АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 3, с. 437-450
УДК 542.34
МАЛОМОДОВАЯ ТОМОГРАФИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МЕЛКОГО МОРЯ
© 2007 г. А. И. Хилько, А. Г. Лучинин, В. Г. Бурдуковская, И. П. Смирнов
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 Тел.: (8312)368490; Факс: (8312)365976 E-mail: A.khil@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 24.10.06 г.
В работе анализируются возможности наблюдения пространственно-локализованных неоднород-ностей методом низкочастотной маломодовой импульсной дифракционной томографии в мелком море. С помощью численной имитационной модели исследованы особенности реконструкции параметров неоднородностей при совместной обработке сигналов томографических проекций, формируемых при мультистатическом возбуждении и приеме низкочастотных маломодовых акустических импульсов.
PACS: 43.20.El, 43.20.Fn, 43.20.Mv, 43.20.Px, 43.30.Bp, 43.30.Gv, 43.30.Pc, 43.60.Pt
Метод акустической низкочастотной маломодовой импульсной томографии (МИТ) неоднородностей мелкого моря основан на совместном использовании вертикальных многоэлементных излучающих и приемных решеток и временного стробирования при селекции зондирующих маломодовых импульсных сигналов [1-5]. Некоторые особенности селективного возбуждения зондирующих модовых импульсов с помощью вертикально развитых решеток излучателей и наблюдения с их помощью пространственно-локализованных неоднородностей океана вертикальными приемными решетками исследовались в работах [6-14]. Настоящая работа посвящена исследованию возможностей наблюдения локализованных неоднородностей в мелком море при совместной обработке сигналов большого числа пространственных и модовых томографических проекций, формируемых вертикально развитыми решетками при мультистатическом возбуждении и приеме низкочастотных маломодовых акустических импульсных сигналов. При этом в качестве инструмента исследования используется численная имитационная модель МИТ, основные черты которой изложены в [5].
1. ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ
МАЛОМОДОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ТОМОГРАФИИ В ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ
Реализуемый с помощью маломодовых импульсных акустических сигналов метод МИТ океана обсуждался в [3, 5]. Напомним, что основная
идея этого метода заключается в использовании в качестве подсветки хорошо распространяющихся импульсных сигналов, соответствующих модам низких номеров, а все дифрагированные наблюдаемыми неоднородностями модовые импульсы регистрируются после их селекции вертикальными приемными решетками и согласованными фильтрами в плоскости параметров "доплеров-ская частота-временная задержка". Эффективность модовой селекции определяется размерами и положением приемных решеток, шириной функции неопределенности зондирующих импульсов по оси временных задержек Дт и допле-ровских смещений частоты ДП. Результат наблюдения формируется после накопления парциальных сигналов наблюдаемых неоднородностей. Эти сигналы формируются отдельными, как пространственными, соответствующими различным источникам и приемникам, так и модовыми томографическими проекциями в различных частотных каналах. Пусть подсветка неоднородностей осуществляется с помощью расположенной в точке г излучающей решетки, которая возбуждает импульсный сигнал, соответствующий моде с номером п. Амплитуда каждого из импульсов дифрагированных мод с индексом т, принимаемых приемной решеткой в точке г, будет формироваться за счет сигналов, дифрагированных всеми неоднородностями, расположенными в пределах соответствующего импульсного объема, точки которого Г удовлетворяют условию
т,п -1 -11 ч ч
\Тг, 1 - г1г Vп - г2] Гт\ <Дт/2, (1)
где т ,- - временная задержка относительно момента излучения зондирующего импульса, ти = \г, - г'\ и г2. = \г' - г.\ - расстояния от рассеива-теля до источника и приемника соответственно, Vп, т - групповые скорости мод. Элемент разрешения по оси временных задержек, формируемый с помощью одной пары "источник - приемник", не может быть однозначно связан с пространственными координатами наблюдаемых неоднородностей, и для построения изображения необходимо использовать другие пары с различными пространственными координатами. Комплексные амплитуды импульсных сигналов дифрагированных волноводных мод определяются матрицей рассеяния, которая зависит от внутреннего строения, формы и расположения неоднородностей (см., например, [12, 13]). При использовании узкополосных импульсных сигналов подсветки и относительно малых скоростей перемещения рассеивателей V,, в отдельный канал по оси доплеровских смещений попадут сигналы от рассеивателей, которые удовлетворяют условию
Г )( V пП 008 а,( Г,, Г ) - V т С08 р.. (г., Г ))| <
< от. ±ДО/2,
(2)
где ю0 - центральная частота зондирующего сигнала, а/г,, г') и Р/г,-, г') - соответственно углы между направлением вектора скорости перемещения элементарного рассеивателя в точке г' и векторами, построенными из точки расположения рассеивателя в источник и приемную систему,
Ат, п
о, - - центральная частота доплеровского смещения сигнала, соответствующего /-/ паре источник-приемник и т-п паре мод. Следует подчеркнуть, что, как следует из уравнений (1) и (2), в один и тот же частотный канал могут попасть сигналы от разных рассеивателей, находящихся в одном импульсном объеме и имеющих разные координаты и скорости движения. Поэтому, как и при определении пространственных координат, для восстановления истинного вектора скорости требуется привлечение информации, полученной с помощью других источников и приемников.
Полезные, дифрагированные наблюдаемыми неоднородностями модовые импульсные сигналы наблюдаются на фоне шумов и реверберацион-ных помех. При наблюдении пространственно ограниченных неоднородностей (ПО неоднородностей) такого рода помехами являются случайно распределенные поверхностные, донные и объемные неоднородности океана. Интенсивность аддитивного шума определяется откликом согласованного фильтра в отсутствие поля подсветки, когда приемная антенная решетка с индексом -регистрирует сигналы при приеме моды с номером т. Структура донной и поверхностной ревер-
берации в мелком море существенно отличается, прежде всего, из-за различий в доплеровских спектрах. Если считать источник и приемную систему неподвижными, то донная реверберация будет иметь узкий спектр, ширина которого будет определяться спектром зондирующего импульса и подводными течениями (например, внутренними волнами). Энергия донной реверберации будет сконцентрирована в основном в нулевой до-плеровской ячейке с распределением по оси задержек, определяемым конфигурацией импульсных объемов и затуханием мод. В отличие от донной реверберации, поверхностная реверберация имеет достаточно широкий доплеровский спектр, формирующийся за счет движения ветровых
волн1.
Под томографической реконструкцией объекта мы будем понимать оценку значений сравнительно небольшого числа наблюдаемых параметров сигнала и их соответствие параметрам гипотетической модели, описывающей объект. В частности, для случая ПО неоднородности, в качестве наблюдаемых параметров могут выступать ее координаты, форма, а также скорость и направление перемещения. Для другого типа неоднородности - ветрового волнения, параметрами модели объекта наблюдения могут являться скорость и направление ветра, вызывающего волнение на поверхности океана. Обозначим набор наблюдаемых параметров объекта вектором р и набор параметров, рассчитываемых с помощью имитационной модели, вектором р . Вектор р формируется путем решения прямой задачи с использованием априорной информации в виде моделей среды, объекта наблюдения, помех и шумов, а также конфигурации системы наблюдения. Значения компонент вектора наблюдаемых параметров оцениваются методом статистической проверки гипотез о величинах откликов в
/ пт г^пт ч
плоскостях (т. , о. ) для отдельных пространственных и модовых томографических проекций. Результирующее решение в виде оценки значений параметров модели р = р получается при совместной обработке результатов наблюдения каждой из проекций. При этом соответствие наблюдаемых параметров параметрам принятой модели объекта устанавливается перебором множества значений, описываемых вектором р , и нахождением глобального минимума невязки между векторами р и р . Совместная обработка отдельных проекций может осуществляться различным способом. Простейшим и достаточно эффективным методом совместной обработки проекций являет-
1 Разумеется, деление помехи на донную и поверхностную реверберацию имеет условный характер и справедливо лишь в приближении однократного рассеяния.
ся оценка значении вектора р по каждой из проекций и принятие решений о наличии сигнала в том или ином элементе разрешения по заданному уровню кумулятивной (т.е. рассчитанной с учетом всех проекций) вероятности правильного обнаружения сигнала. Такой метод основан на гипотезе независимости измерений проекций и позволяет существенно снизить требования к отношению сигнал/шум по отдельным проекциям. Заметим, что такой способ совместной обработки не является единственным и в известном смысле оптимальным. Ясно, что теоретически когерентное или некогерентное сложение сигналов от различных проекций улучшает рабочие характеристики системы наблюдения в большей степени. Однако в первом случае существенно повышаются требования к априорному знанию характеристик среды, а во втором возникает интерференционная помеха. При этом оба способа обработки требуют передачи в полном объеме всех принятых сигналов в один обрабатывающий центр, в то время как при логическом накоплении достаточно передачи сведений (решений) лишь о наличии или отсутствии сигнала в каждой из проекций и каждом элементе разрешения.
2. КОМПОНЕНТЫ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ МИТ
Исследуем особенности акустического наблюдения методом МИТ в мелком море на примере наблюдения пространственно локализованной неоднородности - айсберга, перемещающегося под действием ветра и подводных течений. Для анализа возможностей решения такой задачи используем имитационную модель МИТ, включающую в себя в качестве составных частей модели среды, объекта наблюдения, шумов и мешающих помех, а также
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.