АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 2, с. 216-224
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.222.1
ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОЦЕНКЕ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА ЗВУКА
НА ШЕЛЬФЕ ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2015 г. А. Л. Вировлянский*, ***, А. Ю. Казарова*, Г. В. Кенигсбергер**, О. В. Колодиев****, П. И. Коротин*, Л. Я. Любавин*, В. И. Моисеенков**, Д. А. Орлов*, О. А. Потапов*, В. И. Турчин*
* Институт прикладной физики Российской Академии наук 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: viro@hydro.appl.sci-nnov.ru **Гидрофизический институт Академии наук Абхазии Сухум, Республика Абхазия, ул. Красномаякская 55 E-mail: kenigsbergerg@mail.ru ***Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950 Н. Новгород, пр. Гагарина 23
****ООО НТЦ "Мониторинг" 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: olegkolodiev@yandex.ru Поступила в редакцию 22.05.2014 г.
Представлены результаты выполненного в Сухумской бухте эксперимента по оценке глубины широкополосного источника и его расстояния до вертикальной приемной антенной решетки, установленной вблизи берега. Координаты источника восстанавливались по данным акустических измерений. Решение поставленной задачи усложнялось отсутствием надежной информации о рельефе дна и параметрах грунта. Показано, что даже в таких условиях для оценки координат источника могут быть применены согласованные со средой методы обработки сигналов. Для этого при решении обратной задачи в качестве входных параметров использовались компоненты сигналов, распространяющихся без отражений от дна.
Ключевые слова: подводный звуковой канал, мелкое море, оценка координат источника звука, обратная задача, вертикальная антенна, лучи.
DOI: 10.7868/S0320791915010153
1. ВВЕДЕНИЕ
Обработка гидроакустических сигналов, согласованная со средой1, обычно рассматривается как способ оценки глубины источника и расстояния до него; для этого используются вертикально развитые приемные антенные решетки и данные
0 трассе распространения, позволяющие рассчитать модельную пространственную форму сигнала (см., например, [1]). В последнее время все больше внимания уделяется также использованию широкой полосы частот (см., например, [2—4]), что позволяет, в частности, снизить требования к вертикальному размеру антенных решеток [2]; в этом случае рассчитывается уже пространственно-частотная форма сигнала. Существенным фактором, ограничивающим возможности обработки, согласованной со средой, является неточность модели звукового кана-
1 В англоязычной литературе — matched field processing (MFP).
ла [5, 6]. Особенно остро проблема стоит в шель-фовых областях, где для построения точной модели, как правило, не хватает надежной информации о рельефе дна и параметрах грунта. Акустические свойства грунта определяются множеством факторов, и построение адекватной модели дна представляет собой весьма сложную задачу [7, 8]. Однако для не слишком больших дистанций обработка, согласованная со средой, может быть реализована, если при формировании математической модели сигнала учитываются только его компоненты, формируемые волнами, пришедшими на приемную антенну без отражений от дна.
Для демонстрации такой возможности сотрудниками Института прикладной физики РАН и Гидрофизического института Академии наук Абхазии в октябре 2013 г. был проведен совместный эксперимент в Сухумской бухте. Его задачей был анализ возможностей согласованной со средой обработки сигналов в условиях сложного (и, к
Глубина, м 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1460
г, м 0
20 40 60
80
100
120
1470 1480 1490 1500 Скорость звука, м/с
Рис. 1. Профили скорости звука, измеренные в районе проведения эксперимента.
тому же, плохо известного) рельефа дна и практически неизвестных параметров грунта.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
В ходе эксперимента широкополосные импульсные сигналы излучались источником, погруженным с борта дрейфующего катера на глубины 20 и 45 м. Поле регистрировалось с помощью вертикальной приемной антенной решетки длиной 12.6 м, стационарно установленной вблизи берега и почти полностью перекрывающей вертикальное сечение волновода в месте постановки. Антенна состояла из 64 элементов, расстояние между соседними элементами было 0.2 м. Глубина моря в месте приема составляла 13.8 м, нижний элемент антенны был установлен на расстоянии 0.5 м от дна. Во время измерений, результаты обработки которых приведены ниже, расстояние от дрейфующего катера до неподвижной антенны варьировалось от 130 до 300 м.
На рис. 1 изображены профили скорости звука, измеренные в нескольких точках в районе звуковой трассы.
На рис. 2 показан рельеф дна, использованный при выполнении численного моделирования, и изображены несколько лучевых траекторий, соединяющих источник S и центр антенны 0. Около каждой траектории указан ее идентификатор ±М, где "±" — знак угла выхода луча из источника, а М — количество точек поворота. Здесь показаны примеры траекторий, которые приходят в антенну либо без отражений от поглощающего дна (идентификаторы 0 и +1), либо с небольшим количеством отражений (идентификаторы ±2). Именно такие лучи дают основной вклад в регистрируемое поле. Отметим, что лучи с идентификатором —1 на антенну не попадают.
0
50
100
150 200 г, м
Рис. 2. Профиль дна, использованный в численных расчетах, и примеры лучевых траекторий, соединяющих источник, расположенный в точке с координатами г = 227.5 м и 7 = 20 м, и центр приемной антенны. Около каждой траектории указан ее идентификатор.
В эксперименте излучались четыре типа звуковых сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Параметры сигналов указаны в табл. 1. Из нее видно, что импульсные сигналы A и С имели длительности 2 с и излучались без пауз. Сигналы B и D имели длительности 1 с и излучались с паузой 1 с. Таким образом, для всех сигналов период повторения составлял 2 с. Сигналы каждого типа излучались с двух указанных выше глубин (20 и 45 м). Кроме того, с каждой из этих глубин излучался тональный сигнал на частоте 2000 Гц. Глубина моря в месте излучения была около 100— 120 м.
Координаты катера отслеживались с помощью GPS. Это позволяло контролировать расстояние между источником и приемником. Однако в процессе измерений не была реализована синхронизация времени между излучением и приемом. Поэтому акустические данные не позволяют получить оценки абсолютных значений времен распространения сигналов.
Акустические измерения проводились практически в штилевых условиях. Волнение моря не превышало одного балла.
Таблица 1. Параметры излученных сигналов
Диапазон частот, Гц Длительность, с Пауза, с
Сигнал А 1700-3200 2 0
Сигнал B 1700-3200 1 1
Сигнал C 3000-6000 2 0
Сигнал D 3000-6000 1 1
X, град
_ Ь-
в!+1 A
0 +2
— - 227 м
-50 0
50
_ _ щ i _ -
+ 1 —2 B
0 +2 194 м
—
+ 1 —2 C
0 +2 -
155 м
-50
0
50
50 0
50
50 0
50
-2
D
134 м
10
12
14
16 18 т, мс
Рис. 3. Распределение амплитуды регистрируемого поля в плоскости "время прихода—угол прихода" при погружении излучателя на глубину 20 м. Каждый из четырех графиков построен по данным измерений одного из сигналов, перечисленных в табл. 1. На графике указан тип сигнала (А, В, С или D) и расстояние между источником и антенной при излучении данного сигнала. Около некоторых максимумов распределения и групп близко расположенных максимумов указаны идентификаторы лучей, формирующих данные максимумы.
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АМПЛИТУД ПРИНЯТЫХ СИГНАЛОВ В ПЛОСКОСТЯХ "ВРЕМЯ ПРИХОДА-УГОЛ ПРИХОДА" И "ВРЕМЯ ПРИХОДА-ГЛУБИНА"
Для анализа пространственно-временной структуры поля на антенне выполнялось сжатие звуковых импульсов, регистрируемых отдельными элементами, путем их корреляции с репликой излученного сигнала.
На рис. 3 показаны распределения амплитуд сжатых импульсов в плоскости "время прихода-угол прихода" (т—х). Эти графики представляют функцию |р(х, т)|, где
N
ÁX,т) = X Pn (т-тn (х))>
n=1
рп(т) — сжатый сигнал на n-м элементе антенны; N = 64 — количество элементов антенны, тп(х) = z — z
= —-c sin x — задержка, введенная для выделе-
c
ния вклада волн, приходящих под углом скольжения х; zn — глубина n-го гидрофона; zc — глубина центра антенны; c — скорость звука вблизи антенны.
Графики на рис. 3 изображают распределения амплитуд сигналов всех четырех типов из табл. 1, измеренных в опытах с погружением излучателя на глубину 20 м. Несмотря на то, что вследствие дрейфа катера сигналы разных типов излучались с немного различающихся дистанций (указанных на графиках), все четыре распределения довольно близки. Здесь и на всех последующих графиках момент времени т = 0 отвечает началу (сжатого)
0
0
2
4
6
8
импульса, приходящего на самый глубокий гидрофон.
Отдельные максимумы или группы близко расположенных максимумов распределений амплитуды на рис. 3 формируются группами лучей, которые имеют близкие времена прихода и близкие углы прихода. Для проверки этого предположения был рассчитан веер из большого числа лучей с углами выхода из источника в диапазоне ±35°. Более крутые лучи не учитывались: они либо отражаются назад, не дойдя до антенны, либо существенно ослабляются из-за многократных отражений от дна. На каждой дистанции профиль скорости звука (от поверхности до глубины моря в этом месте) моделировался соответствующим фрагментом профиля, который на рис. 1 изображен сплошной жирной линией. Использование других профилей на рис. 1 дает практически тот же результат. Рельеф дна в модели волновода, использованной при расчетах лучевых траекторий, показан на рис. 2.
В плоскости (т—х) приход луча, попадающего на апертуру антенны, изображается точкой, координаты которой представляют собой время и угол скольжения этого луча на дистанции наблюдения. Величина т отсчитывается от времени прихода первого луча (луч с идентификатором 0) в самый нижний гидрофон. При этом оказалось, что приходы лучей с идентификаторами 0 и +1, распространяющихся без отражений от дна, очень точно попадают в два самых "ранних" (отвечающие наименьшим задержкам т) максимума распределений амплитуды. Это хорошо видно на рис. 4, на котором в увеличенном виде по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.