Методы снижения виброакустических шумов волоконно-оптических интерферометрических гидроакустических преобразователей

Дмитращенко Павел Юрьевич

Методы снижения виброакустических шумов волоконно-оптических интерферометрических гидроакустических преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Дмитращенко Павел Юрьевич

Дмитращенко Павел Юрьевич
кандидат наук
2021

Специальность ВАК РФ05.11.01

Количество страниц 147

Дмитращенко Павел Юрьевич. Методы снижения виброакустических шумов волоконно-оптических интерферометрических гидроакустических преобразователей: дис. кандидат наук: 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений. ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО». 2021. 147 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Дмитращенко Павел Юрьевич

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

1 Глава. Обзор литературы

1.1. Буксируемые косы в морской сейсморазведке

1.2. Принцип действия пьезоэлектрических буксируемых кос

1.2.1. Геленаполненные буксируемые сейсмические косы

1.2.2. Твердотельные буксируемые сейсмические косы

1.3. Основные источники шумов в буксируемых пьезоэлектрических косах

1.3.1. Методы устранения турбулентных потоков за счет супергидрофобных покрытий

1.3.2. Методы устранения шумов в геленаполненных буксируемых косах

1.3.3. Методы устранения шумов в твердотельных косах

1.4. Принцип действия волоконно-оптических гидроакустических кабельных преобразователей

1.4.1. Волоконно-оптическая буксируемая коса на основе интерферометра Майкельсона

1.4.2. Основные источники шумов в волоконно-оптических буксируемых косах

1.4.3. Шумы, воздействующие на бортовую часть волоконно-оптической буксируемой косы

1.4.4. Шумы, воздействующие на забортную часть волоконно-оптической буксируемой косы

1.5. Выводы по главе

2 Глава

2.1. Исследование шумов волоконно-оптической буксируемой косы при проведении сейсмической разведки

2.1.1. Исследование шумов, воздействующих на бортовую часть волоконно-оптической буксируемой косы

2.1.2. Исследование шумов, воздействующих на чувствительную часть волоконно-оптической буксируемой косы

2.1.3. Искажение зарегистрированного сигнала

2.2. Выводы по главе

3 Глава. Методы борьбы с гидроакустическими шумами, воздействующими на чувствительную часть волоконно-оптической буксируемой косы

3.1. Метод компенсации шумового воздействия на волоконно-оптическую буксируемую косу на основе дополнительного ВОГ с протяженным чувствительным плечом

3.2. Результаты натурных испытаний

3.3. Выводы по главе

4 Глава. Метод определения оптимальной чувствительности волоконно-оптического гидроакустического кабельного преобразователя

4.1. Математическая модель сигнального тракта волоконно-оптической буксируемой косы, для определения оптимальной чувствительности ВОГ

100

4.2. Выводы по главе

5 Глава. Методы борьбы с шумами, воздействующими на бортовую

часть волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы

5.1. Методы подавления шумового воздействия на компенсационный

волоконный интерферометр

5.1.1. Дифференциальная система на основе гибкого диска

5.1.2. Математическое моделирование дифференциальной системы

5.1.3. Лабораторные испытания КИ с встроенной дифференциальной системой

5.2. Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Литература

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы снижения виброакустических шумов волоконно-оптических интерферометрических гидроакустических преобразователей»

РЕФЕРАТ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Волоконно-оптические технологии вызывают большой интерес в вопросе решения задач гидроакустики и геофизики. Они обладают рядом существенных преимуществ над традиционными пьезоэлектрическими датчиками. К этим преимуществам можно отнести высокую чувствительность, электрическую пассивность чувствительной части измерительной системы, относительно небольшие массогабаритные параметры и невосприимчивость к электромагнитным помехам [1, 2]. Благодаря этим особенностям, волоконно-оптические датчики находят свое применение в донных сейсмических косах [3-8], буксируемых гидроакустических антеннах [9-12] и морских системах охраны периметра [1316].

Кроме того, перспективным направлением использования оптических измерительных систем является создание волоконно-оптических буксируемых сейсмических кос. Буксируемые сейсмические косы являются основными инструментами морской региональной сейсморазведки и служат для прогнозирования геологического строения изучаемого морского шельфа и месторождений полезных ископаемых (нефти, природного газа и т. д.).

В сравнении с пьезокерамическими акустическими преобразователями, волоконно-оптические датчики обладают большей акустической чувствительностью при сравнимом динамическом и частотном диапазонах.

Процесс проведения морской сейсморазведки с использованием измерительных систем на основе буксируемых кос осложняется внешними факторами, оказывающими шумовое воздействие на измерительную систему.

Такие шумы являются совокупностью шумов нескольких типов -шумов, воздействующих на бортовую часть измерительной системы, а также воздействия на забортную часть гидродинамических шумов, возникающих во

время буксировки, механических рывков судна-буксира, обусловленных его непостоянной скоростью и сопротивлением буев и плавучего якоря, служащих для стабилизации положения буксируемой сейсмической косы на заданной глубине [17, 18].

Вследствие того, что волоконно-оптические кабельные преобразователи в составе буксируемой косы чувствительны не только к акустическому давлению, но и к растягивающим нагрузкам, наличие подобных шумов приводит к ухудшению соотношения сигнал-шум регистрируемых акустических сигналов.

Целью настоящей работы является подавление шумов в выходном сигнале волоконно-оптической буксируемой косы возникающих во время проведения сейсмических испытаний.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести исследование и классификацию видов шумового воздействия на буксируемые косы;

- провести экспериментальное исследование основных видов шумов волоконно-оптической буксируемой косы, возникающих во время проведения морской сейсмической разведки;

- разработать и исследовать метод для компенсации шумов буксировки, воздействующих на забортную часть волоконно-оптической буксируемой косы;

- разработать и экспериментально исследовать метод компенсации шумов бортовой части волоконно-оптической буксируемой косы;

- определить оптимальную чувствительность волоконно-оптических гидроакустических преобразователей в составе буксируемой косы на основе данных, полученных в результате натурных испытаний.

Практическая значимость работы:

1. На основе полученных результатов по экспериментальному исследованию шумов буксировки волоконно-оптической буксируемой

сейсмической косы был предложен метод компенсации шумов буксировки, позволяющий повысить соотношение сигнал/шум волоконно-оптической буксируемой косы более чем в 2 раза в полосе частот от 2.5 до 40 Гц.

2. Разработанная математическая модель сигнального тракта волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы позволяет рассчитать коэффициент преобразования чувствительность волоконно-оптических гидроакустических кабельных преобразователей для обеспечения динамического диапазона 120дБ на частоте 500 Гц.

3. Разработанная конструкция корпуса компенсационного волоконного интерферометра со встроенной дифференциальной системой на основе гибкого диска позволила обеспечить подавление воздействующих на него вибрационных шумов в частотном диапазоне от 3,5 до 5,5 кГц более чем в два раза за счет противофазного воздействия упругих деформаций на плечо компенсационного волоконного интерферометра.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Предложен и экспериментально апробирован метод компенсации шумов буксировки волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы с использованием вспомогательного интерферометра, который заключается в независимом измерении растягивающей нагрузки с помощью дополнительного датчика, расположенного продольно вдоль чувствительной секции волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы. Компенсация шумов буксировки осуществляется в реальном времени за счет вычитания сигнала вспомогательного интерферометра из сигналов чувствительных волоконно-оптических гидрофонов. Настоящий метод обеспечивает увеличение соотношения сигнал-шум волоконно-оптической буксируемой косы более чем в два раза в диапазоне частот от 2.5 до 40 Гц.

2. Создана математическая модель сигнального тракта волоконно-оптической буксируемой косы, позволяющая определить оптимальную чувствительность волоконно-оптических гидроакустических

преобразователей с использованием сигнала, зарегистрированного с помощью опорного гидрофона, и обеспечить динамический диапазон 120 дБ на частоте 500 Гц. Полученная модель может быть применена для оценки формы и спектра измеряемых сигналов сейсмических источников при их прохождении через схему демодуляции волоконно-оптической буксируемой косы с учетом ограничений по динамическому диапазону.

3. Предложен метод и разработана на его основе конструкция корпуса компенсационного волоконного интерферометра со встроенной дифференциальной системой на основе гибкого диска, которая позволяет обеспечить подавление вибрационных шумов, воздействующих на бортовую часть волоконно-оптической буксируемой косы в частотном диапазоне от 3,5 до 5,5 кГц более чем в два раза за счет противофазного воздействия упругих деформаций на плечо компенсационного волоконного интерферометра. Указанный эффект достигается за счет симметричного расположения плеча компенсационного интерферометра на противоположных поверхностях гибкого диска.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод компенсации шумов буксировки волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы, основанный на вычитании из сигнала каждого из гидрофонов сигнала, измеренного с помощью дополнительного волоконно-оптического интерферометра, расположенного по всей длине акустооптического кабеля, который обеспечивает увеличение соотношения сигнал-шум более чем в два раза в диапазоне частот от 5 до 40 Гц.

2. Математическая модель сигнального тракта волоконно-оптической буксируемой косы, использующая опорный сигнал, зарегистрированный с помощью опорного гидрофона, позволяющая рассчитать оптимальную чувствительность волоконно-оптических гидроакустических преобразователей для обеспечения динамического диапазона более 120 дБ на частоте 500 Гц.

3. Конструкция корпуса компенсационного волоконного интерферометра со встроенной дифференциальной системой на основе гибкого диска позволяет обеспечить подавление воздействующих на него вибрационных шумов в частотном диапазоне от 3,5 до 5,5 кГц более чем в два раза за счет противофазного воздействия упругих деформаций на плечо компенсационного волоконного интерферометра.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI, VII Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2017 и 2018 г.); доклад на XLIII научной и учебно-методической конференции ППС ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2019 г.); стендовый доклад на ITMO Open Science (Санкт-Петербург, Россия, 2019 г.); доклад на XLIX научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2020 г.); лауреат первой премии Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа 2019 года за проект «Инновационная технология создания и применения волоконно-оптических буксируемых сейсмических кос для проведения комплексных инженерных изысканий» в составе авторского коллектива ОАО «Морская арктическая геологическая экспедиция».

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях, входящих в список ВАК (из них 2 статьи в издании, включенном в систему цитирования Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 3 наименования.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на XX страницах машинописного текста, содержит XX рисунок, список цитированной литературы представлен XX источниками.

Достоверность научных результатов подтверждена сравнением их с ранее опубликованными экспериментальными данными, использованием

традиционных методов измерений и поверенного измерительного оборудования. Моделирование дифференциальной системы проводилось в программном пакете Comsol Multiphysics, расчеты упругой деформации поверхностей гибкого диска, а также обработка результатов проведенных экспериментальных исследований волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы проводилось в математическом пакете МайаЬ.

Личный вклад автора. В настоящей работе представлены только те результаты, в получении которых автор играл определяющую роль. Печатные работы, подготовлены в соавторстве с членами научно-исследовательской группы, при работе в составе которой диссертант принимал участие в моделировании, расчетах, в создании экспериментальных установок, приведении экспериментов и интерпретации результатов.

Диссертационная работа соответствует требованиям Университета ИТМО и паспорту специальности ВАК 05.11.01 - «Приборы и методы измерения (тепловые и оптические величины)» в части создания новых научных, технических и нормативно-технических решений, обеспечивающих повышение качества продукции, связанных с измерениями групп 1-5.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, представлена научная новизна работы, определена практическая значимость полученных результатов и приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы. Рассмотрена актуальность и проблематика применения буксируемых сейсмических кос при проведении морской сейсморазведки.

Рассмотрены виды традиционных пьезоэлектрических буксируемых сейсмических кос, основные виды шумов пьезоэлектрических буксируемых кос, возникающих во время буксировки, а также представлен обзор основных

методов по борьбе с шумами буксировки, применяемыми к пьезоэлектрическим буксируемым косам.

Рассмотрены виды волоконно-оптических гидроакустических кабельных преобразователей, а также волоконно-оптическая буксируемая коса, исследуемая в настоящей работе.

Бортовая часть Забортная часть

Рисунок 1. Оптическая смеха волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы. ИИ - источник излучения, ОУ - оптический усилитель, КИ - компенсационный интерферометр, ФМ - фазовый модулятор, ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема, ФП - фотоприемник, ПК - персональный компьютер, ВОГп -

волоконно-оптический гидрофон.

На рис. 1 представлена оптическая схема и последовательность импульсов волоконно-оптической буксируемой косы.

Оптический источник ВИЛ (ИИ) генерирует импульс, который попадает в КИ через оптический циркулятор. Пара импульсов на выходе из КИ делятся на два канала и попадают на чувствительные гидрофоны (ОГп) через эрбиевые усилители (ОУ). Фазовый модулятор (ФМ) с частотой и глубиной модуляции 50 кГц и 2.63 рад соответственно установленный в короткое плечо КИ,

стабилизирует демодуляцию фазового сигнала [19, 20]. Оптическая часть ведущая к КИ, как и сам КИ, выполнены из двулучепреломляющих оптических элементов.

При попадании в чувствительный гидрофон, импульсы снова делятся, на выходе образуя 3 импульса, один из которых интерференционный. Далее импульсы регистрируются на фотоприемниках (ФП), демодулируются с помощью ПЛИС, на котором реализован метод гомодинной демодуляции РОС-Л1ап [21, 22], и информация о зарегистрированном сигнале передается на

I

Защитный слой Акустический слой

Полиуретановый сердечник

Силовой элемент

Магистральное оптическое волокно

Элемент с положительной плавучестью

Рисунок 2. Структура забортной части волоконно-оптической буксируемой косы.

На рис. 2 представлена структура забортной части буксируемой сейсмической косы. Кабельная основа выполнена в виде неразрывного сердечника диаметром 18 мм. с 4-я углублениями, два из которых используются для укладки подводящего оптического волокна, тогда как остальные заполняются материалом для контроля плавучести кабеля. В центре сердечника расположен силовой элемент, выполненный из кевларовых нитей.

Чувствительный гидрофон выполнен в виде волоконного интерферометра Майкельсона с разбалансированными плечами, чувствительное плечо которого намотано на кабельную основу ВО косы, а опорное уложено в углубление сердечника.

Область одного чувствительного ВОГ в представленной буксируемой косе составляет около 0.75 м, при расстоянии между фазовыми центрами соседних ВОГ около 1.44 м.

Также в первой главе представлен обзор и классификация шумов, воздействующих на бортовую и забортную части волоконно-оптической буксируемой косы.

К шумам волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы отнесены собственные шумы системы, такие как фазовый, тепловой и шум интенсивности источника оптического излучения, а также шум бортовой и забортной части.

Основным шумом бортовой части исследуемой волоконно-оптической косы является виброакустический шум, воздействующий на компенсационный интерферометр.

К шумам забортной части волоконно-оптической сейсмической косы относятся шумы окружающей среды, а также шумы, возникающие во время буксировки.

По итогам обзора литературы были сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава направлена на исследование и интерпретацию полученных в результате данных по шумам волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы, возникающих во время проведения морской сейсмической разведки.

Объектом исследованием настоящей главы является волоконно-оптическая сейсмическая коса, описание которой представлено в первой главе настоящей работы.

Буи

о Заглубители => Спаркер

Чувствительная секция буксируемой косы

Рисунок 3. Схема и фото проведения экспериментального исследования волоконно-

оптической буксируемой косы

На рис. 3 представлена схема проведения экспериментальной морской сейсмической разведки. Для возбуждения гидроакустических импульсов использовался искровой акустический источник Geo-Source 200-400 фирмы Geo Marine Survey Systems.

На основе результатов проведенного экспериментального исследования были выявлены основные виды шумового воздействия, возникающие в процессе проведения морской сейсмической разведки:

Шумы буксировки, вызванные продольным растяжением/сжатием внешних слоев кабельной основы волоконно-оптической буксируемой косы по отношению к центральному силовому элементу.

Рисунок 4. Спектр сигнала с волоконно-оптической буксируемой косы при буксировании

со скоростью 4узла

Искажение измеряемых фазовых сигналов высокой амплитуды, вызванное превышением верхней границы динамического диапазона схемы демодуляции сигналов.

Рисунок 5. Сравнение сигналов во временной области с волоконно-оптической и опорной

пьезоэлектрической буксируемой косы.

Шумовое воздействие на компенсационный интерферометр, расположенный в бортовой части блока приема и обработки сигналов волоконно-оптической буксируемой косы.

Рисунок 6. Измеренные шумы ВО время простоя судна буксира с работающим

двигателем

В третьей главе настоящей работы представлен и исследован метод борьбы с гидроакустическими шумами, воздействующими на забортную часть волоконно-оптической буксируемой косы.

ВОГ1 ВОГ2 ■

Дополнительный датчик

ВОГ15 ВОГ16

ПЛИС

Рисунок 7. Оптическая схема волоконно-оптической буксируемой косы с дополнительным

датчиком

Для компенсации шумов буксировки было предложено использовать дополнительный интерферометрический датчик с протяженным расположением чувствительного плеча вдоль чувствительной секции буксируемой косы. На Рис. 7 представлена оптическая схема буксируемой сейсмической косы с дополнительным датчиком.

Рисунок 8. Расположение протяженного плеча дополнительного датчика в составе кабеля волоконно-оптической буксируемой косы

Продольное расположение чувствительного плеча дополнительного датчика (Рис. 8) позволяет достичь двух основных эффектов.

Во-первых, за счет пространственного усреднения дополнительный датчик не чувствует высокочастотные акустические сигналы, половина длины волны которых меньше, чем длина чувствительного плеча протяженного датчика. Таким образом, при длине чувствительного плеча 17,2 м, интерферометр не воспринимает акустические сигналы на частотах выше 43,6 Гц.

Во-вторых, продольное расположение чувствительного плеча дополнительного датчика делает его более восприимчивым к шумам буксировки, обусловленными растяжением/сжатием кабельной структуры чувствительной секции косы относительно центрального силового элемента.

Было проведено повторное экспериментальное исследование волоконно-оптической буксируемой косы с дополнительным датчиком в соответствии с условиями, описанными во второй главе настоящей работы (рис. 3).

10е

LO

10"1

|_

аз 1=

с с

10"

10

—Сигнал сейсмического источника с датчика №10 —Сигнал сейсмического источника с дополнительного датчика

г

..................,

III

-4

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Частота, Гц

Рисунок 9. спектр сигнала сейсмического источника зарегистрированный 10 и

протяженным ВОГ№ 10

Основываясь на результатах проведенных исследований, основная энергия сейсмического источника располагалась в области от 300 до 1300 Гц с максимальной концентрацией энергии в области 500-600 Гц и 1000 Гц. На Рис. 9 продемонстрировано, что уровень сигнала сейсмического источника,

зарегистрированным дополнительным датчиком, на два порядка ниже уровня сигнала с основных датчиков.

25

20

15

ч

со

о. 10

со"

ч:

>, н 5

^

с

с 0

<

-5

-10

-15

/1 —Сигнал с дополнительного датчика —Сигнал сдатчика №10 —Разноснтый сигнал А к

— / /г

И 1 Г * ! \ 1 ^уУ / "* 4 шд Л л г \ г х " V Г ч \ г \ /

/ \ Ти ч _ / 1 1 1

0.1

0.2

0.3 Время, с

0.4

0.5

0.6

Рисунок 10. Сигнал с датчика №10 и протяженного датчика На Рис. 10 представлены шумы буксировки, зарегистрированные основным и дополнительным датчиком, а также сигнал, полученный в результате их вычитания. Коэффициент корреляции Пирсона сигналов с основного и дополнительного датчика равен 0.89, что позволяет вычитать эти сигналы, не внося существенных искажений в результирующий сигнал.

Рисунок 11. спектр сигнала с 10 ВОГ, протяженного датчика, а также скомпенсированного разностного сигнала

Представленный спектр разностного сигнала на рис. 11. демонстрирует, что предложенный метод обеспечивает высокую эффективность компенсации шумов буксировки в диапазоне частот от 2.5 до 40 Гц более чем в два раза.

Четвертая глава настоящей работы направлена на создание математической модели сигнального тракта волоконно-оптической буксируемой косы, которая позволяет определить оптимальную чувствительность волоконно-оптических гидроакустических кабельных преобразователей в составе буксируемой косы.

Математическая модель представляет собой ряд алгоритмов преобразования входного сигнала, зарегистрированного с помощью опорного гидрофона, с последующим формированием интерференционного сигнала, после чего полученный интерференционный сигнал демодулируется с помощью схемы гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции арктангенса.

Рисунок 12. этапы преобразования опорного сигнала

l(t) = А + Bcos[Ccos(2nft) + signal] (1)

где А = 0, B = 32765, что равно половине разрядной сетки 16-битного АЦП, f = 100000 Гц, С - глубина модуляции, t - длительность выходного сигнала, signal - входной сигнал (в данной работе использовался сигнал с косы UHRS GeoSense), I(t) - интерференционный сигнал.

200 150

ct

го

m- 100

ц

пз

I

§ 50

Ф

^

i

£ о

пз

I

со

-50 -100

1.006 1.008 1.01 1.012 1.014 1.016 1.018 1.02

Время, с

Рисунок 13. Входной сигнал с опорного гидрофона и выходной сигнал математической модели при снижении чувствительности ВОГ в 2 раза.

Сигнал на выходе математической модели сравнивается с опорным сигналом, в следствии чего определяется оптимальный коэффициент преобразования опорного сигнала, на основе которого производится корректировка чувствительности волоконно-оптических преобразователей.

В пятой главе предложен метод и разработана на его основе конструкция корпуса компенсационного волоконного интерферометра со встроенной дифференциальной системой на основе гибкого диска.

В рамках исследования волоконно-оптических датчиков давления, выполненных в виде преобразователей на основе гибкого диска, были выявлены характеристики подобных преобразователей, позволяющие реализовать на основе таких преобразователей компенсационную модель, позволяющую скомпенсировать внешнее вибрационное воздействие на опорное плечо компенсационного интерферометра.

Для максимальной эффективности подавления виброакустического воздействия, должны выполняться следующие условия:

- АЧХ верхней и нижней поверхности гибкого диска должны совпадать.

- Максимальная эффективность достигается при разнице фаз ФЧХ системы равной 180 градусов.

-Входной

- - Выходной

Для получения характеристик представленной дифференциальной системы была построена математическая модель с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics.

Рисунок 14. модель корпуса КИ с встроенной дифференциальной системой на основе

гибкого диска.

На рис. 14 продемонстрирована математическая модель дифференциальной системы на основе гибкого диска. Деформация поверхности гибкого диска отслеживалась путем множества точек, отсчитанных по траектории расположения оптического волокна.

Для имитации виброакустического воздействия в COMSOL Multiphysics использовалась модель частотного моделирования при численном методе конечных элементов. Вибрация передавалась воздействием на внешние стенки корпуса КИ частотой до 5 кГц. Результаты моделирования виброакустического воздействия на корпус КИ с встроенной дифференциальной системой на основе гибкого диска толщиной 0.5 мм представлены на рис. 15, рис. 16 и рис. 17.

Рисунок 15. ФЧХверхней поверхности дифференциальной системы на основе гибкого

диска из алюминия толщиной 0.5 мм.

Рисунок 16. ФЧХ нижней поверхности дифференциальной системы на основе гибкого

диска из алюминия толщиной 0.5 мм.

Рисунок 17. АЧХверхней и нижней поверхности гибкого диска.

В результате математического моделирования были получены характеристики дифференциальной системы, удовлетворяющей условиям максимальной эффективности подавления виброакустического воздействия, а также подходящей по геометрическим параметрам.

На основе математического моделирования был построен экспериментальный макет корпуса КИ с встроенной дифференциальной системой на основе гибкого диска из алюминия толщиной 0.5 мм и диаметром 150 мм и центральным отверстием, диаметр которого равен 24 мм (рис. 18).

Встраиваемая

дифференциальная _

система на основе гибкого диска_

Область укладки оптического волокна

Корпус компенсационного интерферометра

Рисунок 18. Корпус КИ и встраиваемая дифференциальная система на основе гибкого

диска

Для проведения сравнительных лабораторных исследований виброакустического воздействия на корпус КИ с встроенной дифференциальной системой и без, была построена лабораторная установка (рис. 19).

Корпус КИ

Монтажная пластина Вибродинамик

Монтажная пластина

Рисунок 19. лабораторная установка для проведения испытаний корпуса КИ

Рисунок 20. результаты сравнительных лабораторных испытаний КИ с встроенной и без

дифференциальной системы

На рис. 20 представлены АЧХ КИ с встроенной дифференциальной системой и без, полученные в результате сравнительных лабораторных испытаний.

По представленным результатам можно сделать вывод, что предложенный метод компенсации позволяет обеспечить подавление вибрационных шумов, воздействующих на бортовую часть волоконно-оптической буксируемой косы в частотном диапазоне от 3,5 кГц до 5,5 кГц более чем в два раза за счет противофазного воздействия упругих деформаций на плечо компенсационного волоконного интерферометра.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В ходе настоящего исследования получены следующие основные результаты:

1. Предложен и экспериментально апробирован метод компенсации шумов буксировки волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы с использованием вспомогательного интерферометра, который заключается в

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дмитращенко Павел Юрьевич, 2021 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Shizhuo Y. Fiber Optic Sensors/ Y. Shizhuo, P. B. Ruffin, T. S. Francis. -2nd Edition. - CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008. -494 p.

2. Sherman C. H. Butler Transducers and Arrays for Underwater Sound/ C. H. Sherman, John L. - Springer, 2007. -625 p.

3. El-Hawary F. Ocean Engineering Handbook/ F. El-Hawary. - CRC Press LCC, 2001. -391 p.

4. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников/ Э. Удд. - М.:Техносфера.- 2008.- 520 с.

5. Kersey A. D. A Review of Recent Developments in Fiber Optic Sensor Technology//Optical Fiber Technology. -1996. - V. 2(3). - P. 291-317.

6. Zhang M., Ma. X., Wang L., Lai S., Zhou H., Zhao H., Liao Y. Progress of Optical Fiber Sensors and Its Application in Harsh Environment // Photonic Sensors. - 2011. - V1(1). - P.84-89.

7. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики/- Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 256с.

8. Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение/ М. М. Бутусов, С.Л.Галкин, С.П. Оробинский. - Л.: Машиностроение, 1987. - 328 с.

9. Kirkendall C., Barock T., Tveten A. et al. Fiber optic towed arrays // Applied Optics. Vol. 54. pp. F268-F285. 2015.

10. Souto, F. Fibre optic towed array: The high-tech compact solution for naval warfare // Acoustics. P. 17-20. November. 2013.

11. Vladimir S. Lavrov, Mikhail Y. Plotnikov, Stanislav M. Aksarin et al. Experimental investigation of the thin fiber-optic hydrophone array based on fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology. V. 34. P. 47-51. 2017.

12. Plotnikov, M. Y., Lavrov, V. S., Dmitraschenko et al. Thin cable fiber-optic hydrophone array for passive acoustic surveillance applications // IEEE Sensors Journal. 19(9). 3376-3382. 2019.

13. Stolkin R., Sutin A., Radhakrishnan S. et al. "Feature based passive acoustic detection of underwater threats" // Proc. SPIE. V. 6204. P. 620408. May 2006.

14. E. T. Bick, and R. T. Barock. "CENTURION harbor surveillance test bed," in Proc. OCEANS MTS // IEEE. V. 2. Sep. 2005. P. 1358-1363.

15. D. Meggitt, J. Wilson, and D. Warren. "Project Centurion: installation of lightweight acoustic arrays in shallow water," in Proc. OCEANS MTS // IEEE. pp. 1339-1344. Sep. 2005.

16. B. Borowski, A. Sutin, H. S. Roh et al. "Passive acoustic threat detection in estuarine environments" // Proc. SPIE. V. 6945. P. 694513. Apr. 2008.

17. Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Lavrov V.S. et al. A.S., 2020. The influence of a method of bracing a fiber-optical seismic streamer during towing on the parameters of its output signal // Instruments and Experimental Techniques. 63(4). P.577-582.

18. Власов, А.А., Алейник, А.С., Плотников, М.Ю и др. 2019. Методы снижения механических шумовых воздействий при буксировке

сейсмических кос с применением волоконных решеток Брэгга // Научно-технический вестник информационных технологий. механики и оптики. Том 19. № 4. 2019.

19. A. V. Volkov, M. Y. Plotnikov, M. V. Mekhrengin, G. P. Miroshnichenko, A. S. Aleynik, "Phase Modulation Depth Evaluation and Correction Technique for the PGC Demodulation Scheme in Fiber-Optic Interferometric Sensors" IEEE Sensors Journal, vol. 17, no. 13, pp. 4143 -4150, July 2017, doi: 10.1109/JSEN.2017.2704287.

20. Nikitenko A.N., Plotnikov M.Y., Volkov A.V., Mekhrengin M.V., Kireenkov A.Y. PGC-Atan demodulation scheme with the carrier phase delay compensation for fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal - 2018, Vol. 18, No. 5, pp. 1985 - 1992 https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2792540

21. Лавров В.С. Волоконный акустооптический кабельный преобразователь.

22. M. N. Belikin, M. Y. Plotnikov, V. E. Strigalev, A. V. Kulikov, and A. Y. Kireenkov, "Experimental comparison of homodyne demodulation algorithms for phase fiber-optic sensor" Sci. Tech. J. Inf. Technol., Mech. Opt., vol. 15, no. 6, pp. 1008-1014, Apr. 2015

SYNOPSIS

Fiber-optic technologies are widely used in the fields of hydroacoustic and geophysics. Moreover, these technologies have a number of significant advantages, such as high sensitivity, electrical inactivity, high dynamic range, relatively small mass-and-dimensions parameters, and immunity to electromagnetic interference [1, 2] over sensors based on conventional technologies. Because of these advantages, fiber-optic sensors are used in ocean-bottom cables, [3-8], towed hydroacoustic antennas [9-12], and naval perimeter security systems [13-16].

Moreover, optical measurement systems can be used in the design of fiberoptic towed streamers. Towed streamers are the main instruments for modern seismic exploration and are used to predict geological structure of the surveyed sea shelves and mineral deposits (such as oil and natural gas).

However, the design of fiber-optic towed streamers entails several technical difficulties. Towing noise is one of the most crucial problems arising in operation of streamers. Towing noise is a combination of several types of noise such as hydrodynamic noise, mechanical jerks of the towboat owing to its inconstant speed, and resistance of beacons and floating anchor ensuring stability of towed streamer position at the set depth [17, 18].

The occurrence of noise associated not only with external factors, but also with the design features of various towed seismic streamers, as well as auxiliary equipment. In this regard, the methods for suppressing towing noise used in traditional piezoelectric measurement systems are not always applicable to fiberoptic.

Due to the fact that fiber-optic hydrophones are sensitive not only to acoustic pressure, but also to tensile loads, the presence of such noise leads to a deterioration in the signal-to-noise ratio of the fiber-optic towed streamer.

The aim of this work is the noise suppression in the output signal of the fiberoptic towed streamer during marine seismic survey.

In order to achieve this aim, it is necessary to solve the following tasks:

- to perform a literature review and classification of types of noise types in towed marine seismic streamers;

- to perform experimental research of the main types of noise types in fiber-optic towed marine seismic streamer during a marine seismic survey;

- to develop and to perform experimental research of a method to compensate outboard noise of the fiber-optic towed streamer;

- to develop and to perform experimental research of the fiber-optic hydroacoustic transducer with an extended sensitive arm as part of a towed streamer to perform compensation of the towing noise;

- to develop and to perform experimental research a method for compensation of the fiber-optic towed streamer onboard noise;

- to develop mathematical model to determine of the sensitivity of fiberoptic hydroacoustic transducers in the fiber-optic towed streamer to provide a dynamic range 120 dB at a frequency of 500 Hz based on a result of the performed marine seismic survey;

The science novelty of the dissertation work is as follows:

1. A method for compensation of the fiber-optic streamer towing noise using an additional interferometer is developed and experimentally tested. Method based on the independent measurement of the tensile load using an additional sensor located along the sensitive section of the fiber-optic towed seismic streamer. Towing noise is compensated in real time by subtracting the additional interferometer signal from the sensitive fiber-optic hydrophones. This method provides an increase of the signal-to-noise ratio of the fiber-optic towed streamer more than doubles in the frequency range of 5 Hz to 40 Hz.

2. Mathematical model of the fiber-optic towed streamer signal path that make it possible to determinate the sensitivity of the fiber-optic hydroacoustic transducers in the fiber-optic towed streamer based on a reference signal to provide a dynamic range 120 dB at a frequency of 500 Hz. The developed mathematical model can be applied to estimate form and spectrum measured signals of an acoustic

source as it demodulates by the demodulation scheme of the fiber-optic towed streamer considering dynamic range limits.

3. The proposed method and developed on its basе the design of the case of the compensating fiber interferometer with a built-in push-pull system based on a flexible disk, which allows suppression of vibration noises affecting the side of the fiber-optic towed streamer in the frequency range from 3.5 to 5.5 kHz in more than two times due to the antiphase effect of elastic deformations on the shoulder of the compensating fiber interferometer. The indicated effect is achieved due to the symmetrical arrangement of the compensation interferometer arm on the opposite surfaces of the flexible disk.

Scientific provisions (theses) for defense:

1. A method for compensation of the fiber-optic streamer towing noise using an additional interferometer based on the independent measurement of the tensile load using an additional sensor located along the sensitive section of the fiberoptic towed seismic streamer that provides an increase of the signal-to-noise ratio of the fiber-optic towed streamer more than doubles in the frequency range of 5 to 40 Hz.

2. Mathematical model of the fiber-optic towed streamer signal path that make it possible to determinate the sensitivity of the fiber-optic hydroacoustic transducers in the fiber-optic towed streamer based on a reference signal to provide a dynamic range 120 dB at a frequency of 500 Hz.

3. The design of the case of the compensating fiber interferometer with a built-in push-pull system based on a flexible disk that provides suppression the vibration noise affecting it in the frequency range from 3.5 to 5.5 kHz by more than two times due to the antiphase effect of elastic deformations on the arm of the compensating fiber interferometer.

The evaluation and approbation of work results.

The main results of this work were presented and discussed at the VI, VII All-Russian Congress of Young Scientists (Saint-Petersburg, Russia, 2017 and 2018); XLIII научной и учебно-методической конференции ППС ИТМО (Saint-

Petersburg, Russia, 2019); стендовый доклад на ITMO Open Science (Saint-Petersburg, Russia, 2019); доклад на XLIX научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (Saint-Petersburg, Russia, 2020); laureate of the first prize of the International competition of scientific, scientific, technical and innovative developments aimed at the development of the Arctic and the continental shelf in 2019 for the project "Innovative technology for the creation and use of fiberoptic towed seismic streamers for conducting complex engineering surveys" as part of the team of authors Arctic Marine Geological Expedition.

Publications. On the topic of the research, 5 papers were published, of which 3 were published in peer-reviewed journals, indexed in Web of Science of Scopus and 2 other publications. In addition, one application for the results of intellectual activity were submitted.

The structure of the dissertation work.

The reliability of scientific results.

Personal contribution of the author. In this work only those results are used in obtaining which the author plays a decisive role. Published works were prepared in collaboration with members of the scientific group. In group work, the candidate took part in modeling, calculations, in the creation of experimental setups, in conducting experiments and interpreting the results. This dissertation work meets the requirements of ITMO University and the State Commission for Academic Degrees and Titles of Russian Federation (Higher Attestation Commission) passport of the specialty 05.11.01 - Instruments and methods of measurement (Engineering) in terms of the creation of new scientific, technical, regulatory and technical solutions to improve the quality of products related to measurements of groups 1-5.

GENERAL DESCRIPTION OF THE WORK

The introduction substantiated the relevance of the dissertation topic, formulated the purpose and objectives, presents the scientific novelty of this work, as well as determines the practical significance of the results obtained and provides the scientific provisions for defense.

The first chapter presents an overview of the scientific and technical literature. The relevance and problems of the application of the marine towed seismic streamers during marine seismic survey are considered.

Different types of the traditional piezoelectric towed seismic streamers and types of towing noise are reviewed and the overviewed the scientific and technical literature on the basic principles of the piezoelectric towed seismic streamers towing noise suppression.

Different types of the fiber-optic hydroacoustic cable transducers are reviewed as well as the fiber-optic towed seismic streamer, as well as a fiber-optic towed seismic streamer, which is the subject of research in this work.

An overview and classification of noise affecting the onboard and outboard parts of a fiber-optic towed seismic streamer is presented.

Onboard part Outboard part

Figure 1. Optical scheme and pulse train of the presentedfiber-optic towed seismic streamer. PC - personal computer, PLD - programmable logic device, PD - photo detector, CIF -compensating interferometer, EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier, FOHn - fiber-optic

hydrophone.

The electronic board contains an optical radiation source VCSEL (1550 nm), which sends an OI with a frequency of 1 MHz and a duration of 10 ns, two

photodetectors (PD) and an PLD, in which a homodyne demodulation circuit is formed based on the arctangent function [19, 20], which processes in real time Signals coming from hydrophones in the frequency range from 3 to 1000 Hz transmits them with a frequency of 10 kHz to the user device.

The VCSEL generates pulse that hits the CIF, which is an unbalanced Michelson interferometer. A phase modulator is installed in the short arm, the frequency and modulation depth are 50 kHz and 2.63 rad, respectively, stable demodulation of the phase signal [21, 22]. The optical part leading to the CIF, like the CIF itself, is made of birefringent optical elements. Due to the difference in the lengths of the CIF arms, two light pulses will go into each of its outputs with a delay of 130 ns between them. Light pulses are amplified by an optical amplifier by 20 dB and enter the outboard part and after returning are redirected by circulators to the photodetector.

Figure 2. structure of the outboard part of the fiber-optic towed seismic streamer.

The design of the outboard part of the fiber-optic towed seismic streamer is shown in the Fig. Towed cable is made as one whole segment that includes lead and sensitive parts. The sensing cable length is 30.5 m and the lead cable about 100 m.

The lead cable length limited only by optic loss and can be significantly increased without degrading the characteristics of the fiber optic cable. The length of the sensitive part of the FOH is 0.75 m and the difference between phase centers of neighboring FOH is 1.44 m.

The 18 mm diameter cable consists of a central strength element made of Kevlar aramid yarns with a tensile strength of about 2 tons, located in the center of the solid complaint polyurethane mandrel.

Solid complaint polyurethane mandrel has 4 grooves. Magistral OF is placed in two grooves and the other two grooves contain floating elements made of the same material as the solid complaint polyurethane mandrel, to keep the structure symmetrical. Solid complaint polyurethane mandrel is covered with an Elastollan thermoplastic polyurethane layer. On the sensitive section of the cable, the optical fiber is coiled on a polyurethane layer in a spiral with a pitch of 2.4 mm and an outer diameter of about 15 mm. The prepared base of the cable with the FOH located on it is covered with a second soft polyurethane layer (Acoustic Layer), which finally forms the sensitive element of the hydrophone, increasing the sensitivity to acoustic pressure, after which the cable is covered with a protective polyurethane sheath resistant to abrasion, UV radiation and seawater (Protective Layer).

The fiber-optic towed seismic streamer noise includes self-noise, onboard vibroacoustic noise that affect the compensating interferometer, ambient noise, and towing noise, that affects the outboard section.

Based on the results of the scientific and technical literature, review the goals and objectives of the dissertation work were formulated.

The second chapter presents results of the experimental investigation of the fiber-optic marine towed streamer noise during marine seismic acquisition and their interpretation.

The subject of study of this chapter is the fiber-optic marine towed streamer presented in the first chapter of this paper.

o Floats o Anchors

JçV | 0 Anchors

SBmm Seismic

source

Sensitive part of the FOTS Figure 3. Measurement approach. FOTS - fiber-optic towed streamer.

Fig. shows the placement of a fiber-optic streamer, sparker and auxiliary equipment during towing. Ancillary equipment, which was located on the towing vessel, includes a fiber optic streamer signal processing unit and Pulsed Power Supply. Geo-Source 200-400 by Geo Marine Survey Systems is used as sparker acoustic source.

Based on the results of the experimental investigation, the main types of noise impacts arising in the process of conducting marine seismic exploration were identified:

Towing noise caused by longitudinal stretching / compression of the outer cable layers of the fiber-optic towed streamer in relation to the central strength rope.

Figure 4. Fiber-optic seismic streamer towing noise at towing speed of 4 knots Distortion of the measured high-amplitude phase signals caused by exceeding the upper limit of the dynamic range of the signal demodulation scheme.

Figure 5. Comparison of the reflected pulse of a sparker acoustic source captured by the fiberoptic and piezoelectric towed streamer.

Onboard vibroacoustic noise that affect the compensating interferometer,

caused by running engines.

Figure 6. Measured onboard noise at towing vessel anchorage with running engines. In third chapter of this work a method for compensating hydroacoustic noise affecting the outboard part of a fiber-optic towed streamer is presented and investigated.

Figure 7. Optical scheme of the fiber-optic towed seismic streamer with an additional sensor.

To compensate fiber-optic streamer towing noise it was proposed to use an additional interferometric hydroacoustic sensor with an extended sensitive arm located along the sensitive section of the towed streamer. In fig. the optical scheme of the fiber-optic towed seismic streamer with an additional sensor is presented.

Figure 8. Location of the extended arm of the additional sensor as part of the fiber-optic seismic

streamer cable

The longitudinal placement of the sensitive arm of the additional sensor, shown at fig., allows two main effects to be achieved.

At first, due to spatial averaging, the additional sensor does not sense high-frequency hydroacoustic signals, half the wavelength of which is less than the length of the sensitive arm of the extended sensor. Thus, with sensitive arm length of 17.2 m, the additional sensor does not sense acoustic at frequencies above 43.6 Hz

Secondly, the longitudinal placement of the sensitive arm of the additional sensor makes it more sensitive to towing noise caused by stretching / contraction of the cable structure of the fiber-optic streamer relative to the central strength rope.

Experimental исследование of the fiber-optic towed seismic streamer with the additional interferometer were performed as it was described in the second chapter of this work (fig.)

Frequency, Hz

Figure 9. Sparker acoustic source signal spectrum from the sensor № 10 and additional sensor Based on the results of the performed испытаний, the main energy of the sparker acoustic source was located in the region from 300 to 1300 Hz with the maximum energy concentration in the region 500-600 Hz and 1000 Hz. In fig. it was demonstrated that the signal of the sparker acoustic source recorded by the additional sensor in two orders magnitude lower than the signal level from the main sensor.

Figure 10. Sparker acoustic source signal from the sensor № 10 and additional sensor Fig. shows the towing noise recorded by the sensor № 10 and additional sensor, as well as the signal obtained as a result of their subtraction. The Pearson correlation coefficient of the signals from the sensor № 10 and additional sensors is 0.89, which makes it possible to subtract these signals without introducing significant distortions into the resulting signal.

-Towing noise spectrum from sensor № 10

-Towing noise spectrum from additional sensor

— Difference signal spectrum

20 25 30 Frequency, Hz

Figure 11. Towing noise spectrum from sensor № 10, additional sensor and difference

signal spectrum

The presented spectrum of the resulting signal in Fig. demonstrates that the presented method provides high efficiency of towing noise compensation in the frequency range from 2.5 to 40 Hz.

The fourth chapter of this work is aimed at development a mathematical model of the signal path of a fiber-optic towed streamer, which makes it possible to determine the optimal sensitivity of fiber-optic hydroacoustic cable transducers as part of a towed streamer.

The mathematical model is a series of algorithms for converting the input signal recorded using a reference hydrophone, followed by the formation of an interference signal, after which the resulting interference signal is demodulated using a homodyne demodulation scheme based on calculating the values of the arctangent function.

Figure 12. Steps of determining the adjustment coefficient

I(t) = A + Bcos[Ccos(2nft) + signal] (1)

A = 0, B = 32765, which is equal to half the bit grid of a 16-bit ADC, f = 100000 C - modulation depth, t - output signal duration (s), signal - reference signal (it current work as reference used signal from Ultra high resolution streamer (UHRS) from GeoSense), I(t) - interference signal.

150

cl

TO

tf 100

■O

Z!

-I—»

"a. 50

E

03

! 0

gi

if)

-50 -100

1.006 1.008 1.01 1.012 1.014 1.016 1.018 1.02

Time, s

Figure 13. Reference signal from UHRS and output signal from mathematical model with the

adjustment coefficient equal to 2.

As a result of comparison output and reference signals, the optimal adjustment coefficient is determined, which is used to adjust the sensitivity of the fiber-optic hydrophones.

In fifth chapter of this work the design of the case of the compensating fiber interferometer with a built-in push-pull system based on a flexible disk was proposed.

As part of the scientific and technical literature about fiber-optic pressure sensors overview based on a flexible disk, the characteristics of such converters were identified, which make it possible to implement a compensation model based on such converters, which makes it possible to compensate for the external vibration effect on the reference arm of the compensation interferometer.

For maximum efficiency of suppression of vibroacoustic effects, the following parameters must be met:

- Amplitude response the system of the top and bottom part must match.

- The phase difference of the phase response of the upper and the bottom surface of the flexible disk is specular.

To obtain the characteristics of the presented push-pull system, a mathematical model was built using the COMSOL Multiphysics software package.

—Reference --Output

Figure 14. model of the CIF case with a built-in differential system based on a flexible disk.

Fig. demonstrated a mathematical model of a push-pull system based on a flexible disk. The deformation of the surface of the flexible disk was tracked by a number of points placed along the path of the optical fiber.

For vibroacoustic stimulation in COMSOL Multiphysics, a frequency domain model was used with a numerical finite element method. Vibration was transmitted by impact on the outer walls of the KI case with a frequency of up to 5 kHz. The results of modeling the vibroacoustic effect on the CIF body with a built-in push-pull system based on a flexible disk 0.5 mm thick are shown in fig. 15 and 16.

Frequency, Hz

Figure 15. Phase response of the upper surface of the push-pull system based on aluminum

flexible disk 0.5 mm thick.

Figure 16. Phase response of the bottom surface of the push-pull system based on aluminum

flexible disk 0.5 mm thick.

4

3.5 3

TO CL

S 2.5 ro

£ 2 >

h—1

I 1.5 in

1

0.5 0

x10"

—upper surface —bottom surface

-

1 —------

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency, Hz

3500

4000 4500

5000

Figure 17. Amplitude response of the upper and bottom surface of the push-pull system based on

aluminum flexible disk 0.5 mm thick.

As a result of mathematical modeling, the characteristics of the push-pull system were obtained, meets the conditions for the maximum efficiency of suppression of vibroacoustic pressure, as well as meeting with geometric parameters.

On the basis of mathematical model, an experimental model of the CIF body with an embedded push-pull system based on a flexible aluminum disk 0.5 mm thick

and 150 mm in diameter and a central hole with a diameter of 24 mm was built (fig. 18).

Figure 18. experimental model of CIF case with push-pull system

To perform comparative laboratory исследования of vibroacoustic pressure on the CIF case with and without a built-in push-pull system, an experimental setup was built (fig.19).

CIF case Mounting plate Vibroacoustic source Mounting plate

Figure 19. Experimental setup.

Frequency, Hz

Figure 20. Results of the comparative laboratory investigation of vibroacoustic pressure

on the CIF case.

In fig. shown the frequency response of the CIF with and without built-in push-pull system, obtained as a result of comparative laboratory investigation.

Based on the presented results, it can be concluded that the proposed compensation method provides suppression the vibration noise affecting it in the frequency range from 3,5 kHz to 5,5 kHz by more than two times due to the antiphase effect of elastic deformations on the arm of the compensating fiber interferometer.

In the conclusion, the main results and conclusions of this dissertation work are presented.

MAIN RESULTS AND CONCLUSIONS OF THE WORK

As the result of the current dissertation work, the following main results were obtained:

1. A method for compensation of the fiber-optic streamer towing noise using an additional interferometer is developed and experimentally tested. Method based on the independent measurement of the tensile load using an additional sensor located along the sensitive section of the fiber-optic towed seismic streamer. Towing noise is compensated in real time by subtracting the additional interferometer signal from the sensitive fiber-optic hydrophones. This method provides an increase of the signal-to-noise ratio of the fiber-optic towed streamer more than doubles in the frequency range of 5 to 40 Hz.

2. Mathematical model of the fiber-optic towed streamer signal path that make it possible to determinate the sensitivity of the fiber-optic hydroacoustic transducers in the fiber-optic towed streamer based on a reference signal to provide a dynamic range 120 dB at a frequency of 500 Hz. Developed mathematical model can be applied to estimate form and spectrum measured signals of a acoustic source as it demodulates by the demodulation scheme of the fiber-optic towed streamer considering dynamic range limits.

3. The proposed method and developed on its basе the design of the case of the compensating fiber interferometer with a built-in push-pull system based on a flexible disk, which allows suppression of vibration noises affecting the side of the fiber-optic towed streamer in the frequency range from 3.5 to 5.5 kHz in more than two times due to the antiphase effect of elastic deformations on the shoulder of the compensating fiber interferometer. The indicated effect is achieved due to the symmetrical arrangement of the compensation interferometer arm on the opposite surfaces of the flexible disk.

LIST OF PUBLICATIONS

Scopus/WoS indexed peer-reviewed journals:

■ Thin cable fiber-optic hydrophone array for passive surveillance applications/ Mikhail Y. Plotnikov, Vladimir S. Lavrov, Pavel Y. Dmitraschenko, Andrey V. Kulikov, Igor K. Meshkovsky // IEEE Sensors Journal ( Volume: 19 , Issue: 9 , May1, 1 2019)

■ P. Yu. Dmitrashchenko, M. Yu. Plotnikov, V. S. Lavrov, A. V. Volkov, I. A. Sharkov, and A. S. Godovova / Compensation of the towing noise of a fiber-optic streamer using an additional interferometer / Journal of Optical Technology, Vol. 88, Issue 9, pp. 532-535 (2021).

Peer-reviewed journals from the list of the State Commission for Academic Degrees and Titles (Higher Attestation Commission) of Russian Federation:

■ Волков А.В., Плотников М.Ю., Быкадоров М.В., Дмитращенко П.Ю. Исследование влияния коэффициента усиления эрбиевого волоконно-оптического усилителя на шумы волоконно-оптического интерферометрического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2018. - Т. 18. - № 4(116)

Others:

■ Дмитращенко П.Ю., Плотников М.Ю., Куликов А.В. Моделирование push-pull конструкций для размещения опорного плеча волоконного интерферометра//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание - 2018 - 2018

■ Дмитращенко П.Ю., Плотников М.Ю.Дмитращенко П.Ю., Плотников М.Ю.Анализ путей повышения помехоустойчивости схемы гомодинной демодуляции интерференционных сигналов - 2017

Results of intellectual activity:

■ патент на изобретение «Кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы». Номер публикации RU0002741772, дата публикации 04.02.2021.

BIBLIOGRAPHY

1. Shizhuo Y. Fiber Optic Sensors/ Y. Shizhuo, P. B. Ruffin, T. S. Francis. - 2nd Edition. - CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008. -494 p.