Разработка технических средств и методов акустического мониторинга морской среды

Содержание
Введение..................................................................4
Глава 1. Аналитический обзор теории и практики акустического мониторинга
морских акваторий. Постановка задач на исследование......................18
I
1.1. Томография океана...................................................19
1.2. Распространение низкочастотного звука в океане......................35
1.3. Шумы океана........................................................739
Выводы по главе..........................................................42
Глава 2. Методы и технические средства акустического мониторинга морской среды............................................................47
2.1. Обоснование и выбор путей совершенствования методологии экспериментальных гидроакустических.исследований.........................47
2.2. Метол полигонных акустических исследований в задачах построения системы наблюдения за океаном............................................56
2.2.1.Выбор районов и объектов исследований..............................57
2.2.2.Прогноз гидролого-акустической обстановки в районах исследовании... 59
2.2.3. Акустическая аттестация морских акваторий.........................64
2.2.4. Результаты экспериментальной апробации метода полигонных исследований.............................................................68
2.3. Динамические методы акустического мониторинга крупномасштабных неоднородностей морской среды в океане.................................. 71
2.4. Технические средства для акустического мониторинга морской среды ... 77
2.4.1. Радиогидроакустические приемные системы для измерения акустикогидроакустических характеристик океана...................................77
2.4.2. Акустико-гидрофизический комплекс для томофафических исследований морской среды...............................................82
2.4.3. Акустический трансивер для мониторинга динамических процессов морской среды........................................................... 89
2.5. Корреляционный анализ в задачах акустической томофафии..............93
Выводы по главе........................................................ 100
Глава 3. Экспериментальные результаты акустического мониторинга неоднородностей морской среды......................................... 103
3.1. Мониторинг течений в проливных зонах с использованием сцинтилляционного метода акустической томографии........................105
3.2. Акустический мониторинг полей температуры и течений на шельфе Японского моря..........................................................112
3.3.Низкочастотная активная локация крупномасштабных неоднородностей
морской среды...........................................................123
Выводы но главе.........................................................126
Глава 4. Результаты исследований закономерностей формирования низкочастотных акустических полей.......................................129
4.1. Экспериментальные исследования изменчивости звукового поля в области субарктического фронта в северо-западной части Тихого океана ... 129
4.2. Влияние теплого антициклонического вихря фронтального раздела Куросио на структуру звукового поля.....................................139
4.3. Распространение низкочастотного звука через фронтальную зону при пересечении под малым углом.............................................156
4.4. Исследование особенностей распространения звука через субантарктический фронт в Южной части Индийского океана.................165
4.5. Влияние подводной возвышенности на распространение звука........... 178
4.6. Экспериментальное исследование низкочастотных шумов океана.........179
Выводы по главе.........................................................186
Глава 5. Концепция развития технических средств и методов акустического мониторинга морской среды в Тихоокеанском регионе.......................191
5.1. Системный подход к организации гидроакустических
исследований.......................................................... 192
5.2. Перспективы практического использования разработанных технических
решений для повышения эффективности акустического мониторинга...........
морской среды...........................................................196
2
Выводы по главе Заключение Литература Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Анализ состояния и тенденций укрепления суверенитета и независимости государств, а также развития мирового сообщества показал, что эффективная реализация жизненно важных интересов личности, общества и государства неразрывно связана с Мировым океаном.
Ряд факторов: общий рост численности населения Земли, опережающее экономическое развитие прибрежных стран и регионов, ограниченность пространств и ресурсов суши, усиление негативного антропогенного воздействия на окружающую сред}' обостряют борьбу за обладание чистым воздухом, водой, неосвоенными пространствами, коммуникационными, информационными, минерально-сырьевыми и биологическими ресурсами океана. Мноюобразие, взаимосвязь и динамика природных процессов в Мировом океане создают объективные условия для «размывания границ» между различными формами проявления межгосударственных противоречий и способствуют сокращению периода трансформации проявлений противоречий в экологической, экономической, политической, военной сферах из потенциальных угроз в вызовы и конфликты.
Россия - великая морская держава, имеющая давние традиции в мореплавании, изучении и освоении океанов и морей и полярных регионов. Она имеет протяженную береговую линию, огромные шельфовые пространства. Несмотря на имеющиеся в настоящее время экономические и политические трудности Россия обязана сохранить и развивать свой потенциал в области исследования жизненно важных земных пространств, которыми являются Мировой океан, Арктика и Антарктика.
Современная океанология - одна из наиболее значимых областей знания в системе наук о Земле. В ее развитии человечество видит возможность решения многих научных, народнохозяйственных и социальных проблем. Масштабность
4
и значимость Мирового океана для всех сфер человеческой деятельности определяется его фундаментальной ролью как источника минеральных, биологических и стратегических ресурсов, главного фактора в глобальных изменениях климата на Земле и важнейшего элемента обеспечения обороноспособности страны. С другой стороны, океан и морская среда представляют угрозу как источник катастрофических явлений типа цунами, Эль-Ннньо, штормовых нагонов, моретрясений, извержений подводных вулканов и других.
На фоне активизации усилий развитых государств нарастает угроза отстранения России от участия в широкомасштабном освоении внегосударствсннных пространств Мирового океана со всеми вытекающими отсюда научными, экономическими и военно-политическими потерями. Эта тенденция реализуется путем экономического давления, ограничений деятельности рыболовного и научного флотов, предъявления экологических и территориальных претензий. Дополнительные ограничения нашей активности в океане обусловлены обязательствами, следующими из принятия конвенции ООН по морскому праву и добровольных заявлений, сделанными российской стороной перед лицом мировой общественности. Ситуация усугубляется несовершенством измерительной техники и высоким уровнем аварийности отечественного оборудования, отсталостью систем сбора, обработки и представления данных.
В этих условиях отсутствие адекватных действий в сфере освоения и изучения Мирового океана представляет большую угрозу безопасности России и ее будущему развитию. В последние годы резко снизился объем работ, проводимых нашей страной в Мировом океане. Малоэффективно используется военный, транспортный, рыболовецкий и научный флоты.
Одной из первоочередных и важнейших мер преодоления кризиса в этой области является принятие государственной научно-технической программы
5
«Комплексные исследования океанов и морен, Арктики и А)ггарктики». Программа объединяет исследования проводимые научными коллективами Российской академии наук, Росгидромета, Роскомнедр, Минприроды России, Роскомрыболовства и других министерств и ведомств Российской Федерации по заказу Миннауки России. Отличительной особенностью программы является ее комплексный характер, преследующий цель всестороннего анализа проблем Мирового океана и определения путей их решения на базе фундаментальных исследований и создания на этой основе банков данных, методологий и экспертных систем. Последние должны обеспечит!, слежение за природными процессами, предупреждение катастрофических явлений, протезирование изменений окружающей среды, научное обоснование допустимой нагрузки на природу, связанной с использованием биологических, минеральных и энергетических ресурсов Мирового океана и окраинных морей.
Приоритетным направлением в этой пршрамме обозначено комплексное исследование и мониторинг Дальневосточных морей, т.к. неблагоприятные для России геополитические изменения резко осложнили использование акваторий Балтийского, Азовского, Черного и Каспийского морей в качестве транспортных коммуникаций и базы военно-морского флота, источника минеральных и биологических ресурсов. В качестве основных задач, решение которых может привести к достижению целей программы, выделено шесть. Ниже приводится содержание двух из них, т.к. результаты исследований автора, выносимые для обсуждения и защиты в данной работе, посвящены их решению.
1. Изучение и мониторинг гидрометеорологического состояния дальневосточных морей и прилегающей акватории северо-западной части Тихого океана. Эта задача включает теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов, определяющих современное состояние морей; изучение изменчивости основных гидрофизических характеристик в
6
широком пространственно-временном диапазоне; поиск ключевых процессов в климатической системе, определяющих гидрометеорологическое состояние дальневосточных морей; создание рациональной и эффективной сети мониторинга физических полей; численное моделирование динамики вод; совершенствование методики краткосрочною и долгосрочного прогноза основных элементов гидрологического режима в Японском, Охотском и Беринговом морях; гидрометеорологическое обеспечение безопасности мореплавания в этих районах; создание единой информационной базы, призванной стать основой комплексной системы управления прибрежной зоной .морей Дальнего Востока.
2. Развитие материально-технической базы исследований дальневосточных морей. Приоритет будет отдаваться разработке наиболее эффекшвных дистанционных методов зондирования океана для решения практических задач в области гидрометеорологии и морской экологии, в числе которых:
- акустический мониторинг крупномасштабных и мелкомасштабных неоднородностей в деятельном слое моря;
- создание автоматизированного комплекса зондирования морской поверхности в оптическом диапазоне;
- спутниковый мониторинг состояния дальневосточных морей на базе созданного в ИЛПУ ДВО РАН Регионального центра.
Акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде бесспорно относятся к наиболее эффективным технологиям, которые в совокупности со спутниковым мониторингом морской поверхности позволяют вплотную подойти к технической реализации идеи построения глобальной системы наблюдения за океаном, существенно дополнив и расширив возможности контактных методов измерений океанологических параметров. Особенно актуально внедрение этих технологий в
7
труднодоступных районах Арктики и Антарктики, Это подтверждается возросшей активностью в проведении теоретических и экспериментальных исследований возможности применения методов акустической томографии в рамках таких между народных программ как АТОС (Акустическая термометрия океанского климата), Arktik АТОС, GOOS (Глобальная система наблюдения за океаном).
На наш взгляд, участие российской стороны в этих программах могло бы быть более эффективным при наличии современной концепции повышения эффективности прикладных гидроакустических исследований, которая объединила бы научные интересы и материальные возможности различных ведомств и организаций. В первую очередь необходимо совершенствование методологии экспериментальных работ, как совокупности методов и средств, логически и организационно увязанных для решения экономических, экологических и оборонных проблем для поддержания национальных интересов России. Для гидроакустических исследований это особенно актуально из-за огромных затрат на организацию и проведение морских экспедиций, разработку' и постановку в море технических средств длительного использования. Научно обоснованный выбор ключевых районов и объектов исследований, комплексировалие морских экспедиций, унификация методов, средств и систем измерений, разработка технологий двойного назначения, применение военных объектов и техники без ущерба безопасности страны - это основные структурные блоки методологии прикладных исследований, которая позволит повысить их эффективность. В научно-техническом плане одним из наиболее интересных является блок, связанный с разработкой унифицированных методов, средств и систем измерений.
Как показывает практика, большинство прикладных исследований в океане с использованием акустических средств и методов (акустическая термометрия и галинометрия, рыборазведка, оборонные задачи и т.п.) проводятся с
8
применением функционально однотипных приборов (приемные системы, излучатели звука, системы передачи и анализа информации) по схожим методикам. Например, долговременные измерения шумов океана в интересах пассивного мониторинга неоднородностей морской среды в шельфе и исследование сигналов, излучаемых крабами для прогноза промысловой численности стада и его перемещений могут быть осуществлены однотипными донными приемными системами с передачей информации по радиоканалу на береговой пост. Активно-пассивные системы томографического мониторинга тепло- и массообмсна через проливные зоны для прогноза глобальных изменений климата на планете могут с успехом применяться для охраны экономических зон и морских заповедников. Перечень подобных примеров можно продолжить, но, к сожалению, на практике комплексирование экспериментальных работ осуществляется чрезвычайно редко. Это связано, на наш взгляд с тем обстоятельством, что разработке и созданию исследовательской аппаратуры для морских измерений при формировании государственных научных программ уделялось и уделяется недостаточное внимание.
Некоторый оптимизм вызывает утверждение в 1998 год)' Федеральной целевой программы (ФЦП) «Мировой океан», в которой отдельно прописано направление развития матсриатьно-технической базы и методик научных исследований с акцентом на необходимость разработки «интеллектуальных полностью автономных робототсхннчсских средств, обеспечивающих долговременные исследования обширных регионов и позволяющих существенно снизить стоимость затрат на проводимые исследования». Бесспорно, что гидроакустические средства и методы должны занять ключевые позиции при практической реализации этой программы.
9
На основе приведенного выше анализа проблем в организации и проведении морских экспериментальных исследований были определены цель и основные задачи, решаемые в настоящей работе.
Цель работы - разработка и экспериментальная апробация технических решений, направленных на повышение эффективности гидроакустических исследований и измерений в океане.
Задачи:
-разработка низкочастотных приемных и излучающих акустических систем и исследование возможности их применения к решению задач мониторинга океанологических параметров морской среды;
-экспериментальные исследования особенностей распространения
низкочастотного звука в различных гидрологических условиях и шумов океана в целях развития технических средств и методов акустическою мониторинга физических процессов в водной среде;
-разработка и экспериментальная апробация технологии полигонных исследований для решения проблем повышения эффективности акустической оксанотехники;
-разработка концепции развития методов и технических средств акустического мониторинга морских акваторий в Тихоокеанском регионе;
В предлагаемой квалификационной работе представлены результаты исследований и разработок автора в области совершенствования гидроакустических методов и технических средств акустического мониторинга физических процессов в морской среде. 11ри этом сделан вклад в решение на региональном уровне многих задач, поставленных в ФЦП “Мировой океан”.
Актуальность затрагиваемой в данной работе проблемы определяется тем, что аку стические средства и методы исследований физических процессов
10
в морской среде бесспорно относятся к наиболее эффективным технологиям, применение которых, в совокупности со спутниковым мониторингом морской поверхности, позволяет вплотную подойти к технической реализации идеи построения глобальной системы наблюдения за океаном, существенно дополнив и расширив возможности контактных методов измерений океанологических параметров.
В работе рассматриваются технические решения, направленные на развитие и повышение эффективности гидроакустических методов исследований и мониторинга океанологических процессов. Разработанные технические средства и методы использованы для решения актуальных проблем прикладной гидроакустики и гидрофизики, а именно:
- для повышения помехоустойчивости и эффективности функционирования приемных систем подводного наблюдения;
- для исследования возможности и эффективности применения методов акустической томографии в гидрофизических измерениях;
- для обоснования концепции развития акустической океанотсхники для мониторинга морских акваторий;
Существенным является то, что экспериментально обоснованная в многолетних натурных исследованиях эффективность разработанных технических решений позволяет прогнозировать их использование для решения актуальных проблем и в других областях прикладной гидроакустики, не проанализированных подробно (например, для прогноза миграций и обнаружения промысловых биологических объектов).
Работа содержит новые научные результаты, наиболее важными из которых являются следующие:
-разработаны и внедрены в практику морских исследований оригинальные низкочастотные многофункциональные, помехозащищенные системы для приема акустических сигналов;
11
-на основе анализа экспериментальных данных разработаны новые способы и технические средства акустического зондирования неоднородностей морской среды для решения задач акустической томографии океана;
-на основе применения разработанных технических решений выявлены закономерности формирования низкочастотных акустических полей в условиях влияния неоднородностей морской среды различных пространственных и временных масштабов (фронты, вихри, внутренние волны, течения);
-на основе анализа экспериментальных данных выявлены процессы, ответственные за генерацию низкочастотных акустических шумов в океане и формирование максимума шумов на оси подводного звукового канала;
Новизна данных результатов подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники и опубликованием в авторитетных отечественных и зарубежных изданиях.
Научная достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном на протяжении более 20 лет в 18 морских экспедициях. Достоверность полученных данных обусловлена применением апробированных методик измерений, тщательной калибровкой приемных и излучающих систем, повторяемостью результатов многократных экспериментов и согласованностью экспериментальных и теоретических оценок.
Практическая значимость диссертации определяется разработкой универсальных акустических приборов и методов, применение которых позволяет решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики. В частности, решены имеющие большое практическое значение задачи повышения помехоустойчивости приемных систем и на этой основе усовершенствована методическая база исследований океана. Результатом этих решений стала разработка технических средств, обладающих новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований в различных районах Мирового океана.
12
Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при выполнении многочисленных НИР (общим числом более 15), а также внедрением разработок во многих организациях страны (Институт прикладной физики РАН, Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Институт космических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, Камчатский Гидрофизический институт, в/ч 30895-2, в/ч 90720, в/ч 63878);
Успешное применение приемно-излучающих систем и методов акустического зондирования морской среды было осуществлено при проведении совместных исследований в Японском море в рамках амсрикано-российско-корсйского проекта JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment).
Весь фактический материал, на основании которою подготовлена диссертация, получен в результате многолетних натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН, ИГТМТ /(ВО РАН и других организаций. В экспедиционных рейсах автор принимал участие в качестве: начальника экспедиции - 3 раза; заместителя начальника экспедиции - один раз; начальника отряда приемных систем - 11 раз. Лично автором выполнены постановка задач исследования, предложены методы их решения, осуществлены обработка, анализ и физическая интерпретация экспериментальных результатов, предложены и обоснованы выносимые на защиту технические решения. Основные научные положения и выводы, вошедшие в диссертацию, получены автором.
Публикации и апробация работы. Но теме диссертации опубликовано 91 печатных работ. Основное содержание диссертации изложено в 47 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Изложенные в диссертации результаты докладывались на 5-ой школе-семинаре “Акустика океана” (Звенигород, 1988), на Всезоюзном семинаре “Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы
исследований, модели” (Москва, 1989), на IV Международной научно-
13
технической конференции (Москва, 1998), на Всесоюзном семинаре «Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы
исследований, модели» (Москва, 1989), на 5-ой Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1989), на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), на III Международной научно-технической конференции “Конверсионные технологии в гидроакустике” (С-Петербург, 1996), на VI Всероссийской акустической конференции (Владивосток, 1998), на IV Международной научно-технической конференции “Современные методы и средства океанологических исследований”, 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 (Іїижний Новгород, 1999), на VII региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Кумамото, Япония, 2000), на конференции по акустической океанографии в институте акустики (Саутхемптон, Англия, 2001), на V международной конференции по теоретической и вычислительной акустике (Пекин, КНР, 2001 ).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанные технические решения повышения помехоустойчивости и эффективности функционачьного применения акустических приемных систем в решении прямых и обратных задач гидроакустики.
2. Разработанные технические решения излучения, приема, обработки и анализа сложных фазоманипулированных сшналов типа М-последователыюстей для применения в задачах акустической томографии динамических процессов в морской среде.
3. Основные закономерности взаимодействия акустических и гидрофизических полей для решения задач томоірафии неоднородностей морской среды.
14
сформулированные на основе обобщения результатов длительных наблюдений, проведенных на стационарных аку стических трассах.
4. Основные направления развития технических средств и методов акустического мониторинга морской среды, сформулированные на основе обобщения результатов экспериментальных исследований особенностей распространения низкочастотного звука в различных гидрологических условиях и шумов моря.
5. Концепция развития акустической океанотехники для мониторинга морских акват орий в Тихоокеанском регионе.
Работа состоит из введения, пяти 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 проанализированы полученные ранее результаты в рассматриваемой и смежных областях науки. Рассмотрен метод полигонных исследований океана или, иначе, метод “вложенных” масштабов, разработанный для оптимизации методики мониторинга океана и резкого сокращения необходимого потока информации (Озмидов, 1987). Наиболее подробно в обзоре рассмотрены проблемы акустической томографии океана. Проанализированы работы, в которых показано, как из общих алгоритмов вытекает модовый, лучевой и интерференционный методы томографии. В обзоре приведено также описание метода динамической томографии температурных неоднородностей (Михин Д.Ю., Годин O.A., Чспурин Ю.А., Гончаров В.В., Алейник Д.Л.,) и метода согласованной невзаимности для измерения полей течений (Годин O.A., Михин Д.Ю., Палмер Д.Р.).
В данном разделе также рассмотрены вопросы исследований распространения низкочастотного звука и шумов океана в различных гидрологических условиях (Л.М.Брсховскнх, В.А. Акуличев, Р.А.Вадов, О.П. Галкин, Ю.П.Лысанов, В.П.Студеничннк, Р.Ф. Швачко, Б.Ф.Курьянов,
15
А.В.Фурдуев). Вьщелены проблемы повышения помехоустойчивости приемных систем и уточнения гипотезы о генерации низкочастотных шумовых полей в океане.
Глава 2 является основной и посвящена описанию методических и инструментальных разработок автора, созданных в процессе выполнения целевой установки работы. Приводится описание метода полигонных исследований и результаты его экспериментальной апробации. Рассмотрены динамические методы акустического мониторинга морской среды, нашедшие широкое применение в экспериментальных исследованиях. Приведены технические характеристики и результаты натурных испытаний низкочастотных приемно-излучающих систем и комплексов, разработ анных для гидроакустических измерений и исследований в океане. Проанализированы возможности применения разработанных технических решений для задач акустической томографии неоднородностей морской среды.
В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследований акустических полей на стационарных трассах, которые проводились в целях разшггия методов акустической томографии неоднородностей морской среды. Приведены результаты акустического мониторинга полей температуры и морских течений в проливной зоне и на шельфе. Описал эксперимент в Тихом океане по дистанционному зондированию крупномасштабных неоднородностей морской среды методом низкочастотной активной локации.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований пространственной структуры низкочастотных акустических полей в Тихом и Индийском океанах и окраинных морях. Обсуждаются особенности распространения звука в зонах вихревых образований и фронтальных разделов, а также в районах со сложным рельефом дна. Представлены результаты измерений низкочастотных шумов океана и на их основе обсуждаются гипотезы их генерации.
16
В пятой главе предлагается концепция развития методов и технических средств для повышения эффективности прикладных гидроакустических исследований в Тихоокеанском регионе.
В заключение приводятся основные выводы по результатам работы и на их основе формулируются рекомендации по их внедрению в практику научной и хозяйственной деятельности Дальневосточного региона.
17
ГЛАВА 1. Аналитический обзор теории и практики акустического мониторинга морских акваторий. Постановка залач на исследование.
В настоящем разделе приведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных специалистов, касающихся вопросов применения низкочастотного звука 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. Акцент на анализе достижений и проблем только в низкочастотном диапазоне частот обусловлен их актуальностью для решения задач подводного наблюдения на акваториях с размерами от десятков до тысяч километров, а именно эти дистанции представляют в настоящее время наибольший интерес для специалистов, занимающихся приложением акустических методов к океанологии, экологии, обороне и т.п.
Понятие акустического мониторинга морских акваторий стало применяться в последние годы с появлением широкого круга задач по акустической томографии, акустической термометрии и галинометрии океана и других, относящихся к классу обратных, решение которых потребовало организации и проведения длительных по времени измерений на больших пространствах с применением специфических методов и технических средств. Несколько отошли на второй план исследования закономерностей распространения звука и шумов моря, которые, на наш взгляд, должны являться неотъемлемой составляющей исследований при решении упомянутых выше задач. Это обусловлено тем обстоятельством, что как бы сложно ни ставилась задача акустического мониторинга тех или иных параметров морской среды, в конечном счете решаться она должна конкретными техническими устройствами, которые должны быть оптимально размещены на исследуемой акватории и функционировать в соответствии с заданными алгоритмами. А так
18
как технологии разработок морской аппаратуры и их постановок на дно на длительные сроки очень дорогостоящи, то этому этапу должны предшествовать исследования пространственно-временных характеристик полей сигналов и шумов моря для повышения помехоустойчивости приемных систем, снижения их энергопотребления, что очень важно для автономных средств, и выбора оптимальных конструкций, режимов работы и алгоритмов обработки сигналов.
Для удобства изложения путей и результатов решения поставленных в работе задач, аналитический обзор, содержащий оценку состояния проблемы разработки методов и технических средств акустического мониторинга морских акваторий, составлен из трех разделов:
- томография океана;
- распространение звука в океане;
- шумы океана;
1.1. Томография океана.
При исследовании Мирового океана решаются разнообразные задачи, в которых акустическое зондирование является методом, не знающем конкуренции, так как радиоволны плохо распространяются в морской воде. Так, например, свет мощного лазера проникает в океанские глубины на расстояние порядка сотен метров, тогда как звук даже несильного взрыва может быть зарегистрирован на удалении десятков тысяч километров. В настоящее время проявляется интерес к задачам реконструкции гидрофизической структуры толщи океана, применительно к анализу процессов климатообразования, проведению инженерных работ под водой, при поиске морских организмов и подводных объектов. Решение этих задач возможно путем дистанционной оценки гидрофизических параметров по наблюдаемым акустическим эффектам.
19
Наибольшие успехи в мониторинге, понимаемом как регулярные намерения элементов окружающей среды по определенным программам, достигнуты за счет томографической обработки сигналов. Осуществляя подсветку неоднородностей, создаваемых в толще океана климатическими, биологическими и техническими объектами, можно получить их реконструированное изображение или проследить за изменением их параметров в течение длительного времени.
Успешное развитие методов акустической томографии океана (АТО) позволило получить изображение лоцируемой неоднородности, где термин "изображение” подразумевает визуализацию физических характеристик рассеивателя. Ясно, что задачи АТО родственны обратным задачам рассеяния (ОЗР), которые состоят в определении характеристик рассеивателя на основании измерения рассеянного им поля. Первичное, облучающее поле, считается при этом известным. Физический смысл определяемых характеристик рассеивателя может быть самым различным. В одном случае реконструируемые параметры несут информацию о форме рассеивающей неоднородности, в другом об ориентации, местоположении или размерах рассеивателя, форма которого известна априорно, в третьем случае определяемые параметры могут описывать физические акустические свойства лоцируе.мого неоднородного включения (плотность, упругость, затухание и т.д.). Типичной ОЗР акустики океана яатяется задача определения фазовой скорости звука в океане - функции, жестко связанной с другими физическими характеристиками (температурой, соленостью) и являющейся в силу этого основной для изучения многих физических процессов, определяющих поведение океана [ 1 -9].
Акустические ОЗР океана - задачи скалярные (если в рассмотрение не включаются распространение звука в толще твердого упругого дна и рассеяние на движущихся водных массах), в этом смысле они "просты". Однако эта
20