Научная статья на тему 'К вопросу разработки технологии гидроакустических исследований для экологического мониторинга морского дна мелководных акваторий'

К вопросу разработки технологии гидроакустических исследований для экологического мониторинга морского дна мелководных акваторий Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

140
35
Поделиться

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Тарасов С.П., Коновалова С.С., Куценко А.Н.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «К вопросу разработки технологии гидроакустических исследований для экологического мониторинга морского дна мелководных акваторий»

4. Крутчинский СТ. Структурно-топологические признаки ARC-схем с собственной компенсацией.// Известия вузов, Радиоэлектроника. 1994. Т.37. №1-2. С.38-43.

5. О.Дворников., В. Чеховский. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями. // Chip news №2, 1999, p. 21-24.

УДК 534.222

С.П. Тарасов, С.С. Коновалова, АЛ. Куценко К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОГО ДНА МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЙ

Моря и океаны - это главные ассенизаторы планеты. В морях и океане находит последний приют любая “грязь”, рожденная на Земле. Морская среда обладает драгоценной способностью самоочищаться, когда благодаря работе мириадов бактерий и осаждению на дно, постепенно исчезают все вредные примеси, попавшие в . -. ,

. -ных вод. Содержащиеся в них отходы делят на три категории. Первая - мусор, песок, гравий; вторая - органика в виде взвешенных в воде веществ; третья - растворенные вещества (биогены), среди которых соединения азота, калия, фосфора из продуктов жизнедеятельности, обогащенные фосфатами из моющих средств [1].

Экологическое состояние водной среды внутренних водоемов в значительной мере определяется состоянием и структурой дна и составом донных осадков, часть которых образуется за счет выносных отходов промышленных предприятий.

Одним из главных методов обобщений сведений по дну океана является гео-

. -ных более всего отвечает потребностям акустики океана, поскольку обеспечивает плановое изображение неоднородностей дна океана. В настоящее время для отдельных районов имеются многочисленные карты различной детальности. Но, как , -, -лении неоднородностей различного масштаба. Вся имеющаяся информация об этой структуре сводится к геолого-физическим разрезам.

С целью получения вертикальных разрезов толщи отложений используют грунтовые трубки для отбора проб. Большинство таких устройств состоит из пустотелой трубки с тяжелым грузом в верхней и какого-нибудь приспособления для удержания колонки грунта в нижней ее части. Грунтовые трубки такого типа при погружении на дно моря под действием силы тяжести проникает в отложения на глубину до 3 м.

Контроль параметров морского дна с помощью контактных методов требует значительных временных и материальных затрат. Наиболее удобны дистанционные методы контроля, использующие гидроакустическую аппаратуру. Для этого , -тографировать морское дно, но и оценить структуру, тип, количество, состав дон-

ных осадков и наносов, зафиксировать непрерывный вертикальный разрез, выявить имеющиеся в грунте неоднородности.

Решить проблему экологического контроля на акваториях морей, рек, озер, болот и других водоемов предлагается путем использования специальных гидроакустических средств на основе параметрического излучения [2].

Высокая направленность параметрических приборов при излучении низких, хорошо проникающих в грунт частот, позволяет добиться хорошего разрешения и за счет этого получить детальную информацию об изучаемом участке. В силу своей широкополосности параметрический профилограф способен адаптивно решать задачу профилирования донных отложений, позволяя выбрать оптимальную рабочую частоту в зависимости от вида и типа донного грунта. При этом “озвученный” объем на разных частотах будет одинаковым благодаря свойству постоянства характеристики направленности параметрической антенны в широком частотном .

На основе уравнения гидролокации можно получить выражение для вычисления акустической мощности по каждой из частот накачки, необходимой для регистрации слоя донных осадков, залегающего на глубине к:

у _ 2 • 103 рт • Н • Р • 100,05вн+0,1вУ7^

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

а 0 V2Нст• р2 а V 1(в,у)•^Тгюрс’

где 3 - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на входе тракта обработки, которое обеспечивает регистрацию сигнала с заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги; Рт - эффективное значение акустического давления помехи при стандартных условиях: р=1 кГц, Ар=1 Гц, упр =1; упр - коэффициент концентрации приемной акустической антенны; 0 - общий ко эффициент, учитывающий ослабление сигнала при отражении и прохождении; - коэффициент затухания в грунте; 1(В,у) - интеграл, опи-

сывающий поведение сигнала разностной частоты [3].

Это выражение позволяет рассчитать мощность по каждой из частот накачки, необходимую для стратификации донных осадков с учетом их характеристик, или определить отношение сигнал/помеха, которого можно достичь при разных параметрах зондирующего сигнала и акустических характеристиках донных грунтов.

Уровень необходимой акустической мощности зависит от типа донных осадочных структур, от соотношения их акустических характеристик. На рис.1 представлены частотные зависимости акустической мощности по частотам накачки, необходимой для регистрации границы раздела двух типов грунтов, находящейся на глубине 5 м, для различных сочетаний донных осадков. Кривые 1 и 3 построены при разных коэффициентах отражения и одинаковых коэффициентах затухания в грунте, т.е. в предположении, что пятиметровый слой глинистых осадков с р=1420 кг/м3 и с=1512 м/с лежит над песчаными осадками с р=1560 кг/м3 с=1552 м/с (кривая 1) и над крупнозернистым песком с р=2030 кг/м3 и с=1836 м/с (кривая 3). Чем больше коэффициент отражения границы раздела двух типов грунтов, тем меньшая величина акустической мощности требуется для достижения одинаковых характеристик обнаружения. Кривая 2 построена для случая регистрации глубинных океанических донных структур, а именно - границы раздела между морским илом с р=1370 кг/м3 и с=1507 м/с и песчано-глинистыми осадками с р=1580 кг/м3

и с=1578 м/с, залегающей на пятиметровой глубине от поверхности дна. Различие в акустических сопротивлениях системы донных слоев и изменение коэффициента затухания влияет на энергетические характеристики профилографа и несколько изменяет характер кривой.

0.6-

0

\ \ \ «20 кГц

\ •д

\

10 кП

\

2 V %

\ V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Р =5кП _1

Рис.1

Рис.2

Прогнозировать потенциальные возможности профилографа и оценить диапазон частот, необходимый для работы в конкретной ситуации, позволяют зависимости отношения сигнал/помеха от глубины залегания интересующего слоя донных осадков. На рис.2 представлены зависимости коэффициента распознавания от глубины глинистого осадочного слоя, под которым находится песчаный грунт. Кривые рассчитаны для разностных частот 5, 10, 15, 20 кГц (кривые 1, 2, 3, 4 соответственно). При небольших толщинах верхнего слоя (до 4-5 м) более высокие разностные частоты позволяют получить большее отношение сигнал/помеха с уче-- . При увеличении глубины залегания границы раздела двух типов грунтов отноше-/ , , - . Представленные зависимости позволяют определить оптимальные характеристики параметрического профилографа для разных типов донных осадочных структур и оценить энергетический потенциал в зависимости от параметров зонди, . Метод профилирования донных осадков с целью экологического контроля должен представлять собой комплексное исследование акватории с помощью контактных и дистанционных методов. Исследуемая площадь покрывается сеткой гал, -, . результате исследований должна быть получена своеобразная карта дна исследуемого района в виде вертикальных разрезов, которая позволит оценить структуру, тип, состав донных осадков и определить их изменчивость. Исходя из этого, в определенных местах (количество точек определяется периодом изменчивости струк-) , -рые подвергаются подробному физико-химическому анализу.

Анализ физических свойств осадков проводится как на основе исследований акустических характеристик посредством обработки эхосигналов на ЭВМ, так и путем прямого анализа свойств проб грунта.

Использование технологий гидроакустических исследований с помощью параметрического профилографа позволяет получить сведения об экологическом

состоянии среды на достаточно больших площадях и значительно сократить время проведения экологического мониторинга.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М.: Прогресс, 1982 г. 468 с.

2. . ., . ., . ., . . -

ринг водных районов с использованием технологии гидроакустических исследований. Журнал “Региональная экология” РАН, №2, 1998 Спб, ИСЭП РАН.

3. Новиков Б.К., Руденко ОМ., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. С.264.

УДК 521.222

В.А. Воронин, И.А. Кириченко ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ АЗОВСКОГО МОРЯ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Развитие технических средств экологических исследований и повышение требований к проведению экологического мониторинга водной экосистемы приводит к расширению круга решаемых с помощью гидроакустических , , и физических моделей водной экосистемы. Одной из таких задач является дистанционное зондирование водной среды с целью измерения обратного объемного рассеяния звука в воде как в самой водной среде, так и донных осадках, которые всегда содержат обширную информацию о неоднородностях среды распространения звука.

Для исследования обратного рассеяния звука широко применяются эхолоты [1]. Они позволяют производить измерения на ходу судна и наблюдать пространственную изменчивость рассеянного поля. Такие исследования относятся к методам непрерывного профилирования, базирующихся на решениях общей задачи метода отраженных волн [2]. Однако использование обычных судовых эхолотов дает возможность представить только качественную картину . -ния частотной зависимости акустических свойств рассеяния и то, что подобные исследования проводят на акваториях глубиной более 10м и достаточно обширных, чтобы позволить свободное передвижение судов [2, 3].

Анализируя методы исследований водной экосистемы, можно заключить, что наиболее удобным для большинства задач экологического мониторинга, требующих не только общих количественных и качественных оценок, но и учета пространственной изменчивости водной структуры в широком диапазоне ,

источника звука параметрической излучающей антенны. Преимуществами его являются возможность точного измерения координат неоднородностей водной , , в процессе исследований на ходу судна при предельно малых (0,5-1 м) глуби,