ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНОГО ПРИЁМА ИМПУЛЬСНЫХ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ИЗ ШЕЛЬФА В ГЛУБОКОЕ МОРЕ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2019, том 487, № 3, с. 322–327
ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 534.222
ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНОГО ПРИЁМА
ИМПУЛЬСНЫХ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ИЗ ШЕЛЬФА В ГЛУБОКОЕ МОРЕ
1
Академик РАН В. А. Акуличев , Ю. Н. Моргунов1,
А. А. Голов1,*, С. И. Каменев1, П. С. Петров1,2
Поступило 26.02.2019 г.
Обсуждаются результаты эксперимента, проведённого в сентябре 2017 г., для обоснования применимости
эффекта “акустического оползня” при решении задач позиционирования автономных подводных ап-
паратов в случае их функционирования на глубинах, существенно превышающих глубину оси подвод-
ного звукового канала. Приводятся результаты экспериментальных исследований и численного анализа
эффекта фокусировки акустической энергии в придонном слое на шельфе и переходе её в глубоковод-
ные (до 500 м) слои Японского моря для летне-осенних гидрологических условий. Выполнено матема-
тическое моделирование распространения акустических волн в модельном волноводе, воспроизводящем
условия эксперимента, с применением метода параболического уравнения. Наблюдаемые эффективные
скорости распространения сигналов объяснены с использованием метода нормальных волн.
Ключевые слова: подводный звуковой канал, групповые скорости, эффективные скорости, глубоковод-
ный приём, сложные сигналы.
DOI: https://doi.org/10.31857/S0869-56524873322-327
Одним из перспективных направлений развития (ПЗК), то в некоторых случаях это существенно
методов и технических средств акустической даль- ограничивает возможности эффективного выпол-
нометрии и навигации большого радиуса действия нения миссий.
является использование особенностей распростра- Целью данного исследования было проведение
нения низкочастотных импульсных псевдослучай- экспериментов и теоретических расчётов, направлен-
ных сигналов из шельфа в глубокое море. Это свя- ных на обоснование применимости эффекта “акус-
зано с возможностью применения эффекта акусти- тического оползня” для решения задач позициони-
ческого “оползня”, который заключается в фокуси- рования АПА при их функционировании на глубинах,
ровке акустической энергии в придонном слое существенно превышающих глубину оси ПЗК.
на шельфе и переходе её на ось подводного звуко-
вого канала (ПЗК) в глубоком море. В работах [1–5] В работе обсуждаются результаты эксперимента,
экспериментально показано, что применение этого проведённого в Японском море в сентябре 2017 г.
эффекта в летне-осенних и весенних гидрологиче- на акустической трассе длиной 198 км, включающей
ских условиях Японского моря позволяет эффек- мелководный шельфовый участок протяжённостью
тивно решать задачи акустической томографии не- около 25 км. Рисунок 1 иллюстрирует особенности
однородностей морской среды, звукоподводной рельефа дна от источника навигационных сигналов
связи и навигации. На основе этих результатов была (ИНС), установленного вблизи берега на глубине
разработана уникальная технология для обеспечения 34 м, до глубоководной части трассы.
позиционирования и управления автономными под- Для обоснования методического и технического
водными аппаратами (АПА) на расстояниях в сотни обеспечения экспериментальных работ было вы-
километров [6]. Так как данная технология разрабо- полнено математическое моделирование процесса
тана и апробирована для обязательного нахождения распространения акустической энергии для условий
АПА вблизи оси подводного звукового канала эксперимента методом широкоугольного парабо-
лического уравнения (ШПУ) [8, 9].
1 Тихоокеанский океанологический институт
им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения
Результаты расчётов для частоты 400 Гц представ-
Российской Академии наук, Владивосток лены на рис. 1 (для большей наглядности показаны
2 Дальневосточный федеральный университет, только первые 100 км трассы). Видно, что звуковое
Владивосток поле в глубоком море, возбуждаемое тональным
*E‑mail: golov_alexander@inbox.ru источником на шельфе, до глубины 500 м форми-
322ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНОГО ПРИЁМА ИМПУЛЬСНЫХ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ... 323
0 −80
500 −90
1000
Глубина, м
−100
1500
−110
2000
2500 −120
3000 −130
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Дистанция, км
Рис. 1. Контурный график интенсивности звукового поля в децибеллах относительно 1 м от источника для частоты
400 Гц, рассчитанный с помощью широкоугольного параболического уравнения.
руется модами низших номеров в виде слабо выра- Анализ групповых скоростей мод может быть
женных зон тени, которые равномерно засвечены использован для решения задачи определения рас-
модами высших номеров. Это подтверждено экспе- стояний акустическими средствами, так как эффек-
риментально и обеспечило устойчивый приём на- тивная скорость распространения сигнала в гори-
вигационных сигналов при решении целевой задачи. зонтальном направлении определяется именно
Для теоретической оценки эффективных скоростей соответствующей групповой скоростью. Для реше-
распространения навигационных сигналов в точках ния задачи акустической дальнометрии на некото-
приёма в зависимости от глубины был использован ром горизонте (не обязательно совпадающем с осью
модовый подход (метод нормальных волн), хотя ПЗК) необходимо оценить групповую скорость моды
обычно считается, что распространение звука в глу- с наименьшим номером и интервал (вертикальной)
боком океане удобнее описывать в рамках лучевой локализации модовой функции на заданном гори-
теории. зонте. Результаты такого расчёта представлены
В методе нормальных волн звуковое поле для сплошной кривой на рис. 2. На этом же рисунке
каждой частоты может быть представлено в виде приведено вертикальное распределение скорости
модового разложения, а импульсных сигналы, звука, измеренное гидрологическим зондом в точке
в свою очередь, могут быть представлены как супер- приёма (штрихпунктирная кривая).
позиции модовых импульсов. Ввиду устойчивости
результатов описанного ниже анализа при измене-
нии частот в интервале от 300 до 500 Гц (на котором Глубина, м
сосредоточена энергия навигационных сигналов) 0
оказывается возможным выполнять оценки эффек- 50
тивных скоростей по одной лишь центральной час-
100
тоте, составляющей 400 Гц. С каждой модой на этой
частоте может быть ассоциирован некоторый угол 150
распространения волн (относительно оси ПЗК), 200
а также слой её локализации, вне которого модовая
функция экспоненциально затухает (границы этого 250
слоя могут быть ассоциированы с точками заворота 300
луча, связанного с модой) [10, 11]. В глубоком море
350
групповые скорости обычно растут с номером моды
(т. е. с увеличением соответствующего ей угла рас- 400 Групповые скорости
пространения относительно оси ПЗК). Кроме того, Данные с СТD-зонда
450
известно, что ввиду полноты системы модовых Эффективные скорости
функций доля энергии звукового поля, переносимая 1454 1455 1456 1457 1458 1459 1460 1461 1462
модой некоторого номера, быстро убывает с увели- Скорость звука, м/с
чением этого номера. Иными словами, основная Рис. 2. Результаты сравнения групповых скоростей
часть энергии сигнала переносится модами малых наиболее медленных мод с эффективными скоро-
номеров (с 1 по 20 в нашем случае). стями максимальных приходов.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 487 №3 2019324 АКУЛИЧЕВ и др.
Как было отмечено ранее, группа мод наи- прерывном режиме принималась при погружении
меньших номеров обычно соответствует наимень- и подъёме. Рисунок 3 наглядно иллюстрирует весь
шим групповым скоростям и наибольшим интен- процесс проведения эксперимента. Наблюдаются
сивностям. Поэтому при решении задач дально- процессы погружения и подъёма гидрофона, дрейф
метрии in situ, в случае наблюдения нескольких приёмной системы и импульсные отклики волно-
приходов для данного горизонта, следует опираться вода. Три вкладки рисунков позволяют в любой мо-
на наиболее поздние из них, как правило, имеющие мент времени определить импульсную характери-
большую амплитуду. стику волновода в зависимости от глубины погру-
Расчёты показывают, что для горизонтов от 50 жения нижнего гидрофона, времени прохождения
до 500 м можно считать групповую скорость равной сигнала и расстояния между корреспондирующими
приблизительно 1455,3 м/с. Результаты численных точками.
исследований позволили эффективно спланировать Анализ данных, приведённых на рис. 3, показы-
и осуществить экспериментальные работы для вы- вает, что сигнал начинает детектироваться с гори-
полнения целевой установки. зонта 78 м. В диапазоне глубин 150–440 м наблюда-
Методически исследования строились таким ется стабильная картина импульсных откликов
образом, чтобы реализовать измерения импульсных с амплитудами, значительно превосходящими уро-
характеристик и эффективных скоростей распро- вень корреляционных шумов. При этом в диапазоне
странения звука в волноводе, включающем шельф глубин 150–200 м (глубина оси ПЗК) фиксируется
и глубокое море, при приёме низкочастотных фа- в основном один приход акустической энергии,
зоманипулированных сигналов на различных глу- а глубже энергия распределяется на три импульсных
бинах и удалении от ИНС на 198 км. Эксперимент прихода. Ниже отметки 440 м также фиксируются
заключался в приёме сложных фазоманипулирован- три прихода, но с существенно меньшими ампли-
ных сигналов, излучаемых источником, располо- тудами (рис. 4).
женным на шельфе, и вычислении импульсных
Для решения целевой задачи исследования были
характеристик волноводов путём свёртки принятых
произведены расчёты эффективной скорости про-
сигналов с репликой излучённого. В 150 м от бере-
хождения импульсных сигналов от ИНС до приём-
говой черты на глубине 34 м был установлен на грунт
ников, расположенных на разных глубинах. Эф-
широкополосный пьезокерамический излучатель.
фективные скорости рассчитывались путём деления
Один раз в минуту излучались сложные фазомани-
значений расстояния между источником и приём-
пулированные сигналы (М‑последовательности,
ником на момент регистрации сигнала по данным
1023 символа, 4 периода несущей частоты на символ)
GPS на время распространения, определённое
с центральной частотой 400 Гц. Длительность сеанса
по моменту регистрации максимального пика им-
излучения составила около 3 ч.
пульсного отклика. Результаты расчётов в виде то-
Для приёма сигнальной информации применя- чек представлены на рис. 2. Можно отметить, что
лась специально разработанная распределённая значения эффективных скоростей с точностью
вертикальная приёмная система, которая состоит до 1 м/с совпадают с результатами численных рас-
из нескольких автономных ненаправленных гидро- чётов групповых скоростей на глубинах до 495 м
фонов, размещаемых в произвольных точках на фале и со значением скорости звука на оси ПЗК. Физи-
длиной 500 м, который соединён с дрейфующей чески этот важный для практики результат может
вехой. На вехе установлен GPS-приёмник с переда- быть объяснён следующим образом. Максимальная
чей информации о местоположении системы по ра- концентрация акустической энергии вблизи оси
диоканалу на обеспечивающее судно. Каждый ав- ПЗК в виде одного импульса формируется сигна-
тономный гидрофон представляет собой устройство, лами, распространяющимися под углами, близкими
предназначенное для непрерывной регистрации к нулевым, со скоростью, равной скорости звука
звукового давления и текущей глубины точки при- на оси ПЗК [1–3]. Зафиксированная в эксперименте
ёма сигналов. акустическая энергия, в виде троек импульсов рас-
В заданной точке трассы на удалении 198 км пространяющаяся под большими углами на боль-
от ИНС с яхты “Светлана” была осуществлена по- ших глубинах, проходит по лучевым траекториям
становка приёмной системы. В данной работе об- большей длины, но с большими, чем на оси ПЗК,
суждаются результаты измерений с одного гидро- скоростями. Что и приводит к приблизительному
фона, который погружался от поверхности до глу- равенству эффективных (групповых) скоростей
бины 495 м. Гидроакустическая информация в не- на всех глубинах.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 487 №3 2019ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНОГО ПРИЁМА ИМПУЛЬСНЫХ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ... 325
Время Время Время
×104
9:00 9:00 9:00
3,0
9:30 9:30 9:30
2,5
10:00 10:00 10:00
10:30 10:30 10:30 2,0
11:00 11:00 11:00
1,5
11:30 11:30 11:30
1,0
12:00 12:00 12:00
0,5
12:30 12:30 12:30
13:00 13:00 13:00
0 100 200 300 400 500 197,8 197,9 198,0 198,1 198,2 198,3 135,8 135,9 136,0 136,1 136,2
Глубина, м Дистанция, км Время распространения, с
Рис. 3. Данные измерений в точке.
В ранних работах авторов [1–5] было экспери- до 200 миль. Следовательно, приведённые выше
ментально показано, что ошибки измерения рас- результаты о равенстве эффективных скоростей при
стояний акустическими методами при использова- приёме на глубинах до 500 м и скорости звука на оси
нии в расчётах времени распространения навигаци- ПЗК позволяют рассчитывать на такие же точности
онных сигналов и значений скорости звука на оси при осуществлении позиционирования АПА при
ПЗК не превышают 100–150 м при удалении АПА выполнении миссий на глубинах до 500 м.
В заключение сформулируем основные резуль-
×10−4 таты и выводы, полученные при выполнении целе-
3,5
Глубина — 200 м
вой задачи исследования.
3,0 Глубина — 354 м 1. Показано, что ИНС, размещённый вблизи
Глубина — 495 м
берега на глубине 35 м на шельфе Японского моря,
Амплитуда, отн.ед.
2,5 развивающий акустическое давление 1500 Па/м,
позволяет обеспечить необходимое превышение
2,0
сигнала над помехой для корреляционной обработки
1,5 навигационных сигналов на всех глубинах от 60
до 500 м при удалении от ИНС на 200 км. Звуковое
1,0 поле в глубоком море, возбуждаемое тональным
источником на шельфе, до глубины 500 м форми-
0,5 руется модами низших номеров в виде слабо выра-
женных зон тени, которые равномерно засвечены
0
135,85 135,90 135,95 136,00 136,05 модами высших номеров. Глубины от 60 до 500 м
Время распространения, с засвечены равномерно, что позволяет обеспечивать
Рис. 4. Структура импульсных откликов на разных устойчивый приём навигационных сигналов в любом
горизонтах приёма сигнала. Точка 198 км. слое между этими горизонтами.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 487 №3 2019326 АКУЛИЧЕВ и др.
2. Структура импульсной характеристики вол- особенностей распространения импульсных сиг-
новода с глубиной существенно изменяется. Вместо налов из шельфа в глубокое море // Акуст. журн.
одного мощного импульса при приёме на оси ПЗК 2009. Т. 55. № 3. С. 374–380.
на больших глубинах принимаются до трёх импуль- 2. Акуличев В. А., Безответных В. В., Буренин А. В.,
сов, разнесённых по времени на 20–30 мс. Войтенко Е. А., Моргунов Ю. Н. Эксперимент
по оценке влияния вертикального профиля ско-
3. Теоретические расчёты с использованием ме-
рости звука в точке излучения на шельфе на фор-
тода параболического уравнения для модельного
мирование импульсной характеристики в глубоком
волновода, воспроизводящего батиметрию и гидро-
море // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 1. С. 51–52.
логию экспериментальной трассы, показали хоро-
3. Акуличев В. А., Безответных В. В., Моргунов Ю. Н.,
шую применимость для физической интерпретации
Половинка Ю. А. Применение псевдослучайных
полученных в эксперименте результатов и анализа сигналов для подводной дальнометрии на шель-
пространственной интерференционной структуры фе // ДАН. 2010. Т. 432. № 4. С. 541–543.
звукового поля в волноводе. Расчёты групповых ско- 4. Акуличев В. А., Матвиенко Ю. В., Моргунов Ю. Н.,
ростей мод для центральной частоты импульсного Половинка Ю. А., Рылов Р. Н. Пилотный акустиче-
сигнала и анализ распределения энергии отдельных ский эксперимент по определению координат
мод по глубине позволяют с точностью до 1 м/с (для подводного объекта в шельфовой зоне Японского
трассы протяжённостью 200 км) предсказать наблю- моря // ДАН. 2010. Т. 433. № 3. С. 394–396.
даемые в эксперименте эффективные скорости рас- 5. Моргунов Ю. Н., Безответных В. В., Буренин А. В.,
пространения сигналов на глубинах до 495 м. Войтенко Е. А. Исследование влияния гидрологи-
4. Экспериментально и теоретически показано, ческих условий на распространение псевдослу-
что значения эффективных скоростей в интервале чайных сигналов из шельфа в глубокое море //
глубин от 60 до 495 м почти не зависят от горизонта Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 3. С. 341–347.
наблюдения и оказываются близкими скорости звука 6. Моргунов Ю. Н., Тагильцев А. А., Безответных В. В.,
на оси ПЗК. Это позволяет обеспечивать позицио- Буренин А. А., Голов А. А. Пат. № 2469346 С1, РФ.
нирование АПА на этих глубинах с ошибкой, не пре- Способ позиционирования подводных объектов //
вышающей 150 м. Бюл. 2012. № 34.
7. Акуличев В. А., Каменев С. И., Моргунов Ю. Н. При-
Таким образом, результаты натурных эксперимен-
менение сложных акустических сигналов в сис-
тов и теоретических расчётов показали возможность
темах связи и управления подводными объек-
эффективного решения задач позиционирования тами // ДАН. 2009. Т. 426. № 6. С. 821–823.
АПА при их функционировании на глубинах до 500 м.
8. Попов А.В., Хозиоский С.А. // ЖВМиМФ. 1977. Т. 17.
Этот факт имеет большое прикладное значение, так № 2. С. 527–533.
как при выполнении АПА сложных миссий на боль-
9. Авилов К.В. // Акуст. журн. 1995. Т. 41. № 2. С. 240–
ших глубинах можно осуществлять позиционирова- 244.
ние без всплытия на глубину оси ПЗК при наличии
10. Trofimov M.Y., Petrov P. S., Zakharenko A.D. A Direct
достаточного превышения сигнала над помехой. Multiple-Scale Approach to the Parabolic Equation
Method // Wave Motion. 2013. V. 50. P. 586–595.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 11. Katsnelson B.G., Petnikov V.G., Lynch J.F. Fundamen-
1. Безответных В. В., Буренин А. В., Моргунов Ю. Н., tals of Shallow Water Acoustics. N.Y. etc.: Springer,
Половинка Ю.А. Экспериментальные исследования 2012.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 487 №3 2019ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНОГО ПРИЁМА ИМПУЛЬСНЫХ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ... 327
ON DEEP-WATER RECEPTION OF PSEUDORANDOM
ACOUSTICAL SIGNALS PROPAGATING FROM THE SHELF ZONE
TO THE DEEP OCEAN
1
Academician of the RAS V. A. Akulichev, Yu. N. Morgunov1,
A. A Golov , S. I. Kamenev , P. S. Petrov1,2
1 1
1
V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Science,
Vladivostok, Russian Federation
2
Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russian Federation
Received February 26, 2019
The results of an experiment conbducted in Septtember 2017 to substantiate the applicability of the “acoustic
mudslide” effect when solving the positioning problems of autonomous underwater vehicles in cases of their
operation at depths substantially exceeding the depth of the axis of the underwater sound channel are discussed.
The results of the experimental studies and numerical analysis of the effect of an acoustic energy focusing in the
near-bottom layer of the shelf and its transition into deep-water (up to 500 m) layers of the Sea of Japan for
summer-autumn hydrological conditions are presented. Mathematical modelling of the propogation of acoustic
waves in a model waveguide reproducing the experimental conditions using the parabolic equation method has
been performed. The observed effective signal propagation speeds are explained using the normal wave method.
Keywords: underwater sound channel, group velocities, effective velocities, deep-water reception, complex signals.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 487 №3 2019Вы также можете почитать
