Разработка технических средств и методов акустического мониторинга морской среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор теории и практики акустического мониторинга морских акваторий. Постановка задач на исследование.

1.1. Томография океана.

1.2. Распространение низкочастотного звука в океане.

1.3. Шумы океана. .Т

Выводы по главе.

Глава 2. Методы и технические средства акустического мониторинга морской среды.

2.1. Обоснование и выбор путей совершенствования методологии экспериментальных гидроакустических.исследований.

2.2. Метод полигонных акустических исследований в задачах построения системы наблюдения за океаном.

2.2.1.Выбор районов и объектов исследований.

2.2.2.Прогноз гидролого-акустической обстановки в районах исследований.

2.2.3. Акустическая аттестация морских акваторий.

2.2.4. Результаты экспериментальной апробации метода полигонных исследований.

2.3. Динамические методы акустического мониторинга крупномасштабных неоднородностей морской среды в океане.

2.4. Технические средства для акустического мониторинга морской среды

2.4.1. Радиогидроакустические приемные системы для измерения акустико-гидроакустических характеристик океана.

2.4.2. Акустико-гидрофизический комплекс для томографических исследований морской среды.

2.4.3. Акустический трансивер для мониторинга динамических процессов морской среды.

2.5. Корреляционный анализ в задачах акустической томографии.

Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальные результаты акустического мониторинга неоднородностей морской среды.

3.1. Мониторинг течений в проливных зонах с использованием сцинтилляционного метода акустической томографии.

3.2. Акустический мониторинг полей температуры и течений на шельфе Японского моря.

3.3.Низкочастотная активная локация крупномасштабных неоднородностей морской среды.

Выводы по главе.

Глава 4. Результаты исследований закономерностей формирования низкочастотных акустических полей.

4.1. Экспериментальные исследования изменчивости звукового поля в области субарктического фронта в северо-западной части Тихого океана

4.2. Влияние теплого антициклонического вихря фронтального раздела Куросио на структуру звукового поля.

4.3. Распространение низкочастотного звука через фронтальную зону при пересечении под малым углом.

4.4. Исследование особенностей распространения звука через субантарктический фронт в Южной части Индийского океана.

4.5. Влияние подводной возвышенности на распространение звука.

4.6. Экспериментальное исследование низкочастотных шумов океана.

Выводы по главе.

Глава 5. Концепция развития технических средств и методов акустического мониторинга морской среды в Тихоокеанском регионе.

5.1. Системный подход к организации гидроакустических исследований.

5.2. Перспективы практического использования разработанных технических решений для повышения эффективности акустического мониторинга. морской среды.

Выводы по главе

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 среду обостряют борьбу за обладание чистым воздухом, водой, неосвоенными пространствами, коммуникационными, информационными, минерально-сырьевыми и биологическими ресурсами океана. Многообразие, 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 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-Ниньо, штормовых нагонов, моретрясений, извержений подводных вулканов и других.

На фоне активизации усилий развитых государств нарастает угроза отстранения России от участия в широкомасштабном освоении внегосударственнных 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

Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики». 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 обеспечить слежение за природными процессами, предупреждение катастрофических явлений, прогнозирование 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 программе 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 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 краткосрочного 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 эффективных 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 ИАПУ 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 труднодоступных районах Арктики и Антарктики. Это подтверждается возросшей активностью в проведении теоретических и экспериментальных исследований возможности применения методов акустической томографии в рамках таких международных 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, комплексирование 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 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 массообмена 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 году Федеральной целевой программы (ФЦП) «Мировой океан», в которой отдельно прописано направление развития материально-технической базы и методик научных исследований с акцентом на необходимость разработки «интеллектуальных полностью автономных робототехнических 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.

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 акустического мониторинга физических процессов в водной среде;

-разработка и экспериментальная апробация технологии полигонных исследований для решения проблем повышения эффективности акустической океанотехники;

-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. При этом сделан вклад в решение на региональном уровне многих задач, поставленных в ФЦП "Мировой океан".

Актуальность затрагиваемой в данной работе проблемы определяется тем, что акустические средства и методы исследований физических процессов 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 океанотехники 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;

-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.

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 американо-российско-корейского проекта JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment).

Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате многолетних натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН, ИПМТ ДВО 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. По 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 научнотехнической 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 (Нижний 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 функционального применения акустических приемных систем в решении прямых и обратных задач гидроакустики.

2. Разработанные технические решения излучения, приема, обработки и анализа сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей для применения в задачах акустической томографии динамических процессов в морской среде.

3. Основные закономерности взаимодействия акустических и гидрофизических полей для решения задач томографии неоднородностей морской среды, сформулированные на основе обобщения результатов длительных наблюдений, проведенных на стационарных акустических 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 акваторий 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., Чепурин 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.Бреховских, В.А. Акуличев, Р.А.Вадов, О.П. Галкин, Ю.П.Лысанов, В.Н.Студеничник, Р.Ф. Швачко, Б.Ф.Курьянов,

А.В.Фурдуев). Выделены 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, разработанных 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 развития методов акустической томографии неоднородностей морской среды. Приведены результаты акустического мониторинга полей температуры и морских течений в проливной зоне и на шельфе. Описан 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.

Выводы по главе.

Приведенные в настоящей главе экспериментальные результаты изложены кратко и без детального анализа уникальных данных и всех возможных приложений, который приведен во многих работах отечественных исследователей, а во многом эта работа еще впереди. Это связано с тем, что основной целью данной работы являлось проведение исследований для разработки эффективных технических средств и методов акустического мониторинга морской среды и результаты данного раздела призваны лишь подтвердить актуальность, научную значимость и достоверность проведенных исследований. Кроме того, выявленные закономерности формирования низкочастотных акустических полей могут быть использованы для перспективных технических разработок в качестве исходных данных.

1. В районе течения Куросио проведены комплексные гидролого-акустические исследования антициклонического теплого вихря, примыкающего к субарктической фронтальной зоне, а также характеристик акустических сигналов, пересекающих эти неоднородности. Показано, что теплый вихрь и фронтальный раздел существенным образом влияют на распространение звуковых сигналов. Это влияние обусловлено как структурой самих неоднородностей, так и геометрией проводимых экспериментов.

2. Теплый вихрь, расположенный в области глубоководного ГОК субтропических вод, вызывает уменьшение уровня сигналов в области вихря независимо от взаимного расположения источника, приемника и вихря. На трассе А2 акустические сигналы излучались с глубины 100 м, т.е. далеко от оси канала, опустившегося под теплые воды, привнесенные вихрем, поэтому структура поля в начале трассы имеет зональный характер. На горизонтах приема 60 и 300 м во второй зоне конвергенции - в центре вихря -наблюдается уменьшение уровня сигналов по сравнению с первой зоной примерно на 7 дБ. На более глубоких горизонтах приема, приближенных к оси ПЗК, разница между уровнями сигналов в первой и второй зонах конвергенции уменьшается до 2-3 дБ.

На трассе В также наблюдается дополнительный-спад уровня сигналов примерно на 6-7 дБ при приеме на горизонтах 100, 250 и 500 м в области расширенного вихревой неоднородностью ПЗК. Характерно увеличение уровня сигналов, принятых на горизонте 900 м, вблизи оси ПЗК по мере достижения источником дальней границы вихря в конце трассы.

3. В случае излучения звука вблизи оси ПЗК в области субарктических вод при переходе через фронтальную зону основная часть энергии продолжает распространяться вблизи оси ПЗК, хотя ось ПЗК опускается гораздо глубже и увеличивается ширина ПЗК. Аналогично, при излучении звука вблизи оси ПЗК в области субтропических вод по мере прохождения фронтальной зоны энергия концентрируется вблизи оси более узкого ПЗК субарктической структуры, причем глубина залегания оси при этом значительно уменьшается. Происходит то, что мы называем "перекачкой" энергии из канала в канал. Все экспериментальные результаты подтверждают этот вывод. На трассе А2 уровень сигналов, принятых в области вихря вблизи расположения оси ПЗК, т.е. на горизонте 900 м, увеличивается при заходе источника в узкий субарктический ПЗК. Превышение уровня сигналов, излученных за фронтальным разделом, над уровнем сигналов в первой зоне конвергенции достигает 7 дБ. На менее глубоких горизонтах приема, удаленных от оси канала в вихре - 60, 300 и 600 м увеличение уровня сигналов не столь значительно. Перестройка структуры поля при переходе фронта происходит достаточно резко, на расстоянии примерно 20 км, сравнимом с размером фронтальной зоны.

4. Еще одним доказательством определяющей роли механизма вертикальной рефракции в изменении структуры звукового поля являются эксперименты, выполненные при непрерывном спуске излучателя в точках SI - S4. В случае излучения звука на станции S4, расположенной в области вихря, наблюдается значительное увеличение уровня сигналов при спуске излучателя ниже 400 м. На всех горизонтах приема значения огибающей здесь возрастает на 5-6 дБ. Излучение звуковых сигналов на достаточно однородной трассе S1-R подобного изменения уровня сигналов по вертикали не вызывает. Теоретические расчеты по лучевому методу звуковых полей вдоль трасс 81-Я и 84-11 наглядно демонстрируют перераспределение звука по глубине при излучении из области вихря. При излучении на глубине 800 м на станции 84 большая часть "водных" лучей в начале трассы захватывается каналом, опустившимся под теплое ядро вихря. В случае излучения с глубины 100 м в области вихря наблюдается зональная структура поля, затем вся толща воды равномерно "засвечивается" этими же лучами.

6. Сравнение результатов исследований особенностей распространения акустической энергии через фронтальные разделы в Тихом и Индийском океанах показывает, что основные закономерности формирования низкочастотных звуковых полей совпадают, хорошо согласуются с расчетами по лучевым программам и не зависят от углов пересечения фронтального раздела трассой источник- приемник.

7. Результаты экспериментального определения частотной зависимости коэффициента затухания звука по данным измерений на трассе протяженностью 3972 км в целом неплохо согласуются с данными других исследователей, но особенно близки они к данным Вадова[113].

8. Знание особенностей влияния подводных возвышенностей или континентального склона на распространение низкочастотного звука чрезвычайно важно для построения обобщенной модели формирования акустических полей в океане. Специально проведенный эксперимент показал что при прохождении источника звука вблизи пика возвышенности на приемной системе, удаленной на 314 км, наблюдается уменьшение потерь распространения на величину ~5—8 дБ. Этот эффект усиливается с понижением частоты звука, что обусловлено предположительно увеличением коэффициента отражения от дна. Удаление источника звука за возвышенностью по отношению к приемнику сопровождается резким увеличением потерь распространения до величин, больших ожидаемых потерь в отсутствие возвышенности. Указанные эффекты выражены в одинаковой степени для случаев глубины подводной возвышенности 200 и 500 м.

9. Экспериментальные результаты исследования зависимости шумов моря от глубины и географического положения района, где производятся измерения, при их комплексном анализе позволили нам принять участие в решении принципиального научного спора о природе генерации низкочастотных шумов в океане. Измерения спектров шумов на различных глубинах (от 100м до 2000м), в различных районах Мирового океана, показали, что максимальные значения уровней шумов в диапазоне частот 10 - 200 Гц отмечаются вблизи оси ПЗК. Синхронные измерения шумов моря в районах с различной интенсивностью судоходства выявили прямую зависимость их от плотности распределения судов на диагностируемой акватории. Рассмотрение этих результатов, в совокупности с приведенными в предыдущем разделе данными о фокусировке низкочастотного звука на подводных возвышенностях и прибрежных склонах, доказывает правоту гипотезы Венца о превалирующем влиянии судоходства на формирования низкочастотных шумовых полей в океане.

ГЛАВА 5. КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ СРЕДЫ В ТИХООКЕАНСКОМ РЕГИОНЕ.

Дальневосточные моря - важнейший компонент экономики России. Сегодня этот регион дает более 70% общероссийского вылова рыбы. Специфика региона заключается еще и в том, что для него характерны особо опасные и катастрофические явления, наносящие огромный вред экономике, приводящие к значительным человеческим жертвам: подводные землетрясения, цунами, тропические циклоны и связанные с ними штормы и наводнения, обледенение судов в зимнее время. И, наконец, необходимость обеспечения охраны морских границ протяженностью почти 20000 км и исключительной экономической зоны России. Решение всех этих важных задач требует создания региональной системы мониторинга гидрометеорологической обстановки для углубленного изучения физико-химико-биологических процессов в морской среде. При этом особая роль отводится наиболее эффективным новейшим технологиям: аэрокосмической информации, акустической томографии, разработке региональных геоинформационных систем.

Акустические методы и средства исследований физических процессов в океане в настоящее время выходят на существенно новый уровень. В последние годы активизированы экспериментальные исследования по проблеме глобального потепления климата на планете в рамках международной программы АТОС. Тенденция снижения промысловых запасов гидробионтов в окраинных морях России и необходимость развития прибрежного рыболовства также потребовали включения в региональные программы и проекты, связанные с этими проблемами, вопросов по применению акустических средств и методов исследований морской среды. Учитывая масштабность необходимых мероприятий по внедрению акустических методов в различные сферы экономической и научной деятельности в регионе, необходимо, на наш взгляд, в первую очередь разработать концепцию повышения эффективности прикладных гидроакустических исследований. Под этим следует понимать развитие методов, методик и технических средств, логически и структурно объединяющих перспективные исследования, проводимые различными организациями и научными коллективами.

5.1.Системный подход к организации гидроакустических исследований.

Эффективное решение больших научных, технических и производственных задач достигается путем разработки и реализации комплексных программ как отраслевого, так и межотраслевого характера. Примерами подобных программ могут служить: исследование Мирового океана, проблема защиты окружающей среды, охрана морских заповедников и экономической зоны России и т. д.

Выполнение любой подобной программы требует создания разнообразных средств измерений, разработка и создание которых поглощает значительную долю ресурсов, выделенных на ее осуществление. Во многих случаях они затрачиваются нерационально из-за недостаточного использования унификации, агрегатирования, стандартизации [114]. Так, большая доля средств создается заново ("от нуля") из расчета решения измерительных задач, специфических для данной программы, и не может быть использована в других. Это вызывает значительный параллелизм (дублирование) исследований и разработок и, как следствие, неэффективную затрату средств; ослабление специализации научных и производственных коллективов; уменьшение степени использования в разработках наиболее современных научных и конструкторских решений; невозможность обмена информацией при реализации различных программ из-за недостаточной унификации моделей, алгоритмов, кодов, сигналов и т. п.

Программы, включающие в себя выполнение гидрофизических измерений, имеют самые различные масштабы - от задач частных, узких, связанных с решением конкретных вопросов, до задач сложных и многогранных.

Задача создания средств исследования гидрофизических полей имеет очень сложный характер, связанный со сложностью объекта исследования. Говоря о средствах исследования, следует иметь в виду как одиночные приборы, так и единую систему (комплекс) средств измерений различного назначения, предназначенных для: сбора первичной информации о полях различной физической природы; накопления и предварительной обработки этой информации с целью сжатия ее объема; передачи информации по различным каналам связи на промежуточные центры обработки; дальнейшего укрупнения информации с целью выявления закономерностей общего характера и выдачи информации потребителям для принятия различного рода решений.

Научный подход к решению проблем подобного рода в настоящее время находится в стадии становления, поскольку попытки реализации исследовательских программ глобального масштаба (в том числе международных - АТОС, GOOS и др.) предпринимаются лишь в последние годы. Именно в эти годы начал проявляться интерес к эксперименту (в широком смысле этого термина) как к объекту изучения. Эксперимент глобального масштаба привносит в задачу специфику, требующую качественно нового подхода, хотя цель в обоих случаях остается одной и той же: требуется спланировать последовательность технических решений, приводящих к получению наиболее достоверной информации об исследуемом объекте при наличии ограничений на используемые ресурсы материальные, экономические, временные и др.). Считается, что если на каждом шаге такой последовательности принимается оптимальное решение и эти решения согласованы между собой и с общим критерием оптимума, то и решение всей проблемы окажется оптимальным.

Все изложенное выше в значительной мере относится к вопросам практического использвания акустических методов и средств исследований и мониторинга морской среды для решения фундаментальных и прикладных проблем океанологии. Это связано с тем обстоятельством, что спектр практических приложений акустических методов в гидрофизике очень широк и охватывает большинство областей хозяйственной деятельности человека в океане. Следовательно, задачи повышения эффективности гидроакустических исследований путем комплексирования работ в море и унификации технических средств и методов для их проведения являются актуальными.

Более чем двадцатилетний опыт участия в проведении экспериментальных исследований в интересах различных организаций и ведомств Тихоокеанского региона, в том числе и зарубежных, Позволил нам выявить ряд необходимых организационно-технических мероприятий для повышения их эффективности.

Одним из основных принципов организации исследований является комплексный подход к решению межотраслевых задач с учетом региональных интересов. Это означает научно-организационное объединение всех заинтересованных потребителей информации о морской среде с исследовательскими и производственными учреждениями, способными эту информацию получать. Эту функцию успешно выполнял в 80-х годах межведомственный координационный совет по гидрофизике при ДВО РАН и в настоящее время очень актуален вопрос его восстановления и совершенствования в свете изменившихся обстоятельств и приоритетов. Главной задачей совета должна стать выработка оптимальной, научнообоснованной стратегии получения необходимой информации о морской среде, начиная с этапа планирования физических экспериментов и заканчивая этапом обработки данных измерений и получения промежуточных или окончательных результатов, что в конечном счете должно обеспечить их получение с минимальной затратой материальных средств.

Кроме этого перед советом могут быть поставлены следующие задачи:

1. Планирование и координация межведомственных экспедиционных исследований.

2. Выбор районов для проведения комплексных исследований с учетом проблем, требующих решения на региональном уровне.

3. Унификация технических средств, программ, алгоритмов, сигналов, применяемых при проведении исследований.

4. Организация финансирования производства перспективных приборов и макетов для технического обеспечения экспериментальных работ. Примером практической реализации приведенных выше подходов может служить научно-исследовательская работа, проведенная НПО" Дальмар" с привлечением организаций Приморского края, связанных с проведением гидроакустических исследований, по обоснованию выбора места и технического оборудования рыбохозяйственных полигонов. Эта работа проводилась для осуществления технического прорыва в решении проблем организации прибрежного рыболовства на Дальнем Востоке [72,73].

5.2. Перспективы практического использования разработанных технических решений для повышения эффективности акустического мониторинга морской среды.

В основу перспективных практических приложений в области акустического мониторинга гидрофизических процессов положены наши достижения в разработках акустических низкочастотных приемных и излучающих систем и исследовании возможности их применения для реализации томографических методов.

5.2.1. Томография неоднородностей морской среды в Японском море.

В разделах 3 и 4 приведены некоторые результаты и технические решения, полученные нами при проведении экспериментальных исследований в южной части Японского моря в рамках совместной американо-российско-корейской программы JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment). Цель исследований заключалась в определении требований к техническим характеристикам приемных и излучающих систем для реализации акустического мониторинга динамических процессов в зоне фронтального раздела, пересекающего трассу мыс Шульца (Россия) - остров Уллындо (Ю. Корея). Анализ полученных результатов позволил выявить как положительные стороны разработанных методов и средств, так и проблемные вопросы, требующие дальнейших исследований в этом направлении.

Низкочастотные акустические излучатели электромагнитного типа с расширенной полосой частот, разработанные для зондирования всей акватории Японского моря сложными фазоманипулированными сигналами типа М-кодов, успешно прошли испытания и в настоящее время дорабатываются для производства малой серии. На базе этих излучателей разработаны и испытаны акустические трансиверы для измерений скорости течения. В ближайшей перспективе планируются эксперименты с расширением геометрии размещения приемно-излучающих систем на диагностируемой акватории для решения задачи пространственной локализации неоднородностей морской среды.

Анализ принятых сигналов специалистами США и Южной Кореи вблизи острова Улындо (550 км от точки излучения) и нами на банке Ямато (380 км от точки излучения) показал, что, несмотря на достаточное превышение (10-15 Дб) над помехой, когерентность сохраняется в течение 5-25 минут. Это связано с влиянием внутренних волн, которые в данном случае являются помехой для наблюдения за крупномасштабными изменениями морской среды во фронтальной зоне. Учитывая заинтересованность корейской и американской стороны в продолжение исследований в этом направлении (соглашение о совместных работах пролонгировано до апреля 2002 года) нами проработаны некоторые пути совершенствования методической и технической базы для проведения подобных экспериментов.

Во-первых, необходимо апробировать в натурных условиях метод обработки сигналов и решения задач инверсии путем анализа взаимно-корреляционной функции, предложенный в разделе 2.5., который по нашим оценкам позволит улучшить разрешение во времени приходов акустической энергии без расширения полосы излучения сигналов [107].

Во-вторых, очень перспективным, на наш взгляд, может оказаться метод совместной обработки информации, полученной на приемных системах, расположенных на различном удалении от излучателя. Для данного случая необходимо установить дополнительно приемную систему на границе шельфа (в 15-20 км от расположенного вблизи берега излучателя) и организовать синхронный прием сложных сигналов на эту систему и на систему, установленную у острова Улындо. Совместная обработка информации, полученной в этих точках, позволит, по нашему мнению, учесть мешающее влияние внутренних волн, генерируемых на шельфе, на полезный результат. Другой, более сложный, вариант решения этой проблемы заключается в установке автономного излучателя на границе шельфа и, таким образом, исключения участка трассы с внутренними волнами больших амплитуд.

Таким образом, можно констатировать перспективность и актуальность данного направления для развития системы акустического мониторинга динамических процессов в Японском море.

5.2.2. Акустический мониторинг динамических процессов морской среды в проливах.

Актуальность мониторинга динамических процессов в проливных зонах Мирового океана общеизвестна и во многих странах разрабатываются и совершенствуются методы и технические средства для этих целей. В последние годы активно прорабатываются проекты по использованию мощных потоков воды в проливах для получения электроэнергии. В России уже имеются технические разработки специальных турбогенераторных установок для применения в Курильских проливах, экономическая эффективность которых в большой степени зависит от скорости течений. Инициаторами проведения исследований технической и экономической целесообразности использования энергии потоков воды в Курильских проливах для выработки электроэнергии явились специалисты Калужского турбинного завода. По их заказу нами были выполнены поисковые работы по выявлению проливов с максимальными скоростями течений. В процессе определения степени изученности этого вопроса выяснилось, что достоверных знаний о течениях в мелководных проливах с максимальными значениями скоростей недостаточно для принятия столь ответственных решений. Это объясняется чрезвычайно сложными условиями проведения измерений обычными океанологическими приборами в проливах Дианы, Севергина и им подобным.

В этом случае точные измерения скоростей течения методами акустической томографии являются практически безальтернативными. Методы и приборы для акустического мониторинга динамических процессов в мелком море, описанные в разделах 2 и 3, проектировались и разрабатывались для выполнения подобных работ в перспективе.

В заключение следует отметить, что реализация предложенных организационных и технических мероприятий по развитию акустического направления Дальневосточной науки может значительно повысить эффективность хозяйственной и производственной деятельности в регионе.

Заключение

В данной квалификационной работе, на основе более чем двадцатилетнего опыта морских экспериментальных исследований, сделана попытка определить место и основные концептуальные направления развития акустической океанотехники для изучения морской среды и решения прикладных задач, связанных с деятельностью человека в океане. При этом разработаны и научно обоснованы технические решения, позволяющие с минимальными материальными затратами эффективно измерять и исследовать широкий спектр гидрофизических параметров морской среды для организации мониторинга структуры и динамики вод океана. Внедрение в практику океанологических исследований методов акустического мониторинга морской среды позволит существенно ускорить процесс получения новых знаний о Мировом океане и его освоения.

Основные научные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработаны, экспериментально и физически обоснованы новые технические решения актуальной задачи внедрения в практику океанологических исследований методов акустического мониторинга гидрофизических процессов в морской среде.

• Динамические методы акустического мониторинга крупномасштабных неоднородностей морской среды, основанные на применении синтезированных в горизонтальной и вертикальной плоскостях излучающих антенн. Апробированные в 80-х годах, они во многом предвосхитили современные разработки методов динамической томографии океана [58,59]. Применение этих методов позволило осуществить дистанционные исследования изменчивости температурных полей в различных по гидрологическим условиям районах Мирового океана.

• Метод и технология полигонных гидроакустических исследований, разработанные и экспериментально обоснованные для применения в дистанционных системах наблюдения за океаном, которые в совокупности со спутниковым мониторингом поверхности океана позволят существенно повысить эффективность океанологических исследований.

• Конверсионные технологии по переоборудованию приемных радиогидроакустических систем ВМФ для применения в гидрофизических измерениях, включая:

- увеличение числа рабочих каналов приема сигналов до 4-х и глубин размещения гидрофонов до 2000 м;

- снижение частотного диапазона в область инфразвука и низких частот (10-1000 Гц);

- конструкция механических узлов приемных систем, позволяющая снизить собственные шумы, связанные с механическим воздействием окружающей водной среды, до уровня шумов моря и обеспечивающая эффективное использование систем при волнении моря до 8 баллов.

- снижение весогабаритов и энергопотребления в переоборудованных системах для повышения эффективности их использования;

- способы применения приемных акустических систем с передачей информации от гидрофонов по радиоканалу для обеспечения помехоустойчивого приема сигналов и снижения ветрового дрейфа путем удаления измерительных гидрофонов от научно-исследовательского судна на дистанции, на которых не регистрируются судовые шумы;

- способы применения измерительных систем с передачей информации по радиоканалу для оборудования оперативно разворачиваемых гидрофизических полигонов в шельфовых и проливных зонах морей и океанов при обеспечении ретрансляции измеренных параметров с гидроакустических или гидрофизических датчиков на береговой пост приема и анализа с дистанций до 50 километров.

• Способ приема и регистрации акустических сигналов и шумов моря с использованием специально оборудованной плавучей лаборатории на базе парусной яхты, многократно апробированный в экспедиционных рейсах, позволяющий повысить эффективность гидроакустических исследований путем применения одного излучающего судна, доставляющего на борту в заданный район приемную яхту.

• Конструкция и электронное оснащение акустических приемных и излучающих систем, обеспечивающих зондирование морских акваторий низкочастотными фазоманипулированными сигналами типа М-последовательностей для томографического диагностирования гидрофизических процессов в морской среде, включающих:

- автономный, мобильный (постановка с яхты, катера), низкочастотный (центральная частота 260 Гц) акустический источник звука электромагнитного типа, обеспечивающий длительное (до полугода) излучение сложных фазоманипулированных сигналов при развиваемом давлении до 7000 Па/м;

- автономные, мобильные (постановка с яхты, катера) акустические трансиверы для исследования морских течений методом встречного зондирования, обеспечивающие излучение и прием сложных фазоманипулированных сигналов с центральной частотой 250 Гц;

- автономные, мобильные (постановка с яхты, катера) акустические приемные системы на базе радиогидроакустических буев, ретранслирующих принятые сигналы в УКВ-диапазоне (45-180 МГц) на берег или приемное судно, гидрофоны которых могут быть установлены вблизи дна на глубинах до 500 метров.

• Экспериментальное и физическое обоснование технических решений, принципиально важных с точки зрения практической реализации акустических томографических схем, направленных на повышение надежности:

- достигнутые точности во временном разрешении лучевых приходов (среднеквадратичная аппаратурная погрешность не превышает 2 мс) и экспериментально подтвержденные факты идентификации времен приходов лучей, распространявшихся в различных по глубине слоях волновода, позволяют рассчитывать на надежную реструктуризацию полей температуры и течений в горизонтальной и вертикальной плоскостях при использовании в измерительных схемах в мелком море донных одиночных приемных и излучающих систем;

- размещение излучающих систем вблизи берега (150-400 м), на глубинах 25-40м, и надежный прием сигналов от них на расстоянии до 550 км (при длине шельфа 20км), осуществленный при проведении российско-корейско-американского эксперимента в Японском море, существенно повышает надежность функционирования излучающих систем в районах с интенсивным судоходством и рыболовством.

• Способ обработки и анализа зондирующих фазоманипулированных ;игналов при томографических исследованиях морской среды, заключающийся i прямом использовании взаимной корреляционной функции (в отличие от ¡ремен прихода по разным лучам, которые используют в традиционной омографии) между излученным и принятым сигналами для повышения очности реконструкции поля скорости звука в волноводе.

2. Исследованы возможности применения разработанных томографических методов с использованием акустического зондирования для мониторинга гидрофизических процессов в морской среде.

• Экспериментальные результаты исследований изменчивости полей температуры и морских течений с применением методов акустической томографии, которые были подтверждены данными непосредственных гидрологических измерений и многолетних наблюдений, доказывают правильность технических решений, разработанных в рамках данной работы.

• Сцинтилляционный метод измерения скорости течения был успешно апробирован в одном из Курильских проливов и на шельфе Японского моря. Анализ результатов измерений показал преимущество применения сложных фазоманипулированных сигналов для акустического зондирования морской среды при реализации данного метода. Очень перспективным представляется его комплексирование с методом встречного зондирования.

• Результаты измерений скорости течения в шельфе Японского моря в зависимости от фазы прохождения внутреннего прилива методом встречного акустического зондирования подтвердили возможность эффективного использования одиночных донных трансиверов для мониторинга полей течений в мелком море.

3 Выявлены особенности формирования низкочастотных акустических полей в районах Мирового океана со сложными гидролого-географическими условиями (фронтальные зоны, вихри, подводные возвышенности, переходные зоны шельф - континентальный склон).

• Результаты экспериментальных исследований во фронтальных зонах Тихого и Индийского океанов показали, что основные закономерности формирования низкочастотных акустических полей при канальном распространении не зависят от направления и угла пересечения фронтального раздела (из холодных вод в теплые или наоборот). При этом установлено, что:

- при распространении низкочастотного звука в подводном звуковом канале и пересечении фронтального раздела под любым углом, основная энергия плавно и без дополнительных потерь переходит на глубину нового звукового канала;

- величина коэффициента затухания звука в диапазоне частот 111-315 Гц, измеренная на трассе протяженностью около 4000км при пересечении многочисленных меандров, вихрей, переходной зоны от субтропических вод к субарктическим, хорошо согласуется с данными измерений Морриса, Шихи, Торпа и, особенно, Вадова, которые производились на акустических трассах с более постоянными гидрологическими характеристиками;

- при пересечении акустической трассой, пролегающей в субтропических водах Тихого океана, теплого антициклонического вихря, стационарно примыкающего к фронтальному разделу Куросио восточнее острова Хонсю, наблюдается расфокусировка акустической энергии и снижение уровня сигналов в зоне конвергенции на 5-7 Дб;/

- при пересечении акустической трассой, пролегающей в субтропических водах Индийского океана, холодного антициклонического вихря, примыкающего к фронтальному разделу юго-восточнее острова Кергелен, наблюдается фокусировка акустической энергии и повышение уровня сигналов на 5-8 Дб.

• Экспериментальные результаты дистанционного зондирования крупномасштабных неоднородностей морской среды методом активной локации с использованием мощного низкочастотного излучателя (¥=222 Гц), расположенного на оси подводного звукового канала (Н=800м), демонстрируют возможность получения и идентификации эхо-контактов не только от подводных гор и возвышенностей, но и от вихревых структур с холодными ядрами водных масс. Это обусловлено резким перераспределением излученной акустической энергии из глубоководного канала в мелководный на границе вихря и обратным отражением от поверхности моря.

• Экспериментальные результаты исследований влияния рельефа дна на распространение низкочастотного звука, проведенных на акустических трассах, пересекающих подводные возвышенности или континентальный склон, свидетельствуют о существенной фокусировке акустической энергии при прохождении источника звука над определенными участками дна. Например, один из экспериментов показал, что при прохождении источника звука вблизи пика возвышенности на приемной системе, удаленной на 300 км, наблюдается уменьшение потерь распространения на величину ~5—8 дБ. Этот эффект усиливается с понижением частоты звука, что обусловлено предположительно увеличением коэффициента отражения от дна. Удаление источника звука за возвышенностью по отношению к приемнику сопровождается резким увеличением потерь распространения до величин, больших ожидаемых потерь в отсутствие возвышенности. Указанные эффекты выражены в одинаковой степени для случаев глубины подводной возвышенности 200 и 500 м.

• Экспериментальные результаты исследования зависимости шумов моря от глубины и географического положения района, где производятся измерения, позволили нам принять участие в решении принципиального научного спора о природе генерации низкочастотных шумов в океане.

Измерения спектров шумов на различных глубинах (от 100м до 2000м), в различных районах Мирового океана, показали, что максимальные значения уровней шумов в диапазоне частот 10 - 200 Гц отмечаются вблизи оси ПЗК. Синхронные измерения шумов моря в районах с различной интенсивностью судоходства выявили прямую зависимость их от плотности распределения судов на диагностируемой акватории. Рассмотрение этих результатов, в совокупности с данными о фокусировке низкочастотного звука на подводных возвышенностях и прибрежных склонах и эффектом "перекачки" акустической энергии из приповерхностного звукового канала в глубоководный, доказывает, на наш взгляд, правоту гипотезы Венца о превалирующем влиянии судоходства на формирования низкочастотных шумовых полей в океане. 4. Разработаны и методологически обоснованы концепция и перспективы развития технических средств и методов акустического мониторинга морской среды в Тихоокеанском регионе. Акты внедрения материалов диссертации в научных разработках различных организаций 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) свидетельствуют о перспективности применения разработанных технических решений для решения задач обороны страны, охраны экономической зоны и морских заповедников и повышения эффективности рыбного промысла.

1. Бабий В.И. Особенности восстановления гидрофизических полей методами вычислительной акустической топографии океана. Всесоюзный симпозиум по вычислительной томографии.// Тез.докл., Новосибирск, 1983, c.l 1.

2. Клещев А.Т. О нескольких постановках обратных задач гидроакустики. Всесоюзный симпозиум по вычислительной томографии.// Тез.докл., Новосибирск, 1983, С.99-100.

3. Девятисильный A.C. Об одном обобщении задачи акустической томографии.// Тез.докл. II Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Куйбышев, 1985, с.48.

4. Сосковец А.Б. особенности решения обратной задачи рефракции в плоских волноводах переменной глубины.// Вестник Моск. ун-та., серия Физика, 1984, Т.25, № 2, с.87-89.

5. Буров В.А., Горюков A.A., Рычагов М.Н. Решение двумерной задачи скалярной обратной задачи с использованием априорной информации о рассеивателе.// Тез.докл. IV Дальн. Конф. Акустические методы и средства исследования океана, Владивосток, 1986, с.80-81.

6. Пикалов В.В. Алгоритм обратного распространения для эйканального приближения в томографии. Куйбышев 1985, с. 121-122.

7. Jakcwlew A.N. Erkennung verschieddener Objekte beei der Unterwasserortung. //Nachrichtentechn. Elektron, 1984, N 11, p.413-415.

8. Wwilhelij P., Denbigh P.A. Statistical approach to defervining the nuber density of random scatterers from back scattered pulses. //Acoust. Suc. Am, 1984, v.74, N 6, p.1810-1818.

9. Heinitz W.D., Meizer H.D. Structur einer mikrorechner geste - nerten Signalanalyseeinheit in hydroacoustischen Sedimentortong. // Nachrichtentechn. Elektron, 1984, N 11, p.411 -413.

10. Ю.Бородина E.JI., Горский С.М, Хилько А.И. Гидроакустический мониторинг неоднородностей малоэлементными антеннами методом темного поля. // Акуст. ж., 1994, т.40, № 3, с.464-465.

11. П.Горская Н.В., Горский С.М., Хилько А.И., Широков В.Н. Многоракусный акустический мониторинг пространственно локализованных неоднородностей в волноводе.// Акуст. ж., 1994, т. 40, № 2, с.344-345.

12. Munk W. Wunsch С. Ocean Acoustic Tomography: a Scheme for Large Scale Monitoring//Deep-Sea Research, 1979, V.26A, p. 123-161.

13. Вировлянский А. Л. Об использовании метода акустическом томографии океана для измерения средней температуры.// Акуст. ж., 1994, т. 40, № 2, с.340.

14. Любавин Л.Я., Нечаев А.Г. Акустическая интерференционная томография океана. // Акуст. ж. 1987, т.ЗЗ, № 6, с.703.

15. Бухштабер В.М., Маслов В.К., Трохан A.M. О методе акустической томографии океана. // Физика атмосферы и океана, 1984, т.20, № 7, с.630.

16. Бухштабер В.М., Маслов В.К., Трохан A.M. Акустический томосинтез в океане и алгебраические методы реконструкции изображений. // В сб. Методы гидрофизических исследований, Горький, ИПФ, 1984, 204 с.

17. Бурлакова И.П., Петухов Ю.В., Славинский М.М. Определение акустических характеристик дна океанических волноводов методом доплеровской томографии.// Акуст. ж., 1989, т.35, № 6, с. 1015.

18. Бурлакова И.П., Дубовой Ю.А. и др. О возможности акустической томографии взволнованной поверхности океана.// Акуст. ж., 1988, т. 34, № 3, с 423.

19. Flatte S.M., Stroughton R.B. Theory of Acoustic Measurement of Internal Wave Strength as a Function of Depth, Horizontal Position and Time.// J Geoph.Res, 1986, v.91, p.7709-7720.

20. Бородин В.В., Минасян Г.Р. О пределах применимости модовой, лучевой и интерференционной томографии.// Акуст.ж., 1995, т.41, № 1, с.34-44.

21. Курьянов Н.Г., Морозов А.К., Тимашкевич Г.К. Акустическая томография внутренних волн в океане.// Акуст.ж., 1995, т.41, № 1, с.112-116.

22. Абросимов Д.И., Еркин А.Ф., Казарова А.Ю и др. Идентификация лучевых импульсов в лучевой схеме акустической томографии с движущимся приемником // Акуст.ж., 1995, т.41, № 4, с.632-635.

23. Кравцов Ю.А., Петников В.Г. О возможности фазовой томографии океана с использованием нормальных волн. //Изв.АН СССР «Физика атмосферы и океана», 1986, 22, №9, с.992-994.

24. Годин О.А., Михин Д.Ю. Акустическая томография океанских течений по методу согласованной невзаимности. // Акуст. ж., 1996, 42, 4, с.501-509.

25. Godin О.А., Mikhin D.Yu. Computer simulation of acoustic tomography of ocean currents in coastal regions. // In "Teoretical and Computational Acoustics-97", Singapore, 1999, p.499-513.

26. Михин Д.Ю., Годин O.A. и др. Динамическая томография Средиземного моря.// «Акустика океана» сб. трудов школы-семинара акад. Л. М. Бреховских, ГЕОС, 1998, с.24-30.

27. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973, 344 с.

28. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Гидрометеоиздат, 1982, 264 с.

29. Галкин О.П. О структуре звукового поля в глубоком океане// Акустика океана. Современное состояние/ Под ред. Л.М.Бреховских и И.Б.Андреевой. М.: Наука, 1982, с.92-106.

30. Клей К.С., Медвин Г. Акустическая океанография. М.: Мир, 1980, 584 с.

31. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978, 448 с.

32. Орлов Е.Ф. Интерференционная структура широкополосного звука в океане// Проблемы акустики океана/ Под ред. Л.М.Бреховских и И.Б.Андреевой. М.: Наука, 1984, с.85-93.

33. Орлов Е.Ф. Акустическая интерференционная диагностика океана// Доклады VIII школы-семинара акад. Л.М.Бреховских Акустика океана. М.: ГЕОС, 2000, с. 13-17.

34. Швачко Р.Ф. Флюктуации звука на неоднородностях толщи океана// Акустика океана. Современное состояние/ Под ред. Л.М.Бреховских и И.Б.Андреевой. М.: Наука, 1982, с. 132-141.

35. Guthrie A.N., Fitzgerald R.M., Nutile D.A., and Shaffer J.D. Long-range low frequency CW propagation in the deep ocean: Antigua-Newfoundland// J. Acoust. Soc. of America. 1974, v. 56, № 1, p.58-69.

36. Fitzgerald R.M., Guthrie A.N., and Shaffer J.D. Low-frequency coherence transverse to the direction of propagation// J. Acoust. Soc. of America. 1976. V. 60. № 3. p.752-753.

37. Вадов P.A. Затухание низкочастотного звука в окене// Проблемы акустики океана/ Под ред. Л.М.Бреховских и И.Б.Андреевой. М.: Наука. 1984, с.31-42.

38. Вадов Р.А. Низкочастотная релаксация и затухание звука в морской среде// Доклады VIII школы-семинара акад. Л.М.Бреховских Акустика океана. М.: ГЕОС. 2000, с.40-43.

39. Студеничник Н.В. Исследование коэффициента отражения от дна в диапазоне углов полного внутреннего отражения// Доклады VIII школы-семинара акад. Л.М.Бреховских Акустика океана. М.: ГЕОС. 2000, с. 161165.

40. Лысанов Ю.П. Рассеяние звука неровными поверхностями// Акустика океана. М.: Наука, 1974, с.231-330.

41. Гулин Э.П. Статистические характеристики квадратурных составляющих звуковых сигналов, отраженных от взволнованной морской поверхности// Акустич. журн., 1975, т. 21, № 5, с.721-731.

42. Spindel R.S. Ocean acoustic tomography. A new measuring tool// Oceanus. 1982, v.25, №2, p.12-21.

43. Wenz G. (1962), Acoustic Ambient Noise in the Ocean: Spectra and Sources. JASA, v.34, p. 1936.

44. Anderson V.S. Variation of the vertical directionally of noise with depth in the North Pacific. (1979), JASA, v.66, p. 1446

45. Wales S.C., Diachok O. Ambient noise vertical directionality in the north west Atlantic. (1981), JASA, 70, p.577

46. Курьянов Б.Ф. Развитие представлений о низкочастотных шумах океана за 50 лет// «Акустика океана» сб. трудов школы-семинара акад. Л. М. Бреховских, ГЕОС, 1998, с. 116-124

47. Wagstaff R.A. Low-frequency ambient noise in the deep sound channel-The missing component. (1981), JASA, 69,1009

48. Dashen R., Munk R. Three models of global ocean noise.(1984), JASA, 76, 540

49. Моисеев A.A. Поле собственных шумов случайно-неоднородного океана.(1987), Акуст Ж, 33, 1105

50. Bannister R.W. Deep sound channel noise from night-latitude winds. (1986), JASA, 79, 41

51. Caray W.M. Measurement of down-slope sound propagation from a shallow source to a deep ocean receiver. (1986), JASA, 79, 49

52. Гончаров B.B. Метод согласованного поля в задачах акустической томографии океана.// «Акустика океана» сб. трудов школы-семинара акад. Л. М. Бреховских, ГЕОС, 1998, с.30-37.

53. Na J. Measuring temporal variability of acoustic arrivals in the east sea of Korea using tomographic method. // Proc. of the Seven Western Pacific Regional Acoustics Conference. Kumamoto, Japan, 2000, V.2. p. 1165-1170.

54. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника, M.: «Радио и связь» 1982, 624с.

55. Евсеев Ю.Н., Косырев Б.А., Моргунов Ю.Н. Исследования закономерностей формирования акустического поля низкочастотного тонального излучателя. // Дальневост. Акуст. сб., 1979, Вып.1, с. 136139.

56. Акуличев В.А., Бондарь Л.Ф., Моргунов Ю.Н. и др. Влияние изменчивости гидрологических характеристики на закономерности спада звукового поля.// В сб.: Судостроительная промышленность. Сер.Акустика», 1988, Вып.24. с.67-69.

57. Акуличев В.А., Мор1унов Ю.Н., Половинка Ю.Н. и др. Исследование распространения звука через фронтальные зоны в океане.// 5-я Школа-семинар «Акустика океана». Тез.докл. Звенигород, 1988.

58. Бондарь Л.Ф., Буланов В.А., Моргунов Ю.Н. и др. Влияние подводной возвышенности на распространение акустических сигналов в океане. // Акуст. ж.,1988, № 3, с.341-342.

59. Акуличев В.А., Бондарь Л.Ф, Моргунов Ю.Н. и др. Распространение звука через фронтальные зоны и вихри в океане.// Всесоюзный семинар «Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели. Тез.докл. М., 1989, с.31-32.

60. Моргунов Ю.Н. Исследования дальней реверберации низкочастотного звука в океане.// Итоговый отчет по НИР «Отклик-2АН», Владивосток, ТОЙ ДВО РАН, 1990, с.127-139, 142-147.

61. Моргунов Ю.Н. Океанологические и акустические исследования в северо-западной части Тихого океана.// Сводный отчет по НИР «Аквамарин-АН», Владивосток, 1990, с. 186-196, 239-262.

62. Акуличев В.А., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А. и др. Исследование вертикальной интерференционной структуры звукового поля в области вихревого образования в районе Куросио.// XI Всесоюзная акустическая конференция. М., 1991, с.39-42.

63. Борисов C.B., Бондарь Л.Ф., Моргунов Ю.Н. и др. Влияние внутренних волн на распространение низкочастотного звука в мелком море.// Тез. докл. Акуст. ин-т им. акад. Н.Н.Андреева, М., 1993, с.112-113.

64. Акуличев В.А., Моргунов Ю.Н. и др. Акустическое зондирование крупномасштабных неоднородностей водной среды в океане.// В сб. Океаническая акустика, «Наука», М., 1993, с. 142-153.

65. Бондарь Л.Ф., Борисов C.B., Моргунов Ю.Н. и др. Акустико-гидрофизический полигон (шельф Японского моря).// Тез. докл. Акуст. ин-т акад. Н.Н Андреева, М., 1993. с.50-51.

66. Малиновский В.Э., Моргунов Ю.Н., Петухов В.И. Информационная система "Гидроакустические характеристики Тихоокеанского региона". Состояние и перспективы развития// Докл. УП ДВ конф. по суд. радиоэлектр. Владивосток, ТОВВМУ, 1994, с. 141-144

67. Бондарь Л.Ф., Захаров В.А., Моргунов Ю.Н. и др. Исследование особенностей распространения низкочастотного звука вдоль протяженной трассы в Тихом океане // Акуст. ж., 1994, т.40, № 2, с. 1-5.

68. Борисов C.B., Борисов Н.Г., Моргунов Ю.Н. и др. Влияние внутренних волн на распространение низкочастотного звука в Японском море.// Акуст. ж., 1994, т.40, № 2, с. 1.

69. Бондарь Л.Ф., Борисов C.B., Моргунов Ю.Н. и др. Акустико-гидрофизический полигон (шельф Японского моря)// Акуст.ж., 1994, т.40, № 2, с.2.

70. Моргунов Ю.Н., Петухов В.И., ПономаревВ.В. О приоритете регионального подхода к организации гидроакустических исследований. Сб. докладов VII ДВ конференции по судовой радиоэлектронике, ДВО РАН, НТО им. Крылова, ТОВВМУ им. Макарова, 1994, с. 151-154.

71. Бондарь Л.Ф., Борисов C.B., Моргунов Ю.Н. и др. Исследование короткопериодных флуктуаций интенсивности и фазы гидроакустических сигналов на мелководных стационарных трассах.// Акуст.ж., 1996, т.42, № 1, с.25-31.

72. Бахарев С.А., Мироненко М.В., Моргунов Ю.Н. Дальнее обнаружение морских биологических объектов.// Материалы III Международной научно-технической конференции «Конверсионные технологии в гидроакустике», С-Петербург, 1996, с. 18-19.

73. Акуличев В.А., Л.Ф.Бондарь, Ю.Н.Моргунов, А.Н.Рутенко. Гидрофизический мониторинг Японского моря. Направления, некоторые результаты и перспективы исследований.// В сб. Акустика океана, Изд. ГЕОС, Москва, 1998, с. 171-174.

74. Акуличев В.А., Дюльдина Н.И., Моргунов Ю.Н. Влияние теплого антициклонического вихря фронтального раздела Куросио на структуру звукового поля.// В сб. Морские технологии, ИПМТ ДВО РАН, Владивосток, 1996, вып. 1, с. 13 0-147.

75. Каменев С.И., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B., Пенкин С.И., Стародубцев Ю.И. Технические средства и методы мониторинга экосистем окраинных морей.// Сб. трудов VI Всероссийской акустической конф, Владивосток, 1998, с. 240-243.

76. Моргунов Ю.Н. Методология прикладных гидроакустических исследований в Тихоокеанском регионе. Научные труды Дальрыбвтуза. Владивосток, 1999, с. 38-41.

77. Akulichev V.A., Morgunov Y.N. Instrumentation and Methods for Acoustical Monitoring of the Sea of Japan Shelf // Proc. of Intern. Symposium of Acoustic Tomography and Acoustic Thermometry, JAMSTEC, Japan, 1999, p.188-192.

78. Akulichev V.A., Morgunov Y.N. Technical Devices and Methods of Acoustic Marine Environment Monitoring (AMEM) in the Japan Sea // Proc. of US-Russia Workshop on Experimental Underwater Acoustics, IAP Ras, Nyzhny Novgorod, November 1999, p.7.

79. Моргунов Ю.Н., Петухов В.И. "Информационное обеспечение томографических исследований в океане".// Сб. ТОЙ ДВО РАН "Информатика и моделирование в океанологических исследованиях". Владивосток, 1999, с.96-103.

80. Акуличев В.А., Каменев С.И., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B. Экспериментальное определение импульсной характеристики волновода с использованием фазоманипулированных сигналов.// Научные труды Дальрыбвтуза, Владивосток, 1999, с.38-41.

81. Моргунов Ю.Н. Исследование взаимосвязей гидрофизических явлений с характеристиками гидроакустических полей в промысловой шельфовой зоне.// Отчет НИР «Акватория» ГБТ № 196/95, Владивосток, ТОЙ ДВО РАН, 2000, с.11-15, с.42-56.

82. Акуличев B.A., Каменев С.И., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B. Акустический мониторинг динамических процессов морской среды в проливах.// Морские технологии, Владивосток, 2000, вып, 3. с. 146-150.

83. Акуличев В.А., Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B., Пенкин С.И. Акустическая томография для мониторинга Японского моря.// Морские технологии. Владивосток, 2000, вып. 3, с.151-158.

84. Акуличев В.А., Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B., Пенкин С.И. Акустогидрофизический комплекс для морских томографических исследований.// Приборы и техника эксперимента, 2000, № 6, с.112-115.

85. Akulichev V.A., Bezotvetnykh V.V., Kamenev S.I., Kuz'min E.V., Morgunov Yu.N., Nuzhdenko A.V., Penkin S.I. Acoustic Tomography for

86. Akulichev V.A., Dzyuba V.P., Kamenev S.I., Morgunov Yu.N. On Acoustic Tomography Scheme of Hydrophysical Parameters for Marine Environment. // The Fifth International Conference on Theoretical and Computational Acoustics. Beijing, China, 2001, p. 112.

87. Серебряный A.H. Долгоживущая инверсия температуры и внутренние волны на шельфе. // Океанология. 1995, Т. 35, N4, с.497-504.

88. Fransois R.T., Garrison G.E. Sound absorption measuerement.,Pt.2: Boris asid contribution and eguation for total absorption // J AS A, 1982, v.72, N 6, p.1879-1889.

89. Мальцев H.E. Лучевые уравнения в барицентрических координатах.// Акуст. ж. XXXIX, вып.5, 1983.

90. Паренский А.И., Шилин В.Я. Расчет характеристик звуковых полей. Владивосток: Дальневосточный акуст. сб., 1975, с.78-87.

91. Morris G.B. Low frequency sound attenuation in the Nort-East Pasific ocean // JASA, 1976, N 59, p.44.

92. Вадов P.А. Затухание низкочастотного звука в океане. В сб.: Проблемы акустики океана. М.: Наука, 1984.-14. Трохан A.M. Гидро-аэрофизические измерения// М.: Издательствостандартов, 1981, 325с.

93. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОРСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

94. УТВЕРЖДАЮ" ^етр^еКХор ИПМТ ДВО РАН; ЛЩШ^Д Агеев 2001 г.~ Г1. АКТвнедрения научно-технических разработок докторской диссертации заведующего отделом технических средств исследования океана ТОЙ ДВО

95. РАН, кандидата технических наук Моргунова Ю.Н. на тему: "Разработка технических средств и методов акустического мониторинга морской среды"

96. Заведующий отделом гидрофизики доктор физ.- мат. наук,

97. Старший научный сотрудник отдела гидрофизики, кандидат физ.- мат. наук,

98. Директор Отделения г* гидроакустики академик В.И.Таланов « Л2 » мая 1999г.1. Утве1. АКТ

99. У казанные работы были направлены на решение ряда важных оборонных и народно-хозяйственных задач, в том числе защиты морской экономической зоны Дальневосточного региона России.

100. Практическое применение в натурных условиях методов и технических средств, предложенных к.т.н. Ю.Н.Моргуновым, подтверждает возможность их использования в комплексных системах контроля морской среды.

101. Заместитель начальника отд------"------"кандидат технических наук1. Д.Д.Минаев

102. Ведущий научный сотрудник войсковой части 90720 кандидат технических наук ^т^у1. В.Э.Малиновский

103. Старший научный сотрудник войсковой ча1. П.Н.Бойко