Исследование возможностей мониторинга течений методом встречного акустического зондирования в условиях очень мелкого моря

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2015. № 2

Стробыкин Дмитрий Сергеевич

В 2004 г. окончил Дальневосточный государственный технический университет (в настоящее время ДВФУ)) по специальности «Акустические приборы и системы». После университета поступил в аспирантуру Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВО РАН. В настоящее время является научным сотрудником и работает над диссертацией (научный руководитель д.т.н. Ю.Н. Моргунов).

Область научных интересов — акустическая томография океана (глубокий океан и мелкое море), анализ и цифровая обработка сигналов, численные расчеты и моделирование акустического поля, акустическая подводная навигация и связь.

Ведет исследования в рамках Федеральной целевой программы «Мировой океан», работает по грантам Президента Российской Федерации, РФФИ и ДВО РАН, участвует в российских и международных научных конференциях и семинарах, международных проектах и морских экспедициях, выполняя гидроакустические и гидрологические натурные исследования. Имеет публикации в российских и зарубежных журналах.

Член «Российского акустического общества» и совместного Российско-Корейского центра морских и информационных технологий, яхтсмен (член «Всероссийской федерации парусного спорта» и яхтклуба «Семь футов»).

На основе гидроакустического комплекса, разработанного в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН, проведен эксперимент по исследованию возможностей мониторинга полей течений методом встречного акустического зондирования в условиях очень мелкого моря (бухта Витязь, Японское море). Характерными особенностями районов такого типа являются малые глубины (до 30 м), наличие береговой черты, ветрового, приливного и конвективного перемешивания вод, прибрежного подъема глубинных вод, значительная изменчивость полей течений и температур. Результаты экспериментальных исследований показали неплохое

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

Работа выполнена при поддержке грантов ДВО РАН № 13-III-B-07-163, 12-1-П23-03, 15-11-1-045, гранта РФФИ 12-05-00430-a и гранта Президента РФ для поддержки научных школ НШ-6084.2014.5.

УДК 534.21

Д.С. СТРОБЫКИН

Исследование возможностей

мониторинга течении методом встречного акустического зондирования в условиях очень мелкого моря

совпадение данных акустического зондирования и измерений скоростей течений, выполненных акустическим доплеровским профилографом (Acoustic Doppler Profiler — ADP). Это позволяет рассчитывать на успешное применение метода встречного зондирования и разработанной аппаратуры как в качестве дополнения к стандартным океанологическим методам, так и в качестве самостоятельного источника информации о течениях.

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

Study of possibilities of current monitoring using the acoustic reciprocal sounding method in conditions of very shallow water. D.S. STROBYKIN (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

On the basis of sonar system that was developed in the Pacific Oceanological Institute, FEB RAS an experiment for study of possibilities of monitoring of current fields by the acoustic reciprocal sounding method in very shallow water conditions (Vityaz' Bay, the Sea ofJapan) was conducted. Characteristic features of regions of this type are small depths (up to 30 m), presence of coastline, wind, tidal and convective water mixing, nearshore upwelling, considerable variability of temperature and current fields. Experimental results showed quite good accordance of acoustic sounding data and current velocities measurements that were made by acoustic Doppler profiler (ADP). It allows one to count on successful application of the reciprocal sounding method and the developed equipment, both as an addition to standard oceanological methods, and as independent source of current velocities information.

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

Увеличение площадей освоения прибрежных территорий, развитие инфраструктуры морских гаваней приводят к необходимости постоянного мониторинга динамических процессов на шельфе для обеспечения безопасного отдыха, туризма, строительства, ведения хозяйства и морских транспортных перевозок. Особый интерес в последние годы стали представлять исследования по акустическому зондированию морской среды, проводимые в условиях так называемого очень мелкого моря [7-11]. Глубины в таких районах не превышают 30 м. Малые глубины, наличие береговой черты, ветрового, приливного и конвективного перемешивания вод, прибрежного подъема глубинных вод, эффектов поворота и завихрения течений, связанных с изменениями рельефа дна и формы береговой черты, обусловливают значительную изменчивость полей течений и температур [3, 12, 13]. Следует отметить и высокий уровень акустических шумовых помех, вызванных интенсивным судоходством.

Методы акустической томографии океана применительно к условиям глубокого моря достаточно хорошо разработаны, исследованы и успешно применяются в мировой практике. В то же время примеры использования томографических методов в шельфовых зонах немногочисленны. Сложная, в сравнении с глубоким океаном, структура акустического поля в мелком море, где значительную роль играют отражения от дна и водной поверхности, дает существенную нестабильность амплитудно-временной структуры акустических приходов. Для осуществления мониторинга разномасштабных гидродинамических возмущений, происходящих на шельфе мелкого моря, необходимы специальные технические средства и методы обработки сигналов, охватывающие непериодические течения, приливные вариации уровня поверхности моря, нагонные явления, сейши, вихри и штормовые волнения.

Успешные результаты экспериментов по измерению течений методом встречного акустического зондирования в мелком море были получены авторами работы [2]. Глубины постановки придонных трансиверов на практически равномерной, без резких возвышенностей и впадин, акустической трассе составляли 41-46 м. Большая, в сравнении с очень мелким морем, глубина, как правило, дает меньшую изменчивость акустического канала по температуре и меньшую зависимость течений от скорости ветра при наблюдаемом отрицательном градиенте скорости звука. Зондирование трасс длиной 1 км производилось сигналами с частотой 10 кГц. Условия распространения акустических сигналов характеризовались наличием ярко выраженного придонного звукового канала и двух стабильных групп приходов из наблюдаемых в среднем девяти. Ввиду сложности и изменчивости полученных импульсных характеристик среды реконструкция течений осуществлялась

по упрощенной лучевой модели, учитывающей время распространения только этих двух приходов. Результаты измерений, выполненных с помощью акустического доплеровского профилографа (Acoustic Doppler Profiler - ADP) в придонном слое, оказались ошибочными по причине отсутствия объемных рассеивателей. В работе [2] не приводятся сравнения точности измерений с помощью ADP и методом встречного зондирования, поскольку подобные сравнения невозможны из-за малого количества измерений акустическим профи-лографом в связи с непогодой, хотя в целом направления и скорости течений, определенных указанными методами, совпадают, и эксперимент является вполне успешным. Стоит также отметить существенность регистрируемых течений: 50 см/с для приповерхностного и 20 см/с для придонного слоя.

Что касается результатов экспериментов по встречному зондированию в очень мелком море, то экспериментальные исследования, представленные в работе [9], показывают сильную зависимость времени прихода акустической энергии от фазы прилива и значительных вариаций вертикального распределения скорости звука. Это делает невозможным определение времени распространения сигнала по максимальному значению функции корреляции, так как происходит «перекачка» основной энергии сигнала в канал распространения, отличный от взятого за опорный [2, 6]. Результаты, приведенные в работах [10, 11], характеризуются большим разбросом скоростей течений, полученных с использованием метода встречного зондирования (от -500 до 500 см/с), в отличие от данных измерений ADP (от -15 до 20 см/с). По-видимому, это связано с тем, что структура импульсных характеристик волновода чрезвычайно сложна и изменчива. Расположение трансиверов вблизи жестких стен пирсов приводит к множественным переотражениям сигнала, и, как отмечают авторы работы [10], требуется усовершенствование алгоритма детектирования пиков корреляционной функции.

Настоящая статья является продолжением работы [5] по акустическому мониторингу полей течений с использованием разработанного в ТОИ ДВО РАН комплекса [1, 6]. Ранее была показана необходимость увеличения разрешающей способности системы мониторинга по времени, так как при невысоких скоростях течений (5-10 см/с) в акватории бухты Витязь погрешность определения скоростей при помощи акустического метода зондирования довольна высока (5-7 см/с). Улучшить разрешение системы по времени можно либо за счет повышения частоты дискретизации регистрирующей аппаратуры выше 48 кГц, либо путем увеличения разницы во времени распространения сигнала в прямом и обратном направлениях. На момент проведения описанного ниже эксперимента из-за технических ограничений приборов регистрации частоту дискретизации невозможно было сделать выше, поэтому дискретность была увеличена путем удлинения акустической трассы со 152 до 1220 м.

В данной работе представлены результаты исследования возможностей акустического мониторинга полей течений методом встречного зондирования в условиях очень мелкого моря. Исследования проводились в бухте Витязь (Японское море) в районе мыса Шульца, где расположена морская экспериментальная станция Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВО РАН.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Зондирование морской среды осуществлялось сложными фазоманипулированными сигналами с центральной частотой 6 кГц (М-последовательность, 255 символов, 4 периода несущей частоты на символ). Использовались обратимые пьезокерамические акустические преобразователи (трансиверы), совмещающие в себе функции приемников и излучателей звука. Трансивер № 1 был установлен стационарно на грунт на глубине 4 м и соединен кабельной линией с береговой лабораторией. На расстоянии 1220 м от него вблизи дна на глубине 10 м был установлен трансивер № 2 (рис. 1) с расположенным в гермоконтейнере автономным блоком генерации, усиления, синхронизации и питания. Трансивер № 2 был соединен с радиобуем, посредством которого в режиме приема осуществлялась передача принятых акустических сигналов по радиоканалу в центр обработки данных. Примерно в центре

Рис. 1. Схема эксперимента по встречному зондированию

акустической трассы для измерения скорости течений на весь период эксперимента на дне (глубина 18 м) был размещен ADP, работавший в автономном режиме. Данные ADP использовались для сопоставления результатов измерения скоростей течений, полученных разными методами. Вблизи места расположения ADP с борта постановленной на якорь яхты СТД-зондом проводились ежечасные измерения вертикальных профилей температуры и солености воды. Сеансы излучения акустических сигналов во встречном направлении осуществлялись каждую минуту в течение суток, с временным разнесением в 5 с между зондированием в прямом и обратном направлениях. Сигналы, принятые от обоих трансиверов, регистрировались и записывались с частотой дискретизации 48 кГц.

Распределение температуры по глубине во время проведения эксперимента имело довольно сложный характер и характеризовалось наличием небольшого отрицательного градиента и периодическими заходами холодных придонных вод, связанными с приливом (рис. 2), что и нашло отражение в сложной структуре акустических приходов (рис. 3).

При обработке записанных сигналов проводилась полосовая фильтрация и вычислялась корреляционная функция принятых сигналов с излученными. Полученные таким

[5:03 17:03 19:03 21:03 13:03 01:03 03:03 05:03 07:03 09:03 11:03 13:03 15:03

Нрсмн, ч:мни

Рис. 2. Зависимость температуры от времени суток и глубины

о .804 о.йчй ояоа (.м о л: "44 о.мн эи мя о л моя о.ел

ЛрГМН рйопкп IНГННП. С

Рис. 3. Нормированные импульсные характеристики волновода за весь период эксперимента. Распространение акустического сигнала от трансивера № 2 к трансиверу № 1

образом временные отклики среды (рис. 3, 4) использовались для расчета проекций скоростей течений на звуковую трассу и восстановления величины и направления (только вдоль акустической трассы, так как использовалось два трансивера) горизонтальных течений.

Сравнение двух зависимостей (рис. 3) показывает, что соблюдается принцип взаимности, т.е. по своей структуре акустические приходы, сформированные при распространении акустического сигнала по течению и против него, схожи. Данные гидрологических измерений (рис. 2) свидетельствуют о наличии небольшого отрицательного градиента температуры (соответственно и скорости звука) с глубиной, недостаточного для формирования стабильного придонного звукового канала. В результате анализа импульсных характеристик волновода и гидрологических условий установлено, что реконструкция течений может быть проведена по первому, наиболее стабильному и обладающему максимальной энергией акустическому приходу, который распространяется по всей толще волновода, а следовательно, несет информацию об интегральной скорости течения на трассе по глубине. Соответственно расчет скорости и направления течения проводился по времени распространения максимального по амплитуде прихода. При встречном зондировании измеряется время приходов п-й группы лучей t - и t +, соответствующее распространению акустических сигналов против потока и вдоль него. Далее находится сумма времени приходов 5' = tn+ + t ~ и их разность Atn = t~ - tr+ и определяются компоненты скорости потока Уп = Д^ • с\11г

в направлении трассы длиной г, связанные с п-й группой лучей и скоростью распространения этой группы с = 2г/5.

п п

Колебания уровня моря относятся к неправильному полусуточному типу приливов с максимальными значениями уровня в 22:10 и 09:40 ч и минимальными в 15:30 и 03:30 ч,

1 ж

/ \У

ГЦ \\

А

щ \ Л ^ *Ч V 1 1 . \ | 1 А * \ .г... \ /Л ^

---. - 1 и ; \ 1 |. у.Х. и*"! Г Л-» Ъ V/\ N Л' 1' \ л- V У . V »

ВДО1Ч рС

Рис. 4. Нормированные по амплитуде импульсные отклики среды на момент начала эксперимента: сплошная линия - от трансивера № 2 к трансиверу № 1, пунктирная - в обратном направлении

достигающими 35 см. Усредненные по скользящему четырехчасовому интервалу значения скорости течения, полученные по данным ЛВР и приведенные к направлению акустической трассы, представлены на рис. 5.

Как видно из рис. 5 и 6, верхний трехметровый слой водной толщи в месте установки ЛВР сильно подвержен влиянию ветра. С 15:00 до 19:00 ч и с 11:00 до 15:00 ч направление ветра практически соответствовало направлению акустической трассы от трансивера № 1 к трансиверу № 2, а с 05:00 до 10:00 ч ветер имел противоположное направление, что и нашло отражение в данных ЛСР. При сопоставлении результатов измерения скоростей течений методом акустического встречного зондирования и ЛВР стоит учитывать, что скорости и направления течений, измеренные ЛВР в точке и интегральные по трассе, могут различаться. Также оказывают свое влияние перепад глубин расположения измерительных средств (трансивер № 1 - 4 м, трансивер № 2 - 10 м, ЛВР - 18 м), особенности топографии дна, наличие внутренних волн. На результатах экспериментов, по-видимому, также сказались особенности рельефа суши. Приблизительно одна треть акустической трассы с наименьшими значениями глубин (4-8 м) закрыта высоким мысом от воздействия юго-западного ветра. В то же время

f

/........ Ч. V /* А \ —..... б ------- J /

Л/ \ / 1 > £ 1 t I 1 . V . J- AS

' 1 V i (1 у1 V ч 3 1 у

Л. Л : Г v.....1........У * L 1у Ч ............ / f у А4л

1/ \ \\J/ VJ\___________ V. V

% \ \ 1 1 t .......V 1 1

V 'v -T .....L

1

(tin 17Дв IfС' 11:0} £ ttlnu 03!<Li :> >! г р о, А I; J.' isju

Вргмг, ч:иин

Рис. 6. а - скорость ветра, приведенная к направлению акустической трассы (по данным метеостанции); б - скорости течения, усредненные по скользящему четырехчасовому интервалу: 1 - расчетные значения, полученные по результатам акустических измерений; данные ADP, приведенные к направлению акустической трассы: 2 - усредненные значения по всей водной толще; 3 - усредненные значения для слоя от 4 до 16 м

вся акустическая трасса открыта северо-восточным ветрам, чем и объясняются завышенные значения скорости течения, полученные при акустическом зондировании в период с 05:00 до 10:00 ч и заниженные с 15:00 до 19:00 ч. Вероятно, по той же причине прослеживается лучшая корреляция акустических измерений и данных ADP, усредненных на интервале глубин от 4 до 16 м, не учитывающих вклад в общую интегральную картину течений верхнего трехметрового слоя, подверженного сильному влиянию ветра в наиболее открытой для ветрового воздействия точке постановки ADP. В период с 14:00 до 16:00 ч произошло перераспределение максимума акустической энергии с первого на второй приход при распространении от трансивера № 1 к трансиверу № 2, т.е. вычисление скорости течения производилось между разными приходами с разными количествами отражений и соответственно с разными расстояниями пройденного ими пути, что говорит о необходимости усовершенствования алгоритма расчета, который бы учитывал данные обстоятельства. Перераспределение максимума энергии между приходами только в одном направлении распространения сигнала при встречном излучении может быть вызвано существенным изменением вертикального распределения скорости звука в области приемника или излучателя, которое затрагивает только часть акустической трассы. Причинами этого могут служить прохождение интенсивных короткопериодных внутренних волн, которые ввиду своих небольших пространственных масштабов не могут заполнить всю акустическую трассу; заход внутренних волн с большим периодом или приливо-отливного фронта, не успевающего заполнить всю трассу; продолжительное воздействие сильного ветрового волнения на мелководных участках (в указанное время скорость ветра изменялась от 8 до 9 м/с, волнение моря 2,0-2,5 м), вызывающее перемешивание верхних слоев волновода вплоть до глубины расположения трансивера.

Оценки показывают, что погрешность определения скоростей течений акустическим методом, при сопоставлении времени распространения соответствующих акустических приходов вдоль потока и против него, составляет 1,5-3,0 см/с, что в принципе сопоставимо с погрешностями ADP, которые на практике могут достигать больших значений, чем указывается в их технических характеристиках, особенно при эксплуатации на малых глубинах [4].

Экспериментальные исследования возможностей акустического мониторинга полей течений методом встречного зондирования в условиях очень мелкого моря, где существенную роль играют поверхностно-донные отражения, где наблюдается высокий уровень акустического шума, связанного с интенсивным мореплаванием, и отмечается существенная нестабильность амплитудно-временной структуры акустических приходов, показали неплохое соответствие результатов двух независимых методов измерения скоростей течений. Это позволяет рассчитывать на успешное применение метода встречного зондирования и разработанной аппаратуры в дополнение к стандартным океанологическим методам, а также в качестве самостоятельного источника информации о течениях.

Стоит отметить не совсем удачный выбор акустической трассы с точки зрения комплексности и разной природы океанологических процессов, оказывающих влияние на характеристики акустических сигналов. Однако оперативная информация о скоростях и направлениях течений зачастую требуется именно в местах со сложными топографическими и гидрофизическими параметрами, где наблюдается активное прибрежное судоходство, т.е. в заливах и гаванях. Увеличение разрешения системы мониторинга по времени посредством удлинения трассы со 152 до 1220 м позволило повысить точность определения скорости течения с 5-7 до 1,5-3,0 см/с. При этом, однако, существенно усложнились рельеф трассы и процессы, оказывающие влияние на характеристики распространения сигналов, что затрудняет интерпретацию полученных данных. Тем не менее для эксперимента в бухте Витязь, с разнесением трансиверов примерно на 1 км, выбранная трасса является одной из наиболее приемлемых по параметрам выполнимости установки и сохранности оборудования, относительной однородности грунта, плавности перепада глубин и т.п. Усовершенствование алгоритма детектирования и отслеживания акустических

приходов позволит в дальнейшем уменьшить вероятность ошибочного вычисления скорости течения по времени встречного распространения, соответствующего разным группам приходов с разным количеством отражений и, соответственно, с разными пройденными расстояниями и приводящего к появлению ошибочных завышенных значений. Учитывая сложность рельефа дна и океанологических процессов в бухте Витязь (наличие регулярно генерируемых вихревых структур, внутренних волн, сейш, нагонных явлений, сильную зависимость приповерхностных течений на отдельных участках акустических трасс от скорости ветра и т.д.), для исследования влияния этих процессов на формирование импульсных характеристик волновода при встречном зондировании морской среды сложными акустическими сигналами представляется целесообразным проведение дальнейших работ с использованием дополнительных измерительных средств и методов и повышение точности измерений.

Автор выражает признательность научному сотруднику Е.А. Войтенко, младшему научному сотруднику М.С. Лебедеву, научному сотруднику к. ф.-м. н. А.В. Буренину, старшему научному сотруднику к.т.н. В.В. Безответных (ТОИ ДВО РАН), капитану яхты «Орлан» П.Г. Кушниру за помощь в организации и проведении эксперимента.

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. Природопользование, состояние и тенденции изменений морской среды прибрежных районов России в Японском море // Информационные ресурсы ТОИ ДВО РАН. Океанография. 2010. Т. 11. - http://www.pacificinfo. ru/data/cdrom/11/index.html

4. Сабинин К.Д., Серебряный А.Н. Применение акустических доплеровских профилометров течений для изучения пространственной структуры морской среды // Акуст. журн. 2012. Т. 58, № 5. С. 639-648.

5. Стробыкин Д.С. Тестовый эксперимент с аппаратно-программным комплексом для дистанционного акустического мониторинга течений в мелком море // Вестн. ДВО РАН. 2013. № 6. С. 109-115.

6. 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.

7. 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.

8. Geyer W.R., Traykovski P., Lavery A. The impact of acoustic oceanographic methods on estuarine dynamics research // J. Acoust. Soc. Amer. 2013. Vol. 19. - http://www.ica2013montreal.org/Proceedings/mss/005001_1.pdf

9. 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.

10. 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.

11. 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. - http://iopscience.iop.org/1347-4065/49/7S/07HG15.

12. 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.

13. 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.