Seabed characterization with a small towed array - simulation of system design facors

Abstract

This report studies design factors for a small activated towed-array system for use in seabed characterization. By seabed characterization is here meant the estimation of geo-acoustic parameters including sound speed, density, and attenuation profiles, and layer thicknesses of the upper few meters of the seabed. The effect of system design factors such as array length (16–48 m), number of hydrophones (3–33), system height above the seabed (10–20 m) and acoustic source frequency content (0.5–4 kHz) are studied by use of simulated data for a modeled activated towed-array system. The signal processing technique applied is matched-field inversion of hydrophone data. A Bayesian inverse method based on Markov-chain Monte Carlo sampling for posterior probability densities is used, which allows for quantified comparisons of effects of individual system factors on the geo-acoustic information content of data. Based on the simulations in this report for a typical Continental Shelf type seabed, we find that a critical design factor is the distance between the acoustic source and the array, which preferably should be on the order of 30 to 60 m (measured to the closest array element). However, shorter distance does not necessarily preclude meaningful information content. It is shown that the information content decreases with reduced array length and with reduced number of array elements, with a length of 32 m and 33 elements an apparent practical lower limit for meaningful information content of data. The results from and methods applied in this report can be further used in design of small systems for seabed characterization, e.g., an activated towed array system for an autonomous underwater vehicle.

Denne rapport studerer designfaktorer for et lite aktivert tauet-antenne system for bruk til havbunnskarakterisering. Med havbunnskarakterisering menes her estimering av geofysiske og geoakustiske parametere i de øvre 1-5 metere av havbunnen, herunder lagdeling og profiler for lydhastighet, tetthet og lydbølgedempning. Dette er relevant for å forstå og forutsi havbunnens innvirkning på akustisk transmisjon samt for å prediktere aktive sonaroperasjoner i grunne farvann. Informasjonen kan benyttes i Rapid Environmental Assessment målekampanjer. Rapporten tar utgangspunkt i et modellert system bestående av en aktiv kilde og en kort tauet antenne. Effekten av systemdesignfaktorer som antennelengde (16–48 m), antall hydrofoner (3- 33), avstand over havbunnen (10–20 m) og kildefrekvens (0.5–4 kHz) på informasjonsinnholdet i data blir studert. I prosesseringen benyttes miljøtilpasset signalbehandling og en Bayesisk inversjonsmetode basert på Markov-kjede Monte Carlo sampling. Metoden muliggjør kvantifisert sammenligning av effekten av ulike designfaktorer på informasjonsinnholdet i data. Basert på simuleringene, her for en typisk Kontinentalsokkel type havbunn, finner vi at en viktig designfaktor er avstanden mellom den akustiske kilden og antennen. Denne bør være 30–60 m, målt til nærmeste antenneelement, imidlertid vil ikke kortere avstander nødvendigvis forhindre meningsfullt informasjonsinnhold. Informasjonsinnholdet avtar med redusert antennelengde og med redusert antall antenneelementer, med 32 m lengde og 33 elementer som praktiske nedre grenser for informative data. Effekten av kildens frekvensinnhold blir også studert. Det vises at god oppløsning av relevante havbunnsparametere kan oppnås med et godt designet system. Resultatene og metoden kan videre benyttes i en detaljert studie av, for eksempel, et system for en autonom undervannsfarkost. Inversjonsmetoden kan tilpasses for anvendelse på måledata.