Том 69, № 5 (2023)

Обсуждаются результаты исследований особенностей формирования импульсных характеристик на оси подводного звукового канала в волноводах с различными гидрологическими и батиметрическими условиями Японского и Охотского морей. Приведены результаты модельных расчетов и экспериментов, характеризующих закономерности распространения низкочастотных импульсных сигналов в сложных волноводах, включающих шельф и глубокое море на сотни километров. Показано, что одним из основных эффектов, определяющих дальнее распространение звука в сложных волноводах, включающих шельф и глубокое море, является эффект акустического “оползня”. Показано также, что численное моделирование процесса распространения сигналов из шельфа в глубокое море на акустических трассах в Японском и Охотском морях с использованием программы “RAY” обеспечивает хорошую сходимость рассчитанных и полученных экспериментально импульсных характеристик.

Рассмотрен метод и разработан алгоритм дистанционного обнаружения звукорассеивающих слоев в морях и океанах по данным полосовой съемки рельефа дна интерферометрическим гидролокатором бокового обзора (ИГБО). На основе математического моделирования фазоразностных измерений ИГБО для многослойных рассеивающих плоскостей в морской воде, продемонстрированы возможности обнаружения звукорассеивающих слоев и измерения глубин их расположения с помощью предлагаемого алгоритма. Проведена оценка точности вычисления глубин звукорассеивающих слоев при постоянном значении скорости звука и определены требования к ИГБО для обеспечения необходимой точности обнаружения отдельных слоев, расположенных на различных глубинах. Продемонстрирована эффективность предложенного метода на примере обработки по разработанному алгоритму экспериментальных данных, полученных при исследованиях рельефа дна с помощью ИГБО диапазона 85 кГц.

Цель данной работы – численная демонстрация и сравнительный анализ критически сильного и неоднозначного влияния априорной неопределенности модели волновода мелкого моря по ее основным физическим параметрам на эффективность основанных на модели методов пространственной обработки многомодовых сигналов, принимаемых вертикальной антенной решеткой. Рассматривается сценарий приема относительно слабого сигнала удаленного подводного источника на фоне интенсивной помехи, создаваемой подповерхностным источником (имитирующим надводное судно) и динамического шума морской среды, возбуждаемого ветровым волнением. Методы обработки включают согласованную обработку полезного сигнала, оптимальную обработку сигнала на фоне помехи и шума, квазиоптимальную обработку на основе согласованной фильтрации одной из мод сигнального поля с адаптивным выбором ее номера. Получены количественные оценки сверху для величин погрешности данных относительно скорости звука в водной толще и геоакустических параметров подстилающего дна, при которых потери усиления антенны не превышают заданного уровня. Показано, что подобные оценки сильно различны как для разных параметров среды, так и для методов обработки, при этом определяющую роль играют условия приема полезного сигнала – модовый состав и уровни интенсивности помехи и шума среды на входе антенны. Постановка задачи и результаты представляются полезными для формулировки требований к средствам оперативной океанографии, предназначенных для поддержки эффективного функционирования гидроакустических антенных систем в реальных морских условиях.

В экспериментах на стационарной акустической трассе под сплошным ледовым покровом получены оценки возможных значений вариаций времен распространения звуковых сигналов на расстояниях в ≈4 км с периодом более 100 с. Эксперименты выполнены на оз. Байкал в весенний период, когда вертикальный профиль скорости звука имеет два характерных для пресноводных акваторий участка: верхний слой с близкой к постоянной скоростью звука и нижний с линейным ростом скорости звука. В этих условиях вариации времени распространения не превышали ~10^–4 с. Численное моделирование показало, что вариации времен распространения, обусловленные изменчивостью среды, минимальны для случая нахождения источника и приемника звука в верхнем слое. Продемонстрировано, что в этом случае в качестве эффективного значения скорости звука, определяющего время распространения, допустимо брать скорость звука в верхнем квазиоднородном слое. Полученные результаты позволили сформулировать рекомендации по подледному акустическому позиционированию автономных необитаемых подводных аппаратов.

Исследуется влияние случайных внутренних волн на коэффициент усиления и диаграмму направленности горизонтальной антенной решетки в мелком море. Предложен алгоритм расчета корреляционной матрицы поля точечного источника на апертуре решетки. Коэффициент усиления антенны анализируется для различных методов пространственной обработки: метод ФАР, метод оптимальной линейной обработки и метод оптимальной квадратичной обработки. Влияние внутренних волн на диаграмму направленности описывается дисперсией углового отклика решетки. Приведены результаты численного моделирования для модельного волновода летнего типа и экспоненциального профиля частоты Брента–Вяйсяля. При этом используется эмпирический спектр внутренних волн, предложенный ранее по результатам эксперимента SWARM95. Анализируются зависимости характеристик антенной решетки от числа ее элементов, ориентации по отношению к источнику, частоты излучения и акустических характеристик дна.

С помощью численного моделирования исследуется широкополосное (35–1000 Гц) звуковое поле, создаваемое точечным излучателем в шельфовой зоне с неоднородной структурой донных осадков. Глубина шельфа составляет около 30 м, максимальное расстояние – 10 км. В качестве модельной неоднородности выбирается переходная область от дна со скоростью звука 1400 м/с к дну со скоростью 1600 м/с. Для расчетов звукового поля используется модовое описание и широкоугольные параболические уравнения. В численных экспериментах показано, что на частоте ниже 100 Гц проявляется главным образом горизонтальная рефракция. Она приводит к увеличению амплитуды низкочастотного звукового импульса, распространяющегося вдоль переходной области, на 10 и более дБ по сравнению с аналогичным волноводом с однородным дном. На частоте выше 100 Гц доминирующим эффектом является межмодовое взаимодействие, вызывающее появление модуляции амплитуды мод в частотной области. Сделанные в рамках упрощенной модели выводы подтверждаются при расчетах для реальной структуры донных осадков в Карском море.

Предложен и апробирован на экспериментальных данных метод оценки параметров ледового покрова океана (толщина, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность), не требующий применения источника. Для реализации рассматриваемого подхода требуются два расположенных на поверхности льда одноканальных сейсмоприемника, регистрирующих вертикальную компоненту колебательной скорости сейсмического шума. Спектрально-корреляционный анализ функции взаимной корреляции шумов, зарегистрированных приемниками, позволяет оценить дисперсионную зависимость групповой скорости изгибно-гравитационной волны, распространяющейся по ледовой пластине. Решение обратной задачи основано на анализе дисперсии не только групповой, но и фазовой скорости, что позволяет увеличить объем первичных данных. Полученные оценки параметров льда соответствуют результатам независимых наблюдений, проводимых в ходе эксперимента, а также оценкам других авторов, полученным для характеристик льда в регионе проведения эксперимента.