авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 9 |

«XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН ...»

-- [ Страница 3 ] --

Dmn, где Dmn = (m n ) am an = 2 * am an e (4) Параметр определяет число мод, хорошо коррелированных с данной. Его уменьшение с расстоянием до источника приводит к монотонному затуханию интерференционной структуры многомодового сигнала [1-3]. Влияние этого параметра (рис. 4) наиболее заметно для коэффициента пространственной когерент ности r(x1,x2), который определяется как нормированная функция когерентности. Очевидно, в предельном случае полностью коррелированных мод r(x1,x2) = 1, что физически отвечает относительно близким дис танциям. Как показали расчеты, при одинаковой характерной величине изменение вида функции ме ж модовых корреляций слабо влияет на величину масштаба когерентности. Это означает, что именно харак терный масштаб межмодовых корреляций («заселенность» ММК) является определяющим параметром, в то время как детальный вид функции межмодовых корреляций не играет существенной роли.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана Моделирование отклика для горизонтальной протяженной антенны. Будем полагать, что антен ная решетка (АР) состоит из N элементов, принимающих сигналы Si, совокупность которых образует век тор S. Общая длина АР составляет 20 длин волн сигнала, угол направления на источник в горизонтальной плоскости ПЗК составляет 0 = 45°. АР осуществляет сканирование по углу: ее амплитудно-фазовое рас пределение будем обозначать вектором F, компоненты которого имеют вид Fi=exp(-ixiksin). Функция отклика АР на сигнал в зависимости от угла сканирования записывается обычным образом в виде ( ) N ( )( ) D( ) = S, F = S T F = S x j F x j (5) j = Поскольку в данной работе рассматривается модель случайно-неоднородного волновода, то имеет смысл говорить о величине среднеквадратичного отклика АР (символ «T» означает операцию транспонирования):

D( ) = F T SS + F * = F T RF * (6) где R=SS+ – матрица пространственной когерентности сигнала на входе АР.

Матрица пространственной когерентности формируется значениями ФК (2) для различных точек приема. Используя их, получаем зависи мости |D()|2 (6) для различных сценариев приема многомодового сигнала (2), рассмотрен ных выше при моделировании ФК.

Полученные результаты позволяют выде лить несколько интересных эффектов, характер ных для рассматриваемой модели сигнала (1),(2). Как известно, наилучший приём сигнала в случае свободного пространства достигается путем направления главного лепестка диаграм мы направленности на источник сигнала. Прин Рис.5. Отклик антенны для случая асимптотики (сплош ципиальное отличие многомодового канала рас- ная кривая) в сравнении со случаем свободного про пространения от свободного пространства за- странства (пунктир). Вертикальной линией обозначено ключается в том, что принимаемый сигнал ста- направление на источник сигнала (0 = 45).

новится «размазан» по модовому спектру, что соответствует случаю приема антенной сово купности плоских волн под разными углами m согласно равенству: hmsin0 = ksinm. Это озна чает, что угловой спектр сигнала, соответст вующий спектру волновых чисел канала, «затя нут» в сторону меньших углов в сравнении с «правильным» углом на источник).

Эффект подобного искажения углового спектра сигнала виден на рис. 5. Здесь показана угловая зависимость отклика АР (6) в рассмот ренном выше асимптотическом случае эквиди стантного модового (углового) спектра, равно- Рис.6. Отклик антенны при сильно неэквидистантном мерного спектра интенсивности мод и нулевых спектре волновых чисел.

межмодовых корреляций. На последующих рисунках те же зависимости приведены в случаях сильно не эквидистантного спектра волновых чисел для той же модели изоскоростного ПЗК с абсолютно жестким дном (рис. 6), неравномерного (в виде гауссовой зависимости) спектра интенсивностей (рис. 7) и различ ных по величине межмодовых корреляций в рамках модели (4) (рис. 8);

вертикальной линией показан пе ленг на источник (0 = 45). Во всех случаях функции отклика нормировались на суммарную (по модам) мощность сигнала.

Таким образом, горизонтальной антенне в многомодовом ПЗК можно поставить в соответствие антенну, принимающую в свободном пространстве сигнал в виде совокупности плоских волн, имеющих некоторый (достаточно широкий) угловой спектр. Увеличивая размеры АР, можно добиться разрешения отдельных максимумов отклика, отвечающих модам сигнала, т.е. отдельных плоских волн со своим про дольным волновым числом, следовательно, и углом прихода. Очевидно, размеров АР в данном случае не достаточно для хорошего разрешения модового (углового) спектра сигнала, хотя на рис. 6,7 видно частич ное разрешение в области высоких мод, поскольку именно высокие моды имеют наименьшую «плот XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана ность» в пространстве волновых чисел. Резкое усиление функции отклика на рис. 6 в области углов, близ ких к 0, в сравнении с асимптотическим случаем (рис. 5), физически связано именно с сильной неэквиди стантностью спектра волновых чисел, при которой низкие моды оказываются значительно более «плот ными» в указанном смысле.

В случае неравномерного спектра интенсивности мод (рис. 7) функция отклика антенны ведет себя также вполне очевидным образом. По мере увеличения номера наиболее интенсивной моды (от первой к последней) и фиксированной ширине спектра функция отклика расширяется в область малых уг лов, при этом наблюдается частичное разрешение модового спектра в области «редких» высоких мод.

Последний из приведенных расчетов (рис. 8) показывает, что увеличение межмодовых корреля ций только увеличивает значения функции отклика в области углов, близких к «правильному» направ лению на источник 0. При этом сама функция от клика становится ближе к той, которая соответству ет приему сигнала в свободном пространстве (рис.

5, пунктир).

Заключение. В результате моделирования по казано, что как функция когерентности многомодо- Рис.7. Отклик антенны в случае неэквидистантного вого сигнала в горизонтальной плоскости случайно- спектра волновых чисел и неравномерного (в виде неоднородного ПЗК, так и отклик протяженной ан- гауссовой кривой) спектра интенсивности мод при тенны на такой сигнал существенным образом зави- различных положениях его максимума: 1 – максимум сят от таких физически независимых факторов, как на первой моде;

2 - на центральной;

3 – на последней.

характер спектра продольных волновых чисел, вид спектра интенсивности сигнальных мод и характер ный (для данной дистанции) масштаб межмодовых корреляций. Типичная для большинства мелковод ных каналов сильная неэквидистантность волновых чисел и смещение «центра тяжести» модового спек тра сигнала в область низких мод приводят к резко му усилению отклика горизонтальной антенны в области углов, близких к направлению на источник.

К аналогичному эффекту приводит и рост взаимных корреляций сигнальных мод, физически отвечаю щий уменьшению расстоянию до источника. Наи большие отличия от случая свободного пространст Рис.8. Отклик антенны в случае неэквидистантного ва отвечают предельному случаю максимально ши спектра волновых чисел, равномерного спектра ин рокого модового спектра и нулевых межмодовых тенсивности мод и различных межмодовых корреля корреляций. Однако, эти два условия фактически ций: 1 – параметр = 1;

2 – = 5;

3 – = 20.

противоречат друг другу: с ростом дистанции модо вый спектр сигнала только сужается в силу затухания (утечки из канала) мод с высокими номерами.

ЛИТЕРАТУРА 1. Нечаев А.В. Затухание интерференционной структуры акустического поля в океане со случайными неоднородно стями // Акуст. журн. – 1987. – Т. 33, № 3. – С.535–538.

2. Вировлянский А.Л., Костерин А.Г., Малахов А.Н. Флуктуация мод в каноническом подводном звуковом канале // Акуст. журн. – 1989. – Т. 35, № 2. – С.229–235.

3. Костерин А.Г., Шолин Д.В. Статистические характеристики амплитуд мод в волноводах с объемными случайны ми неоднородностями // Акуст. журн. – 1991. – Т. 37, № 5. – С.956–964.

4. Малеханов А.И., Таланов В.И. Об оптимальном приеме сигналов в многомодовых волноводах // Акуст. журн. – 1990. – Т. 36, № 5. – С.891–897.

5. Городецкая Е.Ю., Малеханов А.И., Таланов В.И. Моделирование оптимальной пространственной обработки сиг налов в подводных звуковых каналах // Акуст. журн. – 1992. – Т. 38, № 6. – С.1044–1051.

6. Городецкая Е.Ю., Малеханов А.И., Сазонтов А.Г., Фарфель В.А. Влияние эффектов дальнего распространения звука в случайно-неоднородном океане на потери усиления горизонтальной антенной решетки // Акуст. журн. – 1996. – Т. 42, № 5. – С.615–622.

7. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теорретические основы акустики океана // М.: Наука, 2007.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана УДК 534.6.082/. И.А. Кириченко, И.Б. Старченко СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ШЕЛЬФА ОКЕАНА Технологический институт Южного Федерального университета Россия, 347928, г. Таганрог, ГСП-17а, пер. Некрасовский, Тел.: (8634) 37-17- E-mail: igork@fep.tti.sfedu.ru Систематизация моделей нелинейного взаимодействия, основные направления теоретических исследований по влиянию гидрофизических неоднородностей на процесс нелинейного взаимодействия и поиск новых путей по вышения эффективности параметрических источников показывают, что одной из задач при создании аку стических систем для дистанционного зондирования шельфа океана является учет направленных свойств аку стических антенн при их проектировании. В работе рассматриваются основные принципы управления направ ленными свойствами антенных систем для дистанционного зондирования шельфа океана, в зависимости от их отнесения к управлению конструктивными параметрами антенны или к изменению амплитудно-фазового рас пределения по апертуре антенны, реализуемые, как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации, в реальных океанологических условиях.

Современные тенденции развития гидроакустической аппаратуры направлены на комплексирова ние и оптимизацию ее состава и характеристик, повышение эффективности применения акустических ан тенн, что приводит к необходимости разработки принципов системного подхода к конструированию гид роакустических систем. В реальных условиях при заданных ограничениях становится необходимым по строение гидроакустических систем, обеспечивающих минимальную погрешность при наличии перемен ных во времени влияющих воздействий. Особое значение условия адаптивности системы представляют для измерительных систем с параметрической излучающей антенной. Определим направления исследова ний параметрических излучающих антенн, перспективных с точки зрения объема получаемой при прове дении дистанционного зондирования информации [1]. В общем случае теория параметрических антенн (ПА) описывается волновым уравнением с правой частью, определяемой первичным полем и описываю щей распределение виртуальных источников вторичного поля. Распределение вторичных источников за висит от размера излучателя, частот первичных волн, длины зоны затухания первичных волн и других параметров и, в общем случае, включает как прожекторную, так и дальнюю зону первичных волн. Как показано ранее, существует несколько различных математических моделей, описывающих характеристики параметрических антенн.

Модели описывают характеристики ПА в дальней зоне и оказываются справедливыми лишь в оп ределенной области изменения параметров, что затрудняет решение задач оптимизации [2]. Так как об ласть нелинейного взаимодействия представляет собой объемную антенну, то, очевидно, что при разра ботке параметрических антенн необходимо учитывать влияние гидрофизических неоднородностей на процесс нелинейного взаимодействия и формирование характеристик параметрической антенны, находя щихся в области нелинейного взаимодействия акустических волн. Систематизация моделей нелинейного взаимодействия, основные направления теоретических исследований по влиянию гидрофизических неод нородностей на процесс нелинейного взаимодействия и поиска путей повышения эффективности пара метрических источников представлены на рис. 1.

Явления, определяющие процесс нелинейного взаимодействия акустических волн, систематизиро ваны и выделены гидрофизические неоднородности, оказывающие влияние на характеристики ПА, и, со ответственно, на эффективность их применения в реальных условиях [3]:

– идеальное нелинейное взаимодействие в однородной среде (явление 1);

– нелинейное взаимодействие с учетом поля скорости звука (явление 2);

– нелинейное взаимодействие в среде с гидродинамическим потоком (явление 3);

– распространения вторичных волн процесса нелинейного взаимодействия в слоистой среде (яв ление 4);

– нелинейное взаимодействие первичных волн в слоистой среде (явление 5).

В анализируемых явлениях можно выделить эффекты, которые имеют одинаковый порядок мало сти: второй по акустическому и первый по гидродинамическому числам Маха [4]. На основании этого вклад каждого эффекта в формирование низкочастотного звукового поля параметрического излучателя можно считать аддитивным, а их влияние на эффективность процесса нелинейного взаимодействия и ха рактеристик ПА может быть рассчитано по отдельности.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана Нелинейное Поле скорости Поток Слои Нелинейное взаимодействие звука взаимодейст вие в слоях (идеальное) Явление 1 Явление 2 Явление 3 Явление 4 Явление Поле Поле плотности Поле солености поперечный Продольный Коэффициент Коэффициент температуры отражения Прохождения Ur Uz Явл. 2.1 Явл. 2.2 Явл. 2.3 Явл. 3.1 Явл.3.2 Явл. 4.1 Явл. 4. Неоднородное Неоднородное ХЗК с волновое ХЗК волновое с ХЗК поправками уравнение поправками ХЗК Уравнение Систематизация Бюргерса моделей Неоднородное волновое уравнение Сравнение результатов расчетов для различных Сравнение теории и Выводы, программная моделей с экспериментов реализация модели одинаковыми параметрами Рис. 1. Направления теоретических исследований по влиянию гидрофизических неоднородностей на процесс нелинейного взаимодействия В реальных условиях при заданных ограничениях становится необходимым построение опти мальных адаптивных гидроакустических систем (АГАС), обеспечивающих минимальную погрешность при наличии переменных во времени влияющих воздействий. Критерий оптимальности характеризует цель, которую должна достичь синтезируемая АГАС по своим определяющим показателям качества при заданных ограничениях. Критерий должен по возможности полно и точно характеризовать качество сис темы. Выбирая критерий, приходится решать задачу на оптимум, учитывая два противоречивых фактора:

сложность критерия, полноту и точность отображения критерием назначения системы. Чем полнее и точ нее критерий отображает систему, тем он сложнее. Особое значение условия адаптивности системы пред ставляют для измерительных систем с параметрической излучающей антенной [5]. Актуальным является исследование возможностей акустических методов дистанционного зондирования, ориентированных на решение задач мониторинга шельфовой зоны океана и мелководных внутренних водоемов.

Основу гидроакустических систем для дистанционного зондирования шельфа океана составляют эхолотовые антенные системы, антенные системы бокового обзора и параметрические излучающие ан тенны [1, 4]. Задачу синтеза АГАС можно обобщить в виде трех взаимосвязанных направлений (теорети ческие модели, проектирование и эксплуатация), представленных на рис. 2.

Задача построения адаптивной ГАС Адаптивные Адаптация Адаптация в теоретические на этапе условиях модели проектирования эксплуатации Адаптивная ГАС Рис. 2. Постановка задачи синтеза адаптивной гидроакустической системы Одной из общих задач при создании акустических систем дистанционного зондирования шельфа является проектирование антенн с широкой характеристикой направленности на высоких частотах. Спо XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана соб обзора пространства и необходимая при этом форма и положение диаграммы направленности опреде ляют форму и размеры акустической антенны.

Разработке методик проектирования адаптивных акустических систем посвящено достаточно большое число работ [1, 7]. В настоящее время актуальным является исследование возможностей акусти ческих методов мониторинга, ориентированного на решение задач дистанционного зондирования шельфа океана. Наиболее важным этапом при разработке адаптивных акустических систем с управляемыми на правленными свойствами является проектирование акустической антенны. На рис. 3 представлена обоб щенная схема задачи построения адаптивной акустической системы и оптимизации основных характери стик, определяющих направленные свойства.

Задача построения адаптивной АС Оптимизация Оптимизация состава на этапе аппаратуры АС проектирования Оптимизация Оптимизация характеристик тактических антенны характеристик АС Обоснование выбора ширины ХН антенны Обоснование выбора конструкции антенны Рис. 3. Задача построения адаптивной акустической системы Рассмотрим одну из общих задач при создании акустических систем дистанционного зондирова ния шельфа – проектирование антенн с широкой характеристикой направленности на высоких частотах.

Способ обзора пространства и необходимая при этом форма и положение диаграммы направленности оп ределяют форму и размеры акустической антенны. Системы управления ХН акустических антенн являют ся частью сложного комплекса для определения положения объектов физической среды. Оптимальное решение поставленных задач может быть осуществлено только путем выбора конкретного варианта обра ботки информации, который часто зависит от состояния среды и поведения объектов в ней. Выбор вари антов обработки должен происходить оперативно, с относительно большими скоростями, и при этом должна обеспечиваться достаточно высокая точность управления.

Задачу управления направленными свойствами акустических антенн можно разбить на две со ставляющие: управление положением ХН в пространстве – сканирование ХН, и изменение направленных свойств акустической антенны – адаптивное управление шириной и формой ХН. Задача сканирования ХН XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана достаточно подробно изучена, а принципы механического и электронного управления положением ХН широко описаны в [1, 7].

Системы управления ХН акустических антенн являются частью сложного комплекса для опреде ления положения объектов физической среды. Оптимальное решение поставленных задач может быть осуществлено только путем выбора конкретного варианта обработки информации, который часто зависит от состояния среды и поведения объектов в ней. Выбор вариантов обработки должен происходить опера тивно, с относительно большими скоростями, и при этом должна обеспечиваться достаточно высокая точ ность управления.

Экспериментальные исследования направленных свойств акустических антенн [7, 8] показали, что введение амплитудно-фазового распределения возбуждения по элементам антенны позволяет управлять шириной ХН и изменение ее формой в широком пределе, при незначительной потери энергии в излуче нии.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. ГК № П1148., ГК №16.740.11.0327.

Л И Т Е Р А Т У РА 1. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. – Ростов–на– Дону: Ростиздат, 2004. – 416 с.

2. Островский Д.Б. Сопоставление моделей параметрических излучающих антенн [Текст] / В.Б. Железный, Д.Б.

Островский // Сб.трудов XVIII сессии Российского акустического общества. – Том 1. – М.: ГЕОС, 2006. – С.101–104.

3. Кириченко И.А., Салов В.В., Старченко И.Б. Модельный подход к изучению характеристик параметрической антенны в статистически неоднородных средах // Известия ТРТУ. – Таганрог, 2002. – №5(28). – С.151–153.

4. Воронин В.А., Кузнецов В.П., Мордвинов Б.Г., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. – Ростов–на–Дону: Ростиздат, 2007. – 448с.

5. Кириченко И.А., Раскита М.А. Задача синтеза адаптивных акустических систем. // Нелинейная гидроакусти ка. Труды конференции. – Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2006. – С.40–46.

6. Кириченко И.А., Старченко И.Б., Бублей И.Е. Информационная модель гидролокации и адаптивные принци пы управления. // Труды Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS IT’10». Научное издание в 4-х томах. – М.: Физматлит. – 2010. – Т.2. – С.35-40.

7. Кириченко И.А., Пивнев П.П. Экспериментальные исследования акустических антенн бокового обзора с ши рокой характеристикой направленности в вертикальной тплоскости // Известия ЮФУ. Технические науки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - №6. – С. 81-83.

8. Есипов И.Б., Попов О.Е., Воронин В.А., Тарасов С.П. Дисперсия сигнала параметрической антенны в мелком море [Текст] // Акустический журнал. – 2009. – Том 55, №1. – С. 56–61.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана УДК 551. Р.А.Вадов УСЕЧЕННАЯ “-R”- ДИАГРАММА ДЛЯ РАЙОНА СУБАРКТИЧЕСКОГО ФРОНТА ФГУП «Акустический институт им. акад. Н.Н.Андреева»

Россия, 117036 Москва, ул. Шверника, д. Тел.: 89168689601;

Факс: (495) 126-8411;

E-mail: vadov@akin.ru При исследовании региональных различий условий распространения звука в подводном звуковом канале с середины 80-х гг. с успехом используется такая характеристика временной структуры звукового поля, как усеченная “-R”- диаграмма. По строение ее сводится к определению времен распространения классических четверок, зарегистрированных на разном рас стоянии от источника, относительно приосевого сигнала (на практике - относительно момента окончания водного сиг нала), и последующей их нормировке. Нормировка заключалась в приведении “-R” – соотношений, полученных для различ ных ветвей классических четверок, к единому соотношению, соответствующему первой ветви (делением значений и R на номер ветви). Было замечено, что при этом изменения временной структуры звукового поля, обусловленные изменениями условий распространения вдоль исследуемой трассы, нивелируются. Для устранения этого недостатка предлагается ряд процедур, существенно повышающих чувствительность усеченной “-R” - диаграммы к пространственным изменениям гидрологических условий. На примере экспериментальных материалов опыта по дальнему распространению взрывных сиг налов вдоль трассы, пересекающей субарктический фронт оценивается их эффективность.

Во второй половине прошлого века в различных регионах Мирового океана было проведено более 100 опытов по дальнему распространению взрывных сигналов. Не менее половины из них было проведено Акустическим институтом. Экспериментальные материалы, полученные в этих опытах, составляют осно ву созданного в институте банка данных по дальнему распространению звука в океане [1]. Основное вни мание экспериментаторов при проведении этих опытов было сконцентрировано на изучении основных закономерностей формирования тонкой структуры звукового поля в подводном звуковом канале (ПЗК), на исследовании низкочастотного затухания (поглощения) зву ка в океане. Как правило, горизонт подрыва зарядов взрыв чатого вещества, а также один из горизонтов приема взрыв ных сигналов размещался у оси ПЗК. При такой геометрии проведения опытов экспериментальные материалы содер жат наиболее полную информацию о временной структуре звукового поля, формируемого в ПЗК.

В глубоком море из-за явной асимметрии подводного звукового канала во временной структуре звукового поля формируются раздельные четверки элементарных (однолу чевых) сигналов. При этом разделение четверок во времени в основном определяется состоянием водных масс, распо ложенных ниже оси канала, а временные соотношения меж ду отдельными сигналами в четверках зависят от состояния водных масс, расположенных выше оси канала.

Многолучевой взрывной сигнал при распространении в условиях сформированного ПЗК распадается на три груп пы элементарных сигналов (на примере Японского моря на рис.1 представлены взрывные сигналы, принятые и зареги стрированные на разном расстоянии от источника). Первая наиболее мощная основная группа визуально практически не разделяющихся во времени элементарных сигналов, рас пространяющихся вблизи оси ПЗК (на рис.1 она отмечена буквой «а»). Вторая - группа элементарных сигналов, чисто водных, а также испытавших отражение от поверхности, которые приходят к приемнику с некоторым опережением относительно основной группы (четверки сигналов, обозна ченные на рисунке цифрами). Третья - группа элементарных сигналов, испытавших отражение от дна и поверхности, Рис.1.Временная структура взрывных приходящих в точку приема с некоторым запаздыванием сигналов в ПЗК Японского моря.

относительно основной (четверки сигналов, обозначенные буквой «д»).

При удалении от источника из отдельных четверок второй группы сигналов формируются отдель ные «ветви», различающиеся между собой количеством полных циклов (N), описываемых средними сиг XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана налами четверок относительно оси ПЗК. Цифры, которыми на рисунке помечены четверки этой группы, соответствуют этим значениям N.

Для детального описания временной структуры звукового поля в ПЗК, ее изменений при удалении от источника в работе [2] была предложена “-R” – диаграмма (- соответствующее дистанции R опережение во времени распространения сигналов по разным лучам относительно сигнала, распространяющегося вдоль оси канала). Диаграмма состояла из бесконечного количества кривых, явно группирующихся в четверки.

При расположении источника и приемника на одном и том же горизонте “-R” - диаграмма представляет собой множество троек кривых. Центральная кривая в каждой тройке характеризует “-R”- соотношение для лучей, описавших в пространстве целое число полных циклов, а боковые - для лучей, отличающихся от них на верхний полуцикл. Соседние тройки кривых различаются на один полный цикл, описываемый соот ветствующими лучами. Такая “-R” - диаграмма при максимальной ее информативности весьма громоздка и неудобна для проведения сопоставления структуры звуковых полей, формируемых в различных регионах Мирового океана. Для этой цели в середине 80-х гг. нами было предложено использовать более компакт ную, усеченную “-R”-диаграмму [3], состоящую всего лишь из одной кривой, характеризующей “-R” соотношение для лучей, описывающих один полный цикл. Такая кривая не дает представления о времен ных соотношениях между сигналами в четверках. Однако, при соответствующем выборе масштаба осей (/N, R/N) она характеризует любой луч, описывающий в пространстве любое число N целых циклов, и оп ределяет времена распространения любой “классической” четверки сигналов (при достаточно стабильных по трассе гидрологических условиях), а также относительные взаимные их задержки во времени прихода в точку приема.

В качестве исходного экспериментального материала для анализа временной структуры звукового поля нами использовались взрывные сигналы, зарегистрированные на разных расстояниях от источника.

При построении усеченной “-R”-диаграммы производился пересчет экспериментально оцененных значе ний времени прихода средних сигналов четверки относительно окончания многолучевого сигнала (без учета донных отражений), принятого на расстоянии от источника R, делением на число полных циклов N, описанных траекторией средних сигналов четверки относительно оси ПЗК.

Для математического описания полученной экспериментально зависимости /N от R/N по аналогии с работой [4] использовалась степенная функция:

= (a R ) p. (1) N N В чувствительности усеченной “-R”-диаграммы к региональным особенностям формирования вре менной структуры поля в ПЗК мы убедились на материалах, полученных для одиннадцати регионов Ми рового океана. При незначительном изменении параметра а диапазон изменений показателя степени р весьма широк - от 1.7 до 6.3. Параметры усеченных “-R” – диаграмм определялись для четверок, средние сигналы которых описывали до 6-8 полных циклов относительно оси ПЗК (N=1…6-8).

Не все опыты, по материалам которых были получены нами “-R”- диаграммы, проводились в гид рологических условиях, достаточно стабильных по трассе. Один из опытов по дальнему распространению взрывных сигналов был проведен в Тихом океане в районе 40-х градусов северной широты [5]. 380 километровая трасса пересекала с севера на юг субарктический фронт. Для этой трассы на рис.2 представлено поле значений скоро сти звука (различие между соседними изо линиями 1 м/с). По материалам этого опыта также была построена усеченная “-R”- диа грамма (см. рис.3а), которая практически ни чем особенным не отличалась от диаграмм, построенных для других регионов Мирово го океана (параметры усредняющей кривой на этой диаграмме: а =0.142, р = 5.34). При чиной «нечувствительности» “-R”- диа граммы к существенным изменениям усло вий распространения звука вдоль этой трас сы оказался метод ее построения, в основу которого было положено предположение о постоянстве скорости распространения око- Рис.2. Поле значений скорости звука вдоль трассы, нечной части многолучевого сигнала, кото- пересекающей субарктический фронт рое явно нарушалось при пересечении трас XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана сой распространения субарктического фронта. В результате использования этого метода при анализе ма териалов опыта, для N=3..6 мы получали усредненные по трассе значения “-R”- соотношений. Все их из менения, связанные с пересечением трассой распространения фронтальной зоны, нивелировались при нормировке экспериментальных значений их делением на номер ветви.

Изменения скорости распространения звука на горизонте подрыва зарядов по-разному влияют на время распространения разных составляющих многолучевого взрывного сигнала. Они приводят к сущест венным изменениям времени распространения приосевых сигналов, относительно которых определяется положение той или иной четверки в структуре взрывного сигнала, и практически не влияют на время рас пространения четверок максимально отклоняющихся от оси ПЗК.

Для анализа временной структуры звукового поля, формирующейся в сложных гидрологических усло виях на примере опыта, проведенного в районе субарктического фронта, нами был опробован иной метод приведения экспериментальных значений времен опережения приосевого сигнала четверками (), полу ченных для участков трассы в районе пересечения ею фронта.

Для спокойного начального участка трассы (до пересечения фронтальной зоны, для N=1, 2) строилась усеченная “-R” – диаграмма обычным способом (описанным ранее), определялись па раметры а и р соотношения (1): 0. и 5.148, соответственно (кривая на рис.3б).

Затем из экспериментальных значе ний времен запаздывания, определен ных для третьей ветви, вычитались времена запаздывания, рассчитанные для первой и второй ветвей (для N=1,2).

Определялись приведенные к первому циклу значения 3. Для третьей ветви производилась оценка параметров а и р соотношения (1), которые использова лись при аналогичном последующем пересчете времен запаздывания, опре деленных для четвертой ветви. Затем аналогичный пересчет производился для пятой и шестой ветвей. На рис. представлены усеченные “-R” – диа граммы, построенные по материалам этого опыта с использованием первой (а) и второй (б) методики. Различие очевидно!

Подрывы зарядов производились Рис3. Результаты построения усеченной “-R” – диаграммы на глубине 200 м (на рисунке 2: гори по обычной методике (а) и по методике, предлагаемой для слож зонтальная прямая линия). Скорость ных условий распространения (б) звука на этом горизонте вдоль трассы заметно изменяется. Монотонное заглубление изолиний относительно этого горизонта начинается со км и особенно ярко проявляется на расстоянии 250-300 км от приемного судна. Увеличение скорости зву ка на горизонте излучения (приема), как мы убедились на примере Черного моря [6], приводит к умень шению длительности многолучевого сигнала за счет уменьшения времени распространения оконечного сигнала, относительно которого и определяются по экспериментальным материалам времена распростра нения отдельных четверок.

Полагая основное уширение “-R” – диаграммы (рис.3б) связанным с изменениями вдоль трассы распространения скорости звука на горизонте излучения, мы попытались их учесть. При пошаговой ком пенсации увеличения значения скорости распространения конечной части многолучевого сигнала относи тельно скорости распространения на начальном 100-километровом участке трассы (с расстояния R1 = км – на 1.1 м/с, с R2 = 179 км на 1.5 м/с, с R3 = 238 км на 2.2 м/с, с R4 = 300 км на 6.7 м/с), нам удалось су щественно снизить разброс экспериментальных значений, сделать “-R” – диаграмму, представленную на XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана рис. 3б, более компактной (см. рис.4). При этом, параметры результирующей “-R” – диаграммы были оп ределены как: а = 0.143, р = 5.182 (кривая на рис.4) при среднеквадратичном разбросе экспериментальных значений, равном ~20 мс.

Предпринятое нами пошаговое по трассе распространения уменьшение скорости звука на горизонте подрыва зарядов неплохо компен сирует ее изменения, зарегистри рованные во время подробного гидрологического обследования трассы распространения (см.

рис.2), проведенного после окон чания акустического опыта (не сколькими днями позже).

В заключение сформулиру ем основные результаты прове денных исследований:

- предложена и опробована на экспериментальных материа лах, полученных в районе субарк тического фронта, методика по строения усеченной “-R” – диа граммы, чувствительной к измене ниям гидрологических условий Рис.4. Результаты построения усеченной “-R” – диаграммы по мето вдоль трассы распространения дике, предлагаемой для сложных условий распространения звука, взрывных сигналов;

после пошаговой коррекции изменений скорости звука - выявлена основная причи- на горизонте подрыва зарядов.

на увеличения разброса экспери ментальных значений времен опережения четверками приосевого сигнала () при пересечении субаркти ческого фронта - изменения вдоль трассы распространения скорости звука на горизонте излучения зонди рующего сигнала, связанные с заглублением оси ПЗК;

- пошаговая (вдоль исследуемой трассы) корректировка значений скорости звука на горизонте излу чения приводит к устранению зависимости разброса экспериментальных значений времен опережения четверками приосевого сигнала от расстояния R, параметры результирующей усеченной “-R” – диа граммы практически не отличаются от соответствующих параметров, определенных для спокойного уча стка трассы (для N = 1,2).

ЛИТЕРАТУРА 1. Вадов Р.А. Идеология формирования банка экспериментальных данных «Дальнее распространение звука в океане» // Акустика океана. Доклады 9ой школы – семинара акад. Л.М.Бреховских, М.: ГЕОС, 2002, стр.72-75.

2. Ивинг М., Ворцель Д. Сверхдальнее распространение звука // В сб. «Распространение звука в океане», М.:

Из-во иностр. лит.,1951, стр. 17- 3. Вадов Р.А. Региональные особенности формирования временной структуры звукового поля в подводном зву ковом канале // В кн. «Акустика океана, сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских», М.: "ГЕОС", 1998, стр.156-160.

4. Лерой К. Распространение звука в Средиземном море // В кн. «Подводная акустика», пер. с англ. М.:Мир, 1970, стр.274- 5.. Вадов Р.А. Дальнее распространение звука в районе субарктического фронта // Акуст.ж., 2008, т.54, №2, стр. 251-261.

6. Вадов Р.А. Особенности формирования структуры звукового поля точечного источника в Черноморском под водном звуковом канале // Акуст. ж., 2011, т. 57, №5, стр. 623-632.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана УДК 534. А.Н.Серебряный ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВОДНОЙ СРЕДЫ ВО ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ НА ШЕЛЬФЕ ЧЕРНОГО МОРЯ ФГУП «Акустический институт имени акад.Н.Н. Андреева», Россия 117036 Москва, ул. Шверника, д. 4;

Тел.: (499) 723-6300;

Факс: (495) 126- E-mail: serebryany@hotmail.com В октябре 2010 г. на геленджикском шельфе Черного моря был проведен эксперимент по акустической томо графии с использованием разработанных в ИО РАН автономных акустических буев [1]. Во время проведения эксперимента, длившегося около суток, наблюдалась значительная изменчивость водной среды, связанная с радикальной сменой течений из-за прохождения над шельфом топографического антициклонического вихря, формирующего в прибрежной зоне так называемый бимодальный режим течений. Обсуждаются данные о течении и положении термоклина, полученные с помощью акустического профилометра (ADCP), использо вавшегося в режиме буксировки, а также данные зондирований минизондом скорости звука и термисторной цепочки, заякоренной вблизи акустических буев.

Начиная с 2002 г. в осенний сезон на геленджикском шельфе Черного моря вблизи Голубой бухты нами проводятся ежегодные экспедиционные исследования, которые включают в себя подробные съемки гидрофизических параметров района и их пространственно-временной изменчивости, а также по возмож ности работы на экспериментальной акустической трассе [2,3]. В октябре 2010 г. был проведен экспери мент по акустической томографии с использованием автономных акустических буев, разработанных в Ин ституте океанологии РАН [1]. Данная статья включает результаты съемок, которые были проведены для сопоставления с данными, полученными с помощью автономных акустических буев ИОРАН, и не были включены в статью [1]. Проведенные съемки представляют самостоятельный интерес, поскольку в пери од их проведения произошли кардинальные перемены в динамике течений на шельфе, которые обычно не удается зарегистрировать с достаточной детализацией, которую удалось достичь в данном эксперименте.

В проведенном эксперименте по акустической томографии мелкого моря [1] на расстоянии около 2- км от Голубой бухты были размещены три автономных буя при глубинах более 40 м. Расстановка буев представляла в плане треугольник с длиной сторон около 1 км. Буи были поставлены после полудня октября 2010 г и подняты вечером 8 октября. Подробно методика томографического эксперимента и его результаты описаны в работе [1].

Измерения с целью сбора фоновой информации о среде проводились с яхты, оборудованной акусти ческим допплеровским профилометром течений ADCP марки “Rio Grande 600 kHz”, опыт нашей работы с которым насчитывает более 8 лет [4]. Также использовался компактный зонд марки mini SVP фирмы Valeport, регистрирующий скорость звука, температуру и глубину морской воды. Запись данных ведется в твердотельную память внутри зонда, что позволяет проводить зондирования прибором, привязанным к фалу. Декларируемая фирмой изготовителем точность измерения скорости звука данным зондом лучшая в мире, составляет 0.02 м/с, при этом точность измерения глубины 0.05%. В дополнение к измерениям на съемках на глубине 34 м перед началом эксперимента была поставлена многосуточная заякоренная авто номная станция с гирляндой из 9 термисторов, поддерживаемой притопленным буем.

В период с 6 по 8 октября было осуществлено с измерениями три выхода на яхте. Первая съемка, проведенная 6 октября, имела целью сбор информации о характере течений и положении термоклина до начала томографического эксперимента. Яхта с измерителем течений при этом сделала разрез от Голубой бухты в направлении почти по нормали к береговой черте, пройдя с остановкой у заякоренной станции с гирляндой термисторов (делалось зондирование минизондом). После чего яхта легла на контргалс и вер нулась обратно, повторив разрез, сделав попутные зондирования в нескольких точках.

Съемки 7 и 8 октября отличались от съемки 6 октября тем, что после стандартного разреза над шель фом через точку расположения заякоренной термисторной цепочки яхта далее брала курс на треугольник автономных акустических буев ИОРАН, проходила по его периметру, делая остановки с зондированиями минизондом в вершинах треугольника.

На рис. 1 представлена информация о средних течениях на полигоне во время съемок 7 и 8 октября.

Следует заметить, что выходы в море в этот период происходили при наличии северо-восточного ветра средней силы, который несколько стих только 7 октября. Съемка 6 октября выявила однородное по аква тории прибрежной части шельфа северо-западное течение силой около 0.2 м/с. Течение охватывало всю толщу моря в прибрежной зоне по всему разрезу. Съемка 7 октября в 16:40 показала, что в режиме тече XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана ний на шельфе за сутки произошли кардинальные изменения (см. рис.1). На большей части разреза (в прибрежной части) течение имело юго-восточную направленность, которая изменялась с поворотом про тив часовой стрелки на 4-километровом расстоянии от берега на противоположную. Таким образом, нами оказался зарегистрирован прибрежный антициклонический вихрь с радиусом 4 км. Течения на периферии вихря в прибрежной зоне достигали 0.40 м/с. Вихри подобного типа формируют в Черном море так назы ваемый бимодальный режим течений в прибрежной зоне, когда течения меняют свою направленность на противоположную. Следующая съемка 8 октября в 13:20 не обнаружила антициклонического вихря, а вместо него было отмечено северо-западное течение (См. рис.1). Правда с удалением от берега течение подворачивало на юг, что может быть связано с возможным подходом в район измерений в данный мо мент уже циклонического вихря.

Рис 1. Изменение среднего течения на разрезах 7 октября (слева) и 8 октября (справа), указывающее на присут ствие 7 октября на шельфе антициклонического вихря.

Характерная черта, присущая антициклоническим вихрям – наличие максимума течения в прибреж ной зоне и последующее постепенное спадание силы течения в более глубоких районах шельфа, хорошо просматривается на разрезе 7 октября (см. рис.2). В то же время на разрезе 8 октября, когда вихря нет, имеет место равномерное распределение силы течения в не зависимости от расстояния до берега.

Рис.2. Характерное изменение величины течения в зависимости от расстояния от берега на разрезах в присут ствии антициклонического вихря 7 октября (вверху) и без него 8 октября (внизу).

Другая полезная информация, получаемая при съемке ADCP – информация об обратном рассеянии акустического сигнала по всей толще разреза. На рис. 3 приведены картины обратного рассеяния для раз резов 7 и 8 октября. В каждом случае хорошо просматривается положение термоклина по всему разрезу (он находится вблизи горизонта 30 м). На разрезе 8 октября обнаруживается пространная область повы шенного рассеяния с горизонтальным размером около 2 км, происхождение которой можно связать в том числе и с загрязняющим эффектом от сточных вод г. Геленджика, переносимых северо-западным вдольбереговым течением. Качество получаемого сигнала на разрезе 7 октября хуже из-за более сильного поверхностного волнения на море.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана Рис. 3. Картины объемного обратного рассеяния на разрезах 7 и 8 октября (сверху вниз).

Как уже упоминалось выше, съемки 7 и 8 октября помимо стандартного разреза от берега до кром ки шельфа в направлении нормальном береговой черте, включали в себя также проход по периметру тре угольника в вершинах которого располагались акустические автономные буи. На рис. 4 приведены соот ветствующие фрагменты съемки 7 и 8 октября. В обоих случаях в пределах полигона (сторона треуголь ника составляла 1 км) на момент съемки течение сохраняло силу и направленность, т.е. было однородным.

Это обстоятельство, безусловно, положительное для определения параметров среды по томографической схеме. В вершинах треугольника проводились зондирования минизондом, яхта находилась несколько ми нут в дрейфе, в результате чего ее сносило течением на несколько десятков метров. На измеренных вер тикальных профилях скорости звука выделялся верхний квазиоднородный слой 25-метровой толщины, где скорость звука 1500 м/с. Далее располагался резкий слой скачка (пикноклин) толщиной менее 5 м до глубин 30 м, где скорость звука 1470 м/с и менее. Этот характерный ход скорости звука с глубиной изме нялся за счет сильной временной изменчивости параметров воды, имевшей место во время проведения эксперимента по акустической томографии.

Рис. 4. Изменчивость среднего течения по площади томографического полигона 7 октября (слева) и 8 октября (справа).

Представление о временной изменчивости гидрологической структуры в районе полигона можно получить из данных термисторной цепочки (см. рис. 5). Из 9 термисторов сработали все за исключением одного верхнего. Таким образом, в пределах глубин 5.5 м и 33.5 м были зарегистрированы показания тем пературы на 8 горизонтах: 5.5 м, 9.5 м, 13.5 м, 17.5 м, 21.5 м, 25.5 м, 29.5 м, 33.5 м. За исключением гори XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана зонтов 5.5 м и 9.5 м, на которых отмечены незначительные колебания температуры, все остальные были подвержены значительным температурным колебаниям. Их максимальный размах был отмечен 7 октября, достигнув 8-9 град.С. Наиболее интенсивные колебания относились к длиннопериодным колебаниям, с периодом близким к 17 ч (локальному инерционному периоду для Черного моря), что говорит о явном присутствии на полигоне квазиинерционных внутренних волн. Также наблюдались короткопериодные колебания температуры (от нескольких минут до десятков минут) с размахом не более 2 °С, что свиде тельствует о прохождении короткопериодных внутренних волн небольших высот, типичных для Черного моря.

Рис. 5. Колебания температуры водной толщи 7 и 8 октября, зарегистрированные термисторной цепочкой на заякоренной станции.

Таким образом, измерения, проведенные на геленджикском шельфе в октябре 2010 г с целью обеспе чения эксперимента по акустической томографии данными о фоновом состоянии среды, выявили ее зна чительную и быструю изменчивость. В первой фазе эксперимента через томографический полигон быстро проходил прибрежный антициклонический вихрь радиусом 4 км.. В результате, чего среднее течение на полигоне в начале эксперимента имело юго-восточную направленность, а затем, после прохода вихря, те чение повернулось на диаметрально противоположное –северо-западное. Течение было интенсивным, достигая 0.4 м/с. За время эксперимента термоклин и вся водная толща были подвержены значительным колебаниям, вызванным как прохождением антициклонического вихря, так и внутренних волн 17 часового инерционного и коротких (минутных) периодов.

ЛИТЕРАТУРА Гончаров В.В.,Иванов В.Н.,Кочетов О.Ю., Курьянов Б.Ф., Серебряный А.Н. Акустическая томография на 1.

шельфе Черного моря //Акустический журнал. 2012. Т.58. №3.

Серебряный А.Н., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В., Попов О.Е., Микрюков А.В., Курьянов Б.Ф., Сабинин К.Д., 2.

Канев Н.Г., Миронов М.А., Аредов А.А., Поддубняк В.Я., Тарасов Л.Л., Чекайда В.Н. Акусто океанологический мониторинг на северо-восточном шельфе Черного моря: период 2002-2008 гг // Акустика океана. Доклады 12-ой школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 2009. C. 313-316.

Серебряный А.Н. Мониторинг процессов на шельфе с помощью акустического профилометра течений 3.

(ADCP): результаты шестилетнего опыта исследований в российских морях//Акустика океана. Доклады 12-й школы-семинара академика Л.М.Бреховских. М.: ГЕОС, 2009. С. 300-308.

Серебряный А.Н. Мониторинг внутренних волн на шельфе с помощью ADCP: подтверждение известных 4.

свойств нелинейных волн и обнаружение новых эффектов//Акустика неоднородных сред. Ежегодник Рос сийского акустического общества. Труды научной школы проф. С.А. Рыбака. М.: МФТИ, 2004. С. 140-146.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана УДК 551.463.21 : В.А. Буров, С.Н. Сергеев, А.С. Шуруп, А.В. Щербина АКУСТИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ ДНА Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы Тел.: (495) 939-3081;

Факс: (495) 932- E-mail: burov@phys.msu.ru Рассматривается возможность одновременной реконструкции методами акустической томографии неодно родностей океанической среды, расположенных в толще воды и в дне. Показано, что использование временных задержек мод разных номеров на разных частотах позволяет реконструировать рельеф дна и профиль скоро сти звука в водном слое. Восстановление исследуемых параметров океанического волновода основано на при менении полосчатого базиса. Приводятся результаты численного моделирования процесса восстановления в предложенной схеме.


Как известно [1], незначительные изменения температуры прибрежных вод Мирового океана мо гут привести к существенным изменениям температуры на суше. Поэтому требуются методы, позволяю щие оперативно отслеживать пространственно-временную изменчивость окраинных морей. Одним из та ких методов является акустическая томография океана, основанная на измерении характеристик акустиче ских сигналов, прошедших через исследуемую акваторию в разных направлениях, с последующим вос становлением тех параметров рассматриваемой области, которые влияют на характер распространения принимаемых акустических волн. Основными объектами исследования в акустической томографии океана являются возмущения скорости звука c(r, z ) ( r – радиус-вектор в горизонтальной плоскости, z – глу бина) в водном слое, которые напрямую связаны с температурой морской воды, а также течения v (r, z ), определяющие перемещения водных масс. В случае мелкого моря (глубина порядка сотни метров) требу ется также учёт свойств дна вдоль траектории распространения звука, поскольку влияние донной поверх ности на зондирующее акустическое поле может оказаться сравнимым или даже превысить влияние неод нородностей водного слоя. В этом случае возможно непосредственное измерение локальных характери стик дна во всей исследуемой области с последующим учетом полученных оценок при построении схемы акустической томографии. Это подход требует существенных временных и материальных затрат, особен но при исследовании акваторий больших (~ 100 км) размеров. Возможен другой подход, когда неизвест ные характеристики донной поверхности рассматриваются как дополнительные параметры, требующие своей оценки при решении обратной задачи. В этом случае увеличение количества неизвестных может быть скомпенсировано увеличением объема исходных данных при рассмотрении нескольких мод на не скольких частотах. В настоящей работе рассматривается возможность реализации второго подхода на примере численной модели акустической томографии неоднородности скорости звука в водном слое при наличии неизвестного рельефа дна.

Предполагается, что по периметру исследуемой акватории расположены вертикальные приемно передающие антенны, реализующие возбуждение мод заданных m -ых номеров и их прием в интересуе мых частотных диапазонах. В акватории имеются области, в которых профиль скорости звука c(r, z ) и глубина H (r ) отличаются от их фоновых значений c0 (r, z ) c0 ( z ), H 0 (r ) H 0, которые полагаются постоянными во всей исследуемой области. Для простоты рассматривается абсолютно жесткое дно;

воз можность томографической оценки рельефа и скорости звука для «не жесткого» дна продемонстрирована ранее [2]. Предполагается, что обработка сигналов, принимаемых гидрофонами антенн, согласованная с профилями мод в местах их расположения, позволила определить времена распространения tij (m ) мод m ых номеров между всеми i -ми и j -ми антеннами, окружающими исследуемую акваторию. Ставится за дача оценки неоднородностей c(r, z ) = c(r, z ) c0 ( z ) и H (r ) = H (r ) H 0 томографическими мето дами на основе возмущения времен распространения модовых импульсов t ij = t ij ( m ) t ijm ), через аква ( m) ( торию ( tij ) – время распространения мод в отсутствии неоднородностей c(r, z ) и H (r ) ). Задача рас (m сматривается в адиабатическом приближении. Используется представление акустического поля в виде «вертикальные моды – горизонтальные лучи», что позволяет свести трехмерную задачу распространения звука в океане к набору независимых двумерных задач распространения мод вдоль горизонтальных лучей.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана Для описания неоднородности скорости звука c(r, z ) по глубине строились функции Карунэна Лоэва (К.-Л.) [4]. Для этого рассматривались B = 46 профилей скорости звука cb ( z n ), b = 1, B, n = 1, N 0, характерных для летней гидрологии Баренцева моря, заданных на N 0 = 11 глубинах. После этого строилась выборочная матрица ковариации с элементами {cb ( z p ) c0 ( z p )}{cb ( zn ) c0 ( zn )}. Фоновое значение скорости звука рассчитывалось как B Fpn = B b= B c0 ( z n ) = cb ( z n ) B (рис. 1а). Дискретизованные по глубине z n функции К.-Л. оценивались как собст b = {} венные векторы f n ковариационной матрицы F Fpn : F f n = n f n, где { n }, n = 1, N 0 – набор собственных значений (рис. 1б). В дальнейшем для описания восстанавливаемых возмущений c(r, z ) рассматривались только три функции К.-Л. f n (z ) (рис. 1в), соответствующие первым трем наибольшим собственным значениям n. Далее функции К.-Л. для удобства полагаются безразмерными.

z, м z, м n c0 400 f c f c f n -0.4 -0.2Рис. 0 0.2 0. 2 4 Рис. 1б 6 Рис. 1а 1в 1455 1460 1465 1470 м/c Рис. 1. (а) – фоновая гидрология c0 ( z ) (штрих-пунктирная линия), профиль скорости звука c(r = rc ;

z ) в центре рассматриваемой неоднородности (сплошная линия) и оценка c(r = rc ;

z ) этого профи ля (пунктирная линия), полученная с невязкой по решению c (r = rc ) = 0.27 ;

(б) – спектр собственных зна чений ковариационной матрицы F {Fpn };

(в) – первые три функции Карунэна-Лоэва f n (z ), использовав шиеся при восстановлении.

Для описания распределения параметров восстанавливаемых неоднородностей c(r, z ), H (r ) в горизонтальной плоскости использовалась модификация полосчатого базиса [3]. Базисные функции вы бирались в виде 8 параллельных полос, равномерно покрывающие исследуемую акваторию и поворачи ваемых под 15 различными углами в интервале от 0 до. Область, занимаемая полосой с произвольным номером v, в дальнейшем будет обозначаться как N v. Для описания рельефа в каждой из рассматривае мых полос поочередно вводилось базисное возмущение рельефа с амплитудой v (r ) = 5 м, при r N v, v (r ) = 0, при r N v. Перебор всех полос, содержащих v (r ), для всех пар антенн позволил постро ить матрицу A, содержащую возмущения времен tij ), вызванных поочередным введением в акваторию (m базисных неоднородностей рельефа. Матрица A описывает влияние восстанавливаемых неоднородно стей рельефа на возмущения приемных данных. Для описания эффектов, вызываемых неоднородностью скорости звука, в каждую базисную полосу поочередно вводились возмущения гидрологии в виде одной из рассматриваемых функций К.-Л., что приводило к возникновению возмущений фазовых скоростей рас сматриваемых мод. Перебор всех полос под всеми углами, содержащих поочередно все используемые функции f n (z ), позволяет получить матрицу A, описывающую влияние восстанавливаемых неоднород ностей c(r, z ) на принимаемые акустические поля. Предполагается, что искомые неоднородности могут быть разложены с необходимой точностью по рассматриваемым базисным функциям XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана c(r, z ) = ( n ) (r ) f n ( z ), где ( n ) (r ) = xl l (r ), H (r ) = xv v (r ), (n) l v n (при численном моделировании полагалось l (r ) = 1 м/с, при r N l, l (r ) = 0, при r N l ) а возму щения принятых полей, вносимые этими неоднородностями, аддитивно связанны с возмущениями полей, вносимыми базисными функциями v (r ), l (r ), f n (z ). В этом случае c(r, z ) и H (r ) могут быть восстановлены путем решения системы линейных уравнений, которая в матричном виде записывается следующим образом:

A X = T, (1) где A – матрица возмущений, составленная из двух блоков A и A ;

X – вектор-столбец неизвестных ко эффициентов разложения xv, xl исследуемых неоднородностей по базисным функциям. Регуляризован ное решение МНК-типа находится по формуле: X = (AТA + 2 Е)-1AТ Т, где Е – единичная матрица, 2 – коэффициент регуляризации. Найденные коэффициенты разложения, позволяют оценить восстанавливае (r ) f n ( z ), где ( n ) (r ) = xl l (r ). На заключи мые функции: H (r ) = xv v (r ), c(r, z ) = (n) (n) l n v тельном этапе визуализации результатов восстановления осуществлялась фильтрация, заключавшаяся в H, м H, м - - 0 0 x, 105 м y, 105 м x, 105 м y, 105 м -1 - -1 - Рис. 2а Рис. 2б ( 2 ), м/с ( 2 ), м/с - - - - - - 0 y, 105 м y, 105 м -1 - -1 - x, 10 м x, 105 м Рис. 2в Рис. 2г H (r ) (а), ( 2 ) (r ) (в) и результаты их вос Рис. 2. Истинное распределение по акватории функций H (r ) (б), ( 2 ) (r ) (г) в обсуждаемом подходе с невязками по решению H = 0.35, становления ( 2 ) = 0.46 и по правой части T = 0.0012.

подавлении высокочастотной части пространственного спектра восстановленного изображения. Точность полученных результатов оценивалась с помощью невязок по решению XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана c (r, z ) – для неоднородностей профиля скорости звука в за c (r ) = c (r, zd ) c (r, zd ) 2 d d d данной точке с радиус-вектором r, – для коэффициентов разложения c(r, z ) по n -ой функции (n ) К.-Л. и H – для неоднородности рельефа. Здесь c(r, z d ) – истинные дискретизованные значения не однородности скорости звука;

c(r, z d ) – восстановленные значения;

и H рассчитываются ана (n ) логично c. Также рассчитывалась невязка T по правой части T =, где Tl Tl Tl l l T = A+ A X, T = A+ A X = A+ T. Полученные значения невязок приведены в подписях к соот ветствующим рисункам.

При численном моделировании рассматривалась акватория радиуса R = 10 м, окруженная по пе риметру 17 вертикальными приемно-передающими антеннами. Использовались данные от первых 6 низ ших мод в достаточно узких частотных диапазонах с центральными частотами 25 Гц, 35 Гц, 50 Гц и 75 Гц.

В качестве неоднородности рельефа была выбрана возвышенность гауссовой формы высотой h0 = 50 м с ( ) характерным горизонтальным размером возвышенности h = 0.3 R : H (r ) = h0 exp r rh 2 2, h rh = (0.4 R, 0.4 R ) ;


фоновое значение глубины составляло H 0 = 300 м. За начало координат принима лась точка в центре поверхности акватории (рис. 2а). Пространственная локализация возмущения профиля ( ) c(r, z ) = c( z ) exp r rc 2 c, c = 0.25 R, скорости звука задавалась аналогично:

rc = (0.5 R, 0.5 R ), c( z ) = c(r = rc ;

z ) c0 ( z ) ;

c(r = rc ;

z ) и c0 ( z ) приведены на рис. 1а. Для при мера восстановления распределения неоднородности скорости звука по акватории, на рис. 2в, 2г приведе ны результаты реконструкции коэффициента разложения ( 2 ) (r ) возмущения c(r, z ) по второй функ ции К.-Л. f 2 ( z ). Восстановленный профиль скорости звука c(r = rc, z ) в центре неоднородности (при r = rc ), изображен на рис. 1а. Как видно из приведенных графиков, удалось восстановить положение, ха рактерные размеры и амплитудные значения исследуемых функций с приемлемой точностью. Получен ные результаты указывают на принципиальную возможность реализации акустической томографии мел кого моря при неизвестных характеристиках донной поверхности. Одним из основных вопросов, опреде ляющих практическую реализацию описанного подхода, является возможность выделения в принимаемом сигнале необходимого количества мод в интересуемых частотных диапазонах.Работа выполнена при под держке грантов Президента РФ № НШ- 2631.2012.2, № МК-2041.2011.5, грантов РФФИ № 10-05-00229, № 10-02-00636, а также при частичной поддержке Правительства РФ (грант № 2010-220-01-077, договор № 11.G 34.31.0005).

ЛИТЕРАТУРА 1. W. Munk, P. Worcester, C. Wunsch. Ocean Acoustic Tomography. Cambridge University Press, 1995. 433 р.

2. В.А.Буров, А.В.Прудникова, С.Н.Сергеев, А.С.Шуруп. Акустическая томография импеданса и рельефа дна в мелком море // Сборник трудов XXIV сессии Российского Акустического Общества. – Т.2. – М.: ГЕОС, 2011. –С.177-181.

3. В.А.Буров, С.Н.Сергеев, А.С.Шуруп. Роль выбора базисных функций в задачах акустической томографии океана // Акустич. журнал. – 2007. – T.53. – № 6. – С. 791-808.

4. В.А.Буров, С.Н.Сергеев, А.А. Шмелев. Возможность восстановления сезонной изменчивости мирового океана методами акустической томографии // Акуст. журнал. – 2007. – Т.53. – №3. – С. 302–312.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана УДК 551.463.21 : В.А. Буров, С.Н. Сергеев, А.С. Шуруп, О.Д. Румянцева ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИО НАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА НОВИКОВА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО ДАННЫЕ ОТ ТОЧЕЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы Тел.: (495) 939-3081;

Факс: (495) 932- E-mail: burov@phys.msu.ru Рассматривается численная реализация функционально-аналитического алгоритма Новикова [5], использую щего в качестве исходных данных акустические поля, излученные и принятые на границе исследуемой области.

Алгоритм является математически строгим, не требует линейности модели и итераций для уточнения оце нок рассеивателей, что делает его привлекательным для задач томографии океана. Приводятся результаты численного восстановления неоднородностей скорости звука. Обсуждаются возможности и ограничения рас сматриваемого алгоритма.

В настоящее время акустическая томография является единственным подходом, позволяющим реализовать оперативный (в режиме, близком к режиму реального времени) мониторинг пространственно временной изменчивости океанических акваторий больших размеров. Известные авторам настоящей рабо ты подходы, ранее применявшиеся для решения задачи акустической томографии океана, являются при ближенными. Как правило, пользуются линейным приближением [6], позволяющим установить простую связь между характеристиками исследуемой акватории и параметрами акустических сигналов, прошедших через нее. В случае существенного отклонения ситуации от линейного приближения применяют итераци онные процедуры.

Известны, однако, строгие методы решения обратных задач, разработанные для квантомеханиче ских целей – это так называемые функционально-аналитические методы [5, 7, 8]. В представляемой работе впервые рассматривается возможность применения одного из функционально-аналитических методов, нашедшего отражение в алгоритме Р.Г. Новикова [5], для целей модовой томографии океана. В работе [9], посвященной реализации предыдущего варианта [8] этого алгоритма, в качестве исходных данных высту пала амплитуда рассеяния. Обсуждаемый ниже алгоритм [5] использует, в качестве исходных данных, по ля, излученные и принятые на границе исследуемой области, что более соответствует условиям натурного эксперимента.

Рассматривается акватория, окруженная по периметру приемно-передающими вертикальными ан теннами, излучающими и принимающими модовые сигналы. Используется представление акустического поля в виде "вертикальные моды – горизонтальные лучи", что позволяет свести задачу распространения звука в трехмерном океане к набору двумерных задач распространения отдельных мод в горизонтальной плоскости. В этом случае структура поля по глубине определяется профилями мод. Предполагается также, что справедливо адиабатическое приближение, т.е. двумерные задачи распространения отдельных мод могут рассматриваться независимо друг от друга. В обсуждаемом подходе восстановление характеристик среды возможно за два шага. На первом шаге решается набор (т.е. для каждой рассматриваемой моды) томографических задач в горизонтальной плоскости, что позволяет восстановить двумерные пространст венные распределения неоднородности фазовой скорости рассматриваемых мод, вызванные наличием трехмерных неоднородностей океанической среды. На следующем шаге восстановленные двумерные функции пересчитываются в трехмерные распределения параметров исследуемой области. Ниже рассмат ривается только первый шаг томографического восстановления в горизонтальной плоскости для одной моды на фиксированной частоте зондирующего сигнала;

предполагается, что следующий шаг может быть выполнен известными методами [6].

В горизонтальной плоскости рассматривается достаточно гладкая область VY с границей Y (рис.

1). Внутри области VY находится неоднородность (рассеиватель), распределение параметров которой r VY описывается функцией v(r, j ), где – радиус-вектор в горизонтальной плоскости,. Индекс j r задает значение конкретной частоты j, имея в виду возможное обобщение излагаемого ниже алгоритма на полихроматический режим зондирования [9]. На границе Y в положениях, характеризуемых радиус векторами x Y, располагаются излучающие антенны, которые создают в области VY акустические по ля. В отсутствие или в присутствии рассеивателя это поля G0 (r, x;

j ) или G (r, x;

j ), соответственно cl cl XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана ( r VY ). Приемные антенны находятся в положениях с радиус-векторами y Y. В задачах томографии 1 океана функция v(r, j ) = j 2 характеризует неоднородность скорости звука, где c(r ) – c0 c (r ) распределение фазовой скорости рассматриваемой моды в исследуемой области;

c0 – фоновое, априори известное значение скорости этой моды в однородной изотропной среде.

Ставится задача восстановления v(r, j ) на основе полей G (y, x;

j ), измеренных на границе cl Y. Данная задача решается в три этапа. На первом этапе строится оператор F ( j ), переводящий про извольное акустическое поле ( y, x;

j ) (в присутствии рассеивателя) на границе y Y в значения = F ( j ) ( Y ). Ана нормальной производной (внешней по отношению к контуру Y ) этого поля: n Y логично определяется оператор F0 ( j ) для полей в отсутствие рассеивателя. Ядро (F F0 )(y, x;

j ) оператора (F F0 )( j ) находится из уравнения G cl (y, x;

j ) = G0 (y x;

j ) + d y d x G0 (y y ;

j )(F F0 )(y, x;

j )G cl (x, x;

j ).

cl cl (1) Y Y i (1) Здесь G0 (y x;

j ) = H 0 (k0 j y x ) – классическая функция Грина однородного фонового про cl странства, k0 j = j c0 ;

G (y, x;

j ) – классическая функция Грина пространства с рассеивателем, ко cl торая измеряется в эксперименте в качестве принимаемых полей рассматриваемых мод;

используется временная зависимость полей ~ exp(i j t ). Решение уравнения (1) в координатном пространстве со пряжено с рядом трудностей, связанных, в том числе, с сингулярностью G0 (y x;

j ) при y = x и с cl необходимостью введения интерполяций при дискретизации интегралов. Данных трудностей можно из бежать, если перейти в пространство угловых гармоник, сопряженное к пространству углов, задающих положение точек x на контуре Y в виде окружности (ана ~ логично для точек y ). Угловой спектр g (q ) произвольной периодической функции g () с периодом 2 определяет ~ ся как g ( q ) = g () exp(iq) d, q Z, где Z – Z Z множество целых чисел (т.е. q = 0, ± 1, ± 2,... );

знак “~” над функцией означает фурье-преобразование по угловой переменной. Пусть рассматриваемый контур Y имеет фор му окружности радиуса R0 с центром O (рис. 1);

тогда в полярной системе координат с тем же центром O имеем:

x = {R0, x }, y = {R0, y }, x = {R0, x }, y = {R0, y }, Рис. 1. Геометрия задачи в горизонтальной и (1) можно преобразовать к виду плоскости.

~ cl ~ ~~ ~ ~ G ~~ (2R0 ) 2 (qy,qy ;

j ) (F F0 )(qy, qx ;

j ) G cl (qx,qx ;

j ) = q y = q x = ~ ~ ~ ~ = G cl (qy, qx ;

j ) G0cl (qy, qx ;

j ) ;

qx, qy Z ;

Z (2) знак " " над функцией означает двойное фурье-преобразование – по углу x и углу y ;

~ ~ i G0cl (qy, qx ;

j ) = qx, qy H q1) (k0 j R0 ) J qy (k0 j R0 ), где qx, qy – символ Кронекера, H q1) и J q y – функ ( ( 4 y y XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана ции Ханкеля и Бесселя, соответственно. Соотношения (2) представляют собой систему линейных уравне ~~ ний для нахождения (F F0 )(qy, qx ;

j ).

~ ~ ~~ На втором этапе знание функции (F F0 )(y, x;

j ) или (F F0 )(qy, qx ;

j ) позволяет опре делить значения классической амплитуды рассеяния f (k, l;

j ), где волновой вектор k = {k0 j, } ха рактеризует направление падения плоской волны, и волновой вектор l = {k0 j, } характеризует соответ ствующее рассеянное поле в дальней зоне. Надо обратить внимание, что реально в эксперименте излуча ются и принимаются поля модовыми антеннами. Введение плоских волн является только вспомогатель ным математическим аппаратом, используемым на данном этапе восстановления рассеивателя. Для расче та амплитуды рассеяния f (k, l;

j ) нужно предварительно найти классическое поле u (y, k ;

j ), воз cl никающее в точке приема y Y в ответ на падающую плоскую волну u0 (y, k ;

j ) = exp(i ky). Это cl поле u (y, k ;

j ) находится из уравнения cl u cl (y, k ;

j ) = exp(i ky) + Acl (y, y;

j ) u cl (y, k ;

j ) d y, Y где A ( y, x;

j ) = d y G ( y y;

j ) (F F0 )(y, x;

j ). Тогда cl cl Y D d y d y exp(i ly ) (F F0 )(y, y;

j ) u cl (y, k ;

j ).

f (k, l;

j ) (3) (2) Y Y В терминах угловых гармоник уравнение для u (y, k ;

j ) преобразуется к системе линейных уравнений cl ~ cl ~ cl относительно u ( qy, k ;

j ) u (qy, ;

j ) :

~ ~ ~ ~ ~ u cl (qy, ;

j ) 2R0 A cl (qy, qy, ;

j ) u cl (qy, ;

j ) = u0cl (qy, ;

j ), q y = ~ ~ где u0cl ( qy, k ;

j ) u0cl ( qy, ;

j ) = i y J q y ( k 0 j R0 ) exp(iqy ), q ~ ~ ~~ ~ ~ ~~ A cl (qy, qx ;

j ) = 2R0 G0cl (qy,qz ;

j ) (F F0 )(qz, qx ;

j ).

q z = Тогда f (k, l;

j ) f (, ;

j ) рассчитывается, согласно (3), как ~~ u ~~ ~ ~ (qy, + ;

j ) (F F0 )(qy, qx ;

j ) u cl ( qx, ;

j ).

f (, ' ;

j ) = R02 cl q y = q x = На третьем этапе найденные значения f (k, l;

j ) позволяют восстановить искомую неодно родность v(r, j ), используя уже исследованный функционально-аналитический алгоритм Новикова [8, 9].

При численном моделировании рассматривалась акватория цилиндрической формы, в горизон тальной плоскости имеющая форму круга с радиусом R0, окруженная по периметру 64 приемно передающими антеннами. Используемые ниже параметры модели носят сугубо иллюстративный характер и выбраны с целью продемонстрировать работоспособность построенной численной модели. Полагалось R0 = 5 0 j, где длина волны 0 j равнялась 8 условным единицам дискретизации длины. Функция рас сеивателя задавалась в следующем виде:

0.5, если r ra a + k0 j A0 exp[ (r rg ) d ], где a = 1.25 0 j, d = 0 j, v(r;

j ) = k02 j A0 2 если r ra a 0, A0 = 1 [1 + c c0 ], c c0 = 0.6 м/с, ra = (1.88 0 j, 0), rg = (2.5 0 j, 0). Месторасположение неоднородности, ее форма и амплитудные значения восстанавливаются правильно (рис. 2).

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана Важен вопрос о количестве приемо-передающих антенн, необходимых для практической реализа ции описанного подхода. Как показывают численные оценки, для реализации "традиционных" времяпро летных схем томографии океанической акватории с размерами в несколько сотен километров требуется несколько десятков антенн. Для реализации описанного подхода на одной частоте требуется существенно большее количество приемно-передающих модулей. В связи с этим возникает задача перехода от данных рассеяния, известных в малом количестве точек на границе исследуемой акватории, но для большого ко личества частот (использование информации в виде времен распространения сигналов, фактически, соот ветствует использованию большого количества частот в достаточно широкой полосе), к данным рассея ния, известным в большом количестве точек на границе области хотя бы при одной частоте. Решение по добной задачи может основываться на совместном использовании "традиционных" и функционально аналитических методов решения обратных задач рассеяния.

Работа выполнена при поддержке грантов Президента РФ № НШ-2631.2012.2, № МК-2041.2011.5, грантов РФФИ № 10-05-00229, № 10-02-00636, а также при частичной поддержке Правительства РФ (грант № 2010-220-01-077, договор № 11.G 34.31.0005).

v(r ) v(r ) 0.4 0. 0.2 0. -0. -0. 8 y 0 j 8 x 0 j 8 y 0 j 8 x 0 j 0 2а 2б -40 -40 -40 - 0.

Рис. 2. Модельное распределение по акватории v( x, y = 0) рефракционного рассеивателя v (r ) (а) и результа 0.

ты его восстановления v (r ) функционально v( x, y = 0) 0.

аналитическим алгоритмом Новикова (б);

(в) – цен тральные сечения вдоль оси OХ истинного значения 0.

функции рассеивателя v ( x, y = 0) (тонкая линия) v( x, y = 0) (толстая и результата восстановления -0. пунктирная линия).

-0. - - 0 20 8x 0 j 2в 40 ЛИТЕРАТУРА 5. R.G. Novikov, M. Santacesaria. Monochromatic reconstruction algorithms for two-dimensional multi-channel inverse problems // International Mathematics Research Notices. – 2012. – doi:10.1093/imrn/rns025.

6. В.В. Гончаров, В.Ю. Зайцев, В.М. Куртепов, А.Г. Нечаев, А.И. Хилько. “Акустическая томография океана”. Н.

Новгород: ИПФ РАН, 1997.

7. П.Г. Гриневич, С.В. Манаков. Обратная задача теории рассеяния для двумерного оператора Шредингера, метод и нелинейные уравнения // Функцион. анализ и его прил. – 1986. – Т. 20. – № 2. – С. 14.

8. R.G. Novikov. Rapidly converging approximation in inverse quantum scattering in dimension 2 // Physics Letters A.

– 1998. – V. 238. – P. 73.

9. В.А. Буров, Н.В. Алексеенко, О.Д. Румянцева. Многочастотное обобщение алгоритма Новикова для решения обратной двумерной задачи рассеяния // Акуст. журн. – 2009. – Т. 55. – № 6. – С. 784.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана УДК 542. В.Н. Кравченко, А.И. Хилько, И.П. Смирнов, А.И. Малеханов, А.А. Хилько, В.Н. Гринюк, А.Т. Трофимов, М.М. Тихомиров, В.В. Коваленко АКУСТИЧЕСКОЕ НАБЛЮДЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПРИБРЕЖНЫХ МОРСКИХ РАЙОНАХ МЕТОДОМ ПУЧКОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ТОМОГРАФИИ ОАО «НИИ «Атолл», Россия, 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Приборостроителей, д. *Институт прикладной физики РАН, 603950, г. Н.Новгород, ГСП-120, Ульянова, 46, Тел./факс 8 (49621) 27393, Е-mail: vladimirkra@gmail.com Рассматривается перспективный метод акустического наблюдения в прибрежных районах океана, основанный на со вместной обработке набора мультистатических томографических проекций, формируемых в подводном канале верти кально ориентированными излучающими и приемными решетками сложно-модулированных импульсных сигналов в виде согласованных с волноводом пучков – пучковая импульсная томография (ПИТ). Построена физическая модель метода, по зволяющего оценить возможности системы, выполнить проектирование ее облика для конкретных районов мелкого моря, а также обеспечить управление потенциалом ПИТ. Такая модель реализована в виде программно-алгоритмического ком плекса с интерфейсом управления и представления данных. Работоспособность метода подтверждена натурными экспе риментами.

Рассматрим состоящую из набора вертикально ориентированных излучающих и приемных решеток томографическая систему высокочастотного импульсного акустического наблюдения пространственно локализованных неоднородностей в океаническом волноводе (рис. 1а). Для адаптивной согласованной с волноводом фокусировки зондирующих импульсов и диаграмм направленности приемных решеток в предполагаемую точку расположения объекта наблюдения и выбора порогов обнаружения сигнала (фор мирования гипотезы) использовалась имитационная модель (ИМ). В состав ИМ включались геоинформа ционная модель океанического волновода, данные о состоянии системы наблюдения, данные о шумах и реверберационных помехах, модель дифракции ВЧ акустического поля на объекте наблюдения в виде им педансного эллипсоида, а также модель рассеяния на ветровом волнении и случайно распределенных дон ных неоднородностях [1, 2]. Численное моделирование осуществлялось для района мелкого моря в виде прямоугольного параллелепипеда x, y, z: 0x1, 0y1, -0.02z0 (км), в котором располагались верти кальная излучающая и две вертикальные приемные антенные решетки, а также эллипсоид, ориентирован ный большей осью вдоль оси y. При наблюдении использовались лучевые томографические проекции (SS, SW, WS, WW) показанные на рис. 1а. В качестве модели района наблюдений был рассмотрен придонный в а б Рис.1. Лучевые томографические проекции (а), структура дна (б) и гидрология (в).

плоскослоистый волновод с жидким дном с переменным по горизонтали рельефом (рис. 1б). В используе мой модели района наблюдений поверхность дна аппроксимировалась бикубическим сплайном из данных двумерной таблицы глубин, отражающей распределение глубин в модельном районе (такой метод приго ден при формировании модели с помощью карты глубин реального морского района). Рассмотренный при анализе приповерхностный профиль скорости звука в исследуемом волноводе (рис. 1в) определялся ти пичными сезонными измерениями температуры и солености воды в прибрежной морской акватории, со ответствующими летним условиям наблюдения [3]. Система наблюдения в рассмотренном случае имеет следующую пространственную конфигурацию: координаты источника (км) xS = 0.375, yS = 0.556, zS = 0.0034;

приемника (км) xR = 0.671, yR = 0.720, zR = -0.0058. Будем также считать, что параметры цели (эл липсоида) определяются полуосями a = 0.75, b = 0.50, c = 0.50 (м), и скоростью перемещения V = 1.0 (м/с).



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 9 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.