Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ акустических методов и систем вертикального зондирования морских осадков 10
1.1. Сравнительный анализ характеристик существующих методов и систем исследования морских осадков 10
1.2. Анализ характеристик систем вертикального зондирования 17
1.3. Выводы 32
2. Исследование влияния поглощения звука в морских осадках на характеристики импульсных акустических сигналов 34
2.1. Постановка задачи 34
2.2. Исследование распространения узкополосных сигналов 48
2.3. Исследование распространения широкополосных сигналов 58
2.4. Выводы 61
3. Исследование разрешающей способности и точности метода вертикального акустического профилирования морских осадков 63
3.1. Анализ разрешающей способности при детерминистском подходе (большом отношении сигнал/помеха) 63
3.2. Исследование погрешности измерения времени запаздывания эхосигналов при профилировании морских осадков 69
3.3. Исследование разрешающей способности при профилировании морских грунтов различными типами сигналов 94
3.4. Разработка элементов алгоритма повышения разрешающей способности при технической реализации метода вертикального профилирования 121
3.5. Выводы 125
4. Экспериментальные исследования искажений акустических импульсов в илистом песке 128
4.1. Постановка задач исследований 128
4.2. Экспериментальные исследования искажений акустических импульсов в слоях илистого песка 129
4.3. Выводы 134
Заключение 135
Список использованных источников 139
Приложения 153
- Анализ характеристик систем вертикального зондирования
- Исследование распространения узкополосных сигналов
- Исследование погрешности измерения времени запаздывания эхосигналов при профилировании морских осадков
- Экспериментальные исследования искажений акустических импульсов в слоях илистого песка
Введение к работе
Актуальность темы. Освоение океана, внутренних акваторий и особенно шельфовых зон с целью поиска, разведки и добычи нефти и газа, рудных и строительных материалов, конкреций и других полезных ископаемых; обеспечение безопасности судоходства; прокладка и эксплуатация коммуникаций; установка буровых и других гидротехнических сооружений; проведение аварийно-спасательных работ, создание подводных навигационных карт; обнаружение заиленных объектов - вот далеко не полный перечень задач, решение которых требует средств оперативного получения информации о геологическом строении и свойствах морского дна. Областью пересечения интересов при решении данных задач является информация о стратификации и физических свойствах верхнего (до первых сотен метров) слоя морского грунта, получение которой требует применения систем прецизионного профилирования [4, 8, 24, 26, 35, 36, 38, 69, 94, 96].
Одним из наиболее перспективных направлений в решении задач прецизионного зондирования морского грунта является развитие гидроакустических методов вертикального профилирования [8, 35, 51, 86, 101]. Это объясняется тем, что в гидроакустических методах используется более высокочастотный диапазон, который до недавнего времени не использовался в практике исследований морского грунта, а, следовательно, разрешающая способность этих методов является потенциально более высокой, чем низкочастотных сейсмоакустических методов. Для решения проблем классификации грунтов, поиска твердых полезных ископаемых, обнаружения заиленных малоразмерных объектов, трубопроводов, кабелей и т.д. усовершенствование и развитие акустических профилографов вертикального зондирования является актуальной задачей.
Известные акустические системы вертикального профилирования морского грунта используют в качестве зондирующих систем как простые
видеоимпульсные сигналы или радиоимпульсы, так и сложные сигналы, обычно - ЛЧМ импульсы. Выбор типа зондирующих сигналов в системах профилирования морского грунта влияет как на разрешающую способность профилографов, так и на их стоимость. Применение сложных сигналов существенно усложняет конструкцию трактов излучения и, особенно, приема, а также требует увеличения мощности систем зондирования.
До настоящего времени приемные тракты профилографов строились, исходя из согласования их характеристик с зондирующими сигналами, то есть без учета частотных искажений эхосигналов, вызванных затуханием звука. В тоже время известно, что поглощение акустических волн в морских осадках резко возрастает с частотой, следовательно, эхосигналы, приходящие с различных глубин, будут иметь различный спектральный состав. Поэтому применение оптимальных или квазиоптимальных фильтров с фиксированными параметрами не будет давать максимально возможное отношение сигнал/шум при приеме сигналов с различных глубин. То есть, в современных профилографах вертикального зондирования наблюдаются потери в отношении сигнал/шум, а, следовательно, и в разрешающей способности и точности определения границ слоев грунта или координат малоразмерных объектов. Для устранения этих потерь необходимо применение динамических систем фильтрации эхосигналов, приходящих с различных глубин профилирования, учитывающих текущие частотные искажения акустических волн.
Цель диссертационной работы. Таким образом, учитывая актуальность создания прецизионных систем профилирования морских грунтов и перспективность применения динамических систем фильтрации эхосигналов, была поставлена цель диссертационной работы: исследовать влияние поглощения акустических волн в морских осадках на разрешающую способность профилографов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать методику оценки линейных искажений акустических сигналов, распространяющихся в морских грунтах.
Теоретически и экспериментально исследовать влияние поглощения акустических волн в морских осадках на искажения формы простых и сложных эхосигналов.
Исследовать влияние поглощения звука на разрешающую способность и точность профилографов с различными типами зондирующих сигналов.
Исследовать помехоустойчивость согласованной фильтрации при зондировании донных осадков.
Разработать рекомендации по повышению разрешающей способности профилографов.
Результаты, выносимые на защиту:
Методика расчета и результаты исследований искажений формы простых и сложных сигналов, распространяющихся в морских осадках.
Методики расчета разрешающей способности и точности акустических профилографов морских осадков.
Результаты исследований по оптимизации характеристик простых зондирующих сигналов с целью получения максимально возможной разрешающей способности на заданной глубине зондирования.
Результаты экспериментальных исследований влияния поглощения звука в илистом песке на искажение формы акустических импульсов.
Принципы повышения помехоустойчивости приемных трактов акустических профилографов.
Научная новизна результатов, полученных в работе, заключается в следующем:
проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния поглощения звука на искажения спектров сигналов на различных глубинах зондирования;
сформулирована и решена задача оценки разрешающей способности акустических профилографов с учетом частотно-зависимого поглощения акустических волн;
получены аналитические выражения, позволяющие анализировать разрешающую способность профилографов при различных глубинах зондирования простыми и сложными сигналами;
показана возможность оптимизации длительности и частоты заполнения видеоимпульсных и радиоимпульсных сигналов по критерию достижения максимального разрешения.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:
получении новых знаний в области влияния поглощения акустических волн на разрешающую способность акустических профилографов морских осадков;
разработке алгоритмов расчета разрешающей способности гидроакустических систем профилирования;
возможности повышения разрешающей способности профилографов путем выбора оптимальных характеристик зондирующих сигналов по изложенным в диссертации методикам;
рекомендациях по принципам построения структуры приемных трактов профилографов.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, показаны научная новизна и практическая значимость рабо-
ты, перечислены основные результаты, полученные автором в диссертации и выносимые на защиту.
В первой главе проводится анализ акустических систем и сигналов, использующихся в современных методах вертикального зондирования морских осадков. Рассмотрены существующие методы повышения разрешающей способности систем.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию искажений сигналов, распространяющихся в слоях морских осадков. Представлена разработка модели распространения акустических сигналов в морских осадках, характеризующихся видом частотной зависимости поглощения. Приведены качественные и количественные оценки искажений различных сигналов при зондировании различных типов осадков.
В третьей главе разработаны и рассмотрены расчетные модели по оценке разрешающей способности и точности гидроакустических профи-лографов морских осадков, учитывающие частотную зависимость затухания акустических волн в осадках и уровни сигналов и шумов. Получены аналитические выражения для расчета разрешающей способности профи-лографов при использовании простых и сложных сигналов. Проведен сравнительный анализ зависимости разрешающей способности различных типов сигналов от глубины зондирования морских осадков.
Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований искажений акустических импульсов в илистом песке, подтверждающие полученные теоретические результаты.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.
Приложение содержит акты внедрения результатов работы и графический материал, полученный в процессе анализа влияния поглощения звука на разрешающую способность и точность гидроакустических систем зондирования неоднородностей морских осадков.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации модели, методы, алгоритмы и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в научно-исследовательских работах "Полоса", "Цинк". Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях и в организациях: "Научно-исследовательский центр радиоэлектронного вооружения" (НИЦ РЭВ, в/ч 30895), НИПИ "Океангеофизика"; используются в учебном процессе подготовки студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете.
Апробация. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на
Всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов "КРЭС" (Таганрог, 1999, 2000гг.);
научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Таганрогского государственного радиотехнического университета (Таганрог, 2000 г.);
6-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2001г.);
Всероссийской научно-технической конференции "Излучение и рассеяние ЭМВ" (Таганрог, 2001 г.);
XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001 г.);
VIII и IX школах-семинарах акад. Л.М. Бреховских "Акустика океана" (Москва, 2001,2002 гг.).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 180 страницах и включает 88 рисунков и 120 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Анализ характеристик систем вертикального зондирования
Разработкой и использованием геоакустических средств вертикального зондирования в России занимаются специалисты НИПИ «Океангео-физика», Таганрогского государственного радиотехнического университета, института океанологии им. П.П. Ширшова РАН и других научно-исследовательских организаций [6, 12, 24, 43, 53, 56, 60, 70, 86, 89]. Технические характеристики и современное состояние развития известных зарубежных разработок рассмотрены, например, в работах [12, 51, 86, 119]. Решение задач, связанных с изучением тонкой слоистой структуры морских осадков, требует от систем разрешения по дальности в десятки и единицы сантиметров, при этом основной интерес представляет изучение толщи грунта мощностью до ста метров. Актуальной в настоящее время становится и задача исследования толщи отложений в несколько сотен метров при таком же разрешении профилографов [11, 34].
Применение сейсмоакустических систем на основе электроискровых, пневмогидравлических и других излучателей, характеризующихся высокой энергией (например, в случае применения групповых пневматических источников, давление в излучаемой акустической волне может достигать нескольких миллионов Паскалей) и низкочастотным диапазоном (до 200 Гц) излучаемых сигналов, позволяет получать разрез толщи осадков мощностью порядка одного километра. Однако, как отмечалось ранее, такие системы обладают низкой разрешающей способностью, а также не позволяют изменять параметры зондирующего сигнала, что делает их не пригодными для решения задач прецизионного профилирования [27, 35, 58,94]. Удовлетворительное разрешение слоев на профиле могут обеспечить бумеры, чирп-сонары и акустические профилографы. Данные системы используют более высокочастотный диапазон (от нескольких сотен герц до нескольких десятков килогерц), характеризуются существенно меньшей энергией излучаемых сигналов (развиваемое такими системами акустическое давление в излучении составляет тысячи - десятки тысяч Паскалей [51, 86]) и, как указывалось выше, меньшей глубиной проникновения акустических волн в морской грунт. Основным фактором, ограничивающим достижение в данных системах необходимой глубины проникновения при высокой разрешающей способности, является поглощение акустической энергии в морских осадках, которое зависит от частоты зондирующих сигналов. Увеличение глубины зондирования (дальности обнаружения) требует понижения частоты и увеличения энергии излучаемых сигналов.
С другой стороны, требования высокого разрешения по пространству приводят к необходимости уменьшения длительности зондирующих импульсов. В связи с этим в настоящее время наблюдаются следующие тенденции в разработках гидроакустических средств. Во-первых, - использование нескольких рабочих частот, что, однако, не решает задачи высокого разрешения при достаточной глубине проникновения, но позволяет делать выбор между этими характеристиками. Во-вторых, - применение сложных сигналов, с последующим сжатием эхосигналов посредством согласованного фильтра для максимизации отношения сигнал/шум и разрешающей способности [12, 8, 34]. При этом значительную роль при разработке профилирующих систем играет выбор класса и параметров сигналов, которые определяют как тактико-технические характеристики систем (глубина зондирования, разрешающая способность, точность, помехоустойчивость и т.д.) так и стоимость, надежность, весогабаритные характеристики, а, следовательно, возможность применения в тех или иных сейсмо- и гидрологических условиях. Технические характеристики бумеров и результаты исследований, полученные на основе их применения, рассмотрены в работах [35, 55, 56, 94]. Энергия электродинамических излучателей составляет от 100... .. .200 Дж до 1.. .2 кДж. Бумеры излучают сигналы ударного типа - акустические видеоимпульсы длительностью порядка ста микросекунд. Подходящей аппроксимирующей функцией для представления такого импульса может служить функция вида [48]: график которой изображен на рис.1. 4. Бумеры позволяют исследовать слои морского грунта, с общей мощностью до 100...200 м, в зависимости от типа грунта. Разрешающая способность составляет несколько десятков сантиметров. Например, в работе [55] применение бумера позволило получить разрешение слоев толщиной в 30 см. К недостаткам таких систем можно отнести следующие: используется только один тип сигнала, при этом возможности регулирования их длительности весьма ограничены; малая направленность излучателей, что является существенным недостатком, так как бумеры имеют достаточно широкий диапазон рабочих частот - от 100.. .200 Гц до нескольких килогерц. В той или иной степени этих недостатков лишены гидроакустические системы. Применяемые чирп-сонары используют в качестве зондирующих сигналов линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) импульсы. Как правило, используются два - три диапазона частот излучения, (например: 200.. .2000 Гц, 1... 10 кГц и 8.. .23 кГц), каждый из которых характеризуется своими глубиной прозвучиваемого грунта и разрешающей способностью. Например, фирмой Datasonics для профилографа Chirp-2 заявлены следующие характеристики: для диапазона 1... 10 кГц - глубина проникновения до 100 м при разрешающей способности 10...20 см, для диапазона 8...23 кГц - 30...40 м и 5 см, соответственно [12].
Диапазон от сотен герц используется обычно в разработках, предназначенных для исследований в глубоководных районах. Для изучения осадочных бассейнов мелководья применяются системы с более высокочастотным излучением, что позволя ет уменьшить размеры излучающих антенн. Длительность импульсов, излучаемых чирп-сонарами, составляет десятки - сотни миллисекунд и, так же как и диапазон частот, может выбираться оператором [12]. Перспективным и широко применяемым инструментом геофизических исследований являются акустические профилографы на основе параметрического излучения. Параметрические системы обладают такими важными качествами, как возможность создания узкой частотно-независимой диаграммы направленности при малых апертурах, отсутствие или низкий уровень боковых лепестков в диаграмме направленности, широкий диапазон излучаемых частот, а также возможность оперативной перестройки параметров зондирующих сигналов в достаточно широких пределах, что позволяет адаптировать сигнал к конкретной геоакустической ситуации [73, 85, 86, 90]. Большой вклад разработку теории и принципов построения параметрических геолокаторов различного назначения внесли исследования, выполненные на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Таганрогского государственного радиотехнического университета. Технические характеристики созданных систем и опыт их применения отражены, например, в работах [24, 25, 43, 86, 90, 101]. Существующие разработки систем вертикальной локации на основе параметрического излучения других отечественных организаций и результаты, полученные на основе их использования описаны в работах [6, 51, 53, 60, 70, 89, 112]. Характеристики некоторых зарубежных разработок рассмотрены в работах [51, 53]. Параметрические акустические профилографы предусматривают возможность использования как простых, так и сложных сигналов в широком диапазоне рабочих частот, как правило, примерно от 1 до 20...30 кГц. Преимущественно используются импульсы длительностью от единиц до нескольких десятков миллисекунд. Глубина зондируемого грунта для та
Исследование распространения узкополосных сигналов
В качестве исследуемых частотных зависимостей поглощения возьмем следующие: /? = 0,1/ , /9 = 0,1/ и /? = 0,1/2, характерные, например, для песка илистого, ила и глины, соответственно [8]. Значение к при этом можно выбрать одинаковым для всех видов зависимостей, так как изменение величины удельного коэффициента поглощения одинаково изменяет амплитуды соответствующих спектральных составляющих зондирующего сигнала и не влияет на качественную оценку частотных искажений. Итак, примем А: = 0,1 (что удовлетворяет интервалу изменения значения к для реальных осадков). Максимальную толщину исследуемого слоя / будем выбирать, исходя из условия затухания начальной центральной частоты f0 в спектре (несущей) сигналов на 80 дБ. Это условие является оправданным и часто принимается в гидроакустических расчетах [57]. Сравнение различных типов сигналов производилось, исходя из условия равенства начальной эффективной ширины спектра А/эф сигналов и соблюдения при этом условия f узкополосности: —— 10 [98]. где со0 - центральная частота в спектре сигнала (несущая), ти - длительность импульса. Импульсы, близкие к прямоугольным, позволяют излучать параметрические профилографы, благодаря широкополосности параметрической антенны.
Причем, для широкого диапазона частот геометрическое расхождение фронта волны будет одинаковым. Поэтому, искажением сигнала за счет геометрического расхождения можно пренебречь [90]. Выражение для определения спектральной плотности сигнала (15) можно записать в виде [49] Подставляя выражение для спектральной плотности (16) в (13), получим выражение для определения спектральной плотности сигнала (15), прошедшего через слой грунта толщиной / и обратно: Результаты численного анализа выражения (17) показали, что при распространении радиоимпульса с прямоугольной огибающей в слоях морского грунта происходит изменение формы огибающей его спектра: максимум в спектральной плотности сигнала /тах смещается в область более низких частот, эффективная ширина спектра Д/э. уменьшается. При этом наибольшие искажения сигнал претерпевает в слое с квадратичной зависимостью поглощения. Причем, чем больше начальная относительная ширина спектра сигнала А/эф /f0, тем на большие величины происходит изменение. Так, на рис 2.4 представлено изменение формы спектральной плотности в основном лепестке радиоимпульса, с начальными параметрами А/Эф = 600 Гц /у - 5 кГц, распространяющегося в слое с поглощени ем вида Р = 0,1 / . При толщине слоя / = 8 м максимум в спектральной плотности сигнала сместился примерно на ПО Гц, при этом эффективная ширина энергетического спектра сигнала уменьшилась на 32 Гц. С увеличением толщины слоя до 16 м (при этом затухание амплитуды несущей частоты сигнала составит 80 дБ), величина смещения частоты fmax составит 220 Гц и /тах будет равно 4,78 кГц, а значение А/эф уменьшится на 90 Гц и составит 510 Гц. При уменьшении начальной эффективной ширины спектра (увеличении длительности импульса), а также с повышением частоты заполнения сигнала уровни искажений уменьшаются. 2.2.3. Рассмотрим радиоимпульс с гауссовой огибающей. Гауссов-ский радиоимпульс является идеализированной моделью сигнала.
Однако он часто используется при анализе акустических свойств твердых тел, так как при этом: во-первых, значительно упрощаются математические выкладки, во-вторых, появляется возможность сравнивать различные модели сигналов между собой, используя его как эталонный, и в третьих, к гаус-совскому радиоимпульсу близок часто используемый на практике сигнал с колоколообразной огибающей, т.е. гауссовский и ограниченный во времени. Пусть излучаемый (исходный) сигнал имеет вид: где а)0 - несущая частота, у - параметр, определяющий форму огибающей, и связанный с длительностью импульса, взятой, например, на уровне о , In ОД 3,035 ТС „ 0,1, соотношением: ти-2 \ =—— [57J. Спектральная плотность Г сигнала может быть найдена с помощью прямого преобразования Фурье [49] Выражение для определения спектра сигнала после его распространения в слое, с учетом (13), запишется: Численный анализ выражения (20) при различных исходных параметрах сигнала показал, что при распространении радиоимпульса с гаус-совской огибающей в слоях рассматриваемых моделей осадков происходит смещение частоты /тах в спектре сигнала в область низких частот, изменение величины А/э, не происходит. В качестве примера на рис. 2.5 представлены графики спектральных плотностей модели сигнала (18) с начальными параметрами: А/Эф =600 Гц, /0=5кГц, распространяющегося в слое с поглощением вида /3 = 0,1-f , построенные с помощью (20). Из графиков видно, что распространение сигнала модели (18) в грунте сопровождается смещением fm3x в область более низких частот, так, при толщине слоя / = 8м, значение /тах станет равным 4,86 кГц, а при / = 16м -4,72 кГц. Искажение спектра гауссовского радиоимпульса (18) с начальными параметрами: А/Эф - 600 Гц, /0 = 5 кГц при распространении в слое с коэф иентом поглощения /3 = О, Г f 5000 Рис. 2.5. 3500 ./, Гн (j) ют низкочастотные эхолоты, при этом форма огибающей излучаемого сигнала не является прямоугольной из-за резонансных свойств акустических антенн. В этом случае форму огибающей можно аппроксимировать, например, косину соидальной огибающей. С другой стороны, рассмотрение радиоимпульса с косинусоидальной огибающей позволит сравнить влияние крутизны фронтов импульсных сигналов на искажение спектральной плотности сигналов при их распространении в средах с частотно-зависимым коэффициентом затухания. Проведем аналогичные рассмотренным вычисления для косинусои-дального радиоимпульса. Выражение исходного сигнала [49]: Выражение для вычисления его спектральной плотности
Исследование погрешности измерения времени запаздывания эхосигналов при профилировании морских осадков
Наличие шумов не позволяет сколь угодно точно определять временное положение разрешаемых сигналов, а, следовательно, оказывает влияние и на разрешающую способность. Таким образом, дисперсии ошибок определения временного положения сигналов характеризует потери по отношению к потенциально возможной разрешающей способности локационной системы. При приеме эхосигналов на фоне квазибелых шумов (которые обычно преобладают при профилировании морских грунтов с помощью высоконаправленных источников звука) можно считать, что шумы на конечном интервале времени, равном разрешающей способности профилографов, не коррелированы между собой. Поэтому дисперсия оценки разрешения сигналов будет характеризоваться простой суммой дисперсий оценок времен прихода разрешаемых сигналов. Известно, что при оптимальном приеме дисперсия ошибки определения времени прихода эхосигнала равна [95] где В(т) - корреляционная функция зондирующего сигнала; q2 - отношение сигнал/шум на выходе оптимального фильтра; Ь(т) - нормированная автокорреляционная функция входного сигнала. Физический смысл выражения заключается в том, что при увеличении от ношения сигнал/шум и остроты пика автокорреляционной функции дисперсия ошибки измерения уменьшается. Функция В{т) определяется известным выражением [104] где s(t) - сигнал на входе согласованного фильтра. Рассмотрим влияние формы зондирующих сигналов и различных типов морских грунтов на точность определения времени прихода сигналов.
Проведем анализ точности оценки времени прихода эхосигна-лов при профилировании морских грунтов акустическим видеоимпульсом: Модель сигнала (40) позволяет наиболее просто, без сложных математических выкладок, оценить влияние физических параметров морских грунтов на точность определения времен прихода эхосигнала и в то же время эта модель может быть реализована (с некоторым приближением) на практике с помощью параметрических излучателей [85]. Часто, при анализе свойств сигнала (40), параметр у выбирается из условия у = 4я I ти, где ти - длительность импульса на уровне 0.46 от максимального значения. При этом величина / совпадает по значению с эффективной шириной спектра сигнала [95]. Рассмотрим распространение акустического сигнала выбранной модели (40) в грунте с квадратичной зависимостью поглощения звука от частоты где / [кГц] - спектральная составляющая сигнала, на которой производится оценка затухания акустической волны; / [м] - толщина рассматриваемого слоя грунта; к [дБ/(кГцп-м)] - удельный коэффициент затухания. п - безразмерный эмпирический коэффициент. В рассматриваемом случае /7 = 2. На основании (41) коэффициент передачи слоя грунта для акустических сигналов будет равен: где а = 2/(106-8.686). Спектральная плотность эхосигнала, прошедшего слой толщиной / определится как Как известно [95], отношение сигнал/шум (по мощности) на выходе оптимального фильтра составляет: где Er - энергия эхосигнала. Энергию эхосигнала определим по его спектральной плотности S[(jco,l), из выражения (43): Подставляя найденное значение для энергии из (45) в (44), получим текущее значение отношения сигнал/шум, которое может быть использовано для определения алгоритма управления пороговым устройством при решении задач обнаружения заиленных объектов:
Сигнальную функцию В(т) можно определить по спектру сигнала (43), поступающего на согласованный фильтр: со Определив кривизну сигнальной функции (47) в окрестности точки т = 0 и подставив полученный результат в (38), находим дисперсию ошибки оптимальной оценки измерения времени прихода эхосигналов (зависящую от выбранной длительности зондирующего импульса): На рис. 3.4 показаны зависимости дисперсии ошибки измерения времени прихода эхосигналов от длительности зондирующего импульса ти сигнала вида (40) для различных глубин профилирования осадков. Из графиков видно, что ошибка измерения времени прихода сигналов имеет минимум при некоторой оптимальной длительности зондирующего импульса ти опт . Наличие оптимальной длительности импульса, при которой наблюдается минимум погрешности, объясняется тем, что потенциальная точность измерения определяется двумя факторами: отношением сигнал/шум и остротой пика сигнала на выходе фильтра. При уменьшении длительности импульса уменьшается энергия сигнала и увеличивается вклад высокочастотных составляющих в спектре сигнала, которые интенсивно затухают в грунте. Поэтому доминирующим фактором является снижение отношения сигнал/шум. При увеличении длительности импульса спектр сигнала обужается и становится более низкочастотным. При этом затухание звука, а, следовательно, и отношение сигнал/шум, сказываются слабее и доминирующим фактором становится значение В"(т), которое уменьшается при увеличении длительности зондирующего импульса. Графики построены при значении коэффициента к = 0,1. Оптимальная длительность импульса зависит от глубины прозвучи-ваемого слоя /, т.е. от времени прихода сигнала. Из решения уравнения находим оптимальную длительность зондирующего импульса, которая обеспечивает минимум дисперсии ошибки оценивания разрешающей способности: Зависимость среднеквадратической погрешности от длительности импульса при различной глубине профилирования (для модели зондирующего сигнала (40))
Экспериментальные исследования искажений акустических импульсов в слоях илистого песка
Решение поставленных задач возможно на основе исследования в качестве зондирующего сигнала акустического видеоимпульса, обладающего широкополосным спектром. В связи с тем, что реализация экспериментальных исследований в натурных условиях трудно осуществима по известным причинам, то были проведены лабораторные измерения в гидроакустическом бассейне, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к акустическим измерениям [76]. Структурная схема экспериментальной установки и порядок проведения измерений описаны ниже. Структурная схема экспериментальной лабораторной установки изображена на рис. 4.1. Установка включает в себя формирователь видеоимпульсных сигналов электрического напряжения, состоящий из импульсного генератора (1) и усилителя мощности (2), излучающий преобразователь (3), слой исследуемого грунта (4), приемник акустических колебаний (5), предварительный усилитель (7) и цифровой осциллограф "DSO 2100", состоящий из четырнадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя (8) и ЭВМ IBM-PC (9). Измерения проводились в гидроакустическом бассейне (6). Прямоугольный видеоимпульс s t), вырабатываемый импульсным генератором (1), подается через усилитель мощности (2) на задемпфиро-ванный пьезокерамический излучающий преобразователь (3). Передний фронт видеоимпульса возбуждает механические колебания излучателя на собственной резонансной частоте, равной 1,5 МГц.
Следует отметить, что более высокий, чем используемый в профилировании, диапазон частот измерений, не будет влиять на качественную оценку и достоверность результатов, так как вид частотной зависимости коэффициента поглощения неизменен в диапазоне от нескольких герц до нескольких мегагерц [71]. Задний фронт также вызывает колебания излучателя, которые могут либо совпадать, либо не совпадать по фазе с колебаниями, вызванными передним фронтом. Желаемая форма излучаемого акустического сигнала достигалась с помощью регулировки длительности формируемых видеоимпульсов. Акустические колебания, возбуждаемые излучателем в водной среде, достигают находящийся в дальнем поле излучающего преобразователя исследуемый слой грунта (4), границы которого расположены нормально к направлению падения волны. Исследуемым грунтом являлся илистый песок, помещенный в звукопрозрачные (тонкостенные, полистироловые) кюветы прямоугольной формы различной толщины / (3, 6, 9 и 12 см). Размеры стенок кювет таковы, что полностью перекрывают падающий звуковой пучок. Для удаления воздушных пузырьков илистый песок выдерживался в бассейне более полугода. Прошедший в грунт акустический сигнал, распространяется в слое толщиной /, выходит в водную среду и принимается цилиндрическим гидрофоном (5), диаметром 1,2 мм. Напряжение s[(t) с гидрофона усиливается предварительным усилителем (7) и затем записывается с помощью цифрового осциллографа в память ЭВМ в виде изображения осциллограммы и массива чисел - отчетов сигнала (500 отчетов для каждой реализации). В дальнейшем осуществлялся (в программной среде "Matlab 6.0" (тексты программ приведены в приложении 4)) спектральный анализ полученных реализаций. Осциллограмма исследуемого сигнала s[(t) в отсутствии морского грунта (/ = 0) приведена на рис. 4.2.
Эффективная ширина энергетического спектра сигнала равна 1,4 МГц, частота максимума спектральной плотности составляет 1,5 МГц. Осциллограммы сигналов, прошедших исследуемые слои илистого песка, приведены на рис. П.4.1 - П.4.4, а на рис. 4.3 представлены соответствующие им графики спектральных плотностей. Как видно из графиков, спектры сигналов претерпевают существенные искажения по мере их распространения в толще илистого песка: максимальные значения амплитудного спектра смещаются влево, т.е. в область более низких частот, эффективная ширина спектров сигналов уменьшается. Так, например, слой илистого песка толщиной 12 см изменил ширину спектра высокочастотного зондирующего акустического импульса более, чем в два раза, а максимум в спектральной плотности сместился со значения 1,5 МГц до величины 700 кГц. На рис. 4.4 представлены вычисленные по измеренным сигналам значения эффективной ширины спектра, а на рис. 4.5 - значения величины смещения максимума в спектральной плотности сигналов, прошедших слои илистого песка. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают наличие существенных искажений акустических импульсных сигналов, распространяющихся в морских осадках, обусловленных частотной зависимостью поглощения звука в осадке и полученные ранее теоретические выводы об изменении (в основном - ухудшении) потенциальной разрешающей способности гидроакустических системах профилирования морских грунтов с увеличением глубины зондирования.
