Введение к работе
Актуальность проблемы. Промышленное освоение Мирового океана тесно связано с использованием акустических сигналов как при исследовании океанической среды, так и в различных прикладных задачах, таких как подводная связь, морская сейсмология, дистанционное обнаружение объектов, акустический мониторинг океана и т.п. Однако, явно выраженная неоднородность океанической среды, сложность физических процессов, имеющих место при подводном распространении звука, большое количество параметров, определяющих состояние морской среды и влияющих на характеристики акустических сигналов в различных акваториях Мирового океана обуславливают значительные трудности при практической реализации задач освоения океана.
Применение адекватных имитационных моделей гидроакустической среды распространения сигналов позволяет автоматизировать исследования и разработку практических систем информационной акустики и получить значительный выигрыш во времени и стоимости при их практической реализации. Однако, несмотря на значительное количество теоретических и экспериментальных работ в области акустики океана, сложность океанической среды обуславливает значительные трудности при практической реализации научных разработок в виде имитационных машинных статистических моделей. В связи с этим существующие имитационные модели гидроакустической среды передачи сигналов основываются либо на воспроизведении многолучевого характера распространения акустического сигнала без учета влияния тонкой структуры океанической среды в виде случайных неоднородностей водной толщи, либо на решении волнового уравнения, в котором граничные условия и ряд коэффициентов зависят от статистических характеристик большого количества переменных, что обуславливает значительные вычислительные трудности. Поэтому применение новых подходов при разработке и ре-
ализации стохастических имитационных моделей гидроакустической ср ды передачи сигналов приобретает особую актуальность.
Любое моделирование сложных систем предполагает введе> некоторых ограничительных концепций, обуславливающих пределы при» нимости модели в рамках поставленных задач. Эксперименталы исследования распространения акустических сигналов в океаничесі среде дают основание рассматривать гидроакустическую среду переді сигнала как линейную стохастическую систему с изменяющимися времени и пространстве параметрами. В этой связи адекваті описание гидроакустической среды может быть выполнено в термиї многомерных системных функций, корреляционных функций, функций pi сеяния, распределения вероятностей параметров системных функци; других характеристик, используемых в теории линейных систем со с. чайными параметрами.
Изучение перечисленных характеристик требует усовершенство: ния и доработки существующих методов экспериментального исследо ния океанической среды. Данные, полученные при обработке резуль тов таких экспериментов и служащие источником исходных парамет при реализации имитационных моделей гидроакустической среды пере чи сигнала должны составить Банк данных для различных акваторий рового океана.
Цель работы и задачи исследований. Основная цель диссертаци ной работы состоит в разработке адекватной и эффективной стохас четской имитационной модели океанической среды, когда она слу средой распространения акустических сигналов.
Указанная цель достигается в результате решения следуг задач:
- разработки концептуальных и теоретических основ статисти ского моделирования океанической среды как линейной стохастичес
системы;
адекватного описания гидроакустической среды передачи сигнала на основе использования методов геометрической оптики и математического аппарата спектральной теории стационарных случайных полей;
разработки методов исследования океанической среды для получения данных, необходимых для реализации ее имитационной модели;
разработки концептуальных основ, алгоритмов и машинных программ, реализующих Банк данных для характеристик океанической среды различных акваторий Мирового океана, используемых в имитационной модели;
разработки комплекса программных и аппаратных средств для автоматизации обработки данных натурных экспериментов на базе ЭВМ;
проведения экспериментальных работ по зондированию океанической среды взрывными сигналами и сигналами с большой базой в различных акваториях Мирового океана и обработку результатов экспериментов для формирования Банка данных;
разработки и реализации на ЭВМ эффективных параллельных алгоритмов моделирования детерминированной и статистической структуры океанической среды как линейной стохастической системы;
алгоритмической и программной реализации имитационной модели в виде специализированного вычислительного комплекса на базе
ПЭВМ;
- проведению машинных экспериментов для исследования адекват
ности разработанной имитационной модели и ее применению для решения
различных прикладных задач.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые комплексно решена сложная проблема имитационного моделирования океанической среды, когда она служит каналом передачи информации посредством
акустических сигналов.
-
Разработаны концептуальные и теоретические основы статисті ческого моделирования океанической среды как линейной стохастичеі кой системы на основе использования методов геометрической оптики спектральной теории случайных полей. Показано, что функциональні модели гидроакустической среды могут строиться на основе физиі явлений, характерных для морской среды. В таких моделях совокупно* ти лучевых трубок, характеризующих дискретные тракты распростра» ния акустических сигналов (лучи), ставится в соответствие совоку; ность стохастических фильтров, определенных своими статистически! характеристиками. Таким образом адекватное описание океаническі среды может быть выполнено в терминах системных функций, корреляц] онных функций, функций рассеяния, распределения вероятностей парі метров системных функций и других характеристик, используемых в т ории линейных систем со случайно-изменяющимися параметрами.
-
Разработана и впервые в отечественной практике реализован методика экспериментального исследования океанической среды при э ндировании океана сигналами от подводных взрывов и сигналами с С льшой базой для формирования Банка данных различных акваторий Мир вого океана, необходимых при реализации имитационной модели. В о личие от известных методов теории оптимальной фильтрации, испольэ емых, как правило, в мировой практике экспериментальных исследов ний подводного распространения звука, разработанная методика баз руется на новой адаптивной процедуре идентификации канала в услов ях нестабильного временного масштаба испытательного сигнала и де ствия аддитивных помех.
3. Разработан комплекс параллельных алгоритмов, обеспечивают
эффективную машинную реализацию имитационной модели при воспроизв
дении детерминированной и стохастической структуры океаническ
среды. Детерминированная многолучевая структура океанической среды определяется на основе применения распараллеливания вычислений в методе степенных разложений при решении систем обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих траекторию луча.
Случайная структура поля акустического сигнала при подводном распространении звука моделируется совокупностью многомерных стохастических фильтров, передаточные функции которых вычисляются на основе разработанного многомерного сегментированного алгоритма БПФ с нулевыми внутренними сегментами. Исходными данными при моделировании служат многомерная функция рассеяния океанической среды (в двумерном случае учитывается рассеяние по задержкам и доп-леровским часстотам) и вероятностные распределения ортогональных компонент (или амплигудной и фазовой характеристик) эквивалентного среде распространения звука стохастического фильтра. Основные защищаемые положения.
і. Адекватное описание океанической среды, когда она служит каналом передачи акустических сигналов, может быть осуществлено в рамках теории линейных систем со случайно-изменяющимися параметрами. Использование уравнений математической физики для описания детерминированной структуры океанической среды и спектральной теории стационарных случайных полей для описания ее стохастичческой структуры позволяет реализовать динамическую модель океанической среды как линейную стохастическую систему. Такая модель позволяет учесть многолучевой характер подводного распространения акустического сигнала, флуктуации сигналов в пространственно-частотно-временной областях, обусловленные неоднородностями океанической среды, аддитивные помехи, обусловленные шумами ветрового волнения, некогерентной рассеянной компонентой сигнала и собственными
шумами корреспондентов, а также влияние на распространение сигка движения корреспондентов.
-
Эффективное имитационное моделирование гидроакустичес* среды передачи сигнала должно базироваться на реальных гидролог -акустических и статистических свойствах океанической среды. Сле; вательно, реализация адекватной модели подводного канала должна с провождаться экспериментальными исследованиями океана, результі которых в своей совокупности должны составить Банк данных, слуг щих источником исходных параметров для моделирования океаничесі среды в различных акваториях мирового океана. Особо следует оті тить необходимость получения в процессе экспериментальных иссле; ваний статических характеристик океанической среды, характерна; щих ее как случайное поле принимаемого сигнала, таких как одномі ные и многомерные функции распределения вероятностей и их момен' функции корреляции, функции рассеяния и т.п.
-
Существенным аспектом при решении проблемы имитационно моделирования океанической среды является эффективность вычисле: на ЭВМ, поскольку сама постановка проблемы предполагает использо: ние режима реального времени. Эффективное решение поставлен: проблемы требует привлечения средств параллельной математики, связано как с разработкой параллельных вычислительных алгоритм так и соответствующих архитектур вычислительных систем.
4. Анализ адекватности разработанной имитационной модели г
роакустической среды передачи сигнала должен проводиться на осн
сопоставления данных натурных экспериментов с результатами машин
го моделирования подводного распространения акустических сигнале
условиях конкретных акваторий Мирового океана.
Достоверность приводимых в дисссертации результатов и выво обеспечивается:
строгостью физико-математического обоснования предложенной имитационной модели гидроакустической среды передачи сигнала;
корректным применением аппарата математической физики и спектральной теории случайных полей;
- созданием на основе разработанных в работе алгоритмов
программной реализации имитационной модели в виде специализирован
ного вычислительного комплекса на базе ПЭВМ:
- проведением машинных экспериментов для исследования адекват
ности разработанной модели и ее применения для решения различных
прикладных задач.
Практическая значимость работы и внедрение результатов исследования.
Разработанные в диссертации концептуальные и теоретические основы имитационного моделирования гидроакустической среды передачи сигнала как линейной стохастической системы позволяет строить адекватные функциональные модели океанической среды для различных акваторий Мирового океана.
Такие модели, используемые в экспериментах по имитационному моделированию систем информационной акустики океана обеспечивают высокую степень автоматизации научных исследований в данной области.
Разработанная методика экспериментального исследования океана позволяет расширить круг задач изучения океанической среды, получить ряд новых характеристик и увеличить степень достоверности экспериментальных данных.
Организация исходных данных, используемых при реализации имитационной модели, в виде соответствующего Банка данных увеличивает степень систематизации научных знаний о свойствах Мирового океана, а также позволяет автоматизировать процесс физических экс-
периментов при имитационном моделировании океанической среды.
Разработанный комплекс программ и аппаратных средств обрабої данных натурных экспериментов позволяет эффективно автоматизирові экспериментальные исследования океанической среды.
Параллельные алгоритмы моделирования детерминированной и сі хастической структур океанической среды, разработанные автором ді сертационной работы, обеспечивапт эффективность реализаі имитационных моделей на ЭВМ с параллельной архитектурой.
Специализированный вычислительный комплекс на базе ПЭ1 реализующий имитационную модель гидроакустической среды переді сигнала, предназначен для использования в автоматизированных ср< ствах разработки информационных систем.
Результаты диссертационной работы использовались:
при проведении НИР -Форштевень' (В/Ч 60130);
при проведении НИР "Теснина-АН' (В/Ч 60130, АКИН имени академика Н.Н.Андреева).
Апробация результатов работы
Основные материалы диссертационной работы докладывались и < суждались на XV Всесоюзной школе-семинаре по статистической гид; акустике (Владивосток, 1989г.), X Всесоюзной конференции Информационной акустике (Москва, 1990г.), Всесоюзной научно-тех ческой конференции "Компьютерные методы исследования проблем тео и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам (Евпатор 1990г.), 111 Всесоюзном акустическом семинаре' Модели, алгорит принятие решений (Минск, 1991г.), ряде семинаров (ИППИ РАН, 60130, АКИН имени академика Н.Н.Андреева)
Публикации. Осноаные результаты диссертации изложены в Si н чных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
сьми глав, заключения и приложения со своими списками литературы. Объем диссертации - 229 страниц машинописного текста88 рисунков, /таблиц. Приложение содержит J15 страниц машинописного текста, т 4 рисунков.
