Методика и программа исследования динамики морских вод в мелководных акваториях по данным акустического зондирования

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2013. № 6

Лебедев Михаил Сергеевич

Работать в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичёва ДВО РАН начал в 2008 г., будучи студентом 5 курса Морского физико-технического института Морского государственного университета им. адмирала Г.И. Невельского. По окончании университета в 2009 г. поступил в аспирантуру ТОИ ДВО РАН. В настоящее время работает над диссертацией (научный руководитель д.т.н. Ю.Н Моргунов).

Область научных интересов - акустическая томография океана, разработка программных средств обработки, анализа и визуализации данных. Участвует в работах по грантам РФФИ, международных проектах и морских экспедициях с выполнением гидроакустических и гидрологических натурных исследований.

Имеет публикации в рецензируемых журналах, активно участвует в работе научно-технических конференций всероссийского и регионального уровней.

УДК 534.21 М.С. ЛЕБЕДЕВ

Методика и программа исследования динамики морских вод в мелководных акваториях по данным акустического зондирования

Приведены результаты экспериментальной апробации разработанных автором алгоритмов и программ для обработки и визуализации данных (в реальном масштабе времени), полученных в процессе натурных исследований структуры и динамики вод в зал. Посьета (Японское море) с помощью акустико-гидрофизического комплекса, установленного на морской станции ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца».

Ключевые слова: акустическая томография океана, метод встречного зондирования.

Methods and program for sea medium dynamic's investigation in the shallow water areas according to acoustic sounding data. M.S. LEBEDEV (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

In this paper are submitted the results of experimental approbation of the algorithms and program developed by author for data proceeding and visualization (on a real-time basis), which were obtained during natural investigations of

ЛЕБЕДЕВ Михаил Сергеевич - младший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). E-mail: ben-solo@mail.ru

the .structure and dynamics of the sea medium in the Posiet Bay (the Sea of Japan) using acoustic hydrophysical complex, which was set on the marine station "Cape of Shultz" of POIFEB RAS.

Key words: ocean acoustic tomography, reciprocal sounding method.

Активное освоение акваторий шельфа для эксплуатации минерально-сырьевых и биоресурсов, задачи развития региональной аквакультуры, экологического контроля и другие требуют регулярной объективной информации о структуре и динамике основных характеристик морской среды. Такую информацию получают на основе долгосрочного мониторинга, осуществляемого контактными методами океанологических наблюдений. Основным недостатком контактных океанологических приборов (кроме высокой стоимости) является тот факт, что на больших акваториях со сложной динамикой вод для получения объективной картины требуется большое их количество. В то же время подобные исследования в мелководных акваториях могут быть осуществлены акустическими методами и средствами [1-3]. Так, применение в измерительных комплексах акустических трансиверов, представляющих собой совмещенные источники и приемники звуковых сигналов, позволит решить задачу измерения интегральных скоростей морских течений и температур на акустических трассах, пересекающих диагностируемую акваторию. Для акваторий больших размеров, когда длина трассы измеряется километрами и намного превышает среднюю глубину, могут быть использованы сложные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей, особенностью которых является высокое соотношение «сигнал / шум». При согласованной обработке таких сигналов получают импульсные характеристики волноводов, содержанием которых является четко различимая последовательность отдельных приходов энергии акустического сигнала в точку приема. Импульсная характеристика отражает стратификацию (слоистость) среды на акустической трассе и является исходной информацией для реализации предлагаемой методики. Кроме этого,

Рис. 1. Карта-схема расположения акустико-гидрофизического комплекса

по полученным данным дополнительно предоставляется возможность исследовать и наблюдать параметры приливных колебаний поверхности моря и внутренних волн [4, 5].

В основу измерений положен принцип взаимности, который заключается в том, что сигналы, распространяющиеся во встречных направлениях, имеют одинаковую лучевую структуру, но сдвинуты по времени пропорционально компоненте скорости течения на акустической трассе между трансиверами. Для реализации метода необходимо организовать встречное излучение импульсных сигналов между парами трансиверов. Эта методика позволяет измерять скорость звука (температуру) и скорость течения в тех слоях, в которых удается выделить и идентифицировать пришедшие импульсы. При встречном зондировании измеряют времена прихода п-й группы лучей, соответствующие распространению акустических сигналов против потока t- и вдоль него t +. Далее находят сумму времен приходов £ = ^ + t- и их разность Дt = t' - t + и, наконец, определяют компоненты скорости течения V = Дt • с2 / 2г в направлении трассы длиной г, связанные с п-й группой лучей, и скорость распространения этой группы сп= 2г / .

Все необходимые для реализации вышеописанного метода приборы разработаны в отделе технических средств исследования океана ТОИ ДВО РАН и в октябре 2012 г. установлены в зал. Посьета (Японское море) для осуществления долгосрочных измерений (рис. 1). Трансиверы 1, 2 и 3, установленные в 1 м от дна на глубинах 40 м, 33 м и 10 м, соответственно, соединены кабелем с береговыми устройствами питания, синхронизации, формирования, генерации и приема сигналов. Расстояние между трансиверами 1 и 2 составляет 2190 м, между трансиверами 2 и 3 - 1930 м.

Трансиверы, представляющие собой гидроакустические пьезопреобразователи, закрепленные в ограждающих конструкциях (рис. 2), по заданной программе излучают и принимают фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей с центральной частотой 6 кГц. Сигнальная информация с трансивера 1 передается в пост обработки напрямую по кабелю, а с трансиверов 2 и 3 - по радиоканалу. С помощью взаимокорреляционной обработки по принятым и излученным сигналам вычисляют импульсные характеристики гидроакустического волновода, необходимые для получения интегральных значений скоростей течений и скоростей звука (температуры) по вышеописанной методике. В конструкцию трансивера 2 включен датчик для измерения придонной температуры.

В течение года (с 15 октября 2012 г. до 9 октября 2013 г.) ежемесячно проводили экспериментальные измерения длительностью 1-3 сут. Анализ сонограммы (рис. 3) показывает, что импульсные характеристики схожи, т.е. закон взаимности соблюдается. По измеренным

Рис. 2. Приемоизлучающие системы (трансиверы), входящие в состав комплекса

Время» ч:мин

Рис. 3. Импульсные характеристики акустического волновода при зондировании в противоположных направлениях на акустической трассе 1-2 (9-11 февраля 2013 г.). а - о-в Таранцева-Пляж, F = б kHz; б - Пляж-о-в Таранцева

временам распространения первой группы приходов вычисляли разность между ними и рассчитывали пространственно-усредненную скорость звука на трассе. Далее, используя формулу Маккензи [б], производили пересчет скоростей звука в температуру. При этом изменения абсолютного значения скорости компоненты течения для всего времени эксперимента, рассчитанные по первым приходам, составляют -20-5 см/с (рис. 4) Следует отметить, что для временного интервала 01:00-19:00 (10 февраля 2013 г.) характерно влияние на ранние приходы динамики внутренних волн с периодом 30-90 мин на графике импульсных характеристик и «перекачка» энергии между двумя первыми приходами. Что касается последних приходов, их динамика обусловлена изменением уровня морской поверхности; так как данные приходы акустической энергии претерпевают несколько отражений от поверхности и дна, то с учетом чередующегося изменения глубины волновода вследствие приливно-отливных явлений наблюдаются соответствующие вариации времен распространения последних групп приходов.

9-11 февраля 2013 г., трасса о-в Тгранцевз-Пляж

025 0.2 015

0

г

в 0.1

X

ф

S OOS

1

л

0 0

1

g -005

к

а

ч -0-1

£

^ -0.15 -Q.2 -0.25

19:17 22: 17 01:17 0*1:17 07:17 10:17 13:17 16:17 19:17 22:17 01:17 04:17 07:17 10:17 13:17 16:17

Время. ч:мин

Рис. 4. Рассчитанные значения средней скорости компоненты течения, параллельной акустической трассе 1-2

Интерфейс CurM

Рис. 5. Блок-схема программного интерфейса CurM

Для мониторинга динамики морской среды в реальном масштабе времени по вышеописанной методике на этапе апробации создан программный интерфейс с возможностью его адаптации к используемым техническим средствам исследования. Аппаратная часть комплекса снабжена корреляторами, предназначенными для вычисления импульсной характеристики морской среды, и пиковыми детекторами для поиска ее максимумов с последующей передачей этих данных (значений времен распространения и амплитуд) по COM-порту (интерфейс RS-232) на персональный компьютер в качестве входных параметров программы (рис. 5). Интерфейс реализован на языке программирования среды MATLAB, управление и прием данных с коррелятора производится с помощью интегрированных в данную среду объектов Timer и Serial.

Первый объект осуществляет временной контроль работы COM-порта компьютера, второй - непосредственно чтение данных. Все поступающие данные сначала накапливаются во входном буфере объекта Serial. После того как поток данных прекращается, происходит закрытие COM-порта, и данные передаются в рабочую область среды MATLAB для обработки и вычисления выходных параметров. Измерения проводятся с периодом один раз в минуту. При этом доступен контроль входных параметров, таких как значения максимальной глубины и солености, необходимых для перерасчета скорости звука в температуру по эмпирической формуле, горизонтальной дистанции между трансиверами, используемой при расчетах значений скорости течения, а также времени работы таймера (длительность эксперимента). В программе предусмотрено сохранение всех принимаемых и рассчитываемых значений для их постобработки и анализа. В качестве временных меток также сохраняются текущие значения времени и номер посылки (измерения). Визуализация предусматривает отображение входных и выходных параметров эксперимента (рис. 6). Следует отметить, что возможности интерфейса позволяют выделять с помощью окна слежения необходимые приходы акустической энергии, по которым должны осуществляться расчеты выходных параметров.

Рис. 6. Графическое окно программного интерфейса СигМ. а - ход усредненного по 30 мин значения скорости течения, б - текущие значения средней температуры на трассе, в - амплитудно-временная структура импульсных характеристик, г - динамика импульсных характеристик во времени при зондировании в противоположных направлениях

Таким образом, стабильность работы комплекса позволила провести долгосрочные (в течение года) экспериментальные исследования динамических процессов на шельфе зал. Посьета с учетом сезонной изменчивости и сложных условий прибрежной зоны. Применение разработанных программных средств обработки и визуализации в режиме реального времени повышает оперативность сбора и анализа параметров морской среды для ряда перспективных задач прикладной гидроакустики. Например, комплекс может использоваться при обеспечении функционирования автономных необитаемых подводных аппаратов и роботов для повышения их эффективности, так как знание и учет изменяющихся гидрологических условий позволит корректировать выполнение миссий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акуличев В.А., Безответных В.В., Войтенко Е.А., Каменев С.И., Леонтьев А.П., Моргунов Ю.Н. Акустические дистанционные измерения течений на шельфе Японского моря // Акуст. журн. 2004. Т. 50, № 5. С. 581-584.

2. Безответных В.В., Войтенко Е.А., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А., Тагильцев А.А. Гидроакустический комплекс для дистанционного мониторинга гидрофизических параметров в мелководных акваториях. Пат. 115929 РФ; заявл. 10.01.2012; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13. 11 с. : ил.

3. 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.

4. Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А., Стробыкин Д.С. Экспериментальные исследования влияния прилива на формирование акустического поля на стационарной трассе в шельфовой зоне Японского моря // Акуст. журн. 2008. Т. 54, № 4. С. 587-588.

5. Akulichev V.A., Bezotvetnykh V.V., Morgunov Yu.N., Polovinka Yu.A., Strobykin D.S. An estimation of water structure and dynamics in the East/Japan Sea shelf zone using acoustic tomography // Ocean and Polar Research. 2009. Vol. 31, N 1. P. 1-9.

6. Mackenzie K.V. Nine-term equation for sound speed in the oceans // J. Acoust. Soc. Am. 1981. Vol. 70. P. 807-812.