Введение к работе
Актуальность темы. Всестороннее исследование минеральных ресурсов дна Мирового океана является одной га актуальных задач современной океанологии. Одной из разновидностью этих ресурсов являются железомарганцевые конкреции (ЖМК), которые занимают около 30% дна Мирового океана. Конкреции представляют собой дискретные округлые твердые рудные образования размером в несколько сантиметров с повышенным содержанием марганца, железа, меди, никеля и кобальта, расположенные на допной поверхности.
Приоритетная и ведущая роль в фундаментальных исследованиях же-лезомарганцевых конкреций принадлежит Институту океанологии РАН гол. ГТ.ИШиршова (Безруков П.Л., Мурдмаа И.О. и др.). К настоящему времени проведены многочисленные исследования физических, химических и геологических свойств конкреций, изучены процессы переизлучения звука конкрециями, разработаны методы их обнаружения и разведки и т.п.. Однако, несмотря на это, некоторые вопросы остаются не вполне решенными, в частности, задача повышения эффективности и достоверности разведки полей железомарганневых конкреций.
Обнаружение и оценка параметров конкреций, расположенных на огромных донных площадях глубокого океана, является весьма сложной задачей. Наиболее проговодительными методами ее решения зарекомендовали себя дистанционные гидроакустические методы обнаружения и оценки параметров конкреций. Эти методы основаны на анализе усредненных энергетических и корреляционных характеристик переизлученного конкрециями звукового поля и реализуются с помощью гидролокатора бокового обзора, многочастотного эхолота, многоэлементной антенны и т.п. (Жит-ковский Ю.Ю., Бунчук А.В. и др.). Однако, точнестпые характеристики этих методов на практике остаются не вполне удовлетворительными.
Для повышения эффективности и достоверности акустических методов
обнаружения и разведки конкреций следует детально зкать различные свойства конкреций и их влияние на процессы переизлучения звука. Однако, несмотря на обширные и всесторонние исследования конкреций, некоторые их свойства до сих пор остаются недостаточно изученными. К ним относятся статистические закономерности взаиморасположения конкреций, влияние этих закономерностей на процессы нереизлучения звука конкрециями, адекватная акустическая модель конкреции, условия применимости приближения однократного рассеяния и т.п. Изучение этих вопросов позволит в итоге усовершенствовать существующие методы обнаружения и разведки железомарганцевых конкреций, а также разработать новые.
Наряду с гидроакустическими по-прежнему остаются актуальными контактные методы исследования конкреций, которые обеспечивают непосредственную информацию об их параметрах. Для повышения достоверности этих методов, а также натурных исследований конкреций следует, в частности, увеличивать точность позиционирования морских носителей (научно-исследовательских судов НИС и подводных аппаратов НА) относительно дна глубокого океана Одними из распространенных методов позиционирования НИС и ПА также являются гидроакустические, однако, их точностные характеристики не вполне удовлетворительны для ряда задач.
Для устранения этого недостатка был разработан высокоточный мегод гидроакустического позиционирования с помощью многоэлементной антенны (Бреховских Л.М., Краснобородько В.В. и др.), пригодньШ, однако, лишь для поступательного движения судна Для практического использования этого метода следует обобщить его на случай произвольного движения, когда наряду с поступательным движением присутствует и вращательное. Усовершенствованный метод позволит повысить точность определения местоположения конкретных полей конкреций, что в итоге существенно увеличит flocTOBqjHOCTb океанологических исследований конкреций.
Целью работы является разработка и исследование методов повышения эффективности акустической разведки полей конкреций путем использование особенностей перешлучения ими звука, обусловленных закономерностями i« взаиморасположения, доработки акустической модели конкреции и усовершенствования методов позиционирования НИС и ПА.
Задачи исследования в соответствии с целью работы подразделяются на:
-
Исследование статистических закономерностей ззаимного расположения конкреций на доге океана
-
Изучеіше влияния этих закономерностей на энергетические и корреляционные характеристики переизлученного конкрециями звукового поля.
-
Усовершенствование акустической модели конкреции и определение условий применимости приближения однократного рассеяния.
-
Усовершенствование метода позишіонироваїїия НИС и ПА с помощью многоэлементной антенны для обеспечения исследований конкреций.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
-
Усовершенствованы способы получения оценок радиальной функции распределения конкреций по фотографиям их взаиморасположения.
-
Подтверждено наличие ближнего порядка во взаиморасположении конкреций и изучепы новые количествешше характеристики радиальной функции распределения конкреций.
-
Предложена статистическая модель взаимного расположения конкреций на дне океана, учитывающая ближний порядок.
-
Получено адекватное аналитическое приближение радиальной функции конкреций и пространственного спектра вариаций их концентрации с учетом ближнего порядка.
-
Получены выражения для коэффициентов рассеяния и отражения, горизонтальной и вертикальной пространственно-частотной корреляции переизлученного конкрециями звукового поля с учетом ближнего.
-
Усовершенствована акустическая модель конкреции, проведено ее сопоставление с экспериментальными данными, установлена ее адекватность и неадекватность альтернативных моделей.
-
Определены условия применимости приближения однократного рассеяния звука на конкрециях с учетом ее акустической модели.
-
Проведено численное компьютерное моделирование переизлучения звука конкрециями с учетом ближнего порядка и акустической модели конкреции и получено соответствие модельных и теоретических зависимостей.
-
Выявлены и проанализированы особенности энергетических и корреляционных характеристик переизлученного конкрециями поля, обусловленные ближним порядком, определены условия их проявления и проведено их сопоставление с экспериментальными данными.
Ю.Усовершенствован гидроакустический метод высокоточного позиционирования НИС и ПА с помощью многоэлементной антенны для адекватного определения их угла поворота, вектора смещения и траектории движения, а также оценены его точностные характеристики. Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут
использоваться для:
-
Адекватной статистической обработки фотографий расположения конкреций на дне океана;
-
Более детального понимания закономерностей взаиморасположения конкреций на дне океана;
-
Моделирования переизлучения звука конкрециями с учетом ближнего порядка и акустической модели конкреции;
-
Более адекватной интерпретации экспериментальных особенностей переизлучения звука конкрециями;
-
Определения справедливости приближения однократного рассеяния звука конкрециями в реальных ситуациях;
-
Более адекватной интерпретации информации гидролокатора бокового обзора, многолучевого эхолота и других приборов при изучении конкреций;
-
Усовершенствования существующих гидроахустатажах методов дисташш-онного обнаружения и оценки параметров конкреций и разработки новых;
-
Разработки высокоточной гидроасустической системы позиционирования НИС и ПА в глубоком океане для обеспечения исследования конкреций;
-
В результате повышены эффективности и достоверности акустических методов обнаружения и разведки железомарганцевых конкреций.
Фактический материал. Фактические материалы получены в результате компьютерной обработки фотографий расположения кошфеций, численного моделирования на компьютере взаиморасположения конкреций и переизлучения ими звука, экспедиционных исследований конкреций в 11 рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» (ИОРАН) и 2 рейсе НИС «Академик Борис Константинов» (АКИН), а также привлечения экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов.
Лечпьіїі вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или в соавторстве. Автор провел сбор, обработку и анализ данных, создал алгоритмы обработки информации, разработал теоретические модели, провел теоретические расчеты, выполпил численное компьютерное моделирование, провел сопоставление теоретических расчетов с экспериментальными данными, проанализировал полученные результаты и подготовил научные публикация
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах лабораторий гидролохации дна, распространения акустических волн и телеуправляемых подводных аппаратов и роботов ИОРАН, семинарах Акустического института (АКИН), а также докладывались на XI Всесоюзной акустической конференции (1991г.) и IV Международной научно-технической конференции «Современные ме-
тоды и средства океанологических исследований» МСОИ-98 (1998г.).
Публикации. По теме диссертации и смежным вопросам опубликовано 20 работ, в том числе 9 статей в журнале Океанологии и Акустическом журнале, 4 доклада на конференциях и 7 отчетов по научно-исследовательским работам.
Структура а объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, включающих в себя 12 параграфов, заключения, приложения и списка литературы. Она содержит страниц текста, рисунков и наименований литературы.
Основные защищаемые положения диссертационной работы заключаются в следующем:
-
Статистические закономерности к модели взаиморасположения железо-марганцевых конкреций на дне океана.
-
Особенности энергетических и корреляционных характеристик переизлученного конкрециями звукового поля, обусловленные ближним порядком.
-
Усовершенствованная акустическая модель конкреции и условия применимости приближения однократного рассеяния звука на конкрециях.
-
Усовершенствованный гидроакустический метод позиционирования НИС и ПА с помощью многоэлементкой антенны для изучения конкреций.
