инвариантаФ=2 р 1 - ъ, где р и р - фазовые сдвигипри отражении от грунта на частотах б и 2 б,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения точности идентификации соста 40 ва донных осадков, с каждым циклом измерения осуществляют сдвиг частот на Л 1 и2 Ь , измеряют частотные характеристикифазового инварианта, а также интегральныехарактеристики модуля и фазового инва 45 рианта коэффициента отражения, по ихзначениям осуществляют идентификациюморских осадков,1751706 остевитель А. Зарубихред М.Моргентал орректор С. Чер Редактор А. Л а енно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 рои Заказ 2690 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5