Модели активно-пассивной акустической томографии неоднородного движущегося океана

• Автор: Шуруп, Андрей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 173 с. : ил.

ОГ ДАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы акустического мониторинга

океана (по материалам научных публикаций)

Глава 2. Роль выбора базиса в гидроакустических задачах

2.1. Дискретизация исходных уравнений, введение базиса

2.2. Виды базисов, используемых в гидроакустических задачах. Мозаичный базис, его свойства

2.3. Взаимосвязь между мозаичным базисом и базисами других типов

2.4. Примеры применения полосчатого и клетчатого базисов в томографических схемах

2.5. Краткие выводы к главе

Глава 3. Решение комбинированной обратной задачи (рефракционная неоднородность и течение) в полосчатом базисе
3.1. Обоснование возможности одновременного томографического восстановления скалярно-векторных неоднородностей
3.2. Восстановление океанических неоднородностей при лучевом описании акустического поля
3.3. Введение итераций в процесс восстановления
3.4. Восстановление океанических неоднородностей методами дифракционной томографии
3.5. Сравнение результатов томографического восстановления в волновой и лучевой задачах
3.6. Восстановление комбинированной неоднородности
3.7. Краткие выводы к главе
Глава 4. Использование в пассивной томографии океана низкочастотных шумов в качестве источника сигнала
4.1. Соотношение между функцией Грина и функцией взаимной когерентности шумового поля для одной моды
4.2. Оценка необходимого времени корреляционного накопления шумового сигнала в задачах акустической томографии

4.3. Выделение мод шумового поля океана
4.4. Краткие выводы к главе
Глава 5. Использование коротких искривленных вертикальных антенн в акустической томографии океана
5.1. Определение времен распространения модовых сигналов из анализа матрицы взаимной когерентности шумового поля
5.2. Использование коротких антенн
5.3. Учет кривизны профиля антенны
5.4. Случай детерминированных сигналов. Сравнение с общепринятым способом фильтрации мод
5.5. Краткие выводы к главе
Основные результаты и выводы
Список литературы

Введение
В настоящее время проблема мониторинга больших регионов мирового океана является по-прежнему крайне актуальной. Как известно, океан определяющим образом влияет на сезонную изменчивость климата. Так, например, возмущение системы океан-атмосфера в экваториальной зоне Тихого океана оказывает влияние на климат всего земного шара и играет ключевую роль в формировании погоды и климата на земле, поэтому трудно переоценить важность мониторинга океанических структур, необходимого для понимания и предсказания поведения сложной взаимосвязанной системы океан-атмосфера.
Акустическая томография океана в настоящее время рассматривается как основной метод получения информации о структуре, временной и пространственной изменчивости больших (порядке сотен и тысяч километров) акваторий мирового океана. Никакое излучение, кроме акустических волн, не способно распространяться на такие расстояния в морской воде. Основы акустической томографии океана были заложены Уолтером Манком и Карлом Вуншем в 1979 году [1]. В предложенном ими методе для измерения физических свойств океана использовалась идея томографического подхода, заключавшаяся в восстановлении параметров объекта на основе измерений интегральных характеристик (сечений) [2]. В случае океана в основе этих измерений лежит оценка времени распространения акустического сигнала или значения других характеристик принимаемых полей, прошедших сквозь исследуемый регион в различных направлениях [3], например, их вертикальной структуры.
Первые масштабные исследования океана были проведены в ходе Срединноокеанического динамического эксперимента (MODE 1973 г.). Данные этих исследований заставили ученых пересмотреть некоторые устоявшиеся представления о циркуляции океана как сумме крупных,

собственных функций волновода [29, 30]. Согласно этому свойству интеграл по вертикальной координате от произведения двух мод равен нулю, если моды различные, и конечной величине, если моды одинаковые. Однако на практике вертикальные антенны являются дискретными (что приводит к замене интегрирования по вертикали на суммирование) и часто не перекрывающими весь волновод по глубине, что снижает фильтрующие свойства антенн. В случае мелкого моря ситуация осложняется тем, что профили мод зависят от структуры дна [108]. Они могут быть вычислены, как это сделано, например, в [109], но для этого необходимо знать параметры океанического волновода, в том числе и слоистую структуру дна, что существенно осложняет рассмотрение. Однако в том случае, когда в волноводе распространяется много мод, решение задачи их селекции существенно упрощается, благодаря тому, что волны, идущие под скользящими углами к донной поверхности, почти полностью отражаются. Как показано в работе [110], в этом случае можно пренебречь акустическим полем в дне, выбрав в качестве истинных профили мод, соответствующие волноводу с импедансным дном. Импеданс дна для разных мод может быть определен при сравнении экспериментально выделяемых и теоретически рассчитанных мод. Из приведенного исследования [110] следует, что с помощью вертикальной цепочки гидрофонов, перекрывающей значительную часть океанического волновода, можно надеяться выделить моды низких номеров без экспериментального измерения или вычисления параметров дна.
В работах [111, 112] рассматривается влияние дискретной структуры вертикальной антенны, а также отношения ее апертуры к толщине водного слоя на степень концентрации излучаемой антенной акустической мощности в одну моду для случая идеального волновода. Возможность возбуждения малого количества мод вертикальной антенной является важной при реализации методов низкочастотной маломодовой импульсной томографии [113-115]. Показано [112], что даже в случае, когда антенна перекрывает весь волновод, не вся акустическая энергия излучается в одну нормальную волну.