Модели активно-пассивной акустической томографии неоднородного движущегося океана

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 551.463.21 : 534ШУРУП Андрей СергеевичМОДЕЛИ АКТИВНО-ПАССИВНОЙАКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИНЕОДНОРОДНОГО ДВИЖУЩЕГОСЯ ОКЕАНАСпециальность: 01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Буров Валентин Андреевич,Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Курьянов Борис Федоровичдоктор физико-математических наук,Хилько Александр ИвановичВедущая организация:Институт общей физикиимени А.М.

Прохорова РАНЗащита диссертации состоится “ 20 ” ноября 2008 г. в 16.00 часов навМГУзаседанииСпециализированногоСоветаД 501.001.67имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские Горы,МГУ, физический факультет, физическая аудитория имени Р.В. ХохловаС диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “ 15 ” октября 2008 г.Ученый секретарьСпециализированного Совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук2А.Ф. КОРОЛЕВОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.Актуальность темыВ настоящее время проблема мониторинга больших регионов мировогоокеана является по-прежнему крайне актуальной.

Как известно, океанопределяющим образом влияет на сезонную изменчивость климата. Так,возмущение системы океан-атмосфера в экваториальной зоне Тихого океанаоказывает влияние на климат всего земного шара и играет ключевую роль вформировании погоды на земле. Трудно переоценить важность мониторингаокеанических структур, необходимого, например, для понимания ипредсказания поведения сложной взаимосвязанной системы океан-атмосфера.Акустическая томография океана в настоящее время рассматривается какосновной метод получения информации о структуре, временной ипространственной изменчивости больших (порядке сотен и тысяч километров)акваторий мирового океана.

Никакое излучение, кроме акустических волн, неспособно распространяться на такие расстояния в морской воде. Основыакустической томографии океана были заложены Уолтером Манком и КарломВуншем в 1979 году [1]. В предложенном ими методе для измеренияфизических свойств океана использовалась идея томографического подхода,заключавшаяся в восстановлении внутренней структуры объекта на основеизмерений интегральных характеристик (сечений) [2]. В случае океана в основеэтих измерений лежит оценка времени распространения акустического сигналаили значения других характеристик принимаемых полей, прошедших сквозьисследуемый регион в различных направлениях [3], например, их вертикальнойструктуры.Несмотря на очевидную научную, прикладную и экономическуюценность акустической томографии океана, ее использование, к сожалению, невышло за рамки отдельных экспериментов.

Многолетние исследованияразличных групп как в России, так и за рубежом (в первую очередь США,Франции, Японии) выявили ряд принципиальных трудностей какфундаментального так и технического характера, присущих томографииокеана, среди которых можно выделить следующие:1. Распространение звука в водной среде определяется свойстваминеизвестных неоднородностей, и обратная задача восстановления этихнеоднородностей является нелинейной, плохо обусловленной, т.е.некорректной. В результате возникает необходимость развития математическихметодов описания акустического поля и решения обратной задачи томографии3океана, представляющей из себя многоканальную обратную задачу рассеяния.Необходим анализ возможностей восстановления, в результате решения этойзадачи, океанических неоднородностей томографическими методами.2.

При восстановлении океанических неоднородностей необходимоотработать эффективные методы описания исследуемой акватории, т.е.осуществить выбор базисных элементов, по которым раскладываютсяисследуемые гидрологические параметры – рефракционные неоднородности,течения, вихри. Выбор метода представления исследуемых неоднородностей ввыбранном базисе может усложнить или упростить проблемы, возникающиепри решении прямой задачи распространения акустического поля ипорождаемые свойствами самого базиса, например, искусственно введённымиграницами базисных элементов.3.

Проведение экспериментов по томографии океана в настоящее времясдерживается во многом техническими сложностями, связанными сразвёртыванием длинных (как правило, перекрывающих подводный звуковойканал) антенных систем, проблемами точного позиционирования (на всехглубинах) гидрофонов антенны и сложностями, связанными с излучениемнизкочастотного сигнала. Это приводит к удорожанию томографическогоэксперимента и, в конечном счёте, к тому факту, что томографияосуществляется на уровне отдельно взятых научно-исследовательских проектовбез особых перспектив выхода на «повседневное» использование в качествеинструмента исследования и мониторинга больших акваторий.В настоящее время видна тенденция к замедлению интенсивноготехническогоразвитиятомографиисодновременнымусилениемфундаментальной стороны исследований.

При этом дальнейшее применениеразработок видится, прежде всего, в удешевлении технических средств иразработке новых методов исследований.Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что актуальным нанастоящем этапе является теоретическое развитие физических, математическихи алгоритмических подходов к разработке всех аспектов томографическойсхемы с целью максимального упрощения требований к проведению натурногоэксперимента с разумными ограничениями на его сложность и стоимость.

Впредставленной работе предпринята попытка в той или иной степениразработать новые подходы к решению задачи акустического мониторингаокеана, которые, хотя бы отчасти, позволят создать достаточно гибкую новуюсхему акустической томографии океана, отвечающую поставленным вышеусловиям.4Целью диссертационной работы является разработка новых подходов кпостроению томографической схемы, упрощающих параметрическое описаниевосстанавливаемых неоднородностей в выбранном базисе при сохранении иразвитии возможности восстановления картины линейных течений, вихрей,совместно с восстановлением рефракционных характеристик среды в единомподходе, учитывающем необходимые условия для достаточно полноговосстановления океанических неоднородностей томографическими методами;создание практических алгоритмов обработки сигналов, работоспособных вдалеких от идеальных условиях реального эксперимента, учитывающихконечную длину антенны и неконтролируемую кривизну ее профиля, а такжечисленное моделирование их работоспособности; развитие новых подходов,позволяющих отказаться от использования дорогостоящих низкочастотныхизлучателей при использовании в качестве источника звука собственных шумовморя.Для достижения сформулированной цели были поставлены следующиезадачи работы:1.

Разработкановогобазисадляпараметрическогоописаниянеоднородностей, упрощающего и совершенствующего методы решениятомографической задачи.2. Теоретический анализ возможности томографического восстановления(рефракцияитечение)комбинированныхскалярно-векторныхнеоднородностей среды в применении к задачам гидроакустики.3.

Разработка численной модели томографического восстановленияскалярных, векторных и комбинированных скалярно-векторныхнеоднородностей в океане с использованием нового базиса. Разработкаитерационных схем восстановления.4. Исследование возможности оценки функции Грина – основногоисточника информации в томографических экспериментах – из функциивзаимной когерентности шумов моря для каждой из учитываемых мод наоснове теоретического рассмотрения и численных модельныхэкспериментов процессов пассивной томографии океана.5. Разработка алгоритма выделения мод короткими вертикальнымиантеннами, искривленными неизвестным образом по глубине.Научная новизна работы заключается в создании на основеразработанных математических и физических представлений в существеннойстепени новой схемы акустической томографии океанических неоднородностей5всех типов, не накладывающей жёстких требований на проведение натурногоэксперимента, типичных для «традиционной» томографии океана.

В работе:1. Разработан новый мозаичный базис, который является удобнойконструкцией для построения матрицы возмущений и решения обратнойзадачитомографированиякомбинированнойскалярно-векторнойнеоднородности.2. Развит теоретический аппарат, позволяющий сравнить возможностиописания океанических неоднородностей с использованием различныхбазисов.3. Исследованвопросдостаточнополноготомографическоговосстановления скалярно-векторных неоднородностей при различномописании акустического поля. Найдены условия восстановлениявекторных неоднородностей без дополнительных измерений скороститечений на периметре исследуемой акватории.4.