Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения
В статье показана возможность определения при дистанционном зондировании нескольких 
 акустических параметров многослойной структуры морского дна: коэффициента поглощения и его частотной 
 зависимости, а также коэффициента отражения от поверхности дна. У статті показана можливість ви...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60393 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения / А.И. Гончар, С.Г. Федосеенков, Л.И. Шлычек, О.И. Шундель, С.И. Неверова // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2011. — № 8. — С. 69-76. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860088219703443456 |
|---|---|
| author | Гончар, А.И. Федосеенков, С.Г. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. Неверова, С.И. |
| author_facet | Гончар, А.И. Федосеенков, С.Г. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. Неверова, С.И. |
| citation_txt | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения / А.И. Гончар, С.Г. Федосеенков, Л.И. Шлычек, О.И. Шундель, С.И. Неверова // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2011. — № 8. — С. 69-76. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| description | В статье показана возможность определения при дистанционном зондировании нескольких 
акустических параметров многослойной структуры морского дна: коэффициента поглощения и его частотной 
зависимости, а также коэффициента отражения от поверхности дна.
У статті показана можливість визначення при дистанційному зондуванні декількох 
акустичних параметрів багатошарової структури морського дна: коефіцієнта поглинання та його 
частотної залежності, а також коефіцієнта відбиття від поверхні дна.
In the article shows the possibility of determining the several acoustic parameters of the 
environment: the absorption coefficient and its frequency dependence and the coefficient of reflection from 
the surface of the multilayer structure of the seabed for remote sensing.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:21:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
69
УДК 551.462, 551.46.072
© А.И. Гончар, чл.- корр. НАН Украины, д.т.н., с.н.с., директор;
С.Г. Федосеенков, ведущий инженер; Л.И. Шлычек, ученый секретарь;
А.И. Шундель, научный сотрудник; С.И. Неверова, научный сотрудник
Научно-технический центр панорамных акустических систем НАН Украины, г. Запорожье (Украина)
СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДОННЫХ ОСАДКОВ:
КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ
В статье показана возможность определения при дистанционном зондировании нескольких
акустических параметров многослойной структуры морского дна: коэффициента поглощения и его частотной
зависимости, а также коэффициента отражения от поверхности дна.
КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ, СПЕКТР, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ,
ДОННЫЕ ОСАДКИ, КОЭФФИЦИЕНТ ЗАТУХАНИЯ, ИМПЕДАНС
Коэффициенты затухания и отражения звука и их зависимость от частоты являются
важнейшими параметрами среды при её акустическом зондировании. Эти параметры
особенно важно и интересно знать при геофизических исследованиях донных отложений,
экологическом мониторинге акваторий. Реализация измерений этих параметров in situ может
привести к созданию распределения коэффициентов затухания и отражения на исследуемой
акватории. Кроме того, при реализации обратной задачи гидроакустики необходимо знать
коэффициент поглощения.
Методы измерения коэффициента затухания можно разделить на методы,
использующие прохождение сигнала через исследуемый образец, и методы, использующие
практически полное отражение (в том числе многократное) сигнала от границ раздела
донных отложений [1]. В гидроакустике первый метод практически не применим, т.к.
измерение коэффициентов затухания «на просвет» требует двустороннего доступа к
исследуемому образцу, а такая возможность не может быть реализована in situ. Для этого
необходимо поднятие образцов донных проб на борт судна с целью лабораторного
определения их механико-акустических характеристик (плотность, скорость звука,
затухание, пористость и т.д.). Возможно, именно из-за этого в литературе данные по
коэффициентам затухания и отражения приводятся с существенным разбросом [2, 3].
Интерес представляют методики, основанные на эхо-импульсном зондировании и
использующие спектральные характеристики широкополосных отраженных или рассеянных
сигналов.
В литературе описаны попытки измерения коэффициентов поглощения на основе
трансформации спектра сигнала, отражённого от какой-либо слоистой структуры. Так, в
работе [4] предлагается измерение коэффициента поглощения двухчастотным методом при
предположении об известности показателя степени частотной зависимости.
В данной статье демонстрируется потенциальная возможность измерения как
коэффициента затухания и его частотной зависимости в режиме работы «на отражение» при
неизвестном коэффициенте отражения от слоёв донных осадков, так и одновременного
измерения собственно коэффициента отражения.
Сделаем основные допущения. Во-первых, примем, что коэффициент отражения от
границы двух сред не зависит от частоты падающей акустической волны. Это условие не
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
70
слишком жёсткое. Коэффициент отражения зависит от соотношения импедансов, которые в
средах без поглощения являются действительными и не зависят от частоты. При наличии
поглощения импеданс становится комплексным и появляется частотная зависимость, однако,
эта зависимость слабая. Импеданс поглощающей среды определяется следующим
выражением [5]:
0 1 ,
2
Z Z j
αλ
π
= +
(1)
где α – коэффициент затухания на данной длине волны λ ;
0Z cρ= – импеданс среды без поглощения ( ρ – плотность, c – скорость звука).
Мнимая часть коэффициента отражения мала, а частотная зависимость модуля
коэффициента отражения – ничтожна.
Второе допущение касается частотной зависимости скорости звука. Считаем скорость
звука постоянной величиной, не зависящей от частоты.
Считаем волну плоской, и это является третьим допущением. Для иллюстрации
рассмотрим случай, когда в среде существуют границы, которые легко разрешаются
зондирующим импульсом. Спектр сигнала, отражённого от одной из границ, можно записать
следующим образом:
( ) ( )0 exp 2 ,nS f VS f xα= − (2)
где V – коэффициент отражения;
( )0S f – спектр зондирующего сигнала;
n – показатель степени;
x – расстояние до отражающей границы, определяемое по времени задержки
отражённого импульса;
α – независимый от частоты множитель в коэффициенте затухания.
Рассмотрим сначала простейший случай 1n = . Запишем спектр отражённого сигнала
на двух частотах 1f и 2f :
( ) ( )1 0 1exp 2 ,S f VS f xα= −
( ) ( )2 0 2exp 2 .S f VS f xα= −
(3)
Возьмём отношение значений спектра на частотах 1f и 2f и прологарифмируем:
( )
( ) ( )1
2 1
2
ln 2
S f
x f f
S f
α= − . (4)
Из выражения (4) находим α :
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
71
( )
( )
( )
1
2
2 1
ln
2
S f
S f
x f f
α =
−
(5)
Однако в реальности 1n ≠ , что усложняет задачу. Для определения n и α
потребуется значение спектра отражённого сигнала на трёх частотах 1f , 2f и 3f :
( ) ( )1 0 1exp 2 ,nS f VS f xα= −
( ) ( )2 0 2exp 2 ,nS f VS f xα= −
( ) ( )3 0 3exp 2 .nS f VS f xα= −
(6)
Возьмём отношение значений спектра на частотах 1f и 2f , а также 3f и 2f , а затем
прологарифмируем:
( )
( ) ( )1
2 1
2
ln 2 n nS f
x f f
S f
α= − ,
( )
( ) ( )3
2 3
2
ln 2 n nS f
x f f
S f
α= − .
(7)
Поделив одно уравнение на другое в (7), получим:
( )
( )
( )
( )
1
2 2 1
3 2 3
2
ln
,
ln
n n
n n
S f
S f f f
S f f f
S f
−=
−
или
( )
( )
( )
( )
1
22 1
32 3
2
ln
0.
ln
n n
n n
S f
S ff f
S ff f
S f
− − =
−
(8)
Данное уравнение является трансцендентным относительно n , его можно решить
либо графическим способом, либо, например, методом Ньютона [6, 7]. Подставляя
найденное n из (8) в (7), определяем неизвестное α :
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
72
( )
( )
( )
1
2
2 1
ln
.
2 n n
S f
S f
x f f
α =
−
(9)
Таким образом, основные параметры затухания можно определить, не зная
коэффициента отражения. Можно также определить и сам коэффициент отражения,
подставив полученные значения n, α в (2).
В реальных условиях, в том числе при наличии шумов, вычисленные значения могут
оказаться неточными. Очевидно, повысить точность измерения можно, проведя измерения
не в нескольких точках по частоте, а используя всю спектральную информацию. Для этого
надо излучать широкополосный сигнал.
Выполним моделирование вышеизложенной методики определения n, α и V. При
численном моделировании зондирующий импульс задается в форме прямоугольного
радиоимпульса длительностью τ =1 мс. Чтобы максимально заполнить частотный диапазон,
в качестве зондирующего сигнала используется сумма импульсов с заполнением на трёх
частотах (1 кГц, 3 кГц, 5 кГц), имитирующих излучение резонансного преобразователя на
нечётных гармониках (спектр составного импульса представлен на рис. 1)
Рис. 1 – Спектр излучаемого импульса 0S
Выполнив нормировку спектра (2) на спектр зондирующего импульса, взяв модуль
спектра, а затем, прологарифмировав, получим:
f, Гц
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
73
( )ln 2 lnn
HS f f x Vα= − + , (10)
где ( ) ( )
( )0
H
S f
S f
S f
= – нормированный спектр.
Характерный вид функции ( )ln HS f показан на рис. 2.
Рис. 2 – Нормированный спектр ( )ln HS f
Из (10) видно, что для получения величины коэффициента отражения можно
использовать значение нормированного спектра на нулевой частоте:
( )ln 0 ln .HS V= (11)
Однако измерение значения спектра на этой частоте невозможно: пьезоэлемент не
излучает и не реагирует на постоянную составляющую. Используя данные о спектре в
области частот с высоким отношением сигнал/шум, можно экстраполировать спектральную
функцию в область низких частот, например, с помощью полиномиальной регрессии или
комбинации интерполяции спектра кубическим сплайном с последующей экстраполяцией в
область низких частот. Использование регрессионного анализа методом Левенберга-
Марквардта [8] позволяет не только экстраполировать спектр в область низких частот, но и
сразу определить значения n, α и V.
При моделировании задавались следующие исходные данные: n=1.2, α=5·10-7, V=0.2,
х=100 м.
f, Гц
( )ln HS f
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
74
Решив трансцендентное уравнение (8) методом Ньютона [6, 7] или графическим
способом (рис. 3), определяем n, у нас оно получилось равным 1.196.
Рис. 3 – Графическое решение уравнения (8)
Определив значение n, подставляем его в формулу (9) и определяем α . Получаем
α =5,155·10-7. Из формулы (11) определяем V =0.2. Таким образом, по вышеописанной
методике были определены все неизвестные n, α и V, и они довольно точно совпадают с
заданными.
Сложнее обстоит дело, если отражение происходит от двух и более слоев донных
осадков. Так как нам неизвестны ни толщины слоев, ни скорости звука в них, определение
коэффициентов затухания в слоях становится невозможным. Однако остаётся возможным
послойное определение коэффициентов отражения iV ( 0...i N= , где N число слоев), двигаясь
последовательно от верхнего слоя к нижнему.
Если донные осадки представить моделью водонасыщенных донных осадков (что в
большинстве случаев имеет место), то становится возможным определение и коэффициентов
затухания в слоях.
В работе [9] сопоставление результатов измерений (рис. 4) показало, что расхождение
прямых и косвенных измерений по профилю № 1 не превышает 10 %. Результаты
исследований, выполненных по профилю № 1, подтвердили правомерность принятой модели
для илисто-глинистых донных грунтов и доказали существование устойчивых связей между
литологическим типом донного грунта и его плотностью.
n
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
75
Рис. 4 – График изменения плотности по профилю №1:
а) прямые измерения; б) косвенные измерения [9]
В ходе проведения экспериментальных работ [9], выполненных на участках
литологического полигона, донный грунт которого был представлен песками (рис. 5),
установлено, что распределение плотности для песчаного грунта в пределах профиля № 2
характеризуется значениями 2,11-2,19 г/см3. В то же время результаты многократных
измерений скорости продольных волн, выполненных в характерных точках профиля № 2 с
помощью специальной донной установки, не выявили сколь-либо заметных отклонений
скорости звука в песчаном грунте от скорости звука в воде.
Рис. 5 – Графики изменения плотности ρ и скорости c
продольных волн по профилю №2 (прямые измерения) [9]
Модель водонасыщенных донных осадков позволит определять коэффициенты
затухания и отражения для каждого слоя, но данный вопрос требует более детального
математического описания и проверки на математических моделях.
ISSN 1815-8277. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану). 2011. №8
76
Литература
1. Труэлл Р. Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела / Труэлл Р. Эльбаум
Ч., Чик Б.; Пер. с англ. под ред. И.Г.Михайлова. М.: Мир, -1972. – 307 с.
2. Акустика океана / под ред. Л.М. Бреховских. – М.: Наука, 1974. – 696 с.
3. Хэмптон Л. Акустика морских осадков / Хэмптон Л.; пер. с англ. Под ред. Житковского Ю.Ю. – М.:
Мир, 1977. – 536 с.
4. Piechocki M. Attenuation measurement method of one side accessible tissues / Piechocki M.,
Lupacewicz G. //Proc.4 Ultrasound boil. and med. symp. UBIOMED IV, Vishegrad. - 1979. -V.2.-P. 61-65.
5. Тюрин А.М. Теоретическая акустика / Тюрин А.М. - Л.: Военно-морская академия, 1971. – 443с.
6. Бахвалов Н.С. Численные методы / Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. - М.: Наука, 1987. –
630 с.
7. Корн Г. Справочник по математике : (для научных работников и инженеров) / Корн Г., Корн Т.; пер.
со 2-го амер. перераб. издания под ред. Арамановича И.Г. — М.: Наука, 1970. — 832 с. с илл.
8. Гилл Ф. Практическая оптимизация / Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. - М.: Мир, 1985. - 509 с.
9. Свечников А.И. Обобщенная модель донного грунта при гидрографических задачах /
Свечников А.И. // Навигация и гидрография. – 1998. - №6. – С. 65-68
Стаття надійшла до редакції 28 вересня 2011 р. російською мовою
© А.І. Гончар, С.Г. Федосеєнков, Л.І. Шличек, О.І. Шундель, С.І. Невєрова
СПЕКТРАЛЬНИЙ МЕТОД ОЦІНКИ ПАРАМЕТРІВ ДОННИХ ВІДКЛАДЕНЬ:
КОЕФІЦЄНТІВ ВІДБИТТЯ І ПОГЛИНАННЯ
У статті показана можливість визначення при дистанційному зондуванні декількох
акустичних параметрів багатошарової структури морського дна: коефіцієнта поглинання та його
частотної залежності, а також коефіцієнта відбиття від поверхні дна.
© Anatoly I. Gonchar, Sergey G. Fedoseenkov, Lubov I. Shlychek,
Alexey I. Shundel, Svetlana I. Neverova
SPECTRAL METHOD OF ESTIMATION OF PARAMETERS OF THE BOTTOM
SEDIMENTS: THE COEFFICIENTS OF REFLECTION AND ABSORPTION
In the article shows the possibility of determining the several acoustic parameters of the
environment: the absorption coefficient and its frequency dependence and the coefficient of reflection from
the surface of the multilayer structure of the seabed for remote sensing.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60393 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-8277 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:21:19Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гончар, А.И. Федосеенков, С.Г. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. Неверова, С.И. 2014-04-15T12:56:17Z 2014-04-15T12:56:17Z 2011 Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения / А.И. Гончар, С.Г. Федосеенков, Л.И. Шлычек, О.И. Шундель, С.И. Неверова // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2011. — № 8. — С. 69-76. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1815-8277 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60393 551.462, 551.46.072 В статье показана возможность определения при дистанционном зондировании нескольких 
 акустических параметров многослойной структуры морского дна: коэффициента поглощения и его частотной 
 зависимости, а также коэффициента отражения от поверхности дна. У статті показана можливість визначення при дистанційному зондуванні декількох 
 акустичних параметрів багатошарової структури морського дна: коефіцієнта поглинання та його 
 частотної залежності, а також коефіцієнта відбиття від поверхні дна. In the article shows the possibility of determining the several acoustic parameters of the 
 environment: the absorption coefficient and its frequency dependence and the coefficient of reflection from 
 the surface of the multilayer structure of the seabed for remote sensing. ru Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения Спектральний метод оцінки параметрів донних відкладень: коефіцієнтів відбиття і поглинання Spectral method of estimation of parameters of the bottom sediments: the coefficients of reflection and absorption Article published earlier |
| spellingShingle | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения Гончар, А.И. Федосеенков, С.Г. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. Неверова, С.И. |
| title | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения |
| title_alt | Спектральний метод оцінки параметрів донних відкладень: коефіцієнтів відбиття і поглинання Spectral method of estimation of parameters of the bottom sediments: the coefficients of reflection and absorption |
| title_full | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения |
| title_fullStr | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения |
| title_full_unstemmed | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения |
| title_short | Спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения |
| title_sort | спектральный метод оценки параметров донных осадков: коэффициентов отражения и поглощения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60393 |
| work_keys_str_mv | AT gončarai spektralʹnyimetodocenkiparametrovdonnyhosadkovkoéfficientovotraženiâipogloŝeniâ AT fedoseenkovsg spektralʹnyimetodocenkiparametrovdonnyhosadkovkoéfficientovotraženiâipogloŝeniâ AT šlyčekli spektralʹnyimetodocenkiparametrovdonnyhosadkovkoéfficientovotraženiâipogloŝeniâ AT šundelʹai spektralʹnyimetodocenkiparametrovdonnyhosadkovkoéfficientovotraženiâipogloŝeniâ AT neverovasi spektralʹnyimetodocenkiparametrovdonnyhosadkovkoéfficientovotraženiâipogloŝeniâ AT gončarai spektralʹniimetodocínkiparametrívdonnihvídkladenʹkoefícíêntívvídbittâípoglinannâ AT fedoseenkovsg spektralʹniimetodocínkiparametrívdonnihvídkladenʹkoefícíêntívvídbittâípoglinannâ AT šlyčekli spektralʹniimetodocínkiparametrívdonnihvídkladenʹkoefícíêntívvídbittâípoglinannâ AT šundelʹai spektralʹniimetodocínkiparametrívdonnihvídkladenʹkoefícíêntívvídbittâípoglinannâ AT neverovasi spektralʹniimetodocínkiparametrívdonnihvídkladenʹkoefícíêntívvídbittâípoglinannâ AT gončarai spectralmethodofestimationofparametersofthebottomsedimentsthecoefficientsofreflectionandabsorption AT fedoseenkovsg spectralmethodofestimationofparametersofthebottomsedimentsthecoefficientsofreflectionandabsorption AT šlyčekli spectralmethodofestimationofparametersofthebottomsedimentsthecoefficientsofreflectionandabsorption AT šundelʹai spectralmethodofestimationofparametersofthebottomsedimentsthecoefficientsofreflectionandabsorption AT neverovasi spectralmethodofestimationofparametersofthebottomsedimentsthecoefficientsofreflectionandabsorption |