Разработка и исследование акустического неконтактного метода восстановления профилей скорости звука

На правах рукописи

РАСКИТА Максим Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО НЕКОНТАКТНОГО МЕТОДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ СКОРОСТИ ЗВУКА

Специальность 01.04.06 – АКУСТИКА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог - 2008

Работа выполнена на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).

Научный руководитель – д.т.н., профессор Борисов С.А.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Заграй Н.П. (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

к.т.н., вед. научн. сотр. Усов В.П. (ООО «Аквазонд», г. Таганрог)

Ведущая организация –

ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик.

Защита состоится «29» августа 2008 г. в 10:20 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу 347922, г. Таганрог, Ростовская обл., ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «04» июля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Н.Н. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вертикальный профиль скорости звука (ПСЗ) является одним из основных гидрофизических параметров, который необходим при решении многих задач гидроакустики и океанологии: оценка гидролого-акустической обстановки в акватории; прогнозирование ожидаемой дальности действия корабельных гидроакустических средств; проведение подводных технических работ; исследование физических процессов и полей в Мировом океане; точное определение глубин и составление карт рельефа морского дна и т.д. Поскольку анизотропия морской среды определяется изменчивостью ПСЗ, то возникающая за счет этого вертикальная и горизонтальная рефракция играет решающую роль в распространении звука в океане. Все это свидетельствует о необходимости учета информации о ПСЗ при эксплуатации судовых и корабельных гидроакустических средств и важности развития этого направления в морском приборостроении.

В настоящее время разработаны и используются прямые методы измерения скорости звука в морской среде, обладающие высокими точностными характеристиками, но имеющими, однако, и серьезные недостатки. К ним относятся низкая производительность работ, высока дискретность точек промеров и значительные погрешности метода из-за горизонтальных смещений зонда при дрейфе судна и подводных течениях.

Неконтактные (дистанционные) методы основываются на импульсной акустической локации неоднородностей океана. По характеристикам рассеянного или прошедшего звукового сигнала изучаются физические свойства рассеивателей акустической энергии, оценивается их «геометрия», местоположение и т.п. Однако до настоящего времени отсутствовали методы дистанционного зондирования неоднородностей поля скорости звука в морской среде, которые могли бы быть воплощены в устройства восстановления ПСЗ. Вместе с тем, предпосылки для развития таких методов имеются. Работы многих авторов по исследованию гидрофизических полей океана показали, что океаническая среда является рассеивающей в любой точке своего объема. Поэтому, сопоставляя пространственные координаты рассеивающего объема и времени прихода рассеянных сигналов, можно производить оценку вертикального профиля скорости звука.

Поскольку на точность восстановления ПСЗ будет влиять величина «озвученного» объема, то значительный интерес представляет применение гидроакустических параметрических антенн в качестве излучателей звука, обладающих такими уникальными характеристиками, как высокая направленность и постоянство характеристики направленности в широком диапазоне частот и «гладкость» диаграммы направленности в области боковых лепестков.

В целом, актуальность темы настоящей диссертации заключается в решении научной и прикладной проблемы разработки метода, методики и устройства акустического неконтактного восстановления профилей скорости

звука в океане, т.е. его основной гидроакустической характеристики, имеющей важное народно-хозяйственное и оборонное значение.

Настоящая работа является продолжением исследований в области создания гидроакустических систем дистанционного зондирования неоднородностей океана с применением параметрических излучающих антенн, проводимых в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), и отличаются от предыдущих работ целью, постановкой задач, методами их решения и полученными результатами.

Целью диссертационной работы является разработка метода неконтактного восстановления профилей скорости звука, основанного на измерении времени прихода реверберационных сигналов.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

– разработать метод и методику неконтактного восстановления ПСЗ;

– теоретически и экспериментально промоделировать разработанный метод неконтактного восстановления ПСЗ;

– разработать структуру устройства для акустического неконтактного восстановления ПСЗ;

– разработать модель бистатического зондирования морской среды параметрическим источником;

– экспериментально исследовать полевые характеристики некоторых рассеивателей при бистатическом зондировании параметрическим излучателем;

– разработать модель параметрической антенны с изменяющимися характеристиками морской среды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод и методика неконтактного восстановления ПСЗ, основанный на измерении разности времен прихода реверберационных сигналов по «параллельным» звуковым лучам.

2. Проведено теоретическое исследование разработанного метода с применением численных методов моделирования решаемой задачи.

3. Получены результаты экспериментального лабораторного моделирования разработанного метода неконтактного восстановления ПСЗ.

4. Произведен сравнительный анализ разработанного метода с известными. Показано, что разработанный метод устойчив к различным видам профилей скорости звука.

5. Разработана обобщенная структура устройства для неконтактного восстановления вертикальных профилей скорости звука в морской среде.

6. Проведено теоретическое исследование рассеяния узких звуковых пучков параметрических источников гидрофизическими неоднородностями морской среды.

7. Разработана модель бистатического рассеяния при зондировании неоднородной среды параметрическим источником.

8. Разработана модель параметрической антенны с изменяющимися па-

раметрами морской среды по трассе распространения акустического сигнала.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Метод и методика неконтактного восстановления профилей скорости звука, основанные на определении разности времен распространения акустических сигналов по «параллельным» лучам.

2. Результаты теоретического и экспериментального моделирования разработанного метода неконтактного восстановления ПСЗ.

3. Модель бистатической реверберации морской среды, обусловленной параметрическим источником звука.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в:

– освоении нового метода неконтактного восстановления ПСЗ;

– возможности повышения точности и устойчивости решения задачи неконтактного восстановления профилей скорости звука;

– разработке обобщенной структуры устройства для акустического неконтактного восстановления ПСЗ;

– возможности проведения теоретических исследований реверберации морской среды при облучении ее параметрическим источником.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации модели и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в научно-исследовательской работе «Царапина». Полученные в диссертации научные и практические результаты внедрены на предприятиях и в организациях: ОАО «Таганрогский завод «Прибой», НИПИ «Океангнофизика»; используются в учебном процессе подготовки студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Апробация. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на конференциях:

– I научной конференции студентов и аспирантов Южного научного центра (ЮНЦ) РАН (Ростов-н/Д, 2005 г.),

– научно-технической конференции «Проблемы прикладной гидроакустики» (Таганрог, 2005 г.),

– всероссийской научной конференции «Экология 2006 – Море и человек» (Таганрог, 2006 г.),

– VIII всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006 г.),

– 53-54 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ (ТРТУ) (Таганрог, 2005-2007 гг.),

– международной научно-технической конференции «Математические модели и алгоритмы для имитации физических процессов» (Таганрог, 2006 г.),

– XI школе-семинаре акад. Бреховских – «Акустика океана» совместно с XVII сессией Российского акустического общества (РАО) (Москва, 2006 г.),

– XVIII сессии РАО (Москва, 2006-2007 гг.).

Автор награжден дипломом XVIII сессии Российского акустического общества; принимал участие в двух научно-исследовательских работах по разработке систем гидроакустической локации и по изучению распространения звука в мелком море. В одной из этих работ задачей автора было измерение профилей скорости звука в море.

Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках темы диссертационной работы, опубликовано 14 научных работ: 12 статей (из них 3 – в изданиях, рекомендуемых ВАК) и 2 тезиса докладов, получены патент РФ и положительное решение о выдаче патента РФ.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.т.н., проф. Борисовым С.А. Личный вклад автора в разных работах состоит в выводе основных расчетных соотношений и проведении теоретических и экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 173-х страницах и включает 137 рисунков и 130 наименований отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована проблема, обоснована ее актуальность, определены цели работы и задачи исследований. Сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость. Приведены сведения об апробации и внедрении, кратко изложено содержание диссертационной работы.

В первой главе осуществлен обзор и анализ исследований, связанных с изучением формирования вертикальной структуры звукового поля океана, развитием акустических неконтактных методов восстановления вертикальных ПСЗ, изучением объемного рассеяния звуковых волн при вертикальном зондировании океана и вопросов применения параметрических излучающих антенн для дистанционного зондирования гидрофизических неоднородностей океана.

Результаты анализа работ, проведенного в первой главе, позволили определить направления исследований и сформулировать задачи, решение которых обусловило достижение цели данной диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию неконтактного метода «параллельных звуковых лучей» для восстановления ПСЗ. Автором разработана методика восстановления ПСЗ, рассмотрено две реализации метода, произведено численное моделирование по восстановлению различных ПСЗ и

исследована устойчивость метода к профилям с нулевым и постоянным градиентом скорости звука.

Метод «параллельных звуковых лучей» основан на определении разности времен прихода акустических сигналов с различных горизонтов по разнесенным в пространстве приемным лучам, имеющим «параллельные» наклонные траектории. В этом случае отпадает необходимость в линеаризации решения обратной задачи, в отличие от известных методов, что ведет к упрощению и повышению точности восстановления и устойчивости метода к различным видам ПСЗ.

Для описания модели разработанного метода представим водную среду в виде слоев с отличной скоростью звука, как это показано на рис. 1. Здесь слева изображен ПСЗ, а справа – соответствующая этому профилю лучевая картина для показанной здесь же схемы размещения излучающей и приемных антенн; И – акустический излучатель, П1 и П2 – первый и второй остронаправленные акустические приемники; 0 – одинаковый для обоих приемников угол приема акустических сигналов; d – расстояние между акустическими приемниками; D – расстояние между излучателем и приемниками.

К пояснению метода «параллельных звуковых лучей»

Рис.1

В соответствии с лучевой картиной, показанной на рис. 1, траектории рассеянных лучей в верхнем слое параллельны, а расстояния, пройденные лучами, равны. Следовательно, задержка t принимаемого сигнала на втором приемнике относительно первого обусловлена прохождением сигнала некоторого расстояния в слое z со скоростью с1. Зная время задержки ti для i-того слоя, получим уравнение, из которого методом итераций можно определить среднюю скорость звука ci в рассматриваемом слое, а также мощность этого слоя zi (выражения (1) и (2), соответственно):

;

(1)

,

(2)

где c0 – скорость звука на горизонте размещения антенных систем.

Для того чтобы восстановить вертикальный профиль скорости звука в морской среде необходимо «разбить» трассу, на которой осуществляется восстановление, на слои, задавшись необходимым шагом по глубине, и последовательно (послойно) определить средние значения скорости звука в этих слоях. Геометрия задачи одной из возможных реализаций разработанного метода неконтактного восстановления профилей скорости звука показана на рис. 2.

Геометрия задачи восстановления ПСЗ

Рис. 2

Вертикально ориентированный излучатель И акустических сигналов посылает в исследуемую среду звуковые импульсы, которые, рассеиваясь на неоднородностях морской среды в области пересечения излучающего и приемных лепестков характеристик направленности, регистрируются приемной системой, размещенной на определенном расстоянии D от излучателя и состоящую из трех акустических приемников П1, П2 и П3, расположенных на

расстоянии d друг от друга. Акустические приемники с последующей схемой обработки сигналов образуют две приемные корреляционные системы, расположенные друг за другом.

Корреляционные приемные системы обеспечивают прием рассеянных сигналов с одного и того же направления, задаваемого углом приема i. Каждая пара приемных лучей с одинаковым углом приема следует за предыдущей с заданным шагом по углу так, чтобы «перекрыть» трассу восстановления профиля скорости звука. Таким образом, в пространстве формируются два веера статических лучей приемных характеристик направленности (ХН), характеризуемых фиксированными значениями угла приема i, причем одноименные (по углу приема) лучи в обоих веерах оказываются «параллельными». ПСЗ восстанавливается по известным расстояниям между излучателем и приемной системой D и между приемниками d, и измеренной зависимости времен прихода рассеянных акустических импульсов по лучам приемных ХН в зависимости от угла приема ti(i) для каждого корреляционного приемника.

При решении обратной задачи (восстановлении ПСЗ) по полученным зависимостям ti(i) рассчитываются задержки ti прихода рассеянных сигналов на второй корреляционный приемник относительно первого, и определяются средние скорости звука ci в слоях в соответствии с выражением (1). Затем, путем «расстановки» рассчитанных средних значений скорости звука на горизонты, определенные из прямоугольного треугольника без учета ПСЗ в соответствии с углами приема, в вершинах которого расположены излучатель и приемная система, определяется приближенный ПСЗ. В соответствии с этим профилем рассчитываются истинные горизонты пересечения приемных и излучающего лепестков ХН (т.е. решается прямая задача в рамках обратной). Затем осуществляется «расстановка» уже найденных значений средних скоростей в соответствии с вновь рассчитанными истинными горизонтами, т.е. восстанавливается искомый ПСЗ.

На рис. 3 показан численно восстановленный ПСЗ (кружочки), задаваемый моделью с тонкоструктурными неоднородностями (пунктир), причем на рис. 4 он показан в увеличенном масштабе. Видно, что при помощи разработанного метода восстанавливаются так же и тонкоструктурные неоднородности скорости звука. Потенциальная (теоретическая) точность метода составляет порядка ±0,1 м/с, что достаточно для многих задач современной гидроакустики. Это свидетельствует о перспективности развития неконтактных методов восстановления ПСЗ.

Так же во второй главе осуществлена оценка точности и устойчивости разработанного автором метода «параллельных звуковых лучей» для неконтактного восстановления профилей скорости звука. Показано, что основной вклад в погрешность восстановления вносит ошибка задания расстояния между остронаправленными или корреляционными приемниками и геометрические характеристики приемоизлучающей акустической базы, определяющейся направленными свойствами излучателя и приемника.

Восстановленный профиль скорости звука	Восстановленный профиль скорости звука до глубины 200 м
Рис. 3	Рис. 4