АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 58, № 3, с. 316-329
АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 550.83:534.64
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДОВОЙ СЕЛЕКЦИИ В МЕЛКОМ МОРЕ
© 2012 г. А. В. Гринюк*, В. Г. Бурдуковская, В. А. Зверев, В. Н. Кравченко*, В. В. Коваленко, А. Г. Лучинин, А. И. Малеханов, А. Т. Трофимов*, О. И. Трусова*, И. П. Смирнов, А. А. Стромков, А. И. Хилько
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 *ФГУП "НИИ "Атолл " Тел. 8 (831) 436-8490; Факс: (831) 436-6086 E-mail: A.khil@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 24.06.2011 г.
Рассмотрены возможности согласования низкочастотных гидроакустических импульсов к характеристикам океанического волновода для оптимизации системы маломодового томографического наблюдения в мелком море. Проанализированы результаты экспериментального исследования двух методов селекции маломодовых низкочастотных гидроакустических импульсов в мелком море. Первый из них заключался в возбуждении зондирующих импульсов вертикально развитыми решетками и их пространственной фильтрации после приема вертикальными и горизонтальными решетками. Второй метод основывался на возбуждении широкополосных низкочастотных гидроакустических импульсов с линейной частотной модуляцией одиночным излучателем. Выделение маломо-довых сигналов обеспечивалось временным стробированием сигналов согласованного фильтра после их регистрации горизонтальной приемной решеткой. Дистанция между источниками и приемными системами варьировалась от 10 до 300 км.
Ключевые слова: акустическое зондирование, когерентность, решетки гидроакустических излучателей, импульсы, согласованная фильтрация, мелкое море.
ОПТИМИЗАЦИЯ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ ПРИ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ МЕЛКОГО МОРЯ
Эффективность акустической системы томографического наблюдения мелкого моря в существенной степени определяется тем, насколько успешно удастся согласовать возбуждение зондирующих сигналов и их прием с пространственно-временной изменчивостью гидроакустического (ГА) волновода [1—8]. Решение такой задачи заключается в оптимальном выборе положения и размеров решеток и адаптивной подстройке их апертурных распределений к изменяющимся во времени характеристикам ГА волновода, ревербе-рационным помехам и шумам, а также к вариациям формы излучающих и приемных решеток, возникающим из-за подводных течений [9—16]. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, оптимальными при построении акустических систем дальнего акустического наблюдения в шельфовых, мелководных районах океана являются хорошо распространяющиеся маломодовые импульсные сигналы в частотном диапазоне 100—400 Гц. Основанный на таком подходе метод называется маломодовой импульсной
томографией (МИТ) [9—19]. Повышение эффективности селективного возбуждения и приема маломодовых сигналов достигается оптимизацией распределений комплексных множителей вдоль апертур вертикально развитых излучающих и приемных решеток [30—35]. Как показывают теоретические оценки, для успешного согласования ГА сигналов при МИТ возбуждаемые ГА импульсы должны быть высококогерентными, не расплываться из-за геометрической дисперсии и слабо затухать при распространении. Это позволяет использовать относительно маломощные "экологически чистые" сигналы, сохраняя при этом высокую точность томографических измерений. Известно, что сигналы в мелководных ГА волноводах испытывают существенную геометрическую дисперсию, что приводит к формированию в низкочастотных гидроакустических (НЧ ГА) импульсных сигналах сложной интерференционной структуры, которая является результатом когерентного сложения большого числа отдельных волноводных мод [38, 39]. Возникающая при этом мешающая зондированию неоднород-ностей "спекл-подобная" интерференционная структура импульса может существенно меняться
при изменении фаз частотных компонент отдельных мод. Таким образом, структура импульса будет зависеть от изменчивости среды и вариаций параметров приемно-излучающих элементов, что может привести к падению точности томографической реконструкции наблюдаемых неоднород-ностей. Кроме того, формирующие "спекл-по-добную" структуру ГА импульса высокономерные моды быстро затухают, и существенная часть излучаемой энергии поглощается дном. Для ослабления указанных интерференционных помех необходимо либо выделять отдельные волноводные моды, либо возбуждать пачки мод, формирующие слабо диспергирующие высококогерентные вол-новодные пучки [38, 39]. В настоящей работе осуществляется попытка выбора оптимальных параметров зондирующих НЧ ГА импульсов на основе анализа расчетов и экспериментов для вариантов систем с пространственной фильтрацией мод с помощью вертикальной антенной решетки, перекрывающей по вертикали существенную часть волновода и варианта с выделением модовых сигналов временным стробированием [30-34].
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ МАЛОМОДОВЫХ ЗОНДИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МИТ МЕЛКОГО МОРЯ
Для согласования возбуждаемых и принимаемых НЧ ГА сигналов с мелководным волноводом в реальных условиях используются решетки конечной длины, которые располагаются в оптимальном интервале глубин. Для повышения эффективности модовой селекции такими решетками необходимо использовать оптимальные апертурные распределения, критерием выбора которых является выделение нужной моды и одновременное подавление всех остальных мод. Определение оптимальных значений перечисленных характеристик излучающих и приемных решеток возможно на основе данных о конкретном строении гидрологии и дна волновода. Как показывает анализ, оптимизация апертурных множителей может дать существенный выигрыш только в случае использования решеток средней длины [30-34]. Дальнейшее уменьшение размеров решеток приводит к формированию быстро затухающих многомодовых зондирующих ГА импульсов со сложной интерференционной структурой. При этом чувствительность и разрешение при томографическом наблюдении падают. Продемонстрируем указанное явление на примере трансформации поля зрения МИТ в мелком море при наблюдении пространственно локализованной неоднородности, айсберга, перемещающегося под действием ветра и подводных течений.
При расчетах рассматривался вариант томографической системы, состоящей из одной приемной и одной излучающей вертикальных решеток, расстояние между которыми составляет 50 км. В качестве зондирующих рассматривались фазома-нипулированные импульсные сигналы длительностью 10 с с законом модуляции в виде М-после-довательности с несущей частотой 200 Гц и полосой 10 Гц [4, 5, 9]. Центральный пик отклика согласованной фильтрации для таких зондирующих сигналов локализован в небольшом интервале доплеровских частот и задержек. Полагалось, что суммарная акустическая мощность источника подсветки при любой его конфигурации составляет 500 Вт. В качестве модели мелкого моря рассматривался горизонтально однородный гидроакустический канал, представляющий собою слой жидкости толщиной H = 300 м, с зависимостью скорости звука от глубины, характерной для летних условий в Баренцевом море. Дно волновода в расчетной модели состояло из двух слоев осадков толщиной h1 = 5 и h2 = 25 м. Скорость, плотность и коэффициент затухания продольных волн в осадочных слоях соответственно считались равными: c1 = 1430 м/c, р1 = 1.6 г/см3, п1 = 0.05 дБ/м кГц; c2 = = 1520 м/с, р2 = 1.9 г/см3, п2 = 0.08 дБ/м кГц. Полагалось, что упругое полупространство, на котором располагаются осадочные слои, имеет параметры c0 = 2500 м/c, р0 = 2.1 г/см3, п0 = 0.08 дБ/км Гц. Случайные неоднородности считались достаточно малыми, и их влияние приближенно учитывалось возникновением реверберационных помех, возникающих из-за ветрового волнения и неодно-родностей дна. Для описания структуры донной реверберации использовалась модель Ломмеля— Зеелингера [19]. Поверхностная реверберация моделировалась с использованием модели неизотропного ветрового волнения JON SWAP [21]. В расчетах считалось, что волнение возбуждается ветром, имеющим скорость V = 5 м/с и направленным под углом х = я/4 к линии, соединяющей источник и приемник. При расчете матрицы рассеяния волноводных мод взволнованной поверхностью использовалась двухмасштабная модель поверхностного волнения, в которой рассеяние акустического поля осуществляется резонансной гармоникой волнения, фазовая скорость которой модулировалась более крупными волнами [22]. В качестве основных источников аддитивных шумов в мелком море принимались шумы ветрового волнения и шумы судоходства [2, 18, 23]. В рассматриваемом случае уровень аддитивных шумов на несущей частоте принимался равным 70 дБ относительно 1 мкПа. Моделью айсберга являлся перемещающийся по поверхности мелкого моря абсолютно жесткий вертикально ориентированный цилиндр диаметром 200 м, погруженный в волновод на 50 м [12]. Полагалось, что айсберг
двигался со скоростью движения 1.5 м/с вдоль прямолинейных траекторий, каждая из которых имела одинаковый угол я/6 к линии между источником и приемником. Для описанной выше модели наблюдения форма импульсных объемов зависит от номеров излучаемых и принимаемых мод (п, т). В частности, по временным задержкам, пересчитанным в дальности, она может отличаться из-за разности групповых скоростей используемых мод, а по глубине — из-за их вертикальной структуры. Будем считать, что система обработки обеспечивает измерения в дискретных каналах задержек (тпт) и доплеровских смещений частоты (ОРт) принимаемых импульсных сигналов. Каждому из дискретных каналов в плоскостях (тпт, Опт) соответствуют пространственные импульсные объемы, форма которых определяется перечисленными выше параметрами. Поскольку рассматриваемая система наблюдения включает в себя один источник и один приемник, то каждому из пространственных элементов разрешения, получаемых пересечением импульсных объемов, отвечают две пространственные томографические проекции — моностатическая и бистати-ческая. Будем далее полагать, что в рассматриваемых условиях наблюдения основной энергетический вклад в структуру сигналов обеспечивают пять первых волноводных мод. В этом случае рассматриваемая томографиче
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.