Тестовый эксперимент с аппаратно-программным комплексом для дистанционного акустического мониторинга течений в мелком море

Вестник ДВО РАН. 2013. № 6

УДК 534.21 Д.С. СТРОБЫКИН

Тестовый эксперимент с аппаратно-программным комплексом для дистанционного акустического мониторинга течений в мелком море

На основе разработанного в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичёва ДВО РАН акустического аппаратно-программного комплекса проведен тестовый эксперимент по исследованию возможностей акустического мониторинга течений и используемой аппаратуры в условиях очень мелкого моря (бухта Витязь, Японское море). Эксперимент показал стабильность работы комплекса, уверенное детектирование зондирующих сигналов в условиях сильных помех судоходства, малой протяженности акустической трассы и небольших глубин. Относительная устойчивость импульсных характеристик канала и малое количество ложных определений времени распространения сигнала позволяет рассчитывать на успешное применение данного метода и аппаратуры с учетом коррекции частоты дискретизации и длины трассы.

Ключевые слова: акустика, встречное зондирование, течение, мониторинг, сложные сигналы, очень мелкое море.

Test experiment of hardware-software system for remote acoustic monitoring of currents in shallow water. D.S. STROBYKIN (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

On the basis of acoustic hardware-software system that was developed in V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences carried out a test experiment for study of possibilities of acoustic monitoring of currents and the equipment used in very shallow water conditions (Vityaz Bay, the Sea of Japan). The test experiment showed stable work of the system, reliable detection of the sounding signals in conditions of high noise caused by shipping, short length of acoustic propagation path and small depths. Relative stability of the acoustic channel response functions and small amount of false determination of signal travel time allows us to count on successful application of this method and equipment allowing for corrections of discretization frequency and acoustic path length.

Key words: acoustic, reciprocal sounding, current, monitoring, complex signals, very shallow water.

Гавани, эстуарии и заливы играют важную роль в жизнедеятельности человека, в то же время с океанографической и физической точек зрения это очень сложные для исследования объекты. Далеко не всегда условия среды на акваториях такого типа являются благоприятными для проведения физических экспериментов. Осуществление эффективного мониторинга водной среды имеет ряд прикладных применений: морские океанографические исследования, морские транспортные и пассажирские перевозки, прибрежное освоение биологических и минеральных ресурсов, оборонные задачи. В последнее время все больший интерес вызывают исследования с помощью акустического зондирования морской среды в условиях очень мелкого моря [2, 5-7, 9, 10]. Характерными особенностями таких районов являются глубины до 30 м, значительная изменчивость полей температуры и течений и высокий уровень помех, связанный с активным судоходством в прибрежных районах [11, 12].

СТРОБЫКИН Дмитрий Сергеевич - научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). E-mail: strobykin.dmitr@yandex.ru

Работа выполнена при частичной поддержке гранта ДВО РАН № 13-Ш-В-07-139.

Так как электромагнитные волны не могут распространяться на большие расстояния в водной среде, акустический подводный мониторинг является основной технологией для удовлетворения возрастающего спроса на подобного рода измерения. Однако это достаточно сложная задача по причине уникальных характеристик звукового канала, таких как затухание, сильная многолучевость и рефракция. Попытки адаптирования методов мониторинга, разработанных для других типов сред, привели к успешному их применению в глубоководных бассейнах. Вместе с тем достижения, полученные для мелководных акваторий, довольно скромны. Мелководный акустический канал обладает двумя основными особенностями: быстроменяющимися траекториями распространения акустической энергии и высокими уровнями негауссовского шума окружающей среды, связанного с активным судоходством. Оба этих фактора ухудшают эффективность методов стандартного акустического мониторинга.

Поэтому для осуществления мониторинга параметров среды мелководного бассейна требуется создание специальных аппаратных средств и методов обработки сигналов. Эти комплексы должны охватывать весь спектр динамических процессов, происходящих на шельфе. Под динамическими процессами в данном случае подразумеваются: приливные колебания уровня моря, приливные и непериодические течения, нагонные явления и штормовое волнение. Приборы, производимые на мировом рынке (например, ADP - Acoustic Doppler Profiler и ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler), позволяют измерять течения только в точке постановки данных систем, не давая картины по трассе или акватории в целом, хотя зачастую эта информация представляет наибольший практический интерес. Кроме того, при отсутствии объемного рассеяния от взвешенных частиц в среде, другими словами, при «слишком чистой воде», данные приборы могут давать ошибочные результаты [2]. Стоит упомянуть и их высокую стоимость.

Существуют более дешевые варианты - механические вертушечные измерители течения. Они в свою очередь дают информацию о скорости и направлении движения водных масс в локальной точке и только на горизонте их расположения. Также имеется возможность расположения развернутой по вертикали системы из вертушечных измерителей течений, где на каждом выбранном горизонте будет располагаться измеритель, но такие системы сложны в постановке и эксплуатации.

Основным недостатком названных приборов является тот факт, что при исследовании больших акваторий со сложной динамикой вод требуется большое их количество для получения объективной картины на всей площади морской гавани.

Опыт экспериментальных работ и технических разработок ТОИ ДВО РАН в области прикладной гидроакустики показывает, что упомянутые выше исследования и измерения в морских гаванях могут быть осуществлены акустическими методами и средствами.

Мотивацией для проведения данной работы послужил цикл экспериментов, где использованы схожие с применяемыми нами методы, частоты и аппаратура, но уже в условиях очень мелкого моря [1, 4, 7, 9, 10]. Так, в месте проведения исследований японскими учеными - гавань Хаширимизу (Hashirimizu) - средняя глубина составляет около 4 м, что можно классифицировать как «условия очень мелкого моря» [7, 9]. Гавань обращена в сторону входа в Токийский залив. Трансиверы (обратимые акустические преобразователи, выполняющие функцию как приемников, так и излучателей звука) были расположены возле жестких стен причалов на противоположных берегах гавани. Их устанавливали стационарно в 1 м от дна на расстоянии 120 м друг от друга. Примерно в центре акустической трассы на дно был помещен ADCP. С временным разнесением в 30 с излучались сигналы в прямом и обратном направлениях. Период повторения излучения в зависимости от проводимого эксперимента составлял 1 мин [7] и 5 мин [9]. Передавались фазоманипулированные сигналы, М-последовательности с несущей частотой 5,0 кГц [7] и 12,5 кГц [9]. Для синхронизации систем излучения использовали метки, генерируемые системой GPS, - один импульс в секунду с точностью ±2 • 10-7 с. Время распространения

акустического сигнала определяли при помощи корреляционной функции между излученным и принятым сигналами. По корреляционным пикам с максимальной амплитудой для сигналов, излученных во встречном направлении, вычисляли разницу во времени распространения и, в последующем, скорость течения [9]. Гидрологический режим характеризовался сильным отрицательным градиентом скорости звука, полусуточным неправильным приливом, высота которого достигала 2,2 м. Во время прилива температура воды в месте расположения излучателей падает, при отливе возрастает.

Результаты, приведенные в работе [7], показывают сильную зависимость времени приходов акустической энергии от фазы прилива, что вполне закономерно. Но времена приходов находятся в противофазе с изменением уровня прилива, что при уменьшении температуры во время прилива и увеличении глубины волновода на 1-2,2 м (при средней глубине гавани 4 м) должно, напротив, приводить к увеличению времени распространения. По-видимому, интерпретация результатов авторами работы [7] связана с тем, что время распространения сигнала определялось по максимальному значению функции корреляции, а это при заходе, например, придонной холодной воды во время прилива может привести к сильному изменению профиля скорости звука и, как следствие, «перекачке» основной энергии сигнала в канал распространения, отличный от взятого за опорный [1, 4]. Результаты, приведенные в работе [9], характеризуются очень большим разбросом скоростей течений, полученных с использованием метода встречного зондирования (от - 500 до 500 см/с) и измеренных ADP (от -15 до 20 см/с). Скорее всего, это связано с неустойчивостью, сильной изменчивостью и чрезвычайной сложностью структуры импульсных приходов, близостью расположения трансиверов к жестким стенам пирсов, что приводит к множественным переотражениям, с необходимостью доработки алгоритма детектирования пиков корреляционной функции (что и отмечают авторы работы [9]), с проблемами и недостаточной точностью при синхронизации только от GPS [3]. Учитывая данные, полученные авторами работ [7, 9], представляется целесообразным провести тестирование используемых нами систем [1, 4], сигналов, аппаратуры и методов обработки в условиях малых глубин (4-12 м) на шельфе Японского моря.

Ниже представлены результаты исследования поля течений методом встречного зондирования в бухте Витязь (шельфовая зона Японского моря), полученные в сентябре 2012 г. в районе расположения акустико-гидрофизического полигона Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВО РАН.

Цель работы - исследование возможностей акустического мониторинга и используемой аппаратуры в условиях очень мелкого моря, где существенную роль играют донно-поверх-ностные отражения и, в отличие от глубокого моря, наблюдается значительная временная нестабильность сигналов.

В качестве зондирующих сигналов применяли сложные фазоманипулированные сигналы с несущей частотой 6 кГц на трассе протяженностью 152 м, при этом использовали 255-символьные М-последовательности с длиной символа в 4 периода несущей частоты (рис. 1). В данном случае применены пьезокерамические трансиверы, установленные стационарно вблизи дна на глубинах 4 м (трансивер N° 1) и 12 м (трансивер N° 2), соединенные кабельными линиями с береговой лабораторией.

В точке расположения трансивера . 2 в ходе исследований с моторной лодки проводили ежечасные измерения вертикальных профилей температуры и солености морской воды с помощью СТД-зонда. Встречное излучение сигналов осуществляли каждые 30 с в течение 24 ч, временное разнесение между зондированием в прямом и обратном направлениях - 5 с. Принятые сигналы от обоих трансиверов передавали на береговой пост по кабелю, где производилась запись сигналов с частотой выборок 48 кГц. Синхронизация излучения обеспечивалась системой единого времени, основанной на прецизионном термостатированном генераторе с относительной нестабильностью 10-8 с. На время проведения эксперимента примерно в центре акустической трассы на дно был установлен ADP

Береговая

лаборатория Могорная лодка

Рис. 1. Схема эксперимента по встречному зондированию

Время распространения, с Время распространения, с

Рис. 3. Импульсные характеристики волновода, полученные за весь период эксперимента. Распространение акустического сигнала от трансивера № 1 к трансиверу № 2 (а) и в обратном направлении (б). Амплитуда сигнала представлена градацией серого, вверху - нормированный по амплитуде импульсный отклик среды на момент начала эксперимента

в автономном режиме для измерения скоростей течений (рис. 2). Эти данные использовали для сравнения результатов независимых методов измерения скоростей течений. Для получения временных откликов среды при обработке записанных сигналов проводили полосовую фильтрацию и вычисление функций корреляции принятых сигналов с репликами излученных. Полученные таким образом импульсные характеристики волновода (рис. 3) использовались для расчета проекций течений на звуковую трассу вдоль различных лучей и восстановления величины и направления горизонтальных течений.

Гидрологические условия во время проведения эксперимента характеризовались практически однородным распределением параметров от поверхности до дна (максимальная разность температуры и скорости звука в профиле составила 2,3 м/с и 1°С, средняя разность за весь эксперимент 0,8 м/с и 0,3°С, средняя температура 19,8°С), что и отразилось на профилях скорости звука (рис. 4). Все это также нашло отражение в характере распределения энергии в акустических приходах и на пути распространения сигналов. Так, максимальный по амплитуде первый приход образован группой лучей, распространяющихся с одним отражением от поверхности. Сравнение двух зависимостей (см. рис. 3) показывает, что основные закономерности формирования структуры акустического поля при распространении акустического сигнала по течению и против него идентичны, т.е. соблюдается принцип взаимности.

При встречном зондировании измеряются времена приходов п-й группы лучей t- и t +, соответствующие распространению акустических сигналов против потока и вдоль него. Далее находится сумма времен прихода = t + + t- и их разность At = t - ^ + и определяются компоненты скорости потока Уп = At • с 2 / 2г в направлении трассы длиной г, связанные с п-й группой лучей и скоростью распространения этой группы с = 2г / 5.

Расчет скорости и направления течения проведен для первого и четвертого приходов, так как они имеют хорошее превышение над помехой и стабильны во времени. Оба они распространяются по всей водной толще и различаются количеством отражений от дна и поверхности.

Ввиду большего количества отражений и, соответственно, большего пройденного пути четвертый приход сильнее подвержен влиянию состояния поверхности моря и особенностей рельефа дна. Колебания уровня моря характеризовались неправильным полусуточным типом приливов с максимальным перепадом уровня, во время проведения эксперимента достигающим 35 см (рис. 5).

При сопоставлении результатов измерения скоростей течений независимыми методами стоит учитывать тот факт, что скорости и направления течений в точке и интегральные по трассе, даже при ее малой длине (152 м), могут различаться. Кроме того, здесь сказываются перепад глубин расположения трансиверов (от 4 до 12 м), особенности топографии дна, наличие внутренних волн, о чем свидетельствуют резкие перепады температуры в придонном слое в точке расположения ЛОР с 03:30 до 08:00, а также наличие регулярно генерируемых вихревых структур между о-вом Таранцева и мысом Шульца (по всей видимости, связанных с взаимодействием приливного течения и подводного углубления в бухте Витязь [8]). Следует отметить и недостаточную точность определения скоростей течений, что в первую очередь связано с недостаточной частотой дискретизации сигнала 48 кГц, которую на момент проведения эксперимента не представлялось возможным сделать выше ввиду технических ограничений записывающей аппаратуры.

Оценки показали, что погрешность определения скоростей течений акустическим методом составляет 5-7 см/с. Это почти совпадает с погрешностями ЛОР, если сравнивать отклонения скоростей течений от средних взвешенных линий (рис. 5в). Для полученных в данном эксперименте величин инструментальная погрешность по паспортным данным ЛОР составляет 10%.

Отметим, что в данном эксперименте не наблюдается связи между измерениями течений, выполненными двумя независимыми методами, с колебаниями уровня моря,

Рис. 4. Зависимость скорости звука от времени суток и глубины

Рис. 5. Показатели, полученные в ходе эксперимента: а - направление и скорость ветра

придонной температурой воды, а также структурой скорости звука, полученной по данным океанографических наблюдений (см. рис. 4, 5).

Следует также отметить, что, возможно, результаты акустического измерения течений зависят от состояния поверхности моря. По-видимому, завышенные значения рассчитанных скоростей течений в период с 15:07 до 21:07 связаны с повышенными скоростями ветра и, как следствие, с повышенной шероховатостью поверхности моря.

Точность измерения скоростей течений можно потенциально повысить, если при тех же невысоких скоростях - порядка 5-10 см/с - увеличить разрешающую способность системы по времени, т.е. разницу во времени распространения в прямом и обратном направлении, что может быть достигнуто увеличением длины акустической трассы до 300 м и более.

Тестирование акустического аппаратно-программного комплекса для исследования и мониторинга течений методом встречного зондирования в условиях натурного эксперимента показало стабильность работы и детектирования сигнала в условиях сильных помех, связанных с судоходством, малой протяженности акустической трассы, небольших глубин и невысоких скоростей течений.

Относительная устойчивость импульсных характеристик канала и малое количество ложных определений времени распространения сигнала позволяют рассчитывать на успешное применение данного метода и аппаратуры при дальнейшем проведении экспериментальных работ с учетом коррекции частоты дискретизации и длины трассы.

Автор выражает признательность Ю.Н. Моргунову, А.А. Тагильцеву, Ю.А. Половинка за советы и замечания, высказанные в процессе работы над статьей, В.А. Лучину за ценные консультации, Е.А. Войтенко, В.В Безответных, М.С. Лебедеву, П.Г. Кушниру, А.В. Буренину за помощь в организации и проведении эксперимента, лаборатории физики геосфер ТОИ ДВО РАН за предоставленные метеоданные.

ЛИТЕРАТУРА

1. Безответных В.В., Буренин А.В., Моргунов Ю.Н., Стробыкин Д.С. Особенности применения акустических псевдослучайных сигналов для измерения импульсных откликов на шельфе Японского моря // Акуст. журн. 2012. Т. 58, № 1. С. 141-144.

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. Ипатов А.В., Кольцов Н.Е., Федотов Л.В. Радиоинтерферометрический терминал обсерватории «Бадары» // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 1. С. 52-57.

4. Akulichev V.A., Bezotvetnykh V.V., Burenin A.V., Voytenko E.A., Kamenev S.I., Morgunov Yu.N., Polovin-ka Yu.A., Strobykin D.S. Remote acoustic sensing methods for studies in oceanology // Ocean Sci. J. 2006. Vol. 41, N 2. P. 105-111.

5. Caiti A., Chapman R., Hermand J., Jesus S. Acoustic sensing techniques for the shallow water environment: Inversion methods and experiments. Dordrecht: Springer, 2006. 332 p.

6. Geyer W.R., Traykovski P., Lavery A. The impact of acoustic oceanographic methods on estuarine dynamics research // POMA / Acoustical Society of America. 2013. Vol. 19. P. 005001.

7. Kamimura S., Ogasawara H., Mori K., Nakamura T. Tidal effect of sound propagation experiment at Hashirimizu port // Proc. Pacific Rim Underwater Acoustic Conf. Shallow Water Acoustics. Jeju Island (Korea), 2011. P. 92-93.

8. Konstantinov O.G., Karnaukhov A.F., Koshel K.V., Malikova N.P. Generation of topographic vortices by tidal current of Japan Sea shelf // Int. ranf. «Fluxes and Structures in Fluids: Physics of Geospheres-2009» ( selected papers). Moscow, 2010. P. 217-222.

9. Ogasawara H., Mori K., Nakamura T. A case study of sound propagations in consideration of ocean fluctuations // Proc. Symp. Ultrasonic Electronics. Kyoto (Japan), 2009. Vol. 30. P. 163-164.

10. Ogasawara H., Mori K., Nakamura T. Reciprocal sound propagation experiment in very shallow water area of Hashirimizu port // Jap. J. Appl. Phys. 2010. Vol. 49. P. 07HG15O.

11. Ranz C. Very shallow water noise impact of offshore windfarms. Parameters to be considered // Proc. 15th Int. Congr. on Sound and Vibration. Daejeon (Korea), 2008. P. 1074-1081.

12. Tan B., Motani M., Chitre M., Quek S. Multichannel communication based on adaptive equalization in very shallow water acoustic channels // Proc. Acoust. Christchurch (New Zealand), 2006. P. 515-522.