Для решения практических задач достаточно часто необходимо знать не только форму поверхности дна водоема, но и глубину и структуру донных отложений. Бывает необходимо определить включение твердых объектов в объеме придонного ила и наличие загрязняющих компонентов, типа углеводородов. При этом, глубина свободной воды может составлять от 0.5 до 20 м, а толщина отложений соизмерима с 1-3 метрами.
В настоящее время, для решения аналогичных задач, применяются эхолоты и георадары, а в медицинской практике широко используются ультразвуковые исследования структуры биологических объектов. Кроме того, необходимо упомянуть акустические исследования скважин и прискважинных зон и сейсмические исследования земной коры с целью определения геологических структур.
Рисунок 1. Поверхность речного дна, полученная эхолотом бокового обзора.
Все перечисленные методы, за исключением георадаров, основаны на принципе возбуждения механических колебаний и регистрации сигналов, отраженных от границ неоднородностей. Георадары работают на принципе излучения и приема электромагнитного сигнала. Частотная область исследований находится в диапазоне от 100 Гц для сейсмических работ, 1 – 20 кГц для акустических исследований скважин, 40- 200 кГц для эхолотов и 1- 15 мГц для УЗИ исследований и георадаров.
Глубинность исследований примерно обратно пропорциональна частоте сигнала исследования и составляет 10- 30 см для УЗИ, до 1-2 м для иследований скважин, 5- 5000м для эхолотов и до 10 км для сейсмических исследований. Соотношение разрешения и частотности аналогично глубинности и находится в диапазоне от 10 мкм для УЗИ, 10 см для георадаров, 5-10 см для акустических исследований скважин, 0.5-1 м для эхолотов и до 20-50 м при сейсмических исследованиях.
Рисунок 2. Акустическая модель кубика на дне емкости с водой, полученная УЗИ и по результатам численного моделирования
Особенности применения разных методов заключаются в следующем. Общий принцип действия – посыл в изучаемую среду мощного импульса и прием слабого отраженного сигнала. Как правило, неизвестна форма посланного сигнала, поэтому в отраженном сигнале содержится не только информация о степени неоднородности отражающей границы, но и форма зондирующего сигнала. Это требует специальных методов анализа и обработки акустических сигналов.
Рисунок 3. Георадарное структурирование придонных отложений и их обработка с целью получения корректной геологической модели.
В результате, в большинстве методов фиксируется время прихода отражения первой сильной границы неоднородности, что соответствует отражению от дна практически однородного, с точки зрения распространения волн, водного объема. Процесс накопления и обработки данных приведен ниже.
Рисунок 4. Модель геологического разреза. Решение восстановления структуры для короткого импульса
Для структурной детализации отражений необходимо записывать всю временную картину принятого сигнала, который называют волновым пакетом. Для пространственной детализации необходимо проведение многократных наблюдений отражения посланного сигнала. При этом необходимо учитывать характеристику направленности распространения волны и соответственно применять специальные процедуры математической обработки для полученного волнового пакета.
Для повышения разрешения, детализации и объема исследуемой поверхности применяют многолучевую схему излучения и приема сигнала.
При решении проблемы получения достаточной детализации и разрешения результата необходимо проведение последовательных измерений на профиле разреза в случае 2D съемки и на плане исследуемой структуры для определения объемной модели строения. При этом происходит накопление данных по определенным геометрическим схемам и последующая их обработка для определения геологического корректного строения исследуемой структуры.
Рисунок 5. Моделирование распространения акустических волн в сильно неоднородной геологической среде.
Не исключается выполнение итерационных шагов с целью уточнения геологической неоднородной модели.
В результате, устройство для решения поставленной задачи должно иметь следующие характеристики:
— Самоходное устройство с навигатором и автопилотом для прохождения заданной трассы исследований и записи координат для привязки получаемых данных к точке их получения в пространстве;
— Многоточечный источник и приемник акустических сигналов;
— Устройство записи и накопления данных;
— Устройство предобработки данных во время съемки;
— Программное обеспечение для построения корректной геологической модели.
Решение поставленной задачи предусматривает проведение опытно-конструкторских и исследовательских работ по созданию:
— автономного самоходного плавсредства с навигатором и автопилотом с точностью позиционирования до 0.1м, скоростью движения 3-4км/час и работой до 2 часов без подзарядки аккумуляторов;
— многоточечного излучателя-приемника акустических сигналов до 20 точек на частоте 40-100кГц;
— компьютерного блока для записи до 1МБ/сек данных с накоплением до 8Гб.
В результате должны быть получены следующие параметры устройства для эхолоцирования трассы до 8000м с полосой захвата 10-30м и разрешением примерно 0.1м по плоскости дна. По структуре отложений разрешение должно быть 0.05м на глубину 2-4м для трассы 8000м с разрешением 0.1м. Общее количество точек глубинной модели составит 6 000 000 -7 000 000.
Наибольшие трудности составляют проблемы точности при обработке акустических данных, поэтому алгоритмам и программам должно быть уделено особое внимание.
Список литературы:
- Е.А.Козлов. Модели среды в разведочной сейсмологии: учебник. Тверь: ГЕРС, 2006. — 479 с.
- А. Ипатов, А. Городнов, Л. Петров, С. Скопинцев, А. Шумейко. Испытательный анализ акустического и электромагнитного сигнала вместе при пористой фильтрации многофазной жидкости: статья. Тверь: Журнал Каротаж, №122, 2004.
- А.Шумейко, Д.Романов, А.Охотников. Реальный симулятор ультразвука в медицине: статья. Москва: Журнал Эхография, Vol 5, №3, 2004.
- А.Шумейко, Д.Романов. Реальный тренажер ультразвука Достижения и перспективы современный радиологической диагностики в российской науке: доклад на конференции Радиология 2004, Москва.[schema type=»book» name=»АКУСТИЧЕСКОЕ ЛОЦИРОВАНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ» description=»Цель работы – определение технических параметров для зондирующего устройства нового типа. Новизна заключается в совмещении функций сонара и прибора акустического каротажа для исследования структуры придонных отложений. При этом должен использоваться весь принятый сигнал, а не только фиксация времени первого прихода отраженной волны. Особое внимание уделяется созданному программному обеспечению для повышения разрешающей способности при определении отражающих границ. » author=»Шумейко Александр Эдуардович, Яскевич Михаил Леонидович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-18″ edition=»euroasia-science_28.04.2016_4(25)» ebook=»yes» ]