RU2429507C1 - Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end - Google Patents

Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2429507C1
RU2429507C1 RU2010109970/28A RU2010109970A RU2429507C1 RU 2429507 C1 RU2429507 C1 RU 2429507C1 RU 2010109970/28 A RU2010109970/28 A RU 2010109970/28A RU 2010109970 A RU2010109970 A RU 2010109970A RU 2429507 C1 RU2429507 C1 RU 2429507C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
control unit
output
relief
soil
Prior art date
Application number
RU2010109970/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Петрович Алексеев (RU)
Сергей Петрович Алексеев
Сергей Борисович Курсин (RU)
Сергей Борисович Курсин
Павел Григорьевич Бродский (RU)
Павел Григорьевич Бродский
Константин Георгиевич Ставров (RU)
Константин Георгиевич Ставров
Валерий Павлович Леньков (RU)
Валерий Павлович Леньков
Владимир Васильевич Чернявец (RU)
Владимир Васильевич Чернявец
Юрий Николаевич Жуков (RU)
Юрий Николаевич Жуков
Виктор Сергеевич Аносов (RU)
Виктор Сергеевич Аносов
Василий Алексеевич Воронин (RU)
Василий Алексеевич Воронин
Сергей Павлович Тарасов (RU)
Сергей Павлович Тарасов
Original Assignee
Сергей Петрович Алексеев
Сергей Борисович Курсин
Павел Григорьевич Бродский
Константин Георгиевич Ставров
Валерий Павлович Леньков
Владимир Васильевич Чернявец
Юрий Николаевич Жуков
Виктор Сергеевич Аносов
Василий Алексеевич Воронин
Сергей Павлович Тарасов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Петрович Алексеев, Сергей Борисович Курсин, Павел Григорьевич Бродский, Константин Георгиевич Ставров, Валерий Павлович Леньков, Владимир Васильевич Чернявец, Юрий Николаевич Жуков, Виктор Сергеевич Аносов, Василий Алексеевич Воронин, Сергей Павлович Тарасов filed Critical Сергей Петрович Алексеев
Priority to RU2010109970/28A priority Critical patent/RU2429507C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2429507C1 publication Critical patent/RU2429507C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention may be used in executing meteorological interpolations including analysis of wind fields, radiological and chemical contamination, topographical interpolations and solving other problems, for example, research of ocean, applied problems caused by necessity in sea bed mapping to support research and design works in sea areas.
EFFECT: expanded performances, higher validity of reconstruction.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам пространственной интерполяции восстановления рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством эхолокаторов и может быть использовано при выполнении метеорологических интерполяций, включая анализ ветровых полей, анализ радиологического и химического загрязнения, топографические интерполяции и другие.The invention relates to methods for spatial interpolation of the restoration of the seabed topography with discrete depth measurements by sonar and can be used when performing meteorological interpolations, including analysis of wind fields, analysis of radiological and chemical pollution, topographic interpolations and others.

Известно устройство для распознавания морского грунта путем измерения параметров эхо-сигнала при зондировании дна прямоугольными импульсами [1]. В зависимости от типа грунта эхо-сигнал при нормальном падении на дно изменяет свою форму в широких пределах от теоретически неискаженного прямоугольного импульса на монолитах до существенно широкого импульса с весьма пологим фронтом и длительностью, в несколько раз превышающей длительность посылки на грунте, представляющим собой жидкую массу. В качестве информативного параметра используется крутизна фронта нарастания эхо-сигнала, которая измеряется и сравнивается с заранее проградуированной сеткой с нанесенными на нее границами жесткости для различных типов грунта. Так как практически невозможно перекрыть зондирующими сигналами всю исследуемую площадь, то для дальнейшего построения поверхности рельефа дна или получения рельефа некоторой двумерной скалярной геопространственной характеристики применяют методы линейной и нелинейной интерполяции (см., например, Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М., ВИНИТИ, 1999, №11, с.13). Помимо основного недостатка, заключающегося в низкой достоверности распознавания морского грунта, обусловленной тем, что крутизна нарастания эхо-сигнала определяется главным образом акустическими свойствами границы раздела вода/грунт, а не всей толщины грунта, то при наличии на поверхности жидкого грунта неровностей или каменистых отложений крутизна нарастания фронта эхо-сигнала определяется отражательными свойствами неровностей или отложений, что приводит к получению завышенных значений жесткости грунта, а в сочетании с последующим восстановлением поверхности рельефа по интерполяции измерений может привести к необоснованным решениям и, следовательно, к существенным потерям в реализации конкретной задачи.A device for recognizing sea soil by measuring the parameters of the echo signal when probing the bottom with rectangular pulses [1]. Depending on the type of soil, the echo signal during normal incidence to the bottom changes its shape over a wide range from a theoretically undistorted rectangular pulse on monoliths to a substantially wide pulse with a very shallow front and a duration several times longer than the duration of sending on the ground, which is a liquid mass . As an informative parameter, the steepness of the echo signal rise front is used, which is measured and compared with a pre-graded grid with stiffness boundaries plotted on it for different types of soil. Since it is almost impossible to cover the entire area under investigation with probing signals, linear and nonlinear interpolation methods are used to further construct the bottom topography surface or obtain a topography of a certain two-dimensional scalar geospatial characteristic (see, for example, Problems of the environment and natural resources. M., VINITI, 1999, No. 11, p.13). In addition to the main disadvantage, which is the low reliability of recognition of sea soil, due to the fact that the steepness of the increase in the echo signal is determined mainly by the acoustic properties of the water / soil interface, and not the entire thickness of the soil, then in the presence of irregularities or stony deposits on the surface of the liquid soil the rise of the echo signal front is determined by the reflective properties of irregularities or deposits, which leads to higher values of soil stiffness, and in combination with the subsequent restoration of the relief surface by interpolation of measurements can lead to unreasonable decisions and, consequently, to significant losses in the implementation of a specific task.

В известном техническом решении [2], представляющим собой эхолокатор для распознавания морских грунтов, благодаря тому, что определяется степень физического состояния грунта по величине удлинения эхоимпульса, исходя из зависимости удлинения эхо-сигнала от физико-механических характеристик грунта обеспечивается повышение точности определения параметров отражающей границы и достоверности результатов измерений по сравнению с техническим решением [1]. Однако восстановление рельефа по всей исследуемой поверхности сводится к применению формального метода интерполяции по измеренным величинам, что приводит к существенным потерям в реализации конкретной задачи.In the known technical solution [2], which is an echo sounder for recognizing sea soils, due to the fact that the degree of the physical condition of the soil is determined by the magnitude of the elongation of the echo pulse, based on the dependence of the elongation of the echo signal on the physical and mechanical characteristics of the soil, the accuracy of determining the parameters of the reflecting boundary is improved and the reliability of the measurement results compared with the technical solution [1]. However, the restoration of the relief over the entire investigated surface is reduced to the application of the formal method of interpolation from the measured values, which leads to significant losses in the implementation of a specific task.

В известном способе [3], представляющем собой способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора и фазовый гидролокатор бокового обзора для его осуществления, включающем излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки синфазных сигналов, угла бортовой качки носителя антенн и определение по полученным данным направлений прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем, в котором измеряют время задержки прихода отраженного гидроакустического сигнала по вертикали, определяют время задержки прихода тех же синфазных сигналов в случае их отражения от ровной поверхности дна по каждому расчетному направлению в соответствии с математическим выражением с определением сходимости вычисленных и измеренных значений времени задержки.In the known method [3], which is a method for determining water depths by a side-scan phase sonar and a side-view phase sonar for its implementation, including emitting a sonar signal to the bottom and receiving the reflected signals at two points located vertically at a given distance, measuring time delays of common-mode signals, pitch angle of the antenna carrier and determination of the directions of arrival of common-mode signals and the desired depths of the water area using the received data m, in which the arrival delay time of the reflected hydroacoustic signal is measured vertically, the arrival delay time of the same common-mode signals is determined in case of reflection from the flat bottom surface in each calculated direction in accordance with the mathematical expression with the convergence of the calculated and measured values of the delay time.

Определение сходимости вычисленных и измеренных значений позволяет уменьшить погрешность определения глубины акватории при проведении съемки рельефа дна акватории. Однако реализация данного способа требует выполнения предварительных вычислений для определения расчетных направлений, что обеспечивается при условии использования результатов ранее проводимых съемок на данной акватории. Так как с течением времени структура поверхности грунта не остается постоянной в силу изменчивости гидродинамических геофизических факторов, то использование расчетных данных не всегда является корректным и может привести к существенным погрешностям получения конечных результатов при съемке рельефа дна. Кроме того, восстановление рельефа дна по всей исследуемой поверхности, как и в известных технических решениях [1, 2], сводится к применению формального метода интерполяции по измеренным дискретным величинам, что приводит к существенным потерям в реализации конкретных задач, в частности при формализации результатов измерений в картографическую продукцию.Determining the convergence of the calculated and measured values allows us to reduce the error in determining the depth of the water area when surveying the topography of the bottom of the water area. However, the implementation of this method requires preliminary calculations to determine the estimated directions, which is ensured provided that the results of previous surveys in this area are used. Since over time, the structure of the soil surface does not remain constant due to the variability of hydrodynamic geophysical factors, the use of calculated data is not always correct and can lead to significant errors in obtaining the final results when shooting the bottom topography. In addition, restoration of the bottom topography over the entire investigated surface, as in the well-known technical solutions [1, 2], reduces to the use of the formal interpolation method for the measured discrete values, which leads to significant losses in the implementation of specific tasks, in particular when formalizing the measurement results in cartographic products.

При использовании известных способов решение задачи восстановления рельефа сводится к построению непрерывной двумерной функции, проходящей через измеренные дискретные значения глубины. При этом на первом этапе производится триангулирование точек измерения, т.е. на множестве точек измерения вводится отношения "близости" точек, а на втором этапе строится собственно искомая функция, как композиция элементарных весовых функций (линейных или нелинейных). При такой обработке исходной информации свойства рельефа никак не учитываются, и в процессе обработки возникают артефакты ложных гребней и ложбин в форме рельефа, и, следовательно, именно на этом этапе нарушается морфологический способ восстановления рельефа.When using known methods, the solution to the relief reconstruction problem is reduced to constructing a continuous two-dimensional function passing through the measured discrete depth values. At the same time, at the first stage, triangulation of measurement points is performed, i.e. on the set of measurement points, the relations of "proximity" of the points are introduced, and at the second stage, the actual desired function is constructed, as a composition of elementary weight functions (linear or nonlinear). With such processing of the initial information, the properties of the relief are not taken into account in any way, and during processing, artifacts of false ridges and hollows in the form of a relief appear, and, therefore, at this stage the morphological method of restoration of the relief is violated.

Выявленных недостатков лишен известный способ восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств, установленных на подвижных морских объектах, включающий измерение глубины с определением поправки, обусловленной местом установки гидроакустического средства, определение вертикального распределения скорости звука в воде по отраженным сигналам путем получения данных о триангуляции точек наблюдений с последующей их интерполяцией, восстановление формы рельефа дна, построение поверхности дна, в котором при определении поправки дополнительно измеряют доплеровский сдвиг частоты опорного сигнала гидроакустического лага, определяют скорость подвижного морского объекта посредством приемоиндикатора радио и спутниковых навигационных систем, при этом определение вертикального распределения скорости звука в воде выполняют по временным рядам плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей водной среды и дна, путем регистрации всех приходящих сигналов, рассеянных от внутренних неоднородностей морской среды, от момента посылки звукового импульса до момента прихода отраженного от дна сигнала с формированием временного ряда плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей морской среды и дна в соответствии с зависимостью U(Z=0,t), где Z - глубина в моменты времени t, а скорость звука в воде C(Z) определяют путем решения обратной задачи рассеяния, дополнительно регистрируют низкочастотные волны посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, восстановление формы рельефа выполняют по относительным изменениям высоты рельефа в соответствии с неравенствомThe identified shortcomings are deprived of the known method of restoring the seabed topography when measuring depths using sonar tools installed on moving marine objects, including measuring the depth with the correction determined by the installation site of the sonar tool, determining the vertical distribution of the speed of sound in water by reflected signals by obtaining data on triangulation observation points with their subsequent interpolation, restoration of the bottom topography, surface construction d in which, when determining the correction, the Doppler frequency shift of the reference signal of the hydroacoustic lag is additionally measured, the speed of the moving marine object is determined by the radio receiver and satellite navigation systems, and the vertical distribution of the speed of sound in water is determined by time series of the sound energy density reflected from internal heterogeneities of the aquatic environment and the bottom, by recording all incoming signals scattered from the internal heterogeneities of the marine food, from the moment of sending a sound pulse to the moment of arrival of the signal reflected from the bottom with the formation of a time series of the density of sound energy reflected from the internal inhomogeneities of the marine environment and the bottom in accordance with the dependence U (Z = 0, t), where Z is the depth at times t, and the speed of sound in water C (Z) is determined by solving the inverse scattering problem, additionally low-frequency waves are recorded by means of artificially excited high-frequency pump waves, the relief shape is restored by relative measurements eniyam relief height in accordance with the inequality

|h(r2)-h(r1)|<A|r2-r1|λ, где h(r2)-h(r1) - разность высот в двух пространственных точках r1, r2; А (постоянная Гельдера), λ (показатель Гельдера) - положительные числа; 0<λ≤1. при этом выполняют оценку точности восстановления рельефа по величине относительного изменения высоты рельефа в зависимости от пространственного масштаба, при построении рельефа поверхности дна данные о триангуляции точек наблюдений интерпретируются в виде структуры неориентированного графа с определением длин (весов) ребер графа, а устройство для осуществления способа, представляющее собой гидролокатор для определения глубин акватории, содержащее функционально соединенные первую и вторую антенны, одна из которых излучающая, а вторая приемная, формирующие приемоизлучающие каналы, вычислитель, блок управления, в котором блок управления соединен с приемоизлучающими каналами, вычислителем, в которое дополнительно введены формирователь сигналов накачки, графопостроитель, параметрический излучающий тракт, который своим выходом соединен с излучающей антенной, а входом соединен с выходом формирователя накачки, который своим выходом соединен с выходом блока управления, графопостроитель своими входами соединен с выходами вычислителя и блока управления [4].| h (r 2 ) -h (r 1 ) | <A | r 2 -r 1 | λ , where h (r 2 ) -h (r 1 ) is the height difference at two spatial points r 1 , r 2 ; A (Helder constant), λ (Helder exponent) - positive numbers; 0 <λ≤1. at the same time, the accuracy of the relief reconstruction is estimated by the value of the relative change in the height of the relief depending on the spatial scale, when constructing the bottom surface relief, the data on the triangulation of observation points are interpreted as a structure of an undirected graph with the definition of the lengths (weights) of the edges of the graph, and the device for implementing the method, which is a sonar to determine the depths of the water area, containing functionally connected first and second antennas, one of which is emitting, and the second a receiving paradise forming receiving-radiating channels, a calculator, a control unit in which the control unit is connected to receiving-radiating channels, a calculator, into which an additional pump driver, a plotter, a parametric radiating path are connected, which is connected to the radiating antenna by its output, and the output is connected to the output a pump former, which is connected by its output to the output of the control unit, the plotter is connected by its inputs to the outputs of the calculator and control unit [4].

В отличие от известных технических решений [1, 2, 3], в которых определение поправки выполняется путем определения средней вертикальной скорости распространения звука в воде посредством определения гидрологических параметров путем измерения температуры и солености на стандартных горизонтах или путем измерения скорости распространения звука в воде на разных горизонтах путем установки дополнительных датчиков в водной среде, соединенных линией связи с носителем измерительной аппаратуры глубины, в известном техническом решении [4] дополнительно измеряют доплеровский сдвиг опорного сигнала и скорость движения носителя по внешним источникам информации, по которым определяют среднюю вертикальную скорость распространения звука в водной среде, по полученным значениям которой определяют поправку, что обеспечивает возможность непрерывного контроля за изменением средней вертикальной скорости распространения звука в морской воде в процессе выполнения мониторинга за состоянием Мирового океана, упрощает процесс определения средней вертикальной скорости распространения звука в водной среде с требуемой точностью для определения поправок измеренных значений глубин, а также исключает необходимость применения специальной дополнительной аппаратуры.In contrast to the known technical solutions [1, 2, 3], in which the correction is determined by determining the average vertical velocity of sound in water by determining hydrological parameters by measuring temperature and salinity at standard horizons or by measuring the speed of sound in water at different horizons by installing additional sensors in the aquatic environment, connected by a communication line with the carrier of the depth measuring equipment, in the well-known technical solution [4] The Doppler shift of the reference signal and the velocity of the medium are accurately measured using external information sources, which determine the average vertical speed of sound propagation in the aquatic environment, the values of which determine the correction, which allows continuous monitoring of changes in the average vertical speed of sound propagation in seawater in the process of monitoring the state of the oceans, simplifies the process of determining the average vertical velocity of propagation of stars it is indicated in the aquatic environment with the required accuracy to determine the corrections of the measured depth values, and also eliminates the need for special additional equipment.

При использовании данного способа выполняются требования к точности определения глубины при промерных работах, установленные действующими нормативными документами в части обеспечения судоходства, что обусловлено возможностью измерения доплеровского сдвига опорного сигнала гидроакустического лага и скорости движения носителя измерительной аппаратуры глубины по внешним источникам информации, по которым определяют среднюю вертикальную скорость распространения звука в водной среде.When using this method, the accuracy requirements for determining the depth during surveying are established, established by the current regulatory documents regarding shipping, due to the ability to measure the Doppler shift of the reference signal of the sonar lag and the speed of the carrier of the measuring equipment depth from external information sources, which determine the average vertical sound propagation speed in the aquatic environment.

Восстановление формы рельефа дна по дискретным измерениям выполняют путем интегральных преобразований, что не приводит к увеличению ошибок наблюдений в исходных данных при обработке в отличие от известных методов, имеющих дифференциальный характер.The restoration of the shape of the bottom topography from discrete measurements is carried out by integral transformations, which does not lead to an increase in the observation errors in the initial data during processing, in contrast to the known methods of a differential nature.

Методы обработки наборов однородных полиномов являются наиболее разработанными методами в компьютерной алгебре, а комбинаторный метод анализа геопространственных полей по точечным измерениям позволяет решать прикладные задачи с учетом пространственно-временной динамики этих полей.Methods for processing sets of homogeneous polynomials are the most developed methods in computer algebra, and the combinatorial method of analyzing geospatial fields by point measurements allows us to solve applied problems taking into account the spatio-temporal dynamics of these fields.

Применение известного способа восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств, установленных на подвижных морских объектах [4] в основном ограничено решением двух технических задач - это выполнение съемки рельефа дна с последующим составлением карт для обеспечения судоходства и определение средней вертикальной скорости распространения звука в водной среде на разных горизонтах для изучения процессов перемещения водных слоев.The application of the known method for reconstructing the seabed topography when measuring depths using sonar tools installed on moving marine objects [4] is mainly limited by the solution of two technical problems — this is surveying the bottom topography with subsequent mapping to ensure navigation and determining the average vertical speed of sound propagation in aquatic environment at different horizons to study the processes of movement of water layers.

В то же время имеется ряд задач, включающих проведение экологического состояния морских акваторий в местах расположения морских нефтегазовых терминалов и определение параметров границ загрязненных акваторий и континентальных шельфов и определения биоресурсов.At the same time, there are a number of tasks, including carrying out the ecological state of marine water areas at the locations of offshore oil and gas terminals and determining the parameters of the boundaries of contaminated water areas and continental shelves and determining bioresources.

Определение параметров границ континентального шельфа требует выполнения работ по инвентаризации и составлению берегового кадастра прибрежной зоны, включая составление карт кадастровой съемки и топографических планов.Determining the parameters of the boundaries of the continental shelf requires inventory and compilation of the coastal cadastre of the coastal zone, including the compilation of cadastral mapping and topographic plans.

Отсутствие карт кадастровой съемки и топографических планов морских акваторий континентального шельфа с правовой точки зрения затрудняет прибрежное гидротехническое строительство, что связано с определением границ прибрежной зоны. Кроме того, существуют возможные коллизии при определении границ морских водоохранных зон и прибрежных защитных полос, которые в соответствии с Водным кодексом РФ 2006 г. в редакции Федерального закона от 14.07.2008 №118-ФЗ отсчитываются от линии максимального прилива.The lack of cadastral survey maps and topographic plans of the continental shelf marine areas from a legal point of view complicates coastal hydraulic engineering construction, which is associated with determining the boundaries of the coastal zone. In addition, there are possible collisions in determining the boundaries of marine water protection zones and coastal protection zones, which, in accordance with the Water Code of the Russian Federation in 2006 as amended by Federal Law of July 14, 2008 No. 118-FZ, are counted from the maximum tide line.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей с одновременным повышением достоверности восстановления формы рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством эхолокатора.The objective of the proposed technical solution is to expand the functionality while increasing the reliability of restoring the shape of the topography of the seabed with discrete depth measurements using sonar.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств, установленных на подвижных морских объектах, включающем измерение глубины с определением поправки, обусловленной местом установки гидроакустического средства, определение вертикального распределения скорости звука в воде по отраженным сигналам путем получения данных о триангуляции точек наблюдений с последующей их интерполяцией, восстановление формы рельефа дна, построение поверхности дна, при определении поправки дополнительно измеряют доплеровский сдвиг частоты опорного сигнала гидроакустического лага, определяют скорость подвижного морского объекта посредством приемоиндикатора радио и спутниковых навигационных систем, при этом определение вертикального распределения скорости звука в воде выполняют по временным рядам плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей водной среды и дна, путем регистрации всех приходящих сигналов, рассеянных от внутренних неоднородностей морской среды, от момента посылки звукового импульса до момента прихода отраженного от дна сигнала с формированием временного ряда плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей морской среды и дна в соответствии с зависимостью U(Z=0,t), где Z - глубина в моменты времени t, а скорость звука в воде C(Z) определяют путем решения обратной задачи рассеяния, дополнительно регистрируют низкочастотные волны посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, восстановление формы рельефа выполняют по относительным изменениям высоты рельефа в соответствии с неравенствомThe problem is solved due to the fact that in the method of restoring the topography of the seabed when measuring depths using hydroacoustic means installed on moving marine objects, including measuring depth with the determination of the correction due to the installation location of the hydroacoustic means, determining the vertical distribution of the speed of sound in water by reflected signals by obtaining data on the triangulation of observation points with their subsequent interpolation, restoring the shape of the bottom topography, building the bottom surface, when determining the correction, the Doppler frequency shift of the reference signal of the hydroacoustic lag is additionally measured, the speed of the moving sea object is determined by the radio receiver and satellite navigation systems, and the vertical distribution of the speed of sound in water is determined by the time series of the density of sound energy reflected from internal inhomogeneities aquatic environment and the bottom, by recording all incoming signals scattered from internal heterogeneities of the marine food, from the moment of sending a sound pulse to the moment of arrival of the signal reflected from the bottom with the formation of a time series of the density of sound energy reflected from the internal inhomogeneities of the marine environment and the bottom in accordance with the dependence U (Z = 0, t), where Z is the depth at times t, and the sound speed in water C (Z) is determined by solving the inverse scattering problem, additionally low-frequency waves are recorded by means of artificially excited high-frequency pump waves, the relief shape is restored by relative changes the height of the relief in accordance with the inequality

|h(r2)-h(r1)|<A|r2-r1|λ, где h(r2)-h(r1) - разность высот в двух пространственных точках r1, r2; А (постоянная Гельдера), λ (показатель Гельдера) - положительные числа; 0<λ≤1, при этом выполняют оценку точности восстановления рельефа по величине относительного изменения высоты рельефа в зависимости от пространственного масштаба, при построении рельефа поверхности дна данные о триангуляции точек наблюдений интерпретируются в виде структуры неориентированного графа с определением длин (весов) ребер графа, в котором в отличие от прототипа дополнительно в период формирования временных рядов плотности звуковой энергии определяют число эхо-сигналов от зарегистрированных неоднородностей, одновременно с профилированием дна гидролокатором выполняют профилирование дна высокочастотным профилографом, низкочастотным параметрическим профилографом и многолучевым эхолотом, определяют колебания уровня моря, определяют прочностные характеристики грунта по измеренным коэффициентам сопротивления и трения от береговой линии до границ континентального шельфа, формируют кадастровые карты с учетом восстановленного рельефа дна и карты разрезов грунта по прочностным характеристикам грунта, при визуализации зарегистрированной области рельефа дна выполняют вывод геопространственных данных в двумерном и трехмерном представлении в виде структуры данных в формате SVG, построение профиля рельефа по разрезу выполняется путем интерполяции точек вертикального разреза грунта в виде рациональных двумерных сплайн-функций NURBS, аппроксимацию характерных точек разреза выполняют на основе кубического сплайна с нулевыми граничными производными, при картировании результатов характеристик грунтов континентального шельфа наносят геодезические координаты точек установки пенетрометров с отображением разрезов грунта, при этом расстояние между разрезами не превышает половины минимального диаметра неоднородностей, а при регистрации неоднородностей частота измерений на разрезах составляет более 1/8÷1/10 диаметра неоднородностей, а устройство для осуществления способа, представляющее собой гидролокатор для определения глубин акватории, содержащее функционально соединенные первую и вторую антенны, одна из которых излучающая, а вторая приемная, формирующие приемоизлучающие каналы, вычислитель, блок управления, в котором блок управления соединен с приемоизлучающими каналами, вычислителем, в которое дополнительно введены формирователь сигналов накачки, графопостроитель, параметрический излучающий тракт, который своим выходом соединен с излучающей антенной, а входом соединен с выходом формирователя накачки, который своим выходом соединен с выходом блока управления, графопостроитель своими входами соединен с выходами вычислителя и блока управления, в отличие от прототипа дополнительно введены второй гидролокатор бокового обзора, многоканальный генератор зондирующих импульсов, многоканальный приемник эхо-сигналов, блок функционального управления, многолучевой эхолот, высокочастотный профилограф, низкочастотный параметрический профилограф, блок пенетрометров, блок мареографов, блок визуализации, при этом низкочастотный параметрический профилограф своими входами соединен с выходом формирователя сигналов накачки и выходом многоканального генератора зондирующих импульсов, который другими выходами соединен со входами второго гидролокатора бокового обзора, высокочастотного профилографа и многолучевого эхолота соответственно, многоканальный приемник эхо-сигналов своими выходами соединен с входами блока функционального управления, который своим выходом соединен со входом вычислителя и входом выходом с входом-выходом блока управления, блок мареографов и блок пенетрометров по гидроакустическому каналу связи соединены с блоком функционального управления, блок визуализации своими входами соединен с выходами блока функционального управления, блока управления, вычислителя и графопостроителя соответственно.| h (r 2 ) -h (r 1 ) | <A | r 2 -r 1 | λ , where h (r 2 ) -h (r 1 ) is the height difference at two spatial points r 1 , r 2 ; A (Helder constant), λ (Helder exponent) - positive numbers; 0 <λ≤1, at the same time, the accuracy of the relief reconstruction is estimated from the value of the relative change in the height of the relief depending on the spatial scale; when constructing the relief of the bottom surface, the data on the triangulation of observation points are interpreted as the structure of an undirected graph with the definition of the lengths (weights) of the edges of the graph, in which, unlike the prototype, in addition to the period of formation of time series of the density of sound energy, the number of echo signals from the recorded inhomogeneities is determined, simultaneously with By profiling the bottom by sonar, the bottom is profiled by a high-frequency profilograph, a low-frequency parametric profilograph and a multi-beam echo sounder, sea level fluctuations are determined, soil strength characteristics are determined from the measured drag and friction coefficients from the coastline to the borders of the continental shelf, cadastral maps are formed taking into account the reconstructed relief of the bottom and map soil strength characteristics of the soil, when visualizing the registered area of relief d do not output geospatial data in a two-dimensional and three-dimensional representation as a data structure in SVG format, the construction of the elevation profile along the section is carried out by interpolating points of the vertical section of the soil in the form of rational two-dimensional NURBS spline functions, the approximation of the characteristic section points is performed on the basis of a cubic spline with zero boundary derivatives, when mapping the results of soil characteristics of the continental shelf, the geodetic coordinates of the points of installation of penetrometers with the image of the sections of the soil, while the distance between the sections does not exceed half the minimum diameter of the heterogeneities, and when recording heterogeneities, the measurement frequency on the sections is more than 1/8 ÷ 1/10 of the diameter of the heterogeneities, and the device for implementing the method, which is a sonar to determine the depths of the water area, containing functionally connected first and second antennas, one of which is emitting, and the second receiving, forming receiving-emitting channels, a computer, a control unit, in which the control is connected to the receiving-emitting channels, a calculator, which additionally includes a pump driver, a plotter, a parametric radiating path, which is connected by its output to a radiating antenna, and an input is connected to the output of a pump driver, which is connected to the output of the control unit by its output, and a plotter with its inputs connected to the outputs of the calculator and the control unit, in contrast to the prototype, a second side-scan sonar, a multi-channel generator are additionally introduced probe pulses, a multi-channel echo receiver, a functional control unit, a multi-beam echo sounder, a high-frequency profilograph, a low-frequency parametric profilograph, a penetrometer block, a tide gauge unit, a visualization unit, while a low-frequency parametric profilograph is connected to the output of the pump driver and the output of the multi-channel probe generator pulses, which other outputs are connected to the inputs of the second side-scan sonar, high-frequency profile a raf and a multi-beam echo sounder, respectively, its multi-channel echo signal receiver is connected to the inputs of the functional control unit by its output, which is connected by its output to the input of the computer and the input to the output / input of the control unit, the unit of tide gauges and the block of penetrometers are connected to the functional block by the sonar channel control unit visualization of its inputs is connected to the outputs of the functional control unit, control unit, calculator and plotter, respectively.

Новые отличительные признаки заявляемого технического решения, заключающиеся в том, что дополнительно в период формирования временных рядов плотности звуковой энергии определяют число эхо-сигналов от зарегистрированных неоднородностей, одновременно с профилированием дна гидролокатором выполняют профилирование дна высокочастотным профилографом, низкочастотным параметрическим профилографом и многолучевым эхолотом, определяют прочностные характеристики грунта по измеренным коэффициентам сопротивления и трения от береговой линии до границ континентального шельфа, формируют кадастровые карты с учетом восстановленного рельефа дна и карты разрезов грунта по прочностным характеристикам грунта, при визуализации зарегистрированной области рельефа дна выполняют вывод геопространственных данных в двумерном и трехмерном представлении в виде структуры данных в формате SVG, построение профиля рельефа по разрезу выполняется путем интерполяции точек вертикального разреза грунта в виде рациональных двумерных сплайн-функций NURBS, аппроксимацию характерных точек разреза выполняют на основе кубического сплайна с нулевыми граничными производными, при картировании результатов характеристик грунтов континентального шельфа наносят геодезические координаты точек установки пенетрометров с отображением разрезов грунта, при этом расстояние между разрезами не превышает половины минимального диаметра неоднородностей, а при регистрации неоднородностей частота измерений на разрезах составляет более 1/8÷1/10 диаметра неоднородностей, а устройство для осуществления способа, представляющее собой гидролокатор для определения глубин акватории, содержащее функционально соединенные первую и вторую антенны, одна из которых излучающая, а вторая приемная, формирующие приемоизлучающие каналы, вычислитель, блок управления, в котором блок управления соединен с приемоизлучающими каналами, вычислителем, в которое дополнительно введены формирователь сигналов накачки, графопостроитель, параметрический излучающий тракт, который своим выходом соединен с излучающей антенной, а входом соединен с выходом формирователя накачки, который своим выходом соединен с выходом блока управления, графопостроитель своими входами соединен с выходами вычислителя и блока управления, в отличие от прототипа дополнительно введены второй гидролокатор бокового обзора, многоканальный генератор зондирующих импульсов, многоканальный приемник эхо-сигналов, блок функционального управления, многолучевой эхолот, высокочастотный профилограф, низкочастотный параметрический профилограф, блок пенетрометров, блок мареографов, блок визуализации, при этом низкочастотный параметрический профилограф своими входами соединен с выходом формирователя сигналов накачки и выходом многоканального генератора зондирующих импульсов, который другими выходами соединен со входами второго гидролокатора бокового обзора, высокочастотного профилографа и многолучевого эхолота соответственно, многоканальный приемник эхо-сигналов своими выходами соединен с входами блока функционального управления, который своим выходом соединен со входом вычислителя и входом выходом с входом-выходом блока управления, блок мареографов и блок пенетрометров по гидроакустическому каналу связи соединены с блоком функционального управления, блок визуализации своими входами соединен с выходами блока функционального управления, блока управления, вычислителя и графопостроителя соответственно, позволяют решить задачи экологического мониторинга, определения биоресурсов, определения параметров границ континентального шельфа.New distinctive features of the proposed technical solution, namely, that in addition to the period of formation of time series of the density of sound energy, the number of echo signals from the recorded inhomogeneities is determined, while the bottom is profiled with a sonar, the bottom is profiled with a high-frequency profilograph, a low-frequency parametric profilograph and a multipath echo sounder, and strength soil characteristics by measured drag and friction coefficients from the coastline to the borders of the continental shelf, cadastral maps are formed taking into account the restored bottom topography and soil sections maps according to the strength characteristics of the soil; when visualizing the registered bottom topography region, geospatial data is output in two-dimensional and three-dimensional representation as a data structure in SVG format, and a relief profile is plotted along the section is performed by interpolating the points of the vertical section of the soil in the form of rational two-dimensional spline functions NURBS, approximation of the characteristic points of the section They are performed on the basis of a cubic spline with zero boundary derivatives, when mapping the soil characteristics of the continental shelf, the geodetic coordinates of the penetrometer installation points are plotted with the soil sections displayed, while the distance between the sections does not exceed half the minimum diameter of the inhomogeneities, and when recording heterogeneities, the measurement frequency at the sections is more than 1/8 ÷ 1/10 of the diameter of the inhomogeneities, and the device for implementing the method, which is a sonar for determining the depths of the water area, containing the first and second antennas functionally connected, one of which is emitting, and the second receiving, forming receiving-emitting channels, a calculator, a control unit, in which the control unit is connected to receiving-radiating channels, a calculator, into which an additional pump driver, plotter , a parametric radiating path, which is connected by its output to the radiating antenna, and by an input connected to the output of a pump former, which is connected by its output with the output of the control unit, the plotter is connected to the outputs of the calculator and the control unit by its inputs, in contrast to the prototype, a second side-scan sonar, a multi-channel probe pulse generator, a multi-channel echo signal receiver, a functional control unit, a multi-beam echo sounder, a high-frequency profiler, and a low-frequency parametric are additionally introduced profiler, block of penetrometers, block of tide gauges, block of visualization, while the low-frequency parametric profiler with its inputs it is single with the output of the pump signal generator and the output of the multi-channel probe pulse generator, which is connected to the inputs of the second side-scan sonar, high-frequency profilograph and multi-beam echo sounder, respectively, with the other outputs connected to the inputs of the functional control unit with its output connected to the output the input of the calculator and the input output with the input-output of the control unit, the unit of tide gauges and the block of penetrometers by hydroacoustic anal connection connected to the function control unit, imaging unit its inputs connected to the outputs of the function control unit, a control unit, and calculating a plotter, respectively, allow to solve the environmental monitoring task, determination of biological resources, determining the parameters of the continental shelf.

Новые отличительные признаки из известного уровня техники не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".No new distinguishing features from the prior art have been identified, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the condition of patentability "inventive step".

Сущность предлагаемого способа и устройства для его осуществления поясняется чертежами (фиг.1, фиг.2).The essence of the proposed method and device for its implementation is illustrated by drawings (figure 1, figure 2).

Фиг.1. Блок-схема устройства включает формирователь сигналов накачки 1, предназначенный для формирования двухчастотных зондирующих сигналов накачки с заданной длительностью и заданной модуляцией, формирование импульсов синхронизации и сигналов стробирования приемного тракта, параметрический излучающий тракт 2, предназначенный для усиления сигналов накачки по обеим частотам до номинального уровня (при этом в отдельных каналах может осуществляться коррекция фаз амплитуд), излучающий преобразователь накачки 3, предназначенный для преобразования электрических сигналов в акустические сигналы необходимой характеристики направленности, приемную антенну сигналов разностной частоты 4, предназначенную для формирования характеристики направленности для приема и образования акустических волн разностной частоты в электрические сигналы, приемный тракт 5, предназначенный для предварительной обработки принятых сигналов и усиления их до уровня, необходимого для регистрации принятых сигналов, графопостроитель 6, блок управления 7, вычислитель 8, гидроакустический лаг 9, многолучевой эхолот 10, высокочастотный профилограф 11, низкочастотный параметрический профилограф 12, блок пенетрометров 13, блок мареографов 14, многоканальный генератор зондирующих импульсов 15, многоканальный приемник эхо-сигналов 16, второй гидролокатор бокового обзора 17, блок визуализации 18.Figure 1. The block diagram of the device includes a pump signal generator 1, designed to generate two-frequency probe pump signals with a given duration and a given modulation, the formation of synchronization pulses and gate signals of the receiving path, a parametric radiating path 2, designed to amplify the pump signals at both frequencies to the nominal level ( at the same time, in individual channels, phase correction of the amplitudes can be carried out), the emitting pump converter 3, designed to convert the use of electrical signals into acoustic signals of the necessary directivity characteristics, a receiving antenna of differential frequency signals 4, designed to generate directivity characteristics for receiving and generating acoustic waves of a differential frequency into electrical signals, receiving path 5, intended for preliminary processing of received signals and amplifying them to a level, necessary for registration of received signals, plotter 6, control unit 7, calculator 8, sonar log 9, multipath sounder 10, a high frequency profiler 11, a low-frequency parametric profiler 12 penetrometer block 13, block 14 gauges, multi sounding pulse generator 15, a multichannel receiver echo signal 16, a second side-scan sonar 17, imaging unit 18.

Фиг.2. Алгоритм визуализации зарегистрированной области рельефаFigure 2. Visualization algorithm for the registered terrain area

Принципиальные схемы и принцип работы устройств 1-9 аналогичны принципиальным схемам и принципу работы устройств прототипа [4].Schematic diagrams and the principle of operation of devices 1-9 are similar to the circuit diagrams and the principle of operation of the devices of the prototype [4].

Многолучевой эхолот 10 предназначен для поиска рыбных скоплений, количественной оценки запасов и профилирования дна на рабочей частоте 204 кГц, при ширине характеристики направленности 6×10 градусов и 12×20 градусов и длительности импульсов 50, 200, 500 мкс в диапазонах глубины 5, 10, 20, 50, 100 и 200 м.The multi-beam echo sounder 10 is designed to search for fish accumulations, quantify stocks and bottom profiling at an operating frequency of 204 kHz, with a directivity characteristic width of 6 × 10 degrees and 12 × 20 degrees and pulse durations of 50, 200, 500 μs in depth ranges 5, 10, 20, 50, 100 and 200 m.

Второй гидролокатор бокового обзора 17, как и первый (устройство прототипа), предназначен для съемки рельефа дна по второму борту судна и поиска и количественной оценки рыбных скоплений и одиночных рыб в стороне от судна. Рабочая частота гидролокаторов составляет 286 и 320 кГц, ширина характеристики направленности 1,5×50 и 3×50 градусов при длительности импульсов 50, 100 мкс и 1 мс в диапазоне глубин 10, 20, 50, 100 и 200 м.The second side-scan sonar 17, like the first (prototype device), is designed to capture the bottom topography on the second side of the vessel and to search and quantify fish aggregations and single fish away from the vessel. The working frequency of sonars is 286 and 320 kHz, the width of the directivity characteristics is 1.5 × 50 and 3 × 50 degrees with pulse durations of 50, 100 μs and 1 ms in the depth range of 10, 20, 50, 100 and 200 m.

Высокочастотный профилограф 11 предназначен для точного профилирования рельефа дна.High-frequency profilograph 11 is designed for accurate profiling of the bottom topography.

Низкочастотный параметрический профилограф 12 предназначен для профилирования придонных осадков с рабочими частотами 10 и 150 кГц, при ширине характеристики направленности 3×4 градуса и длительности импульсов 0,5, 1 и 2 мс в диапазоне глубин 10, 20, 50, 100 и 200 м.The low-frequency parametric profilograph 12 is designed for profiling bottom sediments with operating frequencies of 10 and 150 kHz, with a directivity characteristic width of 3 × 4 degrees and pulse durations of 0.5, 1 and 2 ms in the depth range of 10, 20, 50, 100 and 200 m.

Многоканальный генератор зондирующих импульсов 15 содержит излучающие тракты многолучевого эхолота 10 первого и второго гидролокаторов бокового обзора, генераторы накачки низкочастотного параметрического профилографа 12.The multi-channel probe pulse generator 15 contains the emitting paths of the multi-beam echo sounder 10 of the first and second side-scan sonars, pump generators of a low-frequency parametric profilograph 12.

Многоканальный приемник эхо-сигналов 16 содержит приемные тракты многолучевого эхолота 10 первого и второго гидролокаторов бокового обзора высокочастотного профилографа 11, низкочастотного параметрического профилографа 12, четыре сигнальных процессора, предназначенных для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и первичную обработку этих сигналов, интерфейс связи, схему управления, формирователь сигналов, схему временной автоматической регулировки усиления и преобразователя сигналов датчиков.The multi-channel echo receiver 16 contains the receiving paths of the multi-beam echo sounder 10 of the first and second side-scan sonars of a high-frequency profilograph 11, a low-frequency parametric profilograph 12, four signal processors designed to convert analog signals to digital form and primary processing of these signals, a communication interface, a control circuit , a signal shaper, a temporary automatic gain control circuit and a sensor signal converter.

Пенетрометр 13 предназначен для определения ненарушенных структур грунта в условиях его естественного залегания и представляет собой конусовидный снаряд, оснащенный датчиками, которые под воздействием силы тяжести или с помощью бура заглубляются в грунт. По измеренным коэффициентам сопротивления и трения определяются прочностные характеристики грунта. В зависимости от рабочей глубины в диапазоне 0,5-2000 м используется набор датчиков с глубиной проникновения в грунт на расстояние от 3 до 20 м. Аналогами являются пенетрометры типа ТМ - 153 и СРТ.The penetrometer 13 is designed to determine undisturbed soil structures in the conditions of its natural occurrence and is a cone-shaped projectile equipped with sensors that are buried under the influence of gravity or with the help of a drill. The measured resistance and friction coefficients determine the strength characteristics of the soil. Depending on the working depth in the range of 0.5-2000 m, a set of sensors is used with a penetration depth of 3 to 20 m into the ground. Analogs are penetrometers of the ТМ - 153 and СРТ type.

Мареограф 14 предназначен для регистрации колебаний уровня моря. В зависимости от глубины водной среды используются автоматические мареографы типа АМП-20 и АММ-200.Mareograph 14 is designed to record fluctuations in sea level. Depending on the depth of the aquatic environment, automatic gauges such as AMP-20 and AMM-200 are used.

Для получения ежесуточной информации о характере колебаний уровня моря мареографы устанавливают в разных точках морской среды в направлении от береговой линии. Информация, зарегистрированная мареографами, используется для исправления измеренных глубин при съемке рельефа дна на акваториях, где уровневые посты обычного типа не обеспечивают достаточной точности или использование их затруднено, а также для определения характера прилива и его гармонических составляющих при решении задач, связанных с безопасной эксплуатацией морских терминалов, включая нефтегазовые месторождения. Результаты измерений транслируются на судно по радио и гидроакустическому каналу связи.To obtain daily information about the nature of sea level fluctuations, tide gauges are installed at different points in the marine environment in the direction from the coastline. The information recorded by the tide gauges is used to correct the measured depths when surveying the bottom topography in water areas where conventional level posts do not provide sufficient accuracy or are difficult to use, and also to determine the nature of the tide and its harmonic components in solving problems associated with the safe operation of marine terminals, including oil and gas fields. The measurement results are transmitted to the ship via radio and sonar communication channel.

Блок визуализации 18 представляет собой аппаратные вычислительные и видеосредства с программным обеспечением для отображения выбранной информации (подводные пики, впадины, магистральные трубопроводы, области загрязнения, разрезы грунта, продукты биосферы) в двумерном или трехмерном представлении.The visualization unit 18 is a hardware computing and video tools with software for displaying the selected information (underwater peaks, depressions, trunk pipelines, pollution areas, soil sections, biosphere products) in two-dimensional or three-dimensional representation.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

При движении судна на заданной акватории съемки рельефа дна галсами, расположенными от береговой линии в сторону моря, посредством первого и второго гидролокаторов бокового обзора, установленных с правого и левого бортов судна, выполняют съемку рельефа дна, поиск и количественную оценку продуктов биосферы (как скоплений, так и единичных экземпляров), посредством многолучевого эхолота 10 выполняют профилирование дна и поиск продуктов биосферы, посредством высокочастотного профилографа 11 выполняют профилирование дна, посредством низкочастотного параметрического профилографа 12 выполняют профилирование придонных осадков. Синхронно с зондированием поверхности дна и процессом определения глубин определяют вертикальную скорость распространения звука в водной среде посредством гидроакустического лага 9, посредством блока мареографов 14 определяют колебания уровня моря и посредством штатных судовых приемоиндикаторов спутниковых или радионавигационных систем определяют координаты и скорость судна.When a vessel moves in a given area of survey of the bottom topography with tacks located from the coastline towards the sea, using the first and second side-scan sonars installed from the right and left sides of the ship, bottom topography is surveyed, and the biosphere products (such as clusters, single instances), by means of a multi-beam echo sounder 10, profiling of the bottom and searching for biosphere products are performed, by means of a high-frequency profilograph 11, profiling of the bottom is performed by means of a low -frequency parametric profiler 12 operates profiling of bottom sediments. In parallel with the sensing of the bottom surface and the process of determining the depths, the vertical speed of sound propagation in the aquatic environment is determined using the sonar lag 9, the sea level fluctuations are determined using the unit of tide gauges 14, and the coordinates and speed of the vessel are determined by means of standard ship receiver indicators of satellite or radio navigation systems.

По полученным данным определяют поправку к глубинам по известным зависимостям и алгоритмам и вводят ее в вычислитель 8. Измеренные значения глубин обрабатывают по известным алгоритмам, как и в прототипе. По измеренным значениям скорости звука в воде в вертикальной плоскости определяют поле скорости звука. Определение вертикального распределения скорости звука в воде по временным рядам плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей водной среды и дна, выполняют, как и в прототипе, путем регистрации всех приходящих сигналов, рассеянных от внутренних неоднородностей морской среды, от момента посылки звукового импульса до момента прихода отраженных от дна сигналов с формированием временного ряда плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей морской среды и дна. При этом скорость звука в воде определяют путем решения обратной задачи рассеяния с регистрацией низкочастотных волн накачки посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, по которым судят о взаимной ориентации взаимодействующих волн и величине параметра нелинейности среды.According to the data obtained, the correction to the depths is determined by the known dependencies and algorithms and introduced into the calculator 8. The measured depths are processed by known algorithms, as in the prototype. From the measured values of the speed of sound in water in a vertical plane, the sound velocity field is determined. The determination of the vertical distribution of the speed of sound in water over time series of the density of sound energy reflected from the internal inhomogeneities of the aquatic environment and the bottom is performed, as in the prototype, by recording all incoming signals scattered from the internal inhomogeneities of the marine environment, from the moment of sending a sound pulse to the moment the arrival of signals reflected from the bottom with the formation of a time series of the density of sound energy reflected from the internal inhomogeneities of the marine environment and the bottom. In this case, the speed of sound in water is determined by solving the inverse scattering problem with registration of low-frequency pump waves by means of artificially excited high-frequency pump waves, which are used to judge the relative orientation of the interacting waves and the value of the medium nonlinearity parameter.

Далее выполняется обработка временных рядов и процедура определения параметров сложно-неоднородной среды согласно алгоритмам, предложенным в прототипе.Next, the processing of time series and the procedure for determining the parameters of a complex heterogeneous medium according to the algorithms proposed in the prototype are performed.

По полученным дискретным измерениям значений глубин, а также с учетом коэффициентов рассеяния звука дном определяют класс функций, к которому принадлежит рельеф.Based on the obtained discrete measurements of the depths, as well as taking into account the scattering coefficients of the sound, the bottom determines the class of functions to which the relief belongs.

Проведенные исследования формы рельефа в различных пространственных масштабах (согласно протипа) показали, что относительные изменения высоты рельефа степенным образом связанны с пространственным масштабом в видеStudies of the shape of the relief at different spatial scales (according to the prototype) showed that the relative changes in the height of the relief are power-law related to the spatial scale in the form

|h(r2)-h(r1)|<A|r2-r1|λ, где| h (r 2 ) -h (r 1 ) | <A | r 2 -r 1 | λ , where

h(r2)-h(r1) - разность высот в двух пространственных точках;h (r 2 ) -h (r 1 ) is the height difference at two spatial points;

r1, r2, А (постоянная Гельдера), λ (показатель Гельдера) - положительные числа; 0<λ≤1.r 1 , r 2 , A (Helder constant), λ (Helder exponent) - positive numbers; 0 <λ≤1.

При этом искомая функция Н(r) выражается в виде обратного преобразования Фурье:In this case, the desired function H (r) is expressed as the inverse Fourier transform:

Н(х,у)=ℑ(F(ζ)), где ζ - оператор обратного преобразования Фурье,H (x, y) = ℑ (F (ζ)), where ζ is the operator of the inverse Fourier transform,

Figure 00000001
.
Figure 00000001
.

Здесь i - мнимая единица, ξ=(cosφ, sinφ),Here i is the imaginary unit, ξ = (cosφ, sinφ),

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

k=0,1,2…k = 0,1,2 ...

ЗдесьHere

Figure 00000003
- преобразование Радона функции H(x, y) на (х, у)∈R×R=Ω, т.е. интегральное преобразование, относящее функции Н(х, у) на Ω ее интегралы по всевозможным прямым (относительно евклидовой длины): х=-tsinφ+pcosφ; у=tcosφ+psinφ.
Figure 00000003
is the Radon transform of the function H (x, y) on (x, y) ∈R × R = Ω, i.e. the integral transformation relating the function H (x, y) to Ω its integrals over all possible straight lines (with respect to Euclidean length): x = -tsinφ + pcosφ; y = tcosφ + psinφ.

Для финитной функции Н(х, у) в односвязной области Ω точность оценки будет лучше точности традиционных процедур интерполяции.For a finite function H (x, y) in a simply connected domain Ω, the accuracy of the estimate will be better than the accuracy of traditional interpolation procedures.

Определяют погрешность Θ(Н) восстановления рельефа в виде максимального значения абсолютной величины разности между истинной поверхностью и восстановленной:The error Θ (N) of the relief reconstruction is determined as the maximum value of the absolute value of the difference between the true surface and the restored one:

Figure 00000004
, где К - общее число первых моментов, обеспеченных точностью. Точности оценки моментов δ(Ik) будут определяться структурой расположения точек измерения.
Figure 00000004
where K is the total number of first moments ensured by accuracy. The accuracy of the moment estimation δ (I k ) will be determined by the arrangement of the measurement points.

Для оптимального распределенных точек (измерений), которые всегда можно определить на исходном множестве точек (см. например, Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. М., Наука, 1969, с.288.) точность оценки момента для нормированной функции выбирается в соответствии с выражением δ(Ik)≤2/Nk.For optimal distributed points (measurements), which can always be determined on the initial set of points (see, for example, Sobol I. M. Multidimensional quadrature formulas and Haar functions. M., Nauka, 1969, p. 288.) The accuracy of the moment estimate for the normalized function is selected in accordance with the expression δ (I k ) ≤2 / Nk.

Восстановление формы рельефа морского дна может выполняться после каждой серии дискретных измерений.The restoration of the shape of the relief of the seabed can be performed after each series of discrete measurements.

При исследовании подводных объектов, например морских участков магистральных трубопроводов, по зарегистрированным эхо-сигналам подводные объекты различают по их частотным характеристикам и оценивают их размер по интервалу частот между минимальными и максимальными значениями силы цели на частотных зависимостях (см., например: Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. Основы и применения. М.: Мир, 1980, - 580 с.). При этом величина силы цели анализируется в зависимости от произведения ka, где а - радиус цели, k=2π/λ - волновое число. Для акустически жестких объектов сферической формы величина силы цели в промежуточной области между релеевским и геометрическим рассеяниями, т.е. в области, где 1<ka<10, колеблется, асимптотически приближаясь к своему постоянному значению при ka>>1 (см., например: Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение. 1978. - 448 с.). Причина этих колебаний, как показали теоретические и экспериментальные исследования, заключается в переизлучении поверхностных и дифрагированных волн, которые вносят свой вклад в процесс формирования эхо-сигнала наряду с зеркальным отражением. Возникающая интерференция между указанными типами волн при достаточной длительности зондирующих импульсов приводит к осцилляциям в частотных зависимостях силы цели. Уровень этих осцилляций, количество, интервал между ними определяются физическими параметрами объекта, его геометрическими размерами, что позволяет использовать в качестве одного из простых и достаточно информативных признаков классификации и частотную зависимость силы цели. Оценка размеров объектов в совокупности с учетом абсолютной величины силы цели является вполне достаточной для того, чтобы различать объекты по их габаритам и на основании этого принимать решение о принадлежности к тому или иному классу.When researching underwater objects, for example, offshore sections of trunk pipelines, underwater signals are distinguished by recorded echo signals according to their frequency characteristics and their size is estimated by the frequency interval between the minimum and maximum values of the target force on the frequency dependences (see, for example: Clay K., Medvin G. Acoustic Oceanography, Fundamentals and Applications, Moscow: Mir, 1980, 580 p.). The magnitude of the target’s strength is analyzed depending on the product ka, where a is the radius of the target, k = 2π / λ is the wave number. For acoustically rigid objects of a spherical shape, the magnitude of the target force in the intermediate region between Rayleigh and geometric scattering, i.e. in the region where 1 <ka <10, fluctuates, asymptotically approaching its constant value for ka >> 1 (see, for example: Urik R.J. Fundamentals of hydroacoustics. L .: Shipbuilding. 1978. - 448 p.). The reason for these oscillations, as shown by theoretical and experimental studies, is the re-emission of surface and diffracted waves, which contribute to the process of echo formation along with specular reflection. The resulting interference between these types of waves with a sufficient duration of the probe pulses leads to oscillations in the frequency dependences of the target force. The level of these oscillations, the number, and the interval between them are determined by the physical parameters of the object, its geometric dimensions, which makes it possible to use the frequency dependence of the target force as one of the simple and fairly informative signs of classification. Assessing the size of objects together, taking into account the absolute magnitude of the target’s strength, is quite sufficient to distinguish objects by their dimensions and, on the basis of this, make a decision about belonging to a particular class.

При выполненных экспериментальных исследованиях задача рассеяния звука на акустически жесткой упругой сфере, находящейся за областью эффективного нелинейного взаимодействия волн, решалась в соответствии с известной методикой (см., например: У.К.Метсавээр, Я.А.Векслер, Н.Д.Кутсер. Эхо-сигналы от упругих объектов. Таллин: Академия наук ЭССР, 1974, 214 с.), которая позволяет исследовать с достаточной степенью точности звуковые поля отражающих объектов в однородной среде в случаях, когда можно пренебречь эффектом нелинейного взаимодействия отраженных от объекта волн накачки. Эти случаи включают в себя вариант рассеяния от тел, расположенных в дальней зоне параметрической антенны, либо рассеяния от сфер, расположенных в однородной среде, обладающей значительным поглощением для волн накачки, например в водонасыщенном однородном иле.In the performed experimental studies, the problem of sound scattering on an acoustically rigid elastic sphere located beyond the region of effective nonlinear wave interaction was solved in accordance with the well-known technique (see, for example, W.K. Metsaveer, Ya.A. Veksler, N.D. Kutser Echo signals from elastic objects. Tallinn: Academy of Sciences of the ESSR, 1974, 214 pp.), Which makes it possible to study with a high degree of accuracy the sound fields of reflecting objects in a homogeneous medium in cases where the effect of nonlinear reflection interaction can be neglected. pump waves generated from the object. These cases include the option of scattering from bodies located in the far zone of the parametric antenna, or scattering from spheres located in a homogeneous medium with significant absorption for pump waves, for example, in a water-saturated homogeneous silt.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что для объектов, выполненных из в виде сплошной стальной сферы, форма отраженного сигнала зависит от соотношения между диаметром сферы и длиной акустической волны. В случае использования сфер из акустически мягкого материала (пенопласта) или полой наполненной воздухом сферы с тонкой стенкой форма отраженных импульсов в местах минимумов на частотных зависимостях силы цели отличается от формы импульса, отраженного от сплошной сферы, что позволяет по форме огибающей эхо-сигнала отличать сферы, выполненные из акустически жестких и мягких материалов.An analysis of the results of experimental studies showed that for objects made in the form of a solid steel sphere, the shape of the reflected signal depends on the ratio between the diameter of the sphere and the length of the acoustic wave. In the case of using spheres of acoustically soft material (foam) or a hollow sphere filled with air with a thin wall, the shape of the reflected pulses in the places of the minima in the frequency dependences of the target force differs from the shape of the pulse reflected from the solid sphere, which makes it possible to distinguish the spheres from the shape of the echo envelope made of acoustically hard and soft materials.

Количественная оценка продуктов биосферы выполняется по нескольким алгоритмам в зависимости от структуры и плотности скопления биопродукта.Quantitative assessment of biosphere products is carried out according to several algorithms depending on the structure and density of the bioproduct accumulation.

Алгоритм количественной оценки в общем случае определяет переход от числа эхо-сигналов к абсолютной величине - числу биопродуктов, для чего определяется нормированная величина - средняя плотность скопления. Закономерности распределения плотности скопления биопродуктов по глубине определяются путем разделения диапазона на слои и вычисления плотности скопления для каждого слоя.In general, the quantitative estimation algorithm determines the transition from the number of echo signals to the absolute value - the number of biological products, for which a normalized value is determined - the average density of the cluster. The patterns of depth distribution of accumulation of biological products by depth are determined by dividing the range into layers and calculating the density of accumulation for each layer.

В частности, оценка количественных характеристик разреженных скоплений проводится на основе выражения для средней плотности разреженного скопления (см., например: Ермольчев В.А. Эхо-счетные и эхо-интегрирующие системы для количественной оценки рыбных скоплений. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - c.193):In particular, the quantitative characteristics of rarefied clusters are estimated on the basis of the expression for the average density of a rarefied cluster (see, for example: Ermolchev V.A. Echo-counting and echo-integrating systems for quantifying fish clusters. - M.: Food Industry, 1979 . - p. 193):

Figure 00000005
,
Figure 00000005
,

где K1 - число эхо-сигналов от биопродуктов из слоя 1;where K 1 is the number of echo signals from biological products from layer 1;

S - сечение зоны действия эхолота, м;S is the cross section of the sonar area, m;

Н - толщина скопления, м;H is the thickness of the cluster, m;

Q - частота повторения излучаемых сигналов;Q is the repetition rate of the emitted signals;

Т - время прохождения судна над скоплением, час;T - the time of passage of the vessel over the cluster, hour;

m - количество слоев.m is the number of layers.

При рассеянных скоплениях используется метод прямого эхо-счета.For open clusters, the direct echo counting method is used.

По измеренным коэффициентам сопротивления и трения посредством блока пенетрометров 13 определяют прочностные характеристики грунта.The measured resistance and friction coefficients using the block of penetrometers 13 determine the strength characteristics of the soil.

Пенетрометры представляют собой конусовидные снаряды, оснащенные датчиками, которые под действием силы тяжести или с помощью бура заглубляются в грунт и устанавливаются с судна в направлении от береговой линии вглубь моря. При этом измеряют коэффициенты сопротивления и трения, по которым определяют прочностные характеристики грунта на нескольких горизонтах по глубине грунта в диапазоне от 3 до 20 м по всей длине акватории от береговой линии. При последующем анализе устанавливают структуру грунта и выносят суждение о принадлежности той или иной структуры подводного грунта к структуре грунта континентального шельфа.Penetrometers are cone-shaped shells equipped with sensors that, under the influence of gravity or with the help of a drill, are buried in the ground and are installed from the vessel in the direction from the coastline inland. In this case, the drag and friction coefficients are measured, which determine the strength characteristics of the soil at several horizons along the soil depth in the range from 3 to 20 m along the entire length of the water area from the coastline. In the subsequent analysis, the structure of the soil is established and a judgment is made on whether a particular structure of the underwater soil belongs to the soil structure of the continental shelf.

Картирование информации осуществляется нанесением геодезических координат точек отражения гидроакустических сигналов от морского дна на планшет, который строится путем сопряжения топографических и навигационных растровых карт в следующей последовательности:Information mapping is carried out by applying the geodetic coordinates of the reflection points of hydroacoustic signals from the seabed onto a tablet, which is built by pairing topographic and navigation raster maps in the following sequence:

- растр навигационной карты в проекции Меркатора подвергается векторизации береговой линии навигационной карты;- the raster of the navigation map in the Mercator projection is subjected to vectorization of the coastline of the navigation map;

- выполняется выборка участка, соответствующего морской акватории, на которой производится съемка рельефа дна с учетом векторизации береговой линии навигационной карты;- a site is selected that corresponds to the marine area on which the bottom topography is recorded taking into account the vectorization of the coastline of the navigation map;

- производится запись в итоговый растр навигационной карты;- a record is made in the final raster of the navigation map;

- растр топографической карты в проекции Гаусса-Крюгера приводится к масштабу навигационной карты;- the raster of the topographic map in the Gauss-Kruger projection is reduced to the scale of the navigation map;

- выполняется преобразование координат проекции Гаусса-Крюгера в географические координаты;- the coordinates of the Gauss-Kruger projection are converted into geographical coordinates;

- выполняется преобразование географических координат в координаты проекции Меркатора;- the conversion of geographical coordinates to the coordinates of the Mercator projection is performed;

- производится выборка участка растра, соответствующего сухопутной (береговой) области;- a raster plot is selected that corresponds to the land (coastal) region;

- выполняется запись в итоговый растр топографической карты;- the topographic map is written to the final raster;

- по результатам записей в итоговые растры навигационной и топографической карты строится итоговая растровая карта совмещенной навигационной и топографической информации в Меркаторской проекции;- based on the results of recordings in the final rasters of the navigation and topographic map, the final raster map of the combined navigation and topographic information in the Mercator projection is built;

- на итоговой растровой карте, выводимой на устройство индикации, также отображается путь судна.- on the final raster map displayed on the display device, the path of the vessel is also displayed.

При картировании результатов характеристик грунтов континентального шельфа наносят геодезические координаты точек установки пенетрометров с отображением разрезов грунта. При этом расстояние между разрезами не превышает половины минимального диаметра неоднородностей, а при регистрации неоднородностей частота измерений на разрезах составляет более 1/8÷1/10 диаметра неоднородностей.When mapping the results of soil characteristics of the continental shelf, the geodetic coordinates of the points of penetrometer installation are plotted with the display of soil sections. In this case, the distance between the sections does not exceed half the minimum diameter of the inhomogeneities, and when recording heterogeneities, the measurement frequency on the sections is more than 1/8 ÷ 1/10 of the diameter of the inhomogeneities.

Обработка и визуализация зарегистрированных областей рельефа дна, грунта, подводных объектов, продуктов биосферы осуществляется посредством вычислителя 8, графопостроителя 6 и блока визуализации 18.Processing and visualization of the registered areas of the bottom, soil, underwater objects, biosphere products is carried out using a computer 8, plotter 6 and visualization unit 18.

При визуализации зарегистрированной области рельефа дна, данные для VRML интерпретатора (фиг.2) формируются в оперативной памяти компьютера вычислительного устройства с последующей загрузкой в интерпретатор. Для чего в загрузочный VRML файл включен узел JavaScript, функции которого контролируют область видимого пространства. Программными инструментами для картографической визуализации служат структуры данных в формате SVG, который поддерживает векторные и растровые данные. Отображение в браузере данных в формате SVG осуществляется интерпретатором декларативного языка SVG. Данные в структуре SVG формируются аналогично формированию данных в формате VRML. На основе данных в структуре XML (геопространственная информация, включающая координаты местонахождения относительно береговой линии морских терминалов, их габаритные размеры и т.д.), получаемых от базы данных по запросу, проводится конвертация в памяти браузера в структуру SVG с помощью XSLT-T. Для одновременного представления геопространственных данных в двумерном и трехмерном представлении осуществляется поддержка синхронизации навигации по той и другой сцене. На картографической сцене отображается прямоугольник, соответствующий текущей области пространства, данные о которой загружены в память интерпретатора VRML. Синхронизация со стороны SVG осуществляется на основе функций JavaScript, встроенных в SVG и HTML. Так как синхронизацию со стороны VRML осуществить сложнее, то в загрузочный файл VRML включен узел JavaScript с навигационными функциями, не позволяющими трехмерному изображению выходить за рамки окна зрения и постоянно отслеживающими координаты окна зрения. Эти координаты служат необходимой информацией для синхронизации с картографической сценой, которая возможна с использованием таймера HTML.When visualizing the registered region of the bottom topography, the data for the VRML interpreter (Fig. 2) is formed in the RAM of the computer of the computing device with subsequent loading into the interpreter. For this purpose, a JavaScript node is included in the boot VRML file, whose functions control the area of visible space. Software tools for cartographic visualization are data structures in the SVG format, which supports vector and raster data. The display in the browser of data in the SVG format is carried out by the interpreter of the declarative language SVG. The data in the SVG structure is generated similarly to the formation of data in the VRML format. Based on the data in the XML structure (geospatial information, including location coordinates relative to the coastline of marine terminals, their overall dimensions, etc.) received from the database upon request, they are converted in browser memory to SVG using XSLT-T. For the simultaneous presentation of geospatial data in a two-dimensional and three-dimensional representation, support is provided for synchronization of navigation across one and the other scene. A rectangle corresponding to the current region of space is displayed on the cartographic scene, the data of which is loaded into the memory of the VRML interpreter. Synchronization from the side of SVG is based on JavaScript functions built into SVG and HTML. Since synchronization on the part of VRML is more difficult, a JavaScript node is included in the VRML boot file with navigation functions that do not allow a three-dimensional image to go beyond the viewport and constantly monitor the coordinates of the viewport. These coordinates serve as necessary information for synchronization with the cartographic scene, which is possible using the HTML timer.

Система навигации построена с использованием альтернативного по отношению к известной технологии GA принципа организации точки наблюдения трехмерной сцены, в которой используется стандартный принцип - точка наблюдения расположена вне сцены и при навигации сцена неподвижна, а изменяются координаты точки наблюдения и угол наблюдения. При этом центр вращения явно не определяется, что и является одной из причин потери изображения при навигации. В используемой технологии точка наблюдения находится постоянно в центре окна наблюдения и визуализируется небольшим трехгранником осей, а начало трехгранника всегда является центром вращения изображения и при навигации сцена перемещается относительно этого центра.The navigation system is constructed using an alternative principle to the observation point of a three-dimensional scene, which is alternative to the well-known GA technology, in which the standard principle is used - the observation point is located outside the scene and the scene is stationary during navigation, and the coordinates of the observation point and the viewing angle are changed. In this case, the center of rotation is not clearly determined, which is one of the reasons for the loss of image during navigation. In the technology used, the observation point is constantly in the center of the observation window and is visualized by a small trihedral of axes, and the beginning of the trihedron is always the center of rotation of the image and when navigating the scene moves relative to this center.

В модуле визуализации 18 также отображаются области рельефа дна и разрезов подводного грунта. При этом выполняют интерполяцию точек высот (глубин) методами двумерных сплайн-функций, а конкретно в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов (NURBS) (см. например: Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. М., Физатлит, 2002, - 472 с.). Преимуществом такого метода является выполнение интерполяции точек высот в виде двумерных рациональных двумерных сплайн-функций NURBS, что позволяет построить гладкую поверхность для любой формы рельефа, даже для обрывов с отрицательным углом наклона. Во-вторых, поверхность рельефа задается аналитической зависимостью, т.е. конечным набором параметров фиксированного набора функций (полиномиальных сплайнов). Аналитическая форма задания рельефа, т.е. в виде суперпозиции аналитических функций от двух переменных, позволяет использовать весь аппарат дифференциальной геометрии для описания морфометрических свойств рельефа, например вычисления значения функции (высота, глубина) или ее дифференциала (уклон) в любой точке (точках) области задания функции. В-третьих, NURBS обеспечивают возможность локального редактирования формы поверхности. Кроме того, для одной и той же области земли объем массива данных ЦМР при использовании NUBRS будет как минимум на порядок меньше, чем при традиционном точечном представлении. Применение NURBS повышает эффективность визуализации зарегистрированной и фондовой информации за счет уменьшения времени обработки и требуемого объема памяти. Применение NURBS в вычислительной технике уже давно свершившийся факт: в графических пакетах всех операционных систем встроены алгоритмы обработки и визуализации NURBS, например в графических пакетах низкого уровня: DirectX и OpenGL для Windows. Однако при построении ЦМР возникают препятствия, связанные с эффектом возникновения в некоторых ситуациях нарушения монотонности в изменении поверхности - локальное появление ложных осцилляций. В конкретной технической реализации это препятствие устраняется либо путем добавления новых точек в массив для интерполяции, либо путем использования методов изогеометрической аппроксимации сплайнами (см., например: Квасов Б.И. Методы изогеометрической аппроксимации сплайнами. - М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». Институт компьютерных исследований. 2006. - 416 с.).The visualization module 18 also displays areas of bottom topography and sections of underwater soil. In this case, interpolation of height points (depths) is carried out by the methods of two-dimensional spline functions, and specifically in the form of two-dimensional irregular rational fundamental splines (NURBS) (see, for example: Golovanov N.N. Geometric modeling. M., Fizatlit, 2002, 472 s .). The advantage of this method is the interpolation of elevation points in the form of two-dimensional rational two-dimensional spline-functions NURBS, which allows you to build a smooth surface for any shape of the relief, even for cliffs with a negative angle of inclination. Secondly, the surface of the relief is determined by the analytical dependence, i.e. a finite set of parameters of a fixed set of functions (polynomial splines). The analytical form of the terrain assignment, i.e. in the form of a superposition of analytic functions of two variables, it allows you to use the entire apparatus of differential geometry to describe the morphometric properties of the relief, for example, calculating the value of a function (height, depth) or its differential (slope) at any point (points) of the domain of the function. Third, NURBS provides the ability to locally edit surface shapes. In addition, for the same area of the earth, the DEM data array using NUBRS will be at least an order of magnitude smaller than with the traditional point representation. The use of NURBS increases the efficiency of visualization of registered and stock information by reducing processing time and the required amount of memory. The use of NURBS in computing has long been a fact: in the graphics packages of all operating systems, NURBS processing and visualization algorithms are integrated, for example, in low-level graphics packages: DirectX and OpenGL for Windows. However, when constructing a DTM, there are obstacles associated with the effect of the occurrence in some situations of a violation of monotony in surface changes — the local appearance of false oscillations. In a specific technical implementation, this obstacle is eliminated either by adding new points to the array for interpolation, or by using methods of isogeometric approximation by splines (see, for example: B. Kvasov. Methods of isogeometric approximation by splines. - M. - Izhevsk: Research Center “Regular and chaotic dynamics. "Institute for Computer Research. 2006. - 416 p.).

В первом случае разрешение проблемы связано с повышением значимости работы эксперта в итерационной процедуре построения NURBS, во втором - с существенным усложнением математических алгоритмов технологии.In the first case, the solution to the problem is associated with an increase in the expert’s work in the iterative procedure for constructing NURBS, in the second, with a significant complication of the mathematical algorithms of the technology.

В предлагаемом способе реализована технология построения ЦМР на основе NURBS в виде итерационной экспертной автоматизированной процедуры. В качестве языка программирования использован язык MatLab. В этой системе качество построения ЦМР определяется путем экспертного сравнения положения изолиний, вычисленных по NURBS, с положением соответствующих изогипс (изобат) на исходной карте.The proposed method implements the technology of building a DEM based on NURBS in the form of an iterative expert automated procedure. The programming language used is the MatLab language. In this system, the quality of DEM construction is determined by expert comparison of the position of contours calculated according to NURBS with the position of the corresponding isohypses (isobaths) on the original map.

В конкретной реализации предлагаемого способа источником информации о рельефе служат растровые карты.In a specific implementation of the proposed method, raster maps serve as a source of terrain information.

В общем случае при аппроксимации профиля рельефа одномерными сплайнами следует задавать значения двух первых производных в конечных точках разреза. Однако такая информация неизвестна, и получить ее на практике нельзя. Поэтому в качестве базового сплайна для аппроксимации профиля рельефа по разрезу использован простейший кубический сплайн с нулевыми граничными производными. Ввиду того что не существует никаких явно заданных двумерных сплайнов, так как нельзя построить бесконечную систему алгебраических уравнений для согласования двух первых производных по всем направлениям на смежных границах двух кусков сплайновой поверхности, то построение двумерной сплайн-функции производится с использованием тензорного произведения одномерных сплайнов (см., например: Завьялов Ю.С.. Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. - Л. - М.: Наука, 1980. - 350 с.).In the general case, when approximating the profile of the relief with one-dimensional splines, one should specify the values of the first two derivatives at the end points of the section. However, such information is unknown, and it is impossible to obtain it in practice. Therefore, the simplest cubic spline with zero boundary derivatives was used as the base spline for approximating the relief profile along the section. Due to the fact that there are no explicitly defined two-dimensional splines, since it is impossible to construct an infinite system of algebraic equations for matching the first two derivatives in all directions at the adjacent boundaries of two pieces of a spline surface, the construction of a two-dimensional spline function is performed using the tensor product of one-dimensional splines (see ., for example: Zavyalov Yu.S. Kvasov B.I., Miroshnichenko V.L. Methods of spline functions. - L. - M .: Nauka, 1980. - 350 p.).

Согласование первых двух дифференциалов ЦРМ для смежных прямоугольных участков карты обеспечивается перекрытием областей задания смежных NURBS.The coordination of the first two DPC differentials for adjacent rectangular map sections is ensured by overlapping task areas of adjacent NURBS.

Таким образом, технология построения ЦМР в аналитическом виде на основе NURBS позволяет исключить этап триангуляции и тем самым исключить недостатки существующих технологий. Предлагаемая реализация технологии может быть адаптирована к другим типам исходной информации, и в нее могут быть включены более сложные типы базовых сплайнов.Thus, the technology of building DEM in an analytical form based on NURBS allows you to exclude the triangulation stage and thereby eliminate the disadvantages of existing technologies. The proposed implementation of the technology can be adapted to other types of source information, and more complex types of basic splines can be included in it.

Реализация заявляемого технического решения технической трудности не представляет, так как оно может быть реализовано на базе вычислительных средств и штатных судовых измерителей глубины, технических средств навигации и средств навигационного обеспечения.The implementation of the proposed technical solution does not present a technical difficulty, since it can be implemented on the basis of computing facilities and full-time ship depth gauges, navigation aids and navigation support aids.

Источники информации:Information sources:

1. Авторское свидетельство SU №1103171.1. Copyright certificate SU No. 1103171.

2. Патент RU №2045081 C1.2. Patent RU No. 2045081 C1.

3. Авторское свидетельство SU №1829019 A1.3. Copyright certificate SU No. 1829019 A1.

4. Патент RU №2326408 C1.4. Patent RU No. 2326408 C1.

Claims (2)

1. Способ восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств, установленных на подвижных морских объектах, включающий измерение глубины с определением поправки, обусловленной местом установки гидроакустического средства, определение вертикального распределения скорости звука в воде по отраженным сигналам, путем получения данных о триангуляции точек наблюдений с последующей их интерполяцией, восстановление формы рельефа дна, построение поверхности дна, при определении поправки дополнительно измеряют доплеровский сдвиг частоты опорного сигнала гидроакустического лага, определяют скорость подвижного морского объекта посредством приемоиндикатора радио и спутниковых навигационных систем, при этом определение вертикального распределения скорости звука в воде выполняют по временным рядам плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей водной среды и дна, путем регистрации всех приходящих сигналов, рассеянных от внутренних неоднородностей морской среды, от момента посылки звукового импульса до момента прихода отраженного от дна сигнала с формированием временного ряда плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей морской среды и дна в соответствии с зависимостью U(Z=0, t), где Z - глубина в моменты времени t, а скорость звука в воде C(Z) определяют путем решения обратной задачи рассеяния, дополнительно регистрируют низкочастотные волны посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, восстановление формы рельефа выполняют по относительным изменениям высоты рельефа в соответствии с неравенством
|h(r2)-h(r1)|<A|r2-r1|λ, где h(r2)-h(r1) - разность высот в двух пространственных точках r1, r2; А (постоянная Гельдера), λ (показатель Гельдера) - положительные числа; 0<λ≤1, при этом выполняют оценку точности восстановления рельефа по величине относительного изменения высоты рельефа в зависимости от пространственного масштаба, при построении рельефа поверхности дна данные о триангуляции точек наблюдений интерпретируются в виде структуры неориентированного графа с определением длин (весов) ребер графа, отличающийся тем, что дополнительно в период формирования временных рядов плотности звуковой энергии определяют число эхосигналов от зарегистрированных неоднородностей, одновременно с профилированием дна гидролокатором выполняют профилирование дна высокочастотным профилографом, низкочастотным параметрическим профилографом и многолучевым эхолотом, определяют колебания уровня моря, определяют прочностные характеристики грунта по измеренным коэффициентам сопротивления и трения от береговой линии до границ континентального шельфа, формируют кадастровые карты с учетом восстановленного рельефа дна и карты разрезов грунта по прочностным характеристикам грунта, при визуализации зарегистрированной области рельефа дна выполняют вывод геопространственных данных в двумерном и трехмерном представлениях в виде структуры данных в формате SVG, построение профиля рельефа по разрезу выполняется путем интерполяции точек вертикального разреза грунта в виде рациональных двумерных сплайн-функций NURBS, аппроксимацию характерных точек разреза выполняют на основе кубического сплайна с нулевыми граничными производными, при картировании результатов характеристик грунтов континентального шельфа наносят геодезические координаты точек установки пенетрометров с отображением разрезов грунта, при этом расстояние между разрезами не превышает половины минимального диаметра неоднородностей, а при регистрации неоднородностей частота измерений на разрезах составляет более 1/8÷1/10 диаметра неоднородностей.
1. A method of restoring the topography of the seabed when measuring depths using sonar tools installed on moving marine objects, including measuring the depth with a correction determined by the installation site of the sonar tool, determining the vertical distribution of the speed of sound in water by reflected signals, by obtaining data on point triangulation observations with their subsequent interpolation, restoration of the shape of the bottom topography, construction of the bottom surface, in determining the amendment will complement The Doppler frequency shift of the reference signal of the hydroacoustic lag is measured, the speed of a moving marine object is determined using a radio receiver and satellite navigation systems, and the vertical distribution of the speed of sound in water is determined by time series of the density of sound energy reflected from the internal inhomogeneities of the aquatic environment and the bottom, by registration of all incoming signals scattered from internal inhomogeneities of the marine environment, from the moment of sending a sound pulse to m the arrival time of the signal reflected from the bottom with the formation of a time series of the density of sound energy reflected from the internal heterogeneities of the marine environment and the bottom in accordance with the dependence U (Z = 0, t), where Z is the depth at time t and the speed of sound in water C (Z) is determined by solving the inverse scattering problem, low-frequency waves are additionally recorded by means of artificially excited high-frequency pump waves, the relief shape is reconstructed from the relative changes in the height of the relief in accordance with the inequality your
| h (r 2 ) -h (r 1 ) | <A | r 2 -r 1 | λ , where h (r 2 ) -h (r 1 ) is the height difference at two spatial points r 1 , r 2 ; A (Helder constant), λ (Helder exponent) - positive numbers; 0 <λ≤1, at the same time, the accuracy of the relief reconstruction is estimated from the value of the relative change in the height of the relief depending on the spatial scale; when constructing the relief of the bottom surface, the data on the triangulation of observation points are interpreted as the structure of an undirected graph with the definition of the lengths (weights) of the edges of the graph, characterized in that in addition to the period of formation of the time series of the density of sound energy, the number of echo signals from the recorded inhomogeneities is determined simultaneously with the profiling the bottom of the bottom of the sonar performs profiling of the bottom with a high-frequency profilograph, a low-frequency parametric profilograph and a multi-beam echo sounder, determine sea level fluctuations, determine the strength characteristics of the soil from the measured drag and friction coefficients from the coastline to the boundaries of the continental shelf, form cadastral maps taking into account the restored bottom topography and section maps soil according to the strength characteristics of the soil, when visualizing the registered area of the bottom topography they output geospatial data in two-dimensional and three-dimensional representations in the form of a data structure in SVG format, build a profile of the relief along the section by interpolating the points of the vertical section of the soil in the form of rational two-dimensional spline functions NURBS, approximate the characteristic points of the section using a cubic spline with zero boundary derivatives, when mapping the results of the characteristics of the continental shelf soils, the geodetic coordinates of the penetrometer installation points are plotted m soil incisions, the distance between the slits is less than half the minimum diameter irregularities and inhomogeneities in the registration frequency measurements in sections is more than 1/8 ÷ 1/10 diameter irregularities.
2. Устройство для осуществления способа, представляющее собой гидролокатор для определения глубин акватории, содержащее функционально соединенные первую и вторую антенны, одна из которых излучающая, а вторая приемная, формирующие приемоизлучающие каналы, вычислитель, блок управления, в котором блок управления соединен с приемоизлучающими каналами, вычислителем, в которое дополнительно введены формирователь сигналов накачки, графопостроитель, параметрический излучающий тракт, который своим выходом соединен с излучающей антенной, а входом соединен с выходом формирователя накачки, который своим выходом соединен с выходом блока управления, графопостроитель своими входами соединен с выходами вычислителя и блока управления, отличающееся тем, что дополнительно введены второй гидролокатор бокового обзора, многоканальный генератор зондирующих импульсов, многоканальный приемник эхосигналов, блок функционального управления, многолучевой эхолот, высокочастотный профилограф, низкочастотный параметрический профилограф, блок пенетрометров, блок мареографов, блок визуализации, при этом низкочастотный параметрический профилограф своими входами соединен с выходом формирователя сигналов накачки и выходом многоканального генератора зондирующих импульсов, который другими выходами соединен со входами второго гидролокатора бокового обзора, высокочастотного профилографа и многолучевого эхолота соответственно, многоканальный приемник эхосигналов своими выходами соединен с входами блока функционального управления, который своим выходом соединен со входом вычислителя и входом-выходом с входом-выходом блока управления, блок мареографов и блок пенетрометров по гидроакустическому каналу связи соединены с блоком функционального управления, блок визуализации своими входами соединен с выходами блока функционального управления, блока управления, вычислителя и графопостроителя соответственно. 2. A device for implementing the method, which is a sonar for determining the depths of the water area, containing functionally connected first and second antennas, one of which is radiating, and the second receiving, forming receiving-emitting channels, a computer, a control unit, in which the control unit is connected to receiving-emitting channels, a calculator, which additionally includes a pump driver, a plotter, a parametric radiating path, which is connected to the radiating antenna by its output, and the odom is connected to the output of the pump driver, which is connected to the output of the control unit by its output, the plotter is connected by its inputs to the outputs of the computer and control unit, characterized in that a second side-scan sonar, a multi-channel probe pulse generator, a multi-channel echo signal receiver, and a functional control unit are additionally introduced , multi-beam echo sounder, high-frequency profilograph, low-frequency parametric profilograph, penetrometer block, tide gauge block, visualization block a case, the low-frequency parametric profilograph with its inputs is connected to the output of the pump signal shaper and the output of a multi-channel probe pulse generator, which is connected to the inputs of the second side-scan sonar, high-frequency profiler and multi-beam echo sounder, respectively, the multi-channel echo signal receiver is connected to the inputs of the functional block control, which by its output is connected to the input of the calculator and input-output with input-output of the unit a control unit and gauges on penetrometer hydroacoustic communication channel connected to the function control unit, imaging unit its inputs connected to the outputs of the function control unit, a control unit, and calculating a plotter, respectively.
RU2010109970/28A 2010-03-16 2010-03-16 Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end RU2429507C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010109970/28A RU2429507C1 (en) 2010-03-16 2010-03-16 Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010109970/28A RU2429507C1 (en) 2010-03-16 2010-03-16 Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2429507C1 true RU2429507C1 (en) 2011-09-20

Family

ID=44758784

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010109970/28A RU2429507C1 (en) 2010-03-16 2010-03-16 Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2429507C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2471146C1 (en) * 2011-10-07 2012-12-27 Открытое акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" Method of selecting linearly structured surface features
RU2519269C1 (en) * 2012-12-12 2014-06-10 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") Method of surveying bottom topography of water area and apparatus therefor
RU2521127C2 (en) * 2012-10-22 2014-06-27 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar
RU2524560C1 (en) * 2012-12-24 2014-07-27 Александр Ефимович Дроздов Apparatus for determining size-quantitative characteristics of particles suspended in water
RU2608344C2 (en) * 2011-11-11 2017-01-17 Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани Method of surveying and system for detection of hydrocarbons using underwater vehicle
CN112415497A (en) * 2020-12-11 2021-02-26 中国科学院声学研究所 Separation method and system for scattering sound field in shallow sea waveguide with superposed finite element combined waves
WO2021256948A1 (en) * 2020-06-15 2021-12-23 Общество с ограниченной ответственностью "Морские Инновации" Method and device for ultrasonic imaging of the bottom of a body of water

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2471146C1 (en) * 2011-10-07 2012-12-27 Открытое акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" Method of selecting linearly structured surface features
RU2608344C2 (en) * 2011-11-11 2017-01-17 Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани Method of surveying and system for detection of hydrocarbons using underwater vehicle
RU2521127C2 (en) * 2012-10-22 2014-06-27 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar
RU2519269C1 (en) * 2012-12-12 2014-06-10 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") Method of surveying bottom topography of water area and apparatus therefor
RU2524560C1 (en) * 2012-12-24 2014-07-27 Александр Ефимович Дроздов Apparatus for determining size-quantitative characteristics of particles suspended in water
WO2021256948A1 (en) * 2020-06-15 2021-12-23 Общество с ограниченной ответственностью "Морские Инновации" Method and device for ultrasonic imaging of the bottom of a body of water
CN112415497A (en) * 2020-12-11 2021-02-26 中国科学院声学研究所 Separation method and system for scattering sound field in shallow sea waveguide with superposed finite element combined waves
CN112415497B (en) * 2020-12-11 2023-10-13 中国科学院声学研究所 Method and system for separating scattering sound field in shallow sea waveguide by finite element combined wave superposition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2429507C1 (en) Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end
RU2434246C1 (en) Method of surveying bottom topography of water bodies and apparatus for realising said method
Bailly et al. Geostatistical estimations of bathymetric LiDAR errors on rivers
MacInnes et al. Slip distribution of the 1952 Kamchatka great earthquake based on near-field tsunami deposits and historical records
RU2519269C1 (en) Method of surveying bottom topography of water area and apparatus therefor
RU2466426C1 (en) Method of reconstructing sea-floor relief when measuring depth using hydroacoustic apparatus
Mitchell Processing and analysis of Simrad multibeam sonar data
US9945971B2 (en) Method of using a parabolic equation model for range-dependent seismo-acoustic problems
RU2608301C2 (en) System and method for 3d examination of sea bottom for engineering survey
Goff et al. Interpolation of fluvial morphology using channel-oriented coordinate transformation: a case study from the New Jersey shelf
Moulton et al. Improving the time resolution of surfzone bathymetry using in situ altimeters
Aykut et al. Hydrographic data modeling methods for determining precise seafloor topography
Olson et al. Measurements of high-frequency acoustic scattering from glacially eroded rock outcrops
Wang et al. Submarine karst morphology detection method based on multi-frequency ultrasound
Guigné et al. Acoustic investigation of complex seabeds
Levin et al. Bathymetric surveying in Lake Superior: 3D modeling and sonar equipment comparing
Blondel Seabed classification at ocean margins
Xiong et al. An effective method for submarine pipeline inspection using three-dimensional (3D) models constructed from multisensor data fusion
Marghany et al. 3-D reconstruction of coastal bathymetry from AIRSAR/POLSAR data
RU2487368C1 (en) Method for stereophotography of bottom topography of water body and apparatus for realising said method
RU2681249C1 (en) Water reservoirs bottom depth and relief changes prediction method
Arseni et al. SINGLE BEAM ACOUSTIC DEPTH MEASUREMENT TECHNIQUES AND BATHYMETRIC MAPPING FOR CATUSA LAKEGALATI.
RU2018145186A (en) A method of restoring the topography of the seabed when measuring depths using hydroacoustic means installed on moving marine objects and a device for its implementation
Park et al. Novel method for the estimation of vertical temperature profiles using a coastal acoustic tomography system
Zirek et al. Change detection of seafloor topography by modeling multitemporal multibeam echosounder measurements