Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Информационная модель гидроакустических исследований на шельфе 13
Геоинформационный подход к задаче развития гидроакустического программно-аппаратного комплекса 14
Информационная модель гидроакустических исследований 17
Перспективная форма реализации ИИС 26
Информационное пространство мониторинга 33
Выводы по главе 37
ГЛАВА 2. Подсистемы статистического анализа и моделирования 38
Спектральное оценивание сигналов 39
Численное моделирование внутренних волн 44
Модель распространения звука на основе параболического уравнения..47
Влияние внутренних волн на поле звука 51
Применение моделирования к мониторингу судов 55
Выводы по главе 58
ГЛАВА 3. Акустический мониторинг шельфовых зон японского и охотского морей 59
Пример гидроакустического мониторинга рыболовного судна с донным тралом 59
Пример численного моделирования влияния нелинейных внутренних волн на распространение звука в мелком море 63
Некоторые результаты мониторинга технологических шумов на шельфе о Сахалин 71
Выводы по главе 76
Заключение 77
Литература 80
Приложение
- Информационная модель гидроакустических исследований
- Информационное пространство мониторинга
- Влияние внутренних волн на поле звука
- Пример численного моделирования влияния нелинейных внутренних волн на распространение звука в мелком море
Введение к работе
Объект разработки и исследования
В диссертации рассматривается информационная система поддержки экспериментальных гидрофизических исследований, основанная на современных информационных технологиях. На основе совместного использования модулей регистрации, статистической обработки, численного моделирования и объектной СУБД развивается распределенная, масштабируемая информационная система для научных исследований в процессе гидрофизического мониторинга.
Актуальность проблемы
Прибрежная часть океана - океанский шельф - затрагивает широкий спектр интересов жизнедеятельности человека, например, задачи оборонного значения, добычи полезных ископаемых, проблемы экологии и рыболовства. Поэтому уже несколько десятков лет шельф является предметом повышенного внимания и объектом научных исследований для геологов, океанологов, акустиков и сейсмологов.
Характерной чертой прибрежной зоны является необычайно высокая активность ряда динамических процессов, возникающих в процессе взаимодействия атмосферы, океанической среды и литосферы. Так в океанической среде постоянно возникают разномасштабные гидродинамические возмущения: приливные и внутренние волны, вихри, меандрирующие течения, фронтальные зоны и др.[1] Изучение этих процессов позволяет прогнозировать состояние среды, предугадать климатические изменения, повысить безопасность судоходства, внести вклад в развитие экономики прибрежной зоны.
Наиболее перспективным и интенсивно развивающимся в последние годы направлением исследования динамических процессов и неоднородностей в
мелководной среде стали акустические и сейсмоакустические методы. Использование звуковых волн сделало возможным проводить комплексные исследования больших морских акваторий в непрерывном режиме.
Повышенный интерес к звуковым полям связан с возможностями акустического мониторинга разномасштабных гидродинамических возмущений морской среды [2]. Длительные наблюдения за процессами распространения звуковых волн дают принципиальную возможность обнаружения и физического анализа различных вихревых образований, приливных и внутренних волн, морских течений и процессов перемешивания водных масс. Такой мониторинг позволяет определять состояние океана по данным акустического зондирования, что в конечном итоге может стать решающим как для решения многих частных задач, таких, например, как обнаружение локальных неоднородностей водной среды.
Формирование звуковых полей в разных районах мелкого моря имеет целый ряд специфических особенностей, связанных со спецификой различных шельфовых зон Мирового океана.
Такая специфика обусловлена не только рельефом дна, структурой и акустическими свойствами донных осадков, но и пространственным распределением поля скорости звука, а также его возмущениями, вызванными гидродинамическими процессами на океанском шельфе. Количественные характеристики, описывающие формирование звуковых полей, всегда привязаны к конкретному географическому району и ко времени года. Это обстоятельство является главной причиной для проведения акустического мониторинга океанского шельфа.
Характерной чертой районов шельфовых зон Дальневосточных морей является активность метеорологических и атмосферных условий, наличие циклонов и тайфунов. Вследствие этого на шельфе Японского и Охотских морей наблюдаются активные гидродинамические процессы, как мезомасштабные - интенсивное перемешивание вод, так и синоптических
масштабов - в виде выраженных вихреобразований. В осенний период на шельфах Японского и Охотского морей формируется выраженная плотностная стратификация, что является необходимым условием образования внутренних волн в шельфовой зоне.
Последние годы большое внимание привлекает «акустическое загрязнение» водной среды, вызванное активизацией экономической деятельности человека. Так на шельфе северо-востока Сахалина государственные проекты добычи нефти вступили в стадию широкомасштабного строительства морских промышленных объектов. Производственная деятельность в шельфовой зоне значительно увеличила опасность негативного воздействия промышленного шума на морскую биоту и потребовала проведения мониторинга с целью контроля влияния технологических процессов на экологию.
Проблематика гидрофизического мониторинга, необходимость проведения длительных наблюдений и сложность гидроакустических исследований на шельфе ставят задачи не только сбора и хранения информации, но и предполагают комплексную переработку данных с целью извлечения закономерностей и знаний, создавая условия для совместной работы специалистов разного профиля [3, 4]. Экспоненциальный рост объемов цифровой информации, внедрение новых типов оборудования, усложнение методов обработки и анализа данных требует соответствующего программного обеспечения, создания систем, моделирующих как представление собственно предметных областей, так и уже накопленных знаний о них - геоинформации, объединяющей модельное теоретическое представление, данные измерений и результаты их обработки, а также соответствующие средства представления сведений [5,6] . Недостатком большинства существующих программных комплексов, применяемых в научных гидроакустических экспериментальных исследованиях, является сосредоточенность на частных задачах, унитарность программно-аппаратной организации ввода сигналов, сосредоточенность
процессов ввода, визуализации и обработки на одном компьютере, жесткая привязка программного обеспечения к используемому оборудованию и невозможность модернизации аппаратной базы исследований без значительного изменения в кодах программ [7]. Внедрение новых типов оборудования и режимов обработки влечет сложную и дорогостоящую корректировку программных и аппаратных решений и является источником рисков и ошибок. С концептуальной точки зрения основным недостатком существующих программных систем является отсутствие предметной ориентированности на исследуемый объект, смещение нацеленности с прогноза и анализа изучаемых пространственно-временных явлений на задачи регистрации и обработки данных [6].
Таким образом, проблема разработки распределенной информационной программной системы сопровождения гидроакустических исследований на основе современных геоинформационных концепций и технологических стандартов является актуальной. Решению этой задачи посвящена данная диссертационная работа.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является разработка информационной системы сопровождения экспериментальных гидроакустических исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
выполнен системный анализ и разработана информационная объектная модель гидроакустического мониторинга;
реализована система программ для обеспечения накопления, сбора и хранения гидроакустических данных;
создан пакет программ для численного моделирования внутренних волн и звуковых полей в шельфовой зоне, в соответствии с задачами гидроакустического мониторинга;
исследовано влияние распространяющихся вдоль шельфа
слабонелинейных внутренних волн на акустическое поле; - выполнена регистрация и статистический анализ данных в условиях экспериментальных научных исследований на шельфах Японского и Охотского морей.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 13 статей, из них 5 - в рецензируемых журналах, имеется государственное свидетельство о внедрении базы данных.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались методы объектно-ориентированного системного анализа, математической статистики и анализа случайных процессов, численного моделирования.
Методы системного анализа привлекались для разработки объектной модели предметной области и определения требований к разработке.
Методы математической статистики и анализа случайных процессов использовались для реализации алгоритмов спектрального оценивания и обработки экспериментальных данных.
Численное моделирование применялось на этапе планировании работ и в процессе интерпретации результатов наблюдений.
Научная новизна
В результате выполнения данной диссертационной работы была разработана система информационной поддержки научных гидроакустических экспериментальных наблюдений, основанная на современных аппаратно-программных технологиях.
Научная новизна заключается в комплексном характере, ориентированном на поддержку полного цикла экспериментальных гидроакустических наблюдений, начиная от планирования эксперимента и
заканчивая оформлением результатов исследований с учетом совместной многопользовательской работы в компьютерной сети, используя объектную СУБД для хранения данных и алгоритмов.
В диссертации были получены следующие основные научные результаты:
В рамках геоинформационного подхода разработана подробная модель гидроакустического мониторинга на шельфе. Определена структура и функциональная схема измерительно-информационной системы, предложены варианты реализации распределенных модулей и компонентов.
Выполнена реализация распределенного программного комплекса, включающей серверную, клиентскую и аппаратные части. Созданы пакеты программ ввода данных от регистраторов, разработаны программы параметрического и непараметрического спектрального анализа, фильтрации и статистических методов. Реализован комплекс программ численного моделирования динамики слабонелинейных внутренних волн на шельфе с переменной топографией и расчетов акустического поля на основе широкоугольного параболического уравнения.
Согласно последовательности этапов гидроакустических натурных исследований - «планирование-регистрация-интерпретация данных» -выработана методика использования компонентов информационной системы. Методика основана на комплексном подходе к сопровождению гидроакустических экспериментальных наблюдений и использовании численного моделирования для создания и анализа модели предметной области и обеспечена возможностями статистической обработки данных.
С помощью ИИС выполнен комплекс важных гидроакустических измерений. На основе натурных данных и численного моделирования проведен анализ влияния распространяющихся вдоль шельфа внутренних
волн на акустическое поле; получены и обработаны экспериментальные данные о уровнях технологических шумов на шельфе о.Сахалин.
Практическая ценность
Предложенная информационная система разрабатывалась для решения практических задач и к настоящему времени использовалась в ряде экспериментальных исследований. Комплекс программ позволяет моделировать распространение звука от тональных источников с учетом реальной топографии и гидрологии; выполнить численное моделирование динамики слабонелинейных внутренних волн на шельфе; в режиме реального времени вводить данные от аналоговых и цифровых регистраторов; выполнять спектральный анализ временных рядов; своевременно фиксировать моменты изменения характеристик наблюдаемых процессов; подготавливать накопленные массивы данных к хранению.
Возможности информационной системы позволяют получить ценную информацию на этапе планирования экспериментов. Расчеты собственных функций линейных внутренних волн для характерных гидрологических условий позволяют оценить их возможный состав, скорости распространения и степень воздействия на гидрологию вдоль гидроакустических трасс. Численное моделирование слабонелинейных внутренних волн позволяет оценить скорости распространения таких волн, важнейшие точки перестройки волновых пакетов, связанные с изменением глубин и гидрологических условий. Оценка модового состава линейных акустических волн для жидкой среды дает представление о геометрии подводного звукового канала. Численное моделирование распространения звука дает ценную информацию о влиянии взаимного расположения приемников и излучателей на акустическое поле в условиях типичной гидрологии, позволяет оценить ожидаемые значения измеряемых величин вдоль трасс «источник-приемник».
К наиболее востребованным на практике составляющим системы относятся: программно-аппаратная системы ввода и обработки экспериментальных гидроакустических данных [8, 9]. Система обеспечивает цифровой ввод и спектральный анализ данных с нескольких регистрационных устройств, причем отдельное устройство (вертикальная гидроакустическая антенна) может содержать 40 датчиков, передающих информацию от температурных и акустических сенсоров. На основе современной технологии удалось добиться распределения вычислительной нагрузки в компьютерной сети и обеспечить высокую надежность и стабильность работы системы регистрации в течение длительного времени.
В 2004 г система была модернизирована, расширена и успешно применялась в дальнейшем для задач гидроакустического мониторинга на шельфе о. Сахалин. Использование разработанной технологии позволило унифицировать методику работы с аналоговыми и цифровыми системами регистрации, работающими в различных режимах (частоты передачи данных, параметры аппаратуры, методика обработки) и указало направления необходимой модификации регистрирующих устройств.
Введение информационной системы в состав интернет-портала поддержки гидроакустических исследований, создало условия для развития расширенной системы гидроакустического мониторинга и координации накопленной в ходе экспериментов информации [10].
Функциональность и практическая ценность подтверждена актами внедрения системы в ОАО «Сахалинская энергия» (от 03/11/2006 г. Ю-Сахалинск) и «Jasco Ltd» (от 26/10/2006 г. Виктория, Канада).
Оригинальность объектной структуры базы данных для хранения информации, накопленной в процессе гидроакустического мониторинга, подтверждена государственным свидетельством о регистрации 2007620047.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения.
В первой главе определена системная модель информационно-
измерительной системы (ИИС) сопровождения гидроакустических
наблюдений, основанная на геоинформационной концепции предметной
области.
Во второй главе рассмотрены компоненты ИИС, обеспечивающие теоретическую основу цифровой модели гидроакустического мониторинга, математическую обработку и статистический анализ данных.
В третьей главе изложена практика применения ИИС в гидроакустических натурных наблюдениях и сформулирована методика использования.
В Приложении 1 изложен системный анализ области применения информационной системы, который включает разработку и подбор представлений предметной области, определение сценариев работ, рассмотрение потоков данных, выделение совокупности наиболее употребляемых математических моделей.
В Приложении 2 демонстрируется способ организации программного комплекса на основе многослойной архитектуры.
В Приложении 3 приведены копии актов внедрения ИИС и патент.
На защиту выносятся:
Разработанная модель информационной системы с анализом важнейших этапов работ и потоков данных в процессе гидроакустического мониторинга;
Программный комплекс поддержки гидроакустических экспериментальных исследований;
Методика применения информационной системы в гидроакустических исследованиях на шельфе.
Информационная модель гидроакустических исследований
Особенности и наследственные признаки гидроакустических исследований удобно проследить на примере иерархического каркаса, описывающего слои конкретизации описания предметной области (рис. 1.1). Иерархия основана на представлении о степени общности и зависимостях гидроакустических исследований от геофизических наблюдений общего вида. Использование схемы позволяет перейти к построению объектной модели, необходимой для реализации ИИС с учетом логических связей и наследования свойств [18, 20]. Селекция слоев позволила определить последовательность построения информационной системы с точки зрения накопления специальной информации и возможной интеграции с внешними ресурсами. Выделение наследуемых элементов описания, изображенных на рис. 1.1 в виде слоев 1,2,3 и 4, дает представление о накоплении и развитии специфики гидроакустических исследований. Нижние слои 0 и 1 рис. 1.1, предполагают самое общее описание, независимо от направления исследований. Задача 0-го - технического слоя -состоит в том, чтобы описать и сформировать универсальные шаблоны-контейнеры информации, которые служат базой для постройки моделей предметной области. Представителями объектов нулевого слоя являются типы «Документ», «Набор данных», «Изображение», «Карта» и др. Здесь формируется набор элементов, позволяющий продуцировать удобное описание более сложных объектов верхних слоев. Первый слой содержит общий для всех областей технических исследований материал о совокупности оборудования. Информация, заложенная на 1-м слое, позволяет описать комплекс аппаратуры, задействованный в эксперименте, и используется для уточнения технических условий проведения конкретных работ.
Второй слой является общим для всех геофизических систем и описывает связь трех базовых элементов: 1. физической системы как совокупности наблюдаемых (гравитационное и магнитное поля, пространственное распределение скорости звука, температуры и т.п.), 2. типового описания физической системы, включающей геометрию полигона и данные наблюдений с привязкой к геометрии (слоистая геологическая модель, вертикальные профили измерений плотности, температуры и т.п.), 3. математических моделей, используемых для представления характеристик физической системы. На третьем слое вводятся частные представители «полей» и шаблоны для гидрофизических наблюдений и связанной с ними специфики. Определяются опорные поля гидрологии, батиметрии, температуры, информации о геологическом строении и свойствах дна и т.д. Третий слой является фундаментом для разнообразных моделей исследований, имеющих отношение к гидрофизике. На основе шаблонов третьего слоя реализуются модели, несущие специализацию методики наблюдений и обработки. Так, на 4-м слое, для информационной системы поддержки гидроакустических измерений в области океанологии, определены модуль океанологии, описывающий гидродинамику жидкости, и модуль акустики, предназначенный для представления гидроакустических исследований. Поскольку понятие «поле» является слишком общим, и может иметь различные описания и представления, то для конкретики каждое поле обеспечивается вариантами модельного представления. Для модуля океанологии предполагаются модели, параметризующие различные типы волновых процессов: линейные модели, слабонелинейные модели на основе уравнений Кортевега-де Фриза, Шредингера и т.д. Для описания звукового поля, наблюдаемого в гидроакустических исследованиях, используются представления на основе параболического уравнения, нормальных волн и лучевой модели.
Типичными объектами гидроакустического мониторинга являются: природный процесс, территория, технический объект (корабль, сооружение и др.), морские животные, которые должны быть представлены в, информационной модели. Достаточно независимым блоком в модели является описание совокупности используемого оборудования. Для связи оборудования, объектов мониторинга и полученной информации, требуется описание экспериментальных наблюдений, включающее сеансы и условия работ, совокупность аппаратных средств и накопленные данные. На основе объектно-ориентированного подхода это выполняется по схеме «Объект, представления и состояния» («Object/Views/ States»), формируя главные составляющие описания: статическое представление («Объект»), визуальное (пользовательское) представление («Представления») и описание реакцию поведения («Состояния») [18, 20]. Уточняя вышесказанное, перечислим базовые понятия, определенные для описания объектов наблюдения в ходе экспериментов: Объект исследований; Поле - некоторая характеристика объекта (акустическое поле, температурное поле, батиметрия и т.д.); Территория, Океанский шельф; Техническое устройство; Животное; Представление объекта; Модель поля - формализованное представление поля, позволяющее оценивать регистрируемые параметры объекта, текущее состояние и прогнозировать развитие. Вариант описания. Карта или таблица для пространственно распределенной информации; фотография, схема, модель для судна и т.п. Состояние; Наблюдение - результаты измерений в отдельной точке для поля; сведения о движении судна или животного. График/Расписание/План работ - информация о поведении объекта в течение определенного периода времени. Для описания совокупности экспериментальных наблюдений определены понятия: Организация/Organization;
Информационное пространство мониторинга
Проведение длительных комплексных экспериментальных исследований требует многолетних натурных наблюдений и измерений, математической обработки данных, разработки и модификации различных теоретических моделей природных процессов. Примером подобных исследований, являются акустический и сейсмоакустический мониторинг шельфовой зоны Дальневосточных морей. Большие объемы полученных данных, длительный процесс их обработки, корректировки и статистического анализа объективно требует создания не просто баз данных, но и средств доступа к специфическим данным, библиотек алгоритмов обработки и средств визуализации этих данных. Принципиально важной становиться интеграция разнообразных данных и систем, поддерживающих процесс экспериментальных и теоретических исследований, обеспечение взаимодействия научных коллективов в ходе выполнения исследовательских проектов. Современные информационные технологии делают интернет-портал именно таким средством.
С точки зрения геоинформационной концепции и цифровой модели гидроакустических исследований на шельфе, эволюция ГИС до интернет-уровня открывает новые возможности для интеграции знаний. Использование технологий и методов, изложенных выше, позволяет объединить потоки данных из локальных экспериментальных ИИС в глобальной сети и перейти к новому пространственному масштабу. Потенциальные возможности ИИС значительно возрастают, если обеспечена интеграция отдельных экспериментальных систем и совместное использование информацией группами исследователей. С 2003 г, в рамках гранта РФФИ № 03-07-90141-В, ТОЙ ДВО РАН совместно с ВЦ РАН (г. Москва) ведут разработку интернет-портала поддержки использования гидроакустических данных. Цель проекта состоит в расширении возможностей по сбору и управлению информации, имеющей отношение к гидроакустическим исследованиям[10, 15, 16]. Совокупность и разнообразие задач, преследуемых при реализации информационной системы, привели к выделению слоев, отвечающих за две важнейших задачи: 1. взаимодействие разрабатываемого портала с интегрированной средой информационных ресурсов (ИСИР) РАН [11,35]. 2. практическое применение информационной системы в экспериментальных гидроакустических исследованиях, предполагающее использование программного комплекса в ходе регулярных исследований ТОЙ на шельфах Японского и Охотского морей. В силу различной направленности задач, система управления данными и метаданными портала разделяется на 3 слоя (2 самостоятельных и 1 согласующий), имеющих общую и специальную области применения. Поскольку портал играет роль узлового координатора данных, то в целях обеспечения интерфейса с отдельными системами поддержки экспериментальных работ вводится шаблон локальной информационной системы с целью унификации задач организации регистрационной системы и Сложность представления гидроакустических данных требует оптимизации процедур управления и представления данных. С этой целью в ИИС была разработана и реализована объектная БД «Мониторинг» на основе СУБД «Cache 5.0», корпорации «InterSystem Ltd» [36, 37].
Роль БД состоит не только в хранении данных, полученных в исследованиях, но и фиксации конфигурации эксперимента: набора оборудования, условий проведения, настроек регистрации и обработки. База данных позиционируется в качестве основы информационной системы и используется на всех этапах мониторинга: при настройке и калибровке оборудования, регистрации данных полевых наблюдений, первичном оперативном анализе данных, окончательной обработке и формировании исследовательского отчета[11, 12]. Особенность БД заключается в переходе от упрощенного статического представления объекта наблюдений и условий экспериментов, основанного на перечислении наборов точек для описания геометрии и совокупности оборудования, к представлению, использующему объектную инкапсуляцию. Имеется в виду, что в базе данных хранятся данные и программы, формирующие расширенное представление об объекте наблюдений и его характеристиках. Например, если объектом является судно или иной мобильный объект (животное, летательный аппарат и т.д.), то в базе хранится информация о его движении (журнал навигации и т.п.), сведения о поведении (типы работ) в течение периода времени, когда выполнялись наблюдения и эксперименты. В работе во главу угла ставится геоинформационная концепция разработки ИИС гидроакустического мониторинга, которая определяет задачу формирования цифровой модели области исследований и выводит на первый план проблему формирования комплексной компьютерной модели наблюдаемых физических объектов, процессов и явлений, территории работ, аппаратуры.
Для решения проблем, связанных с особенностями гидроакустических экспериментов (большие потоки данных, мобильные системы регистрации, разнообразные помехи при постоянном требовании повышения качества получаемой информации), предлагаемое техническое решение (реализация ИИС) ориентировано на новый стандарт организации программных комплексов, обеспечивающий высокую надежность технических и программных решений, мобильность топологии вычислительной сети, возможности модернизации и расширения ИИС. Внедрение современных принципов интеграции программных модулей и внедрение микроконтроллеров в системы регистрации позволило снять ряд типичных проблем, обеспечивая унификацию методики подключения в систему новых типов оборудования и алгоритмов обработки. Использование технологии распределенных систем и методов интернет-коммуникаций позволило объединить потоки данных из локальных экспериментальных ИИС в глобальной сети и перейти к новому пространственному масштабу. Потенциальные возможности ИИС значительно возрастают по мере обеспечения интеграция отдельных экспериментальных систем и совместного использования информацией группами исследователей.
Влияние внутренних волн на поле звука
Обработка результатов гидроакустического мониторинга связаны с анализом влияния гидродинамических полей на акустику. В случае комплексных натурных измерений регистрируются гидрофизические данные, позволяющие оценить параметры внутренних волн (в частности - температура). Моделирование эффектов влияния внутренних волн на акустику является одним из основных методов анализа как на этапе планирования эксперимента, так и в процессе интерпретации результатов наблюдений. Роль информационной системы для решения подобной задачи состоит в интеграции вычислительных методов и управлении потоками данных моделирования. Требуется обеспечить подготовку данных согласно расчетным сеткам численной модели полигона и синхронизировать передачу информации между программами моделирования эволюции внутренних волн и распространения звука для определенной последовательности моментов времени. Существует ряд механизмов воздействия внутренних волн на звуковое поле. Например, в условиях ярко выраженной стратификации и вертикального температурного градиента в морской воде существует звуковой канал, где сосредоточена основная энергия звукового поля [1, 2 , 45]. Весьма эффективен механизм перераспределения энергии между акустическими модами в результате их резонансного взаимодействия с пакетом одномодовых внутренних волн. Необходимые для такого взаимодействия условия резонанса, состоящие в выполнении равенства hm = k\ - ki, где km, k\, k2, - волновые числа внутренних и акустических волн соответствующих мод, могут легко реализоваться в силу большого разнообразия внутренних волн в пакете, порожденным внутренним приливом в зоне свала глубин и двигающемся поперек шельфа, при этом влияние имеет характер модуляции решений для невозмущенной среды, и, вообще говоря, не является малым.
В процессе исследований резонансного взаимодействия была выбрана следующая методика моделирования: 1) для заданной частоты излучения звука рассчитывались коэффициенты взаимодействия акустических мод и по ним определялись резонансные длины внутренних волн. 2) задавались начальные данные и на трассе "источник - приемники" вычислялось поле внутренних волн в различные моменты времени. 3) по накопленным данным в заданные моменты времени определялось возмущение опорных гидрофизических данных типа вертикальных профилей температуры, плотности, солености и скорости звука вдоль трассы. 4) производился расчет звукового поля с использованием широкоугольного параболического уравнения; по результатам вычислений оценивались временные вариации звукового давления в выбранных точках и коэффициенты разложения звукового поля по модам. 5) для выяснения влияния на звуковое поле различных внешних факторов производилось сравнение результатов расчетов для разных параметров модели. Кроме резонансного взаимодействия, методы и алгоритмы моделирования, заложенные в данном пакете, позволяют исследовать развитие и влияние внутреннего бора, воздействие внутренних и поверхностных волн на распространение звука различной частоты, эффекты от сгонно-нагонных и приливных явлений в поле звука и другие подобные задачи. Поскольку подбор численной модели опирается на сравнение с данными экспериментальных наблюдений, то на практике приходится выполнять итеративную процедуру корректировки заложенных параметров моделей, опираясь на методы качественного и количественного сопоставления результатов. Для такой обработки обычно привлекаются статистические и, в частности, спектральные методы анализа и разнообразные варианты визуализации.
Исходя из задач, информационная система включает и обеспечивает совместную работу следующих модулей: файловые операции, численное интегрирование задач распространения звука и эволюции вігутренних волн, импорт и экспорт данных между подсистемами, статистический анализ, визуализацию графиков и таблиц. Для исследования численной модели, описывающей распространение тонального звука в среде, возмущаемой длинными внутренними волнами, диаграмма последовательности операции выглядит следующим образом. Рисунок 2.4 - Диаграмма состояний моделирования влияния ВВ на акустику На диаграмме выделены следующие важнейшие состояния: подготовка данных, моделирование воздействия внутренних волн на гидрологическую ситуацию, моделирование распространения звука в возмущенной среде, анализ результатов. Подготовка данных включает: формирование расчетных сеток для моделирования, интерполяция данных, подготовку начальных условий и т.п. Расчет динамики внутренних предполагает наличие различных моделей, из которых используется подходящая к условиям эксперимента. Состояние «Моделирование эволюции внутренних волн» включает операции, необходимые для расчета возмущений исходной гидрологии на трассе «излучатель - приемник звука» в различные моменты времени. Результаты моделирования представлены так, чтобы в ходе расчета звукового поля в нужный момент времени можно было определить вклад от ВВ в изменение гидрологии во всех точках расчетной сетки акустики.
Состояние «Моделирование звука» объединяет следующие процедуры: подготовка начальных условий (источника), формирование данных гидрологии в узлах расчетной сетки, интегрирование методом параболического уравнения. Поскольку скорость внутренних волн по сравнению со скоростью звука мала, то для относительно коротких дистанций можно считать, что за время распространения звука вдоль трассы, гидрология не изменяется. В этом случае можно ввести два масштаба времени: первый («быстрый»)- для расчетов распространения звука, второй («медленный») - для изменения гидрологической ситуации. Для отсчетов «медленного» времени, согласно принятой модели динамики внутренних волн, рассчитывается гидрология вдоль трассы, для которой проводятся расчеты акустического поля согласно «быстрой» шкалы времени. Согласование расчетов может потребовать предварительного накопления результатов моделирования внутренних волн, что отражено наличием подсостояний «Синхронизация» и «Накопление результатов моделирования». Состояние «Оформление результатов. Сравнение с экспериментом» предусматривает статистический, в т.ч. сравнительный спектральный анализ данных моделирования и регистрации в точках натурных наблюдений.
Пример численного моделирования влияния нелинейных внутренних волн на распространение звука в мелком море
При развитом сезонном пикноклине основными гидродинамическими источниками акустических неоднородностей в водном слое являются внутренняя приливная волна и более короткие внутренние волны (ВВ). Внутренняя приливная волна, индуцируемая приливным течением на кромке шельфа [43, 44, 46], распространяется по шельфу, как «свободная» длинная внутренняя волна (ДВВ). Вследствие нелинейности и взаимодействия с дном она претерпевает трансформации, сопровождающиеся генерированием более коротких ВВ и пакетов квазигармонических и солитоноподобных нелинейных ВВ. Следовательно, поле ВВ на шельфе имеет ряд особенностей, связанных с влиянием дна, а также с сезонной изменчивостью пространственных параметров поля плотности в водном слое. Рефракция и рассеяние акустических волн на неоднородностях поля скорости звука, создаваемых в водном слое ВВ, приводят к фокусировке или дефокусировке акустических волн в горизонтальной плоскости и перетокам энергии от распространяющихся нормальных акустических мод с малыми номерами к модам более высоких номеров, причем это взаимодействие может принимать резонансный характер [45, 55]. В связи с этим, для продвижения в понимании гидроакустических экспериментов, проводимых в мелком море, представляет определенный интерес выявление способности простых детерминистских моделей звуковых и внутренних волн воспроизводить экспериментальные данные.
Экспериментально доказано [44], что в мелкой воде слабонелинейные внутренние волны хорошо описываются длинноволновыми моделями. Одной из таких моделей является рассмотренная в главе 2 система уравнений (2.1) и (2.2). В таких моделях волны имеют по вертикали модовую структуру (смещение изопикн), а распространение каждой моды по горизонтали в выбранных переменных описывается одной из форм расширенного уравнения Кортевега-де Фриза (2.2). Переменная s в (2.2) имеет смысл разности времени прихода в данную пространственную точку линейных внутренних волн и физического времени. Поскольку при фиксации пространственной точки амплитуда волны зависит только от времени, такие переменные хорошо подходят для усвоения экспериментальных данных, получаемых заякоренным датчиком. Интегрирование (2.2) позволяет получить аналогичные данные в другой пространственной точке. Поскольку длина экспериментальной акустической трассы (250м) сравнительно невелика, использовалось широкоугольное параболическое уравнение с дробнолинейной аппроксимацией корня квадратного из поперечного оператора Гельмгольца. Использовались значения коэффициентов аппроксимации, предложенные Клаерботом, которые, как показывают результаты численных экспериментов Грина, для случая распространения звука мелководье, когда углы распространения не слишком большие, а донные породы имеют заметный коэффициент поглощения, являются наиболее оптимальными [49]. В расчетную область для распространения звука включались также слои песка, гравия и гранита до глубины 100 м с типичными для этих сред плотностями, скоростями звука и коэффициентами поглощения. Измерения были проведены в октябре 1993 г. на стационарной трассе протяженностью 250 м. На рис. 3.3 приведена геометрия трассы и гидрологические параметры, близкие к условиям реального эксперимента. Тональные сигналы с частотами 70 и 280 Гц излучались с помощью стационарного излучателя электромагнитного типа, установленного на глубине 25.5 м вблизи от обрывистого берега мыса Шульца. Прием акустических сигналов осуществлялся с помощью комбинированного приемника (КП) цифровой кабельной акустико-гидрофизической станции «Бухта-93», установленной в 250 м от излучателя на глубине 37.5 м.
В близи от КП был установлен распределенный датчик температуры (РДТ), охватывающий слой воды от дна до горизонта 13 м и практически линейно преобразующий величину его средней температуры в электрический сигнал. С целью количественного и качественного анализа влияния распространяющейся внутренней волны на акустическое поле было проведено моделирование, согласно диаграмме выполнения расчетов, изображенной на рис. 2.4. Результаты моделирования. Поле внутренних волн рассчитывалось интегрированием уравнения (2.2) от точки X = 250 м до точки X = 0 м, причем в качестве начальных условий в точке X = 250 м были использованы экспериментальные данные РДТ. Учитывая характер данных, расчет
