Модели активно-пассивной акустической томографии неоднородного движущегося океана (1103896), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Интегралполя для одной моды из интеграла Гельмгольца-КирхгофаГельмгольца-Кирхгофа, что отличается от позволяет представить полеранее использовавшихся подходов. Особое U (rA ) как суперпозицию полейисточников,внимание обращается на выделение типа вторичныхфункцииГрина(запаздываниеили расположенных на контуре L.опережение)врассматриваемых Основной вклад в оценкуфункций Грина двух точек r A исоотношениях.

Используется представлениеrB дадут когерентные с полем вшумового поля в виде «вертикальные моды –вторичныеисточники,горизонтальные лучи» в адиабатическом rBрасположенныеначастиприближении, что позволяет свести решениеконтура L f .задачи распространения поля в трехмерном16океане к набору независимых двумерных задач распространения отдельныхмод. Из проведенного теоретического рассмотрения следует, что в случаененаправленного приема шумового сигнала в двух разнесенных в пространстветочках с радиус-векторами rA и rB функция взаимной когерентности U (rA )U * (rB )  шумовых полей U (rA ) и U (rB ) позволяет оценить аддитивнуюкомбинацию запаздывающей G  (rA , rB ) и опережающей G  (rA , rB ) функцийГрина, характеризующих встречное направление распространения сигналовмежду рассматриваемыми точками: U (rA )U * (rB )   iD G  (rA , rB )  G  (rA , rB )  U (rB )U * (rB )  ,(2)где D  2kL f – безразмерный коэффициент, L f – длина эффективной дугиконтура L вблизи rB , шумовые поля U (rL ) на которой дают когерентный вкладв значение функции Грина (рис.

7). Для случая широкополосного шумарассматривается преобразование Фурье соотношения (2), что позволяетполучить U (rA , t )U (rB , t  )   iD* G(rA , rB ,   )  G  (rA , rB ,   ) C ()d,(3)где C ()  U (r, t )U * (r, t  )  – функция автокогерентности шума. Еслиосуществляется прием шумового поля в относительно узкой полосе частот[0   2 ,  0   2] ,  0  1 , в которой характеристики шума меняютсяслабо, то соотношение (3) приводится к виду  U (rA , t )U * (rB , t  )  (4) 0 D  G  (rA , rB ,   )  G  (rA , rB ,   ) C ()d.Из (4) следует, что производная по времени задержки функции взаимнойкогерентности узкополосного шумового сигнала, позволяет оценить временнуюструктуру узкополосного фрагмента как запаздывающей (для задержекраспространения сигнала   0 ), так и опережающей (для   0 ) функций Гринадля этих точек.

Этот фрагмент является результатом операции типа сверткиполной функции Грина G  (rA , rB , ) с функцией автокогерентности C  ()шумового поля, профильтрованного в полосе частот [0   2 ,  0   2] .В разделе 4.2 рассматривается вопрос о времени накопления сигнала,необходимом для достоверного определения функции Грина из функциикогерентности шумового поля.

Принимается во внимание, что сигнал в точке rA17является «некогерентной» суперпозицией сигналов со всей окружности L , в товремя как сигнал в точке rB определен лишь «когерентной» дугой L f (рис. 7).Выходное отношение сигнал/шум S out N out , пропорционально отношениюэффективной1Lf  U (rB )U * (rB ) протяженностиLобласти U (rL )U * (rB )  dL к протяженности всего остальногоконтура L  2R .

В случае цилиндрически изотропного шумового поляL f  2 k , и выходное отношение сигнал/шум для коррелятора с параметромнакопления 2fT составляетSout N out  2fT Sin N in   2fT L f L   2fT  22 R .Для значений R  105 м, f = 50 Гц,  = 15 м, S out N out  10 время накоплениясоставляет Т  4 часа. Уменьшение времени накопления возможно прииспользовании векторных приемников, что позволяет выделить поля,распространяющиеся между рассматриваемыми точками.

Это приводит кдополнительному (примерно четырехкратному) улучшению выходногоотношения сигнал/шум и уменьшению времени накопления (при раздельномоценивании функций G  (rA , rL ) и G  (rA , rL ) ) до T  1 часа. Полученнаяоценка позволяет говорить о возможности реализации схем модовойтомографии океана, использующих внутреннее шумовое поле океана. Следуетотметить, что при рассмотрении двухточечного приема сигнала в трехмернойобласти Sout N out  L f L  , что приводит к существенно большим оценкам2времени накопления T  103 часов.В разделе 4.3 рассматривается задача модовой обработки поля ввертикальной плоскости. Решение томографической задачи основано навосстановлении модовой структуры акустического поля из анализа собственныхвекторов и собственных значений матрицы взаимной когерентности принятого шумового поля.

Для рассматриваемого простейшего случая строговертикальных антенн, перекрывающих весь океанический волновод, показано,что собственные векторы матриц    и   с точностью до знака совпадают спрофилями мод в местах расположения антенн, а собственные значения этихматриц позволяют определить коэффициенты распространения модовыхсигналов. Получаемая информация позволяет восстановить характеристикиокеанической среды в исследуемой акватории методами пассивной модовойтомографии. В разделе 4.4 приводятся основные результаты и выводы почетвертой главе диссертации.18В пятой главе рассматривается возможность определения модовойструктуры океана по данным измерений с коротких (не перекрывающих весьокеанический волновод) гидроакустических антенн, искривленных неизвестнымобразом подводными течениями, что соответствует условиям реальногоэксперимента.

Важно, что компенсация неизвестной кривизны антенногопрофиля и учет его конечной длины осуществляется в предлагаемом подходеалгоритмически без использования дополнительных аппаратных средств.Раздел 5.1 посвящен рассмотрению вопроса определения временраспространения модовых сигналов, принимаемых короткими искривленнымиантеннами, из анализа матрицы взаимной когерентности  шумового поля.Используется представление поля, принимаемого искривленными антеннами, ввидесуммы«искривленных»мод m ( z )   m ( z ) exp i æ m r ( z ) ,представляющих собой профили истинных мод  m (z ) , домноженных нафазовый набег, вызванный кривизной антенны r (z ) по глубине z ; æ m –волновое число m-ой моды.

Разложение шумового поля в конечной полосечастот fпо искривленным модам справедливо в приближенииквазимонохроматичности мод. Для этого необходимо, чтобы на краяхчастотного диапазона f профиль моды не сильно изменялся, а изменениевремени распространения моды заданного номера должно быть меньше 1 f .Кроме этого, изменение времени распространения за счет кривизны антеннытакже не должно превышать 1 f , т.е.

искажение сигнала, вносимоеискривлением, можно рассматривать как фазовое. В случае справедливостиприближенияквазимонохроматичностимодиихвзаимнойрассматриваемаязадачааналогичнаслучаю,некоррелированности,рассмотренному в разделе 4.3, с той лишь разницей, что теперь собственныевекторы матриц    ,   характеризуют не истинные, а искривленные моды.Используя тот факт, что искривленная мода, домноженная сама на себя(комплексно сопряженную) есть квадрат профиля истинной моды  m ( z ) *m ( z )   2m ( z ) , m m  m m , и, предполагая, что для мод разных номеров приближение  m ( z ) *k ( z )   m ( z ) k ( z ) , m k  m k , m  k ,справедливо с высокой степенью точности, можно получить систему линейныхуравнений относительно неизвестных квадратов модулей коэффициентов2распространения мод, характеризуемых функциями  m () .В разделах 5.2 и 5.3 приведены результаты численного моделированияпредложенного метода выделения мод в случае коротких строго вертикальных19и коротких искривленных антенн.2211()()mmПоказано, что учет кривизны иконечнойдлиныантенны0.50.5приводиткнезначительнымухудшениямкартины00134.5135135.5 136134.5135135.5 136,c,cвосстановления мод по сравнениюРис.

8аРис. 8бсослучаемнеискривленных Рис. 8. Результаты фильтрации мод сдлинных антенн. При этом использованием ортогональности мод вантенны должны располагаться в случае длинных прямых (a) и короткихместах сосредоточения основной искривленных (б) антенн.2энергетики мод, а обработка21m ()1m ()шумовыхсигналовдолжна0.5производиться в полосе частот,0.5удовлетворяющейусловию0квазимонохроматичностимод.0134.5135135.5 ,136c 134.5 135 135.5 136,cСравнение разработанного методаРис. 9аРис. 9бс традиционной фильтрацией мод, Рис.

9. Результаты фильтрации мод приоснованной на ортогональности рассмотрении собственных значений имод как собственных функций векторов матрицы когерентности шумов вволновода, показало, что новый случае длинных прямых (а) и короткихискривленных (б) антенн.метод позволяет осуществитьвыделения мод даже в тех случаях, когда традиционный подход оказываетсяневозможным (рис. 8, 9).В разделе 5.4 осуществлено обобщение разработанной схемы на случайдетерминированных сигналов при рассмотрении собственных векторов исобственных значений матрицы U , образованной сигналами, излученными ипринятыми попарно всеми гидрофонами рассматриваемых антенн.

Характеристики

Список файлов диссертации