Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Интенсивное исследование распространения акустических волн в океане, проводившееся в течение нескольких последних десятилетий, привело к появлению целого ряда работ и монографий, в которых были подробно разработаны теоретические основы распространения звуковых волн в слоистых океанических волноводах [Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П., Годин О.А., Кравцов Ю.А.].
После разработки основных принципов акустической томографии океана [Mimk W., Wunsh С] возникла необходимость в совершенствовании лучевых алгоритмов, т.к. проблема томографической инверсии требует расчета многочисленных реплик поля для сопоставления с экспериментальными данными, а имеющиеся программы были непрактично медленными. В данной работе показано, что использование эффективной процедуры поиска геометрических, временных и угловых характеристик собственных лучей, соединяющих источник и приемник, может существенно уменьшить время расчета акустических полей [1,2]. Впоследствии, в 1994-1995 гг., на актуальность проблемы ускорения программ и возможность интерполяции характеристик лучей указывалось в работах [Кирегтап IV., Schmidt Я, Jensen К, PorterМ.В., DozierL., LallementP.].
Для реконструкции пространственных неоднородностей в океанических волноводах наряду с развитием классической томографической схемы [Munk W., Wunsh С], широкое развитие получили и другие томографические схемы, отличающиеся друг от друга как различными приближениями, используемыми в расчетах акустического поля, так и различными механизмами взаимодействия неоднородностей морской среды с акустическими полями. В данной работе предложен лучевой вариант дифференциального метода, который дополняет модовую схему [Нечаев А.Г., Хилъко А.И.] в тех случаях, когда межмодовая дисперсия не существенна, но существенно разделение принимаемого импульсного сигнала на импульсы, отвечающие отдельным лучам. Развитие лучевой схемы дифференциального метода [3,7] позволило разработать новый подход к определению дистанции до океанической неоднородности.
Одним из методов согласования экспериментально измеренных потерь при распространении звука с результатами расчета поля в волноводе с дном в виде упругого полупространства является введение частотной зависимости затухания в дне [Летников В.Г., Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г., Гамильтон Э.Л., Zhou Ji-хип]. Имеются многочисленные подходы к реконструкции параметров дна по непосредственным экспериментальным измерениям акустического поля [Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г., Летников В.Г., Chapman N.R., Hermand J.-P., Веденеє А.И., Гончаров В.В., Курьянов Б.Ф.], [14] или по коэффициентам отражения [ChotirosN.P., PapadakisP.J.,
Engelbrecht S., Белов A.M.]. В акустике океана разработано также большое количество методов реконструкции параметров дна, использующих различные оптимизационные схемы, такие как Simulating anneling и Genetic algorithm [Diachok О., Caiti A., Gerstoft P., Schmidt H.\ Тем не менее, было обнаружено, что применение таких схем не обеспечивает автоматического успеха, т.к. их эффективное использование возможно лишь при наличии большого объема априорной информации, а также глубокого понимания физических законов распространения и отражения звука.
Таким образом, задачи прогнозирования потерь при распространении звука в мелком море эквивалентны задаче изучения строения океанического дна [Кирегтап W., Крупин В.Д., Агеева Н.С., Семенов А.Г., Державин А.М., Белов А.И., Студеничник Н.В., Demoulin X., Porter М., HermandJ.-P., Tolstoy A., Chapman N.R, Bjorno L., Papadakis J.S., Taroudakis M.I.]. Для реконструкции характеристик дна в мелком море часто используются пространственная зависимость акустического поля на отдельных частотах [Крупин В.Д., Агеева Н.С., Белов А.И.]. Использование широкой полосы частот для реконструкции увеличивает точность определения параметров дна [Taroudakis M.I., Markaki М.]. Численные и экспериментальные исследования потерь при распространения звука в мелком море в широком диапазоне частот показали наличие оптимальных частот, т.е. частот, при распространении звука на которых потери минимальны. В работах [Akal Т., Кирегтап W.] было вьиснено, что оптимальные частоты существенным образом зависят от гидрологических условий и параметров, слагающих дно пород. В данной работе была исследована зависимость оптимальной частоты от параметров дна и показана возможность восстановления свойств дна по пространственно-частотному распределению энергии вблизи оптимальной частоты. Важным моментом при реконструкции является априорная информация о структуре дна в районе проведения эксперимента, т.к. это уменьшает диапазон перебора параметров дна. Кроме того, при численных исследованиях выявлено, что наиболее сильно влияют на оптимальную частоту продольная скорость звука и толщина слоя, а также скорости распространения звука в упругом полупространстве. После подбора перечисленных параметров среды, основанного на предварительном анализе их влияния на оптимальную частоту, проводилось варьирование остальных параметров с целью «тонкой корректировки» расчетных кривых изолиний потерь и получения максимального совпадения экспериментальных и расчетных данных. Реконструкция характеристик дна по экспериментальным данным, полученным в широком диапазоне частот, подтвердила работоспособность предложенного подхода [21].
Общая теория отражения и прохождения звука в слоистых средах развита в монографиях [Бреховских Л.М., Годин О.А., Молотков Л.А., Ursin В.]. Для развития резонансного и поэтапного методов реконструкции пара-
метров дна усилия в данной работе были сконцентрированы на создании надежного численного инструмента, позволяющего проводить расчеты коэффициентов отражения от многослойных упругих сред. Для построения интерференционных решений уравнений теории упругости часто используется матричный метод, позволяющий обойти сложную процедуру удовлетворения всех граничных условий [Молотков Л.А.]. Разработанный автором алгоритм, развивающий матричный формализм Данкина-Траузра [Молотков Л.A., Thomson W.T., HaskellN.A., Dunkin I.W., Thrower E.N.], позволил провести исследования поведения коэффициента отражения от слоистого упругого дна в широком диапазоне частот и углов и получить ряд результатов, имеющих большое научное и практическое значение [25-31,33].
Исследования поведения изолиний коэффициента отражения как функции параметров дна позволили разработать новый метод поэтапной реконструкции дна. Процедура реконструкции построена так, что рассматривалась близость к экспериментальным потерям не конкретной реплики, а семейства реплик. Последнее достигалось путем интегрирования специальным образом введенной функции. Эта процедура позволила выполнить поэтапную реконструкцию параметров дна в глубоководной части Тихого океана с использованием экспериментальных данных [24,26,29,35,37]. Развитие поэтапных методов в последнее время становится актуальным в связи с постоянно возрастающей сложностью используемых при реконструкции моделей дна [Chapman N.R.].
Важное место в диссертации занимают проблемы, связанные с исследованием резонансных явлений при отражении звука от упругого слоистого дна. В настоящее время возрастает интерес к их использованию в слоистых средах непосредственно для реконструкции параметров дна [Godin О.А., Chapman D.M.F.]. Это связано с эксплуатацией и разведкой прибрежных месторождений нефти и газа, а также с исследованием нестабильности осадков, представляющих геологический риск в портах и на морских буровых платформах. До настоящего времени связь между резонансными структурами (позицией и полушириной резонансных пиков) и материальными параметрами морского дна были получены только для простых моделей жидкого/упругого слоя, лежащего между двумя жидкостями [Uberall #., Fiorito R., Madigosky W., Nagl А.]. Соотношения подобного типа для широкого класса многослойных моделей дна, учитывающих сдвиговую упругость, еще не исследовались. Сложность проведения таких исследований привела к развитию приближенных интерференционных методов, обеспечивающих удовлетворительную интерпретацию экспериментальных данных [JuliacE, Chapman КК, Chapman D.M.F.].
В работе [Бреховских Л.М., Годин О.А.] в рамках точного метода получены аналитические выражения коэффициента отражения плоской волны
от упругого слоя, лежащего на упругом полупространстве. Однако, конечные точные решения так громоздки, что их невозможно использовать для интерпретации экспериментальных данных. Лишенная этих недостатков резонансная теория, развитая в NSWC (Naval Surface Weapon Center) [UberallH., GamiardG.C.], с успехом была применена в акустике дна океана. Точность и простота аппроксимаций резонансной теории способствует пониманию и интерпретации сложных физических механизмов взаимодействия звука со слоистыми средами. В данной работе на основании точного выражения коэффициента отражения были получены характеристические уравнения, описывающие положение частотных и угловых резонансов, возникающих при озвучивании плоской волной упругого слоя, лежащего на упругом полупространстве. Следуя резонансной теории, предложенной в работах [UberallН., GaunardG.C, Madigosky W., Dragonette L,], получены приближенные выражения коэффициента отражения, описывающие процесс отражения плоских волн в условиях резонанса для упругой слоистой модели дна. Сопоставление расчетов, выполненных с помощью точных и приближенных выражений, показало их хорошее совпадение вблизи двух типов резонансов. Проведенные численные и аналитические исследования расширяют существующие представления о взаимодействии звука со слоистыми упругими средами и могут быть использованы для развития резонансных методов определения параметров морского дна.
Цели работы
Основной целью диссертации является теоретическая разработка методов дистанционного зондирования водной толщи и дна океана и реконструкция геоакустических свойств морского дна по пространственно-частотным зависимостям потерь при распространении и частотно-угловым зависимостям коэффициента отражения плоских волн от дна. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач.
-
Теоретическое и численное исследование возможностей определения характеристик океанических неоднородностей и геоакустических параметров слоистого морского дна в рамках лучевого приближения по рассеянным и отраженным звуковым сигналам.
-
Анализ влияния геоакустических параметров упругого слоистого дна на пространственно-частотные зависимости акустического поля в мелком море. Численное исследование с помощью метода нормальных волн зависимости оптимальной частоты распространения звука от основных параметров жидкого поглощающего слоя осадков, лежащего на упругом основании. Построение и идентификация геоакустической модели слоистого упругого дна по экспериментально измеренной пространственно-частотной зависимости потерь при распространении звука.
-
Анализ влияния геоакустических параметров упругого слоистого дна на частотно-угловые зависимости коэффициента отражения плоских волн
от многослойного упругого поглощающего дна. Разработка метода поэтапной реконструкции геоакустических свойств морского дна по частотно-угловым зависимостям коэффициента отражения.
4. Расширение резонансного подхода для случая упругого поглощающего слоя, лежащего на упругом поглощающем полупространстве, с целью развития резонансных методов реконструкции дна.
На зашиту выносятся следующие положения
-
Интерполяционный алгоритм поиска геометрических, временных и угловых характеристик собственных лучей, соединяющих источник с приемником, позволяющий существенно сократить время при расчетах большого количества реплик поля.
-
Методика пространственной локализации неоднородности в приповерхностном звуковом канале по временной структуре прямого и рассеянного на локальной неоднородности сигнала в рамках лучевой схемы дифференциального метода акустической томографии океана.
-
Построение и идентификация геоакустической модели дна, удовлетворительно описывающей распространение звука в окрестности оптимальной частоты в мелком море, по экспериментально измеренной пространственно-частотной зависимости потерь.
-
Развитие резонансного подхода для случая упругого слоя, лежащего на упругом полупространстве, с целью разработки резонансных методов определения параметров дна: получение характеристических уравнений и выражений, аппроксимирующих коэффициент отражения в окрестности минимумов коэффициента отражения. Установление аналитической связи между положениями резонансов и материальными параметрами упругого слоистого дна.
-
Метод поэтапной реконструкции характеристик слоистого морского дна по экспериментально измеренной угловой зависимости коэффициента отражения.
Научная новизна
Новизна положения 1 состоит в применении интерполяционного алгоритма к проблеме нахождения геометрических, временных и угловых характеристик луча в точках приема. Новизна положения 2 состоит в использовании лучевой схемы дифференциального метода акустической томографии океана для определения положения неоднородности вдоль трассы. Все остальные результаты являются полностью новыми.
Практическая значимость
Полученные результаты могут найти практическое применение в океанологии, геофизике, геологии и сейсмологии. Определение параметров морского дна имеет существенное значение как для решения томографических задач в мелком море, так и для эксплуатации и разведки прибрежных месторождений нефти и газа, а также для исследования нестабильности
осадков, составляющей геологический риск в портах и на морских буровых платформах. В частности:
-
Ценность разработанных в диссертационной работе алгоритмов расчета характеристик звуковых полей в океане определяется тем, что созданные на их основе комплексы программ позволяют количественно оценивать влияние слоистости и упругости морского дна на структуру звукового поля. Они основываются на достаточно реалистичных моделях и пригодны для широкого использования в научных и учебных целях.
-
Массовый численный эксперимент по распространению звука в океане и отражению от упругого слоистого морского дна позволяет существенно повысить уровень и качество интерпретации результатов натурных экспериментов, а также провести ряд численных экспериментов, осуществление которых затруднено в реальных морских условиях.
-
На основе метода лучевой дифференциальной томографии океана выработан новый подход позволяющий проводить пространственную локализацию неоднородности по временной структуре акустического поля, измеренного на горизонтальной антенне (грант РФФИ №94-05-1725-а).
-
Разработанные в работе методы позволяют по пространственно-частотным зависимостям потерь вблизи оптимальной частоты распространения звука или по частотно-угловым зависимостям потерь при отражении реконструировать геоакустические характеристики слоистого морского дна (гранты РФФИ №96-02-18944, № 97-05-64712).
-
Полученные решения характеристических уравнений и резонансные выражения коэффициента отражения позволят расширить резонансный подход к определению параметров дна для случая упругого слоя, лежащего на упругом полупространстве. Резонансный подход упрощает решение обратной задачи отражения, так как величины, характеризующие резонансы (положение, полуширина), легко могут быть измерены и впоследствии связаны с параметрами дна (грант РФФИ №00-05-64956).
Результаты диссертации использовались автором при выполнении плановых НИР в Институте прикладной физики РАН. Созданные в результате работы программы апробированы в условиях морского томографического эксперимента THETIS-2 (1994), переданы в Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, в отдел 220 ИПФ РАН.
Исследования, составившие основу диссертации, выполнялись в соответствии с научными планами ИПФ РАН и проводились по темам:
- «Разработка методов реконструкции океанических и донных неодно-родностей по интерференционной структуре акустического поля» (грант РФФИ №94-05-1725-а);
«Исследование влияния упругого слоистого дна на распространение акустических сигналов и разработка методов определения акустических характеристик слоистого дна» (грант РФФИ №96-02-18944);
«Разработка методов реконструкции характеристик слоистого дна по частотно-угловым зависимостям потерь при отражении звука» (грант РФФИ № 97-05-64712);
«Развитие резонансного подхода к определению акустических характеристик упругого слоистого дна» (грант РФФИ №00-05-64956).
Апробация работы
Результаты, полученные в диссертации, докладывались на семинарах Отделения гидрофизики и гидроакустики ИПФ РАН, на II, IV, VI, VII, X сессиях Российского акустического общества, Москва (1993, 1995, 1997) [4,5,15,22,23], школах-семинарах академика Л.М. Бреховских «Акустика океана», Москва (1995, 1998, 2000) [15,28,29,36,37], V Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах», Москва (1996) [19,20], 3-й Конференции французских акустиков, Тулуза (1994) [12,13], 2-5-й Европейских конференциях по подводной акустике, Копенгаген (1994), Гераклион (1996), Рим (1998), Лион (2000) [10,11,17,18,27,38], 9-м Международном симпозиуме по акустическому зондированию, Вена (1998) [25,26], 2-м Международном симпозиуме по гидроакустике, Гданьск-Jurata (1999) [30], 4-й Международной конференции по теоретической и расчетной акустике, Триест (1999) [31].
По результатам, вошедшим в диссертацию, опубликовано 36 работ (среди них 11 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 4 препринта ИПФ РАН, 22 доклада и тезисов в трудах Всероссийских и Международных конференций).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений к главе 3. Диссертация содержит 177 страниц, в том числе 47 иллюстраций, 6 таблиц и 3 приложения. Библиография включает 249 наименований.
