Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния современных направлений обнаружения морских биологических объектов и их экологической безопасности 18
1.1. Сущность, сравнительная характеристика активно-пассивной рыболокации и гидролокации 18
1.2. Некоторые акустические особенности морских биологических объектов и их использование для обнаружения 25
Глава 2. Физические основы метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформи рованных рыбных косяков 42
2.1. Сформированный рыбный косяк, физические основы его организации 42
2.2. Влияние на стратификацию водной среды поверхностного волнения, ветра и сформированного рыбного косяка 48
2.3. Фазовая скорость просветного сигнала и физические основы е изменения на неоднородностях морской среды и сформированных РК. 67
2.4. Физическая модель метода дальнего обнаружения сформированных рыбных косяков 77
Глава 3. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований проверки физических основ метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков 89
3.1. Результаты численного моделирования процесса перемещения в водной среде сформированного рыбного косяка 89
3.2. Анализ результатов натурных экспериментов на гидроакустической барьерной линии остров Сахалин-остров Итуруп, проводимых СКВ САМИ в период с 1986 по 2002 г.г. по обнаружению неоднородностей морской среды 108
3.2.1. Применение импульсного сигнала и методы его временной обработки 108
3.2.2. Изменение спектральных параметров просветного акустического сигнала в присутствии движущегося рыбного косяка . 117
3.3. Прямые и косвенные признаки обнаружения и распознавания РК 124
Глава 4. Гидроакустичекая система наблюдения заморской средой на базе мобильных (позиционных) средств габл с использованием метода дальнего обнаружения сформированных рыбных косяков 139
4.1. Назначение и тактико-технические характеристики гидроакустической системы наблюдения за морской средой на базе мобильных (позиционных) средств с использованием метода дальнего обнаружения сформированных РК 139
4.2. Общие принципы формирования и работы гидроакустической системы подводного наблюдения на базе мобильных (позиционных) средств 143
4.3. Технические особенности работы гидроакустической системы подводного наблюдения с использованием метода дальнего обнаружения РК 146
4.4. Оценка помехоустойчивости приема просветных сигналов в гидроакустической системе 151
4.5. Рекомендации по практическому применению метода дальнего обнаружения сформированных рыбных косяков в Дальневосточном регионе 156
Заключение 166
Список литературы 169
- Некоторые акустические особенности морских биологических объектов и их использование для обнаружения
- Влияние на стратификацию водной среды поверхностного волнения, ветра и сформированного рыбного косяка
- Анализ результатов натурных экспериментов на гидроакустической барьерной линии остров Сахалин-остров Итуруп, проводимых СКВ САМИ в период с 1986 по 2002 г.г. по обнаружению неоднородностей морской среды
- Общие принципы формирования и работы гидроакустической системы подводного наблюдения на базе мобильных (позиционных) средств
Введение к работе
Объектом исследования диссертационной работы являются современные теоретические направления и технические решения обнаружения рыбных косяков (РК) активно-пассивной эхолокацией и интенсивной гидролокацией [2-3].
Проведенный в диссертации анализ показал, что для активного обследования водной среды и обнаружения РК на рыболовных судах в настоящее время применяется активно-пассивная рыболокация и интенсивная гидролокация. Различия между ними определяются спецификой отражения и рассеивания звука скоплениями промысловых гидробионтов. При этом получение устойчивых эхо-сигналов от РК обеспечивается лишь на высокочастотных звуковых сигналах и на малых дистанциях. Стремление достигнуть больших дальностей обнаружения таких объектов, при высокой степени затухания высокочастотных сигналов в водной среде, привело к необходимости увеличения излучаемой мощности станций, что, в конечном счете, было связано с энергозатратами и усложнением гидроакустических систем.
Для увеличения дальности обнаружения РК [4], широкомасштабного мониторинга морских акваторий и обнаружения РК при их установившейся миграции активно начали использовать технологию двойного назначения, которая раньше применялась для обнаружения искусственных объектов. Мощные эхолокаторы уже несколько лет были не востребованы, поэтому аппаратура постепенно перешла для решения мирных задач. Стали устанавливаться системы мощного активного сканирования больших акваторий в крупных заливах, проливах Охотского моря. Действие сонаров такого типа, как было ранее установлено, способно приводить к гибели китов, дельфинов, морских свинок и ряда других морских млекопитающих, полностью нарушая установившуюся систему миграции и поведения гидробионтов. Запасы рыбы в Мировом океане катастрофически истощаются. Об этом ученые и экологические активисты говорят уже давно. В этих условиях исключительно важное значение для РФ имеет закрепление ее приоритета в выявлении и освоении ресурсов открытых частей Мирового океана, а также сохранение и развитие экономических связей в области рыболовства с прибрежными странами. Необходимость решения этой задачи обусловлена таїсже тем обстоятельством, что в открытые и освоенные РФ богатейшие промысловые районы в международных водах (Северная Атлантика - море Ирмингера; Юго-Восточная часть Тихого океана; антарктическая часть Атлантики и Индийского океана и др.) и закрытых морях (Охотское море) устремились иностранные суда.
Из всего вышеизложенного молено сделать вывод: существует научно-техническая проблема дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК.
В связи с этим в 70-80-е годы прошлого столетия [13] специалистами в области подводной гидроакустики было высказано предположение о возможности применения, для обнаружения морских объектов параметрических просветных акустических методов. История развития данной идеи такова. В 1948 году на радиофизическом факультете Нижегородского университета была создана одна из первых в стране университетских кафедр акустики. С момента организации НИРФИ (1956), а впоследствии и ИПФ РАН (1977) гидрофизика и гидроакустика были в ряде приоритетных научных направлений этих институтов.
Большой объем научных исследований за последние годы по низкочастотной акустике Мирового океана был проведен ИПФ РАН [17]. При этом было использовано уникальное излучающее оборудование, параметры которого значительно превосходят зарубежные аналоги. В рамках Российско-Американского проекта, посвященного акустической термометрии океанского климата, были сделаны уникальные эксперименты по низкочастотному распространению звуковых сигналов на трансарктической трассе длиной в 2600 км.
Но необходимо отметить, что практически идея создания параметрических, а затем и других вариантов просветного метода гидролокации зародилась на гидроакустическом полигоне (г. Владивосток), отрабатывалась при проведении морских экспедиций с использованием специального оборудования экспедиционных судов; а также береговых шумопеленга-торных станций в период с 1980 по 1990 годы. Научные и технические разработки этого метода были обоснованы в кандидатской (1987) и докторской (1993) диссертациях сотрудника гидроакустического полигона М.В. Мироненко [17,53]. Впоследствии при его научном руководстве и непосредственном участии просветный метод постоянно дорабатывался и совершенствовался по различным направлениям реализации в системах широкомасштабного мониторинга океанской среды и его биологических запасов. Обширных научных публикаций по этим разработкам в прессе не было. И только в настоящее время с появлением в печати воспоминаний о забытых работах аналогичного характера в ИПФ РАН РФ, выполненных В.А. Зверевым и А.И. Калачевым, а также в связи с обострившейся проблемой низкой эффективности дальнего обнаружения РК активной высокочастотной и пассивной параметрической рыболокацией, экологической небезопасностью интенсивной гидролокации снова обратились к просвет-ным методам.
Появилось множество вариантов формирования просветного метода и была высказана гипотеза, что в просветном методе значение силы объекта значительно возрастает по сравнению с режимом обычной гидролокации и улучшаются основные характеристики гидролокационной системы: дальность обнаружения РК и вероятность правильного их обнаружения.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями в процессе разработки просветных методов и эксплуатации данных систем на протяженных трассах показано, что движущийся сформированный РК может быть обнаружен по косвенным и прямым признакам.
Под косвенными признаками обнаружения РК понимаются следующие [63]: - гидрофизические условия, благоприятствующие формированию промысловых скоплений рыб (фронтальные разделы, вихри, меандры, уча стки конвергенции акватории Охотского, Японского морей и проливных зон с гидродинамической неустойчивостью или неоднородностью); - статистические характеристики пространственной структуры поля температуры поверхности Охотского моря и общего теплового фона на ак ватории; выявленные участки повышенной первичной биопродуктивности, по данным аэроразведки или многолетних наблюдений; регистрация скоплений морских млекопитающих и птиц.
Прямые признаки распознавания РК разделяются на объективные, субъективные и спектральные.
В ряде работ [78-82] выдвинуты гипотетические представления о механизмах возмущений, связанных с движением сформированного РК. Однако незавершенность этих представлений выражается в том, что на основе частных экспериментальных исследований рассматриваются раздельно возмущения в толще океана и на поверхности без единого логического механизма причинности и взаимосвязи. Это требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Имеемые в настоящее время экспериментальные исследования на протяженной стационарной просветнои линии о. Сахалин - о. Итуруп позволяют с определенной долей уверенности сделать вывод о существовании этих физических явлений, а также опытным путем определить некоторые их характеристики и свойства.
Несмотря на некоторые недостатки, принципиальным достижением просветных методов можно считать возможность развития на их основе нового направления в разработке систем мониторинга и диагностики морской среды путем комплексного применения различных методов обнару- жения и распознавания морских биологических объектов. Основываясь на этих предположениях, наиболее реальным направлением решения проблемы дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК может быть путь разработки метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов.
Цель диссертационной работы: решение проблемы дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК за счет реализации низкочастотного просветного метода на гидроакустической барьерной линии остров Итуруп - остров Сахалин.
На основании вышеизложенного предметом исследования диссертационной работы является метод дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов и пути его технической реализации на ГАБЛ.
Исходя из этого научной задачей диссертационной работы является: разработка физических основ низкочастотного просветного метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК и технических путей его реализации на ГАБЛ. Направления исследования:
Разработка физических основ и закономерностей формирования возмущенной области, сопутствующей движущемуся акустически слабозаметному сформированному РК.
Обоснование физических основ метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК.
Численное моделирование и экспериментальная проверка физических основ: - метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК; формирования возмущенной области среды, сопутствующей движущемуся РК; влияния поверхностных й внутренних возмущений морской среды на спектр низкочастотного просветного сигнала.
4. Разработка технических решений, необходимых для формирования и эксплуатации гидроакустической системы обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков.
Методы исследований, достоверность полученных результатов.
В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классической активно-пассивной эхолокации и интенсивной гидролокации. Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделей; использованием известных положений теоретической гидроакустики; сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами эксплуатации предложенного технического решения на ГАБЛ, а также с результатами исследований других авторов.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ и сделаны выводы, что для активного обследования водной среды и, соответственно, обнаружения РК на рыболовных судах применяется активно-пассивная рыболокация и активная гидролокация. В промышленном рыболовстве используются главным образом системы активной локации, которая даёт возможность определять вид рыб, их размеры, число и положение РК. Большинство современных таких систем работают на частоте 192 кГц, некоторые используют 50 кГц. Эти частоты дают устойчивое эхо от объекта, работают лучше всего в неглубокой воде и обычно дают меньшее количество «шумовых» и нежелательных отражений. Это позволяет отобразить две рыбы как два отдельных эха вместо одной «капли» на экране. Но получение устойчивых эхо-сигналов от реальных гидробионтов обеспечивается лишь на высокочастотных звуковых сигналах и на малых дистанциях.
В этой главе рассмотрены некоторые акустические особенности морских биологических объектов и их использование для обнаружения.
Действительно, как показывают эксперименты, спектры биологически значимых сигналов находятся в диапазоне максимальной чувствительности рыб. Ограниченное использование звуков в промышленном рыболовстве указывает на сложность этой проблемы и необходимость тщательного изучения всех особенностей слуха и отношения различных рыб к звуку.
Механизмы формирования поведения рыб рассматриваются на фоне природных адаптации (принципы самоорганизации, заложенные в основу организации всего живого). Это позволяет рассматривать каждый организм, как дискретную неоднородность для обнаружения, а их скопление -как объемную морскую неоднородность.
Все это требует новых технических решений и разработки метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов. Только в таком аспекте технические проекты в области рыболовства могут быть наделены биофизическим содержанием, и, следовательно, адекватны природным законам.
Вторая глава диссертационной работы посвящена:
1. Разработке физических основ метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов, основанного: на низкочастотном просветном методе широкомасштабного интенсивного нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных сигналов возмущенной областью, созданной движущимся РК; на гидроакустической системе как широкомасштабном параметрическом излучателе-приемнике с низкочастотной подсветкой (накачкой) кон- тролируемой трассы, являющейся одновременно и объемной гидроакустической базой.
В основу физической модели предложенного в диссертации низкочастотного просветного метода положены следующие физические явления: фазовой модуляции с появлением в спектре низкочастотного просветного сигнала, сдвинутых относительно исходного спектра, дополнительных гармоник суммарной и разностной частоты с двумя, четырьмя и более знаками как результат нелинейного взаимодействия просветного сигнала с возмущенной областью, созданной движущемся РК; нелинейного взаимодействия несущей низкочастотного просветного сигнала с наиболее интенсивными составляющими возмущенной области, созданной движущемся РК, и параметрического преобразования его в комбинационные волны суммарной и разностной частоты.
2. Обоснованию физических основ самоорганизации сформированного РК, его форме и общим характеристикам. Отмечено, что под акустически слабозаметным сформированным РК понимается РК, перемещающийся из одной точки кормления в другую и необнаруживаемый активной высокочастотной рыболокацией. Основными характеристиками РК являются: упаковка рыбы в стае, как тетраэдрическая решетка; границы отдельного РК (капля, шар, куб); крейсерская скорость перемещения; максимальная частота пропульсивных движений; сила сопротивления воды. Все это позволило создать физическую модель возмущенной области водной среды от сформированного РК, основой которой является результат гидродинамического воздействия РК на водную среду с возникновением: горизонтальных и вертикальных внутренних волн, вследствие прогиба слоев водной среды; волны сопровождения, как последствия прилипания и смещения разных по плотности слоев водной среды вокруг сформированного РК.
Было отмечено, что механизм генерации данных физических явлений определяется как монопольными акустическими колебаниями эле- ментарных рассеивателей водной среды, так и перемещением ее деформаций в качестве устойчивой совокупности смещений частиц слоев всей водной среды. При этом перерассеяния и изменение параметров просветных сигналов происходит во множестве точек и слоев перемещающейся стратифицированной водной среды во всем объеме и во всех направлениях за счет возникновения внутренних волн. При этом регенерируются гармонические и квазигармонические полно периодные, полупериодные и четверть периодные волны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
В третьей главе диссертационной работы приведены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований разработанных в главе 2 физических основ метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов и пути его технической реализации на ГАБЛ, а именно: моделирование пространственной амплитудно-фазовой структуры поля акустических волн в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды и возмущенной области, созданной движущимся РК; моделирование процесса воздействия извивающегося в вертикальной плоскости лентообразного движения сформированного РК на водную среду; численное моделирование влияния поверхностного и ветрового волнения на ГАБЛ остров Сахалин - остров Итуруп на просветный сигнал; результаты натурных экспериментов изменения спектральных параметров просветного акустического сигнала в присутствии движущегося рыбного косяка.
На основании данных, изложенных в главе 3, были сделаны следующие выводы; - во всём диапазоне проведенных численных экспериментов было об наружено хорошее согласие с предложенной физической моделью; - в диапазоне малых амплитуд колебания возмущенной области от РК действительно наблюдается обыкновенная внутренняя волна.
Все это говорит о возможности проведения селекции сигналов, принадлежащих по спектру к «возможному» обнаружению РК. В четвертой главе диссертационной работы приведены: общие теоретические и практические подходы к формированию гидроакустической просветной системы; оценка помехоустойчивости приема информации в низкочастотном просветном методе; тактико-технические требования к стационарной (позиционной) просветной гидроакустической системе обнаружения РК; рекомендации по применению стационарной (позиционной) системы освещения подводной обстановки в Охотском море и Дальневосточном регионе.
В заключение главы сделаны выводы, по результатам которых можно оценить уровень технической проработки всего научного направления, поставленного в диссертационной работе.
Основные выводы диссертационной работы.
По результатам проведенных исследований можно отметить, что в диссертационной работе разработаны и обоснованы положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое научное достижение в решении сложной технической проблемы дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК.
Научная задача данной работы - «разработка физических основ низкочастотного просветного метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК и технических путей его реализации на ГАБЛ» - решена путем: - разработки физических основ и закономерностей формирования возмущенной области, сопутствующей движущемуся акустически слабо заметному сформированному РК; обоснования физических основ метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК; численного моделирования и экспериментальной проверки физических основ РК.
На защиту выносятся:
Метод дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов.
Технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных гидроакустических систем дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков.
Особая благодарность научному руководителю - доктору технических наук, доценту Стародубцеву Павлу Анатольевичу.
Некоторые акустические особенности морских биологических объектов и их использование для обнаружения
Акустико-механические свойства тела любых организмов, обитающих в водах океана, в большей или меньшей степени отличаются от соответствующих свойств морской воды [10] . Это позволяет рассматривать каждый морской организм как дискретную неоднородность для обнаружения, а их скопление - как объемную морскую неоднородность. По аналогии с искусственными объектами такой подход позволяет их обнаружить методами активной высокочастотной и низкочастотной локации. Количественной характеристикой рассеивающих свойств отдельного морского организма, или ЗРС, может быть его поперечное сечение рассеяния. Эта величина определяется двумя факторами: - структурой тела и акустической контрастностью его тканей по отношению к воде; - относительным размером рассеивателя ИХ (где / - его размер, а А, -длина акустической волны). При морских измерениях чаще всего ограничиваются сечением рассеяния в обратном (локационном ) направлении о . Анализ результатов многочисленных лабораторных измерений и модельных расчетов величин а [10], позволил оценить характерные области значений сечений рассеяния наиболее распространенных морских организмов (рис. 1.1). Шкалы в относительных единицах позволяют объединять характеристики организмов одного типа независимо от их размеров. Ширина каждой заштрихованной области определяется типичными вариациями величин с$ , не учитываемыми принятой нормировкой. При I» А величина с/1 слабо зависит от частоты, примерно пропор-циональна / и сильно изменяется при смене ракурса облучения. При / IX 1 зависимость от ракурса пропадает, но сечение рассеяния организмов без газовых полостей почти сразу начи нает уменьшаться как flX . Для рыб с газонаполненным плавательным пузы рем частотная зависимость сечения рассеяния имеет более сложный харак тер. Полость пузыря является акустическим резонатором с резонансной час тотой [10]: где а- радиус сферы, равной по объему газовой полости пузыря, причем а = ( 0,04... 0,06 )/; Р - статическое давление, определяемое глубиной обитания рыбы; juc о - модуль сдвига тканей тела; р- плотность воды, примерно равная плотности тканей [10].
Резонансные явления развиваются в области значений УХ = 0,02 -ь 0,8, что в ЗРС соответствует единицам кГц. Здесь величина с/1 достигает максимальных (резонансных) значений, а форма индикатрисы практически сферична. Эффекты резонанса приводят к сдвигу начала резкого падения величин сг в область !«Л. Практически это и определяет доминирующую роль в ЗРС рыб с пузырями при рассеянии звука на частотах в единицы кГц (размеры рыб и других обитателей ЗРС редко превышают 15 см). И стаи рыб и ЗРС океана удобно описывать величиной силы слоя, характеризующей рассеивающие свойства их вертикальной колонки единичного сечения [10]: где Sc - коэффициент объемного обратного рассеяния, z/uz2 глубины верхней и нижней границ неоднородности. При низкой концентрации организмов в ЗРС можно ограничиться приближением однократного рассеяния, и тогда величине Sc соответствует отношение суммы сечений сР к рассеивающему объему. Для более плотных скоплений, например стай рыб, это приближение может оказаться недостаточным. Критерием, определяющим необходимость учитывать эффекты многократного рассеяния, является требование, накладываемое на соотношение длины г пробега звука в пределах скопления и величины полного коэффициента объемного рассеяния, S0 [10]: Условие (1.3) может нарушаться в промысловых скоплениях мелких рыб и рачков [10].
Из-за недостатка количественных данных о фауне ЗРС вся информация об их акустических свойствах была получена в ходе прямых натурных измерений величин коэффициента Sc и силы слоя IL в разных районах океана [10]. Как правило, измерения охватывали глубины от 150...200 м до 1,0 ...1,5 км. Основная часть всех исследований была проведена в диапазоне частот от 2-3 до 20 кГц. Общее число измерений, выполненных отечественными исследователями в Мировом океане, во много раз превышает число опубликованных данных, включая зарубежные. На рис. 1.2 приведены частотные зависимости силы слоя ЗРС, измеренные в светлые часы суток в разных районах Мирового океана [10]. Характерной особенностью почти всех кривых является резкое возрастание силы слоя при увеличении частоты от 2-3 до 5-7 кГц и относительно слабая частотная зависимость при дальнейшем повышении частоты.
Влияние на стратификацию водной среды поверхностного волнения, ветра и сформированного рыбного косяка
Представляющий собой единое материализованное «существо» рыбный косяк, вибрируя (извиваясь) в горизонтальной плоскости, способен вырабатывать определенную частоту колебаний, превращая ее в общую частоту движения отдельных слоев стратифицированной водной среды. Все это приводит к изменению основных параметров ее стратифицикации и появлению волны сопровождения и горизонтальной внутренней волны.
Простейшая схематическая модель возникновения внутренних волн выглядит следующим образом (рис. 2.1) [47-56]. Пусть некоторый объем
Волной сопровождения (или волной-спутником) условно называют перемещение деформаций, созданных РК окружающей водной среды. Условность заключается в том, что деформация водной среды является несамостоятельной (неотделимой) частью достаточно устойчивой совокупности смещений частиц пограничного слоя воды около РК и его окружения, а также в том, что вызвавший волну процесс в дальнейшем перемещается внутри этой волны вследствие создаваемой ею (самостоятельно или вместе с другими деформациями) неоднородности среды, и сам как бы сопровождает ее [48]. Физически это объясняется сопротивлением трения, связанным с вязкостью воды, и колебаниями суммарной поверхности РК [49-56]. Частицы воды, соприкасаясь с РК , прилипают к нему и движутся вместе с ним. Силы сцепления частиц воды друг с другом меньше, чем с твердым телом, поэтому второй слой воды, расположенный рядом,с первым, несколько отстает от него по скорости, как бы цепляясь за него, но постепенно сползая.
Каждый последующий слой будет двигаться по отношению к РК с несколько меньшей скоростью, чем предшествующий. Интенсивное проявление сил вязкости ограничивается небольшой частью потока, именуемого пограничным слоем. За пределами пограничного слоя силы вязкости утрачивают свою роль. Это генерирует, соответственно, внутренние волны и турбулентные явления за РК.
Волна сопровождения не может быть отнесена к категории малых волн и называться акустической волной [50], так как в ее центре идет постоянное изменение генерирующих ее сил и, соответственно, смещения частиц (а не их колебания), что превышает пороговый уровень вязкости среды. Для ускорения частиц постоянно происходит смещение слоев стратифицированной жидкости и гидродинамическое воздействие (растяжение и разрыв), на горизонте движения РК водной среды. Поэтому в однородной среде волна сопровождения является неизотропной [51], но осесим-метричной, так как имеет ось симметрии, проходящую через центр РК в направлении его перемещения. Волна сопровождения может быть представлена и как попеременное (вследствие взаимного запаздывания скоростей и ускорений) перемещение слоев стратифицированной жидкости и упругого перемещения ее деформаций за счет хаотического колебания суммарной поверхности РК.
К примеру, в случае свободных упругих волн, причиной (предшествующим событием) любого перемещения слоев стратифицированной жидкости всегда является тоже упругая волна, точнее, другая часть этой же волны, отличимая от волны сопровождения только по времени (фазе).
В результате любая часть стабильной свободной волны всегда отбирает и гасит движение предыдущей части (своего источника-причины) и может длительно перемещаться (в случае стабильных волн) только с одной фиксированной скоростью, зависящей от параметров конкретной стратифицированной среды, или коллапсирует (в случае нестабильных волн) [51 -56]. А волна сопровождения всегда сама поддерживает необходимые условия для перемещения, сохраняя условия своего устойчивого существования в широком диапазоне скоростей от нуля до максимума, определяемого параметрами среды и колебательными процессами, связанными с движением подводного объекта.
Вследствие аддитивности, любые смещения частиц внутри волны сопровождения суммируются обычным образом [55,56]. Так как РК есть сложная колебательная система, состоящая из вырабатывающих отдельных особей и стай, то волны сопровождения различных частей РК суммируются алгебраически, а амплитуда смещений частиц в суммарной волне может быть и больше и меньше амплитуды конкретной составляющей части волны. Волна сопровождения как совокупность смещений частиц имеет родственное со свободными волнами строение и, поэтому, может непосредственно обмениваться с ними суммами смещений водной среды в зависимости от собственных параметров, параметров среды и ее частиц, увеличиваться или уменьшаться [57-60].
Вследствие аддитивности ситуация может быть проиллюстрирована с помощью примера перемещения одной частицы относительно других частиц стратифицированной среды, так как большинство известных в природе рыб и наиболее интересных вызывают однотипные волны сопровождения, отличающиеся, в основном, только размерами и амплитудой. Чтобы пропустить перемещающуюся частицу, движение которой задано колебательными процессами РК, другие частицы воды (частицы ее окружения) должны расступиться перед нею и, чтобы сохранить непрерывность водной среды, должны снова сомкнуться за нею. То есть на время перемещения центральной частицы в одном направлении они сами должны переместиться в другом, поперечном направлении. Для этого они должны принудить к перемещению в том же направлении другие частицы окружения, а те еще другие и т.д.
Такое согласованное последовательное перемещение групп частиц в одном направлении попадает под определение продольной волны [57-60]. Поэтому волну сопровождения можно представлять как сумму соответствующих продольных волн. Но расступание и последующее схождение частиц воды в волне сопровождения можно представлять и как одиночное поперечное колебание частиц водной среды. Подобные колебания частицы водной среды совершают на торцах свободных поперечных волн. Расступание частиц водной среды может быть представлено и как изгиб РК (водной среды) в стороны от центра или к нему. Тогда волна сопровождения предстается как осесимметричиая волна прогиба водной среды за счет колебания подводного объекта [57-61]. Для статического прогиба окружения водной среды справедливо чисто геометрическое соотношение стрелы прогиба SRC, полухорды hc и радиуса Rc кривизны прогнутого подводного объекта (водной среды)
Анализ результатов натурных экспериментов на гидроакустической барьерной линии остров Сахалин-остров Итуруп, проводимых СКВ САМИ в период с 1986 по 2002 г.г. по обнаружению неоднородностей морской среды
Решение задач гидроакустического мониторинга любых неоднород-ностей среды (в т.ч. и РК) обычно предполагает наличие стабильных и хорошо разрешаемых пиков в сжатом импульсном сигнале, которые можно отождествить с вкладами отдельных лучей (групп лучей) или мод (групп мод) [87-96]. По изменениям времен приходов этих пиков можно, например, судить о вариациях средней скорости звука вдоль акустической трассы. Если разрешаемых лучей или мод достаточно много, можно пытаться восстановить и более детальные характеристики поля скорости звука. Поскольку несущая частота просветного сигнала в обсуждаемом эксперименте была невысока, при теоретическом анализе временной структуры сигнала и интерпретации экспериментальных данных использовался лучевой подход, где в силу линейности задачи принятый сигнал после сжатия (путем корреляции с репликой первоначально излученного импульса) в точности совпадает с тем, который был бы принят после излучения импульса, повторяющего функцию автокорреляции исходного сигнала [87-96]. Хорошо известно, что при падении плоской монохроматической волны на взволнованную морскую поверхность отраженное поле представляет собой сумму двух компонент: зеркально отраженной и рассеянной [87-96]. Первая из них имеет нулевой доплеровский сдвиг частотами, следовательно, сигнал, формируемый этой компонентой, остается монохроматическим. С точки зрения лучевого подхода звуковой сигнал, приходящий в точку приема вдоль каждого луча, можно представить в виде суммы двух компонент.
Одна из них формируется зеркально отраженными волнами, другая является рассеянной. В случае тонального сигнала, о котором шла речь в предыдущем параграфе, отраженная компонента была названа ВК. После каждого отражения луча от взволнованной морской поверхности энергия отраженной компоненты уменьшается за счет перекачки в другую компоненту. В экспериментах с тональными сигналами вклады двух компонент разрешаются в спектре [87-96]: отраженная компонента формирует узкий высокий пик на несущей частоте, а другая - остальную часть спектра. Для просветного метода отраженная компонента содержит в себе и переизлученную компоненту, как результат прохождения низкочастотного просветного сигнала через возмущенную область от движения сформированного РК. Ширина центрального пика определяется характерными временными масштабами изменения объемных неоднородиостей среды (в том числе и РК) и составляет несколько герц. Результаты данных экспериментов показывают [87-96], что низкочастотная часть центрального пика переносит существенную часть энергии принимаемого сигнала, иногда более 70%. Ширина рассеянной компоненты совпадает с шириной спектра поверхностного волнения, имеет конечную ширину и составляет несколько десятых долей герц. Вклад этой компоненты можно рассматривать как некую шумовую добавку. Важный момент заключается в том, что эта «шумовая» компонента импульсного сигнала не будет сжиматься при корреляции с репликой и, следовательно, окажется «размазанной» по всей длительности исходного импульса. Временная структура принятого сигнала в обсуждаемом эксперименте весьма сложна, и одиночный сжатый импульс представляет собой набор многочисленных максимумов. Ниже приведены графики, иллюстрирующие временную изменчивость импульсных сигналов [87-96]. Каждое вертикальное сечение представляет временную структуру одного импульса. Эти графики построены для сигналов двух типов: с шириной полосы 10 Гц, зарегистрированных 4 декабря 1989 г. и с шириной полосы 20 Гц, зарегистрированных 7 декабря 1989 г. [87-96]. Те же данные использованы при построении всех остальных графиков, приведенных в этом параграфе. от СКБ САМИ сигналов слишком коротки, чтобы судить о долговременной стабильности отдельных пиков в сжатых импульсах. Тем не менее, проведенное на рис. 3.10 сопоставление сжатых импульсов, зарегистрированных на глубокий гидрофон 4 и 7 декабря 1986 г., свидетельствует об устойчивом разрешении нескольких приходов в начальной части импульса Приведенные графики получены усреднением огибающих интенсивности сжатых импульсов за 3 часа (по тем же самым данным, которые использованы при построении рис.3.11) [87-96]. Верхний график - сигнал с мелкого гидрофона, нижний график - сигнал с глубокого гидрофона При сопоставлении сигналов, зарегистрированных 4 и 7 декабря, совмещались их крутые задние фронты. Величина задержки (по оси абсцисс) для обоих гидрофонов отсчитывалась от одного момента времени. Поэтому из сопоставления данных графиков можно сделать вывод о том, что сигнал на мелкий гидрофон приходит с некоторым запаздыванием относительно принятого на глубокий гидрофон. Временной сдвиг между приходами крутых задних фронтов составляет величину порядка 0,5 с. Главной причиной временного сдвига, является различие расстояний от гидрофонов до источника.
С учетом кривизны Земли на основании географических координат трех данных точек находим эти расстояния: 344,3584 км до глубокого гидрофона и 344,9812 км до мелкого. Разделив разность этих дистанций (0,623 км) на среднюю скорость звука на трассе (1,46 км/с), получаем оценку временной задержки 0,43 с. Но возможен вариант нахождения по трассе распространения и морских неоднородностей, в первую очередь биологического происхождения (РК). Из-за сложного, к тому же недостаточно хорошо известного, рельефа дна вблизи расположенных в шельфовой зоне источника и приемников, численные расчеты лучевых траектория представляли большую сложность. По этой причине не удалось отождествить разрешаемые максиму мы в сжатом сигнале с приходами отдельных лучей или групп лучей, соответственно, точно определить, почему они запаздывают. Опыт аналогичных расчетов в других волноводах, в которых скорость звука ниже оси растет с глубиной по линейному закону, показывает, что максимумы в начальной части принятого сигнала обычно формируются вкладами крутых лучей, точки заворота которых находятся далеко от оси канала. Максимум в конце сигнала, наоборот, обычно формируется при-осевыми лучами по глубинам, где и находятся РК. Отметим, что в сигнале, принятом на мелкий гидрофон, устойчивых максимумов в начальной части сигнала не наблюдается, есть только максимумы в конце сигнала, и общая длительность этого сигнала меньше, чем на глубоком гидрофоне (рис. 3.12, 3.13 [87-96]). Это дает возможность сделать первое предположение об оптимальности формирования системы обнаружения РК и некоторых признаках их наблюдения. Было сделано предположение, что крутые лучи просто не проникают в ту область шельфа, где этот гидрофон был расположен. На этом основании считалось, что при проведении акустических экспериментов на данной трассе приемные гидрофоны следует выносить из области шельфа или, по крайней мере, устанавливать на большой глубине.
Общие принципы формирования и работы гидроакустической системы подводного наблюдения на базе мобильных (позиционных) средств
Сущность формирования и эксплуатации гидроакустических систем заключается в следующем. Исследуемая акватория ограничивается, минимум, двумя излучающими и двумя приемными акустическими системами, устанавливаемыми в штатном (донном, с использованием кабелей) или быстро разворачиваемом мобильном (с использованием заякоренных РГБ или ДАС и организацией радиоканала) вариантах (рис. 4.1) [63,98,-116].
Данная система работает в режиме синхронного излучения - приема просветных сигналов близкой частоты (fi, f . Синхронизация работы системы, а следовательно, и параметры посылок излучаемых сигналов задаются и определяются в приемном тракте с помощью блока обработки информации и системы единого времени по аналогии с эхолокатором, но (в отличие от последнего) осуществляются по радиоканалу. В этом случае сигналы излучаются и начинают распространяться с обратной стороны акватории и проходят только прямой путь. Длительность посылок (т) просветных сигналов в этом случае определяется временем их распространения от излучателя к приемнику, т.е. она кратна этому пути (времени). Критическими (т) расстояниями на акватории являются: минимальное расстояние между одним из излучателей и двумя приемниками. Исходя из этих условий выбирается ширина исследуемой акватории, т.е. расстояния между излучателями, а также приемниками. Невыполнение этих условий приводит к несоответствию полученных результатов наблюдаемой обстановки (цикла наблюдения за РК) на устройстве отображения информации за время пересечения им охраняемой акватории. Это выражается в многократном повторении наблюдаемой картины на экране устройства отображения обстановки или ее искажении. Расстояния между приемниками, а также излучателями определяют площадь исследуемой акватории. Эти расстояния, в свою очередь, должны находиться в соответствии с протяженностью исследуемой акватории и быть кратными времени развертки на экране устройства отображения информации. Таким образом, пространственная протяженность посылки просветного сигнала должна быть равной или кратной пути ее распространения от излучателя к приемникам, что определяется геометрией установки приемников и излучателей [98,116].
При этом, расстояние от излучателя до первого приемника должно соответствовать N полных циклов акустического луча, а расстояние от излучателя до второго приемника, соответственно, - N + 1 (для получения набега времени (фазы) или разности фаз). Горизонтальное же расстояние между приемниками должно быть равно V2N +1, но не должно превышать ширины френелевского объема в горизонтальной плоскости. Сигналы синхронизации формируются и излучаются отдельно от просветных сигналов и передаются по радиоканалу (большая площадь акватории) или подводному кабелю (небольшие бухты, Курильские проливы или подходы к ним).
Вертикальная многоэлементная антенна (как глубоководный вариант для шельфовой части восточного побережья Камчатки, Курильских проливных зон, ГАБЛ о, Сахалин - о. Итуруп) представляет собой цепочку гидрофонных блоков, каждый из которых устанавливается на заданной глубине и контролируется специальным датчиком. Блоки расположены так, что они принимают просветные сигналы, измененные возмущениями водной среды (биологическими объектами), охватывая конусом лучи, приходящие сверху и снизу. Установленная на якоре вертикальная цепочка направленных приёмных гидрофонных блоков обеспечивает полный (по дистанции и глубине) просмотр глубоководной (до 3000 м) акватории по её внутренним (предельным) лучам скольжения, которые приходят в точку приёма без отражений от дна и поверхности и обеспечивают за счет этого энергетический выигрыш от 5 до 20 дБ.
Выбор горизонтов [101] в таких комбинированных системах излучения и приёма сигналов обеспечивает единственные для исследуемой акватории условия приходов сигналов по лучам и просмотр всей толщины водной среды по трассе. При обнаружении рыбных косяков детальный просмотр среды может производиться только на участках и горизонтах их наиболее вероятного нахождения. Ожидаемые траектории лучей (приходов сигналов от косяков) рассчитываются заранее с учётом измеренных параметров гидролого-акустических характеристик среды.
Применение в системе контроля дополнительной излучающей цепочки ненаправленных преобразователей позволяет обеспечивать максимально возможный просмотр контролируемой среды. Практика акустических исследований показывает, что таких блоков достаточно взять три и установить: на оси подводного звукового канала, выше ПЗК, ниже ГОК. При этом в системе контроля при определении дистанции и места косяка (определении точек пересечения верхних и нижних предельных лучей) используются закономерности нелинейного взаимодействия и преобразования просветных сигналов возмущенной областью от движущегося РК. Из вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы.
Рассматриваемое техническое решение дальнего обнаружения и определения места РК эффективно объединяет закономерности активно- пассивной высокочастотной и низкочастотной просветной гидролокации. Система контроля протяженных морских акваторий состоит из следующих элементов: заякоренной горизонтально-вертикальной антенны, состоящей из приемных блоков и радиобуя, установленных в мелководном районе; автономной излучающей системы, состоящей из ненаправленных излучающих блоков, мобильно развернутой в дрейфующем варианте в глубоководных районах Охотского моря, на подступах к Курильским проливным зонам или восточному побережью Камчатского полуострова [98-116].
Блоки излучающих и приемных антенн устанавливаются на горизонтах излучения и приема сигналов, обеспечивающих оптимальную акустическую подсветку всех горизонтов и участков вероятного расположения и движения РК на акватории, а таюке надежный прием прихода сигналов по верхним и нижним предельным лучам скольжения, которые определяются заранее по измеряемым гидролого-акустическим характеристикам контролируемой трассы.
