Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов
Профилирование донных осадков является мощным средством изучения строения морского дна. Перспективным является подход, основанный на использовании когерентных гидроакустических источников. Потенциальные преимущества такого подхода определяются, прежде всего, возможностью применения хорошо развитых п...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19231 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов / А.И. Шундель // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2009. — № 6. — С. 74-82. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19231 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шундель, А.И. 2011-04-22T23:43:37Z 2011-04-22T23:43:37Z 2009 Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов / А.И. Шундель // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2009. — № 6. — С. 74-82. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1815-8277 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19231 004.942; 51-73 Профилирование донных осадков является мощным средством изучения строения морского дна. Перспективным является подход, основанный на использовании когерентных гидроакустических источников. Потенциальные преимущества такого подхода определяются, прежде всего, возможностью применения хорошо развитых процедур согласованной пространственно-временной обработки сигналов со специальными спектральными характеристиками (т.н. сложных сигналов) в целях повышения дальности и разрешающей способности зондирования. В работе проведено численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием различных сигналов, в том числе и сложных. Профілювання донних відкладів є потужним засобом вивчення будови морського дна. Перспективним є підхід, заснований на використанні когерентних гідроакустичних джерел. Потенційні переваги такого підходу визначаються, насамперед, можливістю застосування добре розвинених процедур погодженої просторово-тимчасової обробки сигналів зі спеціальними спектральними характеристиками (т.зв. складних сигналів) з метою підвищення дальності та розрізнювальної здатності зондування. У роботі проведене чисельне моделювання профілювання тонкої структури донних відкладень із використанням різних сигналів, у тому числі складних. Sediments profiling is a powerful tool for studying the structure of the seabed. Promising approach is based on the use of coherent sonar sources. The potential benefits of this approach are determined, above all, by the possibility of applying well-developed procedures of coherent space-time signal processing with special spectral characteristics (the so-called complex signals) in order to increase the range and resolution of sounding. In this paper we realized the numerical modelling of fine structure profiling of sediments using a variety of signals including complex ones. ru Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов Чисельне моделювання профілювання тонкої структури донних відкладів з використанням складних сигналів Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов |
| spellingShingle |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов Шундель, А.И. |
| title_short |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов |
| title_full |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов |
| title_fullStr |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов |
| title_full_unstemmed |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов |
| title_sort |
численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов |
| author |
Шундель, А.И. |
| author_facet |
Шундель, А.И. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| publisher |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Чисельне моделювання профілювання тонкої структури донних відкладів з використанням складних сигналів |
| description |
Профилирование донных осадков является мощным средством изучения строения морского дна. Перспективным является подход, основанный на использовании когерентных гидроакустических источников. Потенциальные преимущества такого подхода определяются, прежде всего, возможностью применения хорошо развитых процедур согласованной пространственно-временной обработки сигналов со специальными спектральными характеристиками (т.н. сложных сигналов) в целях повышения дальности и разрешающей способности зондирования. В работе проведено численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием различных сигналов, в том числе и сложных.
Профілювання донних відкладів є потужним засобом вивчення будови морського дна. Перспективним є підхід, заснований на використанні когерентних гідроакустичних джерел. Потенційні переваги такого підходу визначаються, насамперед, можливістю застосування добре розвинених процедур погодженої просторово-тимчасової обробки сигналів зі спеціальними спектральними характеристиками (т.зв. складних сигналів) з метою підвищення дальності та розрізнювальної здатності зондування. У роботі проведене чисельне моделювання профілювання тонкої структури донних відкладень із використанням різних сигналів, у тому числі складних.
Sediments profiling is a powerful tool for studying the structure of the seabed. Promising approach is based on the use of coherent sonar sources. The potential benefits of this approach are determined, above all, by the possibility of applying well-developed procedures of coherent space-time signal processing with special spectral characteristics (the so-called complex signals) in order to increase the range and resolution of sounding. In this paper we realized the numerical modelling of fine structure profiling of sediments using a variety of signals including complex ones.
|
| issn |
1815-8277 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19231 |
| citation_txt |
Численное моделирование профилирования тонкой структуры донных отложений с использованием сложных сигналов / А.И. Шундель // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2009. — № 6. — С. 74-82. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT šundelʹai čislennoemodelirovanieprofilirovaniâtonkoistrukturydonnyhotloženiisispolʹzovaniemsložnyhsignalov AT šundelʹai čiselʹnemodelûvannâprofílûvannâtonkoístrukturidonnihvídkladívzvikoristannâmskladnihsignalív |
| first_indexed |
2025-11-24T21:02:50Z |
| last_indexed |
2025-11-24T21:02:50Z |
| _version_ |
1850493515407032320 |
| fulltext |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
74
УДК 004.942; 51-73
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОФИЛИРОВАНИЯ
ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
© А.И. Шундель, 2009
Научно-технический центр панорамных акустических систем НАН Украины, г. Запорожье
Профілювання донних відкладів є потужним засобом вивчення будови морського дна. Перспективним
є підхід, заснований на використанні когерентних гідроакустичних джерел. Потенційні переваги такого підходу
визначаються, насамперед, можливістю застосування добре розвинених процедур погодженої просторово-
тимчасової обробки сигналів зі спеціальними спектральними характеристиками (т.зв. складних сигналів) з
метою підвищення дальності та розрізнювальної здатності зондування. У роботі проведене чисельне
моделювання профілювання тонкої структури донних відкладень із використанням різних сигналів, у тому
числі складних.
Профилирование донных осадков является мощным средством изучения строения морского дна.
Перспективным является подход, основанный на использовании когерентных гидроакустических источников.
Потенциальные преимущества такого подхода определяются, прежде всего, возможностью применения хорошо
развитых процедур согласованной пространственно-временной обработки сигналов со специальными
спектральными характеристиками (т.н. сложных сигналов) в целях повышения дальности и разрешающей
способности зондирования. В работе проведено численное моделирование профилирования тонкой структуры
донных отложений с использованием различных сигналов, в том числе и сложных.
Sediments profiling is a powerful tool for studying the structure of the seabed. Promising approach is based on
the use of coherent sonar sources. The potential benefits of this approach are determined, above all, by the possibility of
applying well-developed procedures of coherent space-time signal processing with special spectral characteristics (the
so-called complex signals) in order to increase the range and resolution of sounding. In this paper we realized the
numerical modelling of fine structure profiling of sediments using a variety of signals including complex ones.
ГИДРОАКУСТИКА, МОРСКОЕ ДНО, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ,
ПРОФИЛИРОВАНИЕ, ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ, СЛОЖНЫЙ СИГНАЛ
Традиционным подходом к решению задач дистанционного зондирования и
сейсморазведки морского дна является использование мощных импульсных источников
звука (пневмопушек и подобных им источников, генерирующих широкополосные сигналы
взрывного типа). Наряду с такими достоинствами как высокий уровень излучения и
относительная простота использования, импульсные источники обладают и рядом
существенных недостатков, среди которых – низкая стабильность (повторяемость)
импульсов излучения и связанные с этим трудности в обеспечении длительного накопления
полезных сигналов; а также преобладание в спектре излучения относительно
высокочастотных компонент (формируемых ударным фронтом волны) и малая часть
“полезной” (в смысле глубины зондирования) мощности в низкочастотной части спектра. В
качестве перспективной альтернативы подобным источникам и развитых на их основе
методам профилирования дна рассматривается подход, основанный на использовании
когерентных гидроакустических источников. Потенциальные преимущества такого подхода
определяются, прежде всего, возможностью применения хорошо развитых процедур
согласованной пространственно-временной обработки сигналов со специальными
спектральными характеристиками (т.н. сложных сигналов) в целях повышения дальности и
разрешающей способности зондирования.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
75
Профилирование донных осадков является мощным средством изучения строения
морского дна. Это довольно простая процедура, так как она почти не отличается от
эхолотирования. Глубина проникновения звуковых сигналов в донные осадки зависит от
частоты сигнала, коэффициента поглощения осадков и отношения сигнал/шум. Обычно
акустические антенны профилографа с частотами 12÷3,5 кГц устанавливаются в корпусе
судна. Глубина проникновения сигнала с частотой 12 кГц ограничивается несколькими
десятками метров. Сигнал профилографа с частотой 3,5 кГц проникает более чем на 100 м в
районах, где осадки имеют малый коэффициент поглощения [1].
Моделирование акустического волнового поля можно рассматривать как один из
подходов к интерпретации акустических данных, позволяющий подтвердить или
опровергнуть построенную модель среды. На созданной модели можно изучать зависимость
между физическими параметрами модели и акустическим волновым полем, то есть
наблюдать за изменениями волнового поля, обусловленными изменением параметров
исходной модели среды [2].
В работах [3, 4] получены формулы для синтеза отклика от математической модели
слоистой структуры морского дна, разработанной в работах [5, 6].
Модельный акустический отклик представляет собой суперпозицию всех
акустических сигналов, отраженных от геологических границ, имеющих различные
коэффициенты отражения. Акустический отклик может быть описан так называемой
свёрточной моделью [2]:
( ) ( ) ( )( )R t P t V t= ⊗ , (1)
где V(t) - импульсная характеристика среды, определяемая последовательностью
коэффициентов отражения от всех границ;
P(t) - сигнал, излучаемый источником акустических волн.
Импульсная характеристика среды V(t) рассчитывается по коэффициентам отражения
для многослойной среды для каждого слоя V1n (n – число слоёв) по формулам [2]:
( )
( )
12 2n 2
1n
12 2n 2
V V exp 2iÔ
V
1 V V exp 2iÔ
+ −
=
+ −
,
( )
( )( ) ( ) ( )
( )( ) ( ) ( )
n m 1n m n m 1 n m 1 n
n m n
n m 1n m n m 1 n m 1 n
V V exp 2iÔ
V
1 V V exp 2iÔ
− −− − − − −
−
− −− − − − −
+ −
=
+ −
,
n n n
n
Ô d cos
c
ω≡ θ ,
m m m 1 m 1 m 1 m
(m 1)m
m m m 1 m 1 m 1 m
c cos c cos
V
c cos c cos
− − −
−
− − −
ρ θ − ρ θ=
ρ θ + ρ θ
,
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
76
где m m,cρ – плотность и скорость звука соответственно в m-ом слое;
mθ – угол падения на m-й слой;
nd – толщина n-го слоя.
Модель акустического отклика представляет собой свертку сигнала источника и
импульсной характеристики среды. Если представить, что морская среда представляет собой
некоторый "черный ящик", то импульсная характеристика среды V(t) - это отклик "черного
ящика" на входной дельта-импульс:
( )
1, 0
0, 0
t
t
t
δ
==
≠
.
Если считать, что входной акустический сигнал не равен нулю только на отрезке
[t1,t2], то есть:
( ) ( )
( )
1 2
1 2
0,
0, ,
P t t t t
P t
P t t t t t
≠ < <=
= < >
,
то тогда в интеграле свертки, используя формулу интегрирования по частям, можно отклик
среды на дельта-импульс заменить на переходную характеристику среды (отклик на импульс
Хевисайда):
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
0, 0
,
1, 0
,
t
t
t
P
R t P V t d H t d
σ
τ
τ τ τ τ τ
τ
+∞ +∞
−∞ −∞
<=
≥
∂
= − = −
∂∫ ∫
где ( ) ( )V t
H t
t
∂
=
∂
.
Обратим внимание на то, что импульсная характеристика среды - это разрывная
функция и для нее надо каким-то образом определить понятие производной. В математике
для таких случаев введено понятие обобщенной функции или распределения. Для
обобщенной функции допускается определение производной, если даже исходная функция
разрывна. Физический смысл обобщенной производной определяется как значение
производной гладкой функции плюс еще скачок, который присутствует в данной точке
обобщенной функции (рис. 1).
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
77
Рис. 1 – Свертка дельта импульса δ(t) и сигнала P(t) равна свертке
функции Хевисайда σ(t) и производной сигнала dP(t)/dt.
Рассмотрим формулу (1) считая, что импульсная характеристика среды определяется
только коэффициентами отражения. Тогда можно переписать в виде:
( ) ( )( )1
ln
2
V t Z t
t
∂=
∂
, (2)
где производная понимается в обобщенном смысле. Тогда формула (1) с учетом (2)
записывается следующим образом:
( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )( )1 1
ln ln
2 2
R t V t P t Z t P t Z t P t
t t
∂ ∂= ⊗ = ⊗ = ⊗
∂ ∂
(3)
Таким образом, операцию взятия производной в сверточной модели можно перенести
с импульсной характеристики на сигнал источника.
( ) ( ) ( ) ( )t P t t P tδ σ⊗ = ⊗
В данном случае мы рассматриваем функцию V(t) - импульсную характеристику
среды - как последовательность коэффициентов отражения, забывая о том, что при
распространении волн образуются кратные волны, усложняющие волновую картину в
реальном отклике.
В работе [7] создана модель вертикального среза слоистой тонкой структуры
морского дна. Она состоит из тонких слоёв. Толщина слоёв меньше, чем разрешающая
способность (сτ/2) при использовании тонального импульса с длительностью τ=1мс. Это
наименьшая длительность, которую можно использовать для тонального сигнала с частотой
заполнения 10 кГц. Практическую значимость представляет разрешение слоёв, именно когда
их толщина меньше разрешающей способности, а это достигается за счёт использования
сложных сигналов. От этой модели получен отклик (профилограмма) для различных типов
зондирующих импульсов и различной длительности. Данная модель позволяет оценить
разрешающую способность зондирующих сигналов, в том числе и широкополосных, для
выявления тонкой структуры донных отложений. На рис. 2 представлен вертикальный срез
донных отложений морского дна.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
78
Рис. 2 – Модель вертикального среза донных отложений
В табл. 1 приведены параметры слоев, из которых состоит данная модель.
Таблица 1 – Характеристики слоёв
Номер слоя ρ, кг/м3 с, м/с Z, кг/(с·м2)
1 1000 1500 1500000
2 1325 1480 1961000
3 1850 1617 2991450
4 1975 1645 3248875
5 2050 1817 3724850
Рассмотрим три вида зондирующих импульсов: тональный, ЛЧМ, и
фазоманипулированный код Баркера.
Тональный импульс. Рабочая частота f=10 кГц, длительность импульса τ=1 мс. На
рис. 3а) представлена профилограмма при τ=1 мс без корреляционной обработки, на рис. 3б)
представлена та же профилограмма, но с корреляционной обработкой (свёртка с комплексно-
сопряжённой копией излучаемого сигнала). Как видно из рис. 3, применение тонального
зондирующего импульса для выявления тонкой структуры донных отложений не дает
необходимого результата: границы раздела слоёв не чёткие, сливаются и визуально их очень
трудно различить (практически не возможно).
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
79
а)
б)
Рис. 3 – Профилограмма, полученная при использовании тонального сигнала
длительностью τ=1мс: а) не обработанная, б) обработанная
Рассмотрим теперь ЛЧМ импульс. Средняя частота f=10 кГц, девиация ∆f=6 кГц,
длительность импульса τ=1 мс, 10 мс. На рис. 4 представлена профилограмма при τ=1 мс без
обработки и с обработкой соответственно. Из рис. 4 видно, что применение ЛЧМ импульса с
последующей обработкой позволяет выделить границы раздела тонкой структуры
а)
б)
Рис. 4 – Профилограмма, полученная при использовании ЛЧМ сигнала
длительностью τ=1мс: а) не обработанная, б) обработанная
Увеличение длительности зондирующего импульса до 10 мс позволяет так же чётко
выделить границы слоёв (см. рис. 5)
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
80
а)
б)
Рис. 5 – Профилограмма, полученная при использовании ЛЧМ сигнала
длительностью τ=10мс: а) не обработанная, б) обработанная
Рассмотрим кодовый сигнал Баркера. Сигнал состоит из N сигналов длительностью τ,
длительность всего сигнала равна Nτ. В нашем случае N=13. На рис. 6 приведены
профилограммы а) – без обработки и б) - с обработкой для фазоманипулированного сигнала
кодом Баркера с τ=0,1 мс и заполненного тональным сигналом. Как видно из рис. 6,
разрешение слоёв очень хорошее, границы видны чётко.
а)
б)
Рис. 6 – Профилограмма, полученная при использовании кода Баркера с тональным
заполнением длительностью τ=0,1мс: а) не обработанная, б) обработанная
На рис. 7 приведены профилограммы без и с обработкой для сигнала Баркера с
τ=1 мс и заполненного тональным сигналом. Как видно из рис. 7 слои практически не
разрешаются, т.е. применение «длинных» сигналов с тональным заполнением не
целесообразно.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
81
а)
б)
Рис. 7 – Профилограмма, полученная при использовании кода Баркера с тональным
заполнением длительностью τ=1мс: а) не обработанная, б) обработанная
На рис. 8 приведены профилограммы без и с обработкой для сигнала Баркера с
τ=1 мс заполненного ЛЧМ сигналом. Как видно из рис. 8 слои выделяются отчётливо.
а)
б)
Рис. 8 – Профилограмма, полученная при использовании кода Баркера с ЛЧМ
заполнением длительностью τ=1мс: а) не обработанная, б) обработанная
Итак, подводя итог можно сказать, что для определения тонкой структуры донных
отложений лучше всего подходит фазоманипулированный сигнал Баркера, состоящий из
коротких импульсов с тональным заполнением, либо ЛЧМ сигналы. Ввиду того, что ЛЧМ
сигналы проще в аппаратной реализации, они являются оптимальными для определения
тонкой структуры донных отложений.
Литература
1. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. М.: Мир, 1980. –580 с.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2009 (№ 6)
82
2. Шевченко А.А. Скважинная сейсморазведка. – М: РГУ нефти и газа, 2002. – 129с.
3. Исследование нелинейных (резонансных) эффектов, которые могут индуцироваться особенностями
структуры дна при распространении и трансформации разномасштабных волновых возмущений:
Отчет по НИР/ НТЦ ПАС НАН Украины; № ГР0107004016. Запорожье, 2007. –89 с.
4. Исследование влияния неоднородностей (полостей и включений) геологической структуры дна на её
амплитудно-частотную характеристику: Отчет по НИР/ НТЦ ПАС НАН Украины;
№ ГР0108U007120. Запорожье, 2008. – 85 с.
5. Математическое моделирование слоистых неоднородных сред с полостями простой и сложной
формы: Отчет по НИР/ НТЦ ПАС НАН Украины; № ГР 01040008326. Запорожье, 2004. – 151 с.
6. А.И.Гончар, Л.И.Шлычек, А.И.Шундель, И.Н.Писанко. Создание структурно-акустических моделей
морского дна // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень світового океану):
Збірник наукових праць Науково-технічного центра панорамних акустичних систем НАН України.
Випуск 1. – Запоріжжя, 2004. - С. 13 – 21.
7. Исследование слоистости дна с использованием сложных зондирующих сигналов для определения
структуры донных отложений и водной среды: Отчет по НИР/ НТЦ ПАС НАН Украины;
№ ГР 0109U003224. Запорожье, 2009. – 152 с.
|