Исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов для задач акустической дальнометрии подводных объектов

Буренин, Александр Викторович

Исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов для задач акустической дальнометрии подводных объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Буренин, Александр Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов для задач акустической дальнометрии подводных объектов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов для задач акустической дальнометрии подводных объектов"

На правах рукописи

Буренин Александр Викторович

Исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов для задач акустической дальнометрии подводных

объектов

Специальность 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

5 ДЕК 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток — 2013

005542525

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, старший научный сотрудник Моргунов Юрий Николаевич

Доктор физико-математических наук Дзюба Владимир Пименович Кандидат технических наук

Громашева Ольга Сергеевна

Ведущая организация:

Дальневосточный федеральный университет

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д005.017.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Тихоокеанского океанологического институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Автореферат разослан «24» ноября 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Доктор технических наук Коренбаум В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задачи дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов всегда являлись привлекательными для исследователей морей и океанов. Актуальными являются проблемы по созданию автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) и обсерваторий, обеспечивающих комплексное и широкомасштабное обследование морских акваторий и дна океана и получение новых фундаментальных знаний в области океанографии, морской геологии, биологии и энергетики. Знание особенностей формирования акустических полей в конкретных районах повышает дальность позиционирования подводных объектов и связи с ними. Значительный прогресс в разработках энергопитания и расширение зоны функционирования подводных аппаратов потребовал создания низкочастотных систем навигации, связи и управления дальнего радиуса действия в условиях многолучевого распространения сложных акустических сигналов. Навигационные системы с длинной базой наиболее часто используются при решении научных задач с помощью АНПА. Интеграция методов акустической навигации, связи и томографии позволяет расширить возможности навигационных систем. Имея возможность передачи данных на АНПА и с него, производя инверсию акустических данных, с целью определения параметров окружающей среды можно значительно улучшить точность позиционирования и увеличить размеры районов работ подводных аппаратов. Решение поставленной задачи возможно при объединении результатов экспериментальных исследований, обработки сигналов, теории оценок и океанографическом моделировании и прогнозе.

Цель работы — исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов на протяженных трассах при сложных гидрологических условиях и переменном рельефе дна для задач акустической дальнометрии подводных объектов.

При этом были поставлены и решались следующие задачи:

экспериментальные и теоретические исследования закономерностей распространения акустических псевдослучайных сигналов из шельфа в глубокое море при различных гидрологических условиях;

- исследование особенностей применения акустических псевдослучайных сигналов для измерения импульсных откликов на шельфе Японского моря;

- разработка и экспериментальная апробация методик и алгоритмов вычислительных программ для задач акустической дальнометрии и навигации подводных объектов;

- разработка алгоритмов и программ для измерительного комплекса, применяемого для исследований в области акустической навигации;

- экспериментальные исследования возможностей применения векторных приемников для идентификации максимумов функции отклика гидроакустического канала.

Научная новизна. В работе приведены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие наличие известного эффекта акустического «оползня» (Tappert F.D et al, 2002) для условий Японского моря. Использование этого эффекта позволило осуществить измерение расстояния от излучателя до приемника по акустическим данным на дистанции нескольких сотен километров с ошибкой порядка десятков метров (в сравнении с данными GPS). Для расчета расстояния применялось перемножение времени распространения, соответствующее последнему пику функции отклика канала, на значение скорости звука на оси подводного звукового канала (ПЗК). Применение столь простой операции предполагает распространение звука по наикротчайшей траектории, соединяющей корреспондирующие точки, что является нехарактерным сценарием распространения звука в морских протяженных волноводах. На основе численных расчетов с применением модели, основанной на лучевых представлениях распространения звука, показано, вследствие каких физических причин использование простого приближения для расчета расстояния является уместным.

Работа содержит новые научные результаты по апробации в натурных условиях способов акустического зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами для комплексного решения задач мониторинга поля скорости звука в мелководных акваториях и подводного акустического позиционирования.

практическое значение задачи вычисления функции отклика в «реальном» времени, выделение и отслеживание отдельных групп приходов функции отклика, вычисление дистанции от излучателя до приемной системы, вычисление координат подводного объекта в режиме «реального» времени. Результатом этих решений стала разработка аппаратно-программного комплекса, обладающего новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований по позиционированию подводных объектов на различных по протяженности акустических трассах в Японском море. Большинство алгоритмов обработки сигнальной информации могут быть использованы в системах томографической диагностики морской среды и навигации. Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при решении задач, поставленных в ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ и ДВО РАН, а также при выполнении оборонных НИР.

Результаты экспериментальной апробации методики идентификации угла прихода акустической энергии сложного сигнала в точке приема, с использованием векторного приемника, позволили автору выиграть грант американского акустического общества (№ ЮСО-1210(8)-ХХ-04).

Публикации и апробация работы. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 16 работах, в том числе 9 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень Высшей Аттестационной Комиссии РФ. В рамках

диссертационной работы получен 1 патент на изобретение и 2 свидетельства на программы.

Изложенные в диссертации результаты докладывались на школе-семинаре КАЕТ 2005 (Владивосток, 2005), на XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), на семинаре акад. Л. М. Бреховских, совмещённой с XVII сессией Российского Акустического Общества (Москва, 2006), на Международной IX региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Сеул, Ю. Корея, 2006), на V всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» ТОЙ ДВО РАН (Владивосток, 2007), конференции молодых ученых «Океанологические исследования» ТОЙ ДВО РАН (Владивосток, 2007), на научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана» ИПМТ ДВО РАН, (Владивосток, 2007), на 2-ом Международном симпозиуме по мониторингу ТОИ-КОРДИ (Владивосток 2006), на 4-ом Международном Симпозиуме «Акустические инженерные разработки и технологии» (Харбин, Китай, 2005), на Международной 9-ой акустической конференции западной части Тихого океана (Сеул, Корея, 2006), на Международной научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана». (Владивосток, 2005), на IV всероссийский симпозиуме «Сейсмоакустика переходных зон». (Владивосток, 2005), на 5-ом Международном симпозиуме по мониторингу ТОИ-КОРДИ, (Улджин-Ган, Корея, 2009), на 5-ом Международном Симпозиуме «Акустические инженерные разработки и технологии» (Харбин, Китай, 2010), на Международной конференции по подводной акустике Тихоокеанского побережья. «Акустика мелкого моря» (о. Чеджу-до, Корея, 2011)

Личный вклад автора. Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате обработки, анализа и интерпретации результатов, полученных автором в натурных исследованиях, проведенных в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН. Лично автором выполнялись: разработка алгоритмов сбора, обработки и графического представление натурных данных, функционирующих в режиме реального времени; обработка экспериментальных данных и акустическая интерпретация полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Экспериментально показано, что размещение низкочастотных навигационных источников сигналов у дна, вблизи береговой черты, приводит к эффективному

согласованию придонного распространения акустической энергии в шельфовой зоне с дальнейшим распространением в подводном звуковом канале (эффект «оползня»). 2. Выявленные закономерности распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов позволяют рассчитывать на эффективную техническую реализацию дальномерных и навигационных систем на протяженных трассах при сложных гидрологических условиях и переменном рельефе дна.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 112 страниц, включая 38 рисунков, 2 таблицы и списка литературы из 127 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость исследований, дается общая постановка основных задач диссертационной работы.

Глава 1. Аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ в области распространения низкочастотного звука в интересах решения задач акустической дальнометрии. Постановка задач на исследования.

В разделе 1.1 представлено описание эффекта акустического распространения в горизонтально неоднородной морской среде. Впервые описанного в работе (Таррег! Р.О, 2002) и названного эффектом акустического «оползня». Эффект имеет место когда источник располагается на дне в мелком море с профилем скорости звука задающим преломление вниз и звуковыми волнами, идущими по наклону вниз в глубокое море. При этих условиях, звуковые волны, распространяющиеся под малыми углами выхода, скользят вдоль дна в направлении от источника до тех пор, пока они не достигнут глубины оси звукового канала в глубоком море, где они, не касаясь поверхности наклонного дна, продолжают распространяться далее около оси звукового канала. Этот сценарий распространения позволил объяснить низкое затухание сигнала и структуру функции отклика в эксперименте около Гавайских островов.

В разделе 1.2 на основе анализа работ отечественных и зарубежных специалистов (Агеева М.Д., Киселева JI.B., Матвиенко Ю.В., Касаткина Б.А., Rossby Т., Webb D., Spindel R.C., Deffenbaugh М., Кебкал К.О. и др.) рассмотрены основные методы и технические средства, применяемые в гидроакустической дальнометрии и навигации. Показаны пути развития технической и теоретической базы, направленной на увеличение точности и дальности позиционирования подводных объектов (ПО).

Анализ методологически близких к защищаемой работе вопросов свидетельствует о том, что проблема развития методической и технической базы гидроакустической навигации является актуальной и перспективной.

В результате анализа были конкретизированы задачи по разработке методов и средств гидроакустического позиционирования в диссертационной работе.

Глава 2. Аппаратно-программные средства и методики для проведения исследований

В разделе 2.1 приводится описание мобильного аппаратно-программного комплекса, разработанного для проведения экспериментальных работ в области акустической навигации. Он состоит из двух автономных излучающих систем (рис. 1.1 и 1.1.а), имитатора приемной системы АНПА на базе радиогидроакустического буя со встроенной системой GPS (рис. 1.2) и блока обработки навигационных сигналов с вычислением географических координат и отображением на мониторе траектории движения имитатора. Основной особенностью комплекса является возможность передачи в реальном масштабе времени сигнальной информации с гидрофона и данных о координатах надводной части имитатора АНПА по радиоканалу в береговой или судовой центр анализа (рис. 1.3). Это позволяет оперативно, в лабораторных условиях, исследовать влияние гидрологической и сигнально-помеховой обстановки на акватории предполагаемого функционирования АНПА на ошибки определения координат и разработать рекомендации по выбору мест постановки и оптимизации бортовой аппаратуры на АНПА и излучающих системах. Экспериментальная апробация комплекса осуществлялась с применением корреляционного приема сложных фазоманипулированных сигналов, которые использовались в качестве навигационных.

¡ = Т,2Т,ЗТ,...

(1)

Перевод времен распространения в дальности осуществляем, используя систему уравнений (1).

[ч( 0 = ^х'.(0

Далее решаем стандартную задачу о пересечении двух окружностей с известными координатами центров и радиусами в декартовой системе координат. Так как маяки установлены около берега, то полученную при решении задачи неоднозначность устраняем, указав область (сторону), в которой расположен берег. В заключение координаты ПО преобразуются в географические координаты.

а)

N /

Запись данных

N /

Рисунок 2 - Блок схемы: а) расчет «опорных» скоростей звука; б) расчет координат ПО

В системе МАТЬ А В был разработан графический пользовательский интерфейс ЯТЫАУ (рис. 1.3), позволяющий в режиме реального времени обрабатывать и отображать измеренную информацию о перемещении имитатора АНГТА на географической карте.

составляло 2,5 мс. Звуковое давление, приведенное к расстоянию 1 м, составляет около 3000 Па.

В качестве приемного судна использовалась яхта, с которой в заданных точках на исследуемой трассе осуществлялась постановка имитатора АНПА. В качестве имитатора АНПА использовался радиогидроакустический буй, соединенный кабелем с гидрофоном. Гидрофон заглублялся приблизительно до оси подводного звукового канала, местоположение которой определялось при измерении вертикального распределения скорости звука гидрологическим СТО-зондом с яхты. Гидрологические условия по трассе характеризовались наличием на шельфе профиля скорости звука с отрицательным градиентом, а в глубоководной части - ПЗК, заглубление оси которого увеличивалось от 100 до 220 метров при удалении от берега на юг.

№1

38.5 38.55 38.6 38.65 Время задержки, с

77.4 77.45 77.5 77.55 Время задержки, с

№3 : I

115.85 115.9 115.95 116 116.05 Время задержки, с

№4

38 153.85 153.9 153.95 154 Время задержки, с

192 192.05 192.1 192.15 Время задержки, с

Рисунок 6 - Импульсные характеристики волновода на различных удалениях от излучателя (№1 - 56 км, №2 - 113 км, №3 - 169 км, №4 - 224 км, №5 - 279.5 км)

На измеренных в точках приема импульсных характеристиках фиксировалось в основном два прихода акустической энергии с разницей во времени 15-30 мс. На рис. 6 приведены характерные примеры импульсных характеристик. Самый поздний и максимальный по амплитуде приход идентифицировался как прошедший вблизи оси

километров — 1457 м/с. Таким образом, средняя скорость звука у дна на шельфе УШЕЛЬФ =1461 м/с превышает скорость звука на оси ПЗК.

V =V х Ящтьф . у х ^пж

\ппж'г"иша) \1чж'Г1Чшла)

где: Ишельф - длина части трассы на шельфе, a Rtok - длина части трассы в глубоком

море; 0=Лшельф+ Япзк-

В конечном итоге рассчитывались ошибки измерения дистанций ADmK=l Dops-DmicL ADCp=|Dgps- DCp.| путем сравнения с данными GPS. Данные расчетов ошибок приведены на рис. 7 и в таблице (только средние значения).

Таблица 1 — Результаты измерений расстояния от излучателя до приемника и стабильности функции отклика волновода

Дата Кол-во посылок Глубина ПЗК, м VmK* м/с Vcp., м/с ADmK* м ADcpea, м Время когерентности, с SNR, ДБ

1 24.08.2006 21:35 23:07 13 132 1455,05 1456,81 120 52 372 10

2 25.08.2006 04:25 05:25 11 106 1455,65 1456,42 71 12 792 16,07

3 25.08.2006 10:30 12:09 20 117 1454,09 1454,79 181 101 162 13,66

4 25.08.2006 17:35 19:40 25 176 1455,45 1455,85 31 30 114 11,36

5 26.08.2006 02:15 03:59 20 160 1455,4 1455,72 23 40 132 11,62

Физическую картину формирования акустического поля, иллюстрирующую основные результаты экспериментальных исследований, можно представить следующим образом. Расположение источника звука у дна и наличие отрицательного градиента скорости звука в придонном слое воды приводит к формированию придонного звукового канала в шельфовой зоне, в котором основная акустическая энергия распространяется под углами скольжения, близкими к нулевым. При переходе в глубокое море она "захватывается" ПЗК и распространяется вблизи его оси,

"отслеживая" все ее перемещения в вертикальной плоскости. С этим связано отсутствие зон тени и формирование стабильной импульсной характеристики в течение всего эксперимента. Можно предположить, что подобного естественного эффективного согласования местоположения источника звука с характеристиками ПЗК сложно достичь при его стационарном размещении вблизи свала глубин, так как значительные перемещения оси ПЗК по глубине на этом динамичном участке трассы могут вызвать формирование зональной структуры акустического поля в глубоком море.

Результаты, полученные в американо-российско-корейском эксперименте по проекту JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment) на стационарной трассе протяженностью 557,29 км, также могут быть использованы для подтверждения наличия эффекта «оползня» в этой части Японского моря. Эксперимент проводился в сентябре-октябре 1999 года с использованием того же источника звука и аналогичных сигналов. Было зафиксировано также два прихода акустической энергии с временами 382,5 и 382,54 с. Скорость звука на оси ПЗК в точке приема равнялась 1457,47 м/с, а по трассе менялась в пределах 1-2 м/с. В данном случае рассчитанная дистанция отличается от измеренной GPS на 250 метров, т.е. 0,04% от измеренной дистанции. При этом гидролого-акустические условия при проведении этих исследований существенно отличались от условий в обсуждаемом выше эксперименте. Общим было только наличие практически одинаковой скорости звука на оси ПЗК на всей трассе. Азимутальный угол наблюдения равнялся 183.5°, т.е. отличался на 42° к югу от угла наблюдения в эксперименте 2006 года.

Для оценки стабильности функции отклика волновода вычислялось время когерентности. Время когерентности сигнала (определялось как время уменьшения менее чем на 20% амплитуды функции когерентности от идеальной когерентности, равной 1) составило около 20 минут в первых двух точках и далее снизилось до 2-3 минут (рис.7б). Как показывает практика океанологических измерений на шельфе в данном районе (Ярощук И.О., 2013), эти времена могут соответствовать колебаниям периодов внутренних волн.

Также, стабильность приема сигнальной информации оценивалась, во-первых, по отношению амплитуд сигналов к шуму во всех точках (рис.7б). Во-вторых,

последовательностей от 15 до 511 символов; количество периодов на один символ последовательности от 2 до 16.

п-Г"

1460 1430

15.0 16 16.1 16.2

31 июль 2009

1 / ...........

б)

...............

17.1 17.2

1460 1480 1500 1520 16.6

Скорость звука, м/с

16.8 16.9

Временная задержка, с

Рисунок 9 - Вертикальные разрезы скорости звука и экспериментальные функции отклика, полученные в различных гидрологических условиях: а) июнь; б) июль; в) август

Гидрологические условия в июне характеризовались небольшим отрицательным градиентом от поверхности до дна и началом захода холодных вод на шельф (рис. 9а). Это наиболее сложное время для идентификации лучевых приходов, т.к. импульсная характеристика представляет собой ансамбль лучевых приходов приблизительно равных по амплитуде и общей длительностью всего ансамбля около 0,1 с (рис. 9а). Первый импульс идентифицировался как прошедший с минимальным количеством отражений по всему волноводу, а последний как рефрагировавший в нижнем более холодном слое. Максимальный импульс может быть зафиксирован как в начале ансамбля, так и в середине и в конце. Если расстояние рассчитывать по времени его прихода, то ошибка может составить 140 метров. Анализ рассчитанных скоростей звука по данным GPS и временам приходов первого и последнего импульса показал, что средняя скорость первого импульса в течение двухчасового дрейфа приемной

системы составляла 1474,8 м/с с максимальным отклонением 1,5 м/с. А средняя скорость последнего - 1468 м/с с таким же отклонением.

В июле сформировался прогретый слой от поверхности до 40 метров, далее промежуточный слой теплой воды до 65 метров и затем холодный придонный слой. Импульсная характеристика волновода состоит из трех основных приходов акустической энергии (рис. 96). Первая группа лучей, прошедшая через все слои, распространяется со средней скоростью 1483,5 м/с. Две последующие группы с приблизительно равными амплитудами и средними скоростями 1475,7 м/с и 1471,4 м/с сформированы лучами, траектории которых проходят через промежуточный и придонный слои.

В августе с увеличением отрицательного градиента вертикального распределения скорости звука с глубиной, при излучении и приеме сигналов вблизи дна, максимальная энергия в виде одного или двух близкорасположенных импульсов концентрируется в придонном звуковом канале (рис. 9в).

Анализ результатов серии экспериментов показал, что оптимальным частотным диапазоном для дистанций не более 30 км является полоса 1200 - 1700 Гц. Корреляционные свойства М-последовательностей с центральной частотой 2500 Гц снижаются при волнении моря более 3 баллов.

Максимальное превышение над помехой при обработке М-последовательностей было получено при длине 127 и 255 символов и 8 периодов на символ (длина посылки 0,4 и 0,8 с). В то же время на этих дистанциях уверенно выделялись сигналы с длиной 15 символов и 8 периодами на символ, т.е. длина посылки составляла 0,048 с. Этот факт имеет большое значение при проектировании автономных источников навигационных сигналов, т.к. позволяет существенно экономить ресурс батарей.

В разделе 3.3 приводятся результаты экспериментальных исследований возможности разделения и идентификации лучевых приходов акустической энергии по углам и временам с помощью точеного векторного приемника. Исследования проводились на акустико-гидрофизическом полигоне ТОЙ ДВО РАН у мыса Шульца в Японском море в сентябре 2004 года. Ежеминутное излучение сложных сигналов (М-последовательностей, 511 символов, 4 периода несущей частоты на символ) в течение суток осуществлялось на частоте 2500 Гц источником звука, стационарно размещенном вблизи дна на глубине 40 метров. Трехкомпонентный векторный

приемник и гидрофон были размещены вблизи дна на глубине 43 метра и на удалении от излучателя около 2 километров.

На выходе гидрофона и каждого канала векторного приемника вычислялась

взаимная корреляционная функция излученного $„(/) и принятого $(«) сигналов:

= (2)

\2я) 4

оо

Я» Ы= Г *„(/)•

где: o^/Jo^y _ спектр Фурье излученного сигнала;

-00

С(&),Р) = (г) ■ е ' _ функция Грина; ^(г) и Ау(г)- соответственно время м

распространения и амплитуда сигнала, распространяющегося по у'-му лучу от источника до приемника, расположенного в точке г; N - число лучей, приходящих на приемник.

Для каждого луча, по которому приходит акустическая энергия на полученной таким образом импульсной характеристике волновода по соотношению амплитуд в каналах определялись величины углов скольжения по формуле:

а = агаё(А!/р1 + А1уу, (3)

где: А,, Ах, А}, - значение максимумов корреляционной функции соответственно в вертикальном и горизонтальных каналах.

На рис. 10а и 106 приведены два характерных фрагмента импульсной характеристики.

Для импульсов, выделенных с достаточным превышением, удалось определить углы скольжения лучей, которые их формируют. Можно выделить три группы:

а) импульсы с максимальной амплитудой, сформированные лучами с углами скольжения 4-10 градусов, распространяющиеся в придонном слое холодной воды от 35 метров до дна с минимальными групповыми скоростями;

б) импульсы, сформированные лучами с углами скольжения 11 — 16 градусов, распространяющиеся в основном термоклине от 20 метров до дна;

в) импульсы, сформированные лучами с углами скольжения 20 - 30 градусов, распространяющиеся во всем слое воды.

Таким образом, подтверждена возможность определения углов приходов акустической энергии по различным лучевым траекториям с использованием одиночной приемной системы в виде векторного приемника (Патент на изобретение №2221261,2004).

ё 2 I

за

25 £20

1«

35* § 10

2004 09 20 время: 21:30 р=2500Гц

0.2 0.22 Время (сек.)

(а)

"1-г

л......

0.2 0.22 8ремя (сек.)

............1............у -Ох .....Оу ---------ш

„ 1 уод.1\..... ».......

А Ж ШХл.^И /Ли1 ? Л .УЛ-л«

2004 09 20 время: 23:30 р=2500Гц

2 20

е- 1ь

0.2 0.22 Время (сек.)

Рисунок 10 - Примеры импульсных характеристик волновода и углы приходов разрешенных импульсов, полученных в различные моменты времени: а) 21:30, б) 23:30.

Заключение

Результаты исследований, полученные в рамках защищаемой работы, позволили сделать ряд важных выводов для развития теории и практики применения псевдослучайных сигналов в задачах акустической навигации:

1. Экспериментально показано, что размещение источника звука у дна на шельфе, вблизи береговой черты, позволяет сформировать в глубоком море, вблизи оси ПЗК, сплошную зону освещенности и стабильную импульсную характеристику на расстояниях нескольких сотен километров (279 км). Это обусловлено оптимальным для эффективного возбуждения и распространения низкочастотных сигналов

согласованием местоположения источника звука и параметров излучаемых сигналов с гидролого-акустическими характеристиками морской среды на трассе, типичными для лета и осени. Использование этого эффекта в эксперименте по дальнометрии позволило измерять дистанцию до приемной системы с ошибкой в сотые доли процента.

2. В результате натурных экспериментов получены зависимости импульсного отклика канала распространения акустической энергии от вертикального распределения скорости звука с глубиной и от частоты и длительности зондирующих псевдослучайных сигналов. Полученные данные интерпретированы для повышения эффективности решения задач навигации АНПА в условиях многолучевости на шельфе Японского моря.

3. Экспериментально подтверждена возможность определения углов приходов акустической энергии сложного сигнала по различным лучевым траекториям с использованием одиночной приемной системы в виде векторного приемника.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссии РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук

1. Буренин, A.B. Экспериментальные исследования особенностей применения векторных приемников в задачах томографии океана / A.B. Буренин, Ю.Н. Моргунов, Д.С. Стробыкин // Акустический журнал - 2007. - Т. 53. - №6. - С. 786.

2. Акуличев, В.А. Применение сложных акустических сигналов в дальней навигации подводных объектов / В.А. Акуличев, А.Е. Бородин, A.B. Буренин, Ю.Н. Моргунов, Д.С. Стробыкин // ДАН. - 2007. - Т. 417. - №5. - С. 693.

3. Безответных, В.В. Аппаратно-программный комплекс для измерения угловой структуры акустических полей в задачах акустической томографии / В.В. Безответных, А.Е. Бородин, A.B. Буренин, Е.А. Войтенко, Ю.Н. Моргунов, Д.С. Стробыкин II Приборы и техника эксперимента. - 2008. - Т. 54. -№4. - С.587.

4. Безответных, B.B. Экспериментальные исследования особенностей распространения импульсных сигналов из шельфа в глубокое море / В.В. Безответных, A.B. Буренин, Ю.Н. Моргунов, Ю.А. Половинка // Акустический журнал. - 2009. - Т. 55. - №3. - С. 374.

5. Акуличев, В.А. Эксперимент по оценке влияния вертикального профиля скорости звука в точке излучения на шельфе на формирования импульсной характеристики в глубоком море / В.А. Акуличев, В.В. Безответных, A.B. Буренин, Е.А. Войтенко, Ю.Н. Моргунов // Акустический журнал. - 2010. - Т. 56. - № 1. - С. 51.

6. Безответных, В.В. Аппаратно-программный измерительный комплекс для исследований в области акустической навигации / В.В. Безответных, A.B. Буренин, Ю.Н. Моргунов, A.A. Тагильцев // Акустический журнал. - 2011. - Т. 57. - №6. -С.804-808.

7. Безответных, В.В. Мобильный навигационный комплекс для обеспечения миссий подводных аппаратов в прибрежных акваториях / В.В. Безответных, A.B. Буренин, Е.А. Войтенко, Ю.Н. Моргунов, A.A. Тагильцев // Приборы и техника эксперимента. -2011. - №6. - С.89-94.

8. Безответных, В.В. Мобильный аппаратно-программный комплекс для исследований в области подводной навигации / В.В. Безответных, A.B. Буренин, Ю.Н. Моргунов, A.A. Тагильцев // Подводные исследования и робототехника. — 2011. - №1. — С.59-63.

9. Безответных, В.В. Особенности применения акустических псевдослучайных сигналов для измерения импульсных откликов на шельфе Японского моря / В.В. Безответных, A.B. Буренин, Ю.Н. Моргунов, Д.С. Стробыкин И Акустический журнал.-2012.-Т. 58.-№1.-С.141.

Патенты и свидетельства на программы ЭВМ:

10. Моргунов Ю.Н., Тагильцев A.A., Безответных В.В., Буренин A.B., Голов A.A. // Способ позиционирования подводных объектов. Патент № 2469346 С1 Российская Федерация /№ 2011128643, заявл. 11.07.2011; опубл. 10.12.2012, Бюл.№ 34.

11. Программа ЭВМ «Программа для расчета географических координат движущегося подводного объекта в режиме реального времени»: Свидетельство о per. 2011617275

Российская Федерация/ А.В. Буренин - з. № 2011615508; заявл. 22.07.11; зарег. 19.09.2011

12. Программа ЭВМ «Программа расчета функции отклика гидроакустического канала в режиме реального времени»: Свидетельство о per. 2012615489 Российская Федерация/ А.В. Буренин -з. № 2012613606; заявл. 04.05.12; зарег. 19.06.2011

Публикации в других изданиях, в том числе материалы в трудах российских и международных конференций:

13. Буренин, А.В. Экспериментальные исследования особенностей подводной дальнометрии в шельфовой зоне Японского моря / А.В. Буренин, Е.А. Войтенко, Ю.В. Матвиенко, Ю.Н. Моргунов, Р.Н. Рылов // Подводные исследования и робототехника. -2009,-№2.-С. 1.

14. Akulichev, V.A. Experimental Studies of Pulsed Signal Propagation from the Shelf Zone to the Continental Slope and then to the Deep Sea / V.A. Akulichev, A.V. Burenin, Yu.N. Morgunov, D.S. Strobykin // Proceeding of the 10th Western Pacific Acoustics Conference WESPAC X, Beijing, China. - 2009. - P.185.

15. Morgunov, Yu.N. Propagation of low-frequency navigation signals from shelf to the deep sea / Yu.N. Morgunov, A.V. Burenin, E. Kim, K. Kim // 5th International symposium on acoustic engineering and technology (ISAET), Harbin, China. - 2010. - P. 5.

16. Morgunov, Yu.N. A study of propagation features of multiplex acoustic signals for underwater navigation problem solution in shallow water conditions / Yu.N. Morgunov, A.V. Burenin, D.S. Strobykin // 5-th International symposium on acoustic engineering and technology (ISAET), Harbin, China. - 2010. - P. 6.

Подписано в печать 24.11.2013 г. Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60х84/16. Объём 1,0 уч.-изд.-л., Тираж 100 экз. заказ №113 Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Буренин, Александр Викторович, Владивосток

Федеральное государственное бюджетное учреадение науки Тихоокеанский океанологический институт имени В.И. Ильичева Дальневосточное отделение Российской Академии Наук

На правахрукописи

П 4 ? П1 4^740

Буренин Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЗАДАЧ АКУСТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОМЕТРИИ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 01.04.06 - Акустика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.т.н. Ю.Н. Моргунов

Владивосток - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................4

Глава 1 Аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ в области распространения низкочастотного звука в интересах решения задач акустической дальнометрии................................................................15

1.1 Распространение акустических сигналов из шельфа в глубокое море........15

1.2 Методы и технические средства гидроакустического позиционирования

подводных объектов.........................................................................21

Выводы и постановка задач................................................................35

Глава 2 Аппаратно-программные средства и методики для проведения исследований...................................................................................37

2.1 Техническое описание измерительного комплекса...............................37

2.1.1. Излучающие системы................................................................39

2.1.2 Приемная система.....................................................................43

2.1.2.1 Морской блок.........................................................................44

2.1.2.2 Береговой блок......................................................................47

2.1.3 Система единого времени............................................................48

2.2 Методические и вычислительные особенности решения задач позиционирования подводных объектов с использованием псевдослучайных сигналов........................................................................................49

2.2.1 Навигационные сигналы. Сигналы фазоманипулированные М-последовател ьностью........................................................................49

2.2.2 Выделение отдельного прихода в функции отклика гидроакустического канала и оценка шумовой обстановки...................................................55

2.2.3 Алгоритм расчета координат подводного объекта..............................58

2.3 Программная реализация алгоритма позиционирования ИТКАУ.............59

2.3.1 Внешний вид графического пользовательского интерфейса программы ЮПЧАУ, разработанного в системе.......................................................64

'льтаты экспериментальных исследований особенност низкочастотных псевдослучайных сигналов для зад

ънометрии подводных объектов.....................................<

нтальные исследования особенностей распространен [алов из шельфа в глубокое море....................................'

Заключение.............................

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Освоение пространств и ресурсов Мирового океана - одно из главных направлений развития мировой цивилизации в третьем тысячелетии. С этих слов начинается Морская Доктрина Российской Федерации, утвержденная президентом РФ 27.07.2001 г.

Исследования антропогенного и естественного воздействия на окружающую среду, климатообразования, возможности прогнозирования природных катаклизмов всегда будут приоритетными и актуальными. Огромную роль в жизнедеятельности всей биосферы планеты Земля играет Мировой океан. Покрывая большую часть планеты, водные массы, океанические течения, ледяной покров активно влияют на процессы, происходящие в атмосфере и на суше. Поэтому существует острая необходимость изучения и выявления закономерностей происходящих явлений для достижения глубокого понимания и возможности реализации эффективного контроля и воздействия в интересах страны и человечества в целом.

Интересы экономического развития России и задачи обеспечения национальной безопасности страны, необходимость предотвращения стремительного разрушения морского комплекса предопределили формирование основной целевой установки федеральной целевой программы (ФЦП) «Мировой океан» как «комплексное решение проблемы изучения, освоения и эффективного использования ресурсов и пространств Мирового океана». Для достижения этой цели были выделены приоритетные направления: гидролокация, дистанционное акустическое зондирование водной среды, подводная акустическая связь и позиционирование и координирование подводных объектов. В каждом из направлений планируется усовершенствовать методологии и технические средства или же разработать и создать новые высокопроизводительные и высокоточные технологии.

В настоящее время востребованность исследований по выше обозначенным направлениям подтверждается указом Президента РФ от 7 июля 2011 №899, в котором технологии, связанные с информационными, управляющими и навигационными системами, относят к критическим.

Успешное решение задач позиционирования-координирования и связи в значительной степени зависит от возможности учитывать и/или прогнозировать изменения акустогидрофизических параметров морской среды во время функционирования подводного объекта на заданной акватории. Это обстоятельство тесно связывает методы дистанционного акустического зондирования с задачами акустической связи и позиционирования-координирования .

Методы и технические средства дистанционного акустического зондирования и мониторинга гидрофизических полей являются наиболее эффективными и востребованными технологиями, которые существенно дополняют и расширяют возможности контактных и спутниковых методов измерений океанологических параметров. Активность теоретических и экспериментальных работ в этом направлении подтверждает, что методы акустической томографии океана (ATO) успешно используются и совершенствуются уже не один десяток лет (международная программа АТОК (Акустическая термометрия океанического климата), Arctic АТОК и многие другие).

Гидроакустические методы нашли широкое применение в задачах позиционирования подводных объектов. Это подтверждается многолетними успешными исследованиями, при создании систем позиционирования RAFOS. Интересные и важные результаты были получены при реализации проекта Damocles по исследованию физических процессов в Арктике. Гидроакустическое позиционирование буев Лагранжа, которые, имея нейтральную плавучесть, свободно дрейфуют в любых акваториях, способствовало изучению океанических течений и отслеживанию траекторий перемещения водных масс.

Обычно долгосрочное позиционирование подводных автономных обсерваторий, платформ, буйковых станций и необитаемых аппаратов различного назначения осуществляется по системе стационарных излучателей-маяков, разнесенных в пространстве. Такую схему принято называть системой с большой базой. Принцип гидроакустического позиционирования подобной схемы основан на измерении времен распространения акустического сигнала между подводным объектом и маяками. Далее, по измеренным временам распространения и измеренной или рассчитанной скорости звука вычисляются расстояния между подводным объектом и маяками. На конечном этапе решается геометрическая задача о вычислении координат подводного объекта по известным координатам опорных маяков. Ключевым вопросом при реализации этой схемы является корректный расчет дальностей. Он зависит от точности оценки двух величин: времени распространения и скорости звука. В силу того, что звуковой сигнал при распространении в морских условиях подвергается эффекту многолучевости, то в точке приема зарегистрированный сигнал имеет сложную структуру, состоящую из множества разнесенных по времени друг относительно друга локальных максимумов. Каждому максимуму соответствует свое время распространения. Таким образом, возникает необходимость решать задачу выбора единственного значения времени для расчетов. Выбор «опорного» значения скорости звука также является сложной задачей, так как поле скорости звука может изменяться и во времени и в пространстве. Более точный подход к решению этих задач может быть обеспечен путем применения теоретических расчетов звукового поля с помощью численных моделей распространения звука в лучевом, параболическом или модовом приближениях. Сравнение импульсных характеристик, полученных экспериментально и теоретически, позволяет идентифицировать приходы и рассчитать расстояния, пройденные ими по соответствующим лучевым траекториям. Корректность численных расчетов зависит от полноты и точности информации о профиле дна, пространственном

распределении скорости звука, волнении поверхности. На практике полный объем информации часто недоступен, в силу того, что трасса, соединяющая маяк и подводный объект, вследствие перемещения последнего изменяется и пространственное распределение скорости звука также непостоянно во времени. Существенное влияние на картину распространения звука в мелководных волноводах оказывают геоакустические свойства дна, которые часто неизвестны. Таким образом, для того чтобы получить возможность сопоставить сигналы, необходимо проводить многочисленные вычисления, варьируя множеством расчетных параметров.

Актуальность работы. Задачи дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов всегда являлись привлекательными для исследователей морей и океанов. Актуальными являются проблемы по созданию автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) и обсерваторий, обеспечивающих комплексное и широкомасштабное обследование морских акваторий и дна океана и получение новых фундаментальных знаний в области океанографии, морской геологии, биологии и энергетики. Знание особенностей формирования акустических полей в конкретных районах повышает дальность позиционирования подводных объектов и связи с ними. Значительный прогресс в разработках энергопитания и расширение зоны функционирования подводных аппаратов потребовал создания низкочастотных систем навигации, связи и управления дальнего радиуса действия в условиях многолучевого распространения зондирующих сигналов. Навигационные системы с длинной базой наиболее часто используются при решении научных задач с помощью АНПА. Интеграция методов акустической навигации, связи и томографии позволяет расширить возможности навигационных систем. Имея возможность передачи данных на АНПА и с него, производя инверсию акустических данных, с целью определения параметров окружающей среды можно значительно улучшить точность позиционирования и увеличить размеры районов работ подводных

аппаратов. Решение поставленной задачи возможно при объединении результатов экспериментальных исследований, обработки сигналов, теории оценок и океанографическом моделировании и прогнозе. Комплексное решение задач навигации, связи, и томографии - один их примеров взаимодействия науки и техники, когда идет процесс интеграции реальных данных с моделями процессов в океане.

В работе приводятся экспериментально апробированные методические и программные решения, направленные на создание многофункционального аппаратно-программного комплекса для решения перечисленных задач. Приведены также результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования импульсных характеристик, полученных при зондировании морских акваторий, включающих в себя шельфовую зону, континентальный склон и глубокое море, сложными сигналами для решения задач дальнометрии на протяженных трассах.

Существенным является то, что экспериментально обоснованная в многолетних натурных исследованиях эффективность разработанных методик и технических средств, позволяет прогнозировать их использование для решения актуальных проблем и в других областях прикладной гидроакустики, (например, для решения задач обороны страны, для охраны заповедников и морских границ, для прогноза миграций и обнаружения промысловых биологических объектов). Акты внедрения материалов диссертации в научных разработках различных организаций страны (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, СОП при Президиуме ДВО РАН) свидетельствуют об их успешном использовании.

Цель - исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов на протяженных трассах при сложных гидрологических условиях и переменном рельефе дна для задач акустической дальнометрии подводных объектов

При этом были поставлены и решались следующие задачи:

• экспериментальные исследования закономерностей распространения акустических псевдослучайных сигналов из шельфа в глубокое море при различных гидрологических условиях;

• исследование особенностей применения акустических псевдослучайных сигналов для измерения импульсных откликов на шельфе Японского моря;

• разработка и экспериментальная апробация методик и алгоритмов вычислительных программ для задач акустической дальнометрии и навигации подводных объектов;

• разработка аппаратно-программного измерительного комплекса для исследований в области акустической навигации;

• экспериментальные исследования особенностей применения векторных приемников для идентификации максимумов функции отклика гидроакустического канала.

Научная новизна. В работе приведены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие наличие известного эффекта акустического «оползня» (Таррег! Р.И, 2002) для условий Японского моря. Использование этого эффекта позволило осуществить измерение расстояния от излучателя до приемника на дистанции нескольких сотен километров (самая дальняя точка измерений около 300 км) с ошибкой порядка десятков метров. Для расчета расстояния применялось перемножение времени распространения, соответствующее последнему пику функции отклика канала, на значение скорости звука на оси подводного звукового канала (ПЗК). Применение столь простой операции предполагает прямолинейное распространение звука, что является не характерным сценарием распространения звука в морских протяженных волноводах. На основе численных расчетов с применением модели, основанной на лучевых представлениях распространения звука, показано, вследствие каких физических

причин использование простого приближения расчета расстояния является уместным.

Практическая значимость диссертации определяется разработкой современных методик и технических решений для зондирования морских акваторий сложными сигналами, применение которых позволяет решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики. В частности, решены имеющие большое практическое значение задачи вычисления функции отклика в «реальном» времени, выделение и отслеживание отдельных групп приходов функции отклика, вычисление дистанции от излучателя до приемной системы, вычисление координат подводного объекта в режиме «реального» времени. Результатом этих решений стала разработка аппаратно-программного комплекса, обладающего новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований по позиционированию подводных объектов на различных по протяженности акустических трассах в Японском море. Большинство алгоритмов обработки сигнальной информации могут быть использованы в системах томографической диагностики морской среды и навигации. Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при решении задач, поставленных в ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ и ДВО РАН, а также при выполнении оборонных НИР.

В работе приводятся результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования импульсных характеристик, полученных при зондировании морских акваторий, включающих в себя шельфовую зону, континентальный склон и глубокое море, сложными сигналами для решения задач дальнометрии на протяженных трассах. Приведены также экспериментально апробированные методические и программные решения, направленные на создание многофункционального аппаратно-программного комплекса для решения перечисленных задач.