АКУСТИКА ОКЕАНУ. ^^^^^^^^^^^^ гідроакустики
Пасивна АКУСТИЧНА ТОМОГРАФІЯ ОКЕАНУ ПІД ЧАС ВИКОРИСТАННЯ АНТЕН НЕВІДОМОЇ ФОРМИ
Нещодавно було встановлено, що акустична томографія океану по променевим часів поширення може бути здійснена без використання контрольованих джерел звуку, шляхом кореляції шумів океану, записаних на двох позиціонуються антенах. На відміну від активної томографії, обсяг корисної інформації, одержуваної методом інтерферометрії шумів, пропорційний добутку числа приймачів на двох антенах. В роботі за допомогою двох-і тривимірних численних експериментів досліджується гіпотеза про можливість одночасного здійснення пасивної променевої томографії та пасивного позиціонування антен на основі кореляції шумів океану. Чисельні експерименти проводяться в умовах, близьких до умов натурного експерименту по пасивної томографії океану. Показано, що при використанні 20-40-елементних антен профіль швидкості звуку і форма антен можуть бути визначені за кореляція шумів з точністю, достатньою для океанологічних і акустичних додатків.
Ключові слова: пасивна томографія океану, чисельний експеримент, антени, кореляція, профіль швидкості звуку, интерферометрия шумів.
Дифузні хвильові поля, створювані розподіленими в просторі випадковими джерелами, зберігають кореляцію на відстанях, великих в порівнянні з обсягами джерел і довжиною хвилі [1-3]. Вимірювання двоточкових кореляційних функцій акустичних шумів дозволяє вимірювати детерминистические часи поширення звуку між точками, в яких розташовані приймачі, і витягувати інформацію про поле швидкості звуку в середовищі [4-12]. Такий підхід до дистанційного зондування часто називають інтерферометра шумів. Корисна інформація про середовище міститься в основному в фазі спектра кореляційної функції, в той час як амплітуда спектра чутлива до розподілу випадкових джерел в просторі і до анізотропії шумів [7, 11, 12].
У порівнянні з сейсмічними, біомедичними і іншими додатками шумовий интерферометрии, використання шумів океану для вимірювання фізичних параметрів водної товщі наштовхується на ряд специфічних перешкод [13]. Основні труднощі пов'язані з необхідно-
В експерименті ВАЕ положення кожного гідрофону контролювалося за допомогою мережі транспондерів, розташованих на дні океану, і було відомо з точністю до часток довжини акустичної хвилі. Переваги пасивної томографії в порівнянні з традиційною, активної томографією океану [17-22] складаються в різкому зниженні вартості вимірювальної системи і зняття обмежень, обумовлених можливим
впливом потужних акустичних випромінювачів на фауну моря. Складність проведення і вартість цільових натурних експериментів по пасивної томографії значно зменшилася, а привабливість методу для океанологічних додатків помітно зросла, якби відпала необхідність використання дорогих систем активного позиціонування акустичних антен. У даній роботі за допомогою численних експериментів досліджується можливість одночасного здійснення пасивної променевої томографії та пасивного позиціонування антен на основі кореляції шумів океану. Чисельні експерименти проводяться в умовах, близьких до умов натурного експерименту ВАЕ. Ми припускаємо, що за необхідне для интерферометрии час накопичення шумів [9, 23] поле швидкості звуку і положення приймачів змінюються незначно. Середовище вважається нерухомою. Подібні питання розглядалися раніше з інших міркувань стосовно до моделювання модовой томографії [10, 24], а також в роботах [25, 26], де интерферометрия шумів використовувалася для діагностики та визначення форми антен і синхронізації їх елементів в натурних експериментах.
В основі цієї роботи лежить таке просте міркування. Нехай в глибокому океані на відстані в кілька кілометрів один від одного знаходяться дві вертикальні прийомні антени з N і М гідрофонами; 4
В експерименті ВАЕ чотири 20-елементні вертикальні лінійні антени (ВЛА1-4) були встановлені в океані глибиною близько 1800 м на відстанях від 1.1 (ВЛА4) до 3.5 км (ВЛА1) від 40-елементної ВЛА5. Гідрофони ВЛА1-4 розташовувалися на глибинах від 400 до 1100 м, а на ВЛА5 - від 200 до 1600 м [15, 16]. Антени відхилялися від вертикалі під дією течій.
В обчислювальному експерименті розглядається звернення часів поширення звуку між елементами ВЛА4 і ВЛА5 (рис. 1). Передбачається, що навколишнє середовище шарувата, а все гідрофони лежать в одній вертикальній площині, причому ВЛА4 вважається строго вертикальною. Невідомими покладаються значення швидкості звуку на 16-ти горизонтах, 40 відхилень положення гідрофонів ВЛА5 по глибині і 40 - по дистанції. При моделюванні варіації глибини елементів ВЛА5 розраховувалися з умови збереження відстані між сусідніми гідрофонами антени.
Виникає система з Ь = 800 лінійних алгебраїчних ( "променевих") рівнянь має вигляд:
де = А - матриця коефіцієнтів цих рівнянь, розрахована для опорного профілю швидкості звуку (ПСЗ) і невозмущенного положення елементів обох антен, Д! = = <^ — — вариации времен распространения звука. Неизвестные Ду = соответствуют вариациям ПСЗ Дск (к = = 1—16), вариациям горизонтального Дхк (к = 17— 56) и вертикального Дгк (к = 57—96) смещений гидрофонов ВЛА5. Также для опорного ПСЗ и вертикальных антенн рассчитывались времена прихода лучей Времена ^ рассчитывались для следующих 3-х случаев возмущений:
1) обурений ПСЗ і вертикальні антени (відновлення Дск);
2) опорний ПСЗ і обурена ВЛА5 (відновлення ДХК і Д1К) \
3) обурений ПСЗ і обурена ВЛА5 (відновлення Дск, ДХК і ДГК).
Рішення системи променевих рівнянь (1) проводилося за звичайною схемою [18] мінімізації середньоквадратичної нев'язки з регуляризації при обліку можливої (випадкової) помилки "вимірювання" часів Д ^:
(АТ А + + б ¿yo3) Ду = Ат (М + 81), (2) де Е - одинична матриця, що обмежує можливі варіації, і YO3 - трехдіагональной матриця, що обмежує різницю варіацій між сусідніми точками (з відповідним коригуванням на стиках різних варіацій). Стійкість рішення системи (2) досліджувалася для різних значень похибки "вимірювання" часів поширення звуку.
+148014851490149515001505 1108 1112 1116 Швидкість звуку, м / с Дистанція, м
Варіація глибини, м
Мал. 1. Умови чисельного експерименту. (А) Профіль швидкості звуку, тонка лінія - опорний, жирна лінія - істинний, положення антен ВЛА4 і ВЛА5, водні та відбиті від поверхні промені для деяких пар гідрофонів. Точками показані горизонти, на яких задається швидкість звуку, зірочками - глибини розташування гідрофонів. Обурене положення ВЛА5 (б) горизонтальні зміщення, (в) вертикальне. Лінії з точками відображають опорні (незбурених) значення різних величин, без крапок - справжні.
У всіх трьох випадках при 8 ^ = 0 наведені в табл. 1 (1-3 рядки) помилки відновлення (Avk - Avкв) = Ьvk = (8ск, 8хк, 81К), в тому числі і
середньоквадратична (ас, ст " <з7 ) = ^((ДVк -АVкв>2),
виявилися цілком прийнятними для океанологічних і акустичних додатків. При введенні випадкової помилки 8 ^ (шах (\ 8 // \ = 0.3 мс) в перших двох випадках окремого відновлення або ПСЗ, або зміщення антен при введенні параметра регуляризації гv = = 0.18 ^ (оптимальне значення) результат відновлення залишається непоганим (див. рис. 2 і 4-5 стор. табл. 1).
Зростання помилок відновлення Аск в нижніх і верхніх шарах хвилеводу, мабуть, пов'язаний
Для подальшого прочитання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються в форматі PDF на зазначену при оплаті пошту. Час доставки становить менше 10 хвилин. Вартість однієї статті - 150 рублів.