Введение к работе
Актуальность темы. Одним из способов описания акустического полі і подводном звуковом канале является представление поля как суммы мод ши нормальных волн данного волновода. При некотором удалении от істочника звука моды высших номеров существенно ослабевают из-за заимодействия с дном океана и звуковое поле эффективно формируется іишь небольшим числом распространяющихся или «водных» мод. Причем, їх число тем меньше, чем ниже частота звука. Необходимость определения юзффициентов возбуждения этих мод возникает во многих задачах одводной акустики. Фактически, звуковое поле при некотором удалении от сточника звука имеет конечное количество степеней свободы, равное оличеству распространяющихся мод. Знание коэффициентов их озбуждения и гидрологии вдоль трассы распространения звука является остаточно полной информацией об акустическом поле и позволяет осстанавливать характеристики поля в любой точке трассы. Кроме того, аая амплитуды возбуждения мод, можно решать широкий класс обратных адач, включая задачу определения местонахождения источника звука или адачу определения свойств волновода между источником звука и приемной истемой (акустическая томография океана).
Подавляющее большинство работ, посвященных измерению мплитудно-фазовых характеристик низкочастотных акустических полей ри помощи вертикальных многоэлементных антенн значительной апертуры
интерпретации полученных данных, связаны в основном с аналитическими сследованиями вопроса или с численными экспериментами. В литературе, освященной этой проблеме, описаны лишь единицы натурных (спериментов с длинными вертикальными антеннами, причем, в основном ги работы касаются измерений в мелком море или экспериментов со гационарно устанавливаемыми антеннами. В настоящее время не известно
попытках измерения модового спектра низкочастотных акустических элей при помощи длинных вертикальных антенн, опускаемых с борта /дна, находящегося в дрейфе. Отсутствие в литературе данных о подобных
работах связано с существенными финансовыми затратами и значительной сложностью проведения необходимых измерений.
Между тем, многие интенсивно развивающиеся задачи гидроакустики требуют все более детальных и оперативных измерений характеристик акустических полей. Примером может служить проблема акустического мониторинга океана, которой в последнее время уделяется значительное внимание. Одним из способов получения информации о состоянии водных масс является томография океана с использованием метода согласованных мод. Опорной экспериментальной информацией для этого алгоритма является комплексный спектр мод созданного в океане акустического поля.
Развитие микроэлектроники и вычислительной техники, появление новой элементной базы позволило преодолеть технические трудности, связанные с созданием длинных вертикальных антенн, измеряющих амплитуду и фазу акустического поля с борта судна, находящегося в дрейфе, и создало предпосылки к разработке соответствующей аппаратуры и методик.
11елр,ю работы являлось экспериментальное определение комплексного спектра мод звукового поля при помощи вертикальной антенны, разработка методики проведения натурных экспериментов с вертикальными антеннами, опускаемыми с борта судна, находящегося в дрейфе, разработка методики определеїшя пространственных координат приемных элементов антенны с высокой точностью (доли длины волны измеряемого поля). Кроме этого, разработка и сравнительный анализ различных методов определения спектра мод из данных измерения амплитуды и фазы акустического давления приемниками антенны. Важным моментом в проведении эксперимента является оценка точности измерения фазы акустического поля, что связано с точностью определения пространственной конфигурации антенны. В работе рассматривается методика оценки точности определения взаимного положения приемников антенны, основанная на обращении измеренного антенной звукового поля, и нахождении местоположения близкорасположенного источника звука.
Кроме того, в работе производится анализ влияния различного рода шумов и экспериментальных погрешностей на точность определения модового спектра.
Методы исследования. С методической точки зрения работа делится на две части - теоретическую и экспериментальную.
В теоретическом плане проанализировано состояние вопроса по данным отечественной и зарубежной литературы, адаптированы к эксперименту и рассмотрены 5 методов решения возникающей некорректной задачи по определению комплексных амплитуд возбуждения звуковых мод из данных, получаемых с вертикальной антенны. Проюведено сравнение этих методов в численных модельных экспериментах для антенн различной апертуры и для различного рода экспериментальных погрешностей. Также произведен сравнительный анализ влияния погрешностей в определении различных углов пространственной ориентации антенны, погрешностей в определении взаимного положения ее приемников и влияния возникающих экспериментальных шумов на качество определения модового спектра.
В экспериментальном плане разработана и опробована методика проведения измерений амплитудно-фазовых характеристик акустических полей при помощи вертикальных многоэлементаых антенн значительной апертуры, опускаемых с борта судна, находящегося в дрейфе, предложена и успешно использована в экспериментах методика определения пространственной конфигурации антенны в процессе проведения измерений. Также разработана .процедура предварительной обработки данных, получаемых с антенны и их ввода в компьютер в реальном масштабе времени. Проведены натурные эксперименты с 560 метровой 29 элементной вертикальной антенной, опускавшейся с борта судна, находящегося в дрейфе, в поле близкорасположенного гармонического источника звука и в поле источника звука, удаленного на значительное расстояние (до 105 км). Произведен анализ полученных данных и сделана их проверка. В качестве критерия правильности измерения амплитуды и фазы акустического поля
использовалась процедура восстановления местоположения источника звука по методам согласованного поля (matched-field processing) и согласованных мод (matched-mode processing). В эксперименте, проведенном в Норвежском море, при глубине океана 1500 м удавалось правильно определять дистанцию до источника и его глубину при удалении излучателя до 105 км от антенны, причем, гидрология вдоль трассы распространения звука была неоднородной.
Научная новизна. В диссертации разработана методика измерения амплитудно-фазовых характеристик низкочастотных акустических полей вертикальной антенной, опускаемой с борта судна, находящегося в дрейфе. Для проведения натурных исследований и опробирования методики в Лаборатории распространения акустических волн ИОРАН под руководством Селиванова В.Г. создана 29 элементная вертикальная антенна общей длиной 560 метров и система определения пространственных координат приемников антенны. С помощью всего комплекса аппаратуры проведены измерения амплитудно-фазовых характеристик низкочастотных тональных акустических полей в глубоководных районах океана с близкорасположенным и удаленным источником звука. Проведенные исследования показали, что предложенная методика позволяет достоверно определять амплитуды и взаимные фазы акустического поля при помощи вертикальной антенны. Анализ этих данных позволил получить ряд новых результатов:
-
Предложена методика измерения амплитудно-фазовых характеристик гармонических низкочастотных акустических полей в открытом океане с помощью вертикальной многоэлементной антенны, опускаемой с борта судна, находящегося в дрейфе.
-
Разработана методика ввода аналоговых данных, поступающих с антенны в компьютер в реальном масштабе времени с предварительной их обработкой в матричном процессоре. Решение этой задачи позволило принципиальным образом повысить точность
измерений и в связи с этим решить задачу определения комплексных амплитуд мод измеряемого акустического поля.
-
Предложен простой и эффективный способ оценки точности работы системы определения пространственной конфигурации антенны, основанный на численном обращении измеренного акустического поля, созданного близкорасположенным излучателем звука. Критерием точности является фокусировка обращенного поля в месте действительного положения источника звука.
-
Применительно к вертикальным антеннам, опускаемым с борта судяа, находящегося в дрейфе, разработаны и проверены в численных экспериментах и на практике 5 методов определения комплексных амплитуд возбуждения мод акустического поля:
метод сингулярных разложений
метод энергетической регуляризации
метод регуляризации фаз
метод алгебраического суммирования
метод итераций
-
Проанализирована эффективность и помехоустойчивость этих методов в численных экспериментах для антенн различной апертуры. В качестве помех использовались: аддитивный некоррелированный акустический нгум, погрешности в определении пространственных координат приемников и погрешности в определении угла наклона антенны как целого в плоскости распространения звука. Проведено сопоставление возможностей этих методов при различных условиях эксперимента.
-
Проведен натурный эксперимент с вертикальной 29 элементной антенной общей длиной 560 метров в Норвежском море и на основе полученных данных произведена проверка правильности экспериментального определения амплитуд нормальных волн всеми 5 методами, основанная на нахождении местоположения точечного
источника звука. В этом эксперименте удалось восстановить положение излучателя тонального сигнала частотой 105 Гц, удаленного на расстояния 27, 55 и 105 км от антенны.
-
Показана эквивалентность методов согласования амплитуд мод и согласования полей и их близость к расчету поля «назад». Максимум коэффициентов согласования в зависимости от местоположения источника звука эквивалентен фокусировке поля, рассчитанного «назад».
-
На основе проведенных натурных экспериментов с близкорасположенным и удаленным источником звука проанализировано влияние точности определения местоположения приемников антенны и углов ее пространственной ориентации на точность определения модового спектра. Установлено, что из трех углов ориентации наиболее влияющим на правильность определения модового спектра является угол наклона антенны в вертикальной плоскости, проходящей через антенну и источник звука.
Практическая ценность. Разработанная в диссертации методика измерения амплитудно-фазовых характеристик низкочастотных акустических полей при помощи вертикальной многоэлементной антенны, опускаемой с борта судна, находящегося в дрейфе, а также методы определения модового спектра на основе полученных данных позволяют начать планомерные исследования акустических полей и закономерностей распространения звука в океане на новом экспериментальном уровне.
Данные о полном комплексном модовом спектре акустических полей, полученные таким образом, могут быть использованы для решения широкого класса как прямых, так и обратных задач. Важной областью их применения может стать мониторинг крупномасштабных акваторий мирового океана, наблюдение за гидрологическим состоянием путем
акустического «просвечивания» водных масс. Данные о модовом спектре акустического поля являются ключевой информацией, позволяющей осуществлять томографию океана, т.е. восстанавливать характеристики водной среды, расположенной на пути звуковых волн. Кроме того, амплитудно-фазовые характеристики звукового поля и спектр его нормальных волн могут использоваться для восстановления акустических характеристик дна океана или его поверхности, если условия распространения таковы, что звуковое поле интенсивно взаимодействует с ними.
Широкое применение результаты работы могут найти в задачах на определение местоположения источника звука или «затеняющего» объекта, расположенного в акустическом поле между источником звука и приемной системой.
Апробация результатов. Материалы диссертационной работы докладывались на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), на 19 Международном симпозиуме по акустическим изображениям (Бохэм, Германия, 1991), на II Французской конференции по акустике (Аркашон, Франция, 1992), на научном семинаре по проекту «Акустика» под председательством профессора Ю.Ю.Житковского (Москва, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано в журналах и сборниках 8 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, глав и заключения.
Работа изложена на . /09 страницах, из которых Ff страниц текста
и 1/ рисунков. Список цитируемой литературы включает 60
наименований.
