Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Некоторые вопросы теории гидроакустических взаимодействий в океане. Нелинейные и параметрические процессы в акустике 17
1.1. Взаимодействие звук-звук. Нелинейная акустика 18
1.1.1. Основные уравнения нелинейных и параметрических процессов в акустике 18
1.1.2. Уравнения нелинейной акустики 26
1.1.3. Плоские нелинейные волны в средах с дисперсией и затуханием. Спектральная форма решений 34
1.1.4. Распространение нелинейных звуковых волн в жидкости при кавитации 40
1.1.5. Случайные акустические поля в нелинейных средах. Акустическая турбулентность 47
1.2. Взаимодействие высокочастотных и низкочастотных звуковых волн. Параметрический приемник звука 59
1.2.1. Вопросы теории параметрических явлений в акустике океана... 60
1.2.2. Взаимодействие «звук-звук» и локационная схема параметрического приемника 63
1.2.3. Скорость распространения медленной фазы 67
1.2.4. Обратная задача 70
1.2.5. О влиянии длины базы на характеристики приемной параметрической антенны 71
1.2.6. Схемы обработки сигналов приемной параметрической антенны. Когерентный параметрический приемник 78
1.2.7. Экспериментальные исследования локационного параметрического приемника 85
1.3. Гидроакустические взаимодействия в океане 90
1.3.1. Рассеяние нелинейных звуковых волн в случайно-неоднородных средах 90
1.3.2. О поглощении и рассеянии звука в турбулентной среде 98
1.3.3. Взаимодействие звуковых и внутренних волн 104
Глава 2. Объемное рассеяние звука гидрофизическими неоднородностями морской среды 112
2.1. Теоретические исследования объемного рассеяния звука в случайно-неоднородных средах. Основные уравнения 117
2.1.1. Рассеяние звука температурными неоднородностями в океане.. 123
2.1.2. Основные характеристики обратного объемного рассеяния звука в океане 125
2.1.3. Гидроакустические характеристики неоднородной среды океана. 133
2.2. Экспериментальные исследования неоднородностей гидрофизических полей в океане 144
2.2.1. Аппаратура и методики для исследования характеристик гидрофизических полей 145
2.2.2. Экспериментальные исследования вертикальной структуры гидрофизических полей в Тихом и Атлантическом океанах 154
2.2.3. Экспериментальные исследования вертикальной структуры гидрофизических полей в Индийском океане 160
2.3. Экспериментальные исследования объемного рассеяния звука в натурных условиях 175
2.3.1. Аппаратура и методики для исследования объемного рассеяния звука в океане 176
2.3.2. Экспериментальные исследования обратного объемного рассеяния звука в Тихом океане 179
2.3.3. Экспериментальные исследования обратного объемного рассеяния звука в Индийском океане 187
2.3.4. Натурные исследования временной и пространственной изменчивости объемного рассеяния звука в Норвежском и Баренцевом морях 204
2.4. Лабораторные исследования обратного объемного рассеяния звука на турбулентной струе 235
Глава 3. Применение параметрических приборов в океанологических исследованиях 257
3.1. Акустическая излучающая параметрическая антенна и технические характеристики гидролокаторов ПГЛ-5, ПГЛ-6М и «PARASO-UND» 260
3.2. Экспериментальные исследования акустических характеристик океана с применением параметрических гидролокаторов во 2, 6 и 11-ом рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» 266
3.2.1. Объемное рассеяние звука гидрофизическими неоднородностями и ЗРС 268
3.2.2. Рассеяние звука дном океана 282
3.3. Акустические океанологические исследования в 3-м рейсе НИС
«Академик Иоффе» 287
3.3.1. Исследования частотных и угловых зависимостей коэффициента отражения от дна и придонных слоев 290
3.3.2. Исследование частотных зависимостей обратного объемного рассеяния звука от ЗРС 298
3.3.3. Сейсмоакустическое профилирование с помощью параметрического гидролокатора «PARASOUND» 304
Глава 4. Три акустических метода для дистанционного измерения вертикального распределения скорости звука в океане 319
4.1. Метод дистанционного определения вертикального профиля скорости звука с помощью специального рассеивателя звука 321
4.2. Корреляционный метод 328
4.3. Метод оценки точности измерения ВРСЗ с помощью простого зонда с гидроакустическим каналом связи 340
Заключение 352
Список литературы 362
Приложение
- Взаимодействие высокочастотных и низкочастотных звуковых волн. Параметрический приемник звука
- Схемы обработки сигналов приемной параметрической антенны. Когерентный параметрический приемник
- Экспериментальные исследования неоднородностей гидрофизических полей в океане
- Экспериментальные исследования акустических характеристик океана с применением параметрических гидролокаторов во 2, 6 и 11-ом рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш»
Введение к работе
Наука о Мировом океане практически безгранична и сложна, как и сама морская среда. Она охватывает широкий спектр математических дисциплин, все естественные направления, ряд областей техники, проблемы морских ресурсов, а также вопросы, связанные с их эксплуатацией.
История человечества неразрывно связана с изучением и освоением океанических просторов. Значительную роль в процессе изучения и освоения океана выполняет акустика, а точнее гидроакустика. В настоящее время трудно представить изучение океана без использования современных акустических методов. Многие гидроакустические приборы стали стандартными приборами в океанологической практике: многолучевые эхолоты, дистанционные доплеровские измерители течений, узколучевые низкочастотные параметрические эхолоты, цифровая подводная связь и др. Когда более 50 лет назад П.П.Ширшовым был организован Институт океанологии Академии наук, значение гидроакустических методов для океанологических исследований еще не было осознано, и океанологи использовали традиционные методы, а акустические исследования ограничивались стандартными эхолотами для измерения глубин дна.
При помощи акустических методов можно дистанционно измерять характеристики динамических процессов в океане на больших акваториях и в течении длительных промежутков времени. Методы акустического зондирования важны не только для океанологических исследований, но и широко используются для решения прикладных проблем. Законы распространения акустических волн в океане весьма сложны и многообразны и поэтому расшифровка данных акустического зондирования сопряжена со значительными трудностями. Более того, в среде океана происходят различные движения сложного характера, вызываемые ветрами, солнечным излучением, гравитационными процессами, приводящие к образованию большого разнообразия волн механической природы - звуковые, поверхностные, внутренние, инерционные волны, волны Россби и др. Диапазон масштабов таких движений простирается от планетарных, присущих системам течений и приливно-отливным процессам, до субмиллиметровых, свойственных мелкомасштабной турбулентности и коротким звуковым волнам. К промежуточному масштабу относятся внутренние волны и упругие (звуковые) волны широкого спектра.
Решение актуальных задач исследования Мирового океана и освоения его богатств требует непрерывного совершенствования гидроакустических средств, поиска новых идей и методов их создания. Перспективным направлением в развитии океанологических исследований явилось применение недавно разработанных на базе нелинейной теории параметрических приборов, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии акустических волн. В результате чего стало возможным при малых размерах излучателей получить в среде распределенную изучающую антенну достаточно большого размера. В качестве антенны при этом выступает сама среда, заполненная первичным акустическим излучением.
В 60х годах прошлого столетия нелинейная акустика представляла собой сплошную загадку. В МГУ им. Ломоносова и Акустическом институте АН СССР шла бурная полемика по нелинейной теории, и даже сам процесс взаимодействия волн конечной амплитуды иногда ставился под сомнение.
Несмотря на то, что усиленный интерес к различным нелинейным явлениям в акустике появился только в конце 60х и 70х годах XX века ряд работ, лежащих в её основе (нелинейной акустики), был выполнен значительно раньше Пуассоном, Стоксом, Эйри, Ирншоу, Риманом и академиком Н.Н.Андреевым. Эксперименты, постановка которых в значительной мере стимулировалась развитием теории, начали проводиться лишь после 1975 года в ТРТИ им. В.Д.Калмыкова под руководством проф.
В.И.Тимошенко.
Традиционные акустические методы обладают рядом существенных ограничений, возникающих из-за многолепесткового характера диаграммы направленности акустических антенн, ограниченной возможности перестройки частоты, широкой диаграммы направленности основного лепестка, высоких рабочих частот и др.
В значительной мере свободны от этих ограничений параметрические излучатели и приемники звука, основанные на явлении нелинейного взаимодействия звуковых волн в среде.
Диаграмма направленности параметрического излучателя формируется всем объемом среды, в котором происходит взаимодействие акустических волн и практически определяется направленностью преобразователя волны накачки. При сравнительно небольших размерах антенной системы формируется узконаправленное излучение на низких частотах при отсутствии боковых лепестков. Параметрические излучатели могут работать в широком диапазоне частот.
Но отмеченные выше преимущества параметрического излучателя серьезно обесцениваются его основным недостатком - малой эффективностью и сравнительно невысоким уровнем излучения.
Несмотря на эти, весьма противоречивые свойства акустической излучающей параметрической антенны к ней привлечено значительное внимание специалистов. В настоящее время интенсивно разрабатываются, выпускаются промышленностью и начинают широко применяться как у нас в стране, так и за рубежом эффективно работающие подводные нелинейные параметрические системы разнообразного назначения.
В Лаборатории рассеяния и отражения звука ИО РАН им. П.П.Ширшова и на кафедре ЭГАиМТ ТРТУ несколько лет велись совместные работы по разработке и применению в океанологических исследованиях параметрических излучающих и приемных антенн. Уже первые испытания во 2-ом рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» показали возможность и целесообразность использования параметрических гидролокаторов для океанологических исследований. В этой экспедиции с помощью параметрического гидролокатора получены записи рельефа дна на глубинах до 3,5 км с лучшим разрешением, чем давали традиционные судовые эхолоты, измерены коэффициенты отражения от дна в различных районах и коэффициенты объемного рассеяния ЗРС, зарегистрирован процесс их суточной миграции, измерена частотная зависимость силы слоя и др. Использование преимуществ параметрических антенн позволило рекомендовать их как существенное дополнение к имеющимся приборам для изучения океана.
Проведенные исследования, результаты которых были опубликованы в работах [73-75], выявили и ряд недостатков параметрического гидролокатора и режима его эксплуатации в океанологических исследованиях.
Для проведения исследований в масштабах океана необходимо было увеличить мощность излучающего тракта, расширить частотный диапазон в сторону более низких частот, увеличить чувствительность приемного тракта во всем диапазоне частот. Использование узконаправленных систем требует стабилизации акустической антенны.
Эти недостатки были учтены и частично устранены в последующих экспедициях в 6-ом и 11-ом рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш», причем особое внимание было уделено вопросам регистрации и обработки рассеянных сигналов с использованием магнитных регистраторов и ЭВМ, а также применению для излучения сложных сигналов (амплитудно-частотно-манипулированных, линейно-частотно-модулированных и др. в диапазоне частот от 5 до 50 кГц).
Обзор основных результатов по рассеянию звука в океане, полученных в этих экспедициях благодаря преимуществам параметрического излучателя, приведен в разд.3.2.1, которому предшествуют краткие сведения об акустической излучающей параметрической антенне и технические характеристики использованных гидролокаторов.
В разделе 1.3.1. приводятся теоретические исследования вопросов распространения звуковых волн конечной амплитуды в случайно-неоднородных средах, актуальных для задач практического использования параметрических антенн в реальных турбулентных средах.
Классическая акустика океана не рассматривает нелинейные взаимодействия звуковых волн с различными модами движений в сложной и многосвязной системе океана, поскольку для описания последних несущественна сжимаемость жидкости, без которой невозможны сами звуковые волны.
Нелинейные взаимодействия различного ряда волн в океане являются первопричиной некоторых процессов, рассмотрение которых невозможно в рамках линейной теории. Так, поверхностные волны, взаимодействуя друг с другом, порождают инфразвуковые волны в океане и атмосфере. Взаимодействия поверхностных и внутренних волн эффективно изменяют спектральный состав тех и других. Нелинейные взаимодействия интенсивных звуковых волн положили начало созданию в конце XX века нового класса акустических приборов - параметрических излучателей и приемников с уникальными характеристиками, свободными от ряда недостатков линейных приборов.
Высокочастотная звуковая волна при распространении в океане в принципе взаимодействует со всеми полями, существующими в среде. В результате такого взаимодействия высокочастотная звуковая волна оказывается промодулированной и, таким образом, становится источником информации о динамическом состоянии среды. И, следовательно, такой параметрический приемник может регистрировать сигналы не только звуковой природы. Это делает возможным использование высокочастотных акустических волн для изучения динамического состояния среды и, в частности, для измерения некоторых характеристик динамических процессов и гидрофизических полей в океане.
Наиболее изученными в настоящее время являются процессы нелинейного искажения интенсивных звуковых волн [76-78,102-104] их взаимодействия друг с другом, а также вопросы распространения звука в случайно-неоднородных средах [3-5]. Рассмотрение связи между динамическими процессами в океане и акустическими полями оказывается менее исследованной областью гидродинамики океана.
Акустика океана имеет два аспекта. Первый из них - изучение того, как изменчивость динамического состояния океана влияет на распространение звуковых волн. В океане помимо регулярных возмущений наблюдаются случайные флуктуации различных параметров, обусловленные существованием в толще океана турбулентности, внутренних волн, флуктуации температуры, солености и плотности, приводящие к локальным изменением скорости звука и искажениям акустического поля. Другой аспект связан с использованием акустических волн для исследования структуры океана, т.е. по характерным изменениям акустического поля вызванных локальными динамическими процессами в океане, можно судить о некоторых характеристиках этих процессов, о чем уже отмечалось выше. Это, так называемая, обратная задача.
Целью диссертационной работы является решение научной и прикладной проблемы создания методов и средств измерения стратификации морской среды и изучения тонкой структуры гидрофизических полей на основе исследований акустических взаимодействий в океане.
В работе рассматриваются следующие процессы: распространение и рассеяние нелинейных звуковых волн; взаимодействие звуковых волн и параметрические явления в акустике океана; поглощение и рассеяние звука в турбулентной среде; взаимодействие звуковых и внутренних волн; теоретические и экспериментальные исследования рассеяния звука гидрофизическими неоднородностями морской среды; применение параметрических приборов для океанологических исследований; акустические методы для дистанционного измерения гидрофизических характеристик морской среды.
На защиту выносятся следующие теоретически и экспериментально исследованные научные результаты и положения:
Нелинейное волновое уравнение для сред с дисперсией и затуханием, его параболическое приближение, а также нелинейное волновое уравнение для неоднородных сред.
Спектральный метод получения приближенных решений нелинейных уравнений, на основе которого: получены аналитические выражения для корреляционной функции, энергетического и универсального (для высокочастотной области) спектров случайного поля скорости, образованного источником стационарного шума в нелинейной идеальной среде; рассмотрена задача распространения нелинейной звуковой волны в жидкости с кавитацией, при этом обнаружено явление образования солитонов в среде с дисперсией.
3. Результаты теоретических исследований вопросов распространения нелинейных звуковых волн в случайно-неоднородных средах, актуальных для задач практического использования параметрических излучающих антенн в реальных турбулентных средах.
Модель явления вынужденного рассеяния звуковых волн на возмущениях завихренности, обусловленное обратным воздействием интенсивного звука на вихревое поле скорости, а также модель связанных внутренних и звуковых волн и локальное дисперсионное уравнение.
Модели параметрических явлений, в основе которых лежит взаимодействие высокочастотной звуковой волны и низкочастотных волн или полей в жидкости в адиабатическом приближении с введением понятия скорости «медленной» фазы; схемы параметрических приемников (в частности локационного), методы обработки и оптимального детектирования фазо-модулированных сигналов таких приемников, как, например, демодулятор с когерентным гетеродином и системой фазовой автоподстройки частоты.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований объемного рассеяния звука гидрофизическими неоднородностями морской среды, которые позволили установить, что в случае флуктуации сжимаемости и плотности, обусловленных только температурными неоднородностями, выражение для эффективного дифференциального сечения рассеяния единицы объема случайной среды, широко используемое в океанологии, применимо лишь для газообразных сред, а также позволили найти соответствующее выражение для сечения рассеяния звука в жидких средах.
Методика синхронных измерений пространственно-временных характеристик рассеянных звуковых полей и структурных параметров рассеивающей среды.
Принципы построения высокочувствительного зондирующего комплекса для оперативного исследования вертикальной структуры и спектральных характеристик полей температуры и скорости звука.
9. Результаты исследований мелкомасштабной структуры полей скорости звука и температуры, а также их взаимных статистических характеристик проведенных в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах с помощью разработанного зондирующего комплекса.
10. Результаты комплексных экспериментальных исследований и натурных испытаний параметрических гидролокаторов в океанологических экспедициях по изучению рассеяния звука гидрофизическими неоднородностями, звукорассеивающими слоями и дном океана в различных районах Мирового океана.
11. Корреляционный метод для дистанционного измерения вертикального распределения скорости звука в океане.
По результатам исследований опубликована 41 научная работа, в том числе одна монография, 40 статей и тезисов докладов. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию были представлены на Международных и Всесоюзных конгрессах по акустике, нелинейной акустике и океанологии, на научной школе-семинаре акад. Л.М.Бреховских «Акустика океана» и многих других конференциях и семинарах в 1971-2002 гг.
Кроме того, автор принимал участие в выполнении ряда научно-исследовательских работ по теме диссертации, в результате которых в ВИНИТИ зарегистрировано 12 научно-технических отчетов, а также участвовал в организации и проведении 8 научно-исследовательских экспедиций на судах Института океанологии им. П.П.Ширшова в 1981-1991гг., по материалам которых составлено 8 отчетов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемых литературных источников.
В первой главе рассматриваются вопросы теории гидроакустических взаимодействий в океане. Выполнены теоретические исследования взаимодействия акустических волн, получены и проанализированы основные уравнения для нелинейных и параметрических волновых процессов в акустике однородных и неоднородных сред; приведена спектральная форма решений и рассмотрены задачи распространения нелинейных звуковых волн в жидкости при кавитации, случайных волн в нелинейных средах, взаимодействия высокочастотных и низкочастотных звуковых волн (параметрический приемник), рассеяния нелинейных волн в случайно-неоднородных средах, поглощение и рассеяние звука в турбулентной среде и взаимодействие звуковых и внутренних волн.
Во второй главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований объемного рассеяния звука гидрофизическими неоднородностями морской среды. Рассмотрена теоретическая задача рассеяния звука температурными и турбулентными неоднородностями в океане и проанализированы результаты в связи с известными работами; показано различие процессов рассеяния для газообразных и жидких сред; исследовано влияние флуктуации плотности и сжимаемости неоднородностей на рассеяние звука в обратном направлении. Приведены результаты многолетних экспериментальных исследований объемного рассеяния звука в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах, а также в Северных морях. Описаны аппаратура и методики этих исследований. В заключение главы приведены методика и результаты лабораторных исследований обратного объемного рассеяния звука на турбулентной струе.
В третьей главе обсуждаются вопросы применения параметрических гидролокаторов в океанологических исследованиях рассеяния звука гидрофизическими неоднородностями, звукорассеивающими слоями (ЗРС) и дном океана в экспедициях научно-исследовательских судов «Академик Мстислав Келдыш» и «Академик Иоффе». Приведены результаты сейсмоакустического профилирования дна с помощью параметрического гидролокатора «PARASOUND».
В четвертой главе рассмотрены три акустических метода для дистанционного измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в океане и выполнены оценки точности измерения ВРСЗ различными методами.
В заключении сформулированы основные результаты работ выполненных по теме диссертации.
Основные теоретические исследования выполнены автором самостоятельно, а в экспериментальных работах принимали участие сотрудники Лаборатории рассеяния и отражения звука Института океанологии им. П.П.Ширшова: Березуцкий А.В., Максимов С.Э. и др., а также сотрудники кафедры ЭГА и МТ Таганрогского радиотехнического университета: Тарасов СП., Воронин В.А. и др.
Большую помощь в организации и проведении экспериментальных исследований оказали зав. Лаб. ИО проф. Житковский Ю.Ю. и зав. Кафедры ЭГА и МТ ТГРУ проф. Тимошенко В.И.
Поддержку и стимулирование работы по написанию диссертации оказывает академик РАН Андрей Сергеевич Монин.
Работа выполнена в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН.
Взаимодействие высокочастотных и низкочастотных звуковых волн. Параметрический приемник звука
Развитие идеи параметрического приемника звука [150], в основе которой лежит взаимодействие высокочастотной и низкочастотной звуковых волн существенно разных пространственно-временных масштабов, позволяет решить некоторые важные для практики задачи. Например, если применить два приемных преобразователя высокочастотной волны накачки, расположенных на одной оси с излучателем и на некотором расстоянии друг от друга, возможно измерить скорость «следа» низкочастотной волны сигнала или в случае, когда априори известна скорость распределения волны сигнала в среде, в частности, если сигналом является звуковая волна, определить угол прихода волны сигнала по отношению к направлению распространения волны накачки.
Здесь надо заметить, что благодаря нелинейности основных законов сохранения механики сплошной среды высокочастотная звуковая волна накачки при распространении взаимодействует со всеми полями, существующими в среде. В результате такого взаимодействия звуковая волна оказывается промодулированной и, таким образом, становится источником информации о динамическом состоянии среды. Следовательно, параметрический приемник может регистрировать сигналы не только звуковой природы, что открывает принципиальные возможности практического использования высокочастотных акустических волн для диагностики и излучения динамического состояния среды и, в частности, для измерения некоторых характеристик динамических процессов и гидрофизических полей в океане. Очевидно, что получение на практике такой информации представляет несомненный интерес для некоторых задач гидроакустики и океанологии. Ниже получены аналитические соотношения, позволяющие решить указанные задачи.
В адиабатическом приближении рассматривается взаимодействие высокочастотной звуковой волны накачки и низкочастотных волн и полей существенно разных пространственно-временных масштабов. Предлагается описание явления параметрического приема, основанное на введении комплексной фазы волны накачки, что позволяет использовать в данной задаче метод плавных возмущений Рытова СМ. Анализируются конкретные примеры взаимодействия звуковой волны накачки с различными типами гидрофизических полей. Отмечается принципиальная возможность использования явления направленного параметрического приема для практического измерения ряда характеристик низкочастотных полей и волн не только звуковой природы, что представляет интерес для некоторых задач гидроакустики и океанологии. Рассматриваются некоторые схемы параметрических приемников (в частности, схема локационного приемника) и современные методы обработки и оптимального детектирования ФМ и ЧМ сигналов таких приемников, как, например, демодулятор с когерентным гетеродином и системой фазовой автоподстройки частоты. Обсуждается вопрос чувствительности параметрического приемника. Приводятся результаты экспериментальных лабораторных исследований.
В основе явления параметрического приема звука лежит взаимодействие высокочастотных и низкочастотных волн и полей существенно разных пространственно-временных масштабов, что позволяет при анализе явления использовать адиабатическое приближение. В первом приближении адиабатической теории возмущений медленно меняющиеся поля считаются неизменными. Поэтому при рассмотрении высокочастотных и низкочастотных процессов используется приближение, в котором заданный низкочастотный сигнал модулирует параметры среды, определяющие распространения высокочастотной волны накачки. В результате приемный преобразователь принимает волны накачки, промодулированную низкочастотным сигналом. При этом, как известно, преобладающим видом модуляции при существенно различных пространственно-временных масштабах волн является фазовая модуляция [150, 151].
Традиционные методы описания явления параметрического приема звука базируется, в основном, на вычислении амплитуд комбинационных спектров в борновском приближении [76, 153]. Такое описание является неадекватным эффекту фазовой модуляции, а также современным методам обработки фазо-модулированных сигналов, и, кроме того, при спектральном подходе значительно ограничиваются возможности анализа процесса взаимодействия волн с широким низкочастотным спектром.
Описание явления параметрического приема, основанное на введении комплексной фазы волны накачки, позволяет использовать в данной задаче хорошо развитый метод плавных возмущений Рытова СМ. [139] и получить более точное и строгое решение задачи в приближении примыкающем к геометрическому. Введение фазы также более удобно для анализа и использования при обработке фазо-модулированных сигналов [157].
Схемы обработки сигналов приемной параметрической антенны. Когерентный параметрический приемник
Обычно на практике величина индекса фазовой модуляции значительно меньше единицы поэтому спектр фазо-модулированного колебания при взаимодействии гармонических волн состоит из трех компонент: несущей и боковых. Амплитуды давления волн комбинационных частот одинаковы [155]: Для случаев, представляющих практический интерес (Роп Ю !Па, Z,«103), необходимо детектировать фазо-модулированные колебания с индексом фазовой модуляции, имеющим минимальное значение Применяемые в настоящее время методы обработки сигналов параметрических приемников базируется на двух основных принципах. Это, во-первых, частотная фильтрация одной боковой полосы [152, 153, 161] и, во-вторых, методы использующие свойства фазо-модулированных сигналов [105, 155]. Анализ и характеристики этих методов даны в работе [154]. Методы частотной фильтрации хотя и позволяют выделить в спектре сигнала комбинационные составляющие с амплитудой в 107-И08 раз меньше амплитуды несущей частоты, однако такая чувствительность достигается лишь для достаточно высокочастотных сигналов, что, конечно, определяется характеристиками используемых фильтров.
Методы детектирования фазо-модулированных сигналов не накладывают такого ограничения на минимальное значение частоты сигнала и могут строится как на основе фазовых детекторов [76, 153, 155], так и с использованием современных методов детектирования фазомодулированных сигналов, таких, как, например, оптимальный демодулятор с когерентным гетеродином и системой фазовой автоподстройки частоты [157, 16 2]. О применении такого метода для детектирования сигнала параметрического приемника сообщается в работе [158], где частота модуляции составляла 0,53 Гц, а соотношение сигнал/шум - 160 дБ. Чувствительность современных методов детектирования фазо-модулированных сигналов, таких, как например, демодулятор с когерентным гетеродином и системой фазовой автоподстройки частоты [157], может достигать значения индекса модуляции 10"6 10 7, а это позволяет при значениях Ь: 10 -МО4 регистрировать давление низкочастотных полей порядка Ю -гЮ Па, что уже сравнимо с чувствительностью обычных гидрофонов. Рассмотрим две схемы обработки сигнала в параметрической приемной антенне [107]. Функциональная схема простейшего устройства обработки приведена на рисунке 1.12. Устройство представляет собой перемножитель и фильтр низких частот, включенные последовательно. Сигнал, принятый приемным преобразователем накачки, подается на один из входов перемножителя, а на другой вход подается опорный сигнал частоты накачки. Сигнал на выходе такого устройства будет пропорционален: При р = — ивых 5 т (т sin Qt) и при т«\ ивьигт sinQ/. Таким образом, применяя такое устройство обработки, необходимо вычислять фазу колебаний на выходе устройства, чтобы опорный сигнал сдвинуть относительно входного на —. Кроме того, при больших амплитудах принимаемого сигнала, т.е. при больших т, напряжение на выходе устройства нелинейно зависит от амплитуды принятого сигнала. Эти недостатки можно устранить, применив устройство обработки, функциональная схема которого приведена на рисунке 1.13. Принятый сигнал поступает на входы перемножителей, на вторые входы которых поступают сдвинутые по фазе на — опорные колебания. На выходе фильтров низких частот, подключенных входами к выходам перемножителей, сигнал равен: Эти колебания дифференцируется и перемножается с непродифференцированными сигналами второго канала. Суммируя выходные сигналы перемножителей получим напряжение: Выходной сигнал линейного зависит от т, т.е. амплитуды принимаемого параметрической антенной акустического сигнала.
Кроме того, неопределенность фазы принимаемой волны накачки не влияет на величину выходного напряжения. Таким образом, при обработке сигналов приемной параметрической антенны предпочтительней применять квадратурную схему устройства обработки (см. рис. 1.13). Схема оптимального демодулятора с когерентным гетеродином и системой фазовой автоподстройки частоты приведена ниже [158,162].
Экспериментальные исследования неоднородностей гидрофизических полей в океане
В последние годы все большее развитие получает метод дистанционного акустического зондирования океанской среды [32-35, 38, 64-67, 99, 100, 111-117]. Практическая реализация этого метода поставила перед исследователями ряд актуальных задач, среди которых особое место занимает изучение статистических характеристик мелкомасштабных неоднородностей гидрофизических полей океана. Немногочисленность и фрагментарность имеющихся в литературе данных о спектральных характеристиках и пространственно-временной изменчивости структурных образований с характерными вертикальными масштабами от единиц метров до единиц сантиметров затрудняет интерпретацию экспериментальных данных по рассеянию звука на гидрофизических неоднородностях океана. Такая ситуация вызывает необходимость в создании чувствительных измерительных комплексов, обладающих высоким пространственным разрешением и пригодных для использования в океанских экспедициях, а также в разработке методики комплексных измерений пространственно-временных характеристик рассеянных звуковых полей и синхронных измерений мелкомасштабных структурных параметров рассеивающей среды, позволяющей проводить оперативное выделение горизонтов с повышенным уровнем тонкоструктурных образований еще в процессе зондирования. В этом разделе дается описание аппаратуры и методики, использовавшихся при работах в 6-ом и 11-ом рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» для обеспечения экспериментов по объемному рассеянию звука данными о структуре рассеивающей среды. Для исследования пространственно-временных характеристик неоднородностей гидрофизических полей океана использовались разработанный и изготовленный в Лаборатории рассеяния и отражения звука ИО РАН погружаемый зонд АЗ-2 с бортовым регистрирующим комплексом [44, 46, 95, 97-99] и штатная система «Розетт» НИС «Академик Мстислав Келдыш».
Подробное описание входящего в систему «Розетт» прецизионного CTD-зонда дано в [68], поэтому остановимся на нем кратко. Зонд обеспечивает разрешение по температуре и электропроводности в А77 = 5-10"4С и ACT = 10"4ом 1м 1 (соответствующее разрешение по солености составляет AS = 10 3%о) при частоте опроса датчиков 25 Гц, что при скорости погружения Р=0,5-1 м/с позволяет получать профили измеряемых величин с высоким пространственным разрешением. Изготовленный в Лаборатории РОЗ ИО РАН зонд АЗ-2 состоял из бортовой и погружаемой частей и использовался для синхронного измерения вертикальных профилей скорости звука и температуры. В погружаемую часть зонда входили циклический скоростемер, измеритель температуры и датчик давления, блоки формирования и передачи сигнала, выходные каскады которого нагружались на кабельную линию связи. Использованные нами циклические скоростемеры конструкции Попова Е.Д. ЮО ИО РАН отличались от известных тем, что излучающий и приемный пьезоэлементы в электроакустических преобразовательных головках защищены от водной среды протектором, который направлял звуковой импульс по заданному акустическому пути и формировал необходимый для синхронизации генератора однопериодный импульс. Термобаростабилизация базы измерителя осуществлялась за счет взаимной компенсации линейных размеров рабочей головки скоростемера и прикрепленного к ней отражателя. Циклические скоростемеры калибровались в лабораторных условиях, как косвенным методом, так и прямым, по измерениям, выполненным специально разработанным абсолютным измерителям скорости звука. Среднеквадратичный разброс калибровочных значений не превышал 15 см/с. Использованные нами скоростемеры имели следующие рабочие характеристики: диапазон измерения скорости звука - 1380-1750 м/с; средняя рабочая частота — 45 кГц; напряжение питания-+15 В; потребляемый ток - 5 мА; крутизна характеристики - 4 см/с/Гц. В качестве измерителя температуры использовался датчик ПТР-046 конструкции МГИ АН УССР, имевший следующие характеристики: температурный коэффициент - (0,426±0,002) ом/С; показатель тепловой инерции - не более 0,05С; диапазон измерений температуры - от -3С до + 37С Для измерения глубины погружения зонда применялся датчик давления ДЦВ-200 Б. С выхода гидрофизических измерителей частотно-модулированные сигналы, несущие информацию о состоянии среды, поступали на схему формирования, где происходило их преобразование к виду, удобному для передачи на борт судна. Для согласования выходного сопротивления схемы формирования с кабельной линией связи (длина которой достигала 2 км) использовался магистральный усилитель. При разработке зонда АЗ-2 особое внимание было уделено созданию высокочувствительного канала измерения скорости звука, с помощью которого можно было бы проводить оперативное выделение горизонтов с повышенным уровнем тонкой структуры и вычислять статистические характеристики неоднородностей еще в процессе зондирования. Такая оперативность необходима для корректного обеспечения экспериментов по рассеянию звука на гид рофизических нео днородностях оке ана данными о параметрах рассеивающей среды, поскольку наибольшей пространственно-временной изменчивости подвержены неоднородности с вертикальными масштабами единицы метров и меньше, дающие основной вклад в обратное рассеяние в диапазоне частот 1-30 кГц. Стандартная процедура обработки обычно включает в себя цифровую фильтрацию исходного ряда, вычисление автокорреляционной функции и ее спектра, построение гистограмм распределения масштабов неоднородностей, а также вычисление вертикальных градиентов измеренного параметра [28]. Однако при проведении работ по рассеянию звука гидрофизическими неоднородностями океана наибольший интерес представляют данные о текущем значении спектра неоднородностей. В связи с этим, для обеспечения оперативности отображения результатов измерений гидрофизических параметров среды процесс обработки данных проводился параллельно с процессом их регистрации.
Экспериментальные исследования акустических характеристик океана с применением параметрических гидролокаторов во 2, 6 и 11-ом рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш»
В исследованиях рассеяния звука в океане, выполненных по программам 2-го, 6-го и 11-го рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш», была проведена серия экспериментов по использованию параметрических гидролокаторов для изучения объемного рассеяния звука, звукорассеивающих слоев и характеристик дна океана в широком диапазоне звуковых частот. Работы проводились в различных районах Атлантического океана и Средиземного моря (2-ой рейс), Тихого и Атлантического океанов (6-ой рейс) и Индийского океана (11-й рейс).
Исследования производились как в дрейфе судна, так и на ходу со скоростью 3-4 узла. Во 2-ом рейсе преобразователь накачки и приемная антенна были установлены на буксируемом устройстве и соединены с излучающей и приемно-регистрирующей аппаратурой посредством кабелей длиной 50 м. Буксируемое устройство было выполнено в виде крыла. Оно имело положительную плавучесть, центр тяжести его находился в нижней части. Крыло буксировалось по поверхности параллельно движению судна и удерживалось в вертикальном положении благодаря низкорасположенному центру тяжести и системе оттяжек. Антенны крепились к основанию буксируемого устройства; они могли ориентироваться в сторону дна, под углом или параллельно поверхности воды и были заглублены на 1 м. Наклон антенн производился путем замены креплений. Работа с буксируемым устройством была возможна при волнении не более 2-3 баллов.
Сигналы, отраженные дном и рассеянные объемом ЗРС, регистрировались на электротермической бумаге самописца и фотографировались с экрана, осциллографа, а затем обрабатывались. При сильно флуктуирующих сигналах для расчета силы обратного рассеяния обычно осуществлялось усреднение по достаточно большому числу импульсов.
В последующих рейсах параметрические антенны были установлены в бортовом акустическом комплексе, а также на погружаемом глубоководном гидрофизическом зонде. Были существенно улучшены методы регистрации и обработки рассеянных сигналов с использованием современных магнитных регистраторов, спецпроцессоров и ЭВМ. С помощью параметрического гидролокатора ПГЛ-6М проводились исследования частотной зависимости обратного рассеяния звука от гидрофизических неоднородностей, биологических звукорассеивающих слоев и дна океана.
Измерения, проводились в диапазоне разностных частот от 5 до 50 кГц. Частотные, зависимости рассеяния исследовались в различных режимах работы ГТГЛ-6М: с использованием тонально-импульсных сигналов и ручной перестройки частоты; с использованием автоматической ступенчатой перестройки частоты с дискретностью 175 Гц и излучением по 2, 4, 8 или 16 импульсов на каждой частоте; с использованием линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов. Регистрация проводилась на бумагу самописца гидролокатора (прием сигналов в широком диапазоне частот осуществлялся на цилиндрический гидрофон с рефлектором и приемно-усилителъный тракт с преобразователем, имеющим фазовую автоподстройку частоты), а также магнитную ленту магнитофона 7005 с последующей обработкой на ЭВМ и анализаторе спектра.
Ниже приведены некоторые результаты исследований рассеяния звука в океане с использованием параметрических гидролокаторов. Рассеянные объемными неоднородностями океана звуковые волны содержат информацию об их структуре, природе и динамике гидрофизических процессов. Такая информация помимо самостоятельного значения представляет практический интерес в плане изучения гидрофизических характеристик океана [64-66, 73-75, 106, 111, 112, 114, 115]. В частности, величина коэффициента рассеяния необходима для решения: ряда задач рыболокации, для расчета трактов гидроакустической аппаратуры, дальности её действия и др. [1, 97, 99]. На рис. 3.3 приведена эхограмма от ЗРС, записанная в Средиземном море в ночное время. Запись проведена в дрейфе судна при скорости менее Іузла на частоте 50 кГц при длительности зондирующего импульса 2,5 мс. На эхограмме зарегистрирован слой на глубине 30-40 м. Узкая характеристика
