Способ достроения измеренной от поверхности моря части профиля вертикального распределения скорости звука до дна
METHOD FOR COMPLETING THE PART OF THE PROFILE OF VERTICAL DISTRIBUTION OF THE SPEED OF SOUND MEASURED FROM THE SEA SURFACE TO THE BOTTOM

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для формирования полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в воде от поверхности моря до дна.
Для решения множества задач гидроакустики: расчет дальностей обнаружения погруженных целей, угловых и временных характеристик принятого антенной многолучевого сигнала для классификации целей, средней горизонтальной скорости распространения зондирующего сигнала для обеспечения режима измерения дистанции до цели и т.д., необходимо знание полного профиля ВРСЗ от поверхности моря до дна [1-3]. Современная судовая аппаратура измеряет значения гидролого-акустических параметров (скорость распространения звука, температура, электропроводность или соленость воды) до глубин не более 500 метров [4].
Известны способы получения полного профиля ВРСЗ от поверхности до дна на основе измеренного его фрагмента корабельной аппаратурой. Так в способе, изложенном в патенте [5], осуществляется достроение полного профиля ВРСЗ на основе текущего замера ВРСЗ с привлечением априорной информации из базы данных многолетних измерений ВРСЗ, представленной в статистической форме. Для измеренного фрагмента ВРСЗ находится максимально правдоподобное априорное ВРСЗ из базы данных, после чего происходит достраивание точек ВРСЗ для глубин, лежащих выше и ниже границ замера ВРСЗ. При этом производится коррекция априорного профиля с учетом текущей глубины района плавания и, в случае необходимости, линейная интерполяция реперных точек на интересующие глубины.
Недостатком способа является низкая точность получаемого полного профиля ВРСЗ относительно фактического, обусловленная использованием для дальнейшей обработки измеренного фрагмента скорости звука только одного «максимально правдоподобного» профиля ВРСЗ из всего многообразия, имеющихся в базе данных статистических измерений, атласах и других источниках информации, описывающих климатические наблюдения гидрологических характеристик морей и океанов за большой промежуток времени. При этом функция правдоподобия основана на сравнении части единичного профиля ВРСЗ из базы данных многолетних измерений и измеренного участка фрагмента ВРСЗ, распространена на полный профиль ВРСЗ и не учитывает характерные особенности приводного и придонного слоя в данном районе моря для конкретного сезона.
Наиболее близким (прототип) по совокупности признаков к предполагаемому изобретению является способ, изложенный в патенте [6] и заключающийся в измерении фрагмента кривой ВРСЗ, расчете значения скорости звука на поверхности моря на основе анализа приповерхностного слоя скорости звука, расчете области возможного нахождения подводного звукового канала и средневзвешенных значений скорости звука на стандартных горизонтах на основе набора вероятностных кривых ВРСЗ климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года и построения полного профиля ВРСЗ от поверхности до дна.
Недостатками известного способа является то, что отсутствие информации о измеренных значениях скорости звука в приповерхностном слое и на поверхности моря приводит к неточности построения профиля ВРСЗ, что влечет к значительным ошибкам в расчете дальности обнаружения погруженных объектов и снижению эффективности средств освещения подводной обстановки.
Для устранения недостатков приведенных способов получения кривой ВРСЗ от поверхности моря до дна с использованием измеренного массива данных, предлагается способ достроения измеренной от поверхности моря части профиля ВРСЗ судовой аппаратурой до дна с использованием массива статистических данных по слоисто-градиентной структуре поля скорости звука и типовой кривой ВРСЗ в придонном слое для конкретного района Мирового океана.
Целью изобретения является повышение точности решения практических задач гидроакустики, требующих наличия полного профиля ВРСЗ, за счет повышения достоверности представления цифровой модели канала распространения акустической энергии в водной среде.
Поставленная цель достигается тем, что способ достроения измеренной от поверхности части профиля вертикального распределения скорости звука до дна, заключающийся в измерении судовой аппаратурой приповерхностного фрагмента кривой ВРСЗ и последовательном приближении слоистой и градиентной структуры поля скорости звука последнего измеренного значения скорости звука к скорости звука на глубинном горизонте сопряжения для заданного района Мирового океана и периода года, при этом параметры градиентов скорости звука по слоям и типовые кривые ВРСЗ от горизонта сопряжения до дна для конкретных районов моря и сезонов года сведены в климатические базы данных.
ij
Рассмотрим работу предлагаемого способа. Весь массив многолетних данных по скорости звука А для конкретного района Мирового океана разбивается на подмассивы А, которые описывают градиентную изменчивость поля скорости звука в i-м слое, j-м районе и имеют для данного района характерную типовую кривую ВРСЗ в придонном слое. Эта информация представляет собой исходную климатическую базу данных, используемую для достроения измеренного фрагмента ВРСЗ до дна.
Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой приведен пример, поясняющий предлагаемый способ.
п
изм
изм
п
изм
изм
дн
Для решения поставленной задачи производится измерение фрагмента профиля ВРСЗ от поверхности моря (С,0) до предельной глубины (С,Н). При этом предельная глубина измерения глубина ВРСЗ может быть минимальной. Формируется измеренная часть профиля ВРСЗ (С,0:, C,H), которую необходимо достроить до дна моря. Дополнительно фиксируются географические координаты положения носителя измерительной аппаратуры (ϕ, λ) и измерение глубины места (H).
ij
ГС
ГС
дн
дн
Используя географические координаты места проведения измерений в исходной климатической базе данных, выбираем подмассив многолетних наблюдений А за текущий сезон с присущими градиентами скорости звука для набора слоев, характеризующих данный морской район. Для примера, приведенного на фиг. 1, выбранный район характеризуется 3-мя градиентными слоями (отрезки 1-2, 2-3, 3-4). Для данного района из этой же климатической базы данных выбираем типовую кривую ВРСЗ в придонном слое, которая начинается с глубины горизонта сопряжения (С,Н) и заканчивается на глубине места (С,Н).
изм
изм
ГС
ГС
ij
Iсл
изм
изм
Iсл
Iсл
Iсл
Для сопряжения последней измеренной точки (С,Н) с точкой на горизонте сопряжения (С,Н), выбранный из подмассива А градиент для I слоя графически опускаем на горизонт сопряжения и получаем точку (ГС), из которой проводим прямую до последней измеренной точки (С,Н). Ограничиваясь глубиной I слоя (H), получаем точку (С,H,), которая будет входить в построенный профиль ВРСЗ.
IIсл
Iсл
Iсл
IIсл
IIсл
IIсл
Далее, используя градиент для II слоя, графически опускаем на горизонт сопряжения и получаем точку (ГС), из которой проводим прямую до последней полученной при достроении точки (С,H). Ограничиваясь глубиной II слоя (Н), получаем точку (С,H), которая будет входить в построенный профиль ВРСЗ.
IIсл
IIсл
ГС
ГС
п
изм
изм
изм
изм
Iсл
Icл
IIсл
IIсл
ГС
ГС
дн
дн
Последнюю полученную при достроении точку (С,H) соединяем с точкой скорости звука типовой кривой ВРСЗ в придонном слое (С,Н), расположенной на горизонте сопряжения. В результате предложенного способа измеренная часть профиля ВРСЗ (С,0; С,Н) достраивается до дна профилем (С,Н; С,Н; С,Н; С,Н; С,Н).
Предложенный способ достроения измеренной от поверхности части профиля ВРСЗ позволяет автоматизировать процесс обработки измерительной информации на судне. К достоинствам данного способа стоит отнести: проведение обработки измерительной информации без участия оператора, что позволит минимизировать вносимые погрешности; при достроении измеренной части профиля до полной кривой ВРСЗ учитываются слоисто-градиентные особенности поля скорости звука района наблюдений; способ применим как при получении минимальной части по глубине измерения профиля ВРСЗ, так и при измерении скорости звука только на поверхности моря, получаемой, например, с авиационных или космических носителей.
Таким образом, заявленный способ достроения измеренной от поверхности части профиля ВРСЗ в воде до дна позволит в значительной степени повысить точность и оперативность получения отдельных характеристик гидрофизических параметров морской среды с целью решения практических задач гидроакустики, требующих учета полного профиля ВРСЗ.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
1. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики / пер. с англ. - Л. Судостроение, 1978 - 448 с.
2. Машошин А.И. Оптимизация маневрирования подводной лодки с использованием гидроакустических расчетов. // Морская радиоэлектроника. 2012. №4(42). с. 24-27.
3. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1983. 205 с.
4. Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. 2003. 357 с.
5. Патент на изобретение №2498354. G01V 1/38, G01Η 5/00. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука / Машошин А.И., Соловьева О.Б., Шафранюк А.В. Опубл. 10.11.2013.
6. Патент на изобретение №2618599. G01S 15/00. Способ достроения измеренной части профиля вертикального распределения скорости звука в воде до поверхности и до дна. / Микушин И.И. Опубл. 04.05.2017.