Akustyczne badania dna morskiego, akustyczna klasyfikacja osadów dennych, wykrywanie gazu w dnie. Jarosław Tęgowski

AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW wykład V Akustyczne badania dna morskiego, akustyczna klasyfikacja osadów dennych, wykrywanie gazu w dnie Jarosław Tęgowski

AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW Czym zajmuje się oceanografia akustyczna podstawy fizyki falowej propagacja fal akustycznych zjawiska falowe odbicie, interferencja, dyfrakcja Akustyka pasywna i aktywna podstawowe narzędzia akustyki morza hydrofony, echosondy, sonary Akustyczne badania fauny i flory morskiej, dźwięki emitowane przez zwierzęta morskie Zjawiska dynamiczne w morzu - załamywanie się fal, pęcherzyki, prądografy akustyczne - ADCP, tomografia akustyczna oceanu Akustyczne badania dna morskiego, akustyczna klasyfikacja osadów dennych, wykrywanie gazu w dnie Dźwięki geosfery 2

ADRES STRONY WWW ZAWIERAJĄCEJ KOPIĘ WYKŁADÓW W FORMACIE PDF http://www.iopan.gda.pl/~tegowski 3

ROZPRASZANIE FAL AKUSTYCZNYCH NA DNIE

Rodzaje fal akustycznych powstających podczas procesu odbicia i rozproszenia od warstwowej struktury dna fale podłużne fale poprzeczne fale Rayleigha fale Lamba fale Love a fale Stoneley a fale Scholte a 5

ROZPRASZANIE FAL AKUSTYCZNYCH NA DNIE ROZPRASZANIE POWIERZCHNIOWE ROZPRASZANIE OBJĘTOŚCIOWE 6

DLACZEGO METODY AKUSTYCZNE SĄ TAK UŻYTECZNE W BADANIACH DNA MORSKIEGO James Galloway 7

INSTRUMENTY I METODY 8

ROZPRASZANIE POWIERZCHNIOWE - ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA Gómez Sichi et al., in press 9

ROZPRASZANIE OBJĘTOŚCIOWE - SUBBOTOM PROFILER echosonda jednowiązkowa niskoczęstotliwościowa f=2khz 14kHz 10

ROZPRASZANIE OBJĘTOŚCIOWE Profilowanie akustyczno - sejsmiczne Profil sejsmiczny uzyskany u ujścia Amazonki 11

PRZYKŁAD KOMPLEKSOWEJ GEOLOGICZNEJ CHARAKTERYZACJI DNA MORSKIEGO batymetria echosonda wielowoązkowa mapa powierzchni dna sonar boczny warstwy poddenne metody sejsmoakustyczne USGS 12

PRZYKŁAD KOMPLEKSOWEJ GEOLOGICZNEJ CHARAKTERYZACJI DNA MORSKIEGO Mapa batymetryczna dna echosonda wielowiązkowa USGS 13

PRZYKŁAD KOMPLEKSOWEJ GEOLOGICZNEJ CHARAKTERYZACJI DNA MORSKIEGO mapa powierzchni dna sonar boczny fotografie dna USGS 14

PRZYKŁAD KOMPLEKSOWEJ GEOLOGICZNEJ CHARAKTERYZACJI DNA MORSKIEGO grubość warstw osadów metody sejsmoakustyczne USGS 15

PRZYKŁAD KOMPLEKSOWEJ GEOLOGICZNEJ CHARAKTERYZACJI DNA MORSKIEGO topografia dna rozpraszanie wsteczne sonar boczny grubość osadów k.żółty warstwa cienka, k. niebieski warstwa gruba złożenie trzech map = mapa geologiczna dna zawierająca różne informacje 16

PRZYKŁAD KOMPLEKSOWEJ GEOLOGICZNEJ CHARAKTERYZACJI DNA MORSKIEGO Nearshore Basin (light green) smooth, flat-lying areas; thick muddy sediment sheltered areas within embayments cover 7.0 km2 (2.7 mi2, 5.3 percent) of map area Rocky Zone (light blue) high-relief rock outcrops, boulders and gravel exposed areas along open-ocean coast cover 52.4 km2 (20.2 mi2, 39.2 percent) of map area Nearshore Ramp (lavendar) smoothly seaward-sloping areas; generally sandy sediment extend offshore from coast to depths greater than 40 meters cover 57.3 km2 (22.1 mi2, 42.9 percent) of map area Shelf Valley (yellow) elongated valleys and interconnected depressions partially filled with sediment, extend offshore, perpendicular to coast cover 12.5 km2 (4.8 mi2, 9.3 percent) of map area Bay Mouth Shoal (light orange) flat-topped banks of sand and gravel reworked by waves and tides at mouths of embayments cover 4.4 km2 (1.7 mi2, 3.2 percent) of map area 17

W STREFIE DNA ŻYJĄ ORGANIZMY BENTOSOWE JAK JE AKUSTYCZNIE CHARAKTERYZOWAĆ? 18

Akwen pomiarowy Gulf of Gdansk 19

Akwen pomiarowy 500 m x 500 m sandy bottom mean depth < 2 m, slightly variable patchy vegetation distribution dominant species : Zostera Marina sp. Zannichellia sp. Potamogeton sp. and Pilayella sp. algae Photo by NASA 20

DOMINUJĄCE GATUNKI ROŚLIN W ZATOCE PUCKIEJ Zostera marina brown filamentous algae (Pilayella sp.) Zannichellia sp. Potamogeton sp. Czy jest możliwe akustyczne rozpoznanie gatunków???? 21

AKUSTYCZNE POMIARY ROŚLIN W ZATOCE PUCKIEJ EdgeTech Side Scan Sonar DF-1000 f = 100 khz and 390 khz BioSonics dual-beam echosounder Carrier f = 208 khz Envelope sampled at 41.7 khz Underwater video recording Diver observation and sampling DGPS TRIMBLE SE4000 Frequency: 1 khz Horizontal accuracy: 0.3 1.0 m 22

MAPA ROŚLIN SONAR BOCZNY Side scan sonar mosaic map Scale 1:5000 23

METODA PARAMETRYCZNA DETEKCJI ROŚLIN DUAL BEAM ECHOSOUNDER vegetated floor bare floor Statistical parameters eg. moment of inertia - M i Spectral parameters eg. spectral width - ν 2 Wavelet transformation parameters eg. wavelet energy E coif3 Fractal parameters fractal dimension computed using wavelet transformation coef. - D coif3 0.5 1 Zostera marina 3 10-6 Depth (m) 1.5 2 2 1 2.5 Echo number 100 200 300 400 500 600 700 800 24

METODA DWUPARAMETROWA DETEKCJI ROŚLIN dno bez roślin dno pokryte roślinami spectral width - ν 2 fractal dimension computed using wavelet transformation coef. - D coif3 fuzzy c-means clustering (FCM) 25

METODA TRZYPARAMETROWA DETEKCJI ROŚLIN a) moment of inertia - M b) spectral width - ν 2 c) fractal dimension computed using wavelet transformation coef. - D coif3 echoes vegetated floor bare floor 26

METODA TRZYPARAMETROWA DETEKCJI ROŚLIN Moment of inertia Spectral width K-MEANS CLUSTER ANALYSIS fractal dimension classification procedure was applied for N=19200 bottom backscattered signals 27

CZY MOŻLIWE JEST AKUSTYCZNE ROZPOZNANIE TYPU OSADU??? 28

PRZYKŁAD AKUSTYCZNEJ KLASYFIKACJI OSADÓW MAPA POLIGONU BADAWCZEGO 29

ROZKŁAD WIELKOŚCI CZĄSTEK OSADU M φ D = log2 = 3. 32log D 0 D = D 0 M 1 2 φ 10 D D 0 D-średnia średnica ziaren [mm] D-średnica ziaren, które wraz z mniejszymi stanowią 50%masy osadu 30

GRANULOMETRYCZNA KLASYFIKACJA OSADÓW OKRUCHOWO-ILASTYCH Tabl. 7.1. Klasyfikacja granulometryczna frakcji głównych osadów ze względu na średnicę ziaren wyrażoną w milimetrach i w jednostkach skali phi. typ osadu średnica ziaren - d [mm] średnica ziaren w jedn. Μ φ żwir > 2 mm Μ φ < -1 piasek 0.0625 mm 2 mm -1 < M φ < 4 muł 0.004 mm 0.0625 mm 4 < M φ < 8 ił < 0.004 mm 8 < M φ pył (ił + muł) < 0.0625 mm 4 < M φ 31

ŚREDNIA ŚREDNICA ZIAREN OSADU WYRAŻONA W SKALI fi zmierzona na poligonie badawczym 32

JAKIE INFORMACJE SĄ ZAWARTE W OBWIEDNI SYGNAŁU ECHA OD DNA? echosondy jednowiązkowe f 1 =66 khz f 2 =150 khz 33

SCHEMAT WSTĘPNEGO PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW ECHA 34

PARAMETRY OBWIEDNI ECHA widmowe 16 fraktalne 8 falkowe 48 statystyczne 6 energetyczne 5 transformacja falkowa impulsu echa 83 parametry 35

TRANSFORMACJA FALKOWA F ( ω) f ( t) = e jωt dt C ( skala, pozycja) f ( t) ψ( skala, pozycja, t) = dt 1 t b ψ ab ψ, a a ( t; a, b) =, a 0 b R 36

ROZKŁAD PRZESTRZENNY PARAMETRÓW FALKOWYCH energia falek E j,wav = b max 0 C 2 ( a,b) db entropia falek h wav = 7 j= 1 E j,wav lne j,wav 37

ROZKŁAD PRZESTRZENNY PARAMETRÓW WIDMOWYCH m r = ω r S 0 ( ω) dω ε 2 = m 0 m 4 m m 0 m 4 2 2 38

ROZKŁAD PRZESTRZENNY PARAMETRÓW FRAKTALNYCH D H = lim log r 0 log 10 N r 10 ( r) gdzie N(r) oznacza najmniejszą liczbę otwartych kul B(p, r) o środku p i promieniu r potrzebną do całkowitego pokrycia obiektu. B(p, r) = {x: dist(x, p) < r}, gdzie dist(x, p) jest odległością pomiędzy punktami x i p. 39

ZALEŻNOŚĆ WYBRANYCH PARAMETRÓW OBWIEDNI ECHA (150 khz) OD ŚREDNIEJ ŚREDNICY ZIAREN WYRAŻONEJ W JEDNOSTKACH SKALI φ 40

ZALEŻNOŚĆ WYBRANYCH PARAMETRÓW OBWIEDNI ECHA (66 khz) OD ŚREDNIEJ ŚREDNICY ZIAREN WYRAŻONEJ W JEDNOSTKACH SKALI φ 41

OGÓLNY SCHEMAT ALGORYTMU AKUSTYCZNEJ KLASYFIKACJI OSADÓW 83 parametry obwiedni echa redukcja liczby parametrów Analiza Składowych Głównych Algorytm Klasyfikacyjny 42

SZCZEGÓŁOWY SCHEMAT ALGORYTMU AKUSTYCZNEJ KLASYFIKACJI OSADÓW 43

KLASYFIKACJA OSADÓW DENNYCH METODĄ ANALIZY SKUPIEŃ ORAZ KOMPONENTÓW GŁÓWNYCH 44

REZULTATY AKUSTYCZNEJ KLASYFIKACJI OSADÓW Z ZASTOSOWANIEM LOGIKI ROZMYTEJ W ALGORYTMIE K-ŚREDNICH (FCM) 45

46 PORÓWNANIE WYNIKÓW ZASTOSOWANIA METODY K-ŚREDNICH Z INICJACJĄ ŚRODKÓW SKUPIEŃ ZA POMOCĄ ALGORYTMU LOGIKI ROZMYTEJ ORAZ EUKLIDESOWĄ, MIEJSKĄ, KĄTOWĄ ORAZ KORELACYJNĄ DEFINICJAMI ODLEGŁOŚCI ( ) = = n k x x d 1 jk ik ij ( ) = = n 1 k 2 jk ik ij x x d ( )( ) ( ) ( ) 2 1 n 1 l 2 j jl 2 1 n 1 k 2 i ik n 1 k j jk i ik ij = = = = x x x x x x x x d 2 1 n 1 l 2 jl n 1 k 2 ik n 1 k jk ik ij = = = = x x x x d

PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA SIECI PROBABILISTYCZNEJ DO AKUSTYCZNEJ KLASYFIKACJI OSADÓW DENNYCH 47

PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA SIECI SAMOORGANIZUJĄCEJ SIĘ DO AKUSTYCZNEJ KLASYFIKACJI OSADÓW DENNYCH 48

AKUSTYCZNA DETEKCJA PĘCHERZYKÓW GAZOWYCH W OSADACH DENNYCH ŹRÓDŁA PĘCHERZYKÓW GAZOWYCH W OSADACH Rozkład materii organicznej Hydraty gazowe Naturalny kraking materii organicznej zachodzący na dużych głębokościach Procesy wulkaniczne i geotermalne Gaz przenikający z wody morskiej do osadów

WYPŁYW GAZU ZAREJESTROWANY W POBLIŻU PÓŁWYSPU HELSKIEGO f = 30 khz 50

PRZEKRÓJ AKUSTYCZNY Z ELIPSOIDALNĄ KAWERNĄ GAZOWĄ ZATOKA POMORSKA gas pocket f = 30 khz 51

PROFIL AKUSTYCZNY ZATOKA GDAŃSKA f = 3.5 khz 52

PĘCHERZYKI GAZOWE POMIAR AKUSTYCZNY Methane bubbles at Håkon Mosby mud volcano. Photo: Ifremer. Methane from the bottom of the sea contributes more to global warming than previously assumed. Scientists of the Alfred Wegener Institute for Polar- and Marine Research investigated a mud volcano located in the deep-sea between Norway und Svalbard. 53

JAK ZMIERZYĆ KONCENTRACJĘ PĘCHERZYKÓW? METODA NIELINIOWA (nieczuła na inne rozpraszacze) each elemental volume containing gas bubbles becomes a nonlinear oscillator producing oscillations at the harmonic frequencies of f 1 and f 2 and the sum (f 1 +f 2 ) and difference (f 1 -f 2 ) 54

GEOMETRIA EKSPERYMENTU 55

PRZYKŁAD WIDMA ECHA f 1 f 2 f 1 +f 2 2f 1 2f 2 f 1 =30.4 khz f 2 =33.6 khz 2f 1 =60.8 khz 2f 2 =67.2 khz f 1 +f 2 =64 khz 56

UKŁAD POMIAROWY PRZETWORNIKI HYDROAKUSTYCZNE 57

ALGORYTM OBRÓBKI SYGNAŁÓW 58

AMPLITUDY LINIOWYCH I NIELINIOWYCH SKŁADOWYCH ECHA point ZG-4 marine silty sand on the deltaic silts 0 0 ping number 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5-5 10-10 15-15 -20-25 -30-35 ping number 20 25 30 35 40 45-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16-18 50-40 50-20 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 distance [m] distance [m] 59

Echogram dla częstotliwości f1 oraz gęstości pęcherzyków gazowych otrzymane dla składowych 2f1, f1+f2, f1-f2 f1=105.5 khz, f2= 115 khz Pomiar w pobliżu ujścia Wisły 60

AKWEN POMIAROWY 61

PRZEKROJE AKUSTYCZNE NA ZATOCE GDAŃSKIEJ Types of sediments: 1 - gravel, stones, 2 - sands, 3 - marine silty clay, 4 - marine clayey silt, glacial marine clay. 62

GĘSTOŚCI PĘCHERZYKÓW GAZOWYCH W DNIE ZMIERZONE NA PRZEKROJU A f 1 = 30.4 khz f 2 = 33.6 khz f 1 +f 2 Stała odległość od przetworników do dna ~ 20 m 63

UŚREDNIONE GĘSTOŚCI PĘCHERZYKÓW NA KOLEJNYCH STACJACH POMIAROWYCH PRZEKROJU A marine silty clay, marine clayey silt, glacial marine clay 64