[go: up one dir, main page]

RU2517983C1 - Method of profiling bottom deposits - Google Patents

Method of profiling bottom deposits Download PDF

Info

Publication number
RU2517983C1
RU2517983C1 RU2012154146/28A RU2012154146A RU2517983C1 RU 2517983 C1 RU2517983 C1 RU 2517983C1 RU 2012154146/28 A RU2012154146/28 A RU 2012154146/28A RU 2012154146 A RU2012154146 A RU 2012154146A RU 2517983 C1 RU2517983 C1 RU 2517983C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cos
time
eleven
signal
receiving antenna
Prior art date
Application number
RU2012154146/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Анатольевич Касаткин
Сергей Борисович Касаткин
Георгий Валерьевич Косарев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)
Priority to RU2012154146/28A priority Critical patent/RU2517983C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2517983C1 publication Critical patent/RU2517983C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of profiling bottom deposits involves mounting radiating and receiving antennae of a profile recorder on a towed carrier, wherein the radiating and receiving antennae of the profile recorder are separately mounted on the carrier, and the receiving antenna used is a K-element receiving antenna directed along the longitudinal axis of the carrier. The carrier is towed over the bottom. A pulsed acoustic phase-shift keyed signal, which is modulated by an M-sequence, is emitted. The reflected signal is received and undergoes correlation processing with a copy of the emitted acoustic phase-shift keyed signal, wherein amplification and correlation processing of the received signal is carried out with a K-channel receiving circuit. After amplification and correlation processing of signals received by each element of the K-element receiving antenna, Q values of the complex amplitude of the received signal S q p ( к )
Figure 00000043
are generated. A matrix is formed from Q row elements. Time delay is calculated for each emission time tpn and arrival time tq. Time shift and coherent summation operations are repeated for the entire array of data for each element of the receiving antenna. Coherent summation of K signals received by the K-element receiving antenna is performed for each time of arrival of received signals tq and time of emission tp. Graphic construction of the profile of bottom deposits is then performed based on the delay time of the reflected signal.
EFFECT: higher resolution of the method of profiling in a longitudinal direction while maintaining a sufficiently large depth of profiling and high resolution in the vertical direction.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики и гидроакустики и может быть использовано для изучения структуры донных отложений в шельфовой зоне мирового океана, а также для изучения особенностей распространения звука в придонном слое мелкого моря.The invention relates to the field of geophysics and hydroacoustics and can be used to study the structure of bottom sediments in the shelf zone of the oceans, as well as to study the characteristics of sound propagation in the bottom layer of the shallow sea.

Известен способ профилирования донных отложений, реализованный в работе Касаткина Б.А., Косарева Г.В., Ларионова Ю.Г. Исследование дна Амурского залива профилографом высокого разрешения. Сборник трудов Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2001, т.2, с.18-22. Известное решение основано на принципе отражения распространяющихся в воде и грунте широкополосных акустических импульсов от всех границ раздела, таких как граница раздела вода - морское дно, а также границы раздела между отдельными слоями морских осадочных пород.A known method of profiling bottom sediments, implemented in the work of Kasatkin B.A., Kosareva G.V., Larionova Yu.G. Study of the bottom of the Amur Bay with a high-resolution profilograph. Proceedings of the Russian Acoustic Society. M .: GEOS, 2001, v. 2, p. 18-22. The known solution is based on the principle of reflection of broadband acoustic impulses propagating in water and soil from all interfaces, such as the water-seabed interface, as well as the interface between the individual layers of marine sedimentary rocks.

Способ включает излучение широкополосных импульсных акустических 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 отраженных сигналов от границ раздела слоев. Использование широкополосных импульсных акустических сигналов позволяет реализовать в данном способе достаточно высокую разрешающую способность метода профилирования. Недостатком данного способа является сравнительно малая глубина профилирования.The method includes emitting broadband pulsed acoustic signals in the frequency range 3-8 kHz, receiving reflected signals, correlating them in real time, and constructing a profile of bottom sediments from the delay time of reflected signals from the layer interfaces. The use of broadband pulsed acoustic signals makes it possible to realize a sufficiently high resolution of the profiling method in this method. The disadvantage of this method is the relatively small profiling depth.

Известен способ профилирования донных отложений, в котором для увеличения глубины профилирования при сохранении высокой разрешающей способности в качестве импульсного акустического зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал, модулированный М-последовательностью (Патент РФ №23560696, МПК G01V 1/38, 2007 г.,). Данный способ является наиболее близким к заявляемому решению.A known method of profiling bottom sediments, in which to increase the depth of profiling while maintaining high resolution as a pulsed acoustic sounding signal, a phase-shifted signal modulated by an M-sequence is used (RF Patent No. 23560696, IPC G01V 1/38, 2007). This method is the closest to the claimed solution.

Этот способ профилирования донных отложений включает установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемом носителе и его буксировку над дном, излучение фазоманипулированного сигнала модулированного М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с акустической копией излученного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. В этом способе для увеличения глубины профилирования используют фазоманипулированный сигнал с достаточно большой базой, обладающий достаточной энергией, а разрешающая способность данного способа в вертикальном направлении сохраняется высокой за счет высокого отношения сигнал/шум на входе приемного тракта, что также обеспечивается выбором фазоманипулированного сигнала с достаточно большой базой.This method of profiling sediments includes installing a receiving-emitting antenna of the profilograph on a towed carrier and towing it above the bottom, emitting a phase-manipulated signal modulated by the M-sequence, receiving the reflected signal, correlating it with an acoustic copy of the emitted signal, and then graphically plotting the profile of the sediment according to the delay time of the reflected signal. In this method, to increase the profiling depth, a phase-manipulated signal with a sufficiently large base, with sufficient energy, is used, and the resolution of this method in the vertical direction remains high due to the high signal-to-noise ratio at the input of the receiving path, which is also provided by the selection of a phase-shifted signal with a sufficiently large base.

Недостатком данного способа профилирования является низкая разрешающая способность в продольном направлении, т.е. в направлении буксировки антенны профилографа. Это объясняется тем, что антенна профилографа на рабочих частотах профилирования обладает слабой направленностью в вертикальной плоскости, вследствие чего точечный объект профилирования изображается на профилограмме в виде характерной параболы, что затрудняет правильную идентификацию объектов профилирования. Для увеличения разрешающей способности в продольном направлении либо увеличивают апертуру антенны профилографа, что существенно увеличивает и массо-габаритные характеристики профилографа, либо используют методику синтезирования апертуры. Такая методика применительно к задаче профилирования приведена, например, в работе А.И.Захаров, В.И.Каевицер, В.М.Разманов, В.Н.Раскатов, Применение методов синтезирования апертуры в низкочастотных эхолотах-профилографах. Труды VIII международной конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. С.Петербург, Наука, 2006, с.143-147. Однако алгоритмы синтезирования апертуры, описанные в этой работе, не учитывают различия в скорости распространения звука в воде и донных отложениях и связанного с этим преломления звуковых лучей на границе раздела вода - морское дно, а потому являются весьма приближенными. Как следствие, они являются достаточно эффективными только при малой величине синтезируемой апертуры и в случае, когда донные отложения являются неконсолидированным осадком, скорость звука в котором близка к скорости звука в воде.The disadvantage of this profiling method is the low resolution in the longitudinal direction, i.e. in the direction of towing the profiler antenna. This is because the profilograph antenna at the operating profiling frequencies has a weak directivity in the vertical plane, as a result of which the profiling point object is displayed on the profilogram as a characteristic parabola, which makes it difficult to correctly identify the profiling objects. To increase the resolution in the longitudinal direction, either increase the aperture of the antenna of the profilograph, which significantly increases the mass-dimensional characteristics of the profilograph, or use the technique of synthesizing the aperture. Such a technique as applied to the profiling problem is given, for example, in the work of A.I. Zakharov, V.I.Kaevitser, V.M. Razmanov, V.N. Raskatov, Application of aperture synthesis methods in low-frequency echo sounders-profilographs. Proceedings of the VIII International Conference Applied Technologies of Hydroacoustic and Hydrophysics. St. Petersburg, Nauka, 2006, p.143-147. However, the aperture synthesis algorithms described in this paper do not take into account the differences in the speed of sound propagation in water and bottom sediments and the associated refraction of sound rays at the water-seabed interface, and therefore are very approximate. As a result, they are quite effective only when the synthesized aperture is small and when the bottom sediments are an unconsolidated sediment in which the speed of sound is close to the speed of sound in water.

Другой недостаток описанного способа заключается в том, что в области углов падения, меньших критического, а профилограф работает именно в этом диапазоне углов падения, имеет место обратная волна отдачи и связанное с ней двойное лучепреломление. Это явление также искажает изображение реальных объектов профилирования на профилограмме и ухудшает разрешающую способность по глубине залегания рассеивающих объектов.Another disadvantage of the described method lies in the fact that in the region of incidence angles smaller than the critical one, and the profiler operates precisely in this range of incidence angles, there is a backward return wave and associated birefringence. This phenomenon also distorts the image of real profiling objects on the profilogram and degrades the resolution in depth of scattering objects.

Задачей изобретения является увеличение разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении методом синтезирования апертуры с учетом преломления лучей на границе раздела вода - морское дно и увеличение разрешающей способности в вертикальном направлении методом компенсации эффекта двойного лучепреломления, который возникает всегда при углах падения, меньших критического.The objective of the invention is to increase the resolution of the method of profiling in the longitudinal direction by synthesizing the aperture taking into account the refraction of rays at the water-seabed interface and increasing the resolution in the vertical direction by compensating for the birefringence effect that always occurs at incidence angles less than critical.

Поставленная задача решается способом профилирования донных отложений, включающим установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемом носителе и его буксировку над дном, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. Для компенсации пространственных искажений, связанных со слабой направленностью антенны профилографа, а следовательно, для увеличения разрешающей способности в продольном направлении и по глубине залегания рассеивающих объектов, излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, причем в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна, а усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К - канальным приемным трактом. После усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К - элементной приемной антенны, для каждой посылки импульсного сигнала, излученного в момент времени tp=t0+pT, Т - период следования импульсов излучения профилографа, р=1, 2, 3…, из массива обработанных данных формируются Q значений комплексной, амплитуды принятого сигнала S q p ( к )

Figure 00000001
, соответствующих Q элементам пространственного разрешения в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала tq∈(t0, tMAX), q=1, 2, Q, где Q = ( t M A X t 0 ) Δ t
Figure 00000002
, t 0 = 2 h c 1
Figure 00000003
, t M A X = t 0 + 2 H c 2
Figure 00000004
(c1, c2 - предварительно определенные эффективная скорость звука в воде и в донных отложениях соответственно, h - высота антенны профилографа над дном, Δ t = 1 Δ f
Figure 00000005
, Δf - полоса частот акустического фазоманипулированного сигнала, Н - предполагаемая глубина профилирования морского дна). Из Q элементов - строк формируется матрица из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала S q p n ( к )
Figure 00000006
соответствующих Q элементам пространственного разрешения по временам прихода tq и временам излучения tpn=tp±nT q∈(1, Q); n∈(0, N). Для каждого момента времени излучения tpn и времени прихода tq вычисляются временные задержки The problem is solved by the method of profiling bottom sediments, including installing a receiving-emitting antenna of the profilograph on a towed carrier and towing it above the bottom, emitting a pulsed acoustic phase-shifted signal modulated by the M-sequence, receiving a reflected signal, its correlation processing with a copy of the emitted acoustic phase-shifted signal and subsequent graphical construction profile of bottom sediments by the delay time of the reflected signal. To compensate for the spatial distortions associated with the weak directivity of the profilograph antenna, and therefore, to increase the resolution in the longitudinal direction and in the depth of the scattering objects, the radiating and receiving antennas of the profilograph are mounted separately from each other on the carrier, and oriented along the longitudinal axis of the carrier K is the elementary receiving antenna, and the amplification and correlation processing of the received signals is produced by the K - channel at capacitive tract. After amplification and correlation processing of the signals received by each element of the K - element receiving antenna, for each transmission of the pulse signal emitted at time t p = t 0 + pT, T is the repetition rate of the profiler radiation pulses, p = 1, 2, 3 ... , from the processed data array, Q values of the complex amplitude of the received signal are formed S q p ( to )
Figure 00000001
corresponding to Q spatial resolution elements in the interval of arrival times of the reflected acoustic phase-manipulated signal t q ∈ (t 0 , t MAX ), q = 1, 2, Q, where Q = ( t M A X - t 0 ) Δ t
Figure 00000002
, t 0 = 2 h c one
Figure 00000003
, t M A X = t 0 + 2 H c 2
Figure 00000004
(c 1 , c 2 are the predefined effective speed of sound in water and in bottom sediments, respectively, h is the height of the profiler antenna above the bottom, Δ t = one Δ f
Figure 00000005
, Δf is the frequency band of the acoustic phase-manipulated signal, N is the estimated depth of the seabed profiling). From Q elements - rows, a matrix is formed from Q × (2N + 1) - values of the complex amplitude of the received signal S q p n ( to )
Figure 00000006
corresponding to Q spatial resolution elements with respect to arrival times t q and radiation times t pn = t p ± nT q∈ (1, Q); n∈ (0, N). For each moment of radiation time t pn and arrival time t q time delays are calculated

Δ t q n = Δ t q n ( 1 ) + Δ t q n ( 2 )

Figure 00000007
Δ t q n = Δ t q n ( one ) + Δ t q n ( 2 )
Figure 00000007

Δ t q n ( 1 ) = t 0 [ 1 cos θ 11 cos θ 11 + 1 cos θ 21 cos θ 21 t q t 0 t 0 ]

Figure 00000008
, Δ t q n ( one ) = t 0 [ one - cos θ eleven cos θ eleven + one - cos θ 21 cos θ 21 - t q - t 0 t 0 ]
Figure 00000008
,

t q = 2 h c 1 + 2 z q c 2

Figure 00000009
, t 0 = 2 h c 1
Figure 00000010
, cos θ 11 = 1 sin 2 θ 11
Figure 00000011
, cos θ 21 = 1 c 21 2 sin 2 θ 11
Figure 00000012
, t q = 2 h c one + 2 z q c 2
Figure 00000009
, t 0 = 2 h c one
Figure 00000010
, cos θ eleven = one - sin 2 θ eleven
Figure 00000011
, cos θ 21 = one - c 21 2 sin 2 θ eleven
Figure 00000012
,

sin θ 11 = χ 0 [ 1 z ¯ q ( 1 χ 0 2 ) 3 / 2 ( c 12 2 χ 0 2 ) ( c 12 2 χ 0 2 ) 3 / 2 + c 12 2 z ¯ q ( 1 χ 0 2 ) 3 / 2 ]

Figure 00000013
, χ 0 = r ¯ n 1 + r ¯ n 2
Figure 00000014
, r ¯ n = n U T c 1 t 0
Figure 00000015
, z ¯ q = c 21 t q t 0 t 0
Figure 00000016
sin θ eleven = χ 0 [ one - z ¯ q ( one - χ 0 2 ) 3 / 2 ( c 12 2 - χ 0 2 ) ( c 12 2 - χ 0 2 ) 3 / 2 + c 12 2 z ¯ q ( one - χ 0 2 ) 3 / 2 ]
Figure 00000013
, χ 0 = r ¯ n one + r ¯ n 2
Figure 00000014
, r ¯ n = n U T c one t 0
Figure 00000015
, z ¯ q = c 21 t q - t 0 t 0
Figure 00000016

Δ t q n ( 2 ) = t 0 [ cos θ 11 cos θ 12 cos θ 11 cos θ 12 + c 12 2 cos θ 21 cos θ 22 cos θ 11 cos θ 12 sin ( θ 12 θ 11 ) cos θ 11 cos 22 + cos θ 12 cos θ 21 ]

Figure 00000017
Δ t q n ( 2 ) = t 0 [ cos θ eleven - cos θ 12 cos θ eleven cos θ 12 + c 12 2 cos θ 21 - cos θ 22 cos θ eleven cos θ 12 sin ( θ 12 - θ eleven ) cos θ eleven cos 22 + cos θ 12 cos θ 21 ]
Figure 00000017

cos θ 22 = 1 c 21 2 sin 2 θ 12

Figure 00000018
; c 21 = c 2 c 1
Figure 00000019
, c 21 = c 1 c 2
Figure 00000020
, cos θ 22 = one - c 21 2 sin 2 θ 12
Figure 00000018
; c 21 = c 2 c one
Figure 00000019
, c 21 = c one c 2
Figure 00000020
,

sin θ 12 = [ 1 z ¯ q 2 c 12 f 1 ( c 12 , r ¯ n ) 1 + z ¯ q 2 f 2 ( c 12 , r ¯ n ) ] c 12 2 z ¯ q 2 1 z ¯ q 2

Figure 00000021
, sin θ 12 = [ one - z ¯ q 2 c 12 f one ( c 12 , r ¯ n ) one + z ¯ q 2 f 2 ( c 12 , r ¯ n ) ] c 12 2 - z ¯ q 2 one - z ¯ q 2
Figure 00000021
,

f 1 ( c 12 , r ¯ n ) = c 12 2 ( 1 c 12 2 ) 2 c 12 ( c 12 r ¯ n 1 c 12 2 ) ,

Figure 00000022
f one ( c 12 , r ¯ n ) = c 12 2 ( one - c 12 2 ) 2 c 12 ( c 12 - r ¯ n one - c 12 2 ) ,
Figure 00000022

f 2 ( c 12 , r ¯ n ) = f 1 ( c 12 , r ¯ n ) [ 3 7 c 12 2 2 c 12 ( 1 c 12 2 ) 2 1 c 12 2 + r ¯ n c 12 2 c 12 1 c 12 2 r ¯ n ( 1 c 12 2 ) ]

Figure 00000023
, f 2 ( c 12 , r ¯ n ) = f one ( c 12 , r ¯ n ) [ 3 - 7 c 12 2 2 c 12 ( one - c 12 2 ) - 2 one - c 12 2 + r ¯ n c 12 2 c 12 one - c 12 2 - r ¯ n ( one - c 12 2 ) ]
Figure 00000023
,

(U - предварительно определенная скорость носителя антенны профилографа, Zq - глубина отражающего слоя). Для каждого момента времени прихода принятых сигналов tq и времени излучения tpn синфазно суммируются 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину(U is the predefined velocity of the carrier of the antenna of the profilograph, Z q is the depth of the reflective layer). For each moment of time of arrival of the received signals t q and the radiation time t pn, 2N + 1 signals are shifted in phase, shifted along the time scale by

S q p ( k ) = 1 2 N + 1 n = 0 N S q p n ( k ) ( t p + Δ t q n ) ( 1 )

Figure 00000024
S q p ( k ) = one 2 N + one n = 0 N S q p n ( k ) ( t p + Δ t q n ) ( one )
Figure 00000024

повторяются операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных р>N+1, q≤Q для каждого элемента приемной антенны. Для каждого момента времени прихода принятых сигналов tq и времени излучения tp синфазно суммируются К сигналов, принятых К - элементной приемной антенной, сдвинутых по временной шкале на величину кТthe time shift and common-mode summing operations are repeated for the entire data array p> N + 1, q≤Q for each element of the receiving antenna. For each moment of arrival time of the received signals t q and the radiation time t p, the K signals received by the K - element receiving antenna are shifted in phase by the value of kT

S q p = 1 K k = 1 K S q p ( k ) ( t q p + k T ) ( 2 )

Figure 00000025
S q p = one K k = one K S q p ( k ) ( t q p + k T ) ( 2 )
Figure 00000025

причем период следования импульсов излучения Т, длина отдельного элемента К - элементной приемной антенны L и скорость носителя антенны профилографа U связаны соотношением L=TU.moreover, the repetition period of the radiation pulses T, the length of an individual element K - element receiving antenna L and the carrier speed of the profiler antenna U are related by the relation L = TU.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана лучевая трактовка двойного преломления лучей на границе раздела вода - морское дно z0=h, rn=nUT, на фиг.2 - схема формирования синтезированной апертуры.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a radiation treatment of double refraction of rays at the water-seabed interface z 0 = h, r n = nUT, Fig. 2 shows a diagram of the formation of a synthesized aperture.

В результате такой обработки всего массива данных пространственные искажения, связанные со слабой направленностью антенны профилографа, а также с двойным лучепреломлением, компенсируются, что равносильно увеличению направленности антенны профилографа в вертикальной плоскости и улучшению его разрешающей способности в продольном направлении и по глубине залегания рассеивающих объектов.As a result of such processing of the entire data array, spatial distortions associated with the weak directivity of the profilograph antenna, as well as with birefringence, are compensated, which is equivalent to an increase in the directivity of the profilograph antenna in the vertical plane and an improvement in its resolution in the longitudinal direction and in the depth of the scattering objects.

Способ профилирования донных отложений реализуется следующим образом.The method of profiling bottom sediments is implemented as follows.

При профилировании осадочного слоя морского дна предварительно измеряются или вычисляются эффективные значения скорости звука в воде и осадочном слое морского дна, которые входят в качестве параметров в алгоритмы обработки сигналов. Излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга. В качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна. Процесс профилирования включает в себя установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель, движение носителя антенны профилографа над дном со скоростью U, которая находится в определенном соотношении с длиной отдельного элемента антенны L и периодом следования импульсов излучения Т, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала К - элементной приемной антенной, ориентированной вдоль носителя антенны профилографа, усиление и корреляционную обработку принятых сигналов К - канальным приемным трактом.When profiling the sedimentary layer of the seabed, the effective values of the speed of sound in water and the sedimentary layer of the seabed are preliminarily measured or calculated, which are included as parameters in the signal processing algorithms. The radiating and receiving antennas of the profilograph are mounted on the carrier separately from each other. As a receiving antenna, a K-element receiving antenna oriented along the longitudinal axis of the carrier is used. The profiling process includes installing the receiving-emitting antenna of the profilograph on a towed carrier, the movement of the carrier of the antenna of the profilograph above the bottom with a speed U, which is in a certain ratio with the length of an individual element of the antenna L and the repetition period of the radiation pulses T, the radiation of a pulsed acoustic phase-shifted signal modulated by M- sequence, receiving the reflected signal K - element receiving antenna, oriented along the profiler antenna carrier, gain and co relational processing received signals K - channel reception path.

Для увеличения разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении производят обработку всего массива данных, полученных на выходе К - канального приемного тракта, методом синтезирования апертуры с учетом преломления лучей на границе раздела вода - морское дно и эффектов двойного лучепреломления по формуле (1) для каждого элемента К - элементной приемной антенны и синфазное сложение сигналов, принятых отдельными элементами К - элементной приемной антенны, по формуле (2) с последующим графическим построением профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала.To increase the resolution of the method of profiling in the longitudinal direction, the entire array of data obtained at the output of the K-channel receiving path is processed by synthesizing the aperture taking into account the refraction of rays at the water-seabed interface and the effects of birefringence according to formula (1) for each element K - element receiving antenna and common-mode addition of signals received by individual elements of the K - element receiving antenna, according to formula (2), followed by graphical construction of the d Fat nnyh the time delay of the reflected signal.

При такой структуре приемной антенны профилографа, приемного тракта профилографа и предложенных алгоритмах обработки сигналов разрешающая способность профилографа в продольном направлении будет равна длине одного элемента антенны L, а эффективная синтезированная апертура равна (2N+1)KL.With such a structure of the receiving antenna of the profilograph, the receiving path of the profilograph and the proposed signal processing algorithms, the resolving power of the profilograph in the longitudinal direction will be equal to the length of one antenna element L, and the effective synthesized aperture is (2N + 1) KL.

Таким образом, предложенный способ отличается от известных новизной решения поставленной задачи и позволяет существенно увеличить разрешающую способность метода профилирования как в продольном направлении, так и в вертикальном направлении.Thus, the proposed method differs from the known novelty of the solution of the problem and allows you to significantly increase the resolution of the profiling method both in the longitudinal direction and in the vertical direction.

Claims (1)

Способ профилирования донных отложений, включающий установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель и его буксировку над дном, излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого М-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала и последующее графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала, отличающийся тем, что излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, причем в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя К - элементная приемная антенна, а усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К - канальным приемным трактом; после усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К - элементной приемной антенны, для каждой посылки импульсного сигнала, излученного в момент времени t0=t0+pT, Т - период следования импульсов излучения профилографа, р=1, 2, 3…, из массива обработанных данных формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала S q p ( к )
Figure 00000001
, в интервале времен прихода отраженного акустического фазоманипулированного сигнала tq∈(t0, tMAX), q=1, 2, Q, где Q = ( t M A X t 0 ) Δ t
Figure 00000002
, t 0 = 2 h c 1
Figure 00000003
, t M A X = t 0 + 2 H c 2
Figure 00000004
, (c1, c2 - предварительно определенные эффективная скорость звука в воде и в донных отложениях соответственно, h - высота антенны профилографа над дном, Δ t = 1 Δ f
Figure 00000005
, Δf - полоса частот акустического фазоманипулированного сигнала, Н - предполагаемая глубина профилирования морского дна), из Q элементов - строк формируют матрицу из Q×(2N+1) - значений комплексной амплитуды принятого сигнала S q p n ( к )
Figure 00000006
, соответствующих временам прихода tq и временам излучения tpn=tp±nT q∈(1, Q); n∈(0, N), для каждого момента времени излучения tpn и времени прихода tq вычисляют временные задержки
Δ t q n = Δ t q n ( 1 ) + Δ t q n ( 2 )
Figure 00000007

Δ t q n ( 1 ) = t 0 [ 1 cos θ 11 cos θ 11 + 1 cos θ 21 cos θ 21 t q t 0 t 0 ]
Figure 00000026
,
t q = 2 h c 1 + 2 z q c 2
Figure 00000027
, t 0 = 2 h c 1
Figure 00000028
, cos θ 11 = 1 sin 2 θ 11
Figure 00000029
, cos θ 21 = 1 c 21 2 sin 2 θ 11
Figure 00000030
,
sin θ 11 = χ 0 [ 1 z ¯ q ( 1 χ 0 2 ) 3 / 2 ( c 12 2 χ 0 2 ) ( c 12 2 χ 0 2 ) 3 / 2 + c 12 2 z ¯ q ( 1 χ 0 2 ) 3 / 2 ]
Figure 00000031
, χ 0 = r ¯ n 1 + r ¯ n 2
Figure 00000032
, r ¯ n = n U T c 1 t 0
Figure 00000033
, z ¯ q = c 21 t q t 0 t 0
Figure 00000034

Δ t q n ( 2 ) = t 0 [ cos θ 11 cos θ 12 cos θ 11 cos θ 12 + c 12 2 cos θ 21 cos θ 22 cos θ 11 cos θ 12 sin ( θ 12 θ 11 ) cos θ 11 cos 22 + cos θ 12 cos θ 21 ]
Figure 00000035
,
cos θ 22 = 1 c 21 2 sin 2 θ 12
Figure 00000018
; c 21 = c 2 c 1
Figure 00000036
, c 21 = c 1 c 2
Figure 00000020
,
sin θ 12 = [ 1 z ¯ q 2 c 12 f 1 ( c 12 , r ¯ n ) 1 + z ¯ q 2 f 2 ( c 12 , r ¯ n ) ] c 12 2 z ¯ q 2 1 z ¯ q 2
Figure 00000037
,
f 1 ( c 12 , r ¯ n ) = c 12 2 ( 1 c 12 2 ) 2 c 12 ( c 12 r ¯ n 1 c 12 2 ) 2 ,
Figure 00000038

f 2 ( c 12 , r ¯ n ) = f 1 ( c 12 , r ¯ n ) [ 3 7 c 12 2 2 c 12 ( 1 c 12 2 ) 2 1 c 12 2 + r ¯ n c 12 c 12 1 c 12 2 r ¯ n ( 1 c 12 2 ) ]
Figure 00000039
,
(U - предварительно определенная скорость носителя антенны профилографа, zq - глубина отражающего слоя), синфазно суммируют 2N+1 сигналов, сдвинутых по временной шкале на величину Δtqn по формуле
S q p ( k ) = 1 2 N + 1 n = 0 N S q p n ( k ) ( t p + Δ t q n )
Figure 00000040

повторяют операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных р>N+1, q≤Q для каждого элемента приемной антенны, для каждого момента времени прихода принятых сигналов tq и времени излучения tp синфазно суммируют К сигналов, принятых К - элементной приемной антенной, сдвинутых по временной шкале на величину кТ, по формуле
S q p = 1 K k = 1 K S q p ( k ) ( t q p + k T )
Figure 00000041

причем период следования импульсов излучения Т, длина отдельного элемента К - элементной приемной антенны L и скорость носителя антенны профилографа U связаны соотношением L=TU.
A method for profiling bottom sediments, including installing a receiving-emitting antenna of a profilograph on a towed carrier and towing it above the bottom, emitting a pulsed acoustic phase-shifted signal modulated by the M-sequence, receiving a reflected signal, correlating it with a copy of the emitted acoustic phase-shifted signal and subsequent graphical construction of the profile of bottom sediments the delay time of the reflected signal, characterized in that the emitting and receiving antennas ofilografa mounted on the carrier separately from each other, and as a receiving antenna is used oriented along the longitudinal axis of the carrier K - element receiving antenna, and the gain and correlation processing of received signals produce K - channel reception path; after amplification and correlation processing of the signals received by each element of the K - element receiving antenna, for each transmission of the pulse signal emitted at time t 0 = t 0 + pT, T is the repetition rate of the profiler radiation pulses, p = 1, 2, 3 ... , from the array of processed data form Q values of the complex amplitude of the received signal S q p ( to )
Figure 00000001
, in the interval of arrival times of the reflected acoustic phase-manipulated signal t q ∈ (t 0 , t MAX ), q = 1, 2, Q, where Q = ( t M A X - t 0 ) Δ t
Figure 00000002
, t 0 = 2 h c one
Figure 00000003
, t M A X = t 0 + 2 H c 2
Figure 00000004
, (c 1 , c 2 - predefined effective speed of sound in water and in bottom sediments, respectively, h is the height of the profiler antenna above the bottom, Δ t = one Δ f
Figure 00000005
, Δf is the frequency band of the acoustic phase-manipulated signal, N is the estimated depth of the seabed profiling), from Q elements - rows form a matrix of Q × (2N + 1) - values of the complex amplitude of the received signal S q p n ( to )
Figure 00000006
corresponding to arrival times t q and emission times t pn = t p ± nT q∈ (1, Q); n∈ (0, N), for each moment of radiation time t pn and arrival time t q time delays are calculated
Δ t q n = Δ t q n ( one ) + Δ t q n ( 2 )
Figure 00000007

Δ t q n ( one ) = t 0 [ one - cos θ eleven cos θ eleven + one - cos θ 21 cos θ 21 t q - t 0 t 0 ]
Figure 00000026
,
t q = 2 h c one + 2 z q c 2
Figure 00000027
, t 0 = 2 h c one
Figure 00000028
, cos θ eleven = one - sin 2 θ eleven
Figure 00000029
, cos θ 21 = one - c 21 2 sin 2 θ eleven
Figure 00000030
,
sin θ eleven = χ 0 [ one - z ¯ q ( one - χ 0 2 ) 3 / 2 ( c 12 2 - χ 0 2 ) ( c 12 2 - χ 0 2 ) 3 / 2 + c 12 2 z ¯ q ( one - χ 0 2 ) 3 / 2 ]
Figure 00000031
, χ 0 = r ¯ n one + r ¯ n 2
Figure 00000032
, r ¯ n = n U T c one t 0
Figure 00000033
, z ¯ q = c 21 t q - t 0 t 0
Figure 00000034

Δ t q n ( 2 ) = t 0 [ cos θ eleven - cos θ 12 cos θ eleven cos θ 12 + c 12 2 cos θ 21 - cos θ 22 cos θ eleven cos θ 12 sin ( θ 12 - θ eleven ) cos θ eleven cos 22 + cos θ 12 cos θ 21 ]
Figure 00000035
,
cos θ 22 = one - c 21 2 sin 2 θ 12
Figure 00000018
; c 21 = c 2 c one
Figure 00000036
, c 21 = c one c 2
Figure 00000020
,
sin θ 12 = [ one - z ¯ q 2 c 12 f one ( c 12 , r ¯ n ) one + z ¯ q 2 f 2 ( c 12 , r ¯ n ) ] c 12 2 - z ¯ q 2 one - z ¯ q 2
Figure 00000037
,
f one ( c 12 , r ¯ n ) = c 12 2 ( one - c 12 2 ) 2 c 12 ( c 12 - r ¯ n one - c 12 2 ) 2 ,
Figure 00000038

f 2 ( c 12 , r ¯ n ) = f one ( c 12 , r ¯ n ) [ 3 - 7 c 12 2 2 c 12 ( one - c 12 2 ) - 2 one - c 12 2 + r ¯ n c 12 c 12 one - c 12 2 - r ¯ n ( one - c 12 2 ) ]
Figure 00000039
,
(U is the predefined speed of the carrier of the profilograph antenna, z q is the depth of the reflecting layer), 2N + 1 signals shifted in time scale by Δt qn by the formula
S q p ( k ) = one 2 N + one n = 0 N S q p n ( k ) ( t p + Δ t q n )
Figure 00000040

repeat the time-shift and common-mode summing operations for the entire data array p> N + 1, q≤Q for each element of the receiving antenna, for each moment of arrival time of the received signals t q and radiation time t p in-phase sum K signals received by the K - element receiving antenna, shifted in timeline by the value of kT, according to the formula
S q p = one K k = one K S q p ( k ) ( t q p + k T )
Figure 00000041

moreover, the repetition period of the radiation pulses T, the length of an individual element K - element receiving antenna L and the carrier speed of the profiler antenna U are related by the relation L = TU.
RU2012154146/28A 2012-12-13 2012-12-13 Method of profiling bottom deposits RU2517983C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154146/28A RU2517983C1 (en) 2012-12-13 2012-12-13 Method of profiling bottom deposits

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154146/28A RU2517983C1 (en) 2012-12-13 2012-12-13 Method of profiling bottom deposits

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2517983C1 true RU2517983C1 (en) 2014-06-10

Family

ID=51216252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012154146/28A RU2517983C1 (en) 2012-12-13 2012-12-13 Method of profiling bottom deposits

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2517983C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU187455U1 (en) * 2018-12-27 2019-03-06 Общество с ограниченной ответственностью "Маринн 3Д" Multi-frequency echo sounder profilograph
RU2725106C1 (en) * 2019-06-17 2020-06-29 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of capturing a shelf surface of a water area bottom
RU2835813C1 (en) * 2023-12-28 2025-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" Method for profiling bottom sediments structure

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2326408C1 (en) * 2006-10-02 2008-06-10 Виктор Алексеевич Авдонюшкин Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation
RU75238U1 (en) * 2008-03-07 2008-07-27 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) DEVICE FOR PROFILING BOTTOM SEDIMENTS
RU2356069C2 (en) * 2007-06-25 2009-05-20 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Method of profiling bed loads
RU2400778C1 (en) * 2009-09-14 2010-09-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) Method for profiling of bottom deposits
RU2439614C2 (en) * 2009-03-24 2012-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт Министерства обороны Российской Федерации" (ФГУП "ГНИНГИ Минобороны России") Method of surveying bottom topography of water body and apparatus for realising said method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2326408C1 (en) * 2006-10-02 2008-06-10 Виктор Алексеевич Авдонюшкин Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation
RU2356069C2 (en) * 2007-06-25 2009-05-20 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Method of profiling bed loads
RU75238U1 (en) * 2008-03-07 2008-07-27 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) DEVICE FOR PROFILING BOTTOM SEDIMENTS
RU2439614C2 (en) * 2009-03-24 2012-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт Министерства обороны Российской Федерации" (ФГУП "ГНИНГИ Минобороны России") Method of surveying bottom topography of water body and apparatus for realising said method
RU2400778C1 (en) * 2009-09-14 2010-09-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) Method for profiling of bottom deposits

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU187455U1 (en) * 2018-12-27 2019-03-06 Общество с ограниченной ответственностью "Маринн 3Д" Multi-frequency echo sounder profilograph
RU2725106C1 (en) * 2019-06-17 2020-06-29 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of capturing a shelf surface of a water area bottom
RU2835813C1 (en) * 2023-12-28 2025-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" Method for profiling bottom sediments structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8793079B2 (en) Method for imaging of nonlinear interaction scattering
Sabra et al. Experimental demonstration of iterative time-reversed reverberation focusing in a rough waveguide. Application to target detection
CN113552069B (en) Laser ultrasonic underwater target detection method and system based on interference synthetic aperture
Duda et al. Horizontal coherence of low-frequency fixed-path sound in a continental shelf region with internal-wave activity
Nomura et al. Feasibility of low-frequency ultrasound imaging using pulse compressed parametric ultrasound
RU75060U1 (en) ACOUSTIC LOCATION SYSTEM OF NEAR ACTION
Rajapan et al. Importance of underwater acoustic imaging technologies for oceanographic applications–a brief review
Zhu et al. High-resolution sub-bottom profiling technology using parametric array and vector hydrophone
Andrews et al. Empirical dependence of acoustic transmission scintillation statistics on bandwidth, frequency, and range in New Jersey continental shelf
RU2517983C1 (en) Method of profiling bottom deposits
RU2356069C2 (en) Method of profiling bed loads
Aubry et al. Coherent backscattering and far-field beamforming in acoustics
RU2518023C1 (en) Method of profiling bottom deposits
Lei A time-domain beamformer for UWB through-wall imaging
CN113253284A (en) Active sonar interference fringe generation method based on target scattering characteristics
RU2280266C2 (en) Method of detection of objects lying in thickness of bottom ground
Sabra et al. Through-the-sensor sub-bottom imaging using the self-noise of an autonomous underwater vehicle
RU2410721C1 (en) Method of detecting objects inside mud line
Carrer et al. Noise Character Constraints on Passive Radio Sounding of Jupiter's Icy Moons Using Jovian Decametric Radiation
RU2400778C1 (en) Method for profiling of bottom deposits
RU2721307C1 (en) Acoustic method and apparatus for measuring sea-wave parameters
Lazarev et al. Coherent seismic sea-bottom profiling based on broadband signals
Yue et al. High-resolution detection of buried cylindrical targets using spatiotemporal MIMO sonar
WO2010053136A1 (en) Object probing device, object probing program, and object probing method
Grinyuk et al. Experimental study of mode selection in shallow-water sea

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171214