1. Постановка задачи

Большим преимуществом технологии виртуальных приборов, реализуемой с помощью среды графического программирования LabVIEW, является возможность быстрой разработки интерактивных программ с удобным пользовательским интерфейсом. Такие программы могут найти применение, например, для обработки изображений, получаемых с помощью различных систем дистанционного зондирования (ДЗ). Понятие «изображение» используется здесь и ниже условно, поскольку результатом работы системы ДЗ, как правило, является не привычная фотография физического объекта или процесса, а некоторое двумерное представление (запись) его акустических, оптических или других параметров. Одной из наиболее распространенных форм такой записи в морской акустической эхолокации является «эхограмма». Это черно-белое (или в условных цветах) 2-мерное отображение интенсивности рассеянных ультразвуковых эхосигналов, полученных при многократном импульсном зондировании среды. Вертикальная ось соответствует дальности до объекта (при вертикальном зондировании - глубине), горизонтальная - номеру импульса или времени. Легко понять, что «эхограмма» порождается двумерным массивом, который в LabVIEW может быть отображен с помощью функции Intensity Graph. Таким способом можно, например, получить запись глубины вдоль траектории движения судна - носителя эхолота. Помимо дна, прекрасными рассеивателями ультразвука в море являются живые организмы - от мельчайших водорослей и рачков (фито- и зоопланктона) до рыб и млекопитающих (дельфинов, китов). В немалой степени, своей наблюдаемости в ультразвуке они обязаны наличием газовых полостей (газовые вакуоли у некоторых водорослей, плавательные пузыри рыб).

В последнее десятилетие во многих морях Мирового океана в районе континентального склона с помощью акустического зондирования были выявлены газовые «факелы»: поднимающиеся в водной толще облака пузырьков [1,2]. Использовалась активная эхолокация на частотах 10-40 КГц, которая очень чувствительна и способна обнаружить мельчайшие одиночные пузырьки в водной толще, которые трудно или даже невозможно наблюдать визуально. В состав этих пузырьков входит преимущественно метан (99.9 %). Поиск метановых выбросов и оценка потока газа, переносимого пузырьками, является одной из актуальных задач дистанционного акустического мониторинга океана [2]. Согласно современным оценкам, вклад метана в глобальное потепление составляет 15%. Поэтому знание источников и стоков этого парникового газа, второго после углекислого газа, важно для предсказаний изменений климата.

В работе [1] подробно описываются «факелы» над черноморскими грязевыми вулканами на глубине около 2080 м, которые проявляли активность только некоторый промежуток времени. Авторы работы [2] наблюдали активность грязевого вулкана «Хаакон Мосби» на глубине 1280 м в Норвежском море в течение 2002-2006 годов. На рис.1 показана одна из эхограмм пузырькового выброса над этим вулканом, полученная на частоте 38 КГц с помощью эхолота "Simrad EK60".

Рис.1. Эхограмма пузырькового облака над донным источником пузырьков.

Рис.2. Примеры эхограмм с видимыми траекториями всплывающих пузырьков.

Если глубина образования пузырьков невелика (десятки - первые сотни м), всплывающая пелена пузырьков может достигать поверхности воды. Однако, за время всплытия с больших глубин пузырьки успевают «раствориться». Это происходит по причине диффузии метана из пузырьков в воду, которая, как правило, по метану сильно недонасыщена. В настоящее время можно считать установленным [3], что при образовании метанового пузырька на глубине, превышающей глубину стабильности газового гидрата метана, на его поверхности возникает оболочка из микроскопических кристаллов газогидратов, которая помогает поднимающимся сквозь водную толщу пузырям существовать гораздо дольше время.

На поведение пузырька при всплытии влияют многие факторы: давление, температура, соленость, концентрация растворенных газов в окружающей жидкости, толщина газогидратной оболочки, коэффициент диффузии газов и т.д. Исследованию динамики пузырька при всплытии посвящены многочисленные теоретические работы (см., например, [4]). Наиболее информативной характеристикой, рассчитываемой, как правило, в таких работах, является зависимость от глубины радиуса всплывающего пузырька. Получить такую зависимость экспериментальным путем очень сложно. Например, авторы работы [3] использовали для этих целей сопровождение всплывающего газового пузырька, выпущенного из баллона на глубине более 800 м, с помощью дистанционно-управляемого подводного аппарата (ПА). Не говоря уже о сложности организации и дороговизне таких измерений, они методически не безупречны, т.к. чтобы не потерять пузырек из поля зрения телекамеры, его заставляли всплывать в стеклянной камере, установленной на ПА.

Между тем, очень часто на эхограммах пузырьковых выбросов видны траектории всплывающих пузырьков. Такой пример приведен в работе [1]. Во время эхолокационной съемки пузырькового выброса над подводным грязевым вулканом «Хаакон Мосби» [2] также удалось получить подобные записи. На рис.2 приведено несколько примеров. Не составляет труда визуально оценить наклон траекторий и рассчитать по нему скорость всплытия пузырьков. Поскольку скорость всплытия однозначно связана с радиусом пузырька, ее можно пересчитать в радиус и получить уже зависимость радиуса от глубины. В данной работе предпринята попытка автоматизировать этот процесс с помощью нескольких программ - виртуальных приборов, написанных на LabVIEW.

2. Описание решения.

Рис.3. Микро-батиметрическая карта грязевого вулкана «Хаакон Мосби». 1 - выходы пузырьков и теплой жидкости в виде струй, наблюдавшиеся с подводного аппарата; 2 - грязевое «озеро»; 3 -траектория движения судна во время записи эхограммы А; 4 -область, где во время дрейфов были получены эхограммы В, С и D верхней границы пузырькового облака.

В работе были использованы цифровые записи данных эхолоцирования, полученных в июле 2003 г. во время экспедиции ARK-XIX-ЗЬ немецкого НИС «Поларштерн». Эта комплексная экспедиция была посвящена исследованию грязевого вулкана «Хаакон Мосби». В ходе этой экспедиции с помощью телевизионного наблюдения с французского дистанционно- управляемого подводного аппарата "Victor-6000" впервые были обнаружены выходы пузырьков метана в виде струй. Эти пузырьки образуют над вулканом огромное облако, простирающееся от дна (1280 м) до глубины 700-800 м и имеющее поперечник около 300-500 м [2]. На некоторых эхограммах различимы траектории отдельных всплывающих пузырьков. Одна из таких эхограмм (на рис.2 она обозначена буквой «А») была получена во время плановой акустической съемки пузырькового выброса, производившейся 8 июля 2003 г., во время прохода судна над юго-западной периферией грязевого «озера», находящегося в кальдере вулкана (см. рис.3). В противоположность локализованным на небольшой площади пузырьковым струям, здесь на поверхности жидкого ила были обнаружены следы отрыва от дна отдельных пузырьков в виде лунок. Такие редко всплывающие пузырьки разрешаются эхолотом индивидуально, оставляя на эхограммах наклонные следы. По их наклону может быть определена скорость всплытия. С помощью эхолота с движущегося или дрейфующего судна невозможно, конечно, проследить за конкретным пузырьком от дна до поверхности. Однако можно измерить скорость подъема на разных глубинах различных пузырьков, оторвавшихся от дна в последовательные моменты времени. Если предположить, что в момент образования пузырьки имеют одинаковые размеры (или их размеры не очень сильно отличаются), это будет равноценно наблюдению за одним и тем же пузырьком. Вся дальнейшая обработка эхограммы «А» основана на этой гипотезе. О ее правомерности свидетельствует полученная в итоге систематическая зависимость скорости подъема пузырьков от глубины. Эхограмма «А» охватывает диапазон глубин от 1280 до 850 м. Кроме этого, из многих записей были отобраны эхограммы "B-D" верхней границы пузырькового облака в диапазоне глубин 800-600 м, где также видны траектории отдельных пузырьков. Эти записи были получены во время дрейфа и относятся к области над активными локализованными выходами пузырьков (см. рис.3). Они будут использованы для сравнения с данными эхограммы "А" и расширения диапазона глубин, в пределах которого можно проследить за поведением пузырьков.

Оценка скорости всплытия метановых пузырьков производилась при помощи корреляционного метода. В данном случае этот метод применялся к «эхограмме» -двумерному распределению интенсивности последовательности эхосигналов. Идея метода состоит в том, чтобы по значению функции корреляции сравнить измеренный «образ» - нечеткий, прерывистый наклонный след всплывающего пузырька с эталонным «образом» - сплошной наклонной полосой. На рис.4 эта полоса заключена между двумя курсорами. На практике ширина полосы по вертикали составляла 3 отсчета сигнала, что отвечает длительности отклика измерительного тракта эхолота на одиночный импульс.

Итак, на нечеткие наклонные следы, оставленные поднимающимися пузырьками, накладывался эталон - наклонная полоса. Интенсивности всех точек, изображенные на эхограмме согласно шкале цветов, которые попадают в эталонную полосу, включая и ее граничные точки, суммировались, образуя некоторую величину Cumsum, которая и принималась за значение корреляционной функции.

При максимальном значении Cum__sum эталонная полоса принимает какой-то наклон, по которому и производится оценка скорости V всплытия пузырьков согласно очевидному соотношению: V=dh/dt, где dh - интервал глубин, которые прошел пузырек, или проекция наклонной полосы на ось ОУ, off - интервал времени всплытия пузырька или проекция наклонной полосы на ось ОХ.

Оценивалась также средняя интенсивность рассеяния Int, которая определялась как lnt=Cum_sum/N, где N - число точек, которые вошли в эталонную полосу, считая и ее граничные точки. Наконец, определялась глубина, к которой относится измеренная скорость, как глубина середины полосы. Максимальное значение Cum_sum определялось автоматически путем вариации по вертикали положений обоих вертикальных сторон эталонной полосы. Величина наклона ограничивалась сверху и снизу, чтобы исключить промахи. Начальное положение эталона выбиралось оператором, после чего производился запуск процесса поиска максимума. После окончания этой процедуры полученные значения скорости, интенсивности и средней глубины по команде оператора записывались в файл и процесс можно было повторить для нового начального положения эталона. Для каждой эхограммы накапливалось 30-40 измерений, приблизительно равномерно распределенных по глубине. Такой подход позволил полностью использовать информацию, содержащуюся в эхограмме. Описанная процедура была реализована в интерактивной программе «Echogram.vi». Вид ее передней панели показан на рис.4. Записанные наборы данных затем обрабатывались программой усреднения, расчета погрешностей и отображения «Data processing.vi»

Рис.4. Передняя панель интерактивной программы обработки эхограмм.

рис.5.

рис.6.

На рис.5 показаны профили скорости всплытия пузырьков, полученные в результате обработки эхограмм «A,B,D» и ошибки измерения в виде вертикальных отрезков. Отложены величины ±3σ, что соответствует приблизительно 98% доверительному интервалу. Полученные профили скорости всплытия пузырьков были использованы для пересчета в зависимости радиуса пузырька от глубины Для этого была применена полуэмпирическая кривая (см. рис.6), описывающая связь между скоростью всплытия пузырька с «грязной» поверхностью, приведенная в публикации [5]. Эта зависимость является результатом обобщения многочисленных экспериментальных наблюдений и теоретических расчетов. На рис.7 показана зависимость радиуса пузырька от глубины, полученная путем такого пересчета. Для этих целей применялась специальная программа «Dependencies.vi». Таким образом, использование технологии виртуальных приборов LabVIEW позволило в короткий срок разработать пакет программ для обработки данных эхолокационного зондирования и впервые с помощью дистанционной техники измерений получить результаты, важные для понимания и моделирования динамики всплывающего метанового пузырька.

рис.7.

В заключение отметим, что данные результаты были получены в дипломной работе [6], выполненной на Радиофизическом факультете ННГУ им.Н.И.Лобачевского.

3. Внедрение и развитие решения

Полученные результаты применяются для сравнения с существующими и разрабатываемыми моделями динамики пузырьков. Разработанное программное обеспечение предполагается применить в совместной работе с Институтом полярных и морских исследований им.А.Вегенера и Университетом г. Бремен (Германия) для обработки данных эхолокационного зондирования различных источников пузырьков, полученных в международных морских экспедициях. Список литературы

1. J.Greinert, Yu.Artemov, V.Egorov, Marc De Batist, D.McGinnis. 1300-m-high rising bubbles from mud volcanoes at 2080m in the Black Sea: Hydroacoustic characteristics and temporal variability// Earth and Planetary Science Letters. 2006. v.244 pp.1-15.

2. E. Sauter, S.Muyakshin b, J.-LCharlou, M.Schluter, A.Boetius, K.Jerosch, E.Damm, J.-P.Foucher, M.KIages, Methane discharge from a deep-sea submarine mud volcano into the upper water column by gas hydrate-coated methane bubbles // Earth and Planetary Science Letters. 2006. v.243. pp.354-365

3. Rehder, G., Brewer, P.W., Peltzer, E.T. & Friedrich, G. Enhanced lifetime of methane bubble streams within the deep ocean // Geophys. Res. Let. 2002. v.29, #15. 10.1029/2001GL013966 (2002).

4. В.К.Гончаров, Н.Ю.Клементьева. Моделирование динамики и условий звукорассеяния газовых пузырьков, всплывающих с больших глубин в море в районе нефтегазовых месторождений // Акуст. Журнал. 1995. т.42, №3, с.371- 377.

5. Ira Leifer, Ranjan Kumar Patro, The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitivity study // Continental Shelf Research. 2002. v.22. pp.2409-2428.

6. О.А.Лунина. Разработка метода определения параметров всплывающих газовых пузырьков по данным эхолокационного зондирования: Дипломная работа / Нижний Новгород, ННГУ, 2007 г.