Когерентные методы зондирования морского дна
Стандартный для современной практики морской сейсморазведки подход к решению задачи профилирования донной структуры, содержащей многочисленные отражающие слои, состоит в использовании некогерентных импульсных источников ударного типа (как правило, пневмопушек или искровых разрядников – спаркеров) и протяженных приемных антенных систем (сейсмокос). Мощные пневмопушки обеспечивают высокий уровень сигнала в низкочастотном диапазоне до 100 Гц, который, с учетом характеристики направленности протяженной приемной антенны, оказывается достаточным для достижения требуемых глубин зондирования в несколько километров. Единственным методом увеличения пространственного разрешения при использовании подобных излучателей ударного типа является уменьшение длительности самого сигнала, которая ограничена снизу конструктивными особенностями и составляет не менее 10 мc, что при характерных значениях скорости звуковых волн в донных породах обеспечивает разрешающую способность на уровне десятков метров.
В ИПФ РАН разрабатывается альтернативный подход к построению систем сейсморазведки морского дна на основе когерентных зондирующих сигналов. Типичные варианты выбора таких сигналов – сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазоманипулированные, или псевдослучайные, сигналы. При использовании достаточно широкополосных излучателей, управляемых программируемым образом, выбор тех или иных режимов формирования сигналов не представляет технических проблем. Подобные источники, успешный опыт разработки которых в ИПФ связан с решением различных задач зондирования водной толщи океана, могут рассматриваться как перспективный инструмент морской сейсмоакустики. С их помощью могут быть реализованы согласованная фильтрация и свертка с опорным сигналом, длительное накопление сигнальных последовательностей, синтез протяженной апертуры одиночным приемником (накопление сигналов по пространственной координате) и соответствующие возможности формирования диаграммы направленности.
В целях опытной апробации возможностей когерентных методов морской сейсмоакустики сотрудниками ИПФ РАН и ИО им. П. П. Ширшова РАН были выполнены совместные эксперименты на акватории Каспийского моря с буксируемым приемно-излучающим комплексом (А. И. Малеханов, Л. А. Рыбенков, А. А. Стромков, А. И. Хилько). Использовались гидроакустические излучатели, генерирующие синхронизированные последовательности импульсных ЛЧМ-сигналов в различных частотных полосах (~50–100 Гц) в пределах широкого диапазона от 100 до 1000 Гц (наибольшая мощность излучения ~130 Вт отвечала полосе 180–230 Гц). В качестве приемной системы использовалась стандартная сейсмокоса, состоящая из 25 синфазных гидрофонов (оборудование ИО РАН).
В целях повышения качества реконструкции донной структуры была применена оригинальная методика послойного траекторного накопления импульсов с учетом наклонов отдельных отражающих слоев, которая позволила не только увеличить число импульсов в когерентной последовательности (до 100), но и адаптивно оценить эти наклоны. Большинство принятых сигналов имели при этом низкую помехоустойчивость (не более 0–5 дБ на входе), однако результирующий выигрыш выходного отношения сигнал/шум достигал величины 30 дБ. Это позволило реконструировать структуру донных слоев в интервале глубин до 1000 м, причем слои на глубине свыше 500 м полностью маскировались шумами без использования предложенных процедур обработки. Обработка сигналов, полученных с использованием импульсного некогерентного источника (спаркера), спектр которого занимал полосу низких частот до 100 Гц при сравнимой с когерентным источником мощности, практически не обеспечила разрешение отдельных слоев на тех же глубинах.
Выполненные исследования показали, что сейсмоакустическое зондирование структуры морского дна на глубинах до 1000 м с высоким пространственным разрешением может быть практически реализовано при использовании относительно маломощных (на уровне ~100 Вт) когерентных гидроакустических источников в диапазоне первых сотен герц. Это вполне удовлетворяет требованиям минимизации вредного воздействия на морскую экосистему.
