Исследование распространения звука в океане и реконструкция геоакустических свойств морского дна

• Автор: Фокина, Маргарита Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 177 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛУЧЕВОЙ ПОДХОД ПРИ РЕШЕНИИ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
1.1. Лучевой метод расчета акустических полей
1.1.1. К расчету акустического поля в неоднородном волноводе лучевым методом
1.1.2. Интерполяционный алгоритм поиска собственных лучей в волноводе
1.2. Определение характеристик океанических неоднородностей методом дифференциальной томографии
1.2.1. Лучевая схема дифференциального метода акустической томографии океана
1.2.2. Временная структура акустического сигнала рассеянного
неоднородностями океана
1.3. Построение модели слоистого морского дна по пространственной зависимости акустического поля
ГЛАВА 2. РЕКОНСТРУКЦИЯ ПАРАМЕТРОВ УПРУГОГО СЛОИСТОГО ДНА В МЕЖОМ МОРЕ
2.1. Постановка задачи и метод нормальных волн
2.2. Численная реализация и тестовые расчеты акустических полей с помощью метода нормальных волн
2.3. Исследование влияния слоистости дна на частотную зависимость потерь при распространении звука в мелком море и оптимальные частоты
2.4. Идентификация слоистого дна в мелком море по пространственночастотным зависимостям потерь при распространении
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ГЕОАКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОИСТОГО МОРСКОГО ДНА ПО КОЭФФИЦИЕНТАМ ОТРАЖЕНИЯ
ПЛОСКИХ ВОЛН
ЗЛ. Численное моделирование коэффициентов отражения плоских волн от
многослойного упругого дна
ЗЛЛ. Использование матричного метода для исследование отражения плоских волн от многослойных упругих сред. Подход Томсона-Хаскелла
3.1.2. Численная реализация подхода Данкина-Трауэра и тестовые расчеты
3.1.3. Исследование влияния параметров и структуры дна на частотно-угловые
резонансы коэффициента отражения
3.2..Резонансный подход к взаимодействию плоских волн с упругим слоистым дном
3.2.1. Вывод точного выражения коэффициента отражения для упругого слоя, лежащего на упругом полупространстве
3.2.2. Расширение резонансного подхода для случая упругого слоя, лежащего
на упругом полупространстве
Приложение А. Основные матрицы, используемые в матричном уравнении для
случая упругого слоя между жидким и упругим полупространствами
Приложение Б. Элеменгы матричного пропагатора
Приложение В. Выражение, аппроксимирующее коэффициент отражения
вблизи частотных и угловых резонансов
3.3. Поэтапная реконструкция характеристик слоистого упругого дна по коэффициенту отражения
3.3.1. Реконструкция характеристик слоистого дна по угловым зависимостям коэффициента отражения
3.3.2. Использование частотный зависимости коэффициента отражения на
нескольких углах скольжения для реконструкции характеристик дна
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
АВТОРСКИЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТА1 ШИ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации
Интенсивное исследование распространения акустических волн в океане, проводившееся в течение нескольких последних десятилетий, привело к появлению ряда монографий, в которых были подробно разработаны теоретические основы распространения звуковых волн в слоистых океанических волноводах [1-7]. Широкое развитие получили экспериментальные методы исследований особенностей взаимодействия звуковых волн с океанической средой [8-14]. Целый ряд интересных результатов был получен методами физического моделирования [15-22]. В то же время в последние годы все более широкое применение в акустике океана находят методы численного моделирования. Из-за чрезвычайной сложности океанической среды получение аналитических решений возможно только в простейших случаях, как правило, не имеющих большого практического интереса. Именно поэтому использование численных методов расчета акустических полей позволило получить множество интересных результатов [23-35].
Во многих работах для интерпретации получаемых результатов и расчетов акустических полей используются лучевое приближение и метод нормальных волн. Модель, основанная на лучевом приближении, используется в подводной акустике в течении многих лет. Большинство получаемых с его помощью выводов находят свое подтверждение при интерпретации результатов, полученных другими методами. Исследованию сопоставимости между' собой результатов, полученных лучевым и волновыми методами, посвящены работы [24,36-38]. После разработки основных принципов акустической томографии океана [39,40] возникла необходимость в усовершенствовании лучевых методов расчета когерентного и некогерентного полей на развитых горизонтальных и/или вертикальных антеннах, так как проблема томографической инверсии требует расчета многочисленных реплик поля для сопоставления с эксперимен-

стью Г. Ширина частотного спектра сигнала А/«соо/2л. В приемной системе, расположенной в точке гг=(хг,уг=0,гг)=(Кг,уг=0), принятый сигнал согласованно обрабатывается - сворачивается с эталонным сигналом К(().
Предположим, что в опорном волноводе с (г) зависимость скорости звука от переменных х и у достаточно плавная и эффекты горизонтальной рефракции лучей несущественны. Как известно [170], рассеяние на крупномасштабных неоднородностях является малоутловым. Поэтому область, которая в основном формирует рассеянное звуковое поле на приемнике, в горизонтальной плоскости концентрируется вблизи прямой, соединяющей источник и приемник.
Отличие лучевой схемы дифференциального метода от рассмотренного в [166,167] модового подхода заключается в решении задачи пространственной локализации характеристик неоднородностей. Дифференциальный лучевой метод основан на различии групповой скорости распространения сигнала по различным лучам. Существенным элементом метода является то, что при зондировании океана коротким импульсным сигналом вклад в интенсивность рассеянного поля при фиксированном значении задержки г дают вклад только те элементы рассеивающего объема 5о, для которых выполняются следующие условия:
1) |г - /, - /г| < т0 /2, где ц - длительность зондирующего импульса после согласованной обработки;
2) эти элементы являются областями пересечения лучевых траекторий, выходящих из источника и приемника.
Первое условие позволяет локализовать рассеиватели за счет разницы в задержках коротких импульсов, распространяющихся по различным лучевым траекториям, что аналогично модовой схеме дифференциального метода [167]. Действительно, если рассмотреть регулярный по трассе волновод и ввести
А (у)
среднюю скорость распространения импульса вдоль луча V(и) =
Т(у)
угол скольжения луча на оси канала, А(у) - длина цикла луча, Т(у) - задержка