Разработка технических средств акустической диагностики гидрофизических процессов в морской среде

Реализация и защита национальных интересов Российской Федерации в области изучения, освоения и использования Мирового океана в интересах безопасности, устойчивого экономического и социального развития государства обеспечивается достижениями отечественной науки, фундаментальными и прикладными исследованиями и разработками, связанными с практической деятельностью в Мировом океане. Долгосрочными задачами на данном направлении являются сохранение и развитие материально-технической базы, обеспечивающей исследования морской среды, ресурсов и пространств Мирового океана, развитие научно-исследовательского флота, восстановление базы производства отечественных океанографических и гидрометеорологических приборов.

Российская федеральная целевая программа «Мировой океан» нацелена на теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, определяющих современное состояние океанов и морей, прилегающих к границам Россииизучение изменчивости основных гидрофизических характеристик в широком пространственно-временном диапазонепоиск ключевых процессов в климатических системах, определяющих гидрометеорологическое состояние морейсоздание рациональной и эффективной сети мониторинга гидрофизических полейчисленное моделирование процессов динамики водсоздание единой информационной базы, призванной стать основой комплексной системы управления глобальной системы наблюдения за океаном.

Для океана как объекта физических исследований характерно большое разнообразие термогидродинамических процессов, которые происходят в нем при различных внутренних и внешних условиях. На фоне изменчивости крупных масштабов проявляются интенсивные нестационарные мезои микромасштабные процессы, которые в основном определяют динамику каждого конкретного района океана. Многообразие процессов, обусловленое внешними воздействиями, создает проблему в моделировании и исследовании состояния океана в области мезои микромасштаба. Вследствие значительной пространственно-временной изменчивости основных характеристик водных масс состояние океана непрерывно меняется. Различные компоненты экосистем реагируют на перемены в окружающей среде океана и атмосферы. Для понимания механизма разных по масштабу изменений обязательно должны рассматриваться и океанографические составляющие. Акустическое измерение динамических процессов водной среды — это многообещающий метод постоянного мониторинга окружающей среды в Мировом океане.

Анализ результатов экспериментальных исследований, проводившихся в последние годы в различных районах Мирового океана, позволяет выделить кроме безусловных успехов и некоторые проблемы, решение которых, на наш взгляд, может повысить эффективность методов и средств акустической диагностики морской среды.

Во-первых, очень остро в настоящее время стоит проблема автономизации технических средств измерения и мониторинга гидрофизических параметров морской среды. Применение только кабельных измерительных систем не позволяет расчитывать на построение эффективной глобальной системы наблюдения за океаном. Довольно успешно в последние годы используется система дрейфующих и всплывающих буев, но ее применение ограничено глубоководными районами Мирового океана. Существенного прогресса удалось достигнуть отечественным разработчикам глубоководных донных акустических станций (ИО РАН, СахКНИИ), но большие материальные затраты на изготовление и постановки в море требуют их существенной модернизации. Интересные разработки автономных систем измерения гидрофизических параметров морской среды осуществляются в настоящее время в ИО РАН под руководством профессора Л. Л. Утякова. В данных системах планируется организация длительной записи и накопления информации с передачей ее по запросу на приемное судно по гидроакустическому каналу связи.

Во-вторых, важной проблемой внедрения акустических методов диагностики морских акваторий является максимально возможное упрощения конструкций применяемых излучающих и приемных акустических комплексов без потерь в информативности методов. Известны методы реализации акустической томографии морской среды с использованием антенн, развитых в горизонтальной и вертикальной плоскостях, но их применение в мелководных районах и проливных зонах океанов и морей практически неосуществимо из-за течений и опасности повреждения рыболовными тралами. Одним из путей решения этой проблемы является исследование возможности применения одиночных донных излучающих и приемных (включая приемники колебательной скорости) систем с использованием для зондирования диагностируемых акваторий сложных широкополосных сигналов. И, в-третьих, накопленного экспериментального материала по исследованию закономерностей формирования акустических полей во взаимодействии с гидрофизическими процессами в различных гидролого-акустических условиях мирового океана, недостаточно для разработки эффективных систем наблюдения и диагностики морской среды.

Основными предпосылками проведения исследований, результаты которых приведены в данной работе, явились следующие соображения. Низкочастотные акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде, относятся к наиболее эффективным технологиям, применение которых позволяет вплотную подойти к технической реализации актуальной задачи построения глобальной системы наблюдения за океаном, существенно дополнив и расширив возможности контактных методов измерений океанологических параметров. В то же время технические, методические и материальные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при подготовке и проведении экспериментальных работ, показывают необходимость повышения эффективности гидроакустических измерений и исследований путем совершенствования методологии, т. е. путем логического и структурного объединения технических средств, методов и способов для решения поставленных задач.

На основе вышеизложенного, цели и задачи данного исследования можно сформулировать следующим образом.

Цель — разработка и экспериментальная апробация технических решений, направленных на повышение эффективности методов акустической диагностики гидрофизических процессов в морской среде. Задачи:

— выбор и обоснование характеристик зондирующих сигналов для оптимизации технических решений построения акустических систем диагностики морской среды;

— разработка приемных и излучающих акустических систем для обеспечения зондирования морских акваторий сложными фазоманипулированными сигналами в диапазоне частот 250−2500 Гц;

— экспериментальные исследования закономерностей формирования акустических полей на стационарных трассах различной протяженности и их взаимодействия с гидрофизическими полями в целях развития методов и технических средств акустической диагностики морской среды.

Актуальность. Методы акустической диагностики и мониторинга океанологических параметров в морской среде получили в настоящее время широкое распространение при решении актуальных задач прогнозирования глобальных изменений климата, катастрофических явлений, путей и сроков миграции промысловых биологических объектов в океане и т. п. Правильный выбор комплекса используемых методов и средств измерения для решения задач построения систем акустической диагностики морской среды, обеспечение научной и технической перспективы развития таких систем и эффективности их использования является одной из важнейших современных научно-технических проблем.

Основными проблемами внедрения в практическую океанологию акустических методов диагностики на данном этапе являются технические сложности оборудования стационарных акустических трасс эффективными приемными и излучающими системами.

В работе рассматриваются технические решения, направленные на развитие и повышение эффективности гидроакустических методов исследований и мониторинга океанологических процессов. Разработанные технические средства использованы для исследования применения методов акустической диагностики динамических процессов морской среды в гидрофизических измерениях.

Работа содержит новые научные результаты, наиболее важными из которых являются следующие:

— разработаны и внедрены в практику морских исследований оригинальные комплексы акустической аппаратуры для излучения, приема, обработки и анализа сложных фазоманипулированных сигналов в диапазоне частот 250 -2500 Гц;

— на основе применения разработанных технических решений выявлены закономерности формирования низкочастотных акустических полей в условиях влияния неоднородностей морской среды различных пространственных и временных масштабов (внутренние волны, течения);

— на основе анализа экспериментальных данных разработаны новые способы и технические средства акустического зондирования для решения задач диагностики неоднородностей морской среды.

Новизна результатов работы подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники и опубликованием в авторитетных отечественных и зарубежных изданиях.

Научная достоверность результатов обусловлена обширным экспериментальным материалом, собранным на протяжении 4 лет. Достоверность полученных данных подтверждается применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов экспериментов и согласованием экспериментальных и теоретических оценок.

Практическая значимость диссертации определяется разработкой универсальных акустических приборов и методов, которые позволяют решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики. Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при выполнении экспериментальных работ по ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ, проведении совместных исследований в Японском море в рамках американо-российско-корейского проекта JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment) и актами внедрения в различных организациях (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, в/ч 90 720, Институт физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета).

Фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН, ИПМТ ДВО РАН и других организаций. Лично автором выполнены конструкторские и схемотехнические разработки электронных блоков приемно-излучающих систем и исследование их эффективности в натурных условиях, разработаны методики проведения экспериментальных работ на акустико-гидрофизическом полигоне и осуществлялось руководство при их проведении. В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, в анализе и интерпретации результатов экспериментальных исследований и моделирования. Основные научные положения связанные, с разработкой и экспериментально-физическим обоснованием технических решений, вошедших в диссертацию, получены при решающем вкладе автора. Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ. Изложенные в диссертации результаты докладывались на Международном симпозиуме по акустической томографии и акустической термометрии (Токио, Япония, 1999), на Международной научно-технической конференции ОКЕАН-99 (Сиэтл, США, 1999), на Международной рабочей группе по акустической томографии (Нижний Новгород, 1999), на VII западно-тихоокеанской конференции по акустике (Кумамото, Япония, 2000), на конференции по акустической океанографии (Саутхемптон, Англия, 2001), на V Международной конференции по вычислительной акустике (Пекин, КНР, 2001), на XI сессии РАО, (Москва, 2001).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Основные закономерности взаимодействия акустических и гидрофизических полей, сформулированные на основе обобщения результатов длительных наблюдений на стационарных акустических трассах, для решения задач диагностики морской среды.

2. Разработанные новые технические средства излучения, приема, обработки и анализа сложных фазоманипулированных сигналов типа ш-последовательностей для применения в задачах акустической диагностики динамических процессов в морской среде.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели и задачи, обоснована ее актуальность, научная новизна, достоверность выводов и практическая значимость.

В первой главе приведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных специалистов, касающихся вопросов применения акустических методов для мониторинга гидрофизических процессов с масштабами изменений в пространстве от десятков метров до тысяч километров и во времени — от единиц минут до суток и более. Дается аналитический обзор известных методов измерения гидрофизических параметров морской среды с использованием акустического зондирования. Приведен обзор широкополосных сигналов, рассмотрены их свойства и методы формирования на основе двоичных кодовых последовательностей. В заключение главы конкретизированы задачи исследования возможности и эффективности применения акустических средств и методов для мониторинга морской среды.

Во второй главе приводятся теоретическое обоснование выбора сигналов для разработки технических средств мониторинга динамических процессов морской среды и технические характеристики приемно-излучающих систем и комплексов, разработанных для гидроакустических измерений и исследований в океане.

В третьей главе рассмотрены методы акустического мониторинга морской среды, нашедшие применение в экспериментальных исследованиях. Представлены экспериментальные результаты исследований акустических полей на стационарных трассах, которые проводились в интересах развития методов акустической диагностики неоднородностей морской среды. Приведены результаты акустического мониторинга полей температуры и морских течений на шельфе.

В четвертой главе рассмотрены направления исследований, которые могли бы стать логическим продолжением работ, приведенных в диссертации, и перспективы применения разработанных технических решений для задач акустической диагностики гидрофизических процессов в морской среде.

В заключении приводятся основные выводы по результатам работы.

Выводы по главе.

1. Акустический мониторинг с пространственным разделением масштабов диагностируемых процессов позволит значительно снизить влияние динамики морской среды в шельфе на формирование низкочастотных акустических полей в глубоководной части моря.

2. Один из путей повышения эффективности низкочастотного акустического мониторинга с использованием сложных сигналов может стать применение точечных приемных систем на основе трехкомпонентных приемников градиента давления.

Заключение

.

В данной квалификационной работе представлены научно обоснованные и экспериментально апробированные технические решения, направленные на развитие дистанционных методов диагностики морской среды. Внедрение в практику гидрофизических измерений акустических методов позволит существенно ускорить процесс получения новых знаний о Мировом океане и его освоения.

Основные научные результаты состоят в следующем:

1. Аналитически и экспериментально обоснован выбор зондирующих сигналов в виде m-последовательностей, их характеристик и режимов излучения для обеспечения эффективного диагностирования разномасштабных неоднородностей морской среды методами акустической томографии.

2. Разработаны, экспериментально и физически обоснованы технические решения актуальной задачи диагностики гидрофизических процессов в морской среде акустическими методами.

• Комплекс акустической аппаратуры для излучения, приема, обработки и анализа сложных фазоманипулированных сигналов в диапазоне частот 250 — 2500 Гц, с синхронизацией функционирования ее элементов с точностью 10″ 6с и относительной нестабильностью 10~8, позволяющий производить измерения интегральной температуры с точностью до 1° и скорости течения с точностью до 10 см/с на стационарной акустической трассе в мелком море.

• Автономный низкочастотный (центральная частота 260 Гц) акустический источник звука электромагнитного типа, обеспечивающий длительное (до полугода) излучение сложных фазоманипулированных сигналов, с периодом повторения 2 часа, при развиваемом давлении до 7000 Па/мАвтономные акустические трансиверы для исследования морских течений методом встречного зондирования, обеспечивающие излучение и прием сложных фазоманипулированных сигналов с центральными частотами 250 Гц и 2500 Гц;

• Автономные акустические приемные системы на базе радиогидроакустических буев, гидрофоны которых могут быть установлены вблизи дна на глубинах до 500 метров.

3. Экспериментально и физически обоснованы новые способы повышения эффективности технических средств и методов акустической диагностики морской среды.

• Способ обработки и анализа зондирующих фазоманипулированных сигналов при томографических исследованиях морской среды, заключающийся в прямом использовании взаимной корреляционной функции (в отличие от времен приходов по разным лучам, которые используют в традиционной томографии) между излученным и принятым сигналами для повышения точности реконструкции поля скорости звука в волноводе;

• Способ измерения углов приходов сложных сигналов в условиях мелкого моря с помощью трехкомпонентного точечного приемника градиента давления и возможность устранения неоднозначности пеленга путем определения межканального запаздывания по максимумам свертки.

4. Исследованы особенности формирования акустических и гидрофизических полей и их взаимодействия на стационарных акустических трассах различной протяженности в целях развития акустических методов диагностики морской среды.

• Экспериментальные результаты исследований изменчивости полей температуры и морских течений с применением методов акустической томографии, которые были подтверждены данными непосредственных гидрологических измерений и многолетних наблюдений, доказывают правильность технических решений, разработанных в рамках данной работы. Сцинтилляционный метод измерения скорости течения был успешно апробирован на шельфе Японского моря. Анализ результатов измерений показал преимущество применения сложных фазоманипулированных сигналов для акустического зондирования морской среды при реализации данного метода по сравнению с тональными.

• Результаты измерений скорости течения в шельфе Японского моря в зависимости от фазы прохождения внутреннего прилива методом встречного акустического зондирования подтвердили возможность эффективного использования одиночных донных трансиверов для мониторинга полей течений в мелком море.

• Статистический анализ временной структуры приходов акустической энергии, измеренных на акустической трассе в шельфе и на трассе «шельф+глубокое море», показал, что сформированная на шельфе структура сигналов сохраняется при распространении в глубоком море.