Содержание к диссертации
Введение 4
Формулировка проблемы наблюдения пространственно локализованных
неоднородностей в плоскослоистых волноводах 14
1.1. Анализ основных понятий и типичных условий 14
1.2. Томографический метод наблюдения в ПСВ 55
1.3. Выводы к разделу
1.3 Маломодовая импульсная томография в ПСВ океанического типа
2.1. Эффективность селективного возбуждения низкочастотных маломодовых акустических полей вертикальной решеткой в мелком море 82
2.2. Влияние подводных течений при возбуждении маломодовых акустических сигналов вертикальной решеткой в мелком море 90
2.3. Структура трансляционных характеристик при маломодовой импульсной томографии (МИТ) и возможности оптимальной селекции маломодовых гидроакустических сигналов 97
2.4. Выводы к разделу 2. 107 Развитие моделей дифракции модовых сигналов неоднородностями в ПСВ ПО
3.1. Коротковолновая дифракция акустических полей на телах в ПСВ 113
3.2. Развитие физической модели дифракции акустических сигналов на упругих телах в многомодовых слоистонеоднородных волноводах 126
3.3. Особенности дифракции акустических сигналов на случайно распределенных неоднородностях в ПСВ 13 8
3.4. Коротковолновая дифракция поля протяженного шумового источника в многомодовом слоистонеоднородном волноводе 154
3.5. Модуляция интенсивности частично-когерентного поля точечного узкополосного шумового источника при изменении положения пространственно локализованной неоднородности в ПСВ 168
3.6. Структура дифрагированного частично-когерентного поля в многомодовом ПСВ со случайными неоднородностями 177
3.7. Выводы к разделу 3. 181 Численные имитационные эксперименты по томографической реконструкции параметров пространственно локализованных неоднородностей с использованием маломодовых акустических сигналов 185
4.1. Построение многоракурсных изображений неоднородностей при использовании одномодовых звуковых сигналов 185
Реконструкция параметров неоднородностей в ПСВ 194
Исследование возможностей МИТ в океанических волноводах с помощью имитационной компьютерной модели 209
Наблюдение пространственно локализованных неоднородностей 221
Восстановление параметров ветрового волнения 227
Выводы к разделу 4. 230
Экспериментальные исследования возможностей МИТ 233
Исследование пространственной фильтрации частично-когерентных изображений с помощью оптической установки 233
Анализ возможностей томографического наблюдения в океанических волноводах в условиях физического моделирования 250
Измерение структуры пространственно-временных вариаций сигналов при малоугловой дифракции на телах в плоскослоистых волноводах 250
Эксперименты по томографическому наблюдению сложных объектов в изоскоростном волноводе 262
Апробация возможностей МИТ в мелком море 266
Возбуждение низкочастотных маломодовых звуковых импульсных сигналов 266
Измерения низкочастотных маломодовых акустических импульсных сигналов на сверхдальних трассах 283
Выводы к разделу 5. 285
Заключение 289
Литература 292
Приложение 1. Приближенное решение уравнения наблюдения с помощью
преобразований Фурье и Френеля 306
Приложение 2. Формирование ВЧ томографического изображения при
наблюдении плавных неоднородностей 11
Приложение 3. Оптимальная настройка вертикально развитых приемной и
излучающей антенных решеток 3
Введение к работе
Актуальность прикладных проблем связанных с наблюдением пространственно локализованных неоднородностей в сложно-построенных слоистонеоднородных средах.
Дистанционное наблюдение неоднородностей в протяженных зонах естественных слоисто неоднородных сред природного происхождения часто основывается на использовании волновых полей, которые хорошо распространяются в таких средах. В атмосфере чаще всего используются электромагнитные, а в океане, акустические волны [1-4]. Такие волны, взаимодействуя с неоднородностями (объектами наблюдения), несут информацию о неоднородностях, которая выделяется при обработке зарегистрированных приемной системой сигналов. На основе такого подхода в настоящее время построены различные радио и гидроакустические локационные системы [2-6, 19, 22, 23, 34, 39, 43, 50]. Использование зондирования среды волновыми полями лежит в основе решения конкретных задач навигации, метеорологии, рыболовства, наблюдения за глобальными природными изменениями и т.д. Аналогичными методами могут быть решены и различные технические задачи, например, в дефектоскопии, неразрушающем контроле конструкций и сооружений, мониторинге технологических процессов в неоднородных средах и др. [4, 7, 19, 29, 30]. К перечисленным проблемам можно так же отнести и некоторые задачи диагностики в медицине [7, 20, 21]. Во многих случаях для решения указанных практических задач наблюдения неоднородностей в сложно-построенных плоскослоистых средах необходимо определить пространственное распределение интересующих неоднородкостей в пределах некоторой области обзора [1-3, 19, 4а-7а]. По аналогии со зрением, такую задачу можно-назвать видением [4а, 21, 35, 36, 38]. Кроме того, часто представляет интерес получить более детальную информацию о специфических параметрах, характеризующих структуру конкретных наблюдаемых неоднородностей. Эту стадию наблюдения связывают с распознаванием наблюдаемых неоднородностей [20, 35, 47-49, 111, 112, 124, 125, 158, 184-196]. Часто необходимо осуществлять наблюдение в ситуации, когда параметры неоднородностей, а также среды, в которой осуществляется наблюдение, изменяются во времени. В этом случае необходимо обеспечить адаптивное наблюдение за неоднородностями с учетом информации об изменениях условий наблюдения. Перечисленные задачи можно рассматривать как этапы решения общей задачи наблюдения, которая с математической точки зрения относится к классу обратных задач [7, 4а, 5а, 20, 38, 124,125,160,161]. Существующие методы решения задачи наблюдения.
Радиолокация. Чаще всего радиолокационные системы определяют положение и скорость лоцируемых неоднородностей (обычно это пространственно ограниченные (ПО) объекты), путем оценки времени запаздывания и доплеровского смещения частоты отраженного от объекта импульсного сигнала и угла его прихода [14, 32, 33] с помощью протяженных антенн, излучающих импульсные сигналы в предположении однородности среды. В ряде задач, связанных с радиолокационным зондированием протяженных и достаточно плавных крупномасштабных неоднородностей атмосферы и ионосферы на больших расстояниях, учитывается волноводный характер распространения сигналов [34]. Аналогичные явления играют существенную роль и при зондировании неоднородностей в приводных или приземных атмосферных волноводах [34, 43]. Для увеличения точности измерений применяются сложные импульсные посылки с последующей их обработкой с помощью согласованных фильтров [32, 33, 11, 112]. Разработаны и просветные радиолокационные системы, которые позволяют судить о факте пересечения линии между источником и приемником по интерференционной модуляции принятого сигнала.
Высокочастотная акустическая импульсная локация в океане. Идея импульсной локации получили развитие и в высокочастотной (ВЧ) (от десятков до нескольких сотен килогерц) гидроакустике [9, 16]. Этот метод является основным средством подводной навигации кораблей и подводных лодок. Однако его использование связано с рядом трудностей, вызываемых существенным поглощением сигналов, сложностью строения морской среды [9, 13, 16, 19], а также флуктуациями сигналов как за счет случайных вариаций положения приемно-излучающих гидроакустических систем и шумов обтекания при движении корабля, так и за счет случайных флуктуации параметров морской среды [161,170-173].
Наблюдение температурного тренда в океане с помощью акустической томографии. Мониторинг температурного тренда океана в целях обнаружения эффектов глобального потепления Земли может быть осуществлен по измерениям малых вариаций времен распространения низкочастотных (НЧ) акустических импульсов, пересекающих океан вдоль протяженных трасс между различными источниками и приемниками [1-3, 19, 4а, 5а]. При такой постановке задачи, объектом наблюдения является изменение параметров океанического волновода в целом. Все неоднородности океана в этом случае являются помехами. В частности, из-за случайных вариаций океанической среды при таких измерениях наблюдается большой уровень помех, для ослабления которых зондирующие импульсы необходимо излучать достаточно часто.
Наблюдение мезо-масштабных неоднородностей в океане. Акустический мониторинг мезо-масштабных неоднородностей связан с исследованием динамических процессов, происходящих в толще океана, проявляющихся в виде изменяющихся во времени вихрей, течений, полей внутренних волн, океанических фронтов и т.д. [11, 19]. Характерные масштабы изменчивости такого рода неоднородностей могут составлять сотни километров и десятки часов [19, 4а, 5а, 25, 26, 83-85]. Для решения задачи о реконструкции пространственного распределения мезо-масштабных неоднородностей также предполагается использовать метод акустической томографии [19, 4а]. Каждая из томографических трасс, просвечивающих неоднородности под разными углами, позволяет измерить лишь некоторые интегральные характеристики, определяющиеся всеми неоднородностями, расположенными вдоль акустической трассы. Для получения дифференциальных характеристик необходима совместная обработка результатов измерений набора трасс. Реконструкция дифференциальных характеристик по набору интегральных проекций (томография) впервые была предложена Радоном (см. ссылки в [4а, 21]), а в применении к задаче о наблюдении крупномасштабных неоднородностей океана была сформулирована в работе [19]. В дальнейшем в этом направлении было сделано большое количество исследований, результаты которых, в частности, анализируются в [4а, 5а]. Как и в случае зондирования неоднородностей атмосферных волноводов, в задачах о реконструкции мезо-масштабных неоднородностей толщи океана, характерные размеры неоднородностей лишь немного меньше типичных дистанций наблюдения, так что при приближенной оценке характеристик пространственного распределения параметров неоднородностей можно было бы ограничиться относительно небольшим числом элементов пространственного разрешения.
Наблюдение источников шума. Важной задачей акустической диагностики в океане, является наблюдение различных удаленных ПО акустических источников в океане -землетрясений, взрывов, буровых механизмов, кораблей, живых организмов и т.д. Например, долгое время, в связи с испытаниями ядерных зарядов, была актуальной задача диагностики взрывов по гидроакустическим, атмосферным и сейсмическим волнам [9-11]. Близкой задачей, которая не утратила актуальности и в настоящее время, является задача диагностики очагов цунамигенных землетрясений по измерениям низкочастотных акустических и сейсмических волн [48а-54а]. Эти, а также близкие по постановке задачи о реконструкции параметров шумящих кораблей в океане [9, 15], также являются задачами эмиссионной акустической томографии в океане.
Наблюдение пространственно локализованных неоднородностей на средних дистанциях в мелком море. В последнее время большую актуальность приобрели задачи, связанные с более детальной реконструкцией пространственного распределения ПО неоднородностей в плоскослоистых волноводах (ПСВ) океанического типа, на средних дистанциях наблюдения, протяженностью порядка сотни километров. Прежде всего, это задачи возникают при освоении ресурсов океанического шельфа, в частности, добычи нефти и газа на морском дне и их транспортировке под водой [9, 19, 4а, 5а]. В этих условиях важно обеспечить эффективную подводную навигацию, наблюдение за работой подводных и донных аппаратов, экологический мониторинг окружающей среды, а также контроль несанкционированного присутствия в пределах морских районов, протяженностью несколько сотен километров. Научные исследования, связанные с разработкой систем подводного видения на средних дистанциях, вызывают большой интерес [15, 19, 4а, 5а]. При решении такого рода задач был развит подход, основанный на локации с использованием зондирующих низкочастотных акустических импульсных сигналов и двумерной приемной системой располагавшейся вблизи излучателя в районе глубоководного свала. Такая близкая к моностатической схема наблюдения обеспечила хорошую чувствительность для условий глубоководного распространения. Как показали эксперименты, указанный метод оказался малоэффективен в условиях мелкого моря из-за потери когерентности сигналов и высокого уровня реверберационных помех, возникающих вследствие влияния поверхности и сложно построенного дна.
Возможности повышения эффективности акустического наблюдения в ПСВ.
Для увеличения чувствительности и точности наблюдения в ПСВ при использовании источников зондирующего поля ограниченной мощности необходимо использовать томографическую систему наблюдения, характеристики которой должны быть приспособлены к условиям распространения сигналов таким образом, чтобы возбудить зондирующие волны с минимальными потерями, уменьшить их ослабление при распространении, подавить помехи и максимально накопить полезные сигналы. Будем в дальнейшем при решении такой задачи говорить о согласовании используемых волновых полей с параметрами ПСВ, которое необходимо адаптировать к изменениям характеристик среды и условий наблюдения на основе использования априорной информации в виде физико-математических моделей среды и объектов наблюдения. В число таких моделей необходимо включить: модель распространения импульсных сигналов в ПСВ, модель дифракции и рассеяния таких сигналов на ПО, а также случайно-распределенных (СР) неоднородностях, модели шумов и объектов наблюдения, а также модели приемных и излучающих элементов системы наблюдения, которые в совокупности определяют особенности решения обратной задачи наблюдения (оценки параметров наблюдаемых неоднородностей) в конкретных условиях. Основываясь на совокупности физических моделей перечисленных явлений необходимо построить обобщенную физическую модель наблюдения в ПСВ. Результатом исследований такой модели могут быть рекомендации по оптимальному построению системы наблюдения, а также алгоритмов ее работы. Для ослабления характерных для ПСВ интерференционных помех следует обеспечить селекцию парциальных волн и осуществлять наблюдение для каждой из них в отдельности. При наличии набора парциальных волн можно предусмотреть в последующем их совместную согласованную обработку. При использовании модели наблюдения в ПСВ определение параметров наблюдаемого объекта заключается в переборе многопараметрических гипотез, при этом модель наблюдения выступает в качестве генератора базисных функций (гипотез), выполняя при этом процессорные функции. Оптимальный перебор параметров гипотез может быть осуществлен при использовании априорной информации. Для оптимального выделения полезных сигналов на фоне шумов и помех необходимо учитывать их когерентность, которая определяется как строением среды, так и параметрами случайных неоднородностей.
Целью работы является разработка эффективных методов и средств акустического наблюдения в мелком море, в частности:
а) разработка физических и численных моделей томографического наблюдения
неоднородностей в случайно неоднородных плоско-слоистых волноводах (ПСВ);
б) разработка методики и средств для экспериментального исследования возбуждения,
распространения и рассеяния, согласованных со средой сигналов и проверки возможностей
томографического наблюдения;
в) исследование возможностей низкочастотного гидроакустического наблюдения путем
численных расчетов, измерения с помощью физического моделирования в лабораторных
условиях, а также осуществление натурных экспериментов по проверке возможностей
наблюдения в мелком море.
Похожие диссертации на Физические основы наблюдения пространственно локализованных неоднородностей с помощью частично-когерентных полей в плоскослоистых волноводах
