УДК 534.21+551.463.21

 

Михин Д. Ю., Годин О. А., Чепурин Ю. А., Гончаров В. В.,
Буренков С. В., Алейник Д. Л., Писляков В. В.

 

Динамическая томография Средиземного мОРЯ

Институт океанологии РАН, 117851, Москва, Нахимовский пр-т, 36.

E-mail: dmitry@rav.sio.rssi.ru

 

Основная идея акустической томографии океана (АТО) состоит в использовании данных (дальнего) распространения звука для получения информации о состоянии океанской среды. На практике эта общая концепция реализуется в виде широкого спектра томографических подходов, различающихся по организации натурных измерений, типу используемых акустических сигналов, исследуемым океанографическим параметрам и применяемому методу инверсии.

В узком смысле слова термин АТО относится к предложенному Манком и Вуншем [1, 2] методу определения поля температуры по временам прихода акустических лучей, распространяющихся между заякоренными источниками и приемниками. В дальнейшем было предложено расширить набор входных данных для инверсии путем добавления в него времен распространения звуковых мод низких номеров, которые при определенных условиях удается измерить на единичном гидрофоне [3]. Дальнейшие обобщения такого подхода включают инверсию по максимумам сигнала [4] и метод согласованного поля во временной области [5]. Используя разности времен распространения лучей во встречных направлениях удается также восстановить поле горизонтальной компоненты скорости течения, параллельной трассе распространения [6]. Однако при всем различии перечисленных методов, все они относятся к одной общей категории из-за одинаковой постановки измерений. Используются широкополосные псевдошумовые сигналы, распространяющиеся между точечными источниками и приемниками (либо трансиверами - совмещенными приемо-излучающими системами), заякоренными на морском дне. Далее в работе мы будем называть данную группу методов традиционной АТО. Лучевая, модовая или полноволновая инверсия является лишь теоретическим методом решения обратной задачи реконструкции среды и могут применяться как в традиционной АТО, так и в других подходах.

Существенно отличный подход состоит в использовании приемников и/или излучателей звука, опускаемых с борта корабля и перемещаемых по зондируемой акватории для лучшего наблюдения водных масс [7]. В АТО разрешение вертикальной структуры поля скорости звука достигается главным образом за счет множественных собственных лучей в каждой вертикальной плоскости, в то время как горизонтальное разрешение является результатом комбинации данных, полученных для взаимо-пересекающихся трасс распространения между различными трансиверами. Хотя число пересекающихся трасс растет пропорционально квадрату числа точек измерений, оно может оказаться недостаточным для адекватного разрешения мезомасштабной изменчивости океана. Численное моделирование показало [7], что томография с движущихся судов (динамическая томография) может значительно превзойти традиционную АТО. При совместном использовании мобильного источника звука и заякоренной томографической сети создаются многочисленные акустические трассы в дополнение к существующим стационарным. В результате горизонтальное разрешение поля температуры значительно улучшается.

Как традиционная, так и динамическая АТО имеют внутренне присущие им достоинства и недостатки. Опыт натурных экспериментов и компьютерное моделирование показывают, что традиционная томография:

С другой стороны, динамическая томография:

Недостатки каждого из подходов в точности противоположны достоинствам другого:

В целом, традиционная АТО более подходит для длительный наблюдений сезонной и межгодовой временной изменчивости океанографических характеристик, осредненных по большой акватории, в то время как динамическая томография обладает преимуществами при зондировании мезомасштабных неоднородностей. Взаимо-дополняющие свойства двух подходов предполагают, что они могут эффективно комбинироваться в рамках единой системы наблюдений.

Рис. 1. Общий вид экспериментов “THETIS-2” и MOST: колокола обозначают заякоренные трансиверы, квадраты – точки акустических измерений, линии между ними – трассы распространения звука с хорошим уровнем сигнала и стационарные трассы эксперимента “THETIS-2”

В 1994 г. в западной части Средиземного моря исследовательскими группами из Германии (IfM, Kiel), Франции (IFREMER, Brest), США (WHOI, Woods Hole) и Греции (IACM/FORTH, Heraklion, Crete) проводился международный эксперимент “THETIS-2”, направленный на исследование возможностей АТО при изучении долгосрочных изменений вод западного Средиземноморья. Измерения велись по традиционной схеме с использованием 7 заякоренных трансиверов и зондирующих сигналов на основе M-последовательностей. Излученные трансиверами сети “THETIS-2” сигналы также использовались в эксперименте по динамической томографии Алжиро-Прованского бассейна, получившем название MOST (сокращение от Moving Ship Tomography) [8]. Целями эксперимента являлись практическая реализация динамического подхода, оценка его точности на основе реальных данных, анализ сравнительных достоинств двух подходов к АТО и возможности их интеграции. Измерения проводились в июне-июле 94 г. с борта НИС «Академик Сергей Вавилов».

Общий вид эксперимента показан на рис. 1. На первом этапе исследований с 10 по 26 июня судно двигалось по траектории S-W2-H-W3-W4-W5, делая остановки для приема звуковых сигналов в соответствии с расписанием излучения сети “THETIS-2”. Трансиверы обозначены в соответствии с нотацией участников эксперимента “THETIS-2”, которые любезно предоставили в наше распоряжение всю необходимую информацию о расположении и расписании излучателей и параметрах излучения. Для изучения возможности реконструкции временной зависимости среды в динамической схеме измерения на семи станциях вдоль участка S-W2 были повторены примерно месяц спустя после проведения первого разреза. За этот период условия распространения на полигоне изменились с типичных для поздней весны на характерные летние. Акустические измерения велись с помощью зонда «Триада», объединяющего одиночный гидрофон, датчики глубины и скорости звука. Дополнительно на каждой станции выполнялось CTD-зондирование с целью создания независимой базы океанографических данных для инициализации и проверки результатов томографической инверсии. Всего были выполнены 51 станция акустических измерений (на каждой регистрировались сигналы 4-6 источников) и 54 гидрографических зондирования со средним пространственным шагом 50-60 км.

Профили скорости звука в районе работ характеризуются наличием подводного звукового канала с относительно неглубокой осью (около 150 м) и очень сильными вертикальными градиентами выше оси , - глубина. Горизонтальная изменчивость поля сосредоточена в верхних 500 м, ниже среда практически слоиста. Трансиверы располагались вблизи оси канала и излучали фазоманипулированные сигналы каждые 4 часа (наиболее мощный излучатель H – каждые 8 часов). Длина кода M-последовательностей [9] составляла 511 цифр, на каждую из которых приходилось 4 периода несущей (Гц для H и Гц для остальных приборов). В зависимости от числа посылок длительность каждого сеанса излучения менялась от 76.7 до 204.4 с. Дальность распространения при перемещении НИС по полигону варьировала от 10 до 600 км. Глубина погружения гидрофона на большинстве станций выбиралась около 300 м и измерялась с помощью либо датчика давления, либо высокочастотной акустической системы позиционирования. Расположение точки приема в 150 м ниже оси волновода позволило уменьшить количество неразрешаемых во времени приходов в поздней части регистрируемого сигнала. Во время приема НИС дрейфовало в «режиме тишины» с выключенными двигателями и большинством других судовых систем. Перемещения судна в дрейфе измерялись с помощью спутниковой системы GPS.

Для получения временной структуры приходов измеренный сигнал комплексно демодулировался и вычислялась его свертка с репликой излученной M-последовательности. Основную сложность на этом этапе обработки представлял учет взаимного перемещения источника и приемника, скорость которого в ряде случаев достигала 0.7 м/с. Специально разработанный итерационный алгоритм, использующий данные акустических измерений и спутниковой навигации, давал оценку с точностью до долей см/с [8]. После этого коррекция частоты демодуляции и устранение Допплеровского искажения временного масштаба сигнала позволили провести когерентное накопление корреляционной функции сигнала по всем излученным посылкам и дополнительный выигрыш 10-16 дБ в отношении сигнал/шум. В результате обработки всех сеансов приема более чем в 80% записей была получена устойчивая картина приходов с хорошим уровнем сигнала и множественными разрешаемыми во времени приходами лучей. Эти акустические образы среды пригодны для дальнейшей томографической инверсии. Они несут информацию о поле температур вдоль нескольких сотен взаимно-пересекающихся трасс распространения звука, показанных линиями на рис. 1. Часть из вновь созданных трасс расположена вдоль существующих путей сигналов эксперимента “THETIS-2” для сравнения результатов традиционной и динамической АТО, остальные дают дополнительное горизонтальное разрешение.

Погрешность измерения взаимного удаления приемника и источника в нашем эксперименте составляла не менее 30 м. Такая точность недостаточна для использования абсолютных времен распространения звука, поэтому при реконструкции среды был применен метод разностной томографии [10], в котором исходными данными для инверсии служат разности времен распространения собственных лучей. В условиях эксперимента MOST значительная часть временной картины сигнала состоит из неразрешаемых во времени поздних приходов. В результате их интерференции образуются максимумы сигнала, не соответствующие ни каким собственным лучам. В этом случае обычная схема линейной лучевой инверсии [1-3] непригодна. Для использования информации, содержащейся в поздних приходах, был предложен оригинальный метод согласованного поля во временной области [5, 8]. Результаты инверсии двумерного поля скорости звука вдоль двух разрезов вблизи источника H и на трассе S-W2 показали хорошее соответствие с данными прямых гидрологических измерений [5, 8, 11].

Проведенное исследование позволяет сделать ряд выводов и практических рекомендаций:

Данная работа выполнена при частичной поддержке ИНТАС (проект 93-0557) и РФФИ (проект 95-05-14616). Авторы глубоко признательны акад. Л. М. Бреховских за постоянный интерес к проводимому исследованию и всестороннее содействие в организации экспедиции НИС «Академик С. Вавилов», а также д-рам U. Send (IfM, Kiel), Y. Desaubies (IFREMER, Brest) и M. Taroudakis (IACM / FORTH, Heraklion, Crete) за организацию калибровки CTD-зонда, предоставление данных об эксперименте “THETIS-2”, координацию работы и плодотворные научные обсуждения.

Литература

  1. Munk, W. H., and C. Wunsch, “Ocean acoustic tomography: a scheme for large-scale monitoring,” Deep-Sea Res., vol. A26, No. 2, pp. 123-161, 1979.
  2. Munk, W. H., and C. Wunsch, “Observing the ocean in 1990's,” Philos. Trans. Roy. Soc. L., vol. A307, No. 1499, pp. 439-464, 1982.
  3. Munk, W. H., and C. Wunsch, “Ocean acoustic tomography: rays and modes,” Rev. Geophys. Space Phys., vol. 21, No. 4, pp. 777-793, 1983.
  4. Skarsoulis, E. K., G. A. Athanassoulis, and U. Send, “Ocean acoustic Tomography Based on Peak Arrivals,” Journ. Acoust. Soc. Amer., in print.
  5. Гончаров В. В., “Метод согласованных временных откликов в акустической томографии океана”. Ак. Журн., т. 43, №5, с. 622-629, 1997.
  6. P. Worcester, “Reciprocal acoustic transmission in a midocean environment,” J. Acoust. Soc. Amer., vol. 62, No. 4, pp. 895-905, 1977.
  7. Cornuelle, B., W. Munk, and P. Worcester, “Ocean acoustic tomography from ships,” J. Geophys. Res., vol. 94, No. C5, pp. 6232-6250, 1989.
  8. Taroudakis, M., L. M. Brekhovskikh, O. A. Godin, D. Yu. Mikhin, et al., “Comparison between 3 approaches to the ocean acoustic tomography: field experiment and numerical simulations,” the final report of INTAS-93-0557 project, 1996, http://rav.sio.rssi.ru.
  9. Варакин Л. Е., “Системы связи с шумоподобными сигналами”. М.: Радио, 1985, 297 с.
  10. Гончаров В. В., Куртепов В. М., “Численные эксперименты по томографии океана”. В кн.: Акустика океанской среды. Под ред. Л. М. Бреховских, И. Б. Андреевой. М.: Наука, 1989, с. 107-115.
  11. Гончаров В. В., “Метод согласованного поля в задачах акустической томографии океана”, в настоящем сборнике.