Введение к работе
Актуальность работы. Задачи дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов всегда являлись привлекательными для исследователей морей и океанов. Актуальными являются проблемы по созданию автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) и обсерваторий, обеспечивающих комплексное и широкомасштабное обследование морских акваторий и дна океана и получение новых фундаментальных знаний в области океанографии, морской геологии, биологии и энергетики. Знание особенностей формирования акустических полей в конкретных районах повышает дальность позиционирования подводных объектов и связи с ними. Значительный прогресс в разработках энергопитания и расширение зоны функционирования подводных аппаратов потребовал создания низкочастотных систем навигации, связи и управления дальнего радиуса действия в условиях многолучевого распространения сложных акустических сигналов. Навигационные системы с длинной базой наиболее часто используются при решении научных задач с помощью АНПА. Интеграция методов акустической навигации, связи и томографии позволяет расширить возможности навигационных систем. Имея возможность передачи данных на АНПА и с него, производя инверсию акустических данных, с целью определения параметров окружающей среды можно значительно улучшить точность позиционирования и увеличить размеры районов работ подводных аппаратов. Решение поставленной задачи возможно при объединении результатов экспериментальных исследований, обработки сигналов, теории оценок и океанографическом моделировании и прогнозе.
Цель работы – исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов на протяженных трассах при сложных гидрологических условиях и переменном рельефе дна для задач акустической дальнометрии подводных объектов.
При этом были поставлены и решались следующие задачи:
- экспериментальные и теоретические исследования закономерностей распространения акустических псевдослучайных сигналов из шельфа в глубокое море при различных гидрологических условиях;
- исследование особенностей применения акустических псевдослучайных сигналов для измерения импульсных откликов на шельфе Японского моря;
- разработка и экспериментальная апробация методик и алгоритмов вычислительных программ для задач акустической дальнометрии и навигации подводных объектов;
- разработка алгоритмов и программ для измерительного комплекса, применяемого для исследований в области акустической навигации;
- экспериментальные исследования возможностей применения векторных приемников для идентификации максимумов функции отклика гидроакустического канала.
Научная новизна. В работе приведены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие наличие известного эффекта акустического «оползня» (Tappert F.D et al, 2002) для условий Японского моря. Использование этого эффекта позволило осуществить измерение расстояния от излучателя до приемника по акустическим данным на дистанции нескольких сотен километров с ошибкой порядка десятков метров (в сравнении с данными GPS). Для расчета расстояния применялось перемножение времени распространения, соответствующее последнему пику функции отклика канала, на значение скорости звука на оси подводного звукового канала (ПЗК). Применение столь простой операции предполагает распространение звука по наикротчайшей траектории, соединяющей корреспондирующие точки, что является нехарактерным сценарием распространения звука в морских протяженных волноводах. На основе численных расчетов с применением модели, основанной на лучевых представлениях распространения звука, показано, вследствие каких физических причин использование простого приближения для расчета расстояния является уместным.
Работа содержит новые научные результаты по апробации в натурных условиях способов акустического зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами для комплексного решения задач мониторинга поля скорости звука в мелководных акваториях и подводного акустического позиционирования.
Практическая значимость диссертации определяется разработкой современных методик и технических решений для зондирования морских акваторий сложными сигналами, применение которых позволяет решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики. В частности, решены имеющие большое практическое значение задачи вычисления функции отклика в «реальном» времени, выделение и отслеживание отдельных групп приходов функции отклика, вычисление дистанции от излучателя до приемной системы, вычисление координат подводного объекта в режиме «реального» времени. Результатом этих решений стала разработка аппаратно-программного комплекса, обладающего новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований по позиционированию подводных объектов на различных по протяженности акустических трассах в Японском море. Большинство алгоритмов обработки сигнальной информации могут быть использованы в системах томографической диагностики морской среды и навигации. Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при решении задач, поставленных в ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ и ДВО РАН, а также при выполнении оборонных НИР.
Результаты экспериментальной апробации методики идентификации угла прихода акустической энергии сложного сигнала в точке приема, с использованием векторного приемника, позволили автору выиграть грант американского акустического общества (№ RX0-1210(8)-XX-04).
В работе приводятся результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования импульсных характеристик, полученных при зондировании морских акваторий, включающих в себя шельфовую зону, континентальный склон и глубокое море, сложными сигналами для решения задач дальнометрии на протяженных трассах.
Существенным является то, что экспериментально обоснованная в многолетних натурных исследованиях эффективность разработанных методик и технических средств, позволяет прогнозировать их использование для решения актуальных проблем и в других областях прикладной гидроакустики, (например, для решения задач обороны страны, для охраны заповедников и морских границ, для прогноза миграций и обнаружения промысловых биологических объектов).
Публикации и апробация работы. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 16 работах, в том числе 9 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень Высшей Аттестационной Комиссии РФ. В рамках диссертационной работы получен 1 патент на изобретение и 2 свидетельства на программы.
Изложенные в диссертации результаты докладывались на школе-семинаре ISAET 2005 (Владивосток, 2005), на ХVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), на семинаре акад. Л. М. Бреховских, совмещённой с ХVII сессией Российского Акустического Общества (Москва, 2006), на Международной IX региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Сеул, Ю. Корея, 2006), на V всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» ТОИ ДВО РАН (Владивосток, 2007), конференции молодых ученых «Океанологические исследования» ТОИ ДВО РАН (Владивосток, 2007), на научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана» ИПМТ ДВО РАН, (Владивосток, 2007), на 2-ом Международном симпозиуме по мониторингу ТОИ-КОРДИ (Владивосток 2006), на 4-ом Международном Симпозиуме «Акустические инженерные разработки и технологии» (Харбин, Китай, 2005), на Международной 9-ой акустической конференции западной части Тихого океана (Сеул, Корея, 2006), на Международной научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана». (Владивосток, 2005), на IV всероссийский симпозиуме «Сейсмоакустика переходных зон». (Владивосток, 2005), на 5-ом Международном симпозиуме по мониторингу ТОИ-КОРДИ, (Улджин-Ган, Корея, 2009), на 5-ом Международном Симпозиуме «Акустические инженерные разработки и технологии» (Харбин, Китай, 2010), на Международной конференции по подводной акустике Тихоокеанского побережья. «Акустика мелкого моря» (о. Чеджу-до, Корея, 2011)
Личный вклад автора. Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате обработки, анализа и интерпретации результатов, полученных автором в натурных исследованиях, проведенных в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОИ ДВО РАН. Лично автором выполнялись: разработка алгоритмов сбора, обработки и графического представление натурных данных, функционирующих в режиме реального времени; обработка экспериментальных данных и акустическая интерпретация полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментально показано, что размещение низкочастотных навигационных источников сигналов у дна, вблизи береговой черты, приводит к эффективному согласованию придонного распространения акустической энергии в шельфовой зоне с дальнейшим распространением в подводном звуковом канале (эффект «оползня»).
2. Выявленные закономерности распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов позволяют рассчитывать на эффективную техническую реализацию дальномерных и навигационных систем на протяженных трассах при сложных гидрологических условиях и переменном рельефе дна.
Работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 112 страниц, включая 38 рисунков, 2 таблицы и списка литературы из 127 наименований.
