СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
METHOD OF HYDROPHYSICAL AND GEOPHYSICAL FIELDS ACOUSTIC TOMOGRAPHY IN MARINE ENVIRONMENT

Способ относится к гидрофизике, геофизике и может быть использован в системах комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей, формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями океана и земной коры. Такие поля формируются морскими объектами, динамическими и сейсмическими, а также синоптическими процессами и опасными явлениями. Новым научно-техническим решением изобретения является дальний параметрический прием гидрофизических и геофизических волн в морской среде, измерение и представление спектров измеряемых волн в формате 2D и (или) 3D, а также наблюдение их пространственно-временной динамики. При этом информационные поля измеряются и регистрируются в широком диапазоне частот, составляющим сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герца, включая диапазон СНЧ колебаний движущихся объектов и гидродинамических неоднородностей морской среды как целого.
В последние десятилетия в проблеме мониторинга и освоения океанской среды все более актуальным направлением являются исследования и научно-технические разработки методов и средств низкочастотной гидроакустики. При этом наиболее сложной и актуальной проблемой низкочастотной акустики океана является развитие методов акустической томографии морской среды, а в более широком смысле - разработка методов акустической диагностики пространственно-временных характеристик гидрофизических полей объектов и неоднородностей среды в протяженном океаническом волноводе. Это направление объединяет как решение задачи распространения звука в протяженном океаническом волноводе (прямой задачи), так и решение обратной задачи, а именно - реконструкции по данным измерений характеристик гидрофизических и геофизических полей контролируемой морской среды. К таким характеристикам среды относятся, например, неоднородный по трассе вертикальный профиль скорости звука, поля присутствующих в среде объектов, а также и неоднородностей и скоплений морской среды и морского дна природного или искусственного происхождения в широком диапазоне частот.
Известные разработки способов и систем акустической томографии пространственных образов неоднородностей и объектов океанской среды основаны на реконструкции их пространственной структуры. При этом восстановление образов объектов и неоднородностей среды выполняется по акустическим измерениям их проекций с последующей специальной обработкой измеряемых данных, обеспечивающей формирование их пространственного контура (См. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю. и др. кн. Акустическая томография океана. Н. Новгород: ИПФ РАН, 1997, с. 5-13).
Указанные разработки не исчерпывают известного многообразия практических задач акустической томографии океана. К таким задачам, прежде всего, относится разработки технологий дальней низкочастотной томографии полей объектов и неоднородностей морской среды различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) в широком диапазоне формируемых ими частот. Такая задача акустической томографии может быть эффективно решена на основе разработок измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики (НПГА). Нелинейная просветная гидроакустика как новое многофункциональное направление, объединяющее классические направления активной, пассивной и высокочастотной нелинейной акустики, в последние десятилетия интенсивно разрабатывается и внедряется в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и морской среды (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко A.M. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 С.).
Разрабатываемые на основе закономерностей НПГА измерительные технологии обеспечивают дальний параметрический прием информационных полей объектов, морской среды и морского дна различной физической природы. Такие разработки защищены патентами на изобретение. Так, например, с участием авторов заявляемого изобретения разработаны «Способы и реализующие их системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» реализуемые на основе закономерностей и измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики: RU 2158029 C2 15.12 1998, RU 2167454 C2 15.12.1998, RU 2453930 C1 11.10.2010, RU 2452040 C1 11.10.2010, RU 2452041 C1 11.10.2010, RU 2472236 C1 15.06.2011, RU 2472116 C1 15.06.2011, RU 2474793 C1 15.06.2011, RU 2474794 C1 15.06.2011, RU 2503977 C1 18.07.2012, RU 2503036 C1 17.07.2012), RU 25.36836 C1 29.10.2014, RU 2536837 C1 29.10.2014, RU 2550588 C1 10.03.2015.
Общим недостатком приведенных технических решений является отсутствие в них возможности измерения и представления спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также возможности наблюдения и контроля их пространственно-временной динамики. Итак, в известных технических решениях разработки способов и систем дальнего параметрического приема информационных гидрофизических и геофизических полей объектов и среды отсутствует решение задачи дальней акустической томографии характеристик измеряемых информационных полей, а также возможность наблюдения их пространственно-временной динамики. Они являются аналогами предлагаемого изобретения.
Наиболее близким из них по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» RU №2453930 C1 от 11.10.2010 г., который выбран в качестве способа-прототипа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке способа-прототипа для его реализации как способа просветной акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде. При этом предлагаемый способ должен обеспечивать дальний параметрический прием гидрофизических и геофизических полей объектов, морской среды и морского дна, формирование и представление их спектральных характеристик в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Следует отметить, что этот недостаток (постоянное измерение спектров информационных полей и контроль их пространственно-временной динамики) в решениях аналогов и способа-прототипа обусловлен использованием в них необходимой операции - частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов и переноса их масштаба в высокочастотную область. Разработки таких систем известны и опубликованы (См. Черницер В.Г., Кадук Б.Г. Преобразователи временного масштаба. М.: «Сов. Радио - 1972. 144 С.). Указанная операция увеличивает концентрацию энергии принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, а при обработке повышает эффективность выделения из них информационных волн, но одновременно исключает реализацию технологий непрерывной акустической томографии информационных полей. Кроме того, в способах и системах нелинейной просветной гидроакустики информационные поля выделяются из боковых полос частотного спектра, нелинейно преобразованных просветных сигналов, что обеспечивает автоматическое «подавление» интенсивных сигналов накачки и помех среды, характерных для способов и систем классической акустической томографии морской среды (См. Ослабление зондирующего поля и шумов при наблюдении. В кн. Прончатов Н.В. и др. Разработка эффективных методов и средств акустического наблюдения. Н. Новгород. НГУ, 2006, с. 30-35). Это свидетельствует о преимуществах выбора технологий НПГА как способа-прототипа. Для реализации технологий непрерывной акустической томографии необходимо применять дополнительные операции обработки сигналов, а также изменение последовательности их реализации, что обосновывается и рассматривается в описании заявки на изобретение.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке измерительных технологий просветной акустической томографии гидрофизических и геофизических волн в морской среде, обеспечивающих формирование и представление их спектров в формате 2D и (или) 3D, а также контроль их пространственно-временной динамики на акваториях протяженностью десятки - сотни километров. Диапазон частот измеряемых информационных волн составляет сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герца.
Для решения поставленной задачи способ просветной акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде включает в себя размещение излучающего и приемного блоков системы мониторинга на противоположных границах контролируемого участка, озвучивание его низкочастотными просветными сигналами стабильной частоты и формирование в нем рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, прием нелинейно преобразованных просветных волн, измерение их узкополосных спектров, выделение в спектрах верхней и (или) нижней боковых полос и определение в них информационных волн, отличается тем, что приемный блок измерительной системы формируют как дискретную линейную антенну, состоящую из n акустических элементов (гидрофонов), которые горизонтально размещают в направлении излучающего блока, принимаемые элементами антенны просветные сигналы предварительно усиливают и посредством многожильного кабеля передают в приемный тракт измерительной системы - в блок преобразования их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, а из него в блок переключения приемных каналов и формирования суммарного сигнала, в котором сигналы с 1-го до n-го каналов непрерывно и циклично переключают и на каждом цикле переключения последовательно суммируют, затем дополнительно усиливают в полосе частот их параметрического преобразования, измеряют их узкополосные спектры, выделяют в них верхние и (или) нижние боковые полосы спектра, которые формируют и представляют в формате 2D и (или) 3D, сформированные спектры регистрируют и с учетом частотно-временного и параметрического преобразования определяют в них информационные признаки гидрофизических и геофизических полей и их пространственно-временную динамику. Кроме того, число приемных элементов n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10, а расстояния между ними - половина длины просветной акустической волны. Кроме того, количество элементов антенны n соответствует масштабу частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов. Кроме того, контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки - сотни герц. Кроме того, операцию формирования спектра информационных полей в формате 2 и (или) 3 синхронизируют с режимом цикличного переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «приемный блок измерительной системы формируют как дискретную линейную антенну из n акустических элементов (гидрофонов), горизонтально размещенных в направлении излучающего блока», обеспечивают выполнение предварительной операции приема просветных сигналов с временными задержками, равными половине длины волны, для их последующего фазового сложения. Принципы формирования и эксплуатации линейных дискретных гидроакустических антенн разработаны и изложены в известной монографии (См. Смарышев М.Д. Линейные дискретные антенны. В кн. Направленность гидроакустических антенн. Судостроение. Л. 1973 г., с. 140-152).
Признаки «многоканально принимаемые антенной просветные сигналы предварительно усиливают и посредством многожильного кабеля передают в приемный тракт измерительной системы - на вход блока преобразования их частотно-временного масштаба в высокочастотную область» обеспечивают формирование сокращенных во времени отрезков принимаемого сигнала для их последующего сложения как непрерывного.
Признаки «сигналы с 1-го до n-го элементов непрерывно и циклично переключают и на каждом цикле последовательно суммируют» обеспечивают выполнение заключительной операции - проведение непрерывной акустической томографии полей с использованием технологии их пространственно-временного преобразования.
Признаки «формируемые непрерывные сигналы дополнительно усиливают, измеряют их узкополосные спектры, выделяют их верхние и (или) нижние боковые полосы» обеспечивают подготовительную операцию эффективного измерения спектров принимаемых просветных сигналов и выделения из них спектров информационных волн.
Признаки «измеряемые спектры формируют и представляют в формате 2D и (или) 3D, регистрируют и с учетом частотно-временного и параметрического преобразования определяют в них признаки гидрофизических и геофизических полей и их пространственно-временную динамику» обеспечивают отличительную особенность обработки измеряемых спектров для их пространственного представления и последующей регистрации, что является заключительной операцией способа. Используемая в способе обработка сигналов (измерение спектров, формирование, представление и регистрация их в формате 2D и (или) 3D) проводится с использованием цифровых устройств и (или) ЭВМ.
Признак второго пункта «число приемных элементов n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10 изделий, а расстояния между ними - половина длины просветной акустической волны» обеспечивает работу приемного блока системы как линейной дискретной антенны, что является начальным условием реализации способа акустической томографии.
Признак третьего пункта «количество элементов антенны n соответствует масштабу частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов», обеспечивает продолжение дальнейшего выполнения операций способа акустической томографии.
Признак четвертого пункта «контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки - сотни герц», обеспечивает реализацию дальнего и сверхдальнего параметрического приема информационных волн, что является предметом научно-технического решения представляемого способа просветной акустической томографии.
Признак пятого пункта «операции формирования спектров измеряемых полей в формате 2 и (или) 3 синхронизируют с режимом цикличного переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала» обеспечивает управление работой измерительной системы в соответствии с формированием спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D и контроля их пространственно-временной динамики.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фигуре 1 показана структурная схема гидроакустической системы мониторинга, реализующей заявленный способ акустической томографии гидрофизических и геофизических полей морской среды с представлением пространственно-временных характеристик их спектров в формате 2D и (или) 3D.
На фигурах 2 и 3 показаны результаты испытаний способа акустической томографии геофизических (сейсмических) полей. Представлены пространственно-временные характеристик спектров сейсмического фона (фиг. 2), а также сильного землетрясения (фиг. 3) в формате 3D. Сигналы зарегистрированы на побережье о. Сахалин, место зарождения - Курильская гряда, расстояние около 500 км, 2014 г. На фигурах 4, 5 показаны результаты испытаний способа акустической томографии гидрофизических (акустических и гидродинамических) полей морского судна с представлением и спектральных характеристик в формате 2D. Испытания проводились на трассах протяженностью 45 км (фиг. 4) и 310 км (фиг. 5).
На фиг. 6а и 6б представлены результаты испытаний способа для акустической томографии электромагнитного поля морского судна, реализованного методом нелинейной просветной гидроакустики на трассе протяженностью 45 км, с представлением пространственно-временных характеристик измеряемого информационного поля в формате 2D. На фиг. 6а и 6б представлены спектрограмма и спектр электромагнитного поля морского судна в формате 2D, записи выполнены на просветной трассе Берингова моря протяженностью 45 км. На фиг. 7а, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитных и акустических (вально-лопастных) излучений морского судна (в формате 2D) на просветной трассе протяженностью 30 км (Камчатка, б. Авача). На фиг. 8 и 9 представлены спектрограммы сейсмического фона и сильного землетрясения (в формате 3D), прошедшего в районе Курильской гряды в 2013 году. Регистрация сигналов на морском поле о. Сахалин. На фиг. 10 представлена пространственно-временная картина дискретных составляющих спектра шумового поли морского судна в формате 2D. Параметрические измерения выполнены в переходной зоне Охотского и Японского морей на трассе протяженностью 345 км. На спектрограмме наблюдаются дискретные резонансные колебания корпуса судна и их СНЧ модуляция колебаниями как целого, в установившемся режиме движения.
Для реализации заявленного способа необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления низкочастотных просветных сигналов стабильной частоты 1, снабженный излучающим блоком (акустическим преобразователем) 2, излучающим просветные сигналы на частоте десятки - сотни герц. Приемный тракт системы 5, соединенный с линейной дискретной антенной 4, обеспечивающий прием и анализ нелинейно преобразованных просветных сигналов и выделение из них признаков информационных гидрофизических и геофизических полей.
В качестве источников информационных волн 3а и 3б использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также волны сейсмических процессов и явлений.
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 6, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов 7 и блок согласования его выхода с кабелем 8 и далее с подводным блоком (акустическим преобразователем) 2 (см. фиг. 1).
Конструктивно тракт приема и анализа просветных сигналов, выделения и регистрации информационных волн 5 представляет собой электронную схему, включающую: многоканальный предварительный усилитель 4а (приемной дискретной антенны 4), входы которого посредством многожильного подводного кабеля (предпочтительно, оптоволоконного) связаны с входами многоканального блока 9 частотно-временного преобразования сигналов в высокочастотную область, далее с входами блока переключения каналов и формирования непрерывного сигнала 10, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя просветного сигнала 11, а его выход соединен с входом блока узкополосного анализа спектров 12 принимаемых сигналов, обеспечивающего измерение спектров и формирование пространственно-временных характеристик спектров информационных волн в формате 2D и (или) 3D, а также функционально связанный с ним регистратор сформированных характеристик спектров 13, при этом блок узкополосного анализа спектров 12 функционально связан с блоком переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала 10. Кроме того, на чертеже показаны: область нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн 14, морское дно 15, морская среда 16, морская поверхность 17.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Излучатель просветных акустических сигналов 2 и линейную приемную антенну 4 размещают на противоположных границах контролируемой среды и устанавливают их на горизонтах с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. При этом протяженную линейную антенну размещают в направлении излучающего блока и удерживают на заданном горизонте с использованием буев и якорей. Это обеспечивает эффективное формирование и использование области взаимодействия просветных и информационных волн на просветной трассе.
Работа источников информационных волн 3а 3б на линии излучения - приема просветных сигналов приводит к изменению механических характеристик проводящей жидкости (плотности, и (или) температуры, и (или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности изменяют фазовую скорость просветные сигналы, что приводит к их амплитудно-фазовой модуляции. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы просветных волн. Модуляционные составляющие информационных волн являются неразрывно связанной компонентой просветной волны, вследствие этого они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках приемного тракта системы мониторинга.
Техническими решениями заявляемого способа разработаны и подтверждены морскими испытаниями практические пути построения системы мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и морской среды, а также наблюдения и контроля их амплитудно-фазовой структуры и пространственно-временной динамики методом акустической томографии. Информационные поля различной физической природы, формируемые объектами и средой, измеряются технологиями нелинейной просветной гидроакустики, далее формируются их спектры, которые представляются в формате 2D и 3D. Способ обеспечивает мониторинг пространственно-временных характеристик информационных полей в звуковом и дробном диапазонах частот на морских акваториях протяженностью десятки-сотни километров.
Протяженность рассматриваемой системы акустической томографии (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается озвучиванием (накачкой) среды низкочастотными просветными сигналами в диапазоне частот десятки-сотни герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами.
Основные признаки технического эффекта заявляемого изобретения заключаются в следующем.
Достигнута возможность мониторинга информационных полей технологиями низкочастотной акустической томографии, обеспечивающими измерение спектра их амплитудно-фазовых характеристик и представления их пространственно-временной динамики в формате 2D и (или) 3D.
Возможность дальнего параметрического приема информационных гидрофизических и геофизических волн методом просветной акустической томографии достигается за счет формирования протяженного объема рабочей зоны их нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования в морской среде, что реализуется за счет формирования по контролируемой трассе просветной параметрической антенны.
Использование в приемном тракте измерительной системы преобразования временного масштаба принимаемых просветных сигналов в высокочастотную область повышает концентрацию их энергии (в соответствии с масштабом временного преобразования), что, в свою очередь, обеспечивает эффективное выделение информационных волн в широком диапазоне частот, в том числе и существующими средствами узкополосного спектрального анализа.
Разработанный способ акустической томографии и его технологии обеспечивают создание и надежную реализацию низкочастотной просветной параметрической системы дальнего измерения и комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и среды различной физической природы низкочастотного, инфразвукового и дробного диапазонов частот с возможностью измерения амплитудно-фазовых характеристик и контроля их пространственно-временной динамики.
Измерительные технологии представляемого способа и реализующей его макеты просветных систем прошли морские испытания в районах дальневосточных морей и подтвердили свою эффективность.