Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время большие усилия исследователей, как в нашей стране, так и за рубежом, направлены на развитие наукоемких технологий, способствующих эффективному освоению ресурсов морского шельфа и окраинных морей, что обуславливает практическую актуальность развития низкочастотных акустических методов и средств дистанционной диагностики и наблюдения в таких районах. Подобного рода системы могут использоваться при поиске и исследовании полезных ископаемых морского дна, при разведке и контроле биоресурсов, контроле несанкционированного присутствия и деятельности в районах расположения нефтегазодобывающих платформ и прибрежных морских сооружений, подводной навигации и наблюдении при проведении подводных инженерных работ, а также при сборе океанической и синоптической информации.
Решение задачи акустического наблюдения в шельфовых зонах представляет большой научный интерес. Такая задача относится к классу проблем построения изображений рассматриваемых в радиофизике. В отличие от традиционных задач построения изображений в случае оптического и акустического видения, при гидроакустическом наблюдении среда является существенно неоднородной. В частности, в мелководных горизонтально неоднородных волноводах морского шельфа дно оказывает большое влияние на структуру низкочастотного акустического поля, что проявляется в большом затухании волноводных мод и особенностях формирования структуры ревербе-рационных сигналов. Указанные и другие особенности распространения акустического поля в шельфовых морских зонах должны учитываться при решении задачи наблюдения. Из-за недостаточного развития физических моделей формирования акустического поля в мелком море, а также необходимых для работы в мелком море излучающих и приемных средств к настоящему времени не разработаны акустические системы, которые бы обеспечили наблюдение в пределах протяженных (более 104 кв. км) зон морского шельфа и мелководных окраинных морей.
Математический анализ работы акустических систем подводной диагностики и наблюдения в мелком море сводится к решению обратной задачи построения изображений в неоднородных средах в присутствии различного рода шумов и помех. В диссертации рассматривается решение такой задачи при использовании априорной информации, включающей в себя особенности строения среды, структуру и статистику сигналов и шумов в конкретных условиях наблюдения. В частности предложено для наблюдения использовать акустические сигналы, а также алгоритмы наблюдения согласованные как со структурой гидроакустического волновода, так и с шумами и помехами. Раз-
витие указанных методов решения такой задачи является новой актуальной областью исследований.
Для разработки оптимальных, адаптированных к строению и параметрам гидроакустических волноводов методов наблюдения важно разработать компьютерную имитационную модель наблюдения в виде совокупности физических моделей, учитывающих особенности распространения, рассеяния и обработки, низкочастотных частично-когерентных волновых полей в конкретных условиях. Это позволит до проведения дорогостоящих экспериментов разработать структуру согласованной со средой системы наблюдения, апробировать оптимальные алгоритмы её работы, разработать облик приспособленных к конкретным районам морского шельфа систем для излучения и прием низкочастотных акустических сигналов, а также разработать методики экспериментов по апробированию системы наблюдения в натурных морских условиях.
Целью работы является развитие эффективных методов и средств акустического наблюдения в мелком море, в частности:
-
разработка физических и численных моделей томографического наблюдения неоднородностей в случайно неоднородных плоско слоистых волноводах (ПСВ);
-
разработка методики и средств для экспериментальных исследований возбуждения, распространения и рассеяния сигналов, согласованных с волноводом, а также проверки возможностей томографического наблюдения;
-
исследование возможностей низкочастотного гидроакустического наблюдения путем численных расчетов, измерений с помощью физического моделирования в лабораторных условиях, а также осуществление натурных экспериментов по проверке возможностей наблюдения в мелком море.
Научная новизна
В работе развито новое направление - согласованная с волноводом мало-модовая импульсная низкочастотная акустическая томография океанических волноводов, которая основана на возбуждении хорошо распространяющихся мод волновода, и приеме всех мод, дифрагированных наблюдаемыми неод-нородностями в волноводе. В работе впервые:
1. Теоретически и экспериментально показано, что путем использования согласованных с волноводом частично-когерентных импульсных сигналов достигаются существенные ослабление уровня интерференционных помех, а также увеличение пространственного разрешения и чувствительности системы наблюдения. Сформулированы необходимые для реализации указанных эффектов условия оптимального возбуждения и приема согласованных с волноводом маломодовых импульсных сигналов в мелководных океанических волноводах.
-
Изучена пространственно-временная и частотная структура маломо-довых импульсных сигналов при дифракции на импедансных телах, упругой оболочке конечных размеров, а также на поверхностных неоднородностях в плоскослоистых волноводах.
-
Предложен метод согласованной с волноводом маломодовой импульсной томографии (МИТ) плоскослоистых случайно неоднородных волноводов. Создана имитационная компьютерная модель МИТ шельфовых зон мелкого моря.
-
Экспериментально показана возможность возбуждения и приема согласованных с волноводом маломодовых импульсных сигналов, измерены характеристики реверберации, а также измерены дифрагированные маломо-довые сигналы на сверхдальних расстояниях в мелком море.
-
Разработаны алгоритмы и технологические средства для построения системы томографического наблюдения в мелком море, использующей согласованные с волноводом маломодовые импульсные сигналы.
Практическая значимость работы
Материалы диссертации использованы при разработке метода согласованной с волноводом низкочастотной маломодовой импульсной акустической томографии мелкого моря, осуществляемой в ИПФ РАН, НИЦ РЭВ, п/я К-175. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы:
для построения акустической системы томографического наблюдения в шельфовых зонах океана для решения задач подводной навигации, контроля несанкционированного присутствия в районах расположения морских сооружений, мониторинга биоресурсов, сбора океанологической информации и т.д.;
при разработке систем звуковидения в морских средах для проведения подводных инженерных работ;
для создания компьютерных имитационных систем диагностики плавно-неоднородных сред различной природы со случайными неоднородно-стями, таких как атмосферные волноводы;
при решении задач распознавания сложнопостроенных объектов.
Апробация результатов работы
Результаты работы неоднократно докладывались на российских и международных совещаниях, конференциях и симпозиумах, в частности: на 2-й Всесоюзной школе по оптической обработке информации (Горький, 1978), на Всесоюзной конференции "Вибросейсмические методы" (Новосибирск, 1981), на Всесоюзном совещании "Состояние исследований и разработок по созданию единой автоматизированной системы "Цунами"", (Обнинск, 1985), на IV и V Всесоюзных симпозиумах по вычислительной томографии, (Ташкент, 1989 и Москва, 1991), на Всесоюзной конференции "Волны и дифрак-
ция-90" (Винница, 1990), на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), на международной школе-семинаре "Динамические и стохастические волновые явления" (Нижний Новгород, 1992 и 1994), на 1-й сессии Российского акустического общества (Москва, 1992), на Международном симпозиуме SPIE (Орландо, США, 1993 и 1994), на Международном симпозиуме GRETSY (Жуан-лес-Пинс, Франция, 1993), на 2-й и 3-й Европейских конференциях по подводной акустике (Копенгаген, Дания, 1994 и Гераклион, Греция, 1996), на 2-й рабочей группе "Анализ возможностей совместных исследований" (Орландо, США, 1994), на 3-й Французской конференции по акустике (Тулуза, Франция, 1994), на 131-й 135-й Сессиях американского акустического общества (Остин, США, 1994 и Сиэтл, США, 1998), на Международной конференции OCEANS'95 (Сан-Диего, США, 1995), на 16-м Международном конгрессе акустиков (Сиэтл, США, 1998), на Международной конференции по вычислительной акустике (Триест, Италия, 1999), на 3-й, 4-й, 5-й 6-й, 7-й и 8-й научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005, 2006), на Нижегородской сессии Российского акустического общества (Нижний Новгород, 2002), на X и XI школах-семинарах Л.М. Бреховских, и XIV и XVI сессиях РАО (Москва, 2004, 2006), на семинарах ИПФ РАН, ИО РАН, ИОФ РАН, АКИН, а так же на семинарах кафедр общей физики и акустики радиофизического факультета Нижегородского университета.
Работы, результаты которых частично вошли в диссертацию, были поддержаны инициативными проектами РФФИ: гранты 94-02-17034, 97-02-17072, 00-02-17157, 03-02-17556, 06-02-17691; Международным научным фондом: грант NO300 и программой Фундаментальных исследований ОФН РАН «Когерентные акустические поля и сигналы» в 2003-2005 гг.
Публикации
Всего по теме диссертации автором сделаны 203 публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двух коллективных монографиях, 51 статье в рецензированных журналах, в 16 препринтах, трех авторских свидетельствах на изобретения и 17 научных сборниках и трудах научных конференций.
Личный вклад автора
Основные идеи использования частично-когерентных, в том числе импульсных маломодовых, сигналов для диагностики неоднородностей в мелком море сформулированы автором совместно с В.А. Зверевым, А.Г. Нечаевым, В.И. Талановым, А.Г. Лучининым и А.В. Гапоновым-Греховым. При этом автор лично провел теоретические исследования возбуждения и дифракции частично-когерентного поля на телах, и проанализировал возможности построения их изображений в случайно-неоднородных плоскослоистых волноводах, а также осуществил связанные с этими вопросами экспе-
рименты. Исследования по оптимизации возбуждения и приема маломодо-вых частично-когерентных сигналов в плоскослоистых волноводах осуществлялись совместно с И.П. Смирновым. При этом автор участвовал в постановке задач, выводе основных соотношений и анализе и формулировке результатов. Исследования влияния многократного рассеяния на дифракцию акустического поля телами в плоскослоистых волноводах, формирование реверберационных и шумовых помех, а также модовой тени осуществлялись совместно с А.Г. Сазонтовым и М.А. Раевским. В указанных работах автор осуществлял формулировку задач, участвовал в проведении вычислений и интерпретации результатов исследований. Компьютерные эксперименты по исследованию работы систем маломодовой импульсной томографии были выполнены совместно с В.Г. Бурдуковской, В.Г. Яхно и А.А. Стромковым. В этих исследованиях автор осуществлял постановку задачи, участвовал в разработке методов и алгоритмов, проведении численных экспериментов и осуществил интерпретацию полученных результатов. Эксперименты в акустическом бассейне были выполнены совместно с С.Н. Гурбатовым, СМ. Горским, В.В. Куриным и Н.В. Прончатовым-Рубцовым. В этих экспериментах автор участвовал в модернизации узлов экспериментальной установки, проведении измерений, а также осуществлял обработку и интерпретацию результатов. Разработка излучающей и приемной аппаратуры для натурных измерений в мелком море осуществлялись совместно с Л.А. Рыбенковым, Б.Н. Боголюбовым, П.А. Капустиным, В.Ю. Калистратовым, СЮ. Смирновым, П.И. Коро--, тиным и А.С Чащиным. Автор лично участвовал в формулировке технических требований, разработке структуры излучающего и приемного комплексов, осуществлял координацию и руководство при их создании, а также лично участвовал в апробировании их работы в лабораторных и натурных условиях. Натурные измерения в Балтийском и Баренцевом морях осуществлялись совместно с А.Г. Лучининым, Б.Н. Боголюбовым, П. И. Коротиным, А.А. Стромковым, В.Н. Кравченко и А.В. Гринюком. Автор диссертации являлся заместителем научного руководителя экспедиций и лично участвовал в организации и проведении морских измерений, обработке данных и интерпретации результатов.
Структура и объем работы , -' '
