Устройство для профилирования донных отложений

Полезная модель предназначена для изучения структуры донных отложений шельфовых областей мирового океана, в подводной акустике для поиска полезных ископаемых, а также для изучения распространения звука в мелком море. Устройство содержит последовательно соединенные персональный компьютер с 24-разрядным аналого-цифровым преобразователем и системой генерирования зондирующего сигнала, усилитель мощности и подводную приемоизлучающую акустическую систему, состоящую из излучающей и приемной антенн. Персональный компьютер выполняет функции формирования, приема, обработки зондирующего сигнала, накопления и визуализации информации. В качестве зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью.

Полезная модель относится к области геофизики и может быть использована 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.

В настоящее время существует достаточно много устройств для профилирования донных отложений. К наиболее часто используемым относятся устройства сейсмопрофилирования и эхолокации. (Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, 344 с.). Наибольшее распространение получили многофункциональные эхолоты и выполненные на их основе профилографы высокого разрешения. Основные модули, входящие в состав такого профилографа, это приемоизлучающая акустическая антенна, усилитель мощности и блок обработки и визуализации информации. Существуют разные типы таких профилографов, отличающихся в основном типом сигнала и мощностью излучения, однако они все имеют существенный недостаток - так называемую «мертвую зону». Она обусловлена тем, что пока идет процесс излучения зондирующего сигнала невозможно осуществлять детектирование отраженного, из-за сложности его выделения на фоне основного. Вследствие этого в непосредственной близости от приемоизлучающей антенны возникает область тени («мертвая зона»). Она тем больше, чем длиннее зондирующий сигнал и больше его мощность. Это накладывает существенные ограничения на применение данных устройств в мелководных водоемах и на шельфе.

Наиболее близким к заявляемому решению является акустический профилограф высокого разрешения с использованием частотно-модулированного сигнала для определения тонкой структуры морского дна, описанный 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.- Москва.: ГЕОС, 2001, т.2, с.18-22).

Известный профилограф состоит из подводной приемоизлучающей акустической системы (антенный блок), усилителя, блока формирования, приема и обработки информации, а также блока накопления и отображения информации на базе персонального компьютера. Антенный блок установлен на носителе и включает в себя излучающую антенну на основе пьезокерамических стержневых преобразователей и приемную антенну на основе пьезоцилиндров. Блок формирования, приема и

обработки информации включает систему генерирования частотно-модулированного сигнала, выполненную на базе сигнального процессора со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и содержит достаточно сложную систему временной автоматической регулировки уровня сигнала (ВАРУ). Блок формирования, приема и обработки информации управляет работой профилографа: с использованием цифро-аналогового преобразователя сигнального процессора генерирует зондирующий частотно-модулированный импульс, производит временную автоматическую регулировку уровня принятого сигнала, оцифровывает и обрабатывает сигнал, а также осуществляет информационный обмен с блоком накопления и отображения получаемой информации, выполненном на базе персонального компьютера.

Недостатком известного устройства является наличие «мертвой зоны», возникающей вследствие необходимости временного разделения излученного и отраженного сигналов из-за использования для зондирования частотно-модулированного сигнала. Поскольку глубина исследуемых акваторий иногда составляет (2-6) м, для уменьшения «мертвой зоны» в качестве излучаемого сигнала приходится генерировать короткий тональный сигнал с частотой 6 кГц и длительностью 0,5мс. Такой режим позволяет уменьшить «мертвую зону» приема, однако приводит к уменьшению мощности излучаемого сигнала, ухудшению качества профилограмм и уменьшению глубины прозвучивания.

Автору и заявителю не удалось обнаружить в известных источниках информации устройства для профилирования донных отложений, не имеющего «мертвой зоны» приема.

Задача предлагаемой полезной модели - исключение эффекта «мертвой зоны» приема устройства для профилирования донных отложений, упрощение структуры устройства, повышение его надежности и универсальности.

Поставленная задача решается устройством профилирования донных отложений, состоящим из последовательно соединенных блока накопления и визуализации информации, управляющего блока с аналого-цифровым преобразователем и системой генерирования зондирующего сигнала, усилителя мощности, подводной приемоизлучающей акустической системы, состоящей из излучающей и приемной антенн, при этом блок накопления и визуализации информации и управляющий блок выполнены на базе одного персонального компьютера, снабженного 24-разрядным аналого-цифровым преобразователем, а в качестве системы генерирования зондирующего сигнала используют систему

генерации фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью.

В отличие от прототипа, в котором для формирования, приема, обработки частотно-модулированного сигнала, накопления и визуализации информации используют два различных блока: для формирования, приема, обработки сигнала используют систему на базе сигнального процессора с АЦП и системой временной автоматической регулировки уровня (ВАРУ) принятого сигнала, а для накопления и визуализации - персональный компьютер, заявляемое устройство, основанное на использовании генерирования фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, позволяет объединить эти блоки в один блок формирования, приема, обработки фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, накопления и визуализации информации, реализованный на базе одного персонального компьютера (ПЭВМ), снабженного высокоразрядным АЦП. Этот блок (ПЭВМ) реализует как функции формирования, приема и обработки фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, так и функции накопления и отображения информации. Это в свою очередь дало возможность отказаться от сложной системы временной автоматической регулировки уровня принятого сигнала (ВАРУ) прототипа, необходимой при использовании в устройстве системы генерирования частотно-модулированного сигнала, и значительно упростить конструкцию устройства и повысить его надежность.

Фазоманипулированный сигнал, модулированный М - последовательностью (у(t)) представляет из себя несущий гармонический сигнал, в котором фаза меняется на 180 град, когда значение модулирующей М - последовательности становится равным единице.

###U127

где А-константа, f -несущая частота сигнала, M(t) - модулирующая М -последовательность

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 символов

где n - сложность последовательности.

Генерирование фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, осуществляется в программной среде на основе управляющих полиномов М-последовательности. Вывод на усилитель происходит через цифро-аналоговый преобразователь стандартной звуковой карты ПЭВМ, что упростило систему формирования сигнала.

Отметим, что заявляемое устройство не могло быть реализовано на базе прототипа без серьезных конструктивных изменений, возникающих из-за существенных различий в конфигурации и функциях используемых модулей систем генерирования зондирующих сигналов, а также ограниченной вычислительной мощности сигнального процессора.

Исключение эффекта «мертвой зоны» приема происходит благодаря конструктивному решению предложенного устройства с использованием генерирования фазоманипулированного, модулированного М-последовательностью сигнала. Сигналы данного типа обладают свойством когерентности, что позволяет с помощью математической обработки уверенно выделять отраженный сигнал на фоне продолжающегося излучения зондирующего сигнала.

В то же время их использование налагает определенные ограничения на процесс обработки отраженных сигналов, а именно, используемое в заявляемом устройстве АЦП должен быть не менее, чем 16-разрядным, преимущественно, 24-разрядным.

Излучающая и приемная антенны могут быть выполнены как на основе пьезокерамических стержневых преобразователей и пьезоцилиндров, используемых в прототипе, либо, например, излучающая антенна в виде пьезокерамического излучателя кольцевого типа, помещенного в массивный фокусирующий экран с целью формирования узкой диаграммы направленности, а приемная антенна в виде свернутой в кольцо сейсмокосы для придания направленности, экранированной от кратных отражений от поверхности воды, либо применяют другие подходящие конструкции антенн.

Частота собственного резонанса излучающей антенны, входящей в состав приемоизлучающей системы зависит от конкретных задач профилирования: глубины зондирования, требуемой разрешающей способности.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого устройства, где 1-усилитель мощности, 2- приемоизлучающая система, включающая 3 - излучающую и 4 - приемную

антенны; 5 - блок формирования, приема и обработки зондирующего сигнала, накопления и визуализации информации (ПЭВМ), включающий 6 - систему генерирования зондирующего сигнала и 7 - АЦП.

Процесс функционирования заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Сформированный в системе генерирования (6) фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью, поступает через усилитель (1) мощности на излучающую антенну (3). После прохождения и отражения от исследуемой среды сигнал регистрируется приемной антенной (4) и поступает на ПЭВМ (5) в устройство (7) ввода сигнала АЦП, где оцифровывается. Оцифрованный сигнал математически обрабатывается в блоке (5) соответствующим программным пакетом, например, «MatLab 2000», в котором осуществляется его корреляционная обработка (операция свертки с опорным излучаемым сигналом) и графическое отображение результатов.

Таким образом, за счет заявляемой конструкции устройства, обеспечивающей использование для профилирования донных отложений фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, впервые удалось разработать устройство, не имеющее «мертвой зоны» приема, что особенно важно при исследовании донных осадков на шельфовой зоне, значительно упрощается структура устройства, повышается его надежность и универсальность.

Заявляемое устройство было технически реализовано в ходе серии натурных экспериментов в шельфовой области Японского моря в районе залива Посьета (Приморье). Приемоизлучающий блок был стационарно установлен в 55 метрах от берега на дно на глубине 13 м и сообщался с блоком формирования, приема и обработки зондирующего сигнала, накопления и визуализации информации (ПЭВМ) по кабельным линиям. Профилирование осуществлялось с помощью фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью, с несущей частотой излучающей антенны 2125 Гц, длинной 63 и 511 символов, и с четырьмя периодами на символ. Излучающая антенна была выполнена в виде пьезокерамического излучателя кольцевого типа, помещенного в массивный фокусирующий экран с целью формирования узкой диаграммы направленности, а приемная антенна - в виде свернутой в кольцо для придания направленности сейсмокосы, экранированной от кратных отражений от поверхности воды. Блок формирования, приема и обработки зондирующего сигнала, накопления и визуализации информации был выполнен с использованием ПЭВМ (на базе

процессора Intel Pentium III) снабженного 24-разрядным АЦП. Усилитель мощности -«Микрон 100 УМ».

Результаты профилирования представлены на фиг.2 в виде зависимости автонормированной корреляционной функции (у) отраженного сигнала от глубины (х) в донных осадках. Ее максимумы соответствуют отражениям на границах раздела донных слоев. Сплошной линии отмечена корреляционная функция зондирующего сигнала длинной 511 символов, а пунктирной линии - функция сигнала длинной 63 символа. Первый пик соответствует приходу прямого сигнала с излучающей системы на приемную, а последующие - соответствуют отражениям от границы раздела слоев донных осадков. Пики, полученные с глубины более 30 метров, являются корреляционным шумом, так как при применении более длинной, М-последовательности они существенно уменьшаются. Данные, полученные в ходе эксперимента, хорошо согласуется с геологическими данными для этого участка дна.

1. Устройство для профилирования донных отложений, включающее последовательно соединенные блок накопления и визуализации информации, управляющий блок с аналого-цифровым преобразователем и системой генерирования зондирующего сигнала, усилитель мощности и подводную приемоизлучающую акустическую систему, состоящую из излучающей и приемной антенн, отличающееся тем, что блок накопления и визуализации информации, и управляющий блок выполнены на базе персонального компьютера, снабженного 24-разрядным аналого-цифровым преобразователем, а в качестве системы генерирования зондирующего сигнала используют систему генерации фазоманипулированного сигнала, модулированного М-последовательностью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающая антенна выполнена в виде пьезокерамического излучателя кольцевого типа, помещенного в массивный фокусирующий экран с целью формирования узкой диаграммы направленности.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемная антенна выполнена в виде свернутой в кольцо для придания направленности сейсмокосы, экранированной от кратных отражений от поверхности воды.