АКУСТИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 2, с. 264-273
ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ^^^^^^^^ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 550.341+550.834+621.319
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА ВОЛН ФАЗИРОВАННЫМИ АНТЕННАМИ В МОРСКОМ ДНЕ НА ШЕЛЬФЕ
© 2007 г. Ю. М. Заславский, Б. В. Кержаков, В. В. Кулинич
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: zaslav@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 08.12.05 г.
Выполнено численное моделирование волнового поля, возбуждаемого как одиночными источниками, так и вертикально ориентированной фазированной излучающей антенной в мелководном волноводе со слоистым упругим дном. Волновое поле регистрируется эквидистантными вертикальными антеннами с различной апертурой и при разной глубине установки в водном слое. В вертикальной плоскости демонстрируется характер распределения и трансформация углового спектра импульсных сигналов, приходящих на антенну при разных параметрах среды, несущих частотах и удалениях от источника. Показано, что путем селективного по углу приема обеспечивается лучшее разрешение годографов волн, используемых для зондирования дна. В качестве примера демонстрируется возможность выделения на плоскости годографов преломленной глубинным слоем волны сдвига, что достигается путем углового сканирования при излучении и при приеме антеннами вертикальной ориентации.
PACS: 43.30.Ma
ВВЕДЕНИЕ
Изучение структуры донной морской среды сейсмоакустическими методами проводится с середины прошлого столетия, причем за прошедшее время существенное усовершенствование претерпели как излучающие, так и приемные устройства, используемые при сейсмопрофили-ровании на акваториях [1-4]. Получили развитие и другие методы разведки [5]. К настоящему времени значительное внимание также уделяется численному моделированию сейсмоакустических полей в средах, образованных водной толщей и слоистым упругим дном, что представляет интерес для решения проблемы сейсмического профилирования донной среды в шельфовой зоне океана. В этой связи в настоящей работе рассматриваются задачи моделирования приема отраженных дном сигналов фазированной вертикальной антенной при зондировании как одиночным источником, так и вертикальной антенной гидроакустических излучателей. В первом случае ставится цель продемонстрировать возможность повышения пространственного разрешения картины волновых годографов, что достигается за счет приема волн с разных направлений в случае применения фазированной антенны приемников, и это принципиально отличается от приема на обычную сейсмическую косу, с помощью которой, как правило, обеспечивается лишь повышение отношения сигнал/шум. Во втором случае анализируется возможность концентрации энер-
гии первичных сейсмических волн в области заданных горизонтов за счет использования фазированной излучающей антенны для повышения энергии сигналов, приходящих от донных осадков, что представляет интерес для разведки залежей нефти. Вместе с этим, происходит уменьшение влияния гидроакустических волн, являющихся в рассматриваемой задаче помехой. В расчетах использовался пакет "OASES" (2-Version) [6].
МОДЕЛЬ СРЕДЫ И ПАРАМЕТРЫ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРИЕМНОЙ АНТЕННЫ
Расчетная модель слоистой структуры идентична ранее описанной в работах [7-9] и представляет собой подстилающее полупространство -кристаллический фундамент и три покрывающих слоя, включая верхний изоскоростной слой жидкости. Модель задана следующими значениями мощности слоев и акустических параметров среды, характеризующих ее плотностный и скоростной разрезы (р - плотность среды, УР - скорость продольных, У3 - скорость поперечных волн в среде): 1 - изоскоростной водный слой (И1 = 250 м,
рх = 1 г/см3, УР^1 = 1.5 км/с), 2 - первый донный
(2)
слой - слой осадков (Н2 = 50 м, р2 = 1.5 г/см3, УР =
= 1.6 км/с, У{р = 0.06 км/с, аР2) = 0.05 дБ/м кГц,
(2)
а5 = 0.5 дБ/м кГц), 3 - второй донный слой (И3 =
Время задержки, с Время задержки, с
(3)
Рис. 1. Тоновая картина волнового поля на плоскости "время задержки-угол прихода волны" (-90° < 8 < 90°), У5 =
= 1 км/с, / = 25 Гц, полоса частот А/ = 14 Гц, приемная антенна - 9 гидрофонов с шагом расстановки 25 м и апертурой - 200 м, расстояние источник-приемная антенна: а - 4.5 км, б - 9 км.
= 300 м, р3 = 2.1 г/см3, У(р} = 2.5 км/с, I - У^ = 1 км/с,
II - у£] = 0.5 км/с, а(р] = 0.03 дБ/м кГц, а^3) = = 0.1 дБ/м кГц), 4 - жесткий фундамент (р4 =
= 2.5 г/см3, У(Р4) = 4 км/с, У^ = 2.5 км/с, а^4) =
(4)
= 0.02 дБ/м кГц, а5 = 0.1 дБ/м кГц). При моделировании использованы два значения скорости волн
(3)
сдвига во втором донном слое: I - У5 = 1 км/с, II -
(3)
У5 = 0.5 км/с. Использование двух последних вариантов связано с тем, что появление флюидона-сыщенных включений в этой области среды в первую очередь влечет за собой вариацию величины скорости сдвиговых волн.
Исследования проведены в сейсморазведоч-ном диапазоне частот до 75 Гц с использованием импульсного режима излучения с шириной спектра излучаемых сигналов до А/ = 14 Гц. В качестве источников излучения используется одиночный ненаправленный излучатель малых волновых размеров, располагающийся в одном метре от дна, а также линейная вертикальная фазированная излучающая антенна, перекрывающая значительную часть волновода. По результатам численного моделирования получены тоновые картины волнового поля на плоскостях "время задержки импульса-угол прихода волны", определяющие вертикальный угловой спектр, и "время задержки импульса-горизонтальная дальность приема", отображающие картину волновых годографов.
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ УГЛОВЫЕ СПЕКТРЫ
Вертикальные угловые спектры волн, изображаемые на плоскости "время прихода-угол", дают распределение их энергии в вертикальном сечении и важны с точки зрения выбора углов фазирования антенн для регистрации сигналов, несущих информацию о донной структуре и их параметрах. Поскольку при регистрации волн гидроакустической антенной угловое разрешение зависит от ее апертуры, в дальнейшем использованы антенны с различными апертурами, включая и перекрывающие практически весь водный слой. Используемый в антенне пространственный шаг расстановки датчиков варьировался от 5 м до 30 м.
Ниже представлены некоторые результаты модельного эксперимента по исследованию угловых спектров для рассматриваемых моделей среды. На рис. 1 в логарифмическом масштабе (степень потемнения соответствует интенсивности) изображены нормированные на максимальное значение угловые спектры для случая возбуждения поля одиночным гидроакустическим источником и приема сигналов на вертикальную антенну, удаленную от источника на расстояние 4.5 км (рис. 1а) и 9 км (рис. 16). Антенна с апертурой 200 м состоит из 9 гидрофонов с шагом расстановки 25 м и расположена в 25 м от дна. Координатными осями на тоновых картинах являются время задержки (ось X) и угловая координата (ось Т). Численный расчет выполнен применительно к импульсам с несущей частотой 25 Гц и полосой 14 Гц, а в качестве модели дна используется первый из вариантов среды со скоростью
(а)
(б)
2 1
2 4 6
Время задержки, с
-20
-40
-60
-80
-100
-120
246 Время задержки, с
1—20 I—40 —60 —80 — 100 — 120 — 140
/(3)
Рис. 2. Тоновая картина волнового поля на плоскости "время задержки-угол прихода волны" (-90° < 0 < 90°), У5 =
= 0.5 км/с, / = 25 Гц, полоса частот А/ = 14 Гц, дистанция источник-приемная антенна - 4.5 км, межэлементное расстояние в антенне 5 м, апертура: а - 145 м (30 элементов), б - 245 м (50 элементов).
4
3
0
0
(3)
волн сдвига в области второго донного слоя У5 = = 1 км/с. Здесь импульсы, несущие наиболее заметную долю энергии, представляют сигналы старших волноводных мод под углами скольжения, близкими к нулевому (стрелка 1). С ростом времени задержки вступают моды более высоких номеров, углы прихода которых увеличиваются с номером моды. Их запаздывание объясняется более низкими значениями групповых скоростей и связано с частотной дисперсией в гидроакустическом канале. С дисперсией связано и появление ^-образной структуры в текущем угловом спектре волн. Конечная угловая ширина разрешаемых по времени групп мод и небольшой наклон определяются шириной спектра излучаемых импульсных сигналов и уменьшением групповых скоростей с понижением частоты. Наряду с этим на углах от ±40° и больших по модулю наблюдаются приходы и более ранних по времени вступления сигналов, преломленных границами глубоко залегающих слоев.
На рис. 2 приводятся аналогичные зависимости при той же несущей частоте в случае, когда
(3)
У5 = 0.5 км/с и дальность до источника составляет 4.5 км. Текущий угловой спектр на рис. 2а соответствует антенне из 30 гидрофонов, имеющей апертуру 145 м, с расстоянием между элементами 5 м и с 5-метровым удалением от дна. На рис. 26 представленный спектр соответствует более развитой по вертикали антенне с апертурой 245 м, состоящей из 50 гидрофонов, с тем же межэлементным расстоянием и отстоящей от дна на 5 м. Угловой спектр, как видно из этого рисунка, несколько видоизменяется относительно предыду-
щего случая. Как и на последующих рисунках, дающих текущие волновые спектры, стрелкой 1 здесь помечена первая мода гидроакустической волны, стрелкой 2 - несколько импульсов-крат-ников, переносимых преломленными волнами, имеющими более высокие скорости распространения и идущими под углами, большими 40° по модулю. Стрелки 4 указывают на сигналы с увеличивающимся с номером моды временем прихода, природа которых пояснена выше. Веер их углов со временем запаздывания расширяется от нулевого значения до ±40°...±60°. Стрелками 3 обозначены волны, возникающие вследствие многократного проникания через первую донную границу первой и высших гидроакустических мод с преобразованием в ^-волну в первом донном слое. После отражения этих волн от второй донной границы и прохождения первой границы в обратном направлении имеет место волновой обмен с преобразованием в гидроакустическую волну, принимаемую гидрофонами в водной среде. Этим можно объяснить кратность по времени вступления ^-образной структуры текущего углового спектра этих волн.
Сравнение угловых спектров рис. 2а и рис. 26
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.