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 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 9 |

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

-- [ Страница 5 ] --

Только из-за изменения ориентации рыб их сила цели меняется в больших пределах (в 2-3 раза), что при водит к грубым ошибкам при определении запасов рыб. На величину отражательной способности рыб влияет и ещё ряд факторов.

С целью разрешения указанных проблем специалистами ПИНРО был разработан способ и устройство для калибровки гидроакустической аппаратуры количественной оценки с помощью телевизионной аппа ратуры [6], при которых озвучивание рыб и их видеонаблюдение производятся одновременно и из одной точки. Недостаток их заключается в сложности определения на необходимом для анализа и обработки значительном количестве видеоизображений размеров и пространственного положения рыб при большом их количестве в зоне обзора телевизионной камеры. Это приводит к погрешностям оценки, особенно в отношении рыб, находящихся на периферийных участках просматриваемой области видеонаблюдения.

Более пригодными для конкретной реализации и позволяющим получить более достоверные и точные результаты такой калибровки представляются способ и устройство, предложенное в работе [7]. В них при одновременной из одной точки акустической локации и видеонаблюдениях участков водной среды в про цессе движения носителя аппаратуры производится раздельный селективный отбор и накопление видео кадров отдельных рыб и их стай, Он заключается в том, что запоминаются и сохраняются лишь видеоизображения, соответствующие моментам отражения от рыб и стай рыб максимальных эхосигналов при пересечении их зоной действия гидроакустической измерительной системы (ГИС). Кроме того, производится корректировка накапливае мых последовательностей максимальных эхосигналов по данным обработки отселектированных видео изображений для исключения ошибочных или неверных показаний. Также осуществляется селективный раздельный отбор и накопление (по результатам обработки отселектированных последовательностей ви деоизображений) максимальных эхосигналов от отдельных рыб и стай рыб, пересекаемых частью зоны действия ГИС, находящейся вблизи ее оси (с учетом пространственного положения, размеров отдельных рыб и их видов, а также количества рыб в стаях).

Основное ограничение указанных способов и устройств обусловлено малой дальностью видения из вестных телевизионных систем в водной среде. В конце 90-х годов был разработан экспериментальный образец видеоакустической системы с лазерной подсветкой [5]. Как указывается в работе [8], применение лазера позволило увеличить дистанцию видимости в 3,2 раза по сравнению с обычной телевизионной, не сколько более 10м. Необходимо доведение указанных отечественных исследований до практической реа лизации.

Учитывая ликвидацию в России рыбопромысловых разведок, резкое сокращение рыбохозяйственных НИС, реальную помощь в обеспечении контроля состояния и распределения биоресурсов может оказать массовое использование для этой цели акустической аппаратуры вертикальной локации на промысловых судах. В последние годы этому уделяется все большее внимание и в мировом рыболовстве [9].

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана Наиболее целесообразным решением такого глобального акустического мониторинга является уста новка на промысловых судах своего рода «чёрных ящиков» - программируемого гидроакустического уст ройства вертикальной локации, обеспечивающего автоматическое излучение зондирующих водную среду импульсов, прием и хранение отраженных от биологических объектов сигналов. После подхода судна к району лова, судоводитель промыслового рыболовного судна подключает устройство (предварительно запрограммированное и откалиброванное изготовителем) к спутниковой радионавигационной системе и включает в работу. Далее он функционирует автоматически. После прихода судна в порт запомненные результаты мониторинга распределения обнаруженных объектов с их географическими координатами и др. считываются и передаются в стационарный береговой центр обработки [10, 11].

Основным показателем, используемым при определении запасов с помощью учётных траловых съё мок, является коэффициент уловистости. Оценка коэффициента уловистости основана на максимально точном определении разницы между количеством рыбы, проходящей через зону действия трала и количе ством рыбы, попадающей в трал. Акустические средства могут помочь в решении данной задачи. Количе ство рыбы, входящее в зону действия трала, может быть определено с помощью гидроакустического эхо локационного блока, располагаемого на одной и/или обеих траловых досках [12], или гидроакустического эхолокационного устройства, размещаемого на каждом из траловых ваеров и на одной из траловых досок, при этом гидроакустическое лоцирование объектов промысла перед тралом выполняют с траловых ваеров, а гидроакустическое лоцирование с траловой доски проводят лишь для уточнения положения границ зо ны, в которой выполняется оценка количества рыбы перед тралом [13].

Лососевые являются наиболее массовым видом ценные рыб, имеют очень важное промысловое значе ние для многих районов Дальнего Востока, а также и для всей российской рыбной отрасли.

Прогнозирование масштабов подходов лососей к конкретным местам воспроизводства никогда не от личалось удовлетворительной оправдываемостью. В настоящее время для уточнения прогнозов подхода мигрирующих лососевых к прибрежным районам Дальнего Востока в основном используются дрифтер ные сети. Данные об уловах дрифтерных сетей с соответствующих промысловых судов с наблюдателями, ведущими лов в море, формируют (создают) информационную базу для таких прогнозов, в том числе и для оперативного прогнозирования.

Качество и оперативность указанных прогнозов может быть существенно повышено при применении гидроакустических средств. Предлагаемая система дистанционного контроля подхода мигрирующих ло сосевых включает в себя сеть автономных плавучих гидроакустических регистраторов. Каждый из них состоит из программно управляемого генератора-приёмника, низкочастотной акустической антенны (для получения большей дальности локации), аналого-цифрового преобразователя, блока запоминания и хра нения акустической информации и радиомодуля. Радиомодуль служит для передачи запомненной инфор мации по радиоканалу связи по внешнему запросу на судовую или береговую систему анализа и обработ ки информации. В связи с тем, что в указанный период лососевые движутся в поверхностных слоях, аку стическая локация производится через акустические антенны, имеющие круговую характеристику на правленности в горизонтальной плоскости.

Плавучие гидроакустические регистраторы последовательно подвязываются к общему обычному ка нату или тросу на расстояниях, соответствующих дальности обнаружения отдельных лососей гидроаку стическим трактом горизонтальной локации регистратора или, может быть, из соображений большего ох вата территории контроля, при этом концевые снабжаются якорями.

Система работает следующим образом. После прихода судна в район известных или предполагаемых миграций лососей начинается установка серии из n плавучих гидроакустических регистраторов поперёк ожидаемого направления миграции. После отдачи в воду первого гидроакустического регистратора из се рии он заякоривается. При движении судна последовательно сбрасываются в воду остальные регистрато ры. Последний плавучий гидроакустический регистратор также заякоривается, что обеспечивает постоян ство ширины зоны учета (контроля) и положения регистраторов. После отдачи плавучих гидроакустиче ских регистраторов в воду они автоматически включаются в работу, принимаемые отражённые от рыб эхосигналы запоминаются и сохраняются в блоках памяти автономных регистраторов.

Судно контроля или береговой центр периодически их опрашивают путем подачи соответствующих кодовых сигналов считывания для каждого из регистраторов. Сигнал считывания принимается радиомо дулем регистратора, который подаёт сигнал на считывание с соответствующего блока памяти. Считывае мые данные через тот же радиомодуль передаются по линии радиосвязи на судно или береговой центр. В результате может быть обеспечено практически единовременное получение акустической локационной информации со всего района контроля. Благодаря большой скорости считывания информации может быть обеспечена практически любая частота получения акустических данных с выбранного района предпола гаемого подхода лососей и, соответственно, высокая оперативность их контроля. Для оценки размерного и XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Акустика океана видового состава могут выполняться лишь ограниченные постановки контрольных дрифтерных сетей с судна контроля. В зависимости от длительности работы источников электропитания гидроакустических регистраторов судно контроля периодически обеспечивает замену этих источников и производит новую постановку в том же или другом выбранном участке. Благодаря тому, что все буи серии связаны друг с другом, судно подходит лишь к первому регистратору и сразу выбирает всю серию. Небольшое количест во судов с сериями таких плавучих гидроакустических регистраторов сможет обеспечить охват и опера тивный контроль всех предполагаемых районов миграций лососей. При использовании спутниковой связи вся информация может оперативно передаваться непосредственно в рыбохозяйственный институт.

Благодаря применению низкочастотной акустической антенны обеспечивается значительно более ши рокая зона контроля (оценки) количества приходящих на нерест рыб (более чем на порядок), при исполь зовании акустической многоэлементной антенны кругового обзора устраняются возможные флуктуации ширины зоны наблюдения гидроакустических регистраторов. Наличие механических связей между плаву чими регистраторами и заякорение лишь двух крайних гидроакустических регистраторов существенно облегчает установку серии (сети) и ее выборку, что особенно важно при работе с устройством в морских условиях, где естественно, необходимо большое количество таких регистраторов. Включение в состав ка ждого регистратора блока запоминания и хранения акустической информации облегчает работу судна контроля, которое может лишь периодически подходить в зону установки серии (сети) для считывания данных и смены источников электропитания регистраторов. Остальное время он может вести контроль ный лов. Выполнение радиомодуля с его работой в УКВ или промежуточно-волновом диапазоне частот позволяет обеспечить большую дальность передачи данных с установленного комплекса.

ЛИТЕРАТУРА 1. Simmonds, E.J. and MacLennan, D.N. Fisheries Acoustics. 2005. Blackwell Publishing. p. 2. Заферман М.Л. Погрешности инструментальной оценки запасов рыб, 1994. М.«Рыбное хозяйство», №3, с 30- 3. Кудрявцев В.И. Устройство для поиска рыбы. Пат. РФ № 2229226, опубл.27.05.2004, Бюл.№ 4. Кудрявцев В.И. Устройство для поиска и обнаружения рыбы. Пат. РФ № 2275654, опубл. 27.04. 2006, Бюл.

№ 5. Ермольчев В.А., Заферман М.Л. Видеоакустическая технология//Развитие технических методов рыбохо зяйственных исследований: Сб. науч.тр. ПИНРО. Мурманск, 1999.с.62- 6. Ермольчев В.А., Заферман М.Л. Способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры и устройство для его осуществления. Пат.

РФ №2006200 С1, опубл.30.01.94, бюл.2.

7. Кудрявцев В.И. Способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запа сов с помощью телевизионной аппаратуры и устройство для его осуществления. Пат. РФ №2260817 С2, опубл.20.09.05, бюл.2.

8. ErmolchevV.A., Zaferman M.L. Results of experiments on the video-acoustic estimation pf fish target dtrength in situ. ICES Journal of Marine Science, 2003, June, Vol.60, no.3 p.544- 9. ICES cooperative research report, “Collection of acoustic data from fishing vessels”, N287, august 2007, p. 10. Гончаров С.М., Кудрявцев В.И., Долгов А.Н. Гидроакустика способна стать одним из основных. средств мониторинга состояния запасов рыб. М. Рыб.хоз-во, 2009, №4, с.110- 11. Кудрявцев В.И., Гончаров С.М., Долгов А.Н. Устройство для дистанционного. мониторинга состояния рыб ных запасов промышленного рыболовства. Патент РФ №84585, 18.12. 12. Кудрявцев В.И. Способ определения коэффициента уловистости трала. Патент РФ №2346432, 15.05.2007г.

13. Кудрявцев В.И. Способ определения коэффициента уловистости трала. Патент РФ №2440589, приоритет 10.02.2010.

14. Кудрявцев В.И. Устройство для учёта лососей, идущих на нерест. Патент РФ №94738, приоритет 10.02.2010.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана УДК 542. О.С. Громашева, К.В.Бачинский, В.А. Юхновский ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ACPOSIT НА ШЕЛЬФЕ ЯПОНСКОГО МОРЯ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, Тел.: (423-2) 311-400;

Факс: (423-2) 312-573;

E-mail: gromasheva@poi.dvo.ru При проведении экспериментальных измерений на морском гидрофизическом полигоне «Мыс Шульца» в 2007-2011г.г.

использовалась гидроакустическая система ACPOSIT с применением поля дрейфующих радиогидроакустических буев (РГБ) и стационарно установленного или дрейфующего излучателя (излучателей). В работе приводится интерпретация результатов экспериментального исследования акустических полей океана с помощью горизонтального зондирования морской среды сложными и тональными акустическими сигналами в диапазоне 0.6 - 8 кГц в шельфовой зоне Японского моря на основе численного моделирования в параболическом и лучевом приближениях.

В 2005-2011 г.г. на морском гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН МЭС «М.Шульца» в районе бухты Витязь проводились комплексные исследования канала распространения звука [1].

Основной целью измерений являлось получение оценок влияния гидрофизических и геоморфологических характеристик района на взаимно корреляционные и спектральные свойства акустических сигналов в шельфовой зоне Японского моря. Измерения проводились методом горизонтального зондирования среды сложными и тональными акустическими сигналами на квазистационарных трассах и одновременного вертикального зондирования среды 2-х частотным автономным буксируемым эхолотом.

Проведение регулярных измерений требует отработки томографических методов акустического мониторинга неоднородностей различного масштаба и совершенствования структурной схемы аппаратурного комплекса. Для повышения достоверности получаемых результатов, сопоставления характеристик, полученных как в одинаковых, так и в разных гидрофизических условиях, проводилась проработка схем эксперимента, а также систематизация и накопление экспериментальных данных.

В качестве примера рассмотрим результаты экспериментов 2005-2007 г.г. [2]. Особенностью этих измерений являлась синхронная регистрация сигналов полем радиогидроакустических буев (РГБ) и лазерным деформометром, стационарно установленном на МЭС «М.Шульца». Для исключения влияния перемещения всех установленных гидрофонов РГБ и излучателей на характеристики принятых акустических сигналов проводилось позиционирование с дополнительным использованием активно-пассивных буев.

При проведении эксперимента была учтена ориентация деформометра. По данным GPS, конец деформометра по отношению к его началу лежит на курсе 191°, на этом же курсе были помещены Рис.1 Схема эксперимента точки излучения частоты 35 и 245 Гц. Схема одного из экспериментов приведена на рис.1. В точках излучения и установки c(H) - - H,m - - - HC RTB HC RTB HC RTB HC RTB - 1450 1460 1470 1480 1490 1500 1510 C, m/c Рис.3. Пример обработанных эхолотных промеров Рис. 2. Профили скорости звука по трассе излучения в июле 2005 г.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана буев были измерены профили скорости звука (рис.2).

По всем акустическим трассам, перед началом каждого этапа выполнен эхолотный промер двухчастотным эхолотом (рис.3). По результатам промеров был построен рельеф дна в районе работ (рис.4). Регистрировались метеоусловия и надводная обстановка (судоходство) в районе.

Рис.4. Восстановленный профиль дна в районе экспериментов (а – 3D и б – 2D изображения).

Излучение проводилось вдоль оси характеристики направленности деформометра, в направлении, перпендикулярном этой оси, а также, при взаимной калибровке, – под углами от +90° до -90° на равном удалении от группы приемных буев и деформометра.

Была выбрана следующая структура излучаемых сигналов: по 3 мин. излучение синусоидального опорного сигнала, 1 мин. перерыв, 17_245_6_cl.wav, 1 мин. перерыв, 17_245_8_cl.wav, 1 мин. перерыв, 710_245_10_cl.wav в режиме полной и половинной мощности для частоты излучения 245 Гц;

3 мин, излучение тона, 1 мин. перерыв, 17_35_10_cl.wav, 1 мин. перерыв, 17_35_20_cl.wav, 1 мин. перерыв, 710_35_10_cl.wav в режиме полной и половинной мощности для частоты излучения 35 Гц.

Выбранный режим работы позволил осуществить в каждой точке регистрацию тональных и фазоманипулированных сигналов, а в паузах между сигналами – регистрацию акустического шумового фона. В результате проведенных измерений были получены записи принятых сигналов как вдоль оси характеристики направленности деформометра, так и в направлении, перпендикулярном этой оси.

Корреляционная обработка принятых сложных сигналов позволила рассчитать матрицы задержек времен приходов сигналов на гидрофоны РГБ и деформометра в условиях шумов с учетом дрейфа. На рис. 5 приведены свертки принятых сложных фазоманипулированных по выбранным М последовательностям сигналов с эталонными сигналами, излученными на разных дистанциях на частотах 245 и 35 Гц. Тройные максимумы соответствуют приходам волны с усредненной скоростью 1495 м. На графиках можно выделить корреляционные пики меньшей амплитуды. Причинами возникновения таких «дополнительных» максимумов могут быть и условия распространения сигнала на границе сред «океан дно». При более детальном рассмотрении окрестности главных и второстепенных максимумов определяются специфические структуры, изучение которых может дать дополнительную информацию о распространении сигналов.

В результате спектральной обработки, проведенной по всем каналам с разрешением 1 Гц, были оценены уровни сигналов, принятых установленными в разных точках трассы буями, а также деформометром. На рис. 6 приведены усредненные по всей реализации спектры принятых сложных сигналов, сформированных по 511 символьным М-последовательностям с длинами символа, равными 6, и 10 периодов несущей частоты 245 Гц. Приведены спектры сигналов, которые излучались в режиме полной мощности в точках самой ближней и самой дальней по отношению к деформометру.

Сопоставление уровней мощности принятых деформометром сигналов легко провести, ориентируясь на неотфильтрованную сетевую помеху. Последовательный анализ результатов обработки позволил оценить трансформацию спектров при различных дистанциях между излучателем и приемником, а также при разных условиях распространения.

Было проведено численное моделирование с использованием программы RAM, модифицированной к условиям натурного эксперимента [3]. Программа реализует двумерную модель широкоугольного параболического уравнения для решения задачи распространения гармонического сигнала вдоль трассы.

Для моделирования использовались профили скорости звука, измеренные в точках излучения и Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана DEF (7 канал) Точка С03 Точка С DEF (7 канал) Координаты:

Координаты: Координаты:

Координаты:

№ 43 (2 канал) № 43 (2 канал) N42°29,5171' E131°06,8087' № 18 (5канал) № 18 (5канал) N42°27,9672' E131°12,7551' № 44 (1 канал) Частота 245 Гц Частота 245 Гц Режим – полная мощность № 44 (1 канал) № 29 (6 канал) № 29 (6 канал) № 57 (3 канал) № 57 (3 канал) № 17 (4канал) № 17 (4канал) Свертка с эталоном 17_245_6 время 16: Свертка с эталоном 17_245_6 время 23: 4 канал 1 канал 4 канал 1 канал 1 канал 5 канал 2 канал 5 канал 2 канал 3 канал 6 канал 3 канал 6 канал DEF DEF DEF (7 канал) Точка С03 Точка С DEF (7 канал) Координаты:

Координаты: Координаты:

Координаты:

№ 43 (2 канал) № 43 (2 канал) N42°29,5171' E131°06,8087' № 18 (5канал) № 18 (5канал) N42°27,9672' E131°12,7551' № 44 (1 канал) Частота 35 Гц Частота 35 Гц Режим – полная мощность № 44 (1 канал) № 29 (6 канал) № 29 (6 канал) № 57 (3 канал) № 57 (3 канал) № 17 (4канал) № 17 (4канал) Свертка с эталоном 17_35_10 время 16: Свертка с эталоном 17_35_10 (Излучение из т.С03 частота 35 Гц) время 23: 4 канал 1 канал 4 канал 1 канал 5 канал 2 канал 5 канал 2 канал 3 канал 6 канал 6 канал 3 канал DEF DEF Рис. 5. ВКФ принятых сложных фазоманипулированных по М-последовательностям сигналов с эталонными сигналами, излученными в разных точках на частотах 245 и 35 Гц.

расстановки буев, а имеющаяся информация о геофизических свойствах грунтов определила выбор наиболее простой модели. Предполагалось, что характеристики грунта вдоль дистанции в модели не изменялись.

Проведенное моделирование и сравнение результатов с экспериментальными данными позволили сделать предположения и оценить потери энергии в грунт. Для более низких частот максимумы в интенсивности формируемого в воде акустического поля расположены у дна, что соответствует акустической моде, охватывающей как водный слой, так и слой донных осадков. Рассматривалась Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана гипотеза о преимущественном влияние энергии, переносимой в дне поперечными волнами, на интенсивность измеренного в воде акустического сигнала.

Точка W1 Частота 245 Гц Режим – полная мощность Точка W Координаты:

Координаты:

N42°33,4978' E131°08,7668' Частота 245 Гц Режим – полная мощность Точка W5 Частота 245 Гц Режим – полной мощности Точка W Координаты:

Координаты:

N42°25,9522' E131°05,0585' Частота 245 Гц Режим –полной мощности Рис. 6. Пример спектральной обработки в режиме полной мощности на частоте 245 Гц Обработка измерений по трассе вдоль оси характеристики направленности деформометра с излучением сигналов половинной мощности на частоте 35 Гц на дистанции порядка 35 км с глубиной места 1000 м показала недостаточность мощности излучаемых сигналов.

В результате проведенных работ были получены данные, позволившие получить информацию о прохождении сигналов в шельфовой зоне Японского моря и определить долю энергии, перешедшей в дно и принятой лазерным деформометром. В более поздних экспериментах в 2008-2011г.г. были реализованы постановки буев с различной геометрией, излучались сложные и тональные сигналы в более широком диапазоне частот, проведены измерения на трассе с хорошо изученной структурой дна с постоянной глубиной ~42м. Проводится анализ обработки полученных данных и сопоставление их с теоретическими моделями.

ЛИТЕРАТУРА Громашева О.С., Захаров В.А., Кошелева А.В., Ли Б.Я., Юхновский В.А. Томографические исследования в шельфовой 1.

зоне Японского моря // Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. Кн. 4: Физические методы исследования. С.

111- Громашева О.С., Бачинский К.В., Кошелева А.В., Ли Б.Я., Юхновский В.А. Исследование гидроакустических 2.

характеристик сигналов, принятых полем РГБ на трассах с постоянной глубиной// Сборник трудов XXII сессии РАО. Т.

2.- М.: ГЕОС, 2010. С.410- 3. Collins M. D. //J. Acoust. Soc. Am. 93, P.1736-1742, 1993. (ftp://ftp.ccs.nrl.navy.mil/pub/ram) Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана УДК 550.341 +623. Елистратов В.П., Ивлев Г.А., Кенигсбергер Г.В.

АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОРСКОГО БЕРЕГА Гидрофизический институт АН Абхазии 384900 Сухум, ул. Красномаякская, Тел.: 8-940-223-53-84;

Е-mail: kenigsbergerg@mail.ru Представлено описание алгоритма согласованной со средой обработки сейсмоакустических сигналов, принятых геофонами девятиэлементной линейной эквидистантной антенны охранной системы, размещённой в условиях галечного морского берега и предназначенной для обнаружения сигналов шагов нарушителя.

Выполнена проверка эффективности обработки, показано, что при обработке смеси сигнала и помехи достигаются значения коэффициентов усиления антенны в пределах 2,5-10. Приводятся результаты обработки реальных сигналов шагов в сформированном элементе пространственного разрешения.

В настоящее время актуальной является задача разработки сейсмоакустических систем обнаружения и сигнализации применительно к задаче охраны территорий и предупреждения о нарушителях. Наиболее уязвимыми являются территории и объекты, расположенные в условиях морского берега на границе воды и суши. Принцип действия таких систем основан на непрерывном контроле – мониторинге сейсмических полей, возникающих при движении нарушителя в зоне наблюдения.

Для формирования диаграмм направленности необходимо знание скоростей распространения сейсмоакустических сигналов. Экспериментальное измерение оценок скорости в прибойной зоне на пляжах с различным покрытиемв широкой полосе частот 27-90 Гц показали, что оценки скорости находятся в диапазоне 50 –300 м/c, и зависят от дальности и направления. Широкий диапазон полученных оценок скоростей не позволяет использовать их средние значения для формирования пространственных каналов по причине неэффективности обработки сигналов.

Измерения скорости в узких полосах шириной в 1 Гц показали, что их оценки также находятся в диапазоне 50 –700 м/с, зависят от частоты и случайным образом изменяются от координат точек излучения и приёма. Для такого канала распространения передаточная функция сигналов на данной частоте является случайной величиной координат корреспондирующих точек [3]. Усреднение скорости для узкополосных сигналов даёт смещённые оценки и не позволяет использовать их значения для формирования пространственных каналов. Обработка сигналов антенны с использованием таких оценок не может быть эффективной,поскольку не согласована со свойствами среды [1].

Но, одновременно, обработка серийимпульсных сигналов показала: для двух фиксированных точек пространства положений приёмника и источника частотные зависимости скорости сейсмических волн устойчивы и содержат полную информацию об амплитудно-фазовых характеристиках передаточной функции. Регистрация на выходах антенны серии сигналов импульсного источника, излученных в фиксированной точке, и их спектральный анализ также дают повторяющиеся результаты распределения фазовой структуры поля по апертуре линейной антенны[1].Из этого следует вывод: для точки пространства, выбранной в качестве центра элемента пространственного разрешения (ЭПР), на каждой спектральной компоненте для каждого приёмника антенны существует соответствующий не случайный массив задержек времён распространения, либо фаз[3].

Следовательно, можно предположить, что для согласованной со свойствами среды обработки сигналов в условиях прибойной зоны, при наличии характеристикпередаточной функции для фиксированных точек приёма относительно источника, существует возможность после умножения спектральных компонент принятых сигналов на соответствующие фазовые множители выполнить сложение амплитуд их частотных компонент, как модулей векторов, имеющих одно направление [1].

Для проверки этого предположения был создан макет сейсмоакустической системы,линейная антенна которой была размещена в условиях галечного пляжа параллельно берегу воконечности Сухумского мыса.Апертура антенны - 16 м, количество геофонов - 9,межэлементные расстояния-2 м.

Рассмотрим в алгоритм фазирования спектральных компонент сигналов в рабочей полосе 30 -80 Гц на выходах 9-ти геофонов антенны. В общем виде строка 9-ти спектральных компонент, полученных путём БПФ сигналов 9-ти геофонов, имеет вид S, S,... S,... S, где i =30,31,…80, n =1,2,….9, () 1,i 2,i n,i 9,i An,i • exp j, S n,i = a n,i + j bn,i = (1), n,i (a ) = arctan bn,i / a n,i (2) n,i + = jbn,i A, n,i n,i Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана,,...,... измеренных по сигналам 9-типриёмников,есть распределение Массив значений фаз 1,i 2,i n,i 9,i фаз по апертуре антенны. Одновременно он является массивомфазовых характеристик передаточных функций 9-ти трасс распространения от источника до приемников антенны для i-той спектральной компоненты. При умножении элементов массива комплексных спектральных ) ( компонент S, S,... S,... S на соответственные множители с обратным знаком фазы exp j )= A ( ( )• exp( j ) = A 1,i 2,i n,i 9,i n,i j • exp j • exp (3) S n,i = n,i n,i n,i n,i n,i получаем массив вещественных амплитуд A1,i, A2,i,... An,i,... A9,i.

При накоплении сигналов по апертуре для i-той спектральной компоненты сигнала сумма полученных амплитуд по всем приёмникам n =1,2,….9 даёт максимальный результат, полностью учитывающий случайные характеристики среды.

A (4) = max n,i n,i n = Преобразованиям фазирования (3) и суммирования (4) подвергаются последовательно все i =30,31,…80 спектральных компонент сигналов на выходах n =1,2,….9 геофонов. В результате получаем суммарный вектор максимального значения и оценку накопленной по пространству энергии для каждого вектора вида ( ) exp j 9 A (5) n,i i.n n = Суммирование энергий суммарных компонент i =30,31,…80 по всем 51 частотам в диапазоне 30- Гц даёт максимальную оценку общей энергии сигнала, накопленную по пространству и по частоте ( j ) A = S 9 80 9 n,i (6) • exp n =1 n,i n,i i =30 i =30 n = Матрица фазирующих множителей = arctan bn,i / a n,i размером 9 х 51 для 9-ти приёмников и n,i 51 Фурье-компоненты в полосе рабочих частот 30 – 80 Гц является справочным массивом для согласованной со средой обработки сигналов для данного взаимного положения точки излучения и приёмных элементов антенны. При формировании справочного массива данная точка излучения становится (ЭПР).

Рассмотрим результаты обработки сигналов сейсмического импульса и помехи с использованием матрицы фазовых множителей измеренных для фиксированного ЭПВыбранные реализации сигналов и помехи после операции БПФ подвергались преобразованиям фазирования вчастотной области, суммирования по приёмным каналам и суммирования почастотам аналогичным преобразованиям сигналов в соответствии с формулами (2),(6). На рис. 1 показаны результаты фазирования в частотной области и последующего суммирования фазированных Фурье-компонент сигнала по каналам антенны.

Рис. 1 Рис. Видно, что каждая суммарная компонента спектра сигнала при добавлении следующего канала только возрастает. На рис. 2 видно, что суммарные компоненты спектра помехи в целом тоже возрастают, но их возрастание не монотонно. В результате обработки суммарная энергия сигналов 9-ти приёмниковпо отношению к энергии одного приёмника увеличилась в 70 раз, энергия помехи в 8,7 раз.В зависимости от Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана координат точки фокусирования предложенный алгоритм обработки сигналов 9-элементной антенныв условиях галечного пляжа обеспечивает выигрыш в помехоустойчивости в пределах 2,5 – 10 раз.

Были выполнены исследования пространственной избирательности антенны, включавшие излучение импульсных сигналов по линии рубежа, расположенной вдоль берега моря на расстоянии 25 м от линии размещения приёмников. Расстояние между точками излучения составляет 5 м.Серии сигналов, излучённых 9-ти точках рубежа и зарегистрированных приёмниками антенны, были обработаны в полосе частот 30- 80 Гц для вычисления массивов фазирующих множителей. Затем сигналы обрабатывались поочерёдно с использованием 9-ти массивов фазирующих множителей. На рис. 3 показана зависимость отклика антенны, сфокусированной в точку с координатой Х=0, от координат точек излучения.На рис. показаны зависимости 9-ти откликов антенны, нормированные к собственным максимальным значениям.

Справа на рисунке указаны абсциссы точек фокусирования антенны и соответствующие им цвета кривых зависимостей. На рисунке видно, что в интервале X=20 -20 м зависимости откликов образуют систему регулярных пространственных фильтров, чьи характеристики перекрываются на уровне 0,6 -0,8.

Рис. 3 Рис. Видно, что размеры ЭПР по уровню половинной мощности в направлении линии рубежасоставляют 6 - 9 м. В целом рассмотрение рис. 3 показывает, что на рубеже протяжённостью 40 м регистрируется обнаружение иоднозначно определяются координаты источника во всех ЭПР.

Целью создания сейсмоакустической системы наблюдения является обнаружение сигналов шагов человека. Для получения оценки отклика системы была выполненазаписьшагов экспериментатора, следующего по линии рубежа параллельно апертуре на расстоянии 25 мот антенны. На рубеже экспериментатор совершил 70 шагов за 75 с. Сигналы шагов,зарегистрированные 5-м геофоном антенны, показаны на рис. 5.б. При обработке сигналов шагов антенна фазировалась в точку с координатойX=0.

Полученная зависимость отклика системы от времени представлена на рис. 5.а. Как видно, отклик соответствующий интервалу между 22-й и 23-й секунд, является наибольшим и находится в районе точки X=0, где в это время находился экспериментатор. Максимальное значение зависимости в 2,5 раза превышает максимальное значение, не относящееся к точке X=0. Следовательно,cиспользованием сформированного справочного массива фазирующих множителей макет системы наблюдения обнаружил сигнал шагов и правильно определил местоположение источника.

Рис. Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Экспериментальные исследования в условиях прибойной зоны показали.

1.В условиях прибойной зоны для точки пространства, выбранной в качестве центра (ЭПР), на каждой спектральной компоненте для каждого приёмника антенны существует соответствующий не случайный массив задержек времён распространения, либо фаз.

2..В зависимости от координат точки фокусирования предложенный алгоритм обработки сигналов 9 элементной антенны в условиях галечного пляжа обеспечивает выигрыш в помехоустойчивости в пределах 2,5 – 10 раз.

ЛИТЕРАТУРА 1.Елистратов В.П., Ивлев Г.А., Кенигсбергер Г.В. Экспериментальные исследования скорости распространения сейсмоакустических сигналов в условиях морского берега. В настоящем сборнике.

2. Дёмкин В.П. Адаптация сейсмоакустических систем к месту их установки. Отчёт Международного университета природы общества и человека «Дубна», Дубна, 2007.

3.Кенигсбергер Г.ВИсследование сигнально-помеховой обстановки в районе перехода суша-море применительно к разработке пассивной сейсмогидроакустической системы наблюдения. Отчёт Гидрофизического института по НИР «Тритон – С», Сухум, 2009.

УДК 550.341+681. Елистратов В.П., Ивлев Г.А., Кенигсбергер Г.В.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В УСЛОВИЯХ МОРСКОГО БЕРЕГА Гидрофизический институт АН Абхазии, 384900 Сухум, ул. Красномаякская, 67, Тел.: 8-940-223-53-84;

Е-mail: kenigsbergerg@mail.ru Представлены методика и результаты измерений скорости распространения сейсмоакустических сигналов в условиях морского берега с галечным, песчаным и песчано-галечным покрытием для создания системы охраны и сигнализации. Приведены полученные оценки скорости распространения сигналов, измеренные в широкой полосе частот и их гистограммы распределения по скорости, а так же зависимости оценки скорости от частоты.

В настоящее время находят широко применяются сейсмоакустические системы обнаружения и сигнализации для охраны территорий и предупреждения о нарушителях.

Эффективность сейсмоакустических систем существенно зависит от знания закономерностей распространения сигналов. В Гидрофизическом институте были выполнены исследования характеристик распространения сейсмоакустических сигналов в условиях галечного, песчано-галечного и песчаного пляжей для определения возможностей создания систем обнаружения в береговой прибойной зоне. К исследуемым характеристикам относятся скорость распространения, спадание уровня поля от расстояния, оценка рабочего диапазона частот и т.д.

При формировании диаграмм направленности наиболее важной характеристикой, позволяющей производить групповую обработку сигналов от разнесенных геофонов антенны, является скорость распространения. В известных разработках сейсмоакустических систем [1] авторы основывались на модели поля, распространяющегося в виде поверхностной волны Релея в слое порядка одной длины волны с одной скоростью во всём рабочем диапазоне частот. Например, на болотистых сухих участках полученные оценки скорости 277, 289 м/c позволяли использовать их средние значения для формирования диаграмм направленности антенн. Первоначально нами в качестве исходной была принята гипотеза о возможности распространения сейсмоакустических сигналов в условиях прибойной зоны со скоростью независящей от длины волны.

Рассмотрим использованную методику измерений характеристик распространения сейсмических сигналов. На рис. 1.а представлено взаимное расположение трассы распространения сейсмических сигналов, размещение геофонов Г1, Г2 и Г3 и контрольный геофон на удалении 1 м от перемещаемого по полигону источника. Красным отмечены точки на трассе, где производилось излучение импульсных сигналов, а цифры 10, 20…70 означают удаление источника от линии геофонов в метрах. Излучение сигналов выполнялось путём сбрасывания стальной сферы весом 13 кГ, падающей в центр стального диска диаметром 350 мм толщиной 40 мм с постоянной высоты, равной 130 см. На рис. 1.б представлена структурная схема аппаратуры излучения и регистрации сигналов. Регистрация сигналов производилась в полосе частот от 0 до 100 Гц.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Рис. Обработка включала вычисление спектров сигналов контрольного и удалённого геофонов, их взаимного спектра, функции взаимной корреляции, определение времени распространения макс по запаздыванию максимума огибающей ФВК и оценку скорости распространения по формуле V= r/ макс, где r разность расстояний от точки излучения до контрольного и удалённого геофонов.

На рис. 2 представлены гистограммы распределения полученных оценок скоростей для двух трасс галечного берега, песчаного и песчано-галечного. Экспериментальное измерение в прибойной зоне скоростей распространения сейсмоакустических сигналов в широкой полосе частот 27-90 Гц с использованием взаимно-корреляционной функции показали, что оценки скорости находятся для галечного пляжа в диапазоне 80 –380 м/c, для песчаного пляжа 80 – 260 м/c и песчано-галечного 120 – 290 м/c и зависят от дальности и направления.

Рис. Тонкими линиями на графиках обозначены средние взвешенные значения оценок скорости. Как следует из рассмотрения рис. 2, диапазоны оценок скорости для двух различных направлений распространения на одном пляже различны.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Широкий диапазон полученных оценок скоростей свидетельствует о том, что сигналы распространяются не только в виде поверхностной волны. Энергия переносится также сигналами, распространяющимися в более глубоких слоях земли с различными скоростями и испытывающими отражение на различных горизонтах. Использование средних значений для формирования диаграмм направленности в условиях морского берега не эффективно Учитывая, что полученные в широкой полосе частот оценки скорости имеют большой разброс значений, было сделано предположение о возможности получения устойчивых оценок в узких полосах частот. С этой целью для тех же сейсмоакустических сигналов, зарегистрированных на галечном береге, была выполнена обработка для получения частотной зависимости оценок скорости распространения в полосах шириной в 1 Гц.

Методика обработки в этом случае включала вычисление спектров сигналов контрольного и удалённого геофонов, нахождение взаимного спектра в полосе шириной в 1 Гц, функции взаимной корреляции узкополосных сигналов, определения времени распространения макс() по запаздыванию максимума огибающей ФВК и получения оценки скорости распространения по формуле V()= r/ макс().

На рис.4 показаны частотные зависимости оценок скорости распространения сейсмических сигналов, полученные по одному направлению распространения, на расстояниях 10 и 70 м от источника.

На рис. 5 - зависимости скорости, полученные по двум направлениям на расстоянии 50 м. Полученные зависимости различны и трансформируются при изменении направления и дальности приёма. Отсюда следует, что их значения изменяются случайным образом в исследуемом диапазоне частот и являются функцией координат точек излучения и приёма.

Эти обстоятельства позволяют сделать вывод о том, что усреднение оценок скорости для узкополосных сигналов при изменении взаимного положения точек приёма и излучения даёт смещённые оценки и не позволяет использовать их средние значения для формирования пространственных каналов.

Рис. 3 Рис. Обработка сигналов антенны с использованием таких оценок не эффективна, поскольку не согласована со свойствами среды. Анализ результатов измерений показывает, что в условиях галечного пляжа канал распространения сейсмических сигналов характеризуется частотной дисперсией скорости, а также вариацией этой частотной зависимости от направления распространения и расстояния между источником и приёмником. Для такого канала распространения передаточная функция сигналов на данной частоте является случайной зависимостью координат корреспондирующих точек [2].

Но, одновременно, обработка серийимпульсных сигналов показала, что для фиксированных положений приёмника и источника частотные зависимости скорости сейсмических волн устойчивы, неслучайны и содержат полную информацию об амплитудно-фазовых характеристиках передаточной функции. Следовательно, можно предположить, что существует возможность, после умножения спектральных компонент принятых сигналов на соответствующие фазовые множители, выполнить сложение амплитуд их частотных компонент, как векторов, имеющих одно направление.

Для проверки этого предположения был создан макет сейсмоакустической системы, линейная антенна которой была размещена в условиях галечного пляжа на оконечности Сухумского мыса. Апертура антенны - 16 м, количество геофонов - 9,межэлементные расстояния- 2 м. Импульсный источник сигналов находился в 30 м от центрального приёмника на оси симметрии антенны. На рис. 1 показана фазовая Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана структура поля на апертуре антенны для спектральных компонент сейсмического импульса на различных частотах в полосах 30 -35 Гц и 46 – 50 Гц.

Видно, что на различных частотах зависимости распределения фаз по приёмным элементам имеют форму, не имеющую сходства с формой, присущей цилиндрическому фронту волны. Скорости распространения сейсмических сигналов для каждого приёмника антенны имеют различное значение, поэтому время прихода сигналов сложным образом зависит от его положения. Подобного рода искажения фронта волны наблюдаются на частотах 30 -35 Гц, (рис.5). Ещё сложнее вид распределений фаз на частотах в полосе 46 -50 Гц, (рис. 6).Хаотичный вид кривых подтверждает сделанный ранее вывод о том, что единой величины скорости распространения сейсмического сигнала на различных частотах в условиях галечного пляжа не существует. Однако обработка серии сигналов, излученных в фиксированной точке, даёт устойчивые распределения фазовой структуры поля по апертуре антенны.

Рис.5 Рис. Экспериментальные исследования в условиях прибойной зоны показали.

1. Сейсмоакустические сигналы распространяются не только в виде поверхностной волны, но и по более глубоким слоям земли, с различными фазовыми скоростями, изменяющими структуру суммарного сигнала в зависимости от расстояния.

2. Распространение сигналов в условиях существенной анизотропии акустических характеристик береговых наносов вносит в передаточную функцию канала случайную составляющую, зависящую от направления и дальности. Для такого канала распространения передаточная функция сигналов является величиной, зависящей от координат корреспондирующих точек.

3. Для точки пространства, выбранной в качестве центра элемента пространственного разрешения, на каждой спектральной компоненте для каждого приёмника антенны существует соответствующий не случайный массив задержек времён распространения, либо фаз, обеспечивающий согласованную со свойствами среды обработку сигналов [2].

ЛИТЕРАТУРА 1. Дёмкин В.П. Адаптация сейсмоакустических систем к месту их установки. Отчёт Международного университета природы общества и человека «Дубна», Дубна, 2007.

2. Кенигсбергер Г.В. Исследование сигнально-помеховой обстановки в районе перехода суша-море применительно к разработке пассивной сейсмогидроакустической системы наблюдения. Отчёт Гидрофизического института по НИР «Тритон – С», Сухум, 2009.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана УДК 551.463.621. В.И.Каевицер, А.П.Кривцов,В.М.Разманов, И.В.Смольянинов, А.В. Элбакидзе, В.Н.Раскатов 1, И.Б.Словцов КОМПЛЕКСНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРСКОГО ДНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЧМ СИГНАЛОВ В РАЙОНЕ ТАМАНСКОГО ПОЛУОСТРОВА ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Россия, 141190 Московская обл., г. Фрязино, пл. акад. Б.А.Введенского д. Тел.: (496) 565-2451;

E-mail: razvlmi@ire.rssi.ru ООО «Севзапгидропроект»

Россия, 197101 Санкт-Петербург, Петроградская наб., д.34, корп. Г Тел.: (812) 740-4995;

Факс: (812) 740-4960;

E-mail: szgp@szgp.ru На примере локации морского дна в районе Таманского полуострова показаны возможности применения гидролокационных акустических систем с ЛЧМ сигналом для обнаружения и изучения подводных грязевых вулканов Летом 2011 года в районе Таманского полуострова Институтом радиотехники и электроники РАН проводились испытания гидролокационного комплекса в составе эхолота-профилографа и интерферометрического гидролокатора бокового обзора (ГБО). Профилирование проводилось в прибрежной зоне с глубинами от 5 до 20 метров с применением когерентных ЛЧМ сигналов в диапазоне 5 кГц и с корреляционной обработкой эхосигналов. Глубина профилирования составляла до 30 м в зависимости от характера донных отложений. Для получения акустических изображений поверхности дна и батиметрической съемки применялся интерферометрический ГБО диапазона 240 кГц. Разрешающая способность профилографа около 20 см, ГБО – 5 см.

В ходе проведенных испытаний на морском дне были выявлены объекты, которые с большой долей вероятности могут быть связаны с грязевыми вулканами [1]. На рис. 1, для примера, приведены данные зондирования эхолотом-профилографом донных отложений в Черном море в районе мыса Панагия.

Рис. 1. Данные профилирования морского дна с характерными признаками грязевого вулканизма.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана С геологической точки зрения выделенные объекты можно отнести к положительным морфоструктурам, которые имеют вертикальные подводящие каналы, прорывающие пласты моноклинально залегающих пород миоцена падающих на северо-восток. Чаще всего они приурочены к крыльям антиклинальных складок. Глубины моря в этих местах составляют около 9 метров. На рис. (вверху) относительное возвышение вершины конуса над дном достигает 4 метров. Постройка в плане по данным бокового обзора и батиметрии имеет эллипсоидальную форму (разлапистая) и вытянута в северо западном направлении с весьма пологими склонами. Размер структуры составляет 210 на 60 метров и по морфологическим признакам вполне может соответствовать вулканическим постройкам.

Дополнительную информацию по уточнению и интерпретации отмеченных явлений можно получить, анализируя акустические изображения и данные батиметрии, полученные интерферометрическим гидролокатором бокового обзора [2]. На рис. 2 показано акустическое изображение дна, соответствующее профилограмме в верхней части рис.1. Данные представлены в виде выложенного на карту фрагмента мозаики. Стрелками отмечено соответствие отдельных элементов профилограммы и акустического изображения. Видно, что донная поверхность в районе вулкана имеет более шероховатую, складчатую структуру по сравнению с близлежащими окрестностями.

Рис. 2. Профилограмма и акустическое изображение участка морского дна с подводным грязевым вулканом.

Фрагмент полутоновой батиметрической карты данного района, по результатам съемки интерферометричесим ГБО, представлен на рис. 3. Размер участка по вертикали 300 метров, по горизонтали – 400 метров. Координаты конуса вулкана: 45.152 с.ш., 36.608 в.д. На рис. 4 показано трехмерное изображение подводного грязевого вулкана, построенное по этим же данным. Трасса профилирования донной поверхности на этом рисунке отображена в виде черной полосы.

При изучении районов с активной геологической деятельностью на морском дне информативным является мониторинг толщи водной среды. В этом случае помимо низкочастотных профилографов привлекаются данные высокочастотных ГБО. В качестве иллюстрации на рис. 5 показан фрагмент зондирования водной среды гидролокатором бокового обзора (85 кГц.) и профилографом (5 кГц.). По данным профилографа водная среда практически однородна, с вкраплениями небольших Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана неоднородностей. Высокочастотное профилирование с помощью ГБО выявляет более тонкую и сложную структуру. Основной причиной такого отличия акустических изображений является частотная зависимость резонансного рассеяния зондирующих сигналов на неоднородностях водной среды - газовых пузырьках. Пример возможной геологической активности в форме газообразования по данным гидролокатора бокового обзора показан на рис. 6.


Рис. 3. Фрагмент батиметрической карты с подводным грязевым вулканом. Размер участка 300 на метров.

Рис. 4. Трехмерное изображение подводного грязевого вулкана Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Рис. 5. Зондирование толщи водной среды профилографом (вверху) и гидролокатором бокового обзора ( внизу) Рис. 6. Профилирование водной среды высокочастотным ГБО (250 кГц) Приведенные данные наглядно показывают возможности комплексных гидролокационных систем для решения задач дистанционного геологического обследования и мониторинга морского дна.

Совместное применение таких систем позволяет найти наиболее достоверные варианты интерпретации материалов инженерно-геологических изысканий, что очень важно при планировании строительства подводных сооружений.

ЛИТЕРАТУРА 1. Е.Ф.Шнюков, Ю.В.Соболевский, Г.И. Гнатенко и др.// Грязевые вулкан Керченско-Таманской области.

Киев, 1986, 150 с.

2. В.И.Каевицер, В.М.Разманов, А.П.Кривцов и др.// Дистанционное зондирование морского дна акустическими сигналами с линейной частотной модуляцией. Радиотехника, 2008 г., №8, с. 35-42.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана УДК 534.222.2;

551.463. В.А.Акуличев,В.А. Буланов АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПУЗЫРЬКОВ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МОРЯ Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, Балтийская Тел. (423)2374913;

Факс: (423) E-mail: akulich@poi.dvo.ru, bulanov@poi.dvo.ru Проведены исследования акустических характеристик и нестационарного рассеяния акустических импульсов в приповерхностном слое моря при наличии газовых пузырьков, образуемых при ветровом волнении. Полученные зависимости были положены в основу решения обратных задач определения концентрации и размерного состава пузырьков.В работе предложен новый аналитический вид функции распределения пузырьков по размерам g(R), который согласуется с многочисленными экспериментальными результатами, полученными различными авторами. Показано, что в приповерхностном слое до глубины 7-10 метров наблюдается повышение акустической нелинейности и одновременное понижение кавитационной прочности морской воды, которые мы связываем с наличием газовых пузырьков, всегда присутствующих в приповерхностном слое моря.

Приповерхностный слой океана характеризуется аномально высокими концентрациями газовых пузырьков [1-7]. Для определения акустических характеристик верхнего слоя морской воды важен вид функции g(R) в возможно более широкой области изменения R. Практически все предложенные в литературе виды функции g(R) имеют существенные недостатки, выражаемые в появлении расходимостей в интегралах для вычисления эффективных параметров воды с газовыми пузырьками (сжимаемость, скорость звука, нелинейный параметр и др.) [6, 7]. Для микронеоднородной среды они обычно вычисляются в гомогенном приближении при наличии непрерывных функций распределения параметров во всем интервале определения [8]. Цель настоящей работы - предложить новый аналитический вид функции g(R), который согласуется с экспериментальными результатами, полученными различными авторами, и позволяет оценить акустические характеристики пузырьков в верхнем слое океана.

Функция распределения g ( R ) обычно определяется как количество включений в единице объема dN, приходящихся на интервал их радиусов dR, так что концентрация пузырьков в единице объема равна Rmax N = g ( R ) = dN / dR.

g ( R )dR, (1) Rmin Практическую основу для моделирования g(R) составили экспериментальные результаты, полученные авторами в различных условиях [3, 6-8].На рис.1 представлены известные из литературы распределения пузырьков по размерам, полученные при умеренных и сильных скоростях ветра. Видно, что при больших размерах наблюдается спад g(R) по степенному закону. Наиболее часто функция g(R) в этой части спектра записывается в виде [6, 7] g= Ag exp( z / L) R n( z ),где L ~ (2 4) 103 U10 2,5 - дается в метрах, U10 – в м/с, показатель ( R, z ) степени n(z) зависит от глубины и заключен в интервале n( z ) от 2 до 4-5.

Учет спада функции g(R) при малых R, наличие максимума при R=Rp и ограничение спектра сверху максимальным размером пузырьков Rm позволяет схематично представить распределение пузырьков по размерам в виде, показанном на рис.2. В аналитическом виде функцию g(R) можно записать в виде:

= Ag R n exp n ( ( R p R) 1) R R p.

g ( R) (2) Преимуществом такой записи g(R) является практичность и быстрота вычислений эффективных параметров среды. Важным также является то, что показатель степени n и критические размеры Rp, Rm являются естественными параметрами, которые следуют из теории Гаррета – Ли – Фармера (ГЛФ) [9], являющейся наследницей теории дробления А.Н. Колмогорова [10] в инерционном интервале между размерами Rp, Rm [9]. При этом оказывается, что измерения g(R) на большом фактическом материале в сходных условиях умеренного состояния моря дают значения n~3.5-3.8. [1, 3, 5-7], что достаточно близко к оценке n~3.3, следующей из теории ГЛФ [9].

Функция распределения пузырьков по размерам g(R) может быть найдена по частотной зависимости коэффициента рассеяния звука mV ( ) в предположении, что основной вклад в рассеяние звука вносят резонансные пузырьки [1,3,5-7], радиус которых связан с частотой R ( ) по формуле Миннерта:

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана R ( ) = 3 P0 /, g ( R ( )) = mV ( ), (3) R 3 ( ) где – коэффициент резонансного затухания на частоте.

Рис.2. Схематичное распределение пузырьков по размерам с обозначением типичных параметров функции g(R), где R p - радиус, Рис. 1. Распределения пузырьков по размерам, полученные отвечающий пику функции g(R), Rm различными авторами на различных глубинах при умеренных и характерный максимальный радиус больших скоростях ветра: 1 - Monahanetal(1988a, 1989) [11], 2- Deane пузырьков в жидкости, R = R ( ) (1997) [12], 3 - Careyetal. (1993) [11], 4 - MedwinandBreitz (1989) [13], радиус резонансных пузырьков, 5 - Farmer (Тихий океан, северо-восток, глубина 1 м, 1989, 1992) [5], резонирующих на звуковой частоте 6 – Farmer(Тихий океан, северо-восток, глубина 4.9 м,, 1989, 1992) (в случае акустической [5];

наши результаты: 7 - Тихий океан, северо-запад, глубина 2.5 м, спектроскопии).

(1986) [3, 7], 8 - Тихий океан, северо-запад, глубина 5 м, (1986) [3, 7], 9 – Японское море, шельф, глубина 1 м, (2008-2011) [7], 10 Японское море, шельф, глубина 5 м (2008-2011), верхние кривые из 9, 10 – шторм, нижние кривые – до и после шторма [7].

Известен метод определения функции g(R) на основе нестационарного рассеяния акустических импульсов различной длительности, который основан на теории нестационарной акустической спектроскопии [3,6-8]. Тем не менее, зачастую применение этого метода затруднено в связи со сложностями практической реализации перебора длительностей импульсов с соответствующей спектральной обработкой полученных сигналов обратного рассеяния в реальном времени. В связи с этим очень важной остается оценка возможности акустической спектроскопии пузырьков в океане при различных частотах звука.

При использовании низкочастотного звука с частотами ниже резонансной частоты пузырьков p, отвечающих пику функции g(R), можно получить следующее выражение для коэффициента рассеяния звука единицей объема жидкости с пузырьками:

Rmax R 2 g ( R )dR R R p.

mV ( ) = = g ( R ) R 3Q, (4) Rmin ( R ) R 1 + (1 / Q) 2 Как видно, здесь основной вклад дают резонансные пузырьки при R=R, которые отвечают низкочастотной ветви g(R).. На рис.2 пузырьки, отвечающие этой ветви, располагаются при RRp.. В этом случае возможна резонансная спектроскопия пузырьков при рассеянии звука.

В высокочастотном пределе, когда частота звука настолько велика p, что размеры пузырьков R=R., резонирующих на этой частоте, оказываются меньше Rp., имеем ( n 3) Rp R 2 n Rmax n mV Ag R 2 n exp n dR 1 g p Rp3.

(5) n R Rm Rmin Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана 4 2 3/ 2 n ( n 4) g p Rp 4, 3 n 3 n =, (6) 4 2 3/ 2 2 n ( 3 n ) g m Rm 4, 2 n 3.5 n 3 e Величина коэффициента высокочастотного рассеяния звука mV не зависит от частоты. Отсюда следует, что резонансная спектроскопия пузырьков при высокочастотном рассеянии звука невозможна, т.к. вклад в рассеяние дают сразу все пузырьки, резонансные и нерезонансные. Однако основной вклад дают пузырьки, с размерами, близкими максимуму g(R) приR=Rp.. Важно, что при этом можно получить результат, касающейся интегральной характеристики – объемной концентрации газа в пузырьках, которая определяется формулой (6) и не зависит от частоты звука. На практике, это можно сделать следующим образом. Используя комбинацию (4) и (5) для mV, можно, сканируя по частоте определить величину Rp,, после определить n, а затем вычислить по формуле (6).


Одновременно с исследованиями распределения пузырьков по размерам проводились исследования кавитационной прочности морской воды Pk. Они были проведены с применением пьезокерамического излучателя в форме цилиндра с резонансной частотой 10 кГц. Регистрация кавитации осуществлялась по акустическим шумам, присущим кавитационному режиму. Особое внимание было обращено на применение различных критериев обнаружения разрыва сплошности морской воды: по нелинейности кривой излучаемой мощности на частоте излучаемого сигнала s, по второй гармонике P, а также по субгармоникам P P2, по суммарным высшим гармоникам и P3 / 2 [14,15].

/ s На рис.3 представлена зависимость от времени амплитуды напряжения на гидрофоне и на излучателе, нагружаемом на кавитирующую жидкость с переменным импедансом. Здесь же на врезке представлены зависимости от времени спектральных характеристик указанных выше сигналов с гидрофона и с излучателя. Видно, что при высоких напряжениях сигналов наблюдается резкий излом зависимостей U(t), который в спектральной области отвечает резкому обогащению спектральных характеристик акустического шума предположительно кавитационного происхождения. Этот излом положен в основу одного из критериев порога кавитации и измерения на его основе кавитационной прочности морской воды.

Рис.3. Зависимости от времени амплитуды напряжения на Рис.4.Кавитационная прочность Pmk морской воды в гидрофоне и на излучателе, на врезке - зависимости от времени спектральных характеристик у сигналов с зависимости от глубины z.

гидрофона и с излучателя. Глубина 2.5 м Экспериментальные исследования кавитационной прочности морской воды проводились в осенний период в б.Витязь залива Петра Великого Японского моря. На рис.4 представлена кавитационная прочность морской воды в зависимости от глубины, измеренная в серии экспериментов в одном и том же месте в б.Витязь. В качестве критерия кавитации были взяты данные по первому порогу кавитации Pc1.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Ошибки измерений кавитационной прочности указаны на графике и отчасти отражают статистическую природу акустической кавитации.

Из рис.4 видно, что кавитационная прочность морской воды существенно зависит от глубины в подповерхностном слое толщиной до 6 метров. На врезке показан внешний вид акустического излучателя с прикрепленным к нему гидрофоном для регистрации кавитационных шумов при разрывесплошности морской воды под действием звука. Полученные результаты по понижению кавитационной прочности морской воды в приповерхностном слое мы связываем с наличием газовых пузырьков, всегда присутствующих в этом слое.

Исследования акустической нелинейности морской воды проводились с помощью зондирующей установки на основе акустической антенны, излучатели которой установлены под углом для схождения акустических пучков в области нелинейного взаимодействия с микронеоднородностями морской среды.

Акустическая антенна представляла собой два пьезокерамических излучателя, расположенных под углом друг к другу, каждый из которых излучал различные частоты 1 и 2. В точке пересечения осей излучателей на кронштейне располагался измерительный гидрофон чувствительностью ~100 мкВ/Па.

Расстояние от гидрофона до каждого из излучателей – около 40 см. Вертикальное зондирование осуществлялось путем опускания и подъема антенны с закрепленным на ней приемным гидрофоном на тросе.

На рис.5 представлены дватипичных распределения по глубине акустического сигнала на второй гармонике P2 / P1 P2, генерируемого в области пересечения пучков.

При этом проводилось нормирование на мощность излучаемого сигнала на накачках 57 и 63 кГц. Из рис. 5 видно, что в приповерхностном слое до глубины 7- метров наблюдается значительная изменчивость величины P2 / P1 P2 при превышении над фоновым значением, достигающим 30 дБ. Последнее свидетельствует о существенном увеличении нелинейности подповерхностного слоя вплоть до указанной глубины 6-8 метров.

Следует отметить, что именно до этой Рис. 5. Распределение по глубине акустического сигнала глубины простирается верхний на второй гармонике, генерируемого в области перемешанный слой, как это можно видеть из пересечения пучков.

врезки на рис. 5.

Итак, в работе на основе исследований акустических характеристик и нестационарного рассеяния акустических импульсов в приповерхностном слое моря предложен новый аналитический вид функции распределения пузырьков по размерам g(R), который согласуется с многочисленными экспериментальными результатами. Показано, что в приповерхностном слое до глубины 7-10 метров наблюдается повышение акустической нелинейности и одновременное понижение кавитационной прочности морской воды, которые мы связываем с наличием газовых пузырьков, всегда присутствующих в приповерхностном слое моря, распределение которых описывается формулой (2).

Работа была поддержана грантами: ведущей научной школы НШ-1052.2012.5, РФФИ 12-02-01048-а, а также грантами ДВО РАН №12-I-П23-03 и №12-II-УО-03-007.

ЛИТЕРАТУРА 1 Medwin H. Acoustical Determination of Bubble Size Spectra // J.Acoust.Soc.Am. 1977.V.62. P.1041-1044.

Колобаев П.А. Исследование концентрации и статистического распределения размеров пузырьков, создаваемых ветром в приповерхностном слое океана // Океанология. 1975. Вып.6. С.1013-1017.

Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст.ж. 1986,Т.32, Вып.3. С.289-295.

4 Ling S.C., Pao H.P. Study of Micro-Bubbles in the North Sea - In.: Sea Surface Sound. Proc. of the NATO Advanced Research Workshoip. Italy (1987). / Ed.B.R.Kerman. Hamburg: Kluwer Academic Publishers. 1988.

P.197- Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана 5 Vagle S., Farmer D. // Journ. of Atmospheric and Oceanic Technology. 1992. Vol.9. No 5. p.630-664.

Акуличев В.А., Буланов В.А./ В кн. Дальневосточные моря России: в 4 кн./ Гл.ред. акад. В.А. Акуличев.

Кн.4. Физические методы исследования/ отв.ред. Г.И.Долгих. –М.: Наука 2007, с.129- 7 V.A. Akulichev, V.A. Bulanov. "Measurements of bubbles in sea water by nonstationary sound scattering" // J.

Acoust. Soc. Am. 2011. Vol.130, No5, pp.3438- Буланов В.А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей. Владивосток:

Дальнаука. 2001. 280 с.

9 Garrett C., Li M., Farmer D. The Connection between Bubble Size Spectra and Energy Dissipation Rates in the UpperOcean // J.Phys.Ocean. 2000 Vol.30 No9 p.2163- Колмогоров А.Н. О дроблении капель в турбулентном потоке. // Доклады АН СССР. 1949. Т.66. №15. с.825 828.

11 E.L. Andreas, E.C. Monahan The Role of Whitecap Bubbles in Air–Sea Heat and Moisture Exchange // J. Phys.

Oceanogr., 2000. Vol.30, No 2, p.433- 12 G.B.Deane.Sound generation and air entrainment by breaking waves in the surf zone // J. Acoust. Soc.

Amer.,1997,Vol.102, No 5, 2671–2689.

13 Medwin H., Breitz N. Ambient and Transient Spectral Density in Quiescent Seas and Under Spilling Breakers // J.Geophys.Res. 1989. Vol.94. P.12751- 14 Neppiras E.A. Acoustic Cavitation. // Phys. Reports. Vol.61. No 3. 159-251. В.А.Акуличев, В.И.Ильичев. Пороги акустической кавитации в морской воде в различных районах Мирового океана // Акуст. журн., 2005, Т.51, № 2, с.167- УДК 534.222.2;

551.463. В.А. Буланов, А.В. Стороженко АКУСТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАНКТОНА В МЕЛКОМ МОРЕ Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Россия, 690041, Владивосток, Балтийская Тел. (423)2374913;

Факс: (423)2312573, E-mail: storozhenko_and@poi.dvo.ru Представлены результаты исследований рассеяния звука вдоль протяженных трасс в заливе Петра Великого Японского моря с целью определения сезонной динамики звукорассеивающих слоев в мелком море. Изучена возможность акустической оценки распределения планктона в море. Основой являются формулы для коэффициента рассеяния звука, включающие различные полуэмпирические зависимости сечения рассеяния на одиночном гетерогенном включении и два типа функций распределения планктона по размерам, известные из литературы — степенное и гауссовское. Полученная система уравнений позволяет по данным о коэффициенте рассеяния оценить важную характеристику биопродуктивности водных масс — массовую концентрацию планктона и его суммарное количество в интервале размеров. Представлены сравнительные оценки концентрации планктона по данным о рассеянии звука и обловами in situ.

Распределение биомассы в море изменяется в широких пространственно временных масштабах под действием биологических и внешних факторов. Резкие временные изменения параметров морской среды, а также пространственные вариации параметров среды могут быть зарегистрированы только современными акустическими методами зондирования на основе обратного рассеяния звука [1].

Акустическое зондирование позволяет изучать мелкомасштабную структуру морской среды и ее изменчивость, связанную с турбулентными образованиями, проявлением внутренних волн, наличием пузырьков, твердых взвесей, а также планктона и других биологических объектов. Основу работы составляет определение связи между коэффициентом обратного рассеяния звука mV и распределением биомассы в морской среде. Цель – решение практического вопроса об оценке распределения биомассы в деятельном слое океана по данным о рассеянии звука. Новый подход заключается в использовании полуэмпирических формул для сечения рассеяния на одиночном включении для двух типов распределений включений по размерам – степенного и распределения Гаусса. Такой подход позволил выявить связь между экспериментальными и теоретическими характеристиками.

Для описания рассеяния звука в среде с микронеоднородностями вводят понятие коэффициента рассеяния mV [1, 4], который в приближении однократного рассеяния (борновском приближении) определяется согласно выражению:

I bs = I iVmV / r 2, (1) Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана где I bs : Pbs2, I i : Pi 2 - интенсивности падающего на неоднородность и рассеянного звука соответственно, при этом Pi и Pbs - соответственно, амплитуды падающей на объем V волны и рассеянной в обратном направлении, r - расстояние до неоднородности, V - импульсный рассеивающий объем среды. Для остронаправленных излучателей, работающих в импульсном режиме, объем V можно записать в виде V = pr 2q2ct / 2, где q - ширина диаграммы направленности излучателя, c - скорость звука, t - длина импульса звука. Из формулы (1) можно получить экспериментальное значение коэффициента обратного рассеяния звука в жидкости в виде [2 – 6] Pbs.

mV = (2) c Pi Часто коэффициент рассеяния звука mV записывают в логарифмической форме – в децибелах согласно следующей формуле SV = 10lg mV при этом размерность mV берут в м-1. Можно экспериментально определить частотную зависимость mV ( w) или SV ( w), которая позволяет установить тип рассеивателей, а также некоторые их характеристики, например, функцию распределения по размерам g(R) или массовую концентрацию mg, определяемую в виде Rmax R 3 g ( R)dR, m g = (4 / 3) (3) Rmin где r ў- плотность включения.

Формулы (1)-(3) были положены в основу определения коэффициентов рассеяния звука на основании экспериментальных данных по измерениям амплитуд падающей на объем V волны и рассеянной в обратном направлении Pi и Pbs, соответственно.

Охарактеризуем наиболее типичные результаты. Удобно ввести в качестве характеристики звукорассеивающих слоев усредненную по толщине слоя hmax величину коэффициента рассеяния mV (r ) согласно формуле 1 hmax mV (r, z )dz.

mV (r ) = (4) hmax 0 На рис. 1 представлена картина рассеяния звука вдоль трассы на шельфе Японского моря в летний период (23.08.2011), а также профиль mv(r,z0) на глубине z0=10 м и средний по глубине профиль mV (r ).

Видно, что рассеиватели распределены крайне неравномерно вдоль трассы и mV (r ) изменяется на порядка от 5*10-10 м-1 до 2*10-8 м-1.

а) б) Рис. 1. а) Распределение обратного рассеяния звука вдоль трассы на шельфе Японского моря в летний период (23.08.2011), б) горизонтальный профиль mV (r ) и профиль mv(r,z0) на глубине z0=10 м Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Представляло интерес проанализировать вертикальное распределение рассеяния звука в различные сезоны. Аналогично формуле (4) для выявления пространственной изменчивости коэффициента рассеяния звука по глубине введем следующую формулу:

Рис. 2. Распределение mV (z) по глубине для различных сезонов 2011 г.: 1а, 1б май - начало июня, 2а, 2б июнь-июль, 3а, 3б август, 4а, 4б октябрь в заливе Петра Великого Японского моря. Схема типичной трассы в шельфовой зоне Японского моря, вдоль которой проводились исследования рассеяния звука.

а) б) в) г) Рис. 3. Распределение коэффициент рассеяния звука вдоль различных трасс в заливе Петра Великого Японского моря в различные сезоны а) май- начало июня б) июнь – июль в) август г) октябрь Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана L mV (r, z )dr mV ( z ) =, (5) L где L – длина трассы.

На рис. 2 представлены вертикальные профили mV (z) r полученные на шельфе Японского моря в различные сезоны.

На рис. 3 а), 3 б), 3 в), 3 г) представлены пространственные распределения коэффициентов рассеяния звука, полученные на шельфе Японского моря в различные сезоны 2011 г.

Можно выделить следующие характерные сезонные особенности рассеяния. Так, в мае-начале июня вся толща воды характеризуется мощным рассеянием с коэффициентом рассеяния mV 3*10-8 м-1. (рис. а)) Это связано с весенним пиком зоопланктона. Для июня-июля характерно снижение рассеяния на глубинах более 5 м, и наличие мощного приповерхностного слоя (рис. 3 б)). В августе приповерхностный слой ослабевает, наблюдаются локальные максимумы рассеяния в глубинных местах залива 40 - 50м (рис.

3 в)). В октябре приповерхностный слой разрушается полностью, глубинные максимумы ослабевают (рис.

3 г)). Особо следует отметить наличие мощного рассеяния придонных слоях залива Петра Великого во все сезоны.

В работе были проведены оценки рассеяния звука на зоопланктоне, который дает основной вклад в рассеяние звука в верхнем слое моря. Были уточнены формулы для сечений рассеяния на зоопланктоне в области, когда длина волны становится сравнима с характерным размером рассеивателей. Полученные зависимости были положены в основу решения обратных задач определения типа рассеивателей, их концентрации, а также некоторых их характеристик. В частности, было получено общее выражение, позволяющее по данным mV получать данные по концентрации биомассы mg в рамках двух распределений – степенного и гауссовского:

mg( P,G ) (r, f ) = D ( P,G ) ( f )mv (r, f ), (6) Коэффициент D ( f ) имеет сложный вид, для частоты f~100 кГц можно получить D ~210 гм/л ( P,G ) (P ) [7]. Приведенная оценка в дальнейшем использована для оценки распределения биомассы вдоль трасс.

Следует обратить внимание, что исследования распределения планктона традиционными методами облова отличаются значительной трудоемкостью. Применение рассеяния звука позволяет значительно упростить эту задачу. Возможность производить акустические зондирования прямо по ходу движения судна позволяет получать непрерывные подробные картины распределения биомассы в обширных районах.

Проиллюстрируем эту возможность.

Данные по рассеянию звука вдоль более чем сорока трасс в акватории залива Петра Великого позволили выявить сезонную динамику зоопланктона и его распределение в заливе. Важным было сравнить полученные концентрации биомассы с результатами облова in situ. Для сопоставления двумерной картины распределения биомассы в море, полученной на основе данных рассеяния звука с результатами обловов, данные коэффициентов рассеяния звука усреднялись по формуле L hmax m mV = (r, z )dzdr. (7) V Lhmax 0 На рис. 4 представлены акустические результаты, полученные в тех же районах залива Петра Великого Японского моря, что и результаты, полученные биологами в различные месяцы методами облова [7]. Из рис. 4 видно достаточно хорошее соответствие между акустическими данными и данными облова.

Таким образом, в работе получены оценки, позволяющие по данным о коэффициенте рассеяния оценить важную характеристику биопродуктивности водных масс – массовую концентрацию включений и их суммарное количество в интервале размеров. Последнее позволяет внедрить быстрый акустический способ для проведения оценок распределения планктона в различных районах океана. Полученные зависимости, связывающее коэффициент рассеяния звука mV и распределение биомассы в морской среде, представляют интерес для использования их для оперативного акустического мониторинга биоресурсов непосредственно на ходу судна.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Акустика океана Рис. 4. Сравнение концентрации биомассы, полученных на основе рассеяния звука и в результате облова in situ в различные сезоны года: 1 - mg (r ) по данным рассеяния звука, 2008-2010 гг., 2 - mg (r ) по результатам облова in situ 1991 г.

Работа была поддержана грантом РФФИ 12-02-01048-а, а также грантами ДВО РАН 12-I-П23-03, 12 II-УО-03-007.

ЛИТЕРАТУРА Акуличев В.А., Буланов В.А. "Исследования неоднородностей морской среды методами акустического 1.

зондирования" / В кн. Дальневосточные моря России: в 4 кн./ Гл. ред. акад. В.А. Акуличев. Кн.4.

Физические методы исследования/ отв.ред. Г.И. Долгих. –М.: Наука 2007, С.129-231.

Андреева И.Б. Рассеяние звука в океанических звукорассеивающих слоях.// В кн.: Акустика океана, под ред.

2.

Л.М.Бреховских, М.: Наука, 1974, С.491-558.

Буланов В.А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей. Владивосток:

3.

Дальнаука. 2001. 280 С.

4. Weibe P., Greene C., Stanton T. // J. Acoust. Soc. Am. 1990. Vol.88. No 5. pp.2346-2359.

5. Gorska N. Chu D. // J. Acoust. Soc Am., 2001, vol. 110, No. 5, p. 2315-2325.

Цейтлин В.Б. // Океанология. 1981. Т.21. №1. С.125-131.

6.

Акуличев В.А., Буланов В.А., Стороженко А.В.. Оценка распределения планктона в океане методом 7.

акустического зондирования // Доклады Академии наук. 2011, 438, 2, С.267-270.

Касьян В.В., Распределение и сезонная динамика обилия Сentropages abdominalis sato и c. tenuiremis 8.

thompson et scott (Сopepoda) в Амурском заливе Японского моря// Биология моря, 2004. Т. 30, № 2. С.87-95.

УДК 542. В.И. Романова, А.И. Хилько, И.П. Смирнов ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ОТРАЖЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ ОТ УПРУГОГО СЛОИСТОГО ДНА ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ПАРАМЕТРОВ СЛОЕВ ПРИ БУКСИРОВКЕ КОГЕРЕНТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В МЕЛКОМ МОРЕ Институт прикладной физики РАН Россия, Н.Новгород, ул. Ульянова, Тел./факс 8 (831) 4368490, Е-mail: A.khil@hydro.appl.sci-nnov.ru Разработана приближенная модель формирования структуры сейсмоакустических импульсов, отраженных от дна в виде совокупности упругих слоев. Показано, что большая часть компонент отраженного от дна сигнала, связанных с поперечными волнами формирует энергетически слабовыраженную хаотическую интерференционную структуру. Проанализированы возможности реконструкции параметров донных слоев с помощью моделей в рамках метода статистической проверки гипотез и использовании адаптивных критериев в схеме зондирования морского дна с использованием когерентного излучателя, буксируемого в мелком море.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.