Ви є тут

Гидроакустические параметрические и электретные антенны в решении задач дистанционного зондирования поля скорости звука океана

Автор: 
Борисов Сергей Александрович
Тип роботи: 
докторская
Рік: 
2001
Кількість сторінок: 
341
Артикул:
136098
179 грн
Додати в кошик

Вміст

2
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
1. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТИ ЗВУКА ОКЕАНА 16
1.1. Анализ влияния гидрофизических характеристик океана на вертикальные профили поля скорости звука................. 16
1.2. Аналитический обзор методов контактного и дистанционного зондирования поля скорости звука......................... 24
1.3. Обзор и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований обратного объемного рассеяния звуковых
волн при вертикальном зондировании океана................ 38
1.4. Особенности зондирования гидрофизических неоднородностей океана акустическими параметрическими источниками.... 46
1.5. Основные результаты и выводы............................ 53
2. МОДЕЛИ ОБЪЕМНОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
ЗВУКА...................................................... 55
2.1. Анализ и обоснование выбора методов расчета параметрических антенн............................................... 55
2.2. Модель рассеяния акустических волн на мелкомасштабных гидрофизических неоднородностях, облученных параметрическим источником простых сигналов....................... 60
2.3. Модель рассеяния импульсных акустических сигналов параметрических источников................................... 73
2.4. Оценка уровней сигналов, отраженных слоем скачка скорости звука при вертикальном зондировании параметрическим источником............................................... 79
2.5. Исследование влияния плавных профилей скорости звука на характеристики параметрической антенны при вертикальном
з
зондировании океана...................................... 91
2.6. Анализ обратного объемного рассеяния волн - продуктов вторичного взаимодействия звуковых сигналов параметрических излучателей............................................ 101
3. МОДЕЛЬ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЗОНДИРОВАНИЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ОКЕАНА....................... 122
З Л. Полевые характеристики параметрических излучателей 122
3.2. Исследование цилиндрической рефлекторной антенны накачки.................................................. 138
3.3. Модель параметрического излучателя с пониженным уровнем бокового поля............................................ 154
4. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПРИЕМНЫЕ ЭЛЕКТРЕТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И АНТЕННЫ В ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЛОКАЦИИ......................................... 177
4.1. Анализ требований к характеристикам приемных антенн параметрических локационных систем....................... 177
4.2. Электретный эффект................................... 180
4.3. Теоретические исследования электроакустических характеристик звукочувствительных электретных кабелей........... 190
4.4. Экспериментальные исследования звукочувствительных электретных кабелей...................................... 221
5. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТИ ЗВУКА ОКЕАНА.................................................... 248
5.1. Оценка энергетических характеристик параметрических
\
антенн в системах дистанционного зондирования неоднородностей поля скорости звука океана..................... 248
4
5.2. Разработка способа оценки вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) параметрическими системами на основе вторичного нелинейного взаимодействия акустических волн................................................ 257
5.3. Обоснование принципов построения гидроакустических комплексов дистанционного зондирования поля скорости
звука на основе параметрических систем.............. 267
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 295
ЛИТЕРАТУРА 300
ПРИЛОЖЕНИЯ 327
5
ВВЕДЕНИЕ
Промышленно-развитые страны предусматривают значительные расходы на изучение и освоение Мирового океана. Это и понятно, ведь Океан - сырьевая и энергетическая база человечества. Он играет огромную роль в военных доктринах государств. Океан интенсивно изучается. Исследуются гидрофизические поля океана - акустические, скорости звука, температурные, солености, плотности, магнитные, электрические, электромагнитные, гравитационные, гидрооптические, течений, тепловых потоков и др. - их взаимосвязь. Обогатились представления о динамике вод океана. Открыты мезомасштабные синоптические вихри, изучаются внутренние и поверхностные волны, волны Россби и другие динамические явления. Постоянно совершенствуется аппаратура и методы исследований океана. При этом, особая роль в изучении и освоении Мирового океана принадлежит акустическим методам дистанционного зондирования. Упругие волны в океане являются основными носителями информации о состоянии океанической среды. Это результат того, что:
1) все динамические процессы в океане сопровождаются излучением акустических волн;
2) гидрофизические параметры океанической среды оказывают заметное влияние на процесс распространения акустических волн;
3) акустические волны подвержены значительно меньшим величинам затухания, чем оптические и другие виды электромагнитных волн.
Важнейшим интегральным параметром термодинамического состояния океанической среды является абсолютное значение и вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и его динамика во времени и пространстве. Скорость звука зависит (в основном) от температуры, солености, гидростатического давления, плотности, сжимаемости морской среды и носит анизотропный и случайный, флуктуационный характер.
6
Флуктуации поля скорости звука определяются различными физическими процессами и имеют широкие пространственные и временные диапазоны. Данные о поле скорости звука и статистические характеристики флуктуаций содержат в себе информацию о гидрофизических полях различной природы, используются для развития акустических методов и средств исследования океана. Эти данные необходимы также для проектирования и эффективного применения гидроакустической техники различного назначения.
Первые исследования вертикальных профилей скорости звука проводились на основе косвенных методов измерения (по измерениям температуры или - температуры, солености и гидростатического давления). Затем, наряду с косвенными, были разработаны и используются прямые методы, основанные, как правило, на измерении длины звуковой волны или измерении времени многократного прохождения высокочастотным звуковым импульсом эталонного расстояния. Перечисленные способы измерения скорости звука относятся к контактным методам. Они обладают высокими точностными характеристиками и позволяют оценивать мелкомасштабные вертикальные флуктуации скорости звука. Однако контактные методы имеют серьезные недостатки. Во - первых, производительность работ по этим “точечным” методам очень низка, а следовательно, они дорогостоящи и малоэффективны для анализа динамических явлений в морской среде. Это связано с тем, что требуются затраты большого количества времени на спуск и подъем зондов с измерительными устройствами. Во - вторых, высока дискретность точек промеров, поэтому получаемые данные не адекватно отражают горизонтальную структуру поля скорости звука. В - третьих, могут возникать значительные погрешности метода из-за горизонтальных смещений зонда при дрейфе судна и подводных течениях. И, в -четвертых, принципиально невозможно использование контактных методов в некоторых экстремальных условиях эксплуатации плавсредств.
7
Дистанционные (неконтактные) методы зондирования базируются в основном на импульсной звуковой локации неоднородностей океана. По характеристикам отраженного, рассеянного или прошедшего сигнала изучаются физические свойства рассеивателей акустической энергии, оценивается их “геометрия”, местоположение, элементы движения и т.п. Однако до настоящего времени отсутствовали методы дистанционного зондирования неоднородностей поля скорости звука в морской среде которые могли бы быть воплощены в измерители ВРСЗ. Имеющиеся теоретические и экспериментальные работы по определению ВРСЗ на основе рефра-гированных волн еще не получили достаточного развития и обобщения, чтобы можно было говорить о таком зондировании, как о методе получения вертикального распределения скорости звука. К тому же, этот способ неконтактного измерения профиля скорости звука дает усредненную по трассе распространения оценку профиля, что не может быть истинной характеристикой ВРСЗ. Вместе с тем, предпосылки к развитию методов дистанционного получения ВРСЗ имеются. Работы многих авторов по исследованию гидрофизических полей океана показали, что океаническая среда является рассеивающей в любой точке своего объема. Поэтому, например, сопоставляя пространственные координаты рассеивающего объема и времени прихода рассеянных сигналов, можно производить оценку вертикального распределения скорости звука. Рассеиватели океана имеют различную природу и очень многообразны по своим свойствам рассеивать акустические волны /1-3/, следовательно их зондирование должно осуществляться звуковыми волнами в широком диапазоне частот. На точность измерения ВРСЗ будет влиять величина “озвученного” объема рассеивателей. В связи с этим представляет значительный интерес использование акустических параметрических излучателей и широкополосных приемных электретных антенн в решении задачи получения ВРСЗ.
8
Известно /4/, что параметрические антенны обладают такими уникальными характеристиками, как широкополосность, постоянство характеристики направленности в широком диапазоне частот и “гладкость” диаграммы направленности в области боковых лепестков. Подобные пространственно-частотные характеристики должен иметь, на наш взгляд, излучающий тракт измерителя вертикального распределения скорости звука. Для приема сигналов, рассеянных гидрофизическими неоднородностями, необходимо использовать широкополосные антенные решетки с низкой добротностью активных элементов. Форма амплитудно-частотных характеристик чувствительности приемных антенн должна быть близка к форме амплитудно-частотной характеристики фильтра нижних частот. Выполнение этих условий необходимо для предварительного подавления мощных высокочастотных сигналов накачки параметрических антенн в приемном тракте измерителя ВРСЗ.
Излучающие акустические параметрические антенны являются предметом исследований достаточно давно. Большинство теоретических работ посвящено построению моделей расчета характеристик антенн, “работающих” в однородной среде. Имеются также научные труды, описывающие параметрические антенны в неоднородных средах, представленных различными моделями. В последние годы стал проявляться интерес к исследованию возможности диагностики неоднородностей океана параметрическими излучателями. Однако эти работы носят пока частный характер, как в постановках задач, так и в методах их решений. Изучаются в основном нелинейность и другие физические свойства парогазовых пузырьков, находящихся в водной среде в виде одиночных рассеивателей или тонких слоев, а также методы их диагностики. Вопросам приема звуковых волн параметрических источников практически не уделялось внимание, хотя известно, что они имеют свою специфику в виду большой разности уровней звукового давления первичных и вторичных волн.
9
Таким образом, до настоящего времени не уделялось достаточно внимания комплексному вопросу оптимизации характеристик гидроакустических параметрических излучателей и приемных антенн для систем дистанционного зондирования гидрофизических неоднородностей океана, его тонкой структуры. Учитывая актуальность темы, автором данной диссертационной работы была поставлена цель решить научную и прикладную проблему создания принципов построения гидроакустических параметрических устройств дистанционного зондирования поля скорости звука и тонкой структуры гидрофизических неоднородностей океана, имеющую важное народно-хозяйственное и оборонное значение.
Достижение цели обеспечивается путем проведения теоретических и экспериментальных исследований нелинейного взаимодействия звуковых волн в рассеивающей морской среде с учетом вертикальной стратификации ее физических свойств и разработки методов построения излучающих и приемных антенн, обеспечивающих высокое пространственное разрешение по акустической контрастности. Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:
- разработать модели объемной реверберации, создаваемой мелкомасштабными гидрофизическими неоднородностями, расположенными в области нелинейного взаимодействия акустических волн параметрического источника;
- разработать методику оценки уровней сигналов, отраженных слоем скачка скорости звука, расположенном в области нелинейного взаимодействия акустических волн;
- исследовать влияние пространственных масштабов флуктуаций поля скорости звука на характеристики параметрической антенны;
- разработать и исследовать модели параметрических антенн с повышенной разрешающей способностью по акустической контрастности для целей зондирования тонкой структуры океана;
10
- разработать и исследовать широкополосные преобразователи для приемных антенн параметрических систем локации тонкой структуры океана;
- произвести анализ энергетических характеристик параметрических антенн в системах дистанционного зондирования поля скорости звука океана;
- сформулировать принципы построения гидроакустических комплексов дистанционного зондирования поля скорости звука.
Основные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами, моделированием, сравнением с известными результатами и данными экспериментальных исследований. Разработанные физические и математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию. Экспериментальные исследования проводились на акваториях Белого, Баренцева, Черного, Азовского морей и в измерительных гидроакустических бассейнах. Достоверность измерений обеспечивалась метрологической базой, соответствующей обработкой результатов и сравнением с результатами, полученными другими методами и средствами.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны и созданы образцы гидроакустических параметрических и электретных антенн, предназначенных для локации мелкомасштабных гидрофизических и тонкоструктурных неоднородностей морской среды с целью определения вертикальных профилей скорости звука в океане. Принципы построения, методы и алгоритмы проверены путем измерений характеристик разработанных и созданных макетов и приборов, многочисленных исследований в натурных условиях.
Научная и практическая значимость работы определяется новым подходом к решению задачи дистанционного определения поля скорости звука океана и состоит в выработке рекомендаций по созданию гидроакустических систем дистанционного зондирования структурных неоднородностей морской среды и определения вертикального распределения скорости звука; разработке и изготовлении промышленных
и
образцов электретных звукочувствительных кабелей; разработке нового способа определения ВРСЗ дистанционным методом по характеристикам вторичного нелинейного взаимодействия; разработке методов расчета и принципов построения гидроакустических параметрических и электретных антенн и гидроакустических комплексов на их основе; углублении представлений о физических эффектах, наблюдаемых при нелинейном взаимодействии звуковых волн, распространяющихся в неоднородной среде; разработке методик расчета уровней объемной реверберации, обусловленной излучением параметрических источников звука.
На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:
1. Модели и методики расчета обратного объемного рассеяния звука на гидрофизических неоднородностях океана, создаваемого гидроакустическими параметрическими источниками.
2. Методы и результаты теоретической оценки уровней сигналов, отраженных гидрологическими неоднородностями океана при вертикальном зондировании параметрическими источниками.
3. Результаты теоретического исследования влияния профилей скорости звука на характеристики параметрических антенн при вертикальном зондировании океана.
4. Методика расчета и результаты теоретического исследования обратного объемного рассеяния волн - продуктов вторичного нелинейного взаимодействия акустических сигналов параметрических излучателей.
5. Способ определения ВРСЗ дистанционным методом, основанный на измерении характеристик вторичного нелинейного взаимодействия акустических волн параметрического источника.
6. Оптимальная модель параметрической антенны с низким уровнем бокового поля и повышенным уровнем звукового давления на акустической оси для целей зондирования гонкой структуры океана и результаты ее теоретических и экспериментальных исследований.
12
7. Модели и промышленные образцы звукочувствительных элект-ретных кабелей.
8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований акустических характеристик электретных кабелей и антенн на их основе, предназначенных для систем дистанционного зондирования неоднородностей океана.
9. Методика и результаты исследований возможности оптимизации частот сигналов накачки параметрических антенн по критерию достижения максимального уровня звукового давления в волне разностной частоты на заданных дистанциях при неизменной апертуре антенны накачки и излучаемой удельной акустической мощности волн накачки.
10. Принципы построения гидроакустических систем с приемно-излучающими параметрическими и приемными электретными антеннами для дистанционного зондирования поля скорости звука океана.
Разработанные в диссертации модели, методы, алгоритмы и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в научно-исследовательских работах “Адажио”, “Орбита”, “Омар”, “Щарник-ГКНО”, “Соник”. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях: “Научно-
исследовательский центр радиоэлектронного вооружения” (НИЦ РЭВ, в/ч 30895), “Государственный научно-исследовательский навигационногидрографический институт МО РФ” (ГНИНГИ МО РФ), НИЛИ “Океангеофизика”; используются в учебном процессе подготовки студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете по специальностям “Морская акустика и гидрофизика”, “Акустические приборы и системы”.
По результатам исследований, проведенных в рамках темы диссертационной работы, опубликовано 36 научных работ, в том числе 1 монография 30 статей и тезисов докладов, создано 4 изобретения, получен
13
1 патент. Автор принял участие в выполнении 20 научно-исследовательских работ по разработке и исследованию гидроакустических параметрических и электретных антенн и их применению в системах локации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 341 странице и включает 104 рисунков и 256 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Во введении сформулирована проблема, обоснована ее актуальность, определены цель работы и задачи исследований. Сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость. Приведены сведения об апробации и внедрении, кратко изложено содержание диссертационной работы.
В первой главе осуществлен обзор и анализ исследований, связанных с изучением свойств гидрофизических полей океана, их взаимодействия и влияния на поле скорости звука в целом и на его тонкую структуру; развитием методов оценки параметров поля скорости звука в океане; изучением обратного объемного рассеяния звуковых волн при вертикальном зондировании океана и особенностей зондирования гидрофизических неоднородностей акустическими параметрическими источниками звука.
Результаты проведенного комплексного анализа работ позволили оценить важность и актуальность проблемы дистанционного зондирования поля скорости звука, определить направления исследований и поставить задачи, решение которых обусловливает достижение, сформулированной в диссертации, цели.
Вторая глава посвящена разработке моделей и методов расчета обратного объемного рассеяния акустических волн, возникающего при
14
зондировании гидрофизических неоднородностей параметрическими источниками звука. Произведена оценка ожидаемых уровней сигналов, отражаемых слоем скачка скорости звука при вертикальном зондировании параметрическими антеннами. Получены выражения для расчета характеристик параметрических антенн в морской среде с плавным профилем скорости звука. Предложен метод оценки вертикального профиля скорости звука, основанный на вторичном нелинейном взаимодействии звуковых волн, генерируемых параметрической антенной. Получены выражения для расчета звуковых давлений и индексов фазовой модуляции волн накачки при вторичном взаимодействии.
Результаты второй главы использованы для анализа влияния гидрофизических неоднородностей среды на характеристики параметрических антенн, уровни рассеянных сигналов и оценки дальности действия параметрических систем лоцирования мелкомасштабных неоднородностей.
В третьей главе предложена и исследована модель параметрической антенны, построенной на основе цилиндрического преобразователя накачки с внутренним конусным отражателем, являющейся оптимальной для целей дистанционного зондирования тонкой структуры океана, т.е. -наилучшей в смысле излучения максимально возможных уровней уровней звукового давления в направлении акустической оси и минимально возможных уровней бокового поля при заданном диаметре апертуры преобразователя накачки (ширины звукового пучка) и удельной акустической мощности на нем. Преобразователь накачки создает звуковые волны с плоским фазовым фронтом и амплитудным распределением вида (1 /р)ол. Для рассматриваемой антенны получены аналитические выражения, позволяющие анализировать ее полевые характеристики. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований акустических характеристик антенны. Таким образом, результаты третьей
15
главы позволили разработать физическую и математическую модели оптимальной для целей зондирования тонкой структуры океана параметрической антенны.
В четвертой главе предложено и обосновано применение широкополосных приемных электретных преобразователей и антенн в параметрических локационных системах ближнего действия, к которым относятся системы дистанционного зондирования мелкомасштабных гидрофизических неоднородностей и тонкой слоистой структуры океана. Разработаны модели и созданы промышленные образцы звукочувствительных электретных кабелей. Получены выражения для расчета чувствительности электретных кабелей - электроакустических преобразователей. Теоретически и экспериментально исследованы акустические характеристики звукочувствительных электретных кабелей и приемных антенн на их основе. Показано, что чувствительность электретных кабелей может достигать величины 200 мкВ/Па.
В пятой главе произведена оценка энергетических характеристик параметрических систем дистанционного зондирования неоднородностей океана. Предложен и рассмотрен новый способ оценки ВРСЗ с помощью приемно-излучающих параметрических систем при моностатической схеме зондирования гидрофизических неоднородностей. Рассмотрены особенности построения излучающих трактов гидроакустических параметрических систем локации тонкой структуры океана. Приведены структурные схемы и алгоритмы работы системы оценки вертикального профиля скорости звука.
В заключение сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
В приложении приведены акты внедрения результатов работы и программы (в среде “МаЙаЬ”) решения прямой и обратной задач восстановления вертикального профиля скорости звука.
16
1. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТИ ЗВУКА ОКЕАНА
1.1.Анализ влияния гидрофизических характеристик океана на
поле скорости звука
Гидрофизические неоднородности имеют различную природу. К ним относятся в первую очередь, неоднородности полей температуры, солености, плотности и давления. Эти поля, их неоднородность и изменчивость задают поле скорости звука, его неоднородность (тонкую структуру), изменчивость и анизотропность акустических свойств океанической среды. На поле скорости звука оказывают также существенное влияние такие гидрофизические неоднородности, как поле течений, звукорассеивающие слои (ЗРС) и газовые пузырьки. Само поле скорости звука также относят к гидрофизическим полями, и в реальной, т.е., в морской (океанической) среде поле скорости звука является неоднородным.
Поле температуры и иоле солености, следовательно, и поле скорости звука в океане имеют явно выраженную вертикальную стратификацию /1-3,6/, например, как изображено на рис.1 /6/.
Причем, максимальные пространственные и временные градиенты полей наблюдаются в верхнем, примерно километровом, слое воды. Поэтому существуют такие понятия, как, главный термоклин, пикноклин и халоклин. Это слои водных масс имеющие повышенные вертикальные градиенты температуры, плотности и солености, соответственно. Основная толща воды океана лежит ниже термоклина и имеет почти постоянную температуру, независящую от термических процессов в поверхностном слое океана ( рис.2) III.
Глубина ,
17
Вертикальная стратификация гидрофизических нолей
Характерная зависимость температуры (ниже термоклина) от глубины
Тег мп ера тира О 5 Ю 15 20 2Б° С
Рис.2.
Глубина \ лг
18
При этом главному термоклину соответствует главный пикноклин, разделяющий теплые и легкие поверхностные воды тропического происхождения и тяжелые глубинные воды полярного происхождения. Динамические явления в океане, такие, например, как внутренние волны, синоптические вихри, течения, взаимодействие океана с атмосферой и некоторые другие факторы лишь возмущают эту картину, но не меняют ее сути - вертикально слоистую неоднородность гидрофизических полей. Причем, вертикальные профили температуры, солености, скорости звука, плотности, скорости течений не являются гладкими кривыми, а имеют большое количество мелких структурных деталей с вертикальными масштабами от нескольких сантиметров до десятков метров. Эти, вертикально стратифицированные, сравнительно однородные слои отделяются друг от друга более тонкими граничными прослойками с большими вертикальными градиентами физических свойств - градиенты на 1-2 порядка превышают средние значения градиентов в слоях, а градиенты поля скорости звука достигают значений 5-15 с'1 и более /8/. Такие прослойки могут наблюдаться практически на всех глубинах океана и при акустическом зондировании проявляют себя как звукорассеивающие слои (ЗРС). Интенсивность рассеяния звука на подобных ЗРС небиологического происхождения на 2-3 порядка больше, чем от прилегающих слоев /1/. Горизонтальные масштабы тонкой структуры океана превосходят вертикальные в сотни- тысячи раз. Тонкая структура вод океана может носить случайный или случайноупорядоченный (ступенчатый) характер/1-3, 5, 6, 9/-рис.З.
Известно, что образование прослоек возможно на начальных стадиях развития турбулентных пятен /10/ и при разнообразных течениях внутри стратифицированной жидкости. Прослойки могут возникать на границе течений с невозмущенной жидкостью, а также внутри самого течения, если оно содержит вихри. В работе /11/ наблюдался профиль температуры в
19
высокоградиеитной прослойке, обладающей внутренней тонкой структурой; в ней наблюдались области толщиной около 10 см, где градиенты температуры достигали значений 1-2°С/м, разделенные несколькими слоями с более низкими значениями градиента около (0,25-0,5)°С/м.
Ступенчатый характер гидрофизических характеристик
Такие слои могут быть причиной значительного обратного рассеяния звука. На рис.4 для примера приведена эхограмма, полученная с помощью гидролокатора бокового обзора в Черном море, из которой видно, что температурный слой скачка настолько сильно преломляет и рассеивает звуковые волны, что информация о поверхности морского грунта вообще не поступает на гидролокатор. При этом заглубление буксируемого гидролокатора составило 15 м, а слоя скачка скорости звука -10 м.
океана
Температура,’С Соленость,
Рис.З.
Искажение информации ГБО слоем скачка температуры
Рис.4
го
о
21
При заглублении буксируемого гидролокатора ниже слоя скачка скорости звука (более 25 м от поверхности моря) видна поверхность морского грунта и следы донных тралов. Глубина места составляла 250 м, общая полоса обзора гидролокатора 500м. Данная эхограмма была любезно предоставлена сотрудниками отдела гидроакустических исследований НИПИ “Океангеофизика”.
Слои толщиной в единицы-десятки сантиметров называют микроструктурой неоднородностей океана. Таким образом, океаническая среда носит пятенный характер. ’’Пятна” могут передвигаться с различными скоростями и в различных направлениях, перемешиваясь и создавая турбулентные пульсации скорости и флуктуации физических свойств, что вызывает микронеоднородности поля скорости звука.
В 80-х годах стали интенсивно изучаться мезомасштабные вихри особого типа, получившие название внутритермоклинных вихрей или вихревых линз. Они имеют заглубленное ядро, которое заметно отличается от окружающих вод по своим физическим, химическим и другим характеристикам или но их вертикальному распределению. К настоящему времени зарегистрировано более 300 вихревых линз в самых разных географических зонах - от тропиков до приполярных областей Арктики и Антарктики на глубинах от 50 м до 4000 м. Толщина большинства линз лежит в пределах (100-600) м, диаметр (10 -100) км. Ядра вихревых линз либо более теплые и соленые, чем окружающие воды, либо более холодные и пресные. Изменения скорости звука, обусловленные аномалиями температуры и солености, складываются, повышая контраст линзы по отношению к фону, и достигают (10-15) м/с. В работе /12/ приведен обширный материал о влиянии внутритермоклииых линз на акустические поля в океане и численными методами исследовано это явление. Показано, что в присутствии вихревой линзы пространственная зональная структура акустического поля в подводном звуковом канале деформируется -
22
смещаются границы зон конвергенции и озвучиваются зоны тени. Если источник звука расположен вблизи оси подводного звукового канала, присутствие линзы приводит к образованию глубокой зоны тени в области, занятой линзой. Оценки времени жизни линз дают (1 - 10) лет в зависимости от их размера и других условий. С увеличением размеров линзы и ее контраста акустические эффекты усиливаются.
Кроме термодинамических и кинематических неоднородностей в океане присутствуют объемные неоднородности другой природы, это-взвешенные частицы пыли, песка, растворенные вещества, газовые пузырьки различных радиусов, морские микроорганизмы: зоопланктон, биопланктон и др.
Особенно эффективно воздействуют на поле скорости звука в широком диапазоне частот газовые пузырьки. Обладая свойствами добротных резонаторов, газовые пузырьки могут резко увеличивать рассеяние и поглощение звука, изменять скорость звука и нелинейные свойства среды распространения. Так, если скорость звука в океане в зависимости от температуры, солености и гидростатического давления меняется в пределах от 1420 до 1560 м/с /13/, то в океанической среде, насыщенной пузырьками, значения скорости звука может варироваться в диапазоне от 700 до 2000 м/с /5/. Рассеяние возрастает на несколько порядков. Коэффициент нелинейности среды, содержащей газовые пузырьки, увеличивается в десятки раз /14/. Все эти эффекты наблюдаются при распространении акустических волн с частотами близкими или равными резонансным частотам газовых пузырьков. Диапазон собственных резонансных частот пузырьков очень широк - от единиц до сотен килогерц /3/.
Происхождение газовых пузырьков в морской среде различно. В приповерхностном слое океана воздушные пузырьки возникают вследствие разрушения волн, выпадения осадков, космической радиации. В более
23
глубинных слоях вод океана поля газовых пузырьков появляются в результате жизнедеятельности и разложения микроорганизмов, мелких пузырьковых рыб, которые могут образовывать звукорассеивающие слои (ЗРС). Это, так называемые, звукорассеивающие слои биологического происхождения. Обычно они наблюдаются в диапазоне глубин от 100 до 600 м.
Таким образом, анализ влияния гидрофизических полей на поле скорости звука показывает, что пространственная и временная изменчивость скорости звука в океане определяется пространственной и временной изменчивостью гидрофизических полей различной природы. Наибольшие флуктуации скорости звука наблюдаются в областях с наибольшими градиентами скорости звука (наибольшими градиентами температуры и солености). При этом океаническая среда является звукорассеивающей в каждом элементе своего объема. Эффект рассеяния определяется, в основном, типом рассеивателей (гидрофизических неоднородностей) и частотным спектром акустических волн. Следовательно, при облучении океанической среды звуком в широком диапазоне частот, гидрофизические неоднородности, находящиеся вдоль всей трассы распространения акустических волн, вносят максимальный вклад в общее рассеянное звуковое поле. Это поле может быть зарегистрировано локационной системой с целью восстановления вертикального профиля скорости звука.
Ниже, в подразделах 1.2-1.4 дан обзор известных методов определения вертикального распределения скорости звука в океане, показаны необходимость и направления теоретических и экспериментальных исследований для создания методов и алгоритмов определения вертикального распределения скорости звука при акустическом зондировании неоднородностей локационной системой, расположенной на одном носителе.
24
1.2. Аналитический обзор методов дистанционного и контактного зондирования поля скорости звука
1.2.1. Исследования поля скорости звука в океане ведутся океанологами и гидроакустиками на протяжении многих лет. Скорость звука, ее средние величины и флуктуации являются интегральной характеристикой, вобравшей в себя физические свойства водных масс океана. Знание характеристик поля скорости звука необходимо при решении прямых и обратных задач гидроакустики: при проектировании гидроакустической аппаратуры различного назначения, определении дальности действия, моделировании вероятностных характеристик обнаружения, классификации, распознавания, для оперативного, в морских условиях, внесения корректировок с целью повышения эффективности применения и точности гидроакустической техники (прямые задачи) ; при оценке свойств объектов локации или среды распространения (обратные задачи). Методы измерения скорости звука в океане подразделяют на контактные и неконтактные (дистанционные).
К настоящему времени контактные методы определения вертикального распределения скорости звука в океане достигли высокого совершенства как в точностных характеристиках, так и в способах их применения. Контактные методы измерения скорости звука разделяют, в свою очередь, на косвенные и прямые. При косвенных контактных методах скорость звука вычисляется по измеренным величинам температуры, солености и гидростатического давления.
Существует большое количество эмпирических выражений, предложенных разными авторами, связывающих количественно величину скорости звука с термодинамическими характеристиками водной среды.
Большинство формул, дающих зависимость скорости звука С^ в
25
морской воде от ее температуры - Т, солености - 8 и гидростатического давления Р представляется в виде разложения в степенной ряд:
Стзр = С00О + АСТ + АС$ + АСр + ДСШ . (1)
Наиболее целесообразным для проведения точных расчетов скорости звука по результатам измерений Т, Б и Р считается /15/ использование формулы /16/, в которой:
С«» =1402.392, м/с;
АСТ = 5.011094Г - 5.50946810~2Т2 + 2.2153610Г3 АСЧ = 1.3295235 + 1.289558 Ю’4^2;
АСР = 1.59136110_2У'>ч- 2.54754810-7/>2 -9.366810~,2Р3;
АС^, = -1.27562810"2Т$ + 6.47715210"4ТР + 2.760566\0~[0Т2Р2 -1.6569510"8ГР2 +
+ 5.53611810"137Р3 - 4.46667410~*ТЪР -1.68112610-11 Я2?2 + 9.68403210"5Г25 +
+ 4.95214610“77$2Р - 3.47312310‘57'ЯР, (2)
где Т - температура, С0; 8 - соленость, °/00\ Р - давление, дбар (1дбар=104 Па).
Погрешность расчета скорости звука в океане по этой формуле не превышает 0.05 м/с (среднеквадратичное значение).
Менее точная, но более простая и применимая для многих практических приложений, является формула /17/:
Сгар = 1449.2 + 4.6Т - 0.055Г2 + 0.000297’3 + (1.34 - 0.01Г)(5 - 35) + 0.01бг, (3)
26
где Z - глубина, м.
Формула справедлива для следующих значений температуры, солености и глубины: 0 < Т < 35° С, 0<S< 45°/(ю ,()<Z< 1000 м.
С увеличением температуры, солености и глубины скорость звука в океане возрастает. Приращение скорости звука при изменении температуры на 1°С зависит от начальной температуры. При ее изменении от 5 до 30°С, АС изменяется от 2.1 до 4.1 м/с. Увеличение солености на 1°/оо и глубины на 1м приводят к повышению скорости звука на 1.2 и
0.016 м/с, соответственно (при Т=10°С).
На рис.5 показаны изолинии скорости звука на T,S ~ диаграмме
состояния морской воды /15/.
Зависимость скорости звука от температуры и солености
Т°С
Рис.5
Скорость звука можно определять также, используя ее физическую зависимость от плотности и адиабатической сжимаемости морской воды
27
С = ^рРа({. При этом, в качестве исходных данных принимаются тоже экспериментальные зависимости р = р{Т, Б, Р) и /? = у?(Г,5',/>). Из-за малого относительного изменения плотности воды р, изменения скорости звука в океане обусловлены главным образом изменением сжимаемости . Изменения плотности воды в океане можно вычислять по формуле р = 999.972(1 + 10"3сг,), [кГ/м3], где <т, - условная плотность среды (зависит от Т и 8 - диапазон изменения : - 5...+30).
Наряду с изменениями температуры, солености и давления, изменяются и другие параметры, характеризующие состояние среды. Например - удельная электрическая проводимость, скорость распространения электромагнитных волн, диэлектрическая проницаемость. Эти параметры среды зависят от Т, Б и Р, поэтому также могут быть использованы для определения скорости звука.
Прямые методы определения скорости звука получили наибольшее распространение. Их можно разделить на четыре основные группы: фазовые методы, импульсно-циклические (частотно-импульсные) методы, методы являющиеся различной комбинацией первых двух методов и методы, основанные на измерении времени прохождения звуковых импульсов до искусственного отражателя и обратно.
Фазовые методы основаны на зависимости Л = с//> где 2,/ - длина и частота звуковой волны, с - скорость звука в воде. Эти методы применяются обычно в прецизионных измерениях абсолютного значения скорости звука в лабораторных условиях.
Импульсно-циклические методы основаны на измерении частоты автоциркуляции акустического импульса в синхрокольце. Частота циркуляции импульса определяется скоростью распространения акустического импульса в морской воде и длиной пройденного пути (измерительной базой). Импульсно-циклический метод измерения скорости
28
звука получил преимущественное распространение в измерителях ВРСЗ в океане /13,18-22/. Измерители, построенные на его основе просты и надежны в работе, практически безинерционны, линейны, имеют высокую чувствительность и низкую относительную случайную погрешность (~КГ6).
Контактные измерители ВРСЗ выполняются в различных вариантах /8/: опускаемые на кабель-тросах, одноразовые с передачей информации по проводной линии связи, радио- и гидроакустической связи и т.д.
В методах измерения скорости звука по отраженным звуковым импульсам используется искусственный отражатель /23/ или отражатели /24, 25/, которые необходимо перемещать по глубине. Отраженный сигнал принимается одним или несколькими разнесенными в горизонтальном направлении приемниками, определяется время прохождения акустического импульса и вычисляется скорость звука по известным расстоянию до отражателя и времени распространения импульса. Эти методы также являются контактными, как и предыдущие, но по исполнению приемно-излучающих трактов, методам обработки сигналов они близки к дистанционным методам определения скорости звука, основанным на решении обратных лучевых задач.
1.2.2. Эффективность и достоверность оценки скорости звука в океане определяется методом и погрешностью измерений, способом постановки измерительного зонда, траекторией и равномерностью движения зонда, временем осуществления измерений, временной и пространственной частотой (дискретностью) проведения измерений, а также характером решаемой задачи.
Скорость звука в океане является функцией многих переменных, характеризующих химико-механический состав и термодинамическое состояние морской воды. Обычно морская вода рассматривается приближенно /7/ как двухкомпонентный раствор, состоящий из чистой
29
воды и квазиоднородной соли. Для такой бинарной системы число независимых переменных, необходимое и достаточное для описания ее состояния, равно трем. В действительности число доступных прямому измерению параметров состояния морской воды составляет, по крайней мере, не менее 13 /15/ — это скорость звука, показатель преломления света (псв), температура, соленость, давление, плотность (или удельный объем), теплопроводность, удельная электрическая проводимость диэлектрическая проницаемость, осмотическое давление, изотермическая сжимаемость, удельные изобарная и изохорная теплоемкости. Поэтому для бинарной модели морской воды возможно по крайней мере 286 уравнений состояния. (Для полного описания состояния п-компонентной равновесной термодинамической системы можно составить не менее
МТ1 =--------~------уравнений состояния,
где к-число параметров, измеряемых прямым методом, (к>п).
В настоящее время прямым методом с высокой точностью измеряются такие параметры, как С>Т,Р,хп>п^. Из этих параметров, исключая скорость звука С, можно составить четыре уравнения состояния:
С = С(7\*П,Р), С = С(Т>пса9Р), С = С(7\;кп,0> С = С(*и,ия,Р), на основании
которых косвенным методом можно определить скорость звука в морской воде. При этом, скорость звука можно вычислять непосредственно из приведенных уравнений состояния либо путем аналитической аппроксимации результатов прямых измерений величин 7\/п,Р,/7с,, либо выражением скорости звука через другие известные уравнения состояния, например, уравнение С = С(Т,%п,Р) получается простой подстановкой уравнения 5 = 5(7,х* Р) » в уравнение С = С(7\£, Р).
Погрешность косвенных методов измерения скорости звука
30
складывается из погрешности принятой модели морской воды, погрешностей эмпирических данных, на основе которых строится расчетная математическая модель, и погрешности аналитической аппроксимации. Точность бинарной модели принципиально ограничена поскольку солевой состав морской воды изменчив. По этой причине достоверность расчета солености составляет Д5«0.01%о и плотности сг, * 10~2 усл.ед., поэтому предельная чувствительность для бинарной
модели при определении скорости звука составляет примерно ЛС/С« 10'5. Для повышения достоверности косвенных измерений скорости звука необходимо вводить поправки на изменчивость солевого состава, г.е. необходимо увеличивать число параметров модели термодинамического состояния морской воды.
Прямые методы измерения температуры в условиях применения свободно падающих зондов имеют большую динамическую погрешность из-за инерционности датчиков температуры. Поэтому прямые методы измерения температуры могут быть заменены безынерционными синхронными измерениями С, Л с последующим вычислением
температуры по формулам: Г = Г(С, *„,/>)> Т = Г(С,,Р), Т = (С,%и>па) и Т = (Хп*псв>Р) • Использование различного сочетания измеряемых параметров в уравнениях состояния среды позволит улучшать качество оценок параметров состояния.
Однако, косвенные методы определения скорости звука по результатам прямых измерений нескольких термодинамических параметров требуют совмещения в точке измерения чувствительных элементов всех первичных преобразователей, их одинаковой пространственно-временной разрешающей способности, синхронности измерений, малогабаритности зонда. Выполнить эти условия сложно, к тому же, конечные размеры измерительного зонда меняют картину
31
распределения температуры, солености и других гидрофизических характеристик в точке измерений, поэтому методические и инструментальные потенциальные точности не достигаются.
Методические и инструментальные погрешности накладывают определенные ограничения на возможности определения тонкой структуры вертикального распределения скорости звука, которая определяется мелкомасштабными гидрофизическими неоднородностями. Изучение тонкой структуры гидрофизических полей необходимо для развития методов прогнозирования погоды океана, а, следовательно, и для повышения достоверности прогнозирования вертикальных профилей скорости звука.
Для решения задач рефракции звуковых волн в океане по текущим измерениям ВРСЗ часто бывает достаточным измерение регулярной составляющей ВРСЗ. В этом случае разрешающая способность зондов может быть меньшей, чем при изучении флуктуационной составляющей и на практике, для прямых методов измерения скорости звука, разрешающая способность обычно не лучше 0.5-1 м/с /26/.
Точность прогнозирования рефракционной картины звуковых лучей зависит также и от пространственно-временной дискретности измерений. На репрезентативность кривых ВРСЗ, полученных в результате прямых или косвенных измерений, оказывает влияние суточное и сезонное время получения выборок. В лучшем случае, представительность кривых ВРСЗ для конкретных районов может сохраняться в течение нескольких часов .
1.2.3. В настоящее время можно выделить два направления в области изучения поля скорости звука в океане дистанционными методами. Одно из них включает в себя методы, основанные на решении обратных волновых задач гидроакустики, когда по параметрам рассеянных в океанической среде акустических сигналов восстанавливается профиль скорости звука. К другому направлению можно отнести методы решения обратных лучевых
32
задач, когда профиль скорости звука восстанавливается на основе определения траектории движения рассеянных сигналов и измерении времени их распространения по известным траекториям. Все эти методы еще не получили должного развития, чтобы о них можно было говорить как о состоявшихся методах, которые могут быть реализованы на практике.
Количество публикаций, относящихся непосредственно к разработке и исследованию дистанционных методов определения скорости звука в океане и, в частности, интересующего нас вертикального распределения скорости звука, сравнительно невелико. Так в работах /27-33/ определение скорости звука основывается на лучевом методе - предложено определять скорость звука триангуляционным способом по известным расстоянию между акустическим излучателем и приемниками, углам наклона парциальных характеристик направленности приемной системы и временам распространения акустического сигнала от точки расположения излучателя до соответствующего рассеивающего объема и далее к приемной акустической системе.
В описании изобретения /31/ предлагается определять угол прихода рассеянных сигналов путем сравнения спектров частотно-модулированных акустических сигналов, принимаемых двумя разнесенными на известное расстояние приемниками.
Оригинальный метод восстановления вертикальных профилей скорости звука в океане по рефракции акустической волны предложен автором работы /32/. Сущность этого метода заключается в восстановлении профиля скорости звука С(г) по измерениям величины временной задержки рефрагированных в сторону поверхности океана акустических сигналов, рассеянных затем в обратном направлении взволнованной поверхностью океана и принятых в точке излучения. При этом используется известная зависимость времени распространения звукового луча до поверхности океана, если он был излучен под углом скольжения 0