Метод акустического мониторинга гидрологических полей в мелководных акваториях (тестирование и реализация)

Вестник ДВО РАН. 2015. № 6

УДК 534.6; 551.463

Ю.А. ПОЛОВИНКА, М.С. ЛЕБЕДЕВ

Метод акустического мониторинга гидрологических полей в мелководных акваториях

Представлены результаты тестирования акустического метода и применения основанного на этом методе гидроакустического комплекса для измерений пространственно-временной структуры полей скорости звука и температуры в мелководных акваториях. Метод и гидроакустический комплекс разработаны в лаборатории акустической томографии ТОИ ДВО РАН. Измерения выполняются путем зондирования среды импульсными акустическими сигналами вдоль горизонтальных трасс. Преимущества предлагаемого метода по сравнению со стандартными гидрологическими наблюдениями заключаются в возможности проведения длительных непрерывных измерений в сложных погодных условиях, в том числе при наличии льда, а также быстроте размещения измерительной аппаратуры с целью контроля теплового загрязнения или мониторинга аварийных выбросов опасных веществ в мелководных акваториях. В качестве примера приведена схема размещения аппаратуры гидроакустического комплекса для всесезонного контроля теплового режима в Амурском заливе (зал. Петра Великого, Японское море).

Ключевые слова: акустические методы измерений, гидрологические измерения, дистанционные измерения, точность, ошибка измерений, вертикальный профиль скорости звука (температуры), акустический мониторинг параметров окружающей среды.

Method of acoustic monitoring hydrological fields in shallow waters

Yu.A. POLOVINKA, M.S. LEBEDEV (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The paper presents the test results of acoustic method and the use of hydroacoustic complex based on this method for measuring spatial-temporal structure of the fields of sound speed and temperature in shallow waters. The method and hydroacoustic complex are developed in the laboratory of acoustic imaging of the POI FEB RAS. Measurements are made by sensing the environment ofpulsed acoustic signals along horizontal routes. The advantage of this method compared to the standard schemes of hydrological observations, consists in the possibility of long and continuous measurements in difficult weather conditions and in the presence of ice, and the minimum time of installation of the measuring equipment, for control thermal pollutions or monitoring of accidental releases of hazardous substances in shallow waters. As an example, the layout of the equipment hydroacoustic complex for year-round monitoring of the thermal regime in the Amur Bay (Peter the Great Bay, The Sea of Japan) is given.

Key words: acoustic methods of measurements, hydrological measurements, remote measurements, accuracy, error of measurements, vertical profiles of speed of a sound and temperature, acoustic monitoring of the environment.

Урбанизация побережья морей и активное использование ресурсов шельфа привели к росту аварий техногенного происхождения и негативному их влиянию на окружающую среду. В этих условиях критически важными становятся контроль за природными катастрофическими явлениями и оценка их последствий с целью минимизации

*ПОЛОВИНКА Юрий Александрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ЛЕБЕДЕВ Михаил Сергеевич - младший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: yrivlad@poi.dvo.ru

Работа частично выполнена в рамках грантов НШ-6084.2014.5 и РФФИ 14-05-00344а.

возможных человеческих и материальных потерь. Это послужило причиной разработки в последние годы акустических методов измерений и длительного мониторинга параметров водной среды в мелководных акваториях [2, 5, 6]. Гидроакустические комплексы, функционирующие на основе предлагаемых методов, обеспечивают дистанционное измерение параметров водной среды в заливах, проливах и внутренних водоемах, позволяя заблаговременно обнаруживать источники природных и техногенных угроз. Существующие сегодня акустические методы используют различные схемы измерений: с буксируемыми или дрейфующими источниками и приемниками гидроакустических сигналов [5], со стационарными автономными приемными и излучающими системами [2], а также в виде комбинированных вариантов размещения аппаратуры гидроакустических комплексов [6].

Предлагаемый метод [3] позволяет определять вертикальную структуру полей скорости звука и температуры, а также уровень моря по схеме зондирования среды с помощью стационарных источников и приемников импульсных акустических сигналов вдоль горизонтальных трасс. Для построения полей скорости звука выполняются измерения времени распространения акустических импульсов т. вдоль траекторий собственных лучей г =г .(х, z) и рассчитываются скорости звука С(г.) вдоль указанных траекторий:

С(Г) = ^ . После этого по результатам гидрологической калибровки акустической трассы определяются средние значения вертикального профиля скорости звука С(Н) » С(г.) .

Значения температуры Т(г .) вдоль траекторий распространения акустических импульсов связаны с распределением скорости звука: Т(г .) = _ДС(г .)) - и рассчитываются по известным уравнениям [7].

Различия физических принципов и методик измерений, лежащих в основе дистанционных акустических методов и стандартных гидрологических наблюдений, приводят к сложностям сопоставления получаемых результатов. Эта проблема имеет системный характер, и ее решение сводится к оценке пространственных и временных масштабов, а также синхронизации во времени акустических и гидрологических измерений и «привязке» результатов к общей системе пространственных координат в среде. Отметим, что авторам не удалось найти публикаций, результатами которых были бы разработка схем тестирования и анализ точности измерений параметров водной среды акустическими методами в натурных условиях. В известных работах [2, 5, 6] выполнялся качественный (сравнительный) анализ результатов акустических измерений и гидрологических наблюдений параметров среды. В то же время переход от стадии экспериментальных исследований к широкому практическому использованию разрабатываемых акустических методов требует обоснования методик тестирования и калибровки конкретных акустических систем.

Апробация метода [3] была выполнена с помощью гидроакустического комплекса [1], созданного сотрудниками лаборатории акустической томографии ТОИ ДВО РАН на полигоне в бухте Витязь (Японское море) [4]. В настоящей работе предложена методика тестирования акустического метода в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р ИСО 57251-2002 для оценки точности измерений в терминах «правильности» и «прецизионности», а также приведены результаты тестирования с использованием данных гидрологических наблюдений.

На рис. 1 показана схема тестирования акустического метода измерений вертикальных профилей скорости звука и температуры на гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН в бухте Витязь.

Морская часть гидроакустического измерительного комплекса состояла из установленных на дне пьезокерамического излучателя и гидрофона, соединенного с заякоренным радиогидрофизическим буем. Береговая часть комплекса включала аппаратуру управления излучением и обработки данных, размещенную в помещении берегового поста. Измерения вертикальных профилей скорости звука, температуры и уровня моря осуществлялись вдоль горизонтальной трассы длиной 808 м, со средней глубиной порядка 18 м. Измерения выполнялись один раз в минуту, а время каждого измерения составляло 0,535 с, что

Рис. 1. Схема тестирования акустического метода: 1 - пьезокера-мический излучатель, 2 - гидрофон, 3 - радиогидрофизический буй, 4 - береговой пост обработки данных

соответствует времени распространения звуковых импульсов между источником и приемником звука. Результаты акустических измерений сравнивались с результатами стандартных гидрологических промеров с помощью СТи-зонда XR-620. Гидрологические промеры определяли давление (глубину), температуру и соленость (электропроводность). Скорость звука рассчитывалась по измеренным параметрам - температуре, давлению и солености. Зондирования проводились с периодичностью один раз в 2 ч в трех точках трассы: в местах установки акустического излучателя, установки приемного гидрофона и в средней между ними точке (рис. 1). Каждое вертикальное зондирование выполнялось со скоростью 0,5 м/с и занимало около 40 с. Общее время выполнения трех гидрологических промеров вдоль акустической трассы составляло в среднем 360 с. Частота регистрации параметров среды СТ^-зондом составляла 6 Гц. Приведенные параметры определяют пространственные и временные масштабы вертикальных профилей скорости звука и температуры, измеренных каждым методом.

С целью тестирования средние вдоль трассы измерений вертикальные профили температуры и скорости звука, рассчитанные по гидрологическим данным, сравнивались с вертикальными профилями скорости звука и температуры, измеренными акустическим методом. За опорные вертикальные профили температуры и скорости звука принимались средние вдоль трассы гидрологические профили Т^ иСср, рассчитываемые по формуле:

Хтс (К ) =

X К)

_ г=1

3

где ХТС (кк) - вертикальные профили температуры и скорости звука, измеренные СГО-зондом в трех точках трассы, К- значения глубин.

На рис. 2 в качестве примера приведены профили температуры на 18:00 ч 27.08.2011 г. в трех точках трассы - Т.(К), средний вдоль трассы профиль температуры Т(К) и профиль температуры Т(К), рассчитанный по данным акустических измерений. Горизонтальные планки представляют собой значения стандартного отклонения оТ(К^) для измеренных по акустической методике и рассчитанных опорных значений температуры. Опорный профиль температуры и профиль температуры по акустическим измерениям с высокой точностью совпадают на глубинах больше 6 м (рис. 2). В приповерхностном слое (от 0 до 6 м) разница между значениями опорного профиля температуры и профиля, полученного по акустическим измерениям, составляет максимум 0,8 °С. В нашем случае это является суммарной ошибкой акустического метода и связано, во-первых, с горизонтальной неоднородностью поля температуры и, во-вторых, с влиянием приповерхностного пузырькового слоя, который изменяет условия распространения звука. В дальнейшем влияние пузырькового слоя можно будет учитывать, используя в акустических расчетах эффективные параметры плотности среды в приповерхностном слое.

Для оценки влияния пространственной неоднородности полей скорости звука и температуры вдоль трассы можно использовать значения дисперсии - DTС(hk), стандартного отклонения - о1С(И/) и коэффициента вариаций -

У

Ы ¿И

о Те  тп А Тя - - Так —Тт

жЛ

у _ атС

ТС (Т,С) D„

Графики зависимостей

Рис. 2. Профили температуры, измеренные СTD-зондом в трех точках трассы

т оТС и УТС от глубины hk имеют похожий вид для обеих переменных Т и С. Стандартные отклонения оТС дают оценку измеренных скорости звука и температуры в абсолютных величинах, а коэффициенты вариаций УТС - в относительных значениях. В качестве примера на рис. 3 приведены зависимости стандартных отклонений оТ от глубины hk для вертикальных профилей температуры, приведенных на рис. 2.

Из представленных на рис. 3 графиков следует, что для расчетного среднего (опорного) профиля температуры вдоль трассы стандартные отклонения на различных глубинах не превышали 0,74 С, а для профиля, измеренного акустическим методом, - 0,85 С. Таким образом, различия в значениях Т и С, измеряемых гидрологическим и дистанционным акустическим методами, обусловлены горизонтальной неоднородностью трассы измерений и процессами усреднения в каждой из методик.

Результаты статистических оценок для гидрологических профилей в течение тестирования определяют точность («прецизионность»), с которой измерялись параметры средних (опорных) распределений температуры и скорости звука по глубине, и отражают степень горизонтальной неоднородности параметров среды, вдоль трассы акустических измерений. Статистические оценки акустических измерений характеризуют «прецизионность» измерений вертикальных профилей параметров среды по отношению к опорным профилям в натурных условиях горизонтально неоднородной среды и не могут быть лучше, чем для гидрологических измерений. Действительно, максимальные значения стандартных отклонений для профилей скорости звука в 1,5 раза, а температуры в 2 раза выше для

акустического метода, чем для гидрологического зондирования в трех точках трассы. Значения коэффициентов вариации для акустического метода измерений в 1,57 раза больше, чем для гидрологических измерений, как для профилей температуры, так и для профилей скорости звука.

Для оценки измерений по акустической методике с позиций «правильности» результатов использовались значения коэффициентов корреляции вертикальных профилей параметров водной среды, измеренных по разным методикам. В табл. 1 приведены коэффициенты кор-

Рис. 3. Зависимость стандартных отклонений от глубины о.^)

для профилей температуры: 1 - измеренных СTD-зондом в трех реляции Гхсрхак, рассчитываемые

точках трассы, 2 - между рассчитанными по данным акустических по ф°рмуле-измерений и усредненным данным CTD-зонда

Таблица 1

Коэффициенты корреляции данных гидрологических и акустических измерений профилей температуры и скорости звука

Коэффициенты Время измерения, ч

корреляции 18:00 20:00 22:00 | 24:00 02:00

Г Т Т 1 ср ак 0,992 0,994 0,988 0,984 0,948

Г Т Т 1 ср ак 0,992 0,994 0,989 0,985 0,947

Таблица 2

Коэффициенты корреляции данных гидрологических и акустических измерений скорости звука в зависимости от времени на фиксированных горизонтах

гДе Хр = хтс (\) - измеренные СTD-зондом и осредненные по трассе вертикальные профили температуры и скорости

звУка; Хак(И) = ХТкСа(К) -

профили, рассчитанные по данным акустических измерений.

Коэффициенты корреляции в моменты синхронных измерений вертикальных распределений параметров среды, представленные в табл. 2, находятся в диапазоне от 0,992 до 0,947, что подтверждает возможность использования акустического метода с позиций «правильности» измерений.

Мониторинг температуры ТсР(Ь<> ^ ТА 9 и скорости звука Сср(И., tk), Са(Н ,, ^ в процессе тестирования выполнялся для глубин 0, 10,5, 13,5 и 16,0 м. На рис. 4 приведены значения температуры, полученные разными методами для горизонтов 10,5 и 16,0 м. Тестирование акустического метода мониторинга температуры и скорости звука на фиксированных горизонтах Ик по критерию «правильность» проводилось также с использованием анализа уровней корреляции данных акустических и гидрологических измерений в зависимости от времени. Для

обеспечения равенства дискретного представления данных в расчетах результаты гидрологических измерений линейно интерполировались по времени.

Расчеты выполнялись для полученных данных без предварительного усреднения и по данным с предварительным усреднением по периодам 15, 60 и 120 мин. В табл. 2 и 3

Глубина, м Частота выборки, мин

1 15 30 60 120

Первичные данные

0 0,198 0,126 0,232 0,377 0,426

10,5 0,306 0,351 0,133 0,224 0,140

16,0 0,719 0,669 0,64 0,534 0,388

Осредненные данные за 120 мин

0 0,349 0,331 0,267 0,274 0,205

10,5 0,564 0,571 0,581 0,591 0,715

16,0 0,895 0,898 0,905 0,92 0,912

Таблица 3

Коэффициенты корреляции данных гидрологических и акустических измерений температуры в зависимости от времени на фиксированных горизонтах

Глубина, м Частота выборки, мин

1 15 30 60 120

Первичные данные

0 0,184 0,113 0,235 0,391 0,426

10,5 0,312 0,362 0,149 0,244 0,163

16,0 0,726 0,68 0,646 0,549 0,413

Осредненные данные за 120 мин

0 0,345 0,335 0,284 0,292 0,218

10,5 0,566 0,573 0,581 0,59 0,711

16,0 0,907 0,909 0,916 0,929 0,922

приведены результаты расчетов коэффициентов корреляции rX. (hi) и гха№к) Для горизонтов 0, 10,5 и 16,0 м с различной частотой выборки, как без усреднения, так и с предварительным усреднением данных за период 120 мин.

Анализ представленных в табл. 2 и 3 значений коэффициентов корреляции показывает, что при частоте измерений менее 120 мин и при усреднении данных, полученных с интервалом менее 120 мин, корреляция между акустическими и интерполированными гидрологическими значениями отсутствует. Это связано с наличием высокочастотной изменчивости параметров среды на периодах 1-120 мин в данных акустических измерений и отсутствием такой изменчивости в линейно интерполированных данных гидрологических измерений. В то же время максимальная корреляция (гх > 0,9) наблюдается при осреднении данных акустических

измерений по периоду 120 мин и при частоте выборки один раз в 120 мин. Указанные параметры обработки и представления Т tk) и Саг(И,, tk) по акустической методике

Рис. 4. Зависимость температуры от времени на горизонтах 10,5 м (а) и 16,0 м (б): Тср - осредненные данные стандартных гидрологических измерений, Т - данные, полученные по результатам акустического зондирования

Рис. 5. Схема размещения акустических систем для мониторинга полей скорости звука и температуры в Амурском заливе

наиболее близки к параметрам гидрологической съемки. Таким образом, гидрологические и акустические данные можно сравнивать корректно только в моменты синхронных измерений.

В качестве примера применения акустического метода предлагается вариант размещения гидроакустических систем для мониторинга профилей скорости звука и температуры в Амурском заливе (рис. 5). Система мониторинга включает в себя 8 приемоизлучающих гидроакустических комплексов, которые в режиме реального времени позволяют контролировать пространственное распределение полей скорости звука и температуры, а также изменения уровня моря на площади свыше 300 км2.

Заключение

Предложена схема тестирования в натурных условиях акустического метода измерений и мониторинга распределений скорости звука и температуры по глубине в условиях мелководных акваторий. В качестве опорных профилей среды при тестировании используются усредненные по трассе измерений вертикальные распределения скорости звука и температуры по глубине, полученные по результатам гидрологических промеров CTD-зондом. «Прецизионность» акустических измерений оценивается путем расчета максимальных значений дисперсии, стандартных отклонений и коэффициентов вариации для вертикальных профилей температуры и скорости звука, измеренных акустическим методом, по отношению к опорным профилям. Оценка «правильности» измерений выполняется по коэффициентам корреляции данных акустических и гидрологических измерений вертикальных профилей параметров водной среды и зависимостей параметров среды от времени на заданных горизонтах. Корректность результатов тестирования зависит от синхронности по времени акустических и гидрологических измерений и частоты выборок при проведении измерений каждым методом. Частотный диапазон достоверности результатов измерений не может превышать минимальную частоту измерений для обоих методов.

Разработанный акустический способ обеспечивает дистанционный мониторинг гидрофизических полей в мелководных акваториях, позволяя получать оперативную информацию без использования судов и проведения дорогостоящих гидрологических съемок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гидроакустический комплекс для дистанционного мониторинга гидрофизических параметров в мелководных акваториях: пат. 115929 U1 Российская Федерация / В.В. Безответных, Е.А. Войтенко, Ю.Н. Моргунов, Ю.А. Половинка, А.А Тагильцев; ТОИ ДВО РАН. - Заявл. 10.01.2012; опубл. 10.05.2012. БИПМ. № 13.

2. Гончаров В.В., Иванов В.Н., Кочетов О.Ю., Курьянов Б.Ф., Серебряный А.Н. Акустическая томография на шельфе Черного моря // Акуст. журн. 2012. Т. 58, № 5. С. 614-622.

3. Метод мониторинга вертикального распределения скорости звука в условиях мелководных акваторий: пат. 2477498 C1 Российская Федерация / Ю.А. Половинка; ТОИ ДВО РАН. Заявл. 25.11.2011; опубл. 10.03.2013. БИПМ. № 7.

4. Половинка Ю.А., Азаров А.А., Лебедев М.С. Гидроакустический комплекс и методика измерений гидрофизических параметров среды в мелководных акваториях // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 1. С. 103-109.

5. Acoustic Sensing Techniques for the Shallow Water Environment: Inversion Methods and Experiments. 2-nd Workshop. 28-30 June 2004. Ischia, Italy / ed. by A. Caiti, N.R. Chapman, J.-P. Hermand, S.M. Jesus. Springer, 2006. 332 p.

6. Jesus S.M., Soares C., Onofre J., Picco P. An experimental demonstration of blind ocean acoustic tomography // J. Acoust. Soc. Am. 2006. Vol. 119 (3). P. 1420-1431.

7. Mackenzie K.V. Nine-term Equation for Sound Speed in the Oceans // J. Acoust. Soc. Am. 1981. Vol. 70. P. 807-812.