Мультистатическая схема как структурная основа формирования Дальневосточной радиогидроакустической системы мониторинга морской экономической зоны

Вестник ДВО РАН. 2015. № 2

УДК 681.883

М.В. МИРОНЕНКО, П.А. СТАРОДУБЦЕВ, И.Е. ВОЛКОВ, А.П. ШЕВЧЕНКО

Мультистатическая схема как структурная основа формирования Дальневосточной радиогидроакустической системы мониторинга морской экономической зоны

Рассматривается процесс создания и применения мультистатического гидроакустического измерительного полигона, сформированного в переходной зоне Охотского и Японского морей. Представлены результаты реализации его измерительных технологий в решении задач комплексного измерения гидрофизических и геофизических полей различной физической природы, формируемых источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры. Обоснована необходимость его восстановления и оборудования на современном научно-техническом уровне и использования как обобщающего и управляющего томографического звена создаваемой радиогидроакустической системы освещения и мониторинга морской экономической зоны Дальневосточного региона.

Ключевые слова: мультистатическая схема, радиогидроакустическая система мониторинга морской экономической зоны Дальнего Востока, просветные системы мониторинга, гидроакустический измерительный полигон.

Multistatic scheme as a structural basis for the formation of the Far Eastern radio-hydroacoustic system of monitoring of marine economic zone. M.V. MIRONENKO, P.A. STARODUBTSEV, I.E. VOLKOV, A.P. SHEVCHENKO (Pacific Higher Naval School named after S.O. Makarov, Vladivostok).

The article describes the process of creation and application of the multistatic hydroacoustic proving ground for measuring formed in the transition zone of the Okhotsk and the Japan Seas. Presented the results of the implementation of its measuring technologies in solving problems of complex measuring of hydrophysical and geophysical fields of various physical nature formed by sources, processes and phenomena of the atmosphere, the ocean and the earth's crust. The necessity of its restoration and equipping at the modern scientific and technical level and use as generalizing and controlling tomographic section of radio hydroacoustic system being created of the covering and monitoring of the Far East marine economic zone has been proved.

Key words: multistatic scheme, radio-hydroacoustic system of monitoring of the Far East marine economic zone, transient monitoring system, hydroacoustic proving ground for measuring.

Начало созданию и эксплуатации мультистатических схем в СССР положено в 1975 г., когда была построена наземная часть гидрофизического стационара на юго-восточном побережье Охотского моря, в районе мыса Левенорна. Данный комплекс оборудовали приемоизлучающей аппаратурой, для чего проложили стационарные кабельные трассы для приема и излучения акустических сигналов, распространяющихся в морской среде на дистанциях 5-12 км [5].

* МИРОНЕНКО Михаил Владимирович - доктор технических наук, младший научный сотрудник, СТАРОДУБЦЕВ Павел Анатольевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой, ВОЛКОВ Илья Евгеньевич - кандидат технических наук, преподаватель, ШЕВЧЕНКО Александр Петрович - начальник училища (Тихоокеанское высшее военно-морское училище им. С.О. Макарова, Владивосток). *Е-таП: professor@mail.primorye.ru

За первые годы работы стационара были обоснованы теоретические модели распространения акустического сигнала; количественные характеристики их взаимодействия с неоднородностями среды и ее границами в зависимости от сезонных и синоптических условий; низкочастотные методы акустической томографии океана (АТО); получены экспериментальные результаты пространственно-временной структуры акустического поля в районах размещения стационарной трассы в целом.

Все это позволило рассчитать основные характеристики среды в интересах обоснования принципов построения и эксплуатации мультистатической стационарной измерительной трассы в переходной зоне Охотского и Японского морей протяженностью около 350 км (рис. 1) [5].

После завершения данных расчетов был введен в эксплуатацию гидроакустический стационар на о-ве Итуруп, оснащенный излучающей аппаратурой и производящий дистанционное измерение характеристик гидрофизических полей среды и морских объектов. Исследования перешли на качественно новую ступень, так как протяженная (340 км) стационарная трасса позволила соотнести закономерности в изменчивости принимаемых акустических сигналов с гидрометеорологической переменчивостью в прилегающих к стационарной трассе районах. С привлечением судов обеспечения исследовали гидрологические разрезы вдоль трассы; производили измерения морфометрических характеристиках ледяного покрова, физико-механических свойств льда; прямые измерения спектров волнения, скорости течения и температуры на различных горизонтах и характеристик взрывных трасс [6].

Все экспериментальные исследования проводились совместно с американской фирмой Science Applications International Corporation (SAIC) [6].

После окончания экспериментальных исследований в 1998 г. на базе Специального конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований (СКБ САМИ) ДВО РАН для фирмы SAIC были произведены обработка и интерпретация данных, полученных на стационарной гидроакустической трассе. Результаты обработки позволили: сделать заключение о применимости методов дистанционного акустического зондирования океана для исследования динамических процессов водной толщи и его поверхности с применением мультистатических схем и реализации методов АТО; составить перспективный план исследований по совершенствованию средств морского приборостроения,

Рис. 1. Район оборудования стационарной просветной радиогидроакустической системы мониторинга и контроля морской среды

разрабатываемых для формирования измерительных трасс и мониторинга гидрофизических полей среды и объектов [8].

В ходе реализации этих планов выполнены необходимые изменения функциональных возможностей технических средств измерений и программ их обработки. Внедрена и используется по настоящее время программа теоретического расчета характеристик акустического поля, использующая решения параболических уравнений, что позволяет исследовать статистические свойства принимаемых акустических сигналов на стационарной гидроакустической трассе и выполнять анализ их связи с изменчивостью гидрометеорологической обстановки [3, 7, 8].

В целом в рамках фундаментальных исследований океана, проводимых ДВО РАН, выполнены основные конструктивные решения построения глубоководной донной автономной станции (ГДАС) и всплывающего модуля спутниковой системы передачи информации, позволяющие обеспечить автономность работы системы в течение 6-8 мес. на глубинах до 6000 м и не менее 40 сеансов связи с помощью спутниковой системы; обоснована целесообразность применения многофункциональной глобальной системы спутниковой связи «Гонец» на базе сети низкоорбитальных космических аппаратов и портативных абонентских терминалов для быстрой передачи информации на региональные информационные центры [3].

Все это позволило осуществить исследования гидрофизических полей и возмущений морской среды, порождаемых синоптическими атмосферными явлениями, разработку и дооборудование просветной гидроакустической трассы о-в Итуруп-мыс Левенорна (о-в Сахалин) как измерительного инструмента для исследования гидроакустических и гидрофизических полей, создаваемых атмосферными явлениями. Эти исследования были самыми актуальными для морской базы СКБ САМИ в связи с проявлениями глобальной динамики климатических процессов в Дальневосточном регионе [7].

При проведении экспериментальных исследований излучающая донная база просвет-ной трассы была установлена на шельфе о-ва Итуруп, две горизонтально разнесенные на 5 км приемные донные базы - на свале глубин мыса Левенорна. Протяженность просветной трассы составляла около 345 км. При проведении эксперимента непрерывно излучались просветные сигналы стабильной частоты 400 Гц, которые принимались приемными базами и регистрировались на береговом посту. Исследования закономерностей зарождения и прохождения синоптических и сейсмических процессов проводили в лабораторных условиях путем статистической обработки просветных сигналов и узкополосного спектрального анализа [3, 7, 10].

На измерительном полигоне были зарегистрированы синоптические возмущения морской среды при прохождении циклона, которое продолжалось около 12 ч. Непрерывная регистрация просветных сигналов для рассматриваемых исследований проводилась в течение 14 ч. Время наблюдения и контроля гидрофизических возмущений морской среды соответствовало времени прохождения синоптического атмосферного циклона от момента его зарождения, усиления до штормовой погоды и последующего полного спадания. Скорость ветра в момент шторма достигала 25-30 м/с, волнение моря по данным наблюдений составляло 8-9 баллов. Динамика синоптической (атмосферной) и морской (поверхностной) обстановки с некоторой задержкой порождала гидродинамические возмущения морской среды, которые, в свою очередь, воздействовали на условия распространения просветных акустических сигналов и проявлялись в их амплитудно-фазовой модуляции. Наряду с двухканальной записью гидроакустических сигналов регистрировали также опорный сигнал аналогичной стабильной частоты.

Исходя из задач широкомасштабного синоптического наблюдения, а также современного представления о просветном методе гидролокации как активно-пассивном и параметрическом была проведена специальная обработка экспериментальных материалов.

При обработке записей акустических просветных сигналов измеряли следующие характеристики: дисперсии флюктуаций амплитуды и фазы; спектры и спектрограммы флюктуаций амплитуды и фазы (рис. 2, 3).

б оТ< йг оз м ад Р. гц

Рис. 2. Спектрограмма гидродинамических возмущений морской среды за весь период наблюдения синоптического процесса. 1-4 - спектры просветных сигналов, нелинейно преобразованных акустическими и гидродинамическими полями объектов и среды

Рис. 4. Изменение амплитуды акустического сигнала относительно слабого подводного землетрясения в формате 3D

сг

Рис. 3. Дисперсия флуктуаций уровня просветного сигнала (отдельный момент записи). А - время нарастания, Б - время максимального проявления, В - штиль

«Детальная» частотно-временная обработка записей акустических просветных сигналов зафиксировала также изменение их амплитуды относительно слабого подводного землетрясения (рис. 4).

Результаты экспериментальных исследований сейсмической обстановки на акватории Охотского моря свидетельствуют о возможности регистрации сигналов слабых землетрясений гидроакустическим просветным методом с использованием средств морского приборостроения.

Результаты исследований в совокупности позволяют сделать вывод о том, что для выделения характерных признаков - предвестников сильных землетрясений необходимо проводить их измерения в диапазоне частот 0,1-1000 Гц с помощью измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики, реализованных средствами морского приборостроения СКБ САМИ ДВО РАН. В этой связи следует отметить: американские вулканологи определили, что океанические разломы земной коры являются источниками низкочастотного излучения сейсмической энергии, на несколько минут опережающей сейсмическое событие [7]. Это также может быть зафиксировано просветным методом и радиогидроакустическими средствами измерения [3, 5-8].

Таким образом, сотрудниками СКБ САМИ ДВО РАН выполнен комплекс исследований для дальнейшего проведения опытно-конструкторских работ в области морского научного приборостроения по освоению Мирового океана, основой которого стали опытная партия глубоководных гидроакустических станций с автономностью до 1 года и автономный модуль спутниковой связи системы «Гонец», работающий по заданной программе.

Проведены их лабораторные и натурные испытания. В 2000 г. завершена разработка конструкторской документации, изготовлены и сданы опытные образцы автономных глубоководных донных гидроакустических станций, на основе которой могут быть сформированы стационарные мобильные системы мониторинга и контроля морских акваторий

[3, 10].

Названные радиогидроакустические и радиотехнические средства могут быть реализованы при формировании и эксплуатации Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения обстановки, комплексного мониторинга полей различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в диапазоне частот 0,1-100000 Гц [9].

Обоснование тактико-технических требований к системе контроля и мониторинга полей различной физической природы на основе измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики по закономерностям рассеяния и дифракции волн объектами, амплитудной и фазовой модуляции просветных волн, а также нелинейного взаимодействия в морской среде просветных и информационных волн представлено в работах [2, 5, 7, 8]. В них вошли теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в модельных условиях (с использованием экранов и макета объекта), а также в натурных условиях с использованием полей реальных объектов и среды. При обосновании требований, необходимых для создания системы дальнего параметрического приема волн источников и среды, применяли существующие (штатные) гидроакустические средства, а также специально изготовленные мобильные излучающие и приемные системы.

Исследованиями показано, что на данном этапе разработки нелинейной просветной гидроакустики при существующем техническом уровне приемных и излучающих гидроакустических средств наиболее эффективны стационарная гидроакустическая система, а также быстроразворачиваемая система, сформированная на основе функционально связанных гидроакустических донных автоматических систем (ГДАС) [2, 3, 9, 11]. Экспериментальными исследованиями и новыми научно-техническими разработками уточнены и дополнены требования к стационарной системе контроля полей морских объектов. Например, учтены операции по выделению в спектрах огибающей и боковых полосах несущей сигналов подсветки низкочастотных составляющих шумового излучения объектов, а также возможность их регистрации по признакам искажения фронта волны просветных сигналов и появления в искаженной волне дополнительных гармоник.

Исходя из перечисленных закономерностей, сопутствующих регистрации объектов методом нелинейной просветной гидроакустики, сформулированы основные тактико-технические требования к системе контроля и мониторинга полей морской среды с учетом их реализации на основе радиогидроакустических средств морского приборостроения, разработанных и изготовленных в СКБ САМИ ДВО РАН [2, 4, 6-9]:

1. Система освещения обстановки в атмосфере, океане и земной коре, комплексного мониторинга их полей различной физической природы в широком диапазоне частот должна быть многофункциональной, широкомасштабной и интегрированной. Система должна функционировать на основе современных цифровых технологий сбора, анализа многовидовой информации и выработки управляющих сигналов для автоматизированного управления региональными подсистемами, включающими стационарные, мобильные гидроакустические и радиотехнические комплексы и средства связи. Непосредственным решением этого направления является разработка структуры и принципов действия многофункционального информационно-аналитического центра системы.

2. Система контроля среды должна содержать разнесенные на противоположные границы контролируемой среды (акватории) излучающую и приемную базы, формирующие просветные гидроакустические линии (трассы) как просветные параметрические антенны. Излучающая база должна быть размещена в центре контролируемой акватории и включать три преобразователя, расположенных на оси ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК).

3. Приемный и излучающий тракты системы контроля с аппаратурой для формирования излучаемых сигналов, а также приема и обработки принимаемых просветных сигналов целесообразно разместить на специально оборудованном береговом (или корабельном) посту или в специально изготовленных изделиях ГДАС, размещаемых по периметру контролируемой акватории радиально относительно излучающего центра через 45о.

4. Излучающий тракт системы контроля должен формировать низкочастотные полигармонические, а также сложные линейно-частотномодулированные или фазомодулиро-ванные просветные сигналы в диапазоне частот около 0,1-3 кГц и обеспечивать возможность их надежного приема на дистанциях до нескольких сотен километров, что может быть реализовано с использованием уже разработанных излучателей.

5. Технические параметры излучающей и приемной баз должны обеспечивать возможность их постоянной работы на глубинах не менее 1000 м.

6. Приемный тракт системы контроля должен обеспечивать многоканальный прием, усиление и частотную фильтрацию принимаемых сигналов с учетом их преобразования полями вероятных объектов и среды.

7. Приемный тракт системы мониторинга должен иметь последовательно включенные блоки: полосовых усилителей, измерителей разности фаз, преобразователей частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область, а также узкополосных анализаторов спектра и функционально связанных с ними регистраторов спектров.

8. Приемная база стационарной системы контроля должна содержать многоэлементные вертикальную и горизонтальную (придонную) антенны (включающие не менее 3 приемников каждая), реализуемые на основе ГДАС и других средств морского приборостроения.

9. Горизонты излучения сигналов подсветки следует выбирать в соответствии с гидролого-акустическими условиями охраняемой акватории, устанавливать на оси, расположенной выше или ниже оси подводного звукового канала, и обеспечивать максимальную подсветку всех участков и горизонтов контролируемой акватории.

10. В гидролого-акустических условиях, а также тактических ситуациях, в которых дополнительно к стационарным средствам могут быть использованы ГДАС с многоэлементными антеннами, обеспечивающие возможность применения мобильных корабельных излучающих и приемных систем, приемное судно должно стоять на якоре, излучающее судно может находиться в дрейфе. При наличии специальной многоэлементной приемной системы ее следует поставить на мелководье (на якорь) и «развязать» от волнения моря и качки корабля. Забортный излучатель или система из трех вертикально разнесенных излучателей в этом случае может буксироваться с глубоководной стороны контролируемой трассы. Излучающая система должна находиться в дрейфе или ее следует буксировать на заданной глубине.

11. Для вхождения радиогидроакустической системы мониторинга и контроля в Единую региональную информационную сеть сбора и анализа информации о морской обстановке (предпочтительно в Региональный информационно аналитический центр) ее приемная часть должна включать модуль спутниковой связи, работающий по заданной программе.

Наблюдения сейсмических и синоптических процессов на основе технологий про-светной гидроакустики и средств морского приборостроения необходимо проводить по следующим направлениям:

• осуществлять одновременный прием шумов океана на приемные антенны гидроакустических станций и сейсмические датчики в системе единого времени с целью обеспечения последующей корреляционной обработки, идентификации фаз сигналов от землетрясений;

• обеспечить синхронные долговременные непрерывные записи шумов океана сейсмического происхождения в двух и более пространственно разнесенных точках океана;

• организовать быструю передачу многоканальной информации с береговых постов гидроакустической станции в региональный центр мониторинга сейсмической активности, например по каналам спутниковой связи;

• проработать организационно-технические вопросы в области конверсии по дополнительному оснащению вновь разрабатываемых гидроакустических комплексов аппаратурой донной сейсмической разведки с передачей информации на береговой пост по подводной кабельной линии связи;

• разработать алгоритмы и программы расчетов сейсмической обстановки и прогнозирования сильных землетрясений.

Программы будут проводить расчеты пространственно-временной структуры акустического поля контролируемой морской среды и обеспечивать: выделение на их основе сигналов сейсмической природы на фоне шумов моря; совместную корреляционную обработку сигналов с сейсмических датчиков и акустических приемников; определение временной изменчивости шумов океана; расчет эпицентров сейсмических событий с привлечением данных о компоненте сейсмического сигнала; анализ изменчивости передаточной функции гидроакустического канала в зоне вероятного сейсмического события. К настоящему времени основная часть программ выполнена и эффективно используется [1, 7, 9, 10].

Наблюдения за сейсмической активностью с помощью донных гидроакустических станций могут быть применимы для контроля напряженного состояния подводной части земной коры, обнаружения процесса аномального массового развития микротрещин, подготавливающего образование разломов и, следовательно, для осуществления прогноза сейсмоопасного состояния региона. Развитая сеть непрерывного контроля подводных сейсмических явлений в акустическом диапазоне, многоканальная регистрация и комплексная интерпретация измеряемой информации помогут более точно определять вероятные координаты предстоящих подземных и подводных землетрясений, их магнитуду, а также сейсмических волн от возможных ядерных испытаний.

Заключение

Таким образом, в процессе исследований с целью развития и совершенствования акустических методов дистанционного зондирования юго-восточной зоны Охотского моря для оптимизации системы освещения подводной и надводной обстановки в зоне досягаемости стационарных гидроакустических приемников в СКБ САМИ ДВО РАН разработаны и созданы технологии нелинейной просветной гидроакустики, обеспечивающие дальний и сверхдальний параметрический прием волн различной физической природы, формируемых источниками и процессами в атмосфере и океане; радиогидроакустические средства морского приборостроения, на основе которых оборудован измерительный радиогидроакустический полигон в переходной зоне Охотского и Японского морей.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также разработок радиогидроакустических средств морского приборостроения сформирована структура просветной радиогидроакустической системы для ее установки и эксплуатации в южной части Охотского моря.

По результатам испытаний средств морского приборостроения и исследований полей различной физической природы обоснованы принципы построения и эксплуатации системы освещения и мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры, обеспечивающие ее вхождение в Региональный информационно аналитический центр анализа многофункциональной информации и управления подсистемами в пределах границ морской экономической зоны Дальневосточного региона.

Гидроакустический полигон после его восстановления и дооборудования на современном научно-техническом уровне может стать основным блоком создаваемой Дальневосточной радиогидроакустической системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры.

С реконструкцией полигона связана основная идея экспериментальных исследований и научно-технических разработок в области фундаментальной и прикладной гидрофизики и гидроакустики. В настоящее время на нем планируется разработка средств морского приборостроения, а также проведение комплексных исследований характеристик полей различной физической природы, процессов и явлений атмосферы, океана и земной коры. Создаваемая радиогидроакустическая система должна обеспечивать мониторинг информационного поля Земли и его использования в решении задач морской науки, оборонного и народно-хозяйственного комплексов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акуличев В.А., Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B., Пен-кин С.И. Акустогидрофизический комплекс для морских томографических исследований // Приборы и техника эксперимента. 2000. № 6. С. 112-115.

2. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю., Куртепов В.М., Нечаев А.Г., Хилько А.И. Акустическая томография океана. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1997. 255 с.

3. Кедров О.К. Сейсмические методы контроля ядерных испытаний. М.: Ин-т физики Земли РАН, 2005. 420 с.

4. Красный М.Л., Храмушин В.Н., Шустин В.А., Воловский В.В., Громов А.Б., Золотухин Е.Г., Пищаль-ник В.М. Пути создания системы мониторинга шельфа Сахалинской области. Южно-Сахалинск: Сахалин. кн. изд-во, 1998. 208 с.

5. Малашенко А.Е., Недорез Ю.И., Емельяненко В.Ф. Отчет о НИР «Предложения по созданию системы сейсмоакустического мониторинга». Южно-Сахалинск: СКБ САМИ ДВО РАН, 2002. 40 с.

6. Малашенко А.Е., Мироненко М.В., Карачун Л.Э., Халаев Н.Л. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем комплексного мониторинга гидрофизических полей морских акваторий на основе разработок средств морского приборостроения. Владивосток: Издательский дом ДВФУ, 2012. 264 с.

7. Мироненко М.В., Василенко А.М., Бахарев С.А., Стародубцев П.А., Пятакович В.А. Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Владивосток: Тихоокеан. военно-мор. ин-т им. С.О. Макарова, 2013. 323 с.

8. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко А.М., Леоненков Р.В. Низкочастотный про-светный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. Владивосток: Дальнаука, 2006. 173 с.

9. Мироненко М.В., Киян Ю.В., Малашенко А.Е. Принципы формирования системы мониторинга и контроля Дальневосточного региона // Науч.-техн. сб. Вып. 39. Владивосток: Тихоокеан. военно-мор. ин-т им. С.О. Макарова, 2003. С. 31-38.

10. Стародубцев П.А., Халаев Н.Л., Димидов В.Е. Некоторые концептуальные положения процесса мониторинга океанской среды. Владивосток: Издательский дом ДВФУ, 2012. 222 с.

11. Godin О.А., Mikhin D.Yu. Computer simulation of acoustic tomography of ocean currents in coastal regions // Teoretical and Computational Acoustics-97. Singapore, 1999. P. 499-513.