Исследование особенностей построения томографических изображений с помощью высокочастотных гидроакустических полей в океанической среде

Содержание
Введение
1. Построение томографического изображения пространственно локализованной неоднородности с помощью высокочастотных гидроакустических полей в океанической среде
1.1. Анализ основных понятий высокочастотного акустического наблюдения в океане
1.2. Типичные условия и модели океана при высокочастотном акустическом наблюдении
1.3. Характеристики наблюдаемых неоднородностей
1.4. Формулировка задачи высокочастотного акустического наблюдения в океанических волноводах
1.4.1. Модели океанических неоднородностей
1.4.2. Анализ особенностей уравнения высокочастотного акустическою наблюдения в океане
1.4.3. Струкгура ядра уравнения наблюдения при разложении поля по парциальным волнам океанического волновода
1.5. Решение задачи высокочастотного акустического наблюдения в океане методом согласованной со средой томографии
1.5.1. Формирование согласованных с океаническим волноводом томографических проекций
1.5.2. Использование параметрических моделей при осуществлении высокочастотного томографического наблюдения
1.6. Выводы к разделу 1.
2. Исследование особенностей рассеяния высокочастотных импульсов на телах в океанических волноводах
2.1. Структура высокочастотного акустического ноля в рефракционной плоскослоистой среде в присутствие тел и криволинейных поверхностей
2.2. Анализ структуры поля рассеянного телом в океанических волноводах
2.3. Рассеяние высокочастотных звуковых импульсов телом в океаническом волноводе
2.4. Выводы к разделу 2.
3. Структура реверберационных помех и шумов при высокочастотной импульсной акустической томографии в океане
3.1. Формирование высокочастотной поверхностной реверберации в
2
5
13
13
15
17
19
21
26
28
31
32
37
51
53
53
59
74
76
78
80
3.1.1.
3.1.2.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
4.
4.1.
4.1.1.
4.2.
4.2.1.
4.3.
4.3.1.
4.3.2.
4.3.3.
4.4.
5.
5.1.
5.2.
рефракционном плоскослоистом волноводе при моностатической и бистатической схеме наблюдения
Модели пространственного и частотного спектров ветрового волнения 83
Структура сигналов поверхностной реверберации на выходе приемной 85 антенной решетки
Структура областей эффективного формирования поверхностной 89
реверберации
Модели и структура объемной и донной высокочастотной реверберации в 96 рефракционном плоскослоистом волноводе
Структура аддитивных шумов при высокочастотном акустическом 98
наблюдении в океанических волноводах
Выводы к разделу 3. 102
Томографическое наблюдение тел в рефракционных нлоскослонстых 104
волноводах приемными решегками при подсветке фокусированным акустическим нолем
Анализ возможностей формирования акустических пучков в океане 107
Формирование акустических пучков с минимальным расхождением волнового 110
фронта
Структура имитационной модели высокочастотного наблюдения в 114
океанических волноводах
Максимизация эхо сигнала и правило принятия решения о значениях 119
параметров объекта наблюдения
Исследование эффективности высокочастотного акустического наблюдения 123
тел в морской среде с помошью имитациопной модели
Бистатичсская томографическая проекция 125
Моностатичсская томографическая проекция 138
Томографическое наблюдение пространственно локализованной 141 неоднородности в мелком море
Выводы к разделу 4. 145
Экспериментальное исследование рассеяния высокочастотных 150
гидроакустических импульсных сигналов на телах в мелком море Описание условий проведения экспериментов, результаты измерений 155
параметров рассеянных импульсов
Сравнение полученных в ходе эксперимента результатов с результатами, 157
полученными путем компьютерного моделирования методом минимизации
невязки
Выводы к разделу 5.
Заключение
Литература
5
Введение
А1сгуалыюсть прикладных проблем связанных с акустическим наблюдением пространственно локализованных неоднородностей в океанических волноводах.
Хорошо распространяющиеся в океане акустические волны способны перенести на большие расстояния информацию о неоднородностях, с которыми они взаимодействуют. Получение такой информации является задачей наблюдения, которое осуществляется с помощью обработки зарегистрированных приемной системой зондирующих акустических сигналов после их дифракции па наблюдаемых неоднородностях [1-4]. Аналогичный метод используется в радиолокационных системах 15-10], а также при решении различных задач дефектоскопии, неразрушающего контроля конструкций, медицины и др. [11-15]. Цслыо наблюдения является дистанционная оценка параметров наблюдаемых неоднородностей, прежде всего, определения их наличия и пространственного распределения в пределах некоторой области обзора, а потом выяснение данных об их характеристиках [14-17]. Б литературе по локации указанные стадии наблюдения условно выделяют в виде задач обнаружения распознавания и классификации наблюдаемых неоднородностей [5, 7]. Параметры неоднородностей и среды при наблюдении в океане могут изменяться во времени, при этом, в общем случае, алгоритмы наблюдения необходимо адаптивно перестраивать с учетом таких изменений. В целом задача акустического наблюдения в океане, относится к классу обратных задач [18-24].
Существующие методы решения задачи наблюдения.
В радиолокационных системах, для наблюдения используются оценки времени запаздывания и доплеровского смещения частоты отраженного от наблюдаемого объекта импульсного сигнала и угла его прихода, что позволяет определить его положение скорость [5-9]. Такие системы имеют протяженные сканирующие антенны, излучающие сложно построенные импульсные сигналы. Разработаны и просвстные радиолокационные системы, которые позволяют судить о факте пересечения линии между источником и приемником по интерференционной модуляции принятого сигнала |6]. Локационный метод используется и для гидроакустической подводной навигации кораблей на относительно небольших дистанциях, где используются высокочастотные звуковые импульсы [18, 19, 21]. Однако использование гидроакустической локации для наблюдения объектов в пределах протяженных акваторий связано с необходимостью преодоления ряда трудностей. К ним следует отнести, прежде всего, существенное поглощение сигналов, сложность структуры волновых полей, являющейся следствием строения морской среды [18-24]. Кроме того, акустические сигналы имеют флуктуационную структуру, возникающую за счет случайных
6
вариаций положения приемно-излучающих гидроакустических систем и шумов обтекания при движении корабля, а также случайных флуктуаций параметров морской среды [18, 20, 21]. Другой практической задачей акустического наблюдения является оценка температурного тренда в океане в целях обнаружения эффектов глобального потепления Земли, которое может быть осуществлено но измерениям малых вариаций времен распространения низкочастотных (НЧ) акустических импульсов, пересекающих океан вдоль протяженных трасс между различными источниками и приемниками [1-3, 20-24]. В этом случае объектом наблюдения является параметр океанического волновода в целом - его средняя температура. Акустическое наблюдение в океане может быть направлено и на решение задачи определения параметров мезо-масштабных (сотни километров и десятки часов) неоднородностей возникающих из-за динамических процессов, происходящих в толще океана, проявляющихся в виде изменяющихся во времени вихрей, течений, полей внутренних волн, океанических фронтов и т.д. [20-24]. При использовании набора акустических трасс, просвечивающих неоднородности под разными углами, можно но совокупности измерений интегральных характеристик, определяющихся всеми неоднородностями, расположенными вдоль акустических трасс восстановить их дифференциальные характеристики на основе использования томографического метода [3, 4]. Большое внимание при развитии методов акустического наблюдения в океане, было уделено диагностике шумовых акустических источников, например, взрывов, либо очагов цунамигенных землетрясений. Для решения таких задач могут использоваться, и методы эмиссионной акустической томографии [18, 20]. В последнее время большую актуальность приобрели проблемы освоения морских месторождений океанического шельфа. Такое освоение связано, в том числе, и с проведением подводных инженерных работ, требующих решения задач подводной навигации, наблюдения за работой подводных и донньтх аппаратов, экологического мониторинга окружающей среды, а также контроля важных морских районов [3, 18, 21]. Для решения такого рода задач используется зондирование низкочастотными акустическими импульсными сигналами, которые принимаются планарной приемной системой располагавшейся вблизи излучателя. В условиях мелкого моря зондирование низкочастотными акустическими импульсами получило развитие в виде метода маломодовой импульсной томографии, при которой осуществляется согласованно с волноводом излучение и прием маломодовых сигналов, что позволяет ослабить влияние реверберационных помех, и уменьшить потери при распространении, возникающие из-за поглощения звука в дне [3, 4, 38, 40].
7
Возможности повышения эффективности акустического наблюдения в океанических волноводах.
При создании высокочастотных (ВЧ) акустических систем наблюдения в океане, обеспечивающих проведение подводных инженерных работ, а также контроль подводной активности, необходимо обеспечить высокую чувствительность и точность наблюдения в пределах протяженных районов. С учетом ограничений размеров элементов акустической системы, а также их мощности наиболее приемлемым решением может быть пространственно распределенная томографическая система наблюдения, конструкция и работа которой должны быть приспособлены к строению гидроакустических волноводов, так, чтобы при наблюдении использовались акустические волны, имеющие минимальные потери при распространении, а уровень помех был бы минимальным. Такие согласованные с волноводом сигналы использовались при низкочастотной томографии мелкого моря, когда возбуждались и принимались маломодовые импульсы [38, 40]. Для обеспечения высокого пространственного разрешения, однако, необходимо применять для акустического наблюдения более высокочастотные волны, например, в виде направленных импульсов. И в этом случае важно согласовать используемые для наблюдения волновые структуры с параметрами океанического рефракционного волновода, и осуществлять их адаптацию к изменениям характеристик среды и условий наблюдения. Для реализации подобного адаптивного согласования наблюдения необходимо использовать априорную информацию в виде физико-математических моделей среды, помех и объектов наблюдения [40]. В число таких моделей должны быть включены: модель распространения направленных
высокочастотных акустических импульсных сигналов в океанических рефракционных волноводах, модель их дифракции и рассеяния на пространственно-локализованных и случайно-распределенных неоднородностях, модели шумов. Модели приемных и излучающих элементов системы наблюдения и используемые формы сигналов определяются с учетом технических ограничений, путем оптимизации, выполняемой на стадии акустического проектирования облика системы наблюдения с учетом конкретною строения района наблюдения. Совокупность перечисленных моделей является априорной информацией, обеспечивающей эффективное решение обратной задачи наблюдения (оценки параметров наблюдаемых неоднородностей) с учетом сё особенностей для конкретных условий. При формулирогже обратной задачи с регуляризацией, основанной на совокупности физических моделей значимых при наблюдении явлений, определяется обобщенная физическая модель высокочастотного акустического наблюдения в океане. Исследование такой модели позволяет оптимизировать структуру и алгоригмы системы ВЧ гидроакустического (ГА) наблюдения в океане. Из-за влияния рефракционного плоскослоистого волновода, высокочастотное акустическое поле в океане имеет сложную
8
структуру, включающую в себя чисто водные компоненты, а также волны отраженные от поверхности и дна [18, 25-27, 37-40]. Их деструктивная интерференция вызывает формирование интервалов оцениваемых параметров, для которых обратная задача наблюдения становится некорректной. Наблюдение для таких интервалов параметров становится не возможным. Для ослабления таких интерференционных помех необходимо селектировать парциальные волновые структуры (томографические проекции) и осуществлять наблюдение для каждой из них в отдельности. Результаты наблюдения, полученные отдельными парциальными волновыми структурами, могут быть объединены при их совместной обработке. При решении практических задач наблюдения с помощью высокочастотных волн в океане обычно требуется достичь высокого разрешения при оценке параметров наблюдаемых неоднородностей в пределах протяженных интервалов их возможных значений. Это предполагает перебор гипотез об истинном значении в многомерном пространстве параметров. Генератором базисных функций (гипотез) при поиске истинных значений параметров наблюдаемой неоднородности является модель наблюдения, которая выполняет в этом случае процессорные функции. Исследование модели наблюдения позволяет найти оптимальную траекторию перебора гипотез в пространстве параметров, и, тем самым, смягчить требования к вычислительным средствам.
Цслыо диссертации является разработка физических основ, а также методики томографического наблюдения пространственно-локализованных неоднородностей в рефракционных плоскослоистых случайно-неоднородных волноводах океанического типа с помощью высокочастотных гидроакустических полей, в частности:
1. Разработка моделей возбуждения, распространения и рассеяния, согласованных с океаническим волноводом направленных высокочастотных акустических импульсных сигналов;
2. Построение физической и численной моделей томографического наблюдения неоднородностей;
3. Анализ возможностей наблюдения с помощью высокочастотной акустической томографии в океане путем численных расчетов, а также с помощью натурных экспериментов в мелком море.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы и подходы, получившие развитие в акустике и радиофизике. В частности для анализа исследования распространения и дифракции высокочастотных импульсных сигналов использовалось лучевое представление нолей в волноводах, теория возмущений, в частности, приближение однократного рассеяния и др. Исследование статистической структуры согласованных с волноводом импульсных сигналов осуществлялось также методами численного моделирования. Имитационные компьютерные модели выполнялись с
9
использованием алгоритмических языков Фортран, С++, а также других вычислительных средств. При проведении экспериментальных исследований применялись специально разработанные излучающие и приемные системы, а также методы экспериментальной гидроакустики.
Научная новизна. В работе развит новый метод — высокочастотная акустическая томография океанических волноводов. Метод основан на возбуждении и приеме согласованных с волноводом направленных импульсных сигналов. В работе впервые:
1. Показано, что использование согласованных с волноводом направленных импульсных сигналов приводит к увеличению пространственного разрешения и чувствительности системы томографического наблюдения;
2. Сформулированы условия оптимального возбуждения и приема согласованных с волноводом направленных импульсных сигналов в мелководных океанических волноводах;
3. Исследована структура направленных импульсных сигналов при дифракции на импедансных телах, а также на поверхностных неоднородностях в плоскослоистых волноводах;
4. Предложен метод высокочастотной акустической томографии мелкого моря, основанный на использовании направленных согласованных с океаническим волноводом импульсных сигналов. Разработана численная модель такого метода наблюдения применительно к шельфовым зонам мелкого моря;
5. Путем численного моделирования и экспериментально в условиях мелкого моря показана • возможность томографического наблюдения пространственно-локализованных неоднородностей с помощью высокочастотных импульсных акустических сигналов.
Практическая значимое! ь работы. Материалы диссертации могут быть использованы в осуществляемых в ИПФ РАН, НИЦ РЭВ, ФГУП НИИ «Атолл» и другими организациями исследованиях, направленных на решение практических задач, таких как:
1. Построение высокочастотных акустических систем зонального томографического наблюдения в пределах океанического шельфа;
2. Разработка систем подводной навигации и контроля несанкционированного присутствия в районах расположения морских сооружений;
3. Мониторинг биоресурсов и сбор океанологической информации;
4. Разработка систем звуковидения в морских средах, используемых при проведении подводных инженерных работ.
Апробация результатов работы. Результаты работы неоднократно докладывались на российских и международных совещаниях конференциях и симпозиумах. Были сделаны доклады на: конференциях по Радиофизике (Нижний Новгород, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006,
10
2007, 2008 и 2009 гг.), Нижегородской сессии Российского акустического общества (Нижний Новгород, 2002 г.), X и XI школах-семинарах Л.М. Бреховских по акустике океана (Москва, 2004 и 2006 г.), XIV, XVI и XVII сессиях Российского акустического общества (Москва, 2004, 2005, 2006 гг.), 10-ой Нижегородской сессии молодых ученых (Голубая Ока, 2005 г.), а также Международной конференции «Подводные акустические измерения: технологические результаты» (Гераклион, Греция, 2005 г.). В 2005 г. во время обучения в аспирантуре автор диссертации A.A. Хилъко был удостоен стипендии имени академика Г.А.Разуваева. На Сессии РАО в 2005 г. доклад Хилько A.A., включающий результаты диссертационной работы, отмечен грамотой РАО как один из лучших докладов молодых ученых. Результаты работы обсуждались на научных семинарах ИГІФ РАН и кафедры акустики Радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.
Работы, результата которых частично вошли в диссертацию, были поддержаны инициативными проектами РФФИ (фанты 03-05-64465, 04-02-16562, 06-02-16589); Программой поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства но образованию за 2004 г. фант № А04-2.9-1167 «Исследование особенностей рассеяния высокочастотных гидроакустических полей телами и случайно-распределенными неоднородностями в океанической среде»; Профаммой «Развитие научного потенциала высшей школы» в 2005 году, фант «Разработка методов и алгоритмов адаптивного построения изображений с помощью гидроакустической системы при изменении условий наблюдения» (код проекта 4618), Профаммой «Ведущие наушные школы» (НШ-838.2003.3).
Цикл работ автора по разработке высокочастотных акустических систем наблюдения в океане в 2007 г. получил грант по Программе Американского акустического общества «Поддержка лучших научных работ молодых ученых».
Личный вклад автора. Основные идеи использования высокочастотных акустических направленных импульсных сигналов для диагностики неоднородностей в мелком море сформулированы автором совместно с С.Н. Гурбатовым, И.П. Смирновым и Ю.В. Петуховым. При развитии этих идей автор лично провел исследования возбуждения таких сигналов и их дифракции на телах. Разработка методики расчета рассеяния лучевых структур на телах с криволинейными фаницами осуществлялась совместно с И.П. Смирновым. В этих работах автор диссертации участвовал в получении основных выражений, разработке численных алгоритмов и анализе с их помощью структуры рассеянных полей в рефракционных океанических волноводах. Исследования по оптимальному возбуждению и приему согласованных с волноводом сфокусированных высокочастотных импульсных
II
сигналов в океанических волноводах осуществлялись совместно с И.П. Смирновым, С.Н. Гурбатовым и Ю.В. Петуховым. При этом автор участвовал в постановке задач, выводе основных соотношений и анализе и формулировке результатов. Он проанализировал возможности наблюдения тел в случайно-неоднородных плоскослоистых волноводах, а также разработал методики проведения соответствующих экспериментов. Компьютерные эксперименты по исследованию работы систем высокочастотной импульсной томографии были выполнены совместно с И.П. Смирновым. В этих исследованиях автор участвовал в постановке задачи, в разработке методов и алгоритмов, в проведении численных экспериментов и интерпретации полученных результатов. Эксперименты в мелком морс были выполнены совместно с В.А. Лазаревым, A.A. Мазанниковым, и А.Н. Нероновым. В этих экспериментах автор участвовал в модернизации узлов экспериментальной установки, проведении измерений, а также в обработке и интерпретации результатов.
Публикации
Всего но теме диссертации автором сделаны 25 публикации: 8 статей в рецензированных журналах, 2 препринта, и 15 докладов в трудах научных конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы -192 страницы, включая 180 страниц основного текста, 45 рисунков, трех таблиц и списка литературы из 65 наименований на 6 страницах.
Положении, выносимые на защиту:
1. Использование согласованных с волноводом направленных акустических импульсных сигналов при высокочастотной томографии позволяет наблюдать пространственно ограниченные неоднородности в мелком море на дистанциях до 1-5 км. Необходимые для этого сигналы должны возбуждаться и приниматься вертикально развитыми решетками, оптимальные апертурные множители которых определяются с помощью модели волновода;
2. Использование рассчитанных в Кирхгофовском приближении матриц рассеяния лучевых волноводных структур акустического поля в океане позволяет оценить уровни дифрагированных на импедансных телах ВЧ гидроакустических полей в зависимости от формы и положения тел, а также от характеристик океанических волноводов;
3. Уровни и структура реверберациопных помех от ветрового волнения при томографическом наблюдении с помощью направленных высокочастотных акустических
12
импульсов в мелком морс определяются локальным пространственным спектром ветрового волнения и характеристиками плоскослоистого волновода;
4. Для конкретных условий в мелком морс облик системы акустического наблюдения пространственно-локализованных неоднородностей с помощью направленных высокочастотных импульсов может был» построен с помощью имитационной модели наблюдения, описывающей возбуждение, распространение и дифракцию таких сигналов в плоскослоистом волноводе;
5. Численные и натурные эксперименты демонстрируют возможности наблюдения пространственно локализованных неоднородностей в мелком морс с помощью высокочастотных акустических импульсов.
12
1. Построение томографического изображения пространственно локализованной неоднородности с помощью высокочастотных
гидроакустических полей в океанической среде
При исследовании структуры акустических волн в океане, в качестве его простейшей модели используют модель плоскослоистого волновода, в котором свободная поверхность и дно являются плоскими границами, а в толще воды между поверхностью и дном формирует плоскослоистый рефракционный волновод [19, 22]. Болес реалистической моделью является океанический волновод, параметры которого, например, рельеф дна, плавно меняются по горизонтали [20, 27]. Рассмотрим возможности акустического наблюдения пространственно ограниченных неоднородностей в океане, используя указанные модели плоскослоистого волновода океанического типа.
1.1. Анализ основных понятий высокочастотного акустического наблюдения в океане
Получение необходимой информации о наблюдаемых неоднородностях по измеренным на большом расстоянии звуковым волнам, является целью акустическим наблюдения в океанической среде [1-4]. Возможности такого наблюдения ограничиваются как из-за естественных, так и технологических причин. В частности, в результате ослабления при распространении в океане, часть взаимодействующих с объектом наблюдения акустических волн при дистанционном их измерении приемной системой с ограниченной чувствительностью и апертурой на фоне шума не сможет быть зарегистрирована с необходимой достоверностью. При этом истинные параметры неоднородностей могут быть оценены лишь приближенно [25-30]. В качестве объектов наблюдения с помощью ВЧ акустических полей в океане будем рассматривать пространственно ограниченные неоднородности, параметры которых необходимо будет определить с помощью системы наблюдения, состоящей из набора пространственно распределенных вертикально ориентированных излучающих и приемных решеток (£/, б1;, 5?, на рис. 1.1). Другие типы неоднородностей, которые присутствуют в океане, например, случайно распределенные неоднородности поверхности океана (ветровое волнение) и водной толщи, а также донные неоднородности будем рассматривать как конкурирующие рассеиватели, формирующие мультипликативные помехи при наблюдении [18-20].
13
Лоили мшимммс нгодиорсиики ч и (яПсОгр! )
Игючнмк И
иригммнк
импулкгнм«
СН1НЙ.ЧОВ
Рис. 1.1 Мультистатическое наблюдение пространственно ограниченных неоднородностей (в качестве примера таких неоднородностей показан айсберг) в плоскослоистых рефракционных волноводах океанического типа.
Основными аддитивными помехами при наблюдении с помощью высокочастотных ГА полей являются акустические шумы океана, формирующиеся ветровым волнением. Мультистатическая система ВЧ ГА наблюдения, состоящая из набора работающих совместно пространственно распределенных приемных и излучающих решеток, позволяет осуществлять одновременное наблюдение локализованного объекта с различных ракурсов (рис. 1.1). Будем также полагать, что наблюдение будет осуществляться одновременно на различных частотах. Каждая акустическая трасса между источниками и приемниками, а также частота, в такой системе наблюдения, составляет отдельную томографическую проекцию, совместная обработка которых позволяет с большой чувствительностью и точностью оценить параметры наблюдаемого объекта [31-32, 35-41].
Процесс наблюдения предполагает наличие априорной информации об объекте наблюдения. При этом физический объект наблюдения (неоднородность среды) определяется моделью, которая описывается некоторой совокупностью параметров. Тогда наблюдение с помощью ВЧ звуковых полей будет заключаться в оценке количественных значений таких параметров [3, 4, 27]. Зондирующее акустическое поле возбуждает колебание элементарных частей наблюдаемой неоднородности. Таким образом, формируется распределение вторичных акустических источников, положение и комплексные амплитуды которых содержат информацию о наблюдаемом объекте. Пространственное распределение таких вторичных источников поля на поверхности или в объеме физического объекта наблюдения представляет собою отличающийся от физического объекта полевой объект наблюдения. Именно его можно наблюдать с помощью акустических волн [33, 34]. При переносе распространяющимся
14
волновым полем распределения вторичных источников в область измерений возникают искажения полевого объекта наблюдения [33, 36, 40]. Измерение искаженного полевого объекта наблюдения в плоскослоистом волноводе осуществляется в пределах удаленной от физического объекта ограниченной приемной апертуры, на фоне шумов и помех. В результате полезная информация об объекте наблюдения оказывается искаженной и маскированной шумами, а некоторая её часть, потерянной. Для устранения искажений и воссоздания первоначального облика нолевого объекта необходимо осуществить его реконструкцию, которая заключается в специальной обработке (фокусировке) измеренного искаженного распределения нолевого объекта на приемной апертуре, на основе использования априорных данных о характере искажений [3,4, 25-27, 33, 36]. В результате такой реконструкции будет получено изображение истинного полевого объекта, которое будет содержатт, лишь часть информации о нолевом объекте наблюдения.
По аналогии с оптическими системами [32, 33], систему ВЧ акустического наблюдения в океанических волноводах, осуществляющую построение изображения полевого объекта в виде совокупности оценок параметров наблюдаемого объекта, будем, характеризовать полем зрения и разрешением. При этом будем под полем зрения понимать область параметров, в пределах которой, оценка значений наблюдаемых параметров обеспечивается с заданной достоверностью, а разрешение будем определять как размер независимой ячейки в пространстве параметров, на которые разбивается поле зрения при наблюдении. Наглядно такие характеристики можно представить на примере оценки пространственных параметров объекта наблюдения, то есть его координат и формы. Поскольку в реальности океанический волновод является случайно неоднородным, акустическое изображение объектов, задачу дистанционного акустического наблюдения в целом, а также перечисленные выше понятия следует интерпретировать как статистические [31-37].
1.2. Типичные условия и модели океана при высокочастотном акустическом
наблюдении
Для исследования возможностей и разработки методов и средств ВЧ акустического наблюдения в океане необходимо развитие физических и численных моделей, описывающих особенности возбуждения, распространения и рассеяния ВЧ гидроакустических полей, которые должны быть объединены в имитационную модель ВЧ акустического наблюдения [27, 41, 171-176]. В такой имитационной модели характеристики наблюдения будут зависеть от
15
изменяющихся во времени свойств волновода, параметров ветра, алгоритмов, а также конструкции элементов системы наблюдения, в частности, из-за возможного отклонения излучающих и приемных решеток от вертикали, возникающего за счет подводных течений.
В реальных условиях океанические волноводы имеют сложную трехмерную структуру, которая может меняться во времени. Для обеспечения высокой эффективности наблюдения в таких волноводах, используемые зондирующие акустические сигналы должны быть адаптированы к строению волноводов, характеристики которых определяются гсоинформациониой моделью конкретной акватории океана [43-52]. Как уже отмечалось, простейшей моделью океанического волновода является плоскослоистая рефракционная среда с плоскими границами в виде свободной поверхности и дна [3,4, 20]. Будем использовать далее декартову систему координат Н = {г, г} = {х,у,г} с началом на свободной поверхности, в которой координаты {х,у} будем считать горизонтальными, а поперечную координату 2 будем называть глубиной. Тогда рассматривая в качестве простейшей модели океана плоскослоистый рефракционный волновод, будем считать, что его акустические параметры меняются с глубиной, оставаясь постоянными в горизонтальной плоскости. Скорость акустических волн и плотность среды в таком волноводе зависят от глубины: соответственно с(К) = с(г) и /?(!*)-/э(г). Рефракционный волновод обычно характеризуется минимумом скорости звука на оси волновода. Такая ось может находиться вблизи поверхности либо дна, при этом формируются, соответственно, приповерхностный, либо придонный волноводы. Верхняя граница является абсолютно мягкой, а дно описывается импедансной границей. В реальных условиях параметры слоистого волновода зависят и от горизонтальных координат, однако, эту зависимость обычно можно считать плавной. Свободная поверхность океана является шероховатой из-за возникающих за счет влияния ветра поверхностных волн. Дно океана в общем случае представляет собою набор импедансных и упругих слоев, располагающихся на упругом полупространстве. В таких акустических волноводах ВЧ акустические поля имеют сложную пространственно-временную структуру. Они могут быть представлены в виде суперпозиции парциальных лучевых структур, каждая из которых характеризуются своими траекториями, скоростями распространения, затуханием и когерентностью. Из-за взаимодействия с поглощающим дном акустическое ноле при распространении сильно затухает [19,20, 28-30, 53, 54].
Различные акустические источники в океане, такие как судоходство, ветровое волнение, портовые механизмы, живые существа и др., формируют компоненты аддитивного шум, которые имеют различные спектры, уровни и когерентные свойства. При ВЧ акустическом