АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 551.463.21
ВЫДЕЛЕНИЕ МОД ИЗ ШУМОВОГО ПОЛЯ МЕЛКОГО МОРЯ ОДИНОЧНЫМИ ДОННЫМИ ГИДРОФОНАМИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПАССИВНОЙ ТОМОГРАФИИ
© 2014 г. |В. А. Буров*, А. В. Гринюк**, В. Н. Кравченко**, П. Ю. Муханов*,
С. Н. Сергеев*, А. С. Шуруп*
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет
119991ГСП-1, Москва, Ленинские горы Тел.: (495) 939-30-81; E-mail: burov@phys.msu.ru **ОАО "НИИ "Атолл" 141981 Дубна, ул. Приборостроителей 5 Тел.: (496) 212-73-93; E-mail: kvn@atoll.dubna.ru Поступила в редакцию 10.04.2014 г.
Рассматривается возможность выделения мод, распространяющихся между двумя пространственно разнесенными точками наблюдения, без использования вертикальных антенн и низкочастотных излучателей. Выделение мод происходит из взаимной функции корреляции шумов, принимаемых одиночными гидрофонами. Показано, что основной вклад в взаимную функцию корреляции шумов дают моды на частотах вблизи минимумов дисперсионных зависимостей их групповых скоростей, где наблюдаются области стационарной фазы. Этот факт позволяет идентифицировать моды разных номеров, а также оценить времена их распространения между приемными гидрофонами, что может стать основой построения пассивной модовой томографии мелкого моря по данным с одиночных донных гидрофонов. Селекция мод осуществлена на основе данных натурного эксперимента, проводившегося в Баренцевом море.
Ключевые слова: селекция мод, пассивная томография, мелкое море, взаимная функция корреляции шумового поля.
БО1: 10.7868/80320791914060045
ВВЕДЕНИЕ
Акустическая томография океана является перспективным методом мониторинга обширных морских акваторий, позволяющим получать информацию о пространственно-временной изменчивости исследуемого региона в режиме, близком к режиму реального времени. Изначально методы акустической томографии были разработаны для глубокого океана [1], однако в последнее время в связи с широкомасштабным освоением шельфа все больше внимания уделяется вопросам акустического мониторинга мелкого моря. В этом случае задача усложняется с точки зрения теоретического описания распространения акустических волн в мелком море (приходится учитывать влияние дна, интенсивные внутренние волны, принимать во внимание неадиабатическое распространение звука, дисперсионные свойства волновода), однако упрощается с точки зрения практической реализации (снижение стоимости и технической сложности проведения натурного эксперимента). Еще проще станет эксперимент при переходе к пассивному режиму, так как при этом не нужно решать вопросы создания, развертывания и энерго-
питания разнесенных по периметру изучаемой акватории низкочастотных излучателей.
Уменьшение числа приемных элементов и возможность, в предельном случае, отказаться от развертывания вертикальных приемных антенн также нельзя не принимать во внимание. Как оказалось, вполне возможно реализовать мониторинг мелкого моря с использованием одиночных донных гидрофонов. Так, в работе [2] описывается сравнительно дешевый и простой в реализации натурный эксперимент по акустической томографии, который был проведен на шельфе Черного моря в конце 2010 года. Используя лучевую модель распространения, авторы оценили суточные изменения скорости звука и параметров течений в исследуемой области, а также колебания нижней границы термоклина на основе данных излучения и приема акустических сигналов тремя автономными донно-поверхностными станциями, расположенными в вершинах практически равностороннего треугольника. Несмотря на то, что область исследования была невелика и имела линейные размеры около 1 км, описанный эксперимент является, по-видимому, первым томографиче-
611
3*
Гидрофон А #
Гидрофон В
Зг
К(т)
№
0.5
0
-0.5
-1 о
1 т, с
Рис. 1. Схема корреляционной обработки шумов мелкого моря, принятых донными гидрофонами. Взаимная функция корреляции К (т) данных с гидрофонов А и В имеет два пика, соответствующих временам распространения сигналов по направлению от А к В и в обратном направлении.
ским экспериментом в мелком море, позволившим восстановить упомянутые характеристики исследуемой области на основе данных с одиночных донно-поверхностных трансиверов. Возможности реализации подобного акустического мониторинга, но на больших расстояниях, исследовались в работе [3]. Авторами этой работы была показана возможность мониторинга полей течений и температуры при использовании сложных сигналов, излучаемых и принимаемых одиночными донными трансиверами, расположенными на расстояниях до 15 км в шельфовой зоне Японского моря в районе акустико-гидрофизического полигона ТОИ ДВО РАН. Авторы работы [3] пришли к выводу, что обработка данных этих экспериментов обеспечивает возможность измерения температуры воды с точностью до 1°С и скорости течения с точностью до 0.1 м/с. Отмеченные две экспериментальные работы свидетельствуют о практической возможности реализации сравнительно дешевой акустической томографии мелкого моря с помощью донных или донно-поверх-ностных станций.
В отличие от работ [2, 3], в представляемой работе делается попытка выделения мод одиночными гидрофонами из шумового сигнала, что в будущем может стать основой акустической томографии мелкого моря. Эта задача не может быть сведена к задаче, в которой моды возбуждаются
активным источником, поскольку требует накопления шумового сигнала во времени и, следовательно, иного использования дисперсионных свойств волновода. При этом основная цель, поставленная авторами, — проиллюстрировать возможность селекции отдельных мод одиночными донными гидрофонами и возможность оценки времен распространений импульсов, соответствующих отдельным модам, между приемными гидрофонами в заданных частотных диапазонах. Использование именно модового подхода в пассивной томографии, в свою очередь, необходимо для сокращения времени накопления сигнала [4].
ОЦЕНКА ВРЕМЕН РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ МЕЖДУ ОДИНОЧНЫМИ ДОННЫМИ ГИДРОФОНАМИ
БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКТИВНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
В данном разделе на основе записей естественных шумов моря, сделанных одиночными донными гидрофонами в Баренцевом море, выделяются корреляционные пики, соответствующие распространению мод низших номеров между гидрофонами. Тем самым показывается, что метод обработки позволяет достаточно надежно регистрировать времена распространения мод (которые определяются свойствами среды и дна) между каждой парой рассматриваемых гидрофонов. Обсуждаются вопросы, связанные со временем накопления сигнала.
В настоящее время развитие томографии океана видится в переходе к пассивному режиму, т.е. в отказе от излучателей и в использовании собственных шумов океана в качестве источника звука. Помимо того, что гидроакустические излучатели дороги, громоздки и сложны для установки и питания, низкочастотный звук, который они издают, может оказывать пагубное влияние на морских обитателей, что влечет за собой серьезные экологические проблемы. Возможность использования в гидроакустических задачах естественного шума моря в качестве источника информации о среде стала понятна после "переоткрытия" акустиками известного в квантовой теории поля соотношения между двухточечной взаимной функцией корреляции и функцией Грина среды [5].
Основная идея метода заключается в следующем. Пусть рассматриваемая акватория изотропно и однородно зашумлена удаленными источниками (ветровое волнение, удаленное судоходство и т.д.) (рис. 1). Часть этого общего шумового сигнала проходит последовательно через одиночные гидрофоны А и В, что эквивалентно схеме, в которой гидрофон А излучает, а гидрофон В принимает излученный гидрофоном А сигнал [4]. При этом та часть общего шума, которая воздействует только на один из обозначенных гидрофонов (т.е. не распро-
страняется вдоль лучевой траектории АВ), должна рассматриваться как помеха. Для выделения известного для "первого" гидрофона сигнала на фоне помехи используется корреляционный метод обработки. Взаимная функция корреляции К (т) шумовых данных с двух пространственно разнесенных гидрофонов А и В при этом будет иметь два пика, соответствующих регистрации обоими гидрофонами сигнала, распространяющегося по направлению от А к В и в обратном направлении. Положение этих пиков на оси взаимного временного сдвига т коррелируемых действительных сигналов и (гА, 0 и и(гБ, 0 относительно нулевого сдвига определяется временем распространения сигналов между этими гидрофонами (рис. 1). Здесь К(т) = {и(гл, Ои(гБ, ? -х)), гА и гБ характеризуют координаты гидрофонов А и В, скобки (•) означают усреднение по множеству реализаций шумовых сигналов. Появление в акватории между гидрофонами А и В изотропной (например, рефракционной) неоднородности приводит к одинаковому смещению обоих корреляционных пиков на оси временного сдвига, а появление анизотропной неоднородности (например, течения) обнаруживается из-за несимметричного смещения пиков. Применительно к океану метод оценки функции Грина из взаимной функции корреляции шумов был развит рядом авторов [6]. Так, например, в работе [7] этот метод был теоретически развит на среды с течением.
Таким образом, полученные данные теоретически можно использовать в целях построения схем пассивной томографии. Однако встает вопрос, насколько реально выделить эти пики в случае экспериментальных данных и как по ним селектировать отдельные моды. Дело в том, что слабой стороной метода является вопрос о необходимом времени накопления сигнала. Так, для использования схемы, в которой коррелируются полные поля, принятые разнесенными гидрофонами [8—12], необходимое время накопления может составлять порядка суток, что не позволяет отслеживать процессы, обладающие большей временной изменчивостью. Однако, как показано в [4], время накопления сильно уменьшается при использовании метода, основанного на корреляции отдельных мод. Это связано с тем, что моды являются двумерными вертикальными "объектами", распространяющимися в горизонтальной плоскости, в то время как корреляция полных полей, принимаемых точечными гидрофонами, является корреляцией трехмерных "объектов". В результате, в случае
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.