Акустическая диагностика и томография мелкого моря

К важнейшим современным проблемам НЧ-гидроакустики относится развитие интегрированных сетевых методов акустической диагностики океана. Это направление, стимулированное серией зарубежных и российских исследований по акустической томографии океана, выполненных еще в 1970–1980-х годах, объединяет как прямые задачи распространения звука в реальных океанических волноводах, так и обратные задачи реконструкции по данным измерений акустических характеристик исследуемой акватории или присутствующих в ней неоднородностей природного или искусственного происхождения. С начала 2000-х годов в ИПФ РАН были успешно апробированы новые методы акустической томографии мелкого моря, включая различные варианты модовой и лучевой томографии, которые могут быть положены в основу построения перспективных сетецентрических систем диагностики океана.

В отличие от глубокого океана, в котором звук канализируется преимущественно в при-поверхностном слое и практически не взаимодействует с дном, подводные звуковые каналы мелкого моря характеризуются существенным поглощением сигнала в осадочных донных породах. Это важное обстоятельство стимулирует разработку методов томографии, обеспечивающих селективное возбуждение и прием тех мод волновода, которые в наименьшей степени подвержены взаимодействию с дном, и следовательно, затуханию. Один из таких методов – метод дифференциальной модовой томографии, предложенный ранее А. Г. Нечаевым и А. И. Хилько, – составляет основу развитого в ИПФ РАН подхода к реализации практической системы акустического мониторинга мелкого моря, получившего название маломодовой импульсной томографии (МИТ). Метод МИТ основан на регистрации эффекта трансформации модового состава НЧ акустического поля в мелководном канале, возникающей в результате рассеяния звука на локализованных неоднородностях канала (поверхностных или объемных), причем несущими модами зондирующего сигнала должны быть моды первых номеров, имеющих наименьшее затухание в дне. Возможность построения системы томографического мониторинга мелкого моря на основе метода МИТ была показана численно и затем в серии натурных экспериментов, выполненных большим коллективом сотрудников института под руководством А. Г. Лучинина и А. И. Хилько в Балтийском и Баренцевом морях. Реализация этих экспериментов была обеспечена специально созданными в ИПФ уникальными излучающими и приемными антенными комплексами (разработки Б. Н. Боголюбова и П. И. Коротина с сотрудниками).

В частности, в этих экспериментах была впервые продемонстрирована высокая эффективность селективного модового возбуждения гидроакустического волновода многоэлементной решеткой излучателей с управляемым амплитудным распределением. Уровень сигнала реверберации значительно уменьшается при маломодовом возбуждении канала антенной, согласованной с первой модой волновода (в сравнении со случаем возбуждения монопольным источником), при этом происходит также заметное уменьшение уровня флуктуаций (рост пространственно-временной когерентности) распространяющегося сигнала, что является крайне важным для регистрации эффекта модовой трансформации сигнала в канале.

Кроме методов акустической томографии на основе модового представления звукового поля в волноводах мелкого моря, в ИПФ в разные годы получили развитие лучевые схемы диагностики морских акваторий. Применительно к задачам акустического наблюдения в прибрежных районах океана сотрудниками ИПФ (А. И. Хилько, И. П. Смирнов, А. И. Малеханов) недавно был разработан метод пучковой импульсной томографии, основанный, как и метод МИТ, на использовании вертикальных излучающих и приемных антенных решеток, но в нем осуществляется совместная обработка формируемых в подводном канале сложномодулированных импульсных сигналов в виде согласованных с волноводом звуковых пучков более высокого частотного диапазона (до ~10 кГц). Разработаны физическая модель метода и программно-алгоритмический комплекс с интерфейсом управления и представления данных, позволяющие оптимизировать томографическую систему для конкретных районов мелкого моря. Работоспособность метода подтверждена численными и затем модельными натурными экспериментами, выполненными совместно с сотрудниками ОАО НИИ «Атолл» в Иваньковском водохранилище.

Выполненные сотрудниками ИПФ РАН исследования в области акустической томографии мелкого моря служат в настоящее время основой для разработки принципов построения и облика интегрированных сетецентрических систем акустической диагностики морских акваторий. Развитию подобных «интеллектуальных» систем диагностики океана сейчас уделяется значительное внимание в ряде ведущих морских держав. Такие системы включают в себя пространственно распределенные, связанные между собой различными каналами связи и управляемые из единого центра излучающие и приемные гидроакустические антенны (модули), функционирующие на основе адаптивных алгоритмов с учетом нестационарных условий реального моря и внешних помех, в том числе окружающих шумов самого океана. Управление потенциалом подобной модульной системы в целом осуществляется также адаптивно, на основе сбора и анализа данных от отдельных элементов (в том числе набора океанологических датчиков), моделей канала распространения и формирования сигналов, состояния ресурсов системы. Алгоритмы адаптивного управления подобными системами аналогичны алгоритмам функционирования обучающихся нейросетей и относятся к так называемым когнитивным алгоритмам.