УДК 550.34.037.2.001.24
ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РАСЧЕТА И АНАЛИЗА ПРОСВЕТНОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА МОРСКИХ АКВАТОРИЙ
INFORMATION-ANALYTICAL SYSTEM OF CALCULATION AND ANALYSIS OF TRANSLUCENT HYDROACOUSTIC FIELD IN MONITORING OF SEA AREAS
1) Мироненко Михаил Владимирович
д-р техн. наук, гл. научн. сотрудник, профессор E-mail: professor@mail.primorye.ru
2)
Василенко Анна Михайловна
канд. техн. наук, научн. сотрудник E-mail: kahunya@gmail.com
1) Карачун Леонард Эвальдович
нач. лаборатории
E-mail: lekarachyun@yandex.ru
1) Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск
2) Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Н. Г. Кузнецова" (филиал), г. Владивосток
Аннотация: Рассмотрены концепция и реализация информационно-аналитической системы расчета параметров гидроакустического поля на протяженных трассах с переменными гидролого-акустическими характеристиками среды и ее границ. Приводится методика расчета пространственной структуры характеристик акустического поля по программе "Дальность". Проведена оценка адекватности программы, результаты расчетов характеристик акустического поля на протяженной трассе Японского моря при наличии синоптического вихря. Ключевые слова: просветная система мониторинга, гидрофизические поля, океанический канал распространения акустических волн, база информационных данных гидроакустического канала распространения волн, информационно-аналитическая система расчета характеристик полей, пространственная амплитудно-фазовая структура акустического поля.
Mironenko Mihail V.
D. Sc. (Tech.), Chief Scientific Officer, Professor E-mail: professor@mail.primorye.ru 2)
Vasilenko Anna M.
Ph. D. (Tech.), Researcher E-mail: kahunya@gmail.com
Karachun Leoyard E.
Head of Laboratory
E-mail: lekarachyun@yandex.ru
Special Research Bureau for Automation of Marine Researches FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk sity
2) Military educational and scientific center of Navy "N. G. Kuznetsov Naval Academy" (branch), Vladivostok city
Abstract: This paper presents the concept of formation and implementation of system for calculating the parameters of hydroacoustic field on long ranges with variable hydrological and acoustical characteristics of environment and its boundaries. Technique of spatial structure characteristics of acoustic field calculation using program "Range", is given. Adequacy of program is assessed, based on results of calculations of characteristics of acoustic field at extended range at the Sea of Japan in the presence of synoptic vortex.
Keywords: translucent monitoring system, hydrophysical fields, oceanic channel of acoustic wave propagation, information database of hydroacoustical wave propagation channel, information and analytical system for calculating characteristics of fields, spatial amplitude-phase structure of acoustic field.
ВВЕДЕНИЕ
Создание системы освещения и мониторинга морских акваторий с помощью стационарных или мобильных гидроакустических станций требует обоснования выбора мест установки и последующего учета гидролого-акустических условий распространения просветных акустических сигналов по контролируемым морским трассам. Эти причины обусловили необходимость разработки специальной информационно-аналитической системы (ИАС), обеспечивающей оперативный расчет структуры просветного поля на трассах контролируемых
морских акваторий. Формирование структуры просвет-ных параметрических систем и обоснование выбора мест их установки на контролируемой акватории определяется гидролого-акустическими характеристиками морской среды. Таким образом, структура ИАС определяется ее функциональным назначением. ИАС должна обеспечивать оценку параметров гидроакустического поля (ПГАП) заданного района путем вычислительного эксперимента, работая как с данными натурных измерений, так и осуществляя автоматизированную выборку из баз данных, обобщающих многолетнюю гидрологическую информацию.
СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Структура ИАС включает [1—3]:
— базы данных многолетних наблюдений за наиболее значимыми параметрами канала распространения звука (поле скорости звука, рельеф дна, статистические данные о грунте, льде и поверхностном волнении);
— методы для реализации моделей данных о характеристиках канала распространения акустических волн и закономерностей формирования звукового поля в районах;
— динамические библиотеки, обеспечивающие автоматизированную подготовку исходных данных из баз данных;
— программно-математическое обеспечение для расчета ПГАП и статистического анализа результатов расчетов.
Процедуры формирования модели данных о гидролого-акустической обстановке (ГАО) включают:
— выбор методики прогноза ПГАП, позволяющей получить адекватные оценки для природных условий заданного района и рабочих характеристик используемых технических средств;
— определение формы представления результатов пользователю, позволяющей убедиться в достоверности формируемых моделей данных для оценки эффективности ГАС;
— оценки адекватности моделей данных реальным характеристикам среды.
Аналитические свойства системы связаны с формированием статистических описаний анализируемых параметров в виде их стандартизованных функций, позволяющих наиболее полно оценить поведение параметра в заданной пространственно-временной области, дать вероятностную оценку не только дальности действия ГАС, но и площади зоны освещения подводной обстановки. В качестве анализируемых параметров могут быть рассмотрены: аномалия распространения, потери на распространение (ПР), оптимальный угол наклона характеристики направленности антенны.
Структурная схема ИАС представлена на рис. 1. Основным элементом ИАС является методика расчета и анализа количественных оценок ГАО. Постоянное увеличение объема измеренных данных о состоянии морской среды определяет возрастающие требования к прогнозу ГАО, например, оценку ПГАП для шельфо-вых, фронтальных, вихревых зон и районов со сложным рельефом дна. Для этой цели была разработана методика и программа расчета ПГАП "Дальность" [4] с контролем критериев применимости лучевой теории, условий отражения от взволнованной поверхности моря и ледового покрова, с учетом акустических свойств грунта и переменного рельефа дна. Одной из отличительных особенностей данной методики является то, что горизонтальные неоднородности поля скорости звука представляются по дистанции набором элементарных одно-
БД рельеф дна, грунт
БД волнение моря, лед
БД ВРСЗ
БД параметры ГАС
БД параметры цели
Натурные данные о ПГАП
Статистическая обработка данных
Документирование информации
Обеспечение программное
Подготовка исходных данных
библиотеки
Расчет ПГАП
Интерполяция и картографирование данных
Оценка адекватности формируемых моделей данных
Оценка эффективности ГАС
Рис. 1. Структурная схема ИАС:
ГАС — гидроакустические средства; ПГАП — параметры гидроакустического поля; ВРСЗ — вертикальное распределение скорости звука
Рис. 2. Расчет траекторий лучей для мелководного участка
мерно-слоистых задач. Это обеспечивает более устойчивую и быструю работу программного продукта в сложных гидрологических условиях [5, 6]. Пример лучевой картины, рассчитанный по программе "Дальность" для мелководного участка приведен на рис. 2.
Отметим, что задача моделирования распространения звука в океане из-за ветвления вычислительного процесса алгоритмически сложна. Так, например, построение лучевых картин состоит из большого числа условных операторов (проверок на прохождение траектории луча через слои, на отражение от поверхности или дна моря, на условие полного внутреннего отра-
3200 м-
0 1 2 3 4 5 6 7
9 10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 Расстояние, км а)
012345678 Мера различия S, дБ
б)
9 10
Рис. 3. Результаты расчета ПР по программе "Дальность":
а — сравнение с натурными измерениями; б — оценка обеспеченности меры различия £
жения, на применимость лучевой теории и т. д.), в зависимости от результатов которых выполняется то или иное действие.
Расчет лучевых картин предполагает вычисление и запись в массив данных следующих параметров: координат точек траектории луча, скорости звука, угла скольжения, времени распространения. Число элементов массива, описывающего траекторию луча, складывается из числа шагов по трассе, числа точек полного внутреннего отражения и точек отражения от дна и поверхности. Для оценки времени работы ИАС на компьютере с процессором Pentium 4 Celeron 1,7 ГГц и оперативной памятью 512 Мб проведено тестирование: из базы данных для 12-ти месяцев по 17-ти трассам выбрано 306 профилей вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) с 36-ю горизонтами, длина трасс расчета составляла 500 км, число лучей 400 шт., частота излучения 750 Гц. Общее время расчета ПГАП составило 2,7 ч. Время расчета ПГАП по одной трассе колебалось от 41 до 58 с. Текстовые файлы со значениями потерь на распространение звука заняли на диске 1,4 Мб, текстовые файлы с описанием профилей ВРСЗ и рельефа дна - 78,5 Мб.
Более полное описание структуры поля скорости звука с принятием в качестве исходных данных профилей ВРСЗ с несколькими тысячами горизонтов увеличивает время выполнения программы из-за значительного увеличения числа проверок и вычислительных операций на границе каждого слоя. Например, расчет
варианта ПГАП для профиля ВРСЗ с 3077-ю горизонтами занял 562 с, для профиля ВРСЗ с 34-мя горизонтами (стандартные горизонты и характерные точки профиля) — 3 с, а разность потерь при распространении звука не превышала 4 дБ для 75 % значений.
Основным критерием применимости методики расчета ПГАП является адекватность модели данных натурным измерениям. Критерием может служить точность измерения уровня звукового давления в морских условиях, которая может изменяться в пределах от 2 до 4 дБ. Сравнение результатов расчета потерь при распространении звука по программе "Дальность" с натурными измерениями проиллюстрировано на рис. 3 (частота 108 Гц, источ
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.