К вопросу возможности применения просветных акустических сигналов для обнаружения морских биологических объектов

Известия ТИНРО

2004 Том 136

ПРОМРЫБОЛОВСТВО

УДК 639.2.081.9

П.А.Стародубцев

К ВОПРОСУ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСВЕТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МОРСКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

В связи с обострившейся проблемой обнаружения малошумных с низкой гидролокационной заметностью морских объектов искусственного и биологического происхождения предложено применять низкочастотный просветный метод на протяженных морских акваториях. По своей сути этот метод представляет собой частный случай активной бистатической локации, а именно такой, когда лоцируемые морские объекты располагаются вблизи вертикальной или горизонтальной плоскости, содержащей одностороннюю акустическую трассу источник-приемник. В отличие от существующих методов обнаружения морских биологических объектов, в нем анализируются результаты взаимодействия низкочастотного просветного акустического сигнала с возмущенной областью водной среды, созданной акустико-механическими свойствами искусственных объектов или тел любых организмов, обитающих в водах океана, в результате их массового перемещения в горизонтальной или вертикальной плоскости. Как показала практика проводимых экспериментов с просветным методом, фазовые изменения несущей и ее основных составляющих спектра просветного акустического сигнала содержат в себе основную классификационную (видовую) информацию об обнаруженном морском объекте. Физически это связано с порядком формирования возмущенной области водного пространства, движущимся морским объектом или перемещающимся в горизонтальной или вертикальной плоскости скоплением морских биологических объектов. При этом, как показали численные исследования, разность фаз просветных акустических сигналов, принятых на горизонтально разнесенные приемники, достаточно чувствительна к вариациям скорости звука и плотности среды.

Starodubtsev P.A. On applicability of lightening acoustic signals to finding marine biological objects // Izv. TINRO. — Vol. 136. — P. 339-350.

Within the framework of conversions technologies, new theoretical approaches to solving various tasks of national economy were looked for, including a search and detection of marine biological objects on extended marine areas. The following problems exist of the medium-frequency sonar appliance to this purpose: 1) powerful medium-frequency sonar can cause death of whales , dolphins , porpoises and some other sea mammals (in March 2000, 17 whales and dolphins threw themselves onto the shore of Bahamas Islands because of injuries of their internal organs by sonar acoustic waves of frequency 1.5-5.0 kHz or higher); 2) the medium-frequency acoustic signals are danger for shoals of fish and other marine biological objects and force them to leave their traditional habitat or deviate from their usual migration routes.

The lower frequencies acoustic (lightening) could solve the problems. This technique didn't yet applied directly in Russia or abroad for detection of marine biological objects. However, a feasibility of lightening method in detecting marine biological objects could be estimated only by desultory information about detecting artificial objects. The method is a particular case of active bistatic location, when the object being located is placed near a vertical or horizontal plane containing one-sided acoustic line. Unlike existing methods of detecting marine biological objects, the lightening method analyzes the results of interaction of low-frequency acoustic signal with a water volume disturbed by acoustic and mechanical properties of the underwater object as a result of its shift in a horizontal or vertical plane. In this method, phase changes of the carrier acoustic signal and its main spectral components provide the main classification (specific) information about the detected object. The difference of phases of lightening acoustic signals received by horizontally separated receivers is sensitive enough to variations in sound velocity and water density.

Experimental studies showed that the method does not give yet a 100 % ability to distinguish a weak useful signal about a marine object against hum. Further experimental and theoretical studies of using the lightening method are necessary provided with high-stable acoustic sources for making fine measurements of amplitude-phase and spectral characteristics of signals received at a great distance, which contain comprehensive information about properties of the detected object and propagation channel.

Обнаружение малошумных, с низкой гидролокационной заметностью морских объектов (МО) гидроакустическими или иными техническими средствами является достаточно сложной научной и технической проблемой. В связи с этим еще в 70-80-е гг. прошлого столетия различными специалистами в области подводной гидроакустики было высказано предположение о возможности применения для этого "просветных" гидроакустических методов. Одна из первых в стране университетских кафедр акустики была создана в 1948 г. на радиофизическом факультете Нижегородского университета. С момента организации Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) (1977 г.) гидрофизика и гидроакустика были в ряду приоритетных научных направлений этого института. Большой объем научных исследований был проведен им по низкочастотной акустике и акустической томографии Мирового океана (Касатонов, 1996). При этом было использовано уникальное излучающее оборудование, параметры которого значительно превосходили зарубежные аналоги. В рамках российско-американского проекта, посвященного акустической термометрии океанского климата, проведены уникальные эксперименты по низкочастотному распространению звуковых сигналов на трансарктической трассе длиной 2600 км. Существенные успехи достигнуты в одной из наиболее бурно развивающихся областей акустики — нелинейной акустике. Совместно с сотрудниками Акустического института РАН были получены рекордные дальности по параметрическому излучению звука в натурных условиях; важные результаты по динамике интенсивных внутренних волн, нелинейного взаимодействия поверхностных и внутренних волн; а также построена теория поведения волн цунами в прибрежной зоне.

Обширных научных публикаций по этим разработкам в открытой прессе на тот период не было. И только в настоящее время с появлением в печати воспоминаний о забытых работах аналогичного характера, выполненных В.А.Зверевым и А.И.Калачевым в ИПФ РАН (Стародубцев, Мироненко, 2003а), а также в связи с обострившейся проблемой обнаружения малошумных с низкой гидролокационной заметностью МО актуальность и значимость таких работ снова возросла.

Параллельно в рамках конверсионных технологий неоднократно рассматривался вопрос применения просветного метода для решения различных задач народного хозяйства, в том числе и для поиска и обнаружения морских биологических объектов (МБО) на протяженных морских акваториях.

По данным исследований, проведенных российскими учеными (Шестая науч. конф. ..., 2002), применение сигналов в диапазоне частот от 1,5 до 5,0 кГц и выше опасно для косяков рыбы (КР) и МБО и может привести к существенному изменению биологического равновесия на обширной морской акватории, вплоть до того, что МБО могут покинуть традиционные районы обитания, отклониться от привычных путей миграции.

Комплексным решением данной проблемы может стать применение более низкого диапазона частот с соответствующим просвечиванием водного пространства на предмет обнаружения МО и МБО, но таких исследований для обнаружения МБО ни за рубежом, ни в России не проводилось, поэтому о возможности применения просветных методов для обнаружения МБО можно судить только по отрывочной информации, которая сопутствовала процессу обнаружения искусственных МО. Хотя существуют данные, что японские ученые пытались использовать высокочастотные просветные параметрические сигналы при создании эхолотов для обнаружения КР (Бахарев, 2001).

По своей сути просветные методы представляют собой частный случай активной бистатической локации (АБЛ), а именно такой, когда лоцируемые МО располагаются вблизи вертикальной или горизонтальной плоскости, содержащей акустическую трассу источник—приемник. Принципиальное отличие просвет-ного метода АБЛ от классической АБЛ заключается в том, что полезный, т.е. рассеянный и измененный МО сигнал, подлежащий обнаружению, распространяется практически в той же вертикальной или горизонтальной плоскости, что и зондирующий, и приходит на приемную антенну одновременно с ним, следуя к тому же практически по одним и тем же лучам.

Появилось множество вариантов формирования просветного метода АБЛ и была высказана гипотеза, что в просветном методе значение "силы" МО значительно возрастает по сравнению с режимом АБЛ общего назначения и улучшаются основные характеристики гидролокационной системы: дальность обнаружения МО и вероятность его правильного распознавания.

В процессе теоретической и практической реализации просветного метода произошло его разделение, как системы обнаружения морских объектов, по частоте применяемых просветных сигналов на высоко- и низкочастотные и по технологии комплектования приемными и излучающими приборами. Использование низкого диапазона частот (сотни герц) оказалось достаточно интересным для применения в гидроакустических системах обнаружения морских биологических объектов.

Причина такого жесткого объединения этих понятий (акустико-механичес-ких свойств МБО и низкочастотного просветного метода) заключается в том, что резонансные свойства плавательных пузырей рыб, положенные в основу процесса их обнаружения существующими акустическими средствами, нами далее рассматриваться не будут, потому что частота просветного акустического сигнала во много раз меньше резонансных частот данных объектов.

В просветном методе анализируются результаты взаимодействия низкочастотного просветного акустического сигнала с возмущенной областью (ВО) водной среды, созданной акустико-механическими свойствами искусственных объектов или тел любых организмов, обитающих в водах океана, в результате их массового перемещения в горизонтальной или вертикальной плоскости. Этот процесс в большей или меньшей степени отличается от соответствующих свойств морской воды, что позволяет рассматривать каждый организм как объект, создающий дискретную неоднородность. При этом акустическими неоднородностями являются и их пространственно ограниченные, обычно горизонтально вытянутые, скопления МБО и КС (Андреева, 1964; Андреева и др., 1994).

Низкочастотный параметрический метод обнаружения нелинейной возмущенной области движущегося МО с использованием низкочастотных просвет-

ных акустических сигналов получил название метода нелинейной активно-пассивной гидролокации (Стародубцев, 2003а) и объединяет преимущества шумопе-ленгования и обычной гидролокации. Его основное достоинство относительно классических способов заключается в возможности получения признаков распознавания МО одновременно с обнаружением на больших расстояниях, поскольку в нем применяются низкочастотные (несколько сотен герц) сигналы подсветки среды (Стародубцев, 2003а).

Суть рассматриваемого метода обнаружения искусственных МО основана на модуляции низкочастотных просветных акустических сигналов характерными инфранизкочастотными составляющими движущегося МО при их совместном распространении в среде (Стародубцев, 2003а).

Достаточно большим объемом экспериментальных исследований просвет-ного метода показано, что пространственно развитый МО, КР или гидродинамический след объекта может быть обнаружен и распознан по следующим закономерностям преобразования и искажения просветных сигналов (Стародубцев, Мироненко, 2003б):

— дифракции, рассеяния и расфокусировки сигналов в пространственно развитой области среды, возмущенной МО или МБО;

— параметрическое преобразование просветных сигналов полями объектов различной физической природы (акустическими, гидродинамическими и электромагнитными).

Пояснить физическое содержание постановки задачи наблюдения МО в режиме такого просветного метода АБЛ поможет один из вариантов, предложенный в Институте общей физики РАН (Бородин, 2002).

Рассмотрим реальный случайный океанический волновод, в котором флюктуации сигналов обусловлены относительно "медленными" фоновыми флюкту-ациями океанической среды. В этом случае функция Грина в отсутствие МО будет " медленно" зависеть от времени, помимо обычной зависимости от задержки, так что можно ввести ее мгновенный спектр й0(г, г'; ю, t).

В предположении, что интервал корреляции помехи гораздо меньше времени стационарности волновода, помеха также будет квазистационарна в том смысле, что ее спектральная плотность будет "медленно" зависеть от времени: Кы(ю, ^ (Бородин, 2002).

Когда же в волноводе присутствует локализованный МО, связанная с наличием объекта функция Грина изменяется, но по-прежнему является "медленно" зависящей от времени: й1(г, г'; ю, t) (Бородин, 2002). В принципе, может измениться и спектральная плотность помехи за счет влияния неоднородности на некоторые из ее компонент, но этим влиянием можно пренебречь ввиду гораздо большей временной и пространственной однородности источников помех по сравнению с источником подсветки. Таким образом, функции Оа и могут рассматриваться как реализации, принадлежащие двум стохастическим ансамблям с различными статистическими свойствами, и можно синтезировать алгоритмы обработки принятых сигналов, использующие это различие.

Поскольку просветный метод АБЛ есть частный случай АБЛ, задачу наблюдения МО в этом частном случае можно сформулировать с использованием классического для АБЛ понятия эхо-сигнала. МО рассматривается как вторичный источник рассеянных (отраженных) сигналов, которые необходимо обнаружить, по их параметрам определить положение и тип источника и, таким образом, решить три основные задачи — обнаружение, локализацию и распознавание МО. Их решение зависит от параметров излученных источником просветных акустических сигналов; положения МО относительно источника "подсветки" и принимающей антенны; условий распространения просветного акустического сигнала; от рассеивающих и отражающих свойств возмущенной области (ВО) МО, характеризующих физическое понятие "сила объекта".

Увеличение силы объекта в просветном методе АБЛ может быть объяснено тем, что индикатриса рассеяния на теле "сильно вытянута" в горизонтальной плоскости в направлении распространения падающей волны. Классическая схема АБЛ для обнаружения МО также представлена на рис. 1 (Бородин, 2002).

Рис. 1. Схемы просветного метода АБЛ и классическая схема АБЛ

Fig. 1. Schemes of the lightening method ABL and ABL

Просветные акустические сигналы, излучаемые расположенной в точке Изл. антенной, принимаются приемной антенной в точке Пр. В точке h находится рассеивающий объект, с которым взаимодействует поле подсветки. Дифракционные (рассеянные) сигналы, возникшие в результате этого взаимодействия, также регистрируются приемной антенной. При этом за счет разности времени распространения сигналов по трассам "излучатель—приемник" и "излучатель—объект— приемник", обусловленной в первую очередь ненулевым углом между направлениями на источник и на объект, производится временная селекция сигналов на "прямые" от источника подсветки и запаздывающие относительно них "рассеянные" целью (эхо-сигналы).

На рис. 2 (а) схематически приведена временная структура принимаемого сигнала (время прихода лучей или мод) классической АБЛ и поясняется, как производится временная селекция. Задача обрабатывающей системы заключается в обнаружении полезного сигнала на фоне помех различной природы: шумов моря, реверберации, собственных шумов аппаратуры.

J

Л

Г лучи сгг

ПРЯМОГО ПОЧ* эм-енгНАЛА

я учи ОТ лучн ОТ

Прямого ЛОЛ1

Рис. 2. Временная структура сигналов классической АБЛ

Fig. 2. Temporary structure of signals in ABL

В режиме просветного метода АБЛ, по определению, отсутствует возможность производить временную селекцию сигнала (рис. 2, б). Несмотря на то что из-за рассеяния на возмущенной области морского объекта и сопутствующих воз-

мущениях среды в приемнике могут возникнуть новые лучи (или возбудиться слабо возбуждаемые источником подсветки моды), время их приходов будет попадать в то же временное окно, что и время прихода лучей прямого поля, поэтому "грубая" временная селекция по принципу классической АБЛ оказывается невозможной.

В ряде работ (Стародубцев, 2003б, в) предложены и рассмотрены принципы работы систем наблюдения, основанные на использовании просветного метода АБЛ. Предлагавшиеся при этом методы решения задачи обнаружения в основном основывались на предположении, что спектральная плотность ансамбля в некотором частотном диапазоне (выше некоторой частоты) превосходит спектральную плотность ансамбля (Бородин, 2002). При таком подходе можно говорить о появлении дополнительной "модуляции" поля подсветки, наблюдающейся в данном частотном диапазоне, и ее обнаружении.

Глубина модуляция просветных акустических сигналов нелинейными областями МО или характерными дискретными составляющими их акустических полей определяется по упрощенной формуле (Стародубцев, 2003г):

Р(г,в)=Р0 ^ щ

t —

с

V

+ 008

о У

t —

с

V

о У

+ (1 - 008 в) я .

индекс ее фазовой модуляции:

81П

(е-1 + соъв)  Рса0 Ь ' 2рп (с0 )3

Я —

я—

где Ро — давление, созданное просветным акустическим сигналом; Рс — давление, создаваемое акустическими и другими сигналами нелинейной области МО или характерными дискретными составляющими их акустических полей; тд — частота несущей низкочастотного просветного акустического сигнала; 1Л — длина волны акустических сигналов нелинейной области МО или характерных дискретных составляющих их акустических полей; Ь — протяженность пути взаимодействия просветного акустического сигнала и акустических сигналов нелинейной области МО или характерных дискретных составляющих их акустических полей; со — скорость звука на горизонте взаимодействия просветного акустического сигнала и акустических сигналов нелинейной области МО или характерных дискретных составляющих их акустических полей; го — плотность воды в зоне взаимодействия просветного акустического сигнала и акустических сигналов нелинейной области МО или характерных дискретных составляющих их акустических полей; q — угол взаимодействия между направлением перемещения просветного акустического сигнала и направлением акустических сигналов нелинейной области МО или характерных дискретных составляющих их акустических полей; е — параметр нелинейности среды, для морской воды равен 3,5 (для кильватерного следа МО и скоплений МБО может достигать величин 10...15).

Существует два направления объяснения физического явления дополнительной модуляции просветных акустических сигналов (Стародубцев, 2003г):

— данная модуляция может быть интерпретирована как результат интерференции прямого и рассеянного полей просветных акустических сигналов на приемной антенне;

— данная модуляция является результатом взаимодействия низкочастотных просветных акустических сигналов с некоторыми составляющими ВО МО.

*

Проблема в обоих случаях заключается в выделении "полезной" модуляции на фоне естественной, связанной с флюктуациями среды распространения просветного акустического сигнала.

Проведенные до настоящего времени экспериментальные исследования (Стародубцев, 20036, в) приоритет отдают второму направлению и позволяют с определенной долей уверенности сделать вывод о существовании этого физического явления, а также опытным путем определить некоторые его характеристики, свойства и особенности такой модуляции. Как показала практика проводимых экспериментов с просветным методом, фаза более устойчива к среде распространения гидроакустического сигнала, поэтому излучаемые низкочастотные просветные акустические сигналы в основном были представлены фазомодулированными сигналами (ФМ) (Стародубцев, 2003а-в):

ЦфМ

m = Aœ/Q,

где m — индекс фазовой модуляции, представляющий собой девиацию фазы сигнала, выраженную в радианах.

При m << 1 в спектре сигнала с такой модуляцией содержатся несущее колебание и две боковые составляющие (верхняя и нижняя) на частотах œ0 + Q и œ0 - Q. Индекс m играет здесь такую же роль, как коэффициент амплитудной модуляции М. Спектр ФМ в общем случае содержит бесконечное число составляющих, частоты которых равны œ0 ± kQ. Таким образом, при прочих равных условиях спектр колебания со сложной угловой модуляцией гораздо богаче спектра аналогичного амплитудно-модулированного или частотно-модулированного сигнала. Оценку помехоустойчивости таких сигналов и соответственно всего метода гидролокации на просвет мы не рассматриваем ввиду другого направления наших рассуждений.

С 1986 г. и по настоящее время полномасштабные исследования применения просветных сигналов можно провести только на базе Сахалинского конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН, которое имеет в своём распоряжении единственную на Дальнем Востоке стационарную гидроакустическую трассу о. Сахалин (приёмный стационар) — о. Итуруп (излучающий стационар). За время эксплуатации на этой трассе проведено большое количество экспериментов (Стародубцев, 2003г), в том числе с привлечением зарубежных участников (Science Applications International Corporation). Имеющийся банк экспериментальных данных по применению различных станций и возможность осуществления новых необходимых морских экспериментов позволяют ставить весьма широкий круг задач в области фундаментальных и прикладных научных исследований (Стародубцев, 2003г), особенно в вопросах современного морского приборостроения.

С помощью двух кабельных донных станций на такой трассе осуществлялся прием низкочастотного просветного акустического сигнала. Так как специальных экспериментов по обнаружению МБО не производилось, то весь процесс дальнейшего анализа полученных данных проходил на фоне обнаружения МО искусственного происхождения. Результаты обнаружения скопления МБО, полученные во время такого эксперимента, представлены на рис. 3. Видовой классификации данного скопления не производилось, но есть предположение, что это были анчоусы.

Записанные на специальный носитель сигналы пропускались через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С выхода АЦП снимались квадратурные компоненты исследуемого низкочастотного сигнала. Модуль и фаза введенного сигнала определялись по формулам:

Z2(t) = Im2Z(t) + Re2(t),

<f

Рис. 3. Флюктуации фазы про-светных акустических сигналов

Fig. 3. Phase fluctuation of lightening acoustic signals

Фаза, определяемая с помощью ПЭВМ по формуле (5), давала только главные значения тангенсов, т.е. она определена в области ± р/2, а на границе этой области терпит разрыв.

При анализе полученных расчетов фазы выявлена очень интересная особенность. Численные значения фазы несущей и ее составляющих низкочастотных сигналов, приходящих на дальнюю по расстоянию базу от излучателя, больше, чем на ближнюю, с момента входа МО в сектор облучения и до момента пересечения им осевой линии исследуемой протяженной акватории. Затем этот процесс меняет свой знак на противоположный (Стародубцев, 2003г). Если рассчитать разницу фаз несущей и ее составляющих низкочастотных сигналов с двух кабельных донных станций, то получается трехмерный график с элементами частотно-фазовой обработки принятого комбинационного сигнала. Совсем неустойчивая картина при формировании такого графика наблюдается при обнаружении скоплений МБО, что является отличительным признаком этих объектов. В таком реконструированном образе МБО практически отсутствует пик графика (рис. 4) и пределы колебаний разности фаз составляют (0,01...0,1)рад.

Рис. 4. Реконструируемый образ скоплений МБО по значениям разности фаз несущей и ее составляющих низкочастотного сигнала, принятого на две кабельные донные станции

Fig. 4. Biological objects reconstructed on the base of phase difference of the carrier low-frequency signal and its components received by two cable ground stations

Исходя из этого был сделан вывод, что обнаружение и распознавание МБО лучше производить по спектрограмме, представленной на рис. 3, хотя она тоже неустойчива. В отличие от процесса обнаружения искусственного МО, модулирующим сигналом, несущим информацию о МБО, является сам низкочастотный просветный акустический сигнал (Стародубцев, 2003г).

После детального изучения этого процесса появились и некоторые теоретические доказательства, полученные путем численного моделирования. Они связаны с порядком формирования возмущенной области водного пространства, движущимся МО и соответственно перемещающимся в горизонтальной или вертикальной плоскости МБО.

Для проведения численного моделирования было взято математическое выражение, описывающее накапливающий процесс с расстоянием взаимодействия комбинационных сферических волн, рассеянных отдельными элементами возмущенной области, сформированной МБО, на частоте просветного акустического сигнала (Стародубцев, 2003г). Такое взаимодействие акустических волн имеет ярко выраженную направленность вдоль распространения квазиплоской низкочастотной волны от излучателя к приемнику (см. рис. 1).

Моделировалось распространение низкочастотных монохроматических акустических волн между единичным трансивером и находящейся от него на расстоянии 300 км приблизительно горизонтальной антенной трансиверов (Стародубцев, 2003д). Частота низкочастотного акустического сигнала равна 400 Гц. Глубина моря была принята равной 1400 м вдоль всей трассы распространения. Единичный трансивер был расположен в 350 м над дном. Рассматривались антенны с различным числом элементов, глубиной их положения и шагом между ними. Вертикальные профили скорости звука были типичными для рассматриваемых районов Охотского моря в летний период.

В случае монодисперсного распределения рассеивателей в среде осуществляется когерентное сложение акустического поля комбинационных частот в точке нахождения приемника и получается приближенное выражение для пространственного распределения его давления по фигуре гидроакустической модели возмущенной области МО:

4Р, (—)|2 ¿в*

£

2

Уги V р0 Со )

с 1

2

•((о • 4 )2

)

р0д?0 *2ко Здс

х

2

х

п

2 К • 8т — 0 2

1

2а

— >

— <

а

К

а

К

йУ,

где I — расстояние между ВО МО и приёмной системой; й^* = ыщйцй/ — телесный угол; ц, / — сферические координаты (— = ^ао/К0; / = 0 - 900); ао — коэффициент пространственного затухания на частоте просветного акустического сигнала; п — количество рассеивателей в единице объема среды; го — плотность воды или смеси воды с воздухом; гсо — удельное акустическое сопротивление воды, со — скорость звука в морской среде; Ко — волновое число для низких частот просветного акустического сигнала; # — размеры различных рассеивателей; Ьо, Ьс — длины зон Фраунгофера для частот просветного акустического сигнала и акустических сигналов; цс = 1 - (Ко/3)шс2№(1 + 1й) — пространственный множитель нелинейной области МО или характерных дискретных составляющих их акустических полей; й — постоянная пространственного затухания сферических волн.

Гидроакустическая модель ВО МО в вертикальной и горизонтальной плоскостях при проведении расчетов упрощенно представлялась двумя усеченными

конусами и цилиндром (V = ((Н - h.) • - г.)2)/3; V = пЯ 2 • Н ;

V = ^ +v ) ускон 1 1 цил ц ц

ГМ ус.кон цил

Пределы интегрирования в вертикальной плоскости определены полуокружностью кг. с шагом отсчета угла в; г = Я - г • 1£(Н/(Я - г.)) — для

первого конуса, г = 0,1,2.....Н; г. = г. + г • tg(H/(R - г.)) — для второго

конуса; г. = г. — для цилиндра.

Интеграл берется по всему объему взаимодействия просветного акустического сигнала и ВО МО. Вычисление легко выполняется в простейших случаях взаимодействия плоской и сферически расходящейся волны ВО и плоской волны просветного акустического сигнала и затруднительно в других ситуациях. При вычислении (6) сначала интегрирование проводится по сечению "Б" перпендикулярно оси пучка просветного акустического сигнала, затем по координате "х" вдоль оси перемещения МО.

Г

Интеграл квадрата давления комбинационных частот ( ——^) в пределах

йО*

телесного угла от 0,2 до 2,130, изменения расстояния от МО до цепочки горизонтальных приемников от 50 до 58 км, составляет 1,36(Па2/град).

Графически результаты расчетов в одной плоскости сечения, в вышеуказанных пределах изменения телесного угла, представлены на рис. 5. На рис. 6 показана зависимость изменения разности фаз комбинационных частот от величины базы взаимодействия просветного акустического сигнала с сигналами ВО МО.

Краткий анализ данных, приведенных на рис. 5 и 6, демонстрирует, что максимальная величина давления и изменения фазы комбинационных частот наблюдается на границе взаимодействия просветного акустического сигнала с сигналами ВО МО. Э то может объясняться тем, что в таких граничных областях максимально могут проявляться акустико-механические воздействия всей физической массы перемещающихся МО (МБО) на водную среду.

Рис. 5. Зависимость квадрата звукового давления комбинационных частот от расстояния до приемной системы

Fig. 5. Dependence of the square of sound pressure of combinational frequencies on the distance to reception system

Рис. 6. Зависимость изменения фазы комбинационных частот от величины базы приемного устройства Fig. 6. Dependence of the phase of combinational frequencies on the size of the reception device base

Конечно, такое физическое поле в океане намного сложнее, чем в этой идеализированной задаче. Однако численные исследования подтвердили, что разность фаз просветных акустических сигналов, принятых на горизонтально-разнесенные приемники, достаточна чувствительна к вариациям скорости звука и плотности среды.

Кроме того, в отличие от квадрата звукового давления, фаза чувствительна к модуляциям основных спектральных составляющих просветного сигнала и достаточно помехоустойчива.

Заключение

Оценивая имеющиеся на данный момент экспериментальные результаты (Стародубцев, 2003д) — ожидаемый коэффициент модуляции просветного сигнала с коэффициентом фоновой вариации помех, — можно заключить, что метод не дает 100 %-ной возможности выделить столь слабый полезный сигнал на фоне помех. Сам подход к решению поставленных задач и порядок его исполнения достаточно сомнительны, хотя полученные экспериментально (Стародубцев, 2003д) величина коэффициента вариации (модуляции) при движении МО, частотный диапазон модулирующего сигнала, размер пространственной области модуляции удовлетворительно совпадают с результатами расчета соответствующих величин по предложенной Акустическим институтом РАН методике.

Это в первую очередь связано с тем, что нет точных теоретических и соответственно практических результатов воздействия акустико-механических свойств МО (МБО) на водную среду и низкочастотный просветный акустический сигнал, что требует дальнейших экспериментальных и теоретических изысканий в данной области современной низкочастотной гидроакустики.

А во-вторых, при проведении испытаний использовались сигналы с достаточно низкой стабильностью излучаемых сигналов. Применение высокостабильных источников позволяет проводить достаточно тонкие измерения амплитудно-фазовых и спектральных характеристик принимаемых на большом удалении сигналов, в которых содержится вся информация о свойствах канала распространения и обследуемого объекта.

Литература

Андреева И.Б. О рассеянии звука газовыми пузырями рыб в глубоководных звукорассеивающих слоях океана // Акустический журн. — 1964. — Т. 10, № 1. — С. 20-24.

Андреева И.Б. и др. Акустические свойства плотных скоплений пелагических животных в океане // Акустический журн. — 1994. — Т. 40, № 1. — С. 9-16.

Бахарев С.А. Обеспечение сохранности орудий лова в ледовых условиях // Мат-лы конф. "Проблемы сохранения биологических ресурсов Берингова моря". — Петропавловск-Камчатский, 2001.

Бородин В.В. Разработка макетов и алгоритмов обработки сигналов в просвет-ном режиме гидролокации на вертикальных антеннах // Отчет о НИР "Самолов-В"; этап 1 МНЦ волновых исследований / ИОФ РАН, 2002. — С. 3-8.

Касатонов И.В. Три века Российского флота. 1696-1996. — М.: Воениздат, 1996. — Т. 3. — 397 с.

Стародубцев П.А. Измерительная система контроля морских акваторий на основе низкочастотной гидроакустической томографии // Инновации. — 2003а. — № 1. — С. 89-91.

Стародубцев П.А. Измерительные технологии акустического просветного метода гидролокации в решении задач мониторинга и освоения запасов морских акваторий // Инновации в рыбопереработке: Сб. докл. регион. науч. конф. — Владивосток: Даль-невост. инновац. агентство, Дальневост. гос. академия экономики и управления, Администрация Приморского края, 2003б. — С. 15-22.

Стародубцев П.А. Низкочастотный просветный метод в решении задач освоения биологических запасов и мониторинга морских акваторий // Проблемы транспорта Дальнего Востока: Сб. материалов 5-й Междунар. науч.-практ. конф. — Владивосток: Дальне-вост. отд. Российской академии транспорта, администрация Приморского края, Морской государственный университет им. адм. Г.И.Невельского, 2003в. — С. 78-80.

Стародубцев П.А. Теоретические и экспериментальные исследования возможности применения просветных сигналов в гидроакустической томографии. — Владивосток: Дальнаука, 2003г. — 260 с.

Стародубцев П.А. Теоретические и экспериментальные исследования возможности применения просветных сигналов в гидроакустической томографии / Морской гос. ун-т им. адм. Г.И.Невельского. — Владивосток, 2003д. — 263 с. — Деп. в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, № 3899.

Стародубцев П.А., Мироненко М.В. Исторический процесс теоретического становления метода гидролокации на просвет на Дальнем Востоке // История науки и техники. — 2003а. — № 5. — С. 9-14.

Стародубцев П.А., Мироненко М.В. Метод низкочастотной гидроакустической томографии и измерительная система контроля морских акваторий // Вест. Оренбург. гос. ун-та. Сер. Естеств. науки. — 20036. — № 2. — С. 69-73.

Шестая научная конференция п о радиофизике, посвященная 100-летию М.Т.Греховой: Тр. Нижегород. акуст. науч. сессии, раздел "Акустика океана". — Нижний Новгород: ННГУ, 2002. — 102 с.

Поступила в редакцию 20.10.03 г.