Метод мониторинга вертикального распределения скорости звука в условиях мелководных акваторий

Использование: изобретение относится к гидроакустике, а именно к области импульсных измерений (акустической томографии), и может быть использовано для измерений и мониторинга во времени вертикального распределения скорости звука в пространстве, а также температуры и уровня поверхности в мелководных акваториях. Сущность: метод основан на измерении среднего по пространству (с линейным размером, равным расстоянию между излучателем и приемником) вертикального профиля скорости звука методом горизонтального импульсного акустического зондирования с измерением времен приходов импульсов между стационарно размещенными в области измерений излучателем и приемным гидрофоном. Значения поля скорости звука по глубине вдоль трассы определяют одновременно для всех горизонтов измерений с частотой от одного раза в секунду и более на периодах времени более года. Технический результат: повышение достоверности и точности гидрологических наблюдений, упрощение и повышение точности метода мониторинга вертикального профиля скорости звука в экстремальных условиях на тестируемых акваториях. 6 ил.

 

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к области импульсных измерений (акустической томографии), и может быть использовано для измерений и мониторинга во времени вертикального распределения скорости звука, а также температуры и уровня поверхности в мелководных акваториях: озерах, заливах, проливах, в области океанического шельфа и во внутренних морях.

Известен метод измерения скорости звука в глубоком море на больших, порядка 1000 км, дистанциях [Munk W., P. and Wunsch C. «Ocean Acoustic tomography: a scheme for large scale monitoring», Deep-Sea Research, 26, 1979, p.123-161; Munk W., P.Worcester, and Wunsch C. Ocean Acoustic Tomography, Cambridge Monographs on Mechanics, New York, USA, 1995]. Принципиальным моментом в указанном методе является определение скорости звука методом обратной задачи по измеряемым временам распространения акустических импульсов вдоль траекторий собственных лучей в среде с использованием усредненных статистических данных о профиле скорости звука вдоль трассы измерений. Недостатком данного метода является возможность применения данного метода только для случая распространения акустических сигналов по лучевым траекториям в условиях глубокого моря.

Известен метод измерения во времени средней по пространству скорости звука на дистанциях в океане до 4000 км [п. США №5691957, МПК G01V 1/00]. Источник акустических сигналов располагается стационарно на дне, а приемники акустических сигналов представляют собой свободно дрейфующие буи, с гидрофонами, расположенными в области подводного акустического канала. Недостатками метода являются необходимость постоянного измерения дистанции между источником и приемниками акустических сигналов в результате дрейфа приемной системы и использование для расчетов скорости звука модели глубокого моря.

Известно, что для случая распространения акустических сигналов в мелком море несколько первых приходов, соответствующих отраженным от дна и преломленным в водной среде собственным лучам, не разделяются во времени и не могут использоваться при решении обратной задачи. Поздние приходы для рассматриваемой схемы эксперимента могут разделяться во времени и формируют характерные «четверки» приходов, образованные собственными лучами, отраженными от поверхности и от дна. Количество таких, разделенных во времени, приходов может быть достаточно большим. Кроме того, число линейно-независимых приходов, которые могут использоваться для расчета матрицы преобразования при решении обратной задачи, значительно меньше, чем число фактически измеренных в эксперименте, разделенных во времени, приходов. Было показано, что существуют ограничения применимости метода обратной задачи для определения вертикального профиля скорости звука по измеренным временам прихода акустических импульсов для случая мелкого моря, связанные с необходимостью определения независимых (с точки зрения решения системы линейных уравнений) приходов из общего количества приходов, измеренных экспериментально, небольшого количества независимых приходов относительно количества всех измеренных в эксперименте приходов акустических импульсов, а также требования разделения во времени независимых приходов [Rodr'iguez O.C. and Jesus S. Physical limitations of travel-time-based shallow water tomography. J. Acoust. Soc. Am, 6 (108), December 2000].

Известна методика томографического восстановления вертикального профиля скорости звука в мелком море по измеренным временам прихода акустических импульсов между установленными на дне двумя ресиверами (обратимыми источником и приемником звука), имеющая наибольшее сходство с заявляемым методом [Гончаров В.В., Иванов В.Н., Кочетов О.Ю., Курьянов Б.Ф., Серебряный А.Н. К локальной акустической томографии на морском шельфе. Доклады XXII сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета по акустике РАН, М., 2010, с.225-229].

Определение вертикального профиля скорости звука (ПСЗ) в данной работе проводят по измеренным временам прихода акустических импульсов, значениям опорного профиля скорости звука, близкого к значениям профиля скорости звука в районе работ, и данным о рельефе дна с использованием комбинированного расчета на основе метода согласованных временных откликов [Гончаров В.В. Метод согласованных временных откликов в акустической томографии океана. Акуст. ж., 1997, 43, 5, с.622-629] и метода решения обратной задачи [Munk W., P. and Wunsch С. «Ocean Acoustic tomography: a scheme for large scale monitoring», Deep-Sea Research, 26, 1979, p.123-161; Munk W., P.Worcester, and Wunsch C. Ocean Acoustic Tomography, Cambridge Monographs on Mechanics, New York, USA, 1995].

Известный метод реализуют с использованием двух идентичных донных модулей, каждый из которых содержит: обратимый акустический преобразователь для излучения и приема акустических сигналов, связанный с донным аппаратным цилиндрическим контейнером, в котором располагают усилитель мощности излучаемых сигналов, усилитель принимаемых сигналов и аккумуляторный блок питания всей электронной аппаратуры, плавающей на поверхности буй-веха, связанный кабелем с донным контейнером и содержащий на нижнем конце другой контейнер с автономным одноплатным компьютером Poseidon фирмы Micromax Systems, системой спутниковой связи GPS, блоком питания и спутниковой антенной.

Для точного измерения времени распространения импульсных сигналов между стационарно установленными на дне ресиверами используют сигналы точного времени системы GPS.

Для определения вертикального профиля скорости звука ресиверы размещают таким образом, чтобы соединяющая их линия проходила через область измерения среднего вертикального профиля скорости звука, задают по известным данным вертикальный профиль скорости звука С₀(z), производят расчет параметров собственных лучей в рамках лучевого приближения, затем последовательно излучают одиночные акустические сигналы, регистрируют сигналы единого времени и серию импульсных сигналов, сформированных в области измерения, производят осреднение по нескольким сериям импульсных сигналов, сформированных в области измерения путем их суммирования, измеряют времена между излученным сигналом и каждым импульсом в осредненной серии сигналов, проводят идентификацию каждого зарегистрированного импульса по максимуму корреляции измеренных и рассчитанных времен прихода, определяют линейно-независимые приходы и на основании сопоставления измеренных средних данных и теоретически рассчитанных коэффициентов связи между вариациями времен прихода и вариациями скорости звука рассчитывают вертикальный профиль скорости звука исследуемого района. Указанная процедура повторяется для каждого последующего измерения вертикального профиля скорости звука.

Известная методика позволяет в условиях мелкого моря провести идентификацию линейно-независимых групп собственных лучей и усредненных времен прихода измеренных экспериментально импульсов и выполнить восстановление ПСЗ с учетом профилей опорного профиля скорости звука и профиля глубин между парами измерительных станций.

Однако данная методика недостаточна точна, поскольку: вертикальный профиль скорости определяют не по временам всех измеренных приходов, а только по числу, равному числу линейно-независимых собственных лучей, используют осредненные по времени измеренные значения времен приходов, значения профиля скорости взяты не во время измерения, а любые, близкие к данному месту, значения.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа мониторинга вертикального распределения скорости звука в мелком море в реальном масштабе времени на основании всех приходов, максимально точно по глубине и максимально часто, в течение длительного времени.

Технический результат - упрощение и повышение точности метода за счет использования экспериментально измеренных времен прихода всей серии регистрируемых акустических импульсов и измеренных значений вертикального профиля скорости звука в начале измерений.

Поставленная задача решается методом мониторинга вертикального распределения скорости звука в условиях мелководных акваторий, включающем размещение излучателя и приемника акустических сигналов таким образом, чтобы соединяющая их линия проходила через область измерения среднего вертикального профиля скорости звука, определения глубины их установки, измерения вертикального профиля скорости звука С₀(z) и профиля дна и расчета параметров собственных лучей в рамках лучевого приближения, затем осуществляют излучение одиночного акустического сигнала излучателем и регистрацию приемником серии импульсных сигналов, сформированных в области измерения, и сигналов единого времени, измеряют времена между излученным сигналом и каждым зарегистрированным импульсом, проводят идентификацию каждого зарегистрированного импульса на основании равенства измеренных и рассчитанных времен распространения, определяют скорости V_0ri распространения акустических сигналов между источником и приемником вдоль траекторий групп собственных лучей и глубины z_0i вертикального профиля для полученных скоростей, соответствующих всем измеренным и идентифицированным импульсам на основании результатов измерений вертикального профиля скорости звука С₀(z) из условия С₀(z_i)≅V_0ri, для всех последующих моментов времени определение вертикальных профилей С(z_i) скорости звука производят по вновь измеренным значениям времен прихода серии импульсов путем расчета соответствующих им скоростей распространения V_ri для определенных в начальный момент времени значений глубин z_0i из условия C(z_i)=V_ri(z_0i).

В отличие от прототипа в предлагаемом методе мониторинга вертикального распределения профиля скорости звука по результатам измерений времен прихода акустических импульсов используют результаты экспериментально (фактически) полученного профиля скорости звука на момент начала измерений, используют времена приходов всех, а не только линейно-независимых приходов, для каждого измерения профиля скорости звука используют одну посылку, данные измерений не усредняются, и кроме этого не требуется определения независимых приходов и полного разделения приходов по разным собственным лучам.

Метод осуществляют следующим образом.

Излучатель и приемник акустических сигналов стационарно размещают в исследуемом районе на известной глубине таким образом, чтобы соединяющая их линия проходила через область измерения среднего вертикального профиля скорости звука. Для точного измерения времени распространения импульсных сигналов между установленными на дне излучателем и приемником используют сигналы любой системы точного времени. Измеряют вертикальный профиль скорости звука C₀(z) и профиль глубин между излучателем и приемником в области измерений. На основании полученных данных производят расчет параметров собственных лучей в рамках лучевого приближения. Затем излучают одиночный акустический сигнал, регистрируют сигналы единого времени и серию импульсных сигналов, сформированных в области измерения, измеряют времена между излученным сигналом и каждым зарегистрированным импульсом в серии импульсных сигналов, проводят идентификацию каждого зарегистрированного импульса по равенству измеренных и рассчитанных времен прихода, определяют скорости распространения акустических сигналов между источником и приемником вдоль траекторий групп собственных лучей V_0ri, определяют глубины z_0i вертикального профиля для полученных скоростей, соответствующих всем измеренным и идентифицированным импульсам па основании результатов измерений вертикального профиля скорости звука из условия С₀(z_i)≅V_0ri. Определение вертикальных профилей C(z_i) скорости звука для всех последующих моментов времени (или излучаемых импульсов) производят по вновь измеренным значениям времен прихода серии импульсов путем расчета соответствующих им скоростей распространения V_ri, для определенных в начальный момент времени значений глубин z_0i, из условия С(z_i)=V_ri(z_0i).

Заявляемый метод был реализован в натурных условиях и режиме реального времени в условиях эксперимента в бухте Витязь Залива Петра Великого Японского моря в августе 2011 года.

Для определения вертикального профиля скорости звука излучатель и приемный гидрофон были размещены таким образом, чтобы соединяющая их линия проходила через область измерения среднего вертикального профиля скорости звука. Перед излучением первого импульса с помощью зонда STD был измерен вертикальный профиль скорости звука С₀(z) и с помощью эхолота был выполнен промер профиля дна между излучателем и гидрофоном. На основе полученных данных произведен расчет параметров собственных лучей в рамках лучевого приближения, и определены скорости V_0ri распространения акустических сигналов между источником и приемником вдоль траекторий групп собственных лучей.

Схема эксперимента приведена на фиг.1, где 1 - излучатель, 2 - приемный гидрофон, 3 - береговой пост, где 4 - формирователь излучаемого сигнала, 5 - система точного времени, 6 - приемник радиосигналов, 7 - компьютер (ПК), 8 - автономный радиогидрофизический буй, 9 - якорь.

Излучатель акустических сигналов 1 стационарно установлен на дне бухты, на глубине порядка 13,9 м. Излучатель 1 соединен кабелем с формирователем 4 сложных импульсных сигналов (фазоманипулированные на основе м-кода с длиной 255 символов, центральная частота 2000 Гц, 4 периода/символ), расположенным на береговом посту 3. Приемный гидрофон 2 также стационарно размещен вблизи дна (h~12,5 м) на расстоянии 808 м от излучателя 1 и через якорь 9 соединен с автономным радиогидрофизическим буем (РГБ) 8. Принятые гидрофоном 2 сигналы, с помощью аппаратуры РГБ 8, преобразовывались в цифровой код и по радиоканалу передавались на приемник 6 берегового поста 3. С приемника 6 принятые сигналы вводились в компьютер 7, где проводилась цифровая обработка (ЦОС) принятых сигналов, которая заключалась в корреляционной свертке принятых гидрофоном сигналов с электронной маской излучаемых импульсов. По результатам ЦОС рассчитывалась функция отклика акустического канала (ФОК) во временной области. Синхронизация и идентификация во времени процесса излучения и приема проводилась с помощью высокоточной системы точного времени 5. Полученные значения ФОК записывались в файл входных данных компьютерной программы компьютера 7 и использовались для расчета вертикального профиля скорости звука и осуществления мониторинга.

На фиг.2-5 приведен пример проведенного мониторинга вертикального профиля скорости звука, выполненный на основании и в соответствии с заявляемым методом.

Фиг.2. Карта района измерений, расположение излучателя и приемного гидрофона, профиль скорости звука и профиль дна и траектории групп собственных лучей.

Фиг.3. Отображение структуры одиночной серии измеренных приходов, измеренный в начальный момент профиль скорости звука (А) и рассчитанный по серии измеренных приходов профиль скорости звука (Б).

Фиг.4. Мониторинг скорости звука на заданных глубинах (измерение во времени без усреднения).

Фиг.5. Мониторинг скорости звука (измерение во времени) непрерывно по глубине по осредненным данным.

Таким образом, предлагаемый метод мониторинга вертикального профиля скорости звука позволяет проводить измерения в условиях мелкого моря, где распространение акустических сигналов происходит с многократными отражениями от дна и поверхности, с учетом времен приходов всех импульсов в течение длительного времени.

Указанный метод также может быть использован для мониторинга вертикального распределения температуры в мелководных акваториях, путем пересчета по известным формулам [Mackenzie, K.V. Nine-term Equation for Sound Speed in the Oceans // J. Acoust. Soc. Am. 70 (1981), p.807-812] измеренных значений вертикального профиля скорости звука и солености (электропроводности) в районе наблюдений. Также по вариациям времени прихода последнего импульса (испытывающего максимальное, из всех приходов, количество отражений от границ дно - поверхность) можно проводить мониторинг изменений уровня моря вдоль трассы измерений с учетом калибровки по измеренным в районе работ уровням моря. На фиг.6 представлены результаты расчетов для этих параметров, сделанные в процессе тестирования заявляемого метода на исследуемой территории.

Метод мониторинга вертикального распределения скорости звука в условиях мелководных акваторий, включающий размещение в исследуемом районе излучателя и приемника акустических сигналов таким образом, чтобы соединяющая их линия проходила через область измерения среднего вертикального профиля скорости звука, определение глубины их установки, измерение профиля дна, вертикального профиля скорости звука C₀(z) и расчет параметров собственных лучей в рамках лучевого приближения, последующее излучение одиночного акустического сигнала излучателем и регистрацию приемником серии импульсных сигналов, сформированных в области измерения, и сигналов единого времени, измерение времен между излученным сигналом и каждым зарегистрированным импульсом, проведение идентификации каждого зарегистрированного импульса на основании равенства измеренных и рассчитанных времен распространения, определение скорости V_0ri распространения акустических сигналов между источником и приемником вдоль траекторий групп собственных лучей и глубины z_0i вертикального профиля для полученных скоростей, соответствующих всем измеренным и идентифицированным импульсам на основании результатов измерений вертикального профиля скорости звука C₀(z) из условия C₀(z_i)≅V_0ri, при этом для всех последующих моментов времени определение вертикальных профилей C(z_i) скорости звука производят по вновь измеренным значениям времен прихода серии импульсов путем расчета соответствующих им скоростей V_ri распространения z_0i для определенных в начальный момент времени значений глубин z_0i из условия C(z_i)=V_ri(z_0i).